CN104481396B - 柱塞阀射吸式液压潜孔锤 - Google Patents
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Abstract
一种柱塞阀射吸式液压潜孔锤，其阀控机构的启闭是由互为动密封配合的阀门与柱塞控制，在经喷嘴射入承喷器的工作液作用下，阀门与柱塞会沿同一轴线有规律地作同向、相向或背向的往复运动；潜孔锤启动由回程开始，当阀门与柱塞向上运动至阀门抵达阀程上限，柱塞继续向上进入阀门内腔，液流通道被阻断，上腔液压升高推动阀门迅速返回阀程下限并产生水击，至此回程结束冲锤开始，活塞连同锤体由液力推动加速向下运动至柱塞离开阀门冲击砧子，至此冲程结束排液通道完全启开，阀锤组件又进入回程;本发明阀门关闭时柱塞直接进入阀门内腔，避免了阀控机构刚性碰撞损坏的事故，缩小击锤活塞面积，提高击锤速度2~5倍。
Description
技术领域
本发明涉及钻井机械领域，尤其是一种主要应用于地质钻探、石油钻井，水井、矿山钻井和地基基础工程钻井的柱塞阀射吸式液压潜孔锤。
背景技术
射吸式液压潜孔锤属已有技术，例如发明专利“射吸式冲击器(85101970.6)”和另一项发明专利“芯阀射吸式液压潜孔锤（ZL201010579649.5)”，这类液压潜孔锤具有结构简单，性能稳定，耐背压特性好，适合大排量高泵压施工等优点，但也存在冲击功小，能量利用率低和深井大功率潜孔锤阀门经常损坏等缺陷。产生这些缺陷的原因主要有两点：1.击锤活塞面积等于举锤活塞面积与阀门举升面积之和，由于面积过大导致击锤速度低，击锤能量得不到充分利用；2.射吸式液压潜孔锤已有的套阀阀控机构和芯阀阀控机构，它们都是由阀门与阀座之间平行的环状端面或锥面的闭合或启开来实现阀控功能，这个过程非常迅速，因此闭合时它们之间要发生刚性碰撞，锤体质量越大，闭合速度越快，碰撞的能量也越大，阀门与阀座的损坏也越厉害，深井大功率射吸式液压潜孔锤的阀控机构往往因此而过早地严重损坏，施工不得不中途停止。上述问题阻碍了射吸式液压潜孔锤的推广应用；例如按照上述两项发明专利设计的178口径潜孔锤，在2000~3000米深的石油钻井中使用，均因阀门与阀座经高频率的剧烈撞击而损坏导致施工中断。解决上述问题的办法就是研制一种能合理缩小击锤活塞面积和不发生碰撞的阀控机构。
发明内容
本发明的目的在于针对上述已有技术中存在的缺陷，提供一种柱塞阀射吸式液压潜孔锤，它能实现合理缩小击锤活塞面积和阀门闭合时不发生碰撞。
本发明通过以下技术方案实现
一种柱塞阀射吸式液压潜孔锤，主要由上接头、喷嘴、活塞、套阀、阀门、柱塞、锤体、外壳、限位卡瓦、传动套、砧子、承喷器构成，其中的承喷器是指活塞内腔的射吸腔、喉管和扩散孔；喷嘴固定在上接头的通液孔中构成上接头组件；活塞位于喷嘴下部，套阀套装在活塞外面，活塞下部与锤体上部刚性连接，柱塞套装在活塞与锤体之间构成阀锤组件；传动套与砧子用花键连接，限位卡瓦装在砧子上段的环形槽内构成砧子组件；外壳为圆筒状，两头有螺纹分别与上接头和传动套上的螺纹连接，阀锤组件装在外壳内位于上接头组件与砧子组件之间，外壳上段内壁与套阀动密封配合,并有限制套阀行程下限的台阶，外壳下段内壁与锤体下段外