CN103501964B - 冲击构件以及包括冲击构件的钻机 - Google Patents
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Abstract
一种用于钻机的圆柱形冲击构件(2)，其中圆柱形冲击构件(2)适用于将动能传递到冲击接收构件(4)。冲击构件具有直径dmax，并且包括侧表面(12)和冲击表面(6)。冲击构件适用于将动能通过冲击表面的环形成形的有效表面而传递到冲击接收构，其中环形成形的有效表面相对于冲击构件的横剖面同心，环形成形的有效表面具有直径da，其中da<dmax，并且环形成形的有效表面具有宽度wa，在与冲击接收构件相接触的时刻期间，宽度wa小于0.2dmax。
Description
技术领域
本发明涉及一种根据独立权利要求的前序部分的冲击构件以及包括冲击构件的钻机。根据具体实施方式，冲击构件为冲击活塞。
背景技术
液压和气动钻机包括诸如冲击活塞之类的冲击构件，以将冲击波传递到诸如柄部之类的冲击接收构件，冲击接收构件将这些冲击波传递到钻杆，其中钻杆经由凿岩冠部穿透岩石。
冲击活塞优选为使用大约40-100赫兹的频率进行冲击，并且冲击活塞的冲程速率大约为10米／秒，因此冲击活塞会受到较高的应力。
例如如果在大约1000小时之后将冲击活塞更换，则冲击活塞在此期间会受到大量的载荷变化，这增加了疲劳失效的风险。将冲程速率增加到12.5-13米／秒将会是有利的。
存在多种方式来设计冲击活塞的冲击表面。图2a-2c中示意性地示出了多种已知的设计。
在图2a中示出了冲击活塞，该冲击活塞具有平坦的冲击表面并且设置有到侧表面的2毫米(附图中示出)或3毫米的过渡半径(R2、R3)。
作为替代，提供了与冲击表面相关联的倒角，其中角度在15-45度的区间之内。这在图2b中示出。
根据又一替代，冲击活塞设置有覆盖整个表面的半径，整个表面具有在200-1000毫米的区间内的过渡半径(R200-R1000)。这种替代在图2c中示出。
英国专利文献GB-324265公开了一种锤击凿岩机，该锤击凿岩机包括具有冲击表面的冲击活塞，冲击表面成形为使得运动部件上的载荷因操作工具安装成没有对齐而减小。因此，冲击活塞的冲击表面具有球形凹面形状，并且柄部具有相应的球形凸面形状。
在公布的专利申请GB-2136725中，已知一种具有冲击装置的钻锤，其中冲击装置具有截头圆锥形的冲击头，也就是说，在侧表面与冲击表面之间的过渡部分呈倒角。
在US-6,273,199中公开了一种能够应用于凿岩的装置，该装置包括冲击活塞和柄部。
并且最后，美国专利申请US-2009／0133893公开了一种具有往复运动的冲击活塞的手持式工具。活塞设置有球形冲击表面。
存在有实心冲击活塞以及设置有中央纵向开口的冲击活塞。
柄部-冲击活塞将冲击波传递到柄部-可以在受冲击活塞撞击的表面处设置有所谓的定位销孔。定位销孔是与柄部的制造相关联的中央定位孔。定位销孔可以具有例如为8毫米的直径。
定位销孔在冲击活塞的冲击表面的中央部分上带来了特定的应力。由于冲击表面受到了较大的力，已经确定的是：中心部分会承受材料运动，其中材料运动可以简要地解释为冲击活塞的位于定位销孔上的部分在冲击方向上“运动”。
此处需要重点提及的是：相比于冲击活塞，柄部会更经常地损坏并更换。
此外，已经确定的是：由于例如衬套和所谓的导向套筒的损坏，冲击活塞不会在每次冲击中完全呈直线地撞击柄部。这导致了在接触表面处具有较高的接触应力。
因此，鉴于对现有技术的以上讨论，本发明的目的是实现冲击构件的前部的改进的设计，这种改进的设计使应力集中最小化，并且从而增加冲击构件的寿命，这对经济性是有利的。
发明内容
通过根据独立权利要求的本发明实现了上述目的。
在从属权利要求中说明了优选实施方式。
