CN104763323A - 一种旋冲挤密双向气动冲击矛 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋冲挤密双向气动冲击矛，包括依次连接的钻杆接头、双向配气机构、上传扭机构、冲击主体、下传扭机构和矛头，双向配气机构包括配气轴和配气外壳，冲击主体包括外缸、内缸套、配气座、芯管、活塞、內隔环和配气衬套，上传扭机构包括上轴套，下传扭机构包括传扭接头；配气轴设有位于第一轴向中心孔、第二轴向中心孔、轴向排气凹槽、“L”形沉槽、径向进气孔、径向排气孔、轴向进气孔和轴向排气孔；扁销径向安装于上轴套上且内端置于配气轴上的“L”形沉槽内；钻杆接头的下端置于配气轴的第一轴向中心孔内且与逆止阀的上端接触，逆止阀的下端设有弹簧。本发明所述旋冲挤密双向气动冲击矛能轻松实现在冻土、沙土、砂卵石层等地层钻孔。

Description

一种旋冲挤密双向气动冲击矛

技术领域

本发明涉及一种用中、低风压空压机驱动的气动冲击矛，尤其涉及一种旋冲挤密双向气动冲击矛。

背景技术

锚固技术在加固地下建筑物、基坑支护、稳定开挖边坡等工程中应用广泛。但松散土层、砂层及砂卵石地层松散、破碎，锚固孔钻进过程中易发生卡钻、埋钻、孔壁坍塌等问题，施工困难，难以形成有效锚固孔。砂卵石地层常用的钻孔施工方法主要是跟套管长螺旋回转钻进和跟管冲击回转钻进，但此类钻进方法钻进成本高，跟管深度受限制。

旋冲挤密钻进成孔过程中，矛头在冲击力、给进力以及回转扭矩的联合作用下，将矛头破碎的岩渣屑挤入地层，集冲击钻进、回转钻进、振动钻进及空气钻进方法的优点于一体，冲击能量大，钻进过程不排渣，钻进效率高，钻孔质量好，对环境无污染。但是，旋冲挤密钻进受地层条件限制，多用于松散的土层、砂层等地层锚固孔施工，遇砂卵石地层、卵砾石地层、孤石及漂石地层穿越困难。此外，松散土层、砂层及砂卵石地层，自稳能力差，成孔后钻孔掉块、缩径、埋钻事故时有发生。

授权公告号为“CN2017231446U”的实用新型专利，公开了一种双向潜孔锤，即为一种旋冲挤密气动冲击矛，其既能加压正向冲击回转钻进，又能实现上提过程中反向冲击。但是，上述双向潜孔锤存在如下问题：(1)配气结构复杂，进排气均需进过多道通道及环腔，且排气时处于打开状态的单向阀不能有效防止接卸钻杆时杂物倒灌；(2)活塞往复运动润滑需要通过向压缩空气中加注润滑油实现，需配备单独的注油设备；(3)外管与钻头通过螺纹固定联接，在冲击载荷作用下螺纹联接易发生损坏；(4)整体式阶梯钻头对回转钻进工况适应性差；(5)原浮动配气机构不能够在正冲击或反冲击状态下很好地保持工位，致使工作时正打反打冲击功不足。上述缺陷导致该双向潜孔锤在冻土、沙土、砂卵石层等地层钻孔的难度较大。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种适用于冻土、沙土、砂卵石层等地层钻孔的旋冲挤密双向气动冲击矛。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种旋冲挤密双向气动冲击矛，包括依次连接的钻杆接头、双向配气机构、上传扭机构、冲击主体、下传扭机构和矛头，其中，所述双向配气机构包括配气轴和配气外壳，所述冲击主体包括外缸、内缸套、配气座、芯管、活塞、內隔环和配气衬套，所述上传扭机构包括上轴套，所述下传扭机构包括传扭接头；所述钻杆接头的上端用于与钻杆连接，所述钻杆接头的下端与所述配气轴的上端连接，所述配气轴的下端与所述芯管的上端连接，所述上轴套与所述配气外壳的上端连接，所述配气外壳的下部与所述外缸的上端连接，所述传扭接头安装于所述外缸的下端和所述矛头的上端之间；所述配气轴设有位于上段且上端开口的第一轴向中心孔和位于下段且下端开口的第二轴向中心孔，所述第一轴向中心孔和所述第二轴向中心孔之间互不相通，所述配气轴的上段圆周表面均匀设有多个轴向排气凹槽，相邻的所述轴向排气凹槽之间设有“L”形沉槽，所述“L”形沉槽的长边为轴向方向且其短边靠近所述配气轴的上端，所述配气轴的下段圆周表面均匀设有多个径向进气孔和多个径向排气孔，所述配气轴的下段壁中设有多个轴向进气孔和多个轴向排气孔，所述轴向进气孔与所述径向进气孔一一对应且相互连通，所述径向进气孔与所述第一轴向中心孔相互连通，所述轴向排气孔与所述轴向排气凹槽一一对应且相互连通，所述径向排气孔与所述轴向排气孔和所述第二轴向中心孔均相互连通，部分所述轴向排气孔的下段内壁设置螺纹用于与所述芯管的上端连接；所述上传扭机构还包括扁销，所述扁销径向安装于所述上轴套上，所述扁销的内端置于所述配气轴上的“L”形沉槽内；所述钻杆接头的下端置于所述配气轴的所述第一轴向中心孔内，所述第一轴向中心孔内设有逆止阀，所述逆止阀的上端与所述钻杆接头的下端接触连接，所述逆止阀的下端与所述第一轴向中心孔的孔壁上的台阶之间安装有用于顶住所述逆止阀的弹簧，所述逆止阀上设有与所述第一轴向中心孔相通的阀孔。

