CN105209709A - 用于在硬地层中钻进的流动压力驱动的高频率冲击锤 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于在硬地层中钻进的流体压力驱动的高频率冲击锤。冲击锤的锤活塞(20)具有相对大并且纵向延伸的孔(41)，该孔提供在锤活塞(20)的返回行程期间流经孔(41)的钻进流体的最小化流动阻力。孔(41)在上游方向能够由在行程期间跟随锤活塞(20)的阀塞(23)关闭。阀塞(23)通过相对细长的阀杆(49)控制，阀杆能够在锤活塞(20)的完全行程长度的大约75％处机械地止挡阀塞(23)并且使阀塞(23)与座环(40)分离。由此孔(41)打开，使得孔流体能够流动通过孔，并且阀杆(49)的固有拉伸弹簧特性使阀塞(23)快速地返回，使得流体在锤活塞(20)的返回期间能够良好地流动通过。磁体(58)将阀杆(49)保持就位。

Description

用于在硬地层中钻进的流动压力驱动的高频率冲击锤

技术领域

本发明涉及一种用于在硬地层中钻进的流体压力驱动的高频率冲击锤，所述冲击锤包括外壳，所述外壳在其一个端部设置有钻头，所述钻头设计成直接作用在所述硬地层上，所述冲击锤进一步包括可运动地接纳在所述外壳中并且作用在所述钻头上的锤活塞，所述锤活塞具有有预定通流能力的纵向延伸的孔，并且所述孔能够通过阀塞在上游方向关闭，所述阀塞在所述锤活塞的行程期间跟随所述锤活塞直到所述阀塞被机械地止挡，所述阀塞由可滑动地接纳在阀杆套中的相关联的阀杆控制，所述阀杆包括能够止挡所述阀塞的止挡构件并且在所述锤活塞的完整行程长度的预定百分比处使所述阀塞迅速地返回并且使所述阀塞与所述锤活塞上的座密封部分离，使得所述孔由此被打开并且允许孔流体自由流动通过所述孔，使得所述锤活塞能够以小的阻力返冲。

背景技术

这种特性的冲击锤在US4,450,920和PCT/NO2012/050148中是已知的。现有技术的其它示例在SE444127B和US2,758,817A中示出。

用于在岩石中钻进的安装液压驱动钻机的冲击锤已经商品化使用了30年以上。这些冲击锤与可连接钻杆一起使用，其中钻进深度受到冲击能量通过接头削减使得很少能量最终达到钻头的限制。

井下锤钻，即安装在钻头正上方的锤钻是非常有效的并且大范围地使用在2-300米的深度的钻井中。锤钻由压缩空气驱动并且具有高达大约22巴的压力，如果出现进入到井中的水，钻进深入会被限制到大约20米。如今，高压水驱动的锤钻已经市场销售了10年以上，但这些锤钻的尺寸是有限的，据我们所知达到大约130mm的孔径。此外，已知这些锤钻具有有限的冲击频率、相对低的效率，并且具有有限的寿命并且对水中的杂质是敏感的。由于这些锤钻非常有效地钻进并且钻制很直的孔，这些锤钻大范围地使用在采矿业中。这些锤钻以有限的范围用于1000-1500米深度的竖向井钻进，并且不具有任何方向可控性。

期望制造井下钻进流体驱动的锤钻，该锤钻可以结合方向控制设备使用，该锤钻具有高效率、能够将水用作钻进流体使用并且还能够通过具有添加剂的基于水的钻进流体使用，并且具有经济的寿命。该锤钻期望广泛地用于针对地热能的深水钻进以及难以接近的油汽资源。

在冲击钻进中，使用具有插入的硬金属凸起(所谓的“压头(indenters)”)的钻头。硬金属凸起由碳化钨制成并且直径通常为8至14mm并且具有球状或锥状端部。理想地来看，每个压头应当以与岩石的硬度和抗压强度相关的最佳冲击能量撞击，使得在岩石中形成小的凹口或凹坑。钻头进行旋转使得理想地来看下一次撞击形成与前一次撞击有关联的新的凹口。钻进直径和几何尺寸决定了压头的数量。