圆柱面和砧子上段的限位卡瓦滑动配合；三个组件与外壳组装起来便构成柱塞阀射吸式液压潜孔锤,控制阀控机构启闭的阀门的阀门内圆柱面与柱塞的柱塞外圆柱面互为动密封配合；在由喷嘴射入承喷器的工作液作用下，阀门与柱塞会沿同一轴线作同向、相向或背向的往复运动；其运动的规律是：启动前潜孔锤处于静止状态，阀锤组件位于行程下限，阀门与柱塞之间液流通道完全敞开，启动由回程开始，随着工作液流由喷嘴射入承喷器，套阀连同阀门受上腔与下腔之间压差推动首先升至阀程上限后，停下，紧接着活塞连同柱塞和锤体也向上运动至柱塞接近阀门，他们之间的液流通道由缩小至关闭，液流受阻上腔液压升高，推动仍停留在阀程上限的套阀连同阀门迅速返回阀程下限；此时质量比套阀大许多倍的活塞与锤体仍停留在回程终止的位置，液流因阀门停止运动被阻断而产生水击；此时柱塞就成为了击锤活塞，并以停留在阀程下限的阀门内壁为缸套，推动活塞锤体向下运动至柱塞离开阀门冲击砧子；击砧后阀门与柱塞之间的液流通道已完全启开，液流畅通阀锤组件又进入回程，周而复始不停的冲击。
一种柱塞阀射吸式液压潜孔锤，主要由上接头、喷嘴、阀程座、芯阀、活塞、柱塞、阀门、锤体、外壳、限位卡瓦、传动套、砧子、承喷器构成，其中的承喷器是指活芯内腔的射吸腔、喉管和扩散孔；喷嘴固定在上接头的通液孔中构成上接头组件；阀程座固定在上接头与外壳连接处，芯阀穿过阀程座进入活塞内腔并与活塞上部内孔动密封配合，活塞下部与锤体上部刚性连接，阀门位于活塞与锤体连接处，上述零件组成阀锤组件；传动套与砧子之间花键连接，限位卡瓦装在砧子上段圆槽内构成砧子组件；外壳呈圆筒状两头有螺纹分别与上接头和传动套上的螺纹连接；阀锤组件装在外壳内，位于上接头组件与砧子组件之间，外壳上段内壁与活塞外圆柱面动密封配合，外壳下段内壁与锤体下段的外圆柱面和砧子上段的限位卡瓦滑动配合；三个组件与外壳组装起来便构成柱塞阀射吸式液压潜孔锤，控制阀控机构启闭的阀门的阀门内圆柱面与柱塞的柱塞外圆柱面互为动密封配合；在由喷嘴射入承喷器的工作液作用下，阀门与柱塞会沿同一轴线作同向、相向或背向的往复运动；其运动的规律是：启动前潜孔锤处于静止状态，阀锤组件位于行程下限，阀门与柱塞之间液流通道完全敞开；启动由回程开始，随着工作液流由喷嘴射入承喷器，上腔与下腔之间产生压差，芯阀连同柱塞受上腔与下腔之间压差推动首先升至阀程上限后，停下，紧接着活塞连同阀门和锤体也向上运动至阀门接近柱塞，他们之间的液流通道由缩小至关闭，液流受阻，上腔液压升高，推动仍停留在阀程上限的芯阀连同柱塞迅速返回阀程下限；此时质量比芯阀大许多倍的活塞与锤体仍停留在回程终止的位置，液流因芯阀停止运动被再次阻断而产生水击；此时芯阀下部的柱塞与锤体上部的阀门就成为了击锤活塞与缸套，在进入上腔的液压推动下，活塞与锤体迅速向下运动至阀门离开柱塞冲击砧子；击砧后阀门与柱塞之间的液流通道已完全启开，液流畅通阀锤组件又进入回程，周而复始不停的冲击。
所述阀锤组件是由活塞、套阀、阀门、柱塞、锤体构成；活塞上段为中空圆筒状，侧面有通液槽，圆筒下段为漏斗状的射吸腔和旁通孔，漏斗出口段为喉管；活塞中段有外圆柱面与套阀上部内孔互为动密封配合，喉管以下孔段为扩散孔并和锤体与外壳之间的环形通道连通；活塞下段与锤体上部刚性连接，它们之间套有柱塞；锤体下部侧面有通孔与中心通液孔连通；套阀呈圆筒状，套阀下部有阀门，阀门的内圆柱面与柱塞的外圆柱面动密封配合。