上述结构中，配气轴、扁销和逆止阀的结构是本发明创新的重点，其中，配气轴用于实现冲击矛工作过程中进气、排气的交叉流动，配气轴的进气孔与排气孔圆周向交叉、均匀布置，其配气过程如下：压缩空气经钻杆接头、逆止阀进入配气轴的第一轴向中心孔，并通过径向进气孔、轴向进气孔进入配气外壳与芯管之间的环腔，到达冲击矛的工作腔，实现进气配流；从冲击主体的芯管内部排出的气体通过径向排气孔、轴向排气孔排出冲击矛，实现排气配流；扁销与“L”形沉槽配合可实现双向冲击，其原理为：配气轴圆周向均布数个“L”形沉槽，与上轴套内部环形布置的扁销配合，冲击矛在挤密钻进过程中扁销锁定在正冲击状态；在提钻过程中简单打一小角度反转，扁销沿“L”形沉槽滑动，芯管向上浮动，活塞往复运动行程改变，切换至反向冲击状态；逆止阀的作用在于：工作时，压缩空气推开逆止阀进入冲击矛的工作腔；接卸钻杆时，逆止阀在弹簧弹力作用下关闭进气通道，阻止孔内杂质倒灌进入冲击矛内部。

进一步，所述内缸套和所述配气衬套为可更换结构，所述配气衬套的上段圆周外壁上均匀设置有相互连通的多个轴向气体通道及多个径向气体通道，所述配气衬套的下段圆周外壁上均匀设置有多个润滑油脂轴向储存槽，所述润滑油脂轴向储存槽内储存有润滑油且其槽底设有与所述配气衬套的中心通孔相通的油孔。通过配气衬套圆周向均布的轴向气体通道及径向气体通道，可实现前气室气体的进入或排出。配气衬套圆周向均布的润滑油脂轴向储存槽内的润滑油脂通过油孔进入配气衬套内，可实现活塞往复运动过程中的自润滑。

具体地，所述油孔为两个且分别位于所述润滑油脂轴向储存槽的两端。

作为优选，所述矛头的外轮廓为海螺仿生结构，所述矛头的上端连接有砧座和密封罩组成，所述矛头与所述密封罩之间采用过盈配合联接，所述砧座的下部通过螺纹与所述矛头连接；所述传扭接头的上部通过螺纹与所述外缸的下端相连，所述传扭接头的下部与密封罩滑动联接，所述传扭接头的下部与所述密封罩之间设置滑动密封圈，所述下传扭机构还包括缓冲复位弹簧，所述缓冲复位弹簧设置于所述砧座与所述传扭接头之间。上述结构中，矛头的外轮廓为海螺仿生结构，即为不同的螺旋面，能适应不同的地层；传扭接头与密封罩通过滑动密封圈实现的滑动密封连接结构，使矛头与传扭接头之间可产生浮动，避免固定联接易产生破坏的问题；同时，滑动密封结构一方面可防止冲击矛内部孔道中气体外逸，另一方面可有效防止外部岩渣屑进入冲击矛内部。