根据本发明，冲击构件设置有环形成形的有效表面，该环形成形的有效表面相对于冲击构件的横剖面同心，该环形成形的有效表面具有比冲击活塞的直径更小的直径，并且有效表面具有这样的宽度：在与冲击接收构件相接触的时刻期间，有效表面的宽度显著小于冲击活塞的直径。这适用于冲击构件与冲击接收构件之间的直线冲击。
当应用根据本发明的冲击构件时，测试已经示出：冲程速率可以增加至少20％，从例如10米／秒增加到12米／秒之上。此外，实现了以下优点：通过以现今通常使用的冲程速率来使用根据本发明的冲击构件，获得了更长的寿命，并且获得了更好的抗非直线冲击性。
根据本发明，冲击表面具有使应力集中最小化的形状。由于环形成形的有效表面，使得接触点远离侧表面并且更靠近冲击表面的中心，这有利于实现之后施加到冲击构件的力的更加均匀的分布。
仍同冲击构件与冲击接收构件之间的非直线冲击相关联地，根据本发明还实现了更加有利的应力集中最小化，这是由于：例如接触表面更大，并且接触点远离侧表面且更接近冲击表面的中心。
根据优选实施方式，冲击表面的中央部分设置有凹部，凹部在其最中央的部分中设置有中心销。通过中心销，已经观察到：冲击波远离冲击构件的中央部分传播，这有利于使冲击构件的中央部分接下来不会受到极端的载荷。
附图说明
图1是示意性地示出了可以应用本发明的钻机的部件的侧视图。
图2a-2c是示意性地示出了不同的已知形状的冲击表面的侧视图。
图3是示意性地示出了根据本发明的第一实施方式的冲击活塞的前部的侧视图。
图4是示意性地示出了根据本发明的第二实施方式的冲击活塞的前部的侧视图。
图5a-5c是示意性地示出了根据本发明的第一实施方式的在直线冲击期间的冲击表面的、迎着冲击方向的正视图。
图6a-6c是示意性地示出了根据本发明的第二实施方式的在直线冲击期间冲击表面的、迎着冲击方向的正视图。
图7a和7b分别示出了根据现有技术的冲击表面和根据本发明的第一实施方式的冲击表面。
图8a和8b分别示出了根据现有技术的冲击表面和根据本发明的第二实施方式的冲击表面。
具体实施方式
图1是本发明可以应用的钻机的部件的示意性视图。
在图1中通过示出冲击活塞形式的冲击构件以及该冲击构件与柄部相配合的方式，从而示出了本发明。但是，本发明总体上能够在钻机其它部件中应用，以传递冲击波。例如能够应用于冲击活塞与柄部之间、柄部与钻杆之间、以及钻杆与凿岩冠部之间。通过描述与冲击活塞相关联的应用，将详细地例举本发明。
因此，参照图1示出了冲击活塞2，该冲击活塞2适于执行由双箭头示出的往复运动。冲击活塞布置成将冲击活塞的冲击波形式的动能传递到柄部4。在冲击活塞的前表面-冲击表面6-与柄部的接触运动期间产生了冲击波。
冲击活塞和柄部具有基本为圆形的横剖面并且通过多个衬套8布置在钻机外壳(未示出)中，以使得能够在纵向方向上运动。附图中仅示意性地示出了衬套。当然的是，衬套的数量及其精确位置可以根据钻机的类型而变化。
旋转施加到柄部，柄部接下来将该动能以及冲击波的能量传递到钻杆(未示出)，钻杆相应地设置有用于凿岩的凿岩冠部(未示出)。
钻机的外壳包括在其前部并且围绕柄部的部件，可以将该部件打开以便于更换柄部。旋转通过马达(未示出)而产生并且经由多个花键10供应到柄部。
现在将参照图3至6来描述本发明。图3和5示出了第一实施方式，并且图4和6示出了第二实施方式。应当注意到，图5和6中示出的冲击表面示出了有效表面在直线冲击期间改变的方式。
本发明涉及一种用于钻机的、此处示出为冲击活塞2的圆柱形冲击构件2，该冲击构件2适用于将动能传递到此处示出为柄部(见图1)的冲击接收构件4。冲击活塞具有直径dmax并且包括侧表面12和冲击表面6。根据本发明，冲击构件(冲击活塞)适用于将动能通过冲击表面的环形成形的有效表面14(见图5和6)而传递到冲击接收构件(柄部)，其中冲击波产生于有效表面与冲击接收构件之间。环形成形的有效表面相对于冲击构件(冲击活塞)的横剖面同心，并且具有直径da，其中da<dmax，优选为da<0.75dmax。有效表面具有宽度wa，在与冲击接收构件接触期间，有效表面的宽度wa远小于dmax并且优选为小于0.2dmax。环形成形的有效表面的直径da是如下圆的直径：该圆布置成使得其同心地定位于有效表面上。