所述阀门与柱塞呈环状，便于装拆和更换。
所述阀门与柱塞呈环状，便于装拆和更换。
所述阀门与套阀同属一个零件，阀门部位经过强化处理。
所述柱塞与活塞同属一个零件，柱塞部位经过强化处理。
所述阀门与锤体同属一个零件，阀门部位经过强化处理。
所述柱塞与芯阀同属一个零件，柱塞部位经过强化处理。
所述活塞与锤体同属一个零件。
本发明的优点和积极效果：
本发明使射吸式液压潜孔锤的性能获得下列改进与提高：阀门关闭时柱塞直接进入阀门内腔，不发生碰撞，完全避免了阀控机构因刚性碰撞而损坏的事故，并可使高背压时锤体回程剩余的能量转化为阀门回到阀程下限和击锤所需能量；柱塞在击锤过程执行击锤活塞的功能，因此合理的缩小了击锤活塞面积，可提高击锤速度2~5倍，冲击功也相应增大；实现了潜孔锤故障减少、冲击功增大和能量利用率提高。
附图说明
图1是本发明实施方案1的短活塞柱塞套阀射吸式液压潜孔锤静止状态结构示意图；
图2是本发明实施方案1的长活塞柱塞套阀射吸式液压潜孔锤静止状态结构示意图；
图3是本发明实施方案2的活塞、锤体可拆卸的柱塞芯阀射吸式液压潜孔锤静止状态结构示意图；
图4是本发明实施方案2的活塞、锤体为整体的柱塞芯阀射吸式液压潜孔锤静止状态结构示意图；
图5是本发明实施方案1的长活塞柱塞套阀阀锤组件示意图;
图6是本发明实施方案2的活塞、锤体可拆卸的柱塞芯阀阀锤组件示意图。
图中：1-上接头、2-喷嘴、3-活塞、4-套阀、5-阀门、6-柱塞、7-锤体、8-外壳、9-限位卡瓦、10-传动套、11-砧子、12-阀程座、13-芯阀、14-阀程上限、15-阀程下限、16-上腔、17-下腔、18-钻头、19-通液槽、20-射吸腔、21-旁通孔、22-喉管、23-活塞上部内孔、24-扩散孔、25-阀门内圆柱面、26-柱塞外圆柱面、27-活塞与锤体连接部位、28-通孔、29-中心通液孔、30-内腔、31-承喷器。
具体实施方式
下面结合附图1-6及具体实施方式对本发明做进一步说明。
实施方案1
结构：结合图1、图2，对本发明第1实施方案结构进行说明，柱塞阀射吸式液压潜孔锤是由上接头1、喷嘴2、活塞3、套阀4、阀门5、柱塞6、锤体7、外壳8、限位卡瓦9、传动套10、砧子11等零件构成。所有零件共一根轴线由里至外由上至下顺序安装；喷嘴2固定在上接头1的通液孔中构成上接头组件；活塞3位于喷嘴2下部，套阀4套装在活塞3外面，活塞3下部与锤体7上部刚性连接，柱塞6套装在活塞3与锤体7之间构成阀锤组件；传动套10与砧子11用花键连接，限位卡瓦9装在砧子11上段的环形槽内构成砧子组件；外壳8为圆筒状，两头有螺纹分别与上接头1和传动套10上的螺纹连接，阀锤组件装在外壳8内位于上接头组件与砧子组件之间，外壳8上段内壁与套阀4动密封配合,并有限制套阀4行程下限的台阶15，外壳8下段内壁与锤体7下段外圆柱面和砧子11上段的限位卡瓦9滑动配合；三个组件与外壳8组装起来便构成柱塞阀射吸式液压潜孔锤。
