CN115961880A - 一种高能高频冲击器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高能高频冲击器，它的上接头通过螺纹与外缸连接，外缸下端通过螺纹与花键套连接，钻头的花键与花键套上的花键槽配合并设置有半圆卡，在外缸内部，密封套、缸套、内缸和压盖从下至上依次密封对接；活塞上部滑动密封套在内缸内、活塞中部有间隙地穿过缸套、活塞下部径向缩小并经密封套滑动密封后伸出与钻头顶面接触；下心管滑动密封插接在活塞中心孔内，下心管顶部帽沿与内缸形成过盈配合，上心管下部管筒与下心管上部管口过盈密封对接，阀芯夹在上心管中部外周与压盖及内缸结合部之间滑动密封；上心管上部穿过压盖中心孔。本发明的技术效果是：提高了阀芯运行寿命，又增大了阀芯控制的流体通道截面积，克服了钻体的径向振动。

Description

一种高能高频冲击器

技术领域

本发明属于钻探工具，具体涉及一种液动冲击器，用于针对硬岩快速钻进的各类钻孔。

背景技术

液动冲击回转钻进方式是目前能量利用率最高的潜孔冲击钻进，与空气潜孔锤回转钻进方式相比，液动冲击回转钻进方式具有孔口无粉尘污染，工作噪音小等优点。但现有液动冲击器冲击功与频率均较低，平均机械钻速显著低于风动潜孔锤。

中国专利文献CN 113585960 A于2021年11月2日公开了一种中心转阀式液动冲击器，该专利采用中心转阀结构实现了液动冲击器活塞高频高速运动。但因其中心转阀上下腔体分别位于高压端和低压端，导致中心转阀受到不平衡压力作用，中心转阀在使用一段时间后端面会出现严重磨损情况，导致其旋转出现卡顿、冲击不连续等现象，其工作寿命较短，不能满足工程要求。

中国专利文献CN 111877978 A于2020年11月3日公开了一种液动冲击器，该专利在上接头、外缸、外管组成的管筒内，由上至下依次布设有阀盖、阀座、缸套、内缸、内缸盖、活塞和锤子，阀座内部装有阀套和阀芯，锤子底面触击钻头顶面。该专利存在的问题有：

1、阀芯上开有上下两组径向孔，形成上腔流体流入控制口b和上腔流体排出控制口e，与阀套上的c流体通道及上腔排空通道d实现配流，因在整个冲击器工作过程中，阀芯会配合活塞做高频往复运动，阀芯上设置多组小孔显著降低阀芯结构强度，导致阀芯在使用过程中寿命较短。同时，为确保阀芯能够快速响应活塞切换信号，阀芯设计时要求质量足够小，导致整个阀芯的尺寸较小，采用阀芯上开小孔b与阀套的c流体通道实现配流的过流断面积较小，压力损失较大，冲击器能量利用率低。

2、冲击器缸套外圈设有上腔排空通道d，缩小了冲击器的径向空间、减小了活塞的截面积，降低了活塞的冲击动力。采用活塞与冲锤两个分离体，由于冲锤与外管间具有较大间隙，冲锤在高速往复运动产生径向活动，导致冲击外管使钻体的径向振动扰动钻孔，致使钻孔塌孔卡钻等钻孔事故。

基于此，为了实现能与风动潜孔锤机械钻速、钻进能力相当的液动冲击器，必须对现有技术进行结构改进。

发明内容

针对现有液动冲击器存在的问题，本发明所要解决的技术问题就是提供一种高能高频冲击器，它既能提高转阀或阀芯运行寿命，又能减小流体压力损失、提高冲击器能量利用率，还能克服钻体的径向振动。

本发明所要解决的技术问题是通过这样的技术方案实现的，它包括上接头、压盖、上心管、阀芯、下心管、内缸、活塞、缸套、密封套、外缸、半圆卡、花键套和钻头；所述上接头通过螺纹与外缸连接，外缸下端通过螺纹与花键套连接，钻头的钻头体花键与花键套上的花键槽配合，形成可轴向运动的装配体，半圆卡卡在钻头体花键上部的环形槽内，并挡在花键套的顶面；

在外缸内部，密封套、缸套、内缸和压盖从下至上依次密封对接，其中密封套及缸套与外缸内壁密封接合，内缸及压盖与外缸内壁间隙配合；密封套底部由外缸的凸台轴向限位，压盖的顶部由上接头底端面轴向限位；