最佳冲击能量由岩石的抗压强度确定，冲击能量可以钻进到具有超过300MPa的抗压强度的岩石中。冲击能量的超过最佳量的供应为损失的能量，因为它没有用于破坏岩石，仅作为能量波传播。太小的冲击能量完全无法形成凹口。当每个压头的冲击能量已知并且压头的数量确定时，则能够给出用于钻头的最佳冲击能量。于是可以通过仅增大冲击频率来增大牵引或钻进速率(穿入的ROP速率)。

泵送的钻进流体的量由钻柱与井孔壁之间的环状空间内的必须的最小返回速率(环隙流速)决定。该速率应当至少大于1m/s，优选地2m/s，使得钻出材料、钻屑将被输送到地面。岩石越硬且越脆，越能够提供高冲击频率，钻屑变得越细小，并且越能够接受慢的返回速率或速度。硬岩石和高频率将产生呈现为粉末或细沙的钻屑。

应用于锤钻的液压效力由压降乘以每时间单位的泵送量决定。

每次撞击的冲击能量乘以频率提供了所述效力。如果考虑如下假想示例：执行钻入到具有260MPa的抗压强度的花岗岩中并且钻进直径为190mm，则水以750l/min(12.5升/秒)从地面被泵送。计算得出大约900J为最佳冲击能量。

参照相应制进但具有较小直径的已知数据，可以期望具有60Hz的冲击频率的22m/h(米每小时)的钻进速率(ROP)。这里假设将冲击频率增大到95Hz，因此ROP于是变为35m/h。钻头上所需要的净效力于是变为：0,9kJX95＝86kW。假设当前锤结构具有0.89的机械-液压效率，则在锤上提供7.7MPa的需要的压降。

与已知的可获得的推进的锤钻相比，该锤钻于是将以快60％并且能量消耗少60％的方式钻进。

发明内容

这通过所引入类型的冲击锤实现，所述冲击锤的不同之处在于止挡构件包括磁体，该磁体与阀杆配合以便能够在预定条件期间保持阀杆并由此保持阀塞。

因而，应当理解的是，阀杆的止挡构件具有使阀塞在完全返回位置保持静止的能力，直到锤活塞的座密封通过返回抵接该阀塞、压力积累并且循环重复。阀机构的特性和快速且精确移位的能力使得行程频率不是由阀机构限定，而是由锤活塞的固有反冲特性限定。这为本发明的冲击锤提供了高冲击频率、小液动损失和高效率。

优选地，所述止挡构件包括所述阀杆的上游端部处的止挡板和所述阀杆套中的相配合的内止挡表面。

在一个实施例中，所述磁体可以位于上游定位的安装板上。

在第二实施例中，所述磁体可以构成所述阀杆上的所述止挡板或者是所述阀杆上的所述止挡板的一部分，并且所述安装板是磁性的。

在一个实施例中，所述锤活塞的完整行程长度的预定百分比的数量可以为约75％。

所述阀塞通过所述阀杆的固有拉伸弹簧特性返回，所述阀杆是细长的。

优选地，所述冲击锤可以进一步设置有入口阀组件，针对所述锤活塞的操作，所述入口阀组件不打开直到压力积累到完全工作压力的大约95％，所述入口阀组件适于封闭主通道，并且所述锤的外壳内的侧通道使所述锤活塞与所述外壳之间的环状空间增压，从而使所述锤活塞升起以相对于所述阀塞产生密封。