作为优选，所述矛头的下端部及表面布置有硬质合金球齿，所述矛头内部设置有排气通道。矛头下端部及表面布置硬质合金球齿，用于冲击破碎或切削地层；矛头内部设置排气通道，用于冷却矛头切削齿及表面。

作为优选，所述芯管与所述砧座之间设置有回程弹簧。回程弹簧保证砧座在无外部载荷的情况下实现快速复位，确保冲击矛在提钻过程中不空打，保持连续的反击工况。

本发明的有益效果在于：

综上所述，本发明所述旋冲挤密双向气动冲击矛能轻松实现在冻土、沙土、砂卵石层等地层钻孔，具体优点如下：

(1)配气结构不是很复杂且因为均为轴向或径向孔，易于加工，进排气通过轴向孔和径向孔即可完成，且排气时由于逆止阀的作用能有效防止接卸钻杆时杂物倒灌；

(2)由于在配气衬套的下段圆周外壁上设置有润滑油脂轴向储存槽，其内的润滑油脂可进入活塞运动通道，活塞往复运动所需润滑不需要从压缩机加注，不需配备单独的注油设备，简化了压缩机结构，易于实施；

(3)冲击主体与矛头之间通过传扭接头采用滑动密封连接结构，使矛头与传扭接头之间可产生浮动，避免了固定联接易产生破坏的问题；

(4)矛头与砧座和密封罩连接形成分体式结构，对回转钻进工况适应性强；

(5)通过在上轴套和配气轴之间设置扁销并使扁销与“L”形沉槽配合，可实现双向冲击，并能在正向冲击和反向冲击之间轻松转换。

附图说明

图1是本发明所述旋冲挤密双向气动冲击矛的立体图；

图2是本发明所述旋冲挤密双向气动冲击矛的主视图；

图3是图2中的A-A剖视图，图中的冲击主体中段未剖视；

图4是本发明所述配气轴的立体图；

图5是本发明所述配气轴的主视剖视图；

图6是本发明所述配气衬套的立体图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1-图5所示，说明：下述上下方位以冲击矛使用时的方向为准，即钻杆接头1在上方，矛头6在下方；一种旋冲挤密双向气动冲击矛，包括依次连接的钻杆接头1、双向配气机构、上传扭机构、冲击主体、下传扭机构和矛头6，其中，所述双向配气机构包括配气轴8和配气外壳3，配气轴8和配气外壳3之间通过密封螺钉9和上密封圈17连接，所述冲击主体包括外缸4、内缸套19、配气座11、芯管14、活塞20、內隔环12和配气衬套13，外缸4的上、下外壁上设有螺旋凸台18，可避免成孔过程中外缸4与孔壁大面积接触，降低冲击矛的发热量，所述上传扭机构包括上轴套2和扁销15，所述下传扭机构包括传扭接头5和缓冲复位弹簧22；钻杆接头1的上端用于与钻杆(图中未示)连接，钻杆接头1的下端与配气轴8的上端连接，配气轴8的下端与芯管14的上端连接，上轴套2与配气外壳3的上端连接，配气外壳3的下部与外缸4的上端连接，传扭接头5安装于外缸4的下端和矛头6的上端之间；配气轴8设有位于上段且上端开口的第一轴向中心孔88和位于下段且下端开口的第二轴向中心孔89，第一轴向中心孔88和第二轴向中心孔89之间互不相通，配气轴8的上段圆周表面均匀设有多个轴向排气凹槽82，相邻的轴向排气凹槽82之间设有“L”形沉槽81，“L”形沉槽81的长边为轴向方向且其短边靠近配气轴8的上端，配气轴8的下段圆周表面均匀设有多个径向进气孔83和多个径向排气孔84，配气轴8的下段壁中设有多个轴向进气孔86和多个轴向排气孔87，轴向进气孔86与径向进气孔83一一对应且相互连通，径向进气孔83与第一轴向中心孔88相互连通，轴向排气孔87与轴向排气凹槽82一一对应且相互连通，径向排气孔84与轴向排气孔87和第二轴向中心孔89均相互连通，部分轴向排气孔87的下段内壁设置螺纹形成螺孔85用于与芯管14的上端连接；上轴套2上径向安装有扁销15，扁销15的内端置于配气轴8上的“L”形沉槽81内；钻杆接头1的下端置于配气轴8的第一轴向中心孔88内，第一轴向中心孔88内设有逆止阀7，逆止阀7的上端与钻杆接头1的下端接触连接，逆止阀7的下端与第一轴向中心孔88的孔壁上的台阶之间安装有用于顶住逆止阀7的弹簧16，逆止阀7上设有与第一轴向中心孔88相通的阀孔10。