活塞上部滑动密封套在内缸内、活塞中部有间隙地穿过缸套、活塞下部径向缩小并经密封套滑动密封后伸出与钻头顶面接触；活塞上腔由内缸内壁、下心管外周及顶面的内缸中部台阶与下心管顶部帽沿结合部构成，下心管顶部帽沿开有通孔接通活塞上腔；活塞下腔由密封套、缸套及活塞下部缩径圆周壁构成；

下心管滑动密封插接在活塞中心孔内，下心管顶部帽沿与内缸形成过盈配合，并被内缸中部台阶轴限位；上心管下部管筒与下心管上部管口过盈密封对接，上心管为两头小、中部大的圆柱体，上心管底面开有沉孔，阀芯夹在上心管中部外周与压盖及内缸结合部之间滑动密封；上心管上部穿过压盖中心孔，上心管顶面由上接头内孔台阶轴向限位。

本发明的优点是：

1、本发明不在阀芯开设配流孔，保障了阀芯结构强度，提高了阀芯的使用寿命；

2、由阀芯控制的流体通道截面积增大到现有技术的阀芯开孔面积的4倍以上，有效提高了冲击器的能量利用率；

3、把现有技术的上腔排空通道位于缸套外圈改为布设于活塞中心孔，大幅节约了冲击器的径向空间以增大冲击器活塞断面积，在同等质量活塞情况下，大幅缩短活塞长度。再将CN 111877978 A中的活塞与冲锤做成一体，同时活塞下段与外缸间采用了密封套严格密封结合，使活塞与缸体之间能够紧密配合，解决了现有技术中的冲锤与外管大间隙导致钻体的径向振动的问题。

附图说明

本发明的附图说明如下：

图1为本发明一个实施例的上段结构示意图；

图2为本发明一个实施例的下段结构示意图；

图3为图1中A部放大图；

图1与图2构成一个整体。

图中，1、上接头；2、过滤器；3、压盖；4、上心管；5、阀芯；6、下心管；7、内缸；8、活塞；9、缸套；10、密封套；11、外缸；12限位套；13、半圆卡；14、花键套；15、钻头；

i、活塞上腔；m、活塞下腔；I、内缸台阶；II、活塞台阶。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

为了清楚描述发明内容，本专利申请使用方位词“上”、“下”进行区别，所述“上”、“下”是依据以上附图的布设方位来确定的，在本发明的实际使用方向发生改变，其方位的称谓随之改变，不能视为对专利保护范围的限制。

如图1和图2所示，本发明的一个实施例包括上接头1、过滤器2、压盖3、上心管4、阀芯5、下心管6、内缸7、活塞8、缸套9、密封套10、外缸11、限位套12、半圆卡13、花键套14和钻头15；所述上接头1通过螺纹与外缸11连接，外缸11下端通过螺纹与花键套14连接，钻头15的钻头体花键与花键套14上的花键槽配合，形成可轴向运动的装配体，半圆卡13卡在钻头体花键上部的环形槽内，并挡在花键套14的顶面，防止钻头15从花键套14中脱落；限位套12套在钻头体外围，限位套12上顶面抵紧外缸11的凸台、限位套12下底面压在半圆卡13上，对半圆卡13限位；

在外缸11内部从下至上安装有密封套10、缸套9、内缸7和压盖3，其中密封套10及缸套9与外缸11内壁密封接合，内缸7及压盖3与外缸11内壁间隙配合；密封套10、缸套9、内缸7、压盖3相互之间密封对接，密封套10底部由外缸11的凸台轴向限位，压盖3的顶部由上接头1底端面轴向限位；

活塞8上部滑动密封套在内缸7内、活塞8中部有间隙地穿过缸套9、活塞8下部径向缩小并经密封套10滑动密封后伸出与钻头15顶面接触；活塞上腔i由内缸7内壁、下心管6外周及顶面的内缸7中部台阶与下心管6顶部帽沿结合部构成，下心管6顶部帽沿开有通孔接通活塞上腔i，活塞下腔m由密封套10、缸套9及活塞8下部缩径圆周壁构成；

下心管6滑动密封插接在活塞8中心孔内，下心管6顶部帽沿与内缸7形成过盈配合，并被内缸7中部台阶轴限位；上心管4下部管筒与下心管6上部管口过盈密封对接，上心管4为两头小、中部大的圆柱体，上心管4底面开有沉孔，阀芯5夹在上心管4中部外周与压盖3及内缸7结合部之间滑动密封；如图3所示，阀芯5中部为弓形弯曲体，弓形弯曲体上设有下部缩小的微台阶，内缸7对应于阀芯5弓形弯曲体下部留有缝隙，并在阀芯下移的行程处设有微凸台与弓形弯曲体下部贴合。上心管4上部穿过压盖3中心孔，上心管4顶面与上接头1内孔台阶之间还装有过滤器2，能对上心管4顶面轴向限位。过滤器2用于过滤高压流体中的渣滓。