所述锤活塞和所述阀组件通过反冲返回，其中，所述锤活塞和所述阀组件都被提供有控制返回行程的减速直至停止的液压阻尼作用。

在一个实施例中，所述液压阻尼作用通过环状活塞发生，所述环状活塞被迫使进入到相应的具有可控间隙的环状缸体中，并由此限制或抑制截留流体的排出。

此外，所述阀杆套的顶部可以布置有开口，所述阀杆的止挡板能够进入所述开口，所述止挡板的径向部分以相对窄的径向间隙相对于所述开口的内侧产生密封。

所述冲击锤外壳可以被分成入口阀外壳、阀外壳和锤外壳。

根据本发明的锤钻结构为标称“直接作用锤”的类型，即锤活塞具有其上的关闭阀，该阀在关闭位置时能够使压力推动活塞前进，并且在打开位置时能够使锤活塞经历返冲。液压驱动的锤的第二变型具有通过锤活塞在两个方向上受迫控制的位置产生的阀控制作用。这提供了较差的效率，但提供了活塞的更精确的控制。

好的效率和高冲击频率的关键在于阀结构。阀需要以高频率操作并且具有打开位置的良好的通流特性。

更重要的优点是，该锤钻结构也可以用作地面安装的液压驱动的锤，以便用于通过钻杆进行钻进，但这里将详细描述的是用作井下锤钻。

附图说明

通过下面的对本发明的优选实施例的描述，其它和进一步的目的、特征和优点将变得明显，优选实施例以描述的目的给出并且结合附图给出，在附图中：

图1示出了用于与可连接钻架一起使用的常规液压地面锤钻的示意图，

图2A示出了具有钻头的井下锤钻的正视图，

图2B示出了图2A的转动大约90°的锤钻，

图2C示出了沿图2A中的箭头A-A的方向的视图，

图2D示出了沿图2A中的箭头B-B的方向的视图，

图3A示出了图2A中示出的锤钻的纵向截面图，其中示出了内部主要部件，

图3B示出了沿着图3A中的线A-A的横截面视图，

图3C示出了沿着图3A中的线B-B的横截面视图，

图3D示出了沿着图3A中的线C-C的横截面视图，

图3E示出了沿着图3A中的线D-D的横截面视图，

图3F示出了图3A中的合围细节视图H的两倍放大视图，

图3G示出了图3A中的合围细节视图H的两倍放大视图，

图3H示出了图3A中的合围细节视图F的五倍放大视图，

图3I示出了图3A中的合围细节视图G的五倍放大视图，

图4A示出了与图3A中示出的视图相对应的视图，但处于加速阶段的末尾，

图4B示出了图4A中以截面示出的阀组件的正视图，

图4C示出了沿着图4A中的线B-B的横截面视图，

图4D示出了图4A中的合围细节视图A的五倍放大视图，

图4E示出了图4A中的合围细节视图C的五倍放大视图，

图5A示出了与图3A和图4A中示出的视图相对应的示图，但处于锤活塞撞击钻头中的击打表面的瞬时，

图5B示出了图5A中的合围细节视图A的五倍放大视图，

图5C示出了图5A中的合围细节视图B的四倍放大视图，

图6A示出了与图3A、图4A和图5A中示出的视图相对应的视图，但锤活塞处于完全返回位置，

图6B示出了图6A中的合围细节视图A的五倍放大视图，

图6C示出了图6A中的合围细节视图B的20倍放大视图，

图6D示出了图6A中的合围细节视图B的四倍放大视图，

图7A示出了与图3A、图4A、图5A和图6A中示出的视图相对应的视图，但锤活塞处于返回的最后部分，

图7B示出了图7C中的合围细节视图B的20倍放大视图，

图7C示出了图7A中的合围细节视图A的四倍放大视图，

图8示出了曲线图，该曲线图示出了锤活塞和阀的工作循环，

图9A示出了曲线图，该曲线图示出了阀相对于压降的突然关闭特性，以及

图9B示出了逐渐关闭的阀的流量和压降。

具体实施方式

图1示出了用于附接到可连接钻杆的顶部的常规液压地面锤钻，其中，锤机构位于外壳1内部，外壳1由数个外壳部分构成，其中回转马达2通过传动装置3使钻杆旋转，传动装置3使具有螺纹部分4的轴旋转，螺纹部分4将被螺纹连接到钻杆和钻头(未示出)。锤机通常配备有固定板5以便附接到钻架上的送进设备(未示出)。液压驱动流动的供给通过管道和联接器6发生并且液压返回通过具有联接器7的管道发生。将在第14页描述锤钻的完整功能。