如图3和图6所示，内缸套19和配气衬套13为可更换结构，配气衬套13的上段圆周外壁上均匀设置有相互连通的多个轴向气体通道26及多个径向气体通道27，配气衬套13的下段圆周外壁上均匀设置有多个润滑油脂轴向储存槽29，润滑油脂轴向储存槽29内储存有润滑油(图中未示)且其槽底设有与配气衬套13的中心通孔相通的第一油孔28和第二油孔30，第一油孔28和第二油孔30分别位于润滑油脂轴向储存槽29的两端。

如图1、图2和图3所示，矛头6的外轮廓为海螺仿生结构，矛头6的下端部及表面布置有硬质合金球齿，矛头内部设置有排气通道，矛头6的上端连接有砧座24和密封罩25组成，矛头6与密封罩25之间采用过盈配合联接，砧座24的下部通过螺纹与矛头6连接；传扭接头5的上部通过螺纹与外缸4的下端相连，传扭接头5的下部与密封罩25滑动联接，传扭接头5的下部与密封罩25之间设置滑动密封圈23，砧座24与传扭接头5之间设置有缓冲复位弹簧22；芯管14与砧座24之间设置有回程弹簧21。

如图1-图6所示，使用时，本冲击矛上端的钻杆接头1与钻机的钻杆连接，向下冲击钻进过程中，压缩空气经钻杆进入钻杆接头1的中心孔内，推开逆止阀7进入配气轴8的第一轴向中心孔88内，经过配气轴8的径向进气孔83、轴向进气孔86，并通过配气座11进入冲击主体的外缸4与内缸套19之间的环状间隙，进入冲击矛的后气室，推动活塞20加速下行，以较高的冲击末速度击打砧座24，冲程结束，活塞20将冲击功传递给矛头6，实现旋冲挤密钻进；与此同时，冲击矛的前气室的空气经配气衬套13的轴向气体通道26、径向气体通道27和芯管14下端的排气孔进入芯管14的内部，大部分气体经由配气轴8的径向排气孔84、轴向排气孔87排出，小部分气体经过矛头6上所开的通道排出，用于冷却矛头6及硬质合金球齿，保证钻进过程中矛头6的温度不至过高；活塞20上行过程中，压缩空气经过配气轴8的径向进气孔83、轴向进气孔86进入冲击主体的外缸4与内缸套19之间的环状间隙，经由内缸套19上所开进气孔道，进入冲击矛的后气室，推动活塞20上行至初始位置，如此往复，配合钻杆旋转，可实现旋冲挤密钻进；冲击矛的前气室的压缩空气经芯管14上端的排气孔进入芯管14的内部，进而经由配气轴8沿径向排气孔84排出，进入钻孔环空返至地表。

冲击矛的正反冲击功能是通过下压或上提芯管14，改变活塞20的配气行程实现的。利用扁销15与带有锁紧槽的配气轴8，通过合理配气可实现活塞20向下高速冲击，而向上回程终了冲击砧座24的速度极低。当上提芯管14切换至反冲击状态时，活塞20向下加速冲程减小，回程加速段增长且缓冲作用减弱，使活塞20获得较高的返程冲击末速击打砧座24，砧座24与外缸4刚性连接，从而实现将活塞20的回程动量交换给冲击矛的反冲击作用。