图3和4示出了沿着冲击构件的中心轴线C的横剖面视图。在该视图中，冲击表面6展示出曲线构型，该曲线构型在环形成形的有效表面的区域中具有最小值Fmin。还可以将冲击表面描述为：冲击表面在冲击方向上设置有环形凸面构型。
冲击构件的与冲击表面相关联的直径dmax为10-300毫米，优选为20-60毫米。
由冲击表面形成的曲线形状具有在50-500毫米的区间内的过渡半径R1。
这也可以表述为：曲线具有过渡半径R1，其中R1／dmax在1-50的区间内。
凸面形状可以自然地设置有若干过渡半径，例如：在有效表面的区域中的第一过渡半径、以及在冲击表面与侧表面之间的过渡表面中的第二过渡区域，其中过渡表面近似为1-3毫米，优选地，在有效表面的区域中过渡半径最大。
即便更复杂的表面形状也是可能的，例如，表面可以是部分平坦的并且过渡表面可以是呈倒角的。
第一实施方式涉及一种空心冲击构件(冲击活塞)(图3和5a-5c)并且第二实施方式涉及一种实心冲击构件(冲击活塞)(图4和6a-6c)。
根据图3和5中示出的第一实施方式，冲击活塞设置有沿着冲击活塞的中心轴线同心地延伸的纵向空腔20。空腔直径为di，其中di<dmax／2。
直径dal限定了根据第一实施方式的有效表面的位置，其中dal在0.25(dmax+di)到0.75(dmax+di)的区间内。根据一种实施例，有效表面的位置介于di与dmax之间，这可以表述为dal=0.5dmax+0.5di。
根据图4和6中示出的、冲击活塞为实心的第二实施方式，冲击表面的中央部分在背离冲击方向的方向上设置有凹部16，并且凹部具有直径dc，其中dc<dmax／2。在图2中将凹部的部分标记为虚线。
在第二实施方式中直径da2限定了有效表面的位置，其中da2在0.25(dmax+dc)到0.75(dmax+dc)的区间内。根据一种实施例，有效表面的位置介于dc与dmax之间，这可以表述为da2=0.5dmax+0.5dc。
根据第二实施方式的变型，凹部16的中央部分设置有指向冲击方向的凸面中心销18。
在图4中，将Cmin指定为中心销在纵向方向上的位置。
Cmin与Fmin之间的差值大约为0-1.5毫米，例如0.1毫米，也就是说与中心销的最下部相比，有效冲击表面14在冲击方向上处于相同的平面或是略微向前。中心销可以在其中心设置有因制造工序而存在的凹槽(未示出)。
图5a-5c和6a-6c示意性地示出了直线冲击影响有效表面的方式。
在图5a和6a中示出了有效表面正处在与冲击接收部分相接触的时刻的冲击表面。因此有效表面的宽度wa是最薄的。
在图5b和6b中示出了在冲击期间有效表面的宽度增加的方式，并且图5c和6c示出在接触时间段的末尾这一期间的有效表面的宽度。
附图中示出作为部件之间的接触表面的有效表面在冲击期间随时间而增大从而在冲击动力最大时达到最大值的方式。之后有效表面减小，直到部件不再彼此接触为止。有效表面的宽度以及尺寸取决于载荷。
因此，本发明的一个重要的方面是：在部件之间的第一次接触的时刻的有效表面相比于冲击表面的尺寸较小。这适用于直线冲击。
图5a-5c和6a-6c示出了根据本发明的冲击构件在冲击期间有效地吸收并分配其所受到的力的方式。
图7a、7b(具有纵向空腔20)和8a、8b(实心)示意性地示出了当冲击构件没有直线地撞击冲击接收构件时-也就是在轴承或衬套损坏时可能发生非直线的冲击的情况下-在冲击方向上观察到的冲击表面。
图7a和8a示出了在冲击构件与冲击接收构件的第一次接触之后的预定的时间点下的接触表面22，其中冲击构件根据现有技术来设计，并且其中侧表面与冲击表面之间的过渡半径近似为1-3毫米。如图7a和8a所示，接触表面较小并且定位成靠近侧表面，这相应地意味着冲击构件受到了较高的接触张力，由于这种接触张力对使用寿命有负面影响，因此是不期望这种接触张力的。