图2A和图2B示出了具有钻头的井下锤钻。这些术语将在下面的描述中使用。示出的外壳1具有第一外壳部分8，第一外壳部分8容纳稍后将被描述为入口阀的装置，而第二外壳部分9容纳阀，第三外壳部分10容纳锤活塞并且附图标记11指代钻头。钻进流体通过开口或主通道12被泵入，并且螺纹部12将锤连接到钻柱(未示出)。设置扁平部分14以使用力矩扳手将锤拧至钻柱/从钻柱拧下。需要排出孔15以实现稍后说明的入口阀的功能，存在出口孔16以使钻孔壁与锤钻外壳之间的环状空间(未示出)中的钻进流体返回到地面。硬金属凸起17为将被钻入的岩石压碎的元件。图2C示出了沿图2A中的箭头A-A的方向的视图，图2D示出了沿图2A中的箭头B-B的方向朝向钻头11看去的视图。

图3A示出了锤钻的纵向截面，其中内部主要部件有：入口阀组件18、阀组件19和锤活塞20。该结构中的关键元件是磁体58，其将在稍后结合图6更详细地描述。钻进流体通过入口12被泵入，通过处于打开位置的入口阀18并且流过图3B中的截面A-A上示出的孔21，进一步流过图3C中的截面B-B中的孔22而流至阀塞23，阀塞23示出为在图3D中的截面C-C中压靠锤活塞20而处于关闭位置并且驱动活塞抵靠钻头的底部24。图3E中的截面D-D示出了钻头11和锤外壳10的最下部分中的纵向延伸的花键部分25，花键部分25在钻头11能够在接受的空隙(由锁定环机构26确定)内轴向运动的同时传递转矩。由于锤活塞20击打钻头11，仅钻头11的质量或重量与硬金属凸起17穿入岩石中一致地产生位移。

现在将描述通过入口阀18实现的起动过程。图3F中的示出了处于关闭位置的入口阀18的细节截面取自图3A中的H。当锤功能被启动时，入口12中的钻进流体的泵送操作开始。穿过阀外壳8的壁的侧孔或分支孔27与入口阀18的安装板29中的先导孔28流体连通。安装板29在阀外壳8中固定不动并且包含由弹簧31保持在打开位置的先导阀30。钻进流体自由流动到第一先导活塞32上方的第一先导腔室，第一先导腔室的直径和面积大于入口12的面积。在压力积累期间，受限可动阀塞33将被迫使压靠外壳8中的阀座34关闭。在压靠关闭的入口阀18积累的压力下，外壳10与锤活塞20之间的环状空间35通过侧孔27被增压，侧孔27经由阀外壳9中的纵向延伸的孔36供给入口37，参见细节视图F。在图3F和图3G中还示出了磁体58，但磁体在其起动时不起作用。

图3H和图3I中的细节截面取自图3A中的F和G并且示出了锤活塞20抵靠锤外壳9、10的内壁。活塞38的直径略大于第二活塞39的直径。通过利用锤钻竖向向下钻入，锤活塞20将处于不增压状态并且由于重力明显朝向钻头11中的撞击或击打表面24蠕变。在这种状态下，阀塞23与其锤活塞20中的座部40之间将存在有间隙(参见细节视图F)。因此，钻进流体将在阀塞23处自由流过该阀，流过锤活塞20中的孔41和孔16(参见图2A)，并因此产生了很小的压力积累而无法将锤起动。