所述阀锤组件如图5所示，由活塞、套阀、阀门、柱塞、锤体构成；活塞上段为中空圆筒状，侧面有通液槽，圆筒下段为漏斗状的射吸腔和旁通孔，漏斗出口段为喉管；活塞中段有外圆柱面与套阀上部内孔互为动密封配合，喉管以下孔段为扩散孔并和锤体与外壳之间的环形通道连通；活塞下段与锤体上部刚性连接，它们之间套有柱塞；锤体下部侧面有通孔与中心通液孔连通；套阀呈圆筒状，套阀下部有阀门，阀门的内圆柱面与柱塞的外圆柱面动密封配合。
工作原理：柱塞阀射吸式液压潜孔锤与已有技术中的射吸式液压冲击器属同一种类型，即利用射流卷吸作用，和由射吸泵与射吸式阀控机构构成的液压冲击器或液压潜孔锤；之前的射吸式液压潜孔锤的阀控机构有套阀和芯阀两种，这两种阀控机构的共同特点就是，它们的闭合或启开都是由阀门与阀程座上相互平行的环形平面或锥面的结合或分开实现的；本发明与已有射吸式液压潜孔锤的不同之处,在于套阀或芯阀的闭合或启开是由柱塞的外圆柱面与阀门的内圆柱面相互套入或分开实现的；已有技术中的阀门与阀座闭合时闭合面之间发生碰撞，尤其在功率和背压增大时这种碰撞十分剧烈，以致冲锤回程剩余的部分能量消耗在对阀控机构造成损坏的碰撞过程；而柱塞阀闭合时，闭合面为柱塞的外圆柱面与阀门的内圆柱面相互套入，功率和背压小时套入量少，功率和背压大时套入量多，当回程与冲程切换时回程剩余的能量随即转变为冲程能量，既免除了对阀控机构的损坏又增大了击锤能量。
实施方案2
结构：结合图3、图4、图6所示,对本发明第2实施方案结构进行说明，柱塞阀射吸式液压潜孔锤是由上接头1、喷嘴2、阀程座12、芯阀13、活塞3、柱塞6、阀门5、锤体7、外壳8、限位卡瓦9、传动套10、砧子11、承喷器31等零件构成，所有零件共一根轴线由里至外由上至下顺序安装；所述承喷器31由活芯内腔的射吸腔20、喉管22和扩散孔24组成；喷嘴2固定在上接头1的通液孔中构成上接头组件；阀程座12固定在上接头1与外壳8连接处，芯阀13穿过阀程座12进入活塞3内腔30并与内腔上部孔段23动密封配合，活塞3下部与锤体7上部刚性连接，阀门5位于活塞3与锤体7连接处，上述零件组成阀锤组件；传动套10与砧子11之间花键连接，限位卡瓦9装在砧子11上段圆槽内构成砧子组件；外壳8呈圆筒状两头有螺纹分别与上接头1和传动套10上的螺纹连接；阀锤组件装在外壳8内，位于上接头组件与砧子组件之间，外壳8上段内壁与活塞3外圆柱面动密封配合，外壳8下段内壁与锤体7下段的外圆柱面和砧子11上段的限位卡瓦9滑动配合；三个组件与外壳8组装起来便构成柱塞阀射吸式液压潜孔锤。控制阀控机构启闭的阀门5的阀门内圆柱面25与柱塞6的柱塞外圆柱面26互为动密封配合；在由喷嘴2射入承喷器31的工作液作用下，阀门5与柱塞6会沿同一轴线作同向、相向或背向的往复运动；其运动的规律是：启动前潜孔锤处于静止状态，阀锤组件位于阀程下限15，阀门5与柱塞6之间液流通道完全敞开；启动由回程开始，随着工作液流由喷嘴2射入承喷器31，上腔16与下腔17之间产生压差，芯阀４连同柱塞6受上腔16与下腔17之间压差推动首先升至阀程上限14后，停下，紧接着活塞3连同阀门5和锤体7也向上运动至阀门5接近柱塞6，他们之间的液流通道由缩小至关闭，液流受阻，上腔16液压升高，推动仍停留在阀程上限14的芯阀13连同柱塞6迅速返回阀程下限15；此时质量比芯阀13大许多倍的活塞3与锤体7仍停留在回程终止的位置，液流因芯阀13停止运动被再次阻断而产生水击；此时芯阀13下部的柱塞6与锤体7上部的阀门5作为击锤活塞与缸套，在进入上腔的液压推动下，活塞3与锤体7迅速向下运动至阀门5离开柱塞6冲击砧子11；击砧后阀门5与柱塞6之间的液流通道已完全启开，液流畅通阀锤组件又进入回程，周而复始不停的冲击。