上接头1中心孔构成a流体通道, 上接头1下部内置空间构成b流体通道，由压盖3内口壁、上心管4上部外壁和阀芯5顶面构成c流体空间，压盖3顶面通孔和压盖3及内缸7外壁与外缸11间隙形成d流体通道；如图3所示，内缸7上部对应于阀芯5滑动段位置径向开有g流体通道，由压盖3下底面、内缸7上部台阶扩孔壁和阀芯5弓形弯曲体外壁围成e流体空间，阀芯5弓形弯曲体内壁与上心管4外壁构成f流体通道，上心管4沉孔的上部径向开口构成h流体通道。下心管6中心孔的中部径向开口形成j流体通道，内缸7竖直通孔及通孔底部开口形成n流体通道，内缸7下部径向开口构成k流体通道，内缸7在k流体通道口上沿设有内缸台阶I；活塞8中心孔的上部径向开口构成 l流体通道，活塞8在 l流体通道口下方设有活塞台阶II，由上心管4沉孔、下心管6中心孔、活塞8中心孔及钻头15中心孔构成o流体通道。

本发明实施例的工作原理：

在初始状态，高压流体从a流体通道通过过滤器2后进入到b流体通道、c流体空间、d流体通道，并通过g流体通道和k流体通道，分别进入活塞上腔i和活塞下腔m，进入活塞下腔m的流体同时通过n流体通道进入到e流体空间中，由于阀芯5中部弓形弯曲体上有下部缩小的微台阶，阀芯5在c流体空间和e流体空间中的截面积之和大于在活塞上腔i内的截面积，虽然阀芯5上下的压强相等，但阀芯5上端面的受力大于下断面，阀芯5在力差的作用下向下移动，并将g流体通道与活塞上腔i隔断，同时使活塞上腔i与f流体通道及h流体通道、o流体通道联通（o流体通道连通钻头15外部空间，钻头剖面图未剖切该连通位置），活塞上腔i内流体压力降低，活塞在活塞下腔m内的高压流体作用下向上运动。

当活塞台阶II向上移动到与内缸台阶I接触时，n流体通道与活塞下腔m隔断，在继续上移一段位移后，n流体通道通过 l流体通道与j流体通道、o流体通道联通，流体空间e内高压流体流出，此时阀芯下端受力大于上端，阀芯在力差作用下向上移动，使流体通道g与活塞上腔i联通，并隔断活塞上腔i与h流体通道，活塞上腔i进入高压流体，由于活塞8在活塞上腔i的断面积大于在活塞下腔m的断面积，活塞8在力差作用下先向上做减速运动并逐渐反向向下做加速运动，直至冲击钻头尾部，完成活塞与阀芯运动的一次循环，如此往复，形成高频冲击作用。

本发明的技术效果为：

1、与文献CN 113585960 A转阀结构相比，本发明实施例的阀芯5采用线性滑动运动的模式实现切换，其运动过程本身需要阀芯两端具有一定压差才能实现，解决了中心转阀式液动冲击器不适应阀芯两端液力压差导致的快速磨损问题，显著延长了冲击器使用寿命。

2、与文献CN 111877978 A的液动冲击器相比，本发明实施例通过阀芯5端面与缸体的配合实现配流，不采用阀芯开孔配流，保障了阀芯结构强度，提高了阀芯的使用寿命。且在阀芯质量相同的情况下，由阀芯控制的流体通道g的截面积能增大到现有技术的阀芯开孔面积的4倍以上，有效提高了冲击器的能量利用率。

3、与文献CN 111877978 A的液动冲击器相比，本发明实施例将冲击器的排空通道由位于缸套外圈的上腔排空通道d改为布设于活塞中心的o流体通道，大幅节约了冲击器的径向空间以增大冲击器活塞断面积，在同等质量活塞情况下，大幅缩短活塞长度。同时能够将CN 111877978 A中的活塞与冲锤做成一体，同时活塞下段与外缸11间采用了密封套10严格密封结合，使活塞与缸体之间能够紧密配合，解决了现有技术中的冲锤与外管大间隙导致钻体的径向振动的问题。