图3F中详细示出的已经关闭入口阀18并且在环状空间35中积累压力布置使锤活塞20升起以相对于阀塞23产生密封。由于活塞38的表面与外壳9的内壁之间所需要的间隙，钻进流体通过润滑通道42和孔43泄漏到阀塞23上方的空间中，如细节视图F中示出的箭头那样。为了防止该泄漏量提供在阀塞23上方的空间中积累的压力，泄漏量通过阀安装板29中的孔44和开口45(该位置时的先导阀30所允许的)排出，并且进一步通过排出孔15排出。当压力增大到超过锤的设计工作压力的90％时，第二先导腔室46中的活塞力超过弹簧31的关闭力并且先导阀30转换位置，如图3G中所示。

先导活塞32上方的第一先导腔室排泄并且入口阀18打开。与此同时开口45关闭，使得经由孔44的排泄断开，使得在操作模式下压力不通过该孔损失。锤活塞20上方的腔室中的压力以及关闭的阀塞23导致工作循环以瞬时完全作用开始。设置备用阀47和喷嘴48的布置是为了获得第二先导腔室46的减少的排出时间，以由此实现入口阀18相对慢的关闭。这是为了实现入口阀18保持完全打开并且在工作模式期间不会由于随着冲击频率波动的压力产生干扰。

图4A示出了处于加速阶段的末尾的锤钻。此时锤活塞20达到最大速度，通常为大约6m/s。这产生于，仅作为示例地这里为低于8MPa的可获得压力、这里例如为130mm的直径的锤活塞的液压面积以及这里例如为49kg锤活塞的重量。由于这里例如具有95mm的直径的阀塞23的液压面积略大于锤活塞的环状面积(在图4C中的截面B-B中分别示出为23和24)大约4％，阀塞23保持压靠锤活塞的座开口关闭。此时，锤活塞覆盖其完整行程的大约75％(大约9mm)。锤活塞20与钻头的撞击表面24之间的间隙为大约3mm，如在图4E中的细节视图C中示出的。

具有止挡板50的可动阀杆49现在落在外壳9中的静止阀杆套51的抵接表面上并且通过纯机械突然止挡来止挡阀杆49并由此止挡阀塞23进一步运动，如在图4D中的放大细节视图A中示出的，之后阀塞23与锤活塞20中的座部40分离并此由被打开。可动阀组件23、49、50在图4B中的正视图中示出。

阀塞23冲量的动能将通过其突然止挡略微拉长相对细长的阀杆49，并由此转换成非常快地使阀加速返回(反冲)的相对大的弹簧力。阀杆49的略微拉长(这里作为示例地计算为大约0.8mm)需要低于材料的利用率，在这种情况下该材料为高强度弹簧钢。阀塞23的质量应当尽可能小，这里作为示例地由铝制成，该质量结合阀杆49的材料的长度、直径和特性确定了阀组件的固有频率。

对于实际使用，该频率应当为工作频率的最少8-10倍。固有频率由下式确定：

$fn=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{k}{M}}$ 其中 $k=\frac{F}{\mathrm{\σ}}$

质量和弹簧常数是最重要的。所示出的结构的固有频率为大约1100-1200Hz并因此可以用于超过100Hz的工作频率。

在本示例中，所示出的结构具有撞击或击打速度的93％反冲速度。

图5A示出了锤活塞20撞击钻头11内的撞击或抵接表面24时的位置或瞬时。包括杆49和止挡板50的阀塞23处于完全返回速度下(参见图5B中示细节视图A)，使得相对快地形成阀塞23与锤活塞20上的阀座40之间的大开口，使得钻进流体现在以相对小的阻力流动通过锤活塞20中的纵向孔41，参见图5C中的细节视图B。

由于活塞在击打期间被略微压缩，锤活塞20冲量的动能部分地转换为锤活塞20中的弹簧力。当来自击打的能量波通过锤活塞20迁移到相反端部并且返回时，锤活塞20加速返回。这里的返回速度在开始时计算为大约3.2m/s，大约撞击或击打速度的53％，这是由于能量的一部分被用于钻头11的质量移位，而剩余部分被用于将压头压入到岩石中。