Claims (4)
1.一种柱塞阀射吸式液压潜孔锤，主要由上接头（1）、喷嘴（2）、活塞（3）、套阀（4）、阀门（5）、柱塞（6）、锤体(7)、外壳（8）、限位卡瓦（9）、传动套（10）、砧子（11）、承喷器（31）构成，所述承喷器（31）由活塞内腔的射吸腔（20）、喉管（22）和扩散孔（24）组成；喷嘴(2)固定在上接头（1）的通液孔中构成上接头组件；活塞（3）位于喷嘴（2）下部，套阀（4）套装在活塞（3）外面，活塞(3)下部与锤体（7）上部刚性连接，柱塞（6）套装在活塞（3）与锤体（7）之间构成阀锤组件；传动套（10）与砧子（11）用花键连接，限位卡瓦（9）装在砧子（11）上段的环形槽内构成砧子组件；外壳（8）为圆筒状，两头有螺纹分别与上接头（1）和传动套（10）上的螺纹连接，阀锤组件装在外壳（8）内位于上接头组件与砧子组件之间，外壳（8）上段内壁与套阀（4）动密封配合,并有限制套阀（4）阀程下限（15）的台阶，外壳（8）下段内壁与锤体（7）下段外圆柱面和砧子（11）上段的限位卡瓦（9）滑动配合；三个组件与外壳（8）组装起来便构成柱塞阀射吸式液压潜孔锤,其特征在于：控制阀控机构启闭的阀门（5）的阀门内圆柱面（25）与柱塞（6）的柱塞外圆柱面（26）互为动密封配合；在由喷嘴(2)射入承喷器（31）的工作液作用下，阀门(5)与柱塞(6)沿同一轴线作同向、相向或背向的往复运动；其运动的规律是：启动前潜孔锤处于静止状态，阀锤组件位于阀程下限（15），阀门（5）与柱塞（6）之间液流通道完全敞开，启动由回程开始，随着工作液流由喷嘴（2）射入承喷器（31），套阀（4）连同阀门（5）受上腔（16）与下腔（17）之间压差推动首先升至阀程上限（14）后，停下，紧接着活塞（3）连同柱塞（6）和锤体（7）也向上运动至柱塞（6）接近阀门（5），他们之间的液流通道由缩小至关闭，液流受阻上腔（16）液压升高，推动仍停留在阀程上限（14）的套阀（4）连同阀门（5）迅速返回阀程下限（15）；此时质量比套阀（4）大许多倍的活塞（3）与锤体（7）仍停留在回程终止时的位置，液流因阀门（5）停止运动被阻断而产生水击；此时柱塞（6）作为击锤活塞，并以停留在阀程下限（15）的阀门（5）内壁为缸套，推动活塞（3）锤体（7）向下运动至柱塞（6）离开阀门（5）冲击砧子（11）；击砧后阀门（5）与柱塞（6）之间的液流通道已完全启开，液流畅通阀锤组件又进入回程，周而复始不停的冲击。