图7b和8b示出了在冲击构件与冲击接收构件之间的第一次接触之后的预定的时间点下的接触表面22，其中冲击构件根据本发明而设计，并且其中图7b示出了第一实施方式，并且图8b示出了第二实施方式。在这些附图中使用了与其它附图相同的附图标记。如这些附图所示出的，接触表面22显著大于图7a和8a中的接触表面，并且此外，接触表面22定位成更靠近冲击表面的中心，二者结合在一起带来了与现有技术相比的极低的接触张力。
本发明还涉及一种钻机，该钻机包括了根据此处公开的实施方式的冲击构件，例如冲击活塞。冲击构件优选为受液压驱动，但是本发明自然地还能够应用于受气压驱动的钻机。
在钻机中，冲击波使用40-100赫兹的频率以大约12-13米／秒的速率传递到诸如柄部之类的冲击接收构件。其它速率和频率当然能够落入本发明的由所附的权利要求所限定的范围内。
本发明不限于上述优选实施方式。可以使用各种替代、修改、以及等价方式。因此，不应用以上实施方式来限制本发明的由所附的权利要求所限定的范围。
Claims (15)
1.一种用于钻机的圆柱形冲击构件(2)，所述冲击构件(2)适用于将动能通过在所述冲击构件与冲击接收构件相接触期间产生的冲击波而传递到所述冲击接收构件(4)，所述冲击构件具有直径dmax，并且包括侧表面(12)和冲击表面(6)，其特征在于
所述冲击表面在冲击方向上设置有环形凸面构型，所述冲击构件适用于将所述动能通过所述冲击表面的环形成形的有效表面而传递到所述冲击接收构件，其中所述环形成形的有效表面相对于所述冲击构件的横剖面同心，所述环形成形的有效表面具有直径da，其中da<dmax，并且所述环形成形的有效表面具有宽度wa，在与所述冲击接收构件相接触的时刻期间，wa小于0.2dmax。
2.根据权利要求1所述的冲击构件，其中，所述环形成形的有效表面的直径da为da<0.75dmax。
3.根据权利要求1所述的冲击构件，其中，在沿着所述冲击构件的中心轴线C的视图中，所述冲击表面(6)展示为在所述环形成形的有效表面的区域中具有最小值Fmin的曲线。
4.根据权利要求1所述的冲击构件，其中dmax为10至200毫米。
5.根据权利要求4所述的冲击构件，其中dmax为25至60毫米。
6.根据权利要求3所述的冲击构件，其中所述曲线的形状展示出在10-500毫米的区间内的过渡半径R1。
7.根据权利要求3所述的冲击构件，其中曲线的形状展示出过渡半径R1，其中R1/dmax在1-50的区间内。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的冲击构件，其中所述冲击构件是实心的，并且所述冲击表面的中心部分在背离冲击方向的方向上设置有凹部(16)，并且所述凹部具有直径dc，其中dc<dmax/2。
9.根据权利要求8所述的冲击构件，其中da具有在0.25(dmax+dc)到0.75(dmax+dc)的区间内的值da2。
10.根据权利要求8所述的冲击构件，其中所述凹部(16)在所述凹部(16)的中心处在冲击方向上设置有凸面的中心销(18)。
11.根据权利要求1至7中任一项所述的冲击构件，其中所述冲击构件设置有纵向空腔(20)，所述纵向空腔相对于所述冲击构件的中心轴线同心地延伸，其中所述空腔具有直径di，其中di<dmax/2。
12.根据权利要求11所述的冲击构件，其中da具有在0.25(dmax+di)到0.75(dmax+di)的区间内的值da1。
13.根据权利要求1至7中任一项所述的冲击构件，其中所述冲击构件是用于钻机的冲击活塞，并且所述冲击接收构件是所述钻机的柄部。
14.一种钻机，包括根据权利要求1至13中任一项所述的冲击构件。
15.根据权利要求14所述的钻机，其中所述冲击构件将冲击波以12-13米/秒的速率并以40-100赫兹的频率传递到所述冲击接收构件。
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