图6A示出了锤活塞20处于其完全返回速度下的瞬时。阀塞23在这个时刻差不多返回到了端部止挡位置，其中，图6B中的细节视图A示出了包括抵接阀杆套50的顶部的止挡板50的杆49。

图6A中的细节视图A示出了示出的实施例中的止挡板50为大致平面的并且面对布置在安装板29上的磁体58。面对顶部表面的磁体表面也是大致平面的。磁体58与止挡板50之间的磁力作用防止了阀塞23执行反冲运动并且使阀塞23保持在适当位置中直至下一循环开始。也可能的变型是，磁体58构成阀杆49上的止挡板50或者磁体58为止挡板50的一部分，并且安装板29自身由磁体材料制成，从而具有吸引止挡板50并由此吸引阀塞23的能力。

图6D中示出的图6A中的细节视图B示出了阀杆23与锤活塞20中的阀座40之间的相对大的开口，以便使通过该开口的钻进流体的流动以最小的阻力发生。阀杆套51的下侧形成为环形柱状凹口53(在图6C中的细节视图C中示出)，以便在阀组件23、49、50的反冲运动期间止挡板50接近磁体58时提供阻尼作用。阀塞23的顶部形成为环形活塞54，其以相对窄的间隙装配到环形柱状凹口53中。由于阀一直返回到端部止挡位置，封闭的流体量以受控的方式通过环形活塞54与环形柱状凹口53之间的径向间隙以及排出孔55排出。所述受控的排出用作阻尼力并且将阀的返回止挡成使得阀不进行反冲运动。相同类型的阻尼配置在锤活塞20上出现。在图6D中的细节视图B中，示出了环形活塞56位于锤活塞20的顶部，此外环形柱状槽57位于阀外壳9的下部部分中。

图7A示出了锤活塞20的返回的最后部分。返回行程的终止以受控方式受到作阻尼作用直至完全停止，与此同时阀座40与阀塞23会合，如在图7C中的细节视图A中示出的。图7B中的细节视图B示出了环形柱状凹口57内的封闭的或截留的流体量是如何通过环形活塞56之间的径向间隙与排出孔60被排出的。

阀座40与阀塞23之间的间隙为了压力积累和开始新的循环而不需要完全关闭。计算显示通过0.5mm的开口，压降与工作压力近似相同。这导致了阀塞23与座部40之间的接触表面上的表面压力变小并且部件可以获得长寿命。

图8示出了曲线图，其示出了锤活塞20和阀的工作循环。曲线A示出了工作循环的速度过程并且曲线B示出了位置过程。为两曲线而言，水平轴线为分成毫秒的时间轴。

曲线图A的竖向轴线以m/s示出了速度，相对于钻头11的行程方向示出为向上的+和向下的-(这里为返回速度)。

曲线图B的竖向轴线以mm示出了从开始位置的距离。曲线部分61示出了加速阶段，其中点62为阀被止挡并且其返回起始的瞬间。点63为锤活塞20撞击在钻头11上。

曲线部分64为钻头11通过前进到岩石中的位移，65为反冲的加速阶段，66为没有阻尼的返回速度并且67为有阻尼的返回速度。曲线部分68为阀的反冲加速阶段，69为阀没有阻尼时的返回速度并且70为阀返回的减慢的阻尼阶段。

现在引入的磁体58对于将阀组件23、49、50安全地保持在开始位置直至锤活塞20返回是关键的。阀组件在该时间段中需要被保持静止。在图8中的下曲线图B上，这个阶段示出为时间轴线上的从大约6到11(6000至11000毫秒)。