根据本实施例制作的一台以高压水作为动力介质的液动冲击器，其具有活塞冲击末速度大（供应水压14MPa时冲击末速度可达12m/s），冲击频率高的显著优点，在硬岩中的钻进速度可达现有风动潜孔锤的2倍以上，钻进效率显著提高。

Claims (5)

1.一种高能高频冲击器，包括上接头（1）、压盖（3）、上心管（4）、阀芯（5）、下心管（6）、内缸（7）、活塞（8）、缸套（9）、密封套（10）、外缸（11）、半圆卡（13）、花键套（14）和钻头（15）；所述上接头（1）通过螺纹与外缸（11）连接，外缸（11）下端通过螺纹与花键套（14）连接，钻头（15）的钻头体花键与花键套（14）上的花键槽配合，形成可轴向运动的装配体，半圆卡（13）卡在钻头体花键上部的环形槽内，并挡在花键套（14）的顶面，其特征是：

在外缸（11）内部，密封套（10）、缸套（9）、内缸（7）和压盖（3）从下至上依次密封对接，其中密封套（10）及缸套（9）与外缸（11）内壁密封接合，内缸（7）及压盖（3）与外缸（11）内壁间隙配合；密封套（10）底部由外缸（11）的凸台轴向限位，压盖（3）的顶部由上接头（1）底端面轴向限位；

活塞（8）上部滑动密封套在内缸（7）内、活塞（8）中部间隙地穿过缸套（9）、活塞（8）下部径向缩小并经密封套（10）滑动密封后伸出与钻头（15）顶面接触；活塞上腔由内缸（7）内壁、下心管（6）外周及顶面的内缸（7）中部台阶与下心管（6）顶部帽沿结合部构成，下心管（6）顶部帽沿开有通孔接通活塞上腔；活塞下腔由密封套（10）、缸套（9）及活塞（8）下部缩径圆周壁构成；

下心管（6）滑动密封插接在活塞（8）中心孔内，下心管（6）顶部帽沿与内缸（7）形成过盈配合，并被内缸（7）中部台阶轴限位；上心管（4）下部管筒与下心管（6）上部管口过盈密封对接，上心管（4）为两头小、中部大的圆柱体，上心管（4）底面开有沉孔，阀芯（5）夹在上心管（4）中部外周与压盖（3）及内缸（7）结合部之间滑动密封；上心管（4）上部穿过压盖（3）中心孔，上心管（4）顶面由上接头（1）内孔台阶轴向限位。

2.根据权利要求1所述的高能高频冲击器，其特征是：阀芯（5）中部为弓形弯曲体，弓形弯曲体上设有下部缩小的微台阶，内缸（7）对应于阀芯（5）弓形弯曲体下部留有缝隙，并在阀芯下移的行程处设有微凸台与弓形弯曲体下部贴合。

3.根据权利要求2所述的高能高频冲击器，其特征是：还包括过滤器（2），所述过滤器（2）装在上心管（4）顶面与上接头（1）内孔台阶之间。

4.根据权利要求3所述的高能高频冲击器，其特征是：还包括限位套（12），所述限位套（12）套在钻头体外围，限位套（12）上顶面抵紧外缸（11）的凸台、限位套（12）下底面压在半圆卡（13）上，对半圆卡（13）限位。

5.根据权利要求2、3或4所述的高能高频冲击器，其特征是：上接头（1）中心孔构成a流体通道, 上接头（1）下部内置空间构成b流体通道，由压盖（3）内口壁、上心管（4）上部外壁和阀芯（5）顶面构成c流体空间，压盖（3）顶面通孔和压盖（3）及内缸（7）外壁与外缸（11）间隙形成d流体通道；内缸（7）上部对应于阀芯（5）底部滑动段位置径向开有g流体通道，由压盖（3）下底面、内缸（7）上部台阶扩孔壁和阀芯（5）弓形弯曲体外壁围成e流体空间，阀芯（5）弓形弯曲体内壁与上心管（4）外壁构成f流体通道, 上心管（4）沉孔的上部径向开口构成h流体通道；下心管（6）中心孔的中部径向开口形成j流体通道，内缸（7）竖直通孔及通孔底部开口形成n流体通道，内缸（7）下部径向开口构成k流体通道，内缸（7）在k流体通道口上沿设有内缸台阶I；活塞（8）中心孔的上部径向开口构成l流体通道，活塞（8）在l流体通道口下方设有活塞台阶II，由上心管（4）沉孔、下心管（4）中心孔、活塞（8）中心孔及钻头（15）中心孔构成o流体通道。

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