上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。

Claims (6)

1.一种旋冲挤密双向气动冲击矛，包括依次连接的钻杆接头、双向配气机构、上传扭机构、冲击主体、下传扭机构和矛头，其中，所述双向配气机构包括配气轴和配气外壳，所述冲击主体包括外缸、内缸套、配气座、芯管、活塞、內隔环和配气衬套，所述上传扭机构包括上轴套，所述下传扭机构包括传扭接头；所述钻杆接头的上端用于与钻杆连接，所述钻杆接头的下端与所述配气轴的上端连接，所述配气轴的下端与所述芯管的上端连接，所述上轴套与所述配气外壳的上端连接，所述配气外壳的下部与所述外缸的上端连接，所述传扭接头安装于所述外缸的下端和所述矛头的上端之间；其特征在于：所述配气轴设有位于上段且上端开口的第一轴向中心孔和位于下段且下端开口的第二轴向中心孔，所述第一轴向中心孔和所述第二轴向中心孔之间互不相通，所述配气轴的上段圆周表面均匀设有多个轴向排气凹槽，相邻的所述轴向排气凹槽之间设有“L”形沉槽，所述“L”形沉槽的长边为轴向方向且其短边靠近所述配气轴的上端，所述配气轴的下段圆周表面均匀设有多个径向进气孔和多个径向排气孔，所述配气轴的下段壁中设有多个轴向进气孔和多个轴向排气孔，所述轴向进气孔与所述径向进气孔一一对应且相互连通，所述径向进气孔与所述第一轴向中心孔相互连通，所述轴向排气孔与所述轴向排气凹槽一一对应且相互连通，所述径向排气孔与所述轴向排气孔和所述第二轴向中心孔均相互连通，部分所述轴向排气孔的下段内壁设置螺纹用于与所述芯管的上端连接；所述上传扭机构还包括扁销，所述扁销径向安装于所述上轴套上，所述扁销的内端置于所述配气轴上的“L”形沉槽内；所述钻杆接头的下端置于所述配气轴的所述第一轴向中心孔内，所述第一轴向中心孔内设有逆止阀，所述逆止阀的上端与所述钻杆接头的下端接触连接，所述逆止阀的下端与所述第一轴向中心孔的孔壁上的台阶之间安装有用于顶住所述逆止阀的弹簧，所述逆止阀上设有与所述第一轴向中心孔相通的阀孔。

2.根据权利要求1所述的旋冲挤密双向气动冲击矛，其特征在于：所述内缸套和所述配气衬套为可更换结构，所述配气衬套的上段圆周外壁上均匀设置有相互连通的多个轴向气体通道及多个径向气体通道，所述配气衬套的下段圆周外壁上均匀设置有多个润滑油脂轴向储存槽，所述润滑油脂轴向储存槽内储存有润滑油且其槽底设有与所述配气衬套的中心通孔相通的油孔。

3.根据权利要求2所述的旋冲挤密双向气动冲击矛，其特征在于：所述油孔为两个且分别位于所述润滑油脂轴向储存槽的两端。

4.根据权利要求1所述的旋冲挤密双向气动冲击矛，其特征在于：所述矛头的外轮廓为海螺仿生结构，所述矛头的上端连接有砧座和密封罩组成，所述矛头与所述密封罩之间采用过盈配合联接，所述砧座的下部通过螺纹与所述矛头连接；所述传扭接头的上部通过螺纹与所述外缸的下端相连，所述传扭接头的下部与密封罩滑动联接，所述传扭接头的下部与所述密封罩之间设置滑动密封圈，所述下传扭机构还包括缓冲复位弹簧，所述缓冲复位弹簧设置于所述砧座与所述传扭接头之间。

5.根据权利要求4所述的旋冲挤密双向气动冲击矛，其特征在于：所述矛头的下端部及表面布置有硬质合金球齿，所述矛头内部设置有排气通道。

6.根据权利要求4或5所述的旋冲挤密双向气动冲击矛，其特征在于：所述芯管与所述砧座之间设置有回程弹簧。