图9A示出了曲线71，其示出了相对于压力降和阀塞23与锤活塞中的座部40之间的开口的阀的突然关闭特性。该情形在图9B中示出。水平轴线为以mm为单位的开口间隙并且竖向轴线为在泵送钻进流体的额定流速下(作为示例地这里为12.5升/秒)以巴为单位的设计压力降。如示出的，关闭间隙需要在接收到大压力阻力之前达到1.5mm以下。

现在将特别地参照图3、图4、图5、图6和图7描述冲击锤的操作方式。给出的具体尺寸并非意在限制，而是仅作为使概念容易理解的示例。在起动阶段，如之前所述阀18发挥作用并且密封开口12，使得阀塞33坐靠座部34，参见图3F。当冲击锤被起动时，阀18不再发挥作用并且如图3G所示保持打开。

第一阶段在图3A中示出。锤活塞20处于距钻头11的底部24的最大距离处并且表示为大约12mm的大小。与此同时，阀塞23通过阀杆49和止挡板50悬挂在磁体58上。此外，阀塞23抵靠内部设置在锤活塞20顶部的座部40，如图4A所示。当阀塞23相对于座部40产生密封时，通过通道12供应的液压流体将作用在阀塞23和锤活塞20的环状顶部表面上(参见图3D)，阀塞23和锤活塞20的环状顶部表面一起构成了受到向下指向的力的液压区域。由此，向下运动启动，如图8中的附图标记61所示出的。图4A示出了这样的向下指向的运动正在进行并且锤活塞20接近钻头11内的底部24，这里示出为保持有大约3mm。如所示出的，止挡板50已经从磁体58被释放并且又压靠阀杆套51的顶部被止挡。这意味着由于锤活塞20仍然有大约3mm的一小段距离要行进直到锤活塞20到达底部24，阀塞23被升离座部40并且提供液压流体的开口。

在这个瞬间发生本结构的关键点。由于阀塞23的惯性矩并且结合着细长阀杆49，阀塞23将在阀塞23通过由于细长阀杆49的拉长产生的反冲作用返回之前进一步继续前行大约0.8mm。锤活塞20继续向下直到通过力撞击到钻头11中的底部表面24上(如图5A所示)，即锤自身行程撞击到岩石上。反冲作用使阀塞23再次向下并且提供阀座40处的较大开口。如图6A所示，阀塞23、阀杆49和止挡板50进一步向上运动并且大致使得止挡板50返回到磁体58，如图7A所示。除了振动以外，为了避免止挡板50与磁体58之间的撞击，当阀塞23接近阀杆套51的下端部时反冲运动受到阻尼作用，参见图6D和图6C。

锤活塞20产生类似的情况。如图6A所示，锤活塞20的反冲作用使活塞20向上返回运动(如所示出的)，使得钻头中的底部24与锤活塞20之间存在间隙。图7A示出了锤活塞20完全返回到起始位置并且新的循环可以开始。

应当理解的是，撞击中积累的机械能被用于返回，即反冲能量。返冲能量可以定义为：

k乘以x，其中k＝弹簧常数，并且x＝长度

k取决于对象的特性、细长比和长度。

X为锤活塞的压缩长度和阀杆的伸长长度。

响应时间取决于长度。长活塞会比短活塞反冲的慢，但反冲较短距离。反冲在能量振动或振荡通过对象从撞击传播到相反端部并且返回时(即材料的声速乘以长度乘以2)发生。这意味着2L除以5172m/s。对于活塞而言，这将会是大约200微秒并且对于阀而言略大于其一半。这就是阀杆49在这种示出成短于锤活塞20的原因，意味着更快的响应。

还应当理解的是，x取决于积累的力、质量动量和突然止挡。阀杆49的直径和长度决定于杆将被充分拉长以提供额外的返回能量并且同时材料不会受到过度应力。实际中，使用屈服极限的一半，由此寿命将增长。