2.一种柱塞阀射吸式液压潜孔锤，主要由上接头（1)、喷嘴（2)、阀程座（12）、芯阀（13）、活塞（3）、柱塞（6)、阀门（5）、锤体(7)、外壳（8)、限位卡瓦（9)、传动套（10)、砧子（11)、承喷器（31）构成，所述承喷器（31）由活芯内腔的射吸腔（20）、喉管（22）和扩散孔（24）组成；喷嘴(2)固定在上接头（1)的通液孔中构成上接头组件；阀程座（12）固定在上接头（1）与外壳（8）连接处，芯阀（13）穿过阀程座（12）进入活塞（3）内腔（30）并与活塞上部内孔（23）动密封配合，活塞(3)下部与锤体（7)上部刚性连接，阀门（5）位于活塞（3）与锤体（7）连接处，上述零件组成阀锤组件；传动套（10)与砧子（11)之间花键连接，限位卡瓦（9)装在砧子（11)上段圆槽内构成砧子组件；外壳（8)呈圆筒状两头有螺纹分别与上接头（1)和传动套（10)上的螺纹连接；阀锤组件装在外壳（8）内，位于上接头组件与砧子组件之间，外壳（8）上段内壁与活塞（3）外圆柱面动密封配合，外壳（8）下段内壁与锤体（7)下段的外圆柱面和砧子（11)上段的限位卡瓦（9）滑动配合；三个组件与外壳（8）组装起来便构成柱塞阀射吸式液压潜孔锤，其特征在于：控制阀控机构启闭的阀门（5）的阀门内圆柱面（25）与柱塞（6）的柱塞外圆柱面（26）互为动密封配合；在由喷嘴(2)射入承喷器（31）的工作液作用下，阀门(5)与柱塞(6)会沿同一轴线作同向、相向或背向的往复运动；其运动的规律是：启动前潜孔锤处于静止状态，阀锤组件位于阀程下限（15），阀门（5）与柱塞（6）之间液流通道完全敞开；启动由回程开始，随着工作液流由喷嘴（2）射入承喷器（31），上腔（16）与下腔（17）之间产生压差，芯阀（４）连同柱塞（6）受上腔（16）与下腔（17）之间压差推动首先升至阀程上限（14）后，停下，紧接着活塞（3）连同阀门（5）和锤体（7）也向上运动至阀门（5）接近柱塞（6），他们之间的液流通道由缩小至关闭，液流受阻，上腔（16）液压升高，推动仍停留在阀程上限（14）的芯阀（13）连同柱塞（6）迅速返回阀程下限（15）；此时质量比芯阀（13）大许多倍的活塞（3）与锤体（7）仍停留在回程终止的位置，液流因芯阀（13）停止运动被再次阻断而产生水击；此时芯阀（13）下部的柱塞（6）与锤体（7）上部的阀门（5）作为击锤活塞与缸套，在进入上腔的液压推动下，活塞（3）与锤体（7）迅速向下运动至阀门（5）离开柱塞（6）冲击砧子（11）；击砧后阀门（5）与柱塞（6）之间的液流通道已完全启开，液流畅通阀锤组件又进入回程，周而复始不停的冲击。
3.根据权利要求1所述的柱塞阀射吸式液压潜孔锤，其特征在于：所述阀锤组件是由活塞（3）、套阀（4）、阀门（5）、柱塞（6）、锤体（7）构成；活塞(3)上段为中空圆筒状，侧面有通液槽（19），圆筒下段为漏斗状的射吸腔（20）和旁通孔（21），漏斗出口段为喉管（22）；活塞（3）中段有外圆柱面与套阀（4）上部内孔（23）互为动密封配合，喉管(22)以下孔段为扩散孔（24）并和锤体（7）与外壳（8）之间的环形通道连通；活塞（3）下段与锤体（7）上部刚性连接，它们之间套有柱塞（6）；锤体（7）下部侧面有通孔（28）与中心通液孔（29）连通；套阀（4）呈圆筒状，套阀（4）下部有阀门（5），阀门的内圆柱面（25）与柱塞的外圆柱面（26）动密封配合。
4.根据权利要求1或2所述的柱塞阀射吸式液压潜孔锤，其特征在于：所述阀门（5）与柱塞（6）呈环状，便于装拆和更换。
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