阀杆表面的精细抛光将很有可能是有必要的，以避免裂缝或破裂缺口。表面例如可以通过所谓的喷丸硬化(球轰击或玻璃喷射)进行处理。该工艺在武器和飞机工业中的高疲劳暴露部件上使用。

Claims (11)

1.一种用于在硬地层中钻进的流体压力驱动的高频率冲击锤，所述冲击锤包括外壳(8，9，10)，所述外壳(8，9，10)在其一个端部设置有钻头(11)，所述钻头(11)设计成直接作用在所述硬地层上，所述冲击锤进一步包括可运动地接纳在所述外壳(8，9，10)中并且作用在所述钻头(11)上的锤活塞(20)，所述锤活塞(20)具有有预定通流能力的纵向延伸的孔(41)，并且所述孔(41)能够通过阀塞(23)在上游方向关闭，所述阀塞(23)在所述锤活塞(20)的行程期间跟随所述锤活塞(20)直到所述阀塞被机械地止挡，所述阀塞(23)由可滑动地接纳在阀杆套(51)中的相关联的阀杆(49)控制，所述阀杆(49)包括能够止挡所述阀塞(23)的止挡构件(50，51)并且在所述锤活塞(20)的完整行程长度的预定百分比处使所述阀塞(23)迅速地返回并且使所述阀塞(23)与所述锤活塞(20)上的座密封部(40)分离，使得所述孔(41)由此被打开并且允许孔流体自由流动通过所述孔(41)，使得所述锤活塞(20)能够以小的阻力返冲，其特征在于，所述止挡构件(50，51)包括磁体(58)，所述磁体(58)与所述阀杆(49)配合以便能够在预定条件期间保持所述阀杆(49)并由此保持所述阀塞(23)。

2.根据权利要求1所述的冲击锤，其特征在于，所述止挡构件(50，51)包括所述阀杆(49)的上游端部处的止挡板(50)和所述阀杆套(51)中的相配合的内止挡表面。

3.根据权利要求1或2所述的冲击锤，其特征在于，所述磁体(58)位于上游定位的安装板(29)上。

4.根据权利要求1或2所述的冲击锤，其特征在于，所述磁体(58)构成所述阀杆(49)上的所述止挡板(50)或者是所述阀杆(49)上的所述止挡板(50)的一部分，并且所述安装板(29)是磁性的。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的冲击锤，其特征在于，所述锤活塞(20)的完整行程长度的预定百分比的数量为约75％。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的冲击锤，其特征在于，所述阀塞(23)通过所述阀杆(49)的固有拉伸弹簧特性返回，所述阀杆(49)是细长的。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的冲击锤，其特征在于，所述锤进一步设置有入口阀组件(18)，针对所述锤活塞(20)的操作，所述入口阀组件(18)不打开直到压力积累到完全工作压力的大约95％，所述入口阀组件(18)适于封闭主通道(12)，并且所述锤的外壳内的侧通道(27)使所述锤活塞(20)与所述外壳(10)之间的环状空间增压，从而使所述锤活塞(20)升起以相对于所述阀塞(23)产生密封。

8.根据权利要求7所述的冲击锤，其特征在于，所述锤活塞(20)和所述阀组件(18)通过反冲返回，其中，所述锤活塞(20)和所述阀组件(18)都被提供有控制返回行程的减速直至停止的液压阻尼作用。

9.根据权利要求8所述的冲击锤，其特征在于，所述液压阻尼作用通过环状活塞(54)发生，所述环状活塞(54)被迫使进入到相应的具有可控间隙的环状缸体(53)中，并由此限制或抑制截留流体的排出。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的冲击锤，其特征在于，所述阀杆套(51)的顶部布置有开口(52)，所述阀杆(49)的止挡板(50)能够进入所述开口(52)，所述止挡板(50)的径向部分以相对窄的径向间隙相对于所述开口(52)的内侧产生密封。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的冲击锤，其特征在于，所述冲击锤外壳(1)被分成入口阀外壳(8)、阀外壳(9)和锤外壳(10)。