CN1065942C

CN1065942C - 冲击锤

Info

Publication number: CN1065942C
Application number: CN94193011A
Authority: CN
Inventors: 汉斯·E·埃德隆德
Original assignee: Reedrill Inc
Current assignee: Industrial Limited by Share Ltd
Priority date: 1993-07-01
Filing date: 1994-07-01
Publication date: 2001-05-16
Anticipated expiration: 2014-07-01
Also published as: KR960704136A; FI960013A0; AU7323594A; WO1995002110A2; WO1995002110A3; US5398772A; EP0706604A4; KR100322796B1; JP3470188B2; FI960013A; JPH09503830A; AU676077C; EP0706604A1; CA2166390A1; CN1129965A; AU676077B2

Abstract

在一冲击钻机中具有一冲击锤，该冲击锤包括一本体部分和一在本体部分上的活塞头。活塞头的外圆周比本体部分的外圆周大。本体部分和活塞头的纵向轴线上的所有点的横截面面积基本上相等。活塞头设置在本体部分的一端，并呈漏斗形。

Description

冲击锤

发明领域

本发明涉及冲击装置的锤子，尤其涉及大孔的气动钻岩机。

发明背景和概要

气动钻岩机总的包括一个壳体，其内形成一个圆柱形腔室，一往复运动的锤子安装在该腔室内。在腔室一端的铁砧或柄部所处的位置受到锤子的冲击。压缩空气在锤子的相对两侧交替地供给气缸，使锤子在气缸内往复运动并不断地冲击柄部。

在某些应用中，数个钻杆在锤子和钻头之间连成串以到达被钻孔的底部。诸杆轴向连接，锤子的冲力沿着成串的杆传递到钻头。这种结构一般用在岩石的钻孔中，它需要相对长而又窄的孔。

鉴于安全、钻机的操作特征和空气压缩机的成本等方面的原因，气动钻机总的用比较低的压缩空气，一般在60到100p．s．i的范围。为了从比较低的压缩空气产生岩石钻井所必须的力，现有技术的气动钻机一般有大腔室内孔和大直径锤子活塞头。这类钻机一般是Gardner-Denver PR1000，PR66和PR80钻机。在这些钻机中，钻锤的锤子活塞头的横截面直径基本上比锤子长度上其余部分的直径和锤子冲击面的直径大。大截面活塞头具有大的表面面积，较低的压缩空气作用其上，以扩大力使锤子加速。

当锤子冲击柄部时，锤子运动的动能转变成冲击能，同时产生一个由锤子的粒子运动形成的入射波形。在钻杆组件部件之间的各界面，例如在锤子与柄部、柄部与任何钻杆、钻杆或柄部与一钻头以及钻头与将被钻的岩石之间，入射波形形成传递的和反射的波形分量，它在钻杆组件中前后传播。当起始的入射波形的引导压缩部分到达钻头，钻头被推进岩石。

入射波形的长度和波形是钻杆组件的几何形状的函数，尤其是钻锤、柄部、成串的钻杆和钻头的长度和直径的函数。入射波形的应力分量的幅度主要是冲击速度的函数。

传统的气动锤结构在有效地将锤子运动的动能转变成固定柄部的冲击能以及在有效地将该冲击能沿钻杆组件传递到钻头等方面存在着问题。产生于各界面的反射波形分量是界面的阻抗或动刚度的函数。反射波的一部分受压尾部含有返回到前一冲击部件的回跳损失。反射波形回跳部分由于刚性响应的缘故而较大，但对于一自由端的反射则可能为零。

尽管反射波自身在杆中反射，并最终可反射到钻头，但反射能一般对岩石几乎不作功，因而被认为是一种损失。例如，当一应力波通过钻杆组件接头时，能量因摩擦而损失。能量从第一杆传到接头，再从接头传到在钻杆组件的下一根杆，使接头的拉伸和压缩力不平衡。不平衡的力导致接头和杆之间的运动形成摩擦消耗。反射能可引起大量的能量损失。因而，为了提高冲击能传到钻头的效率，希望使反射能变得最小。

钻锤的反射能可能占冲击时所产生的总能量的相当大的部分。如由B·伦德贝里所著的冲击岩石破裂的某些基本问题(Some BasicProblems in Percussive Rock Destruction)214-15(1971)所描述的，当钻机中的锤子、连贯的钻机部件及被钻岩石之间的阻抗或动刚度相等时，钻机中的反射波分量达到最小。若冲击装置中的锤子、柄部、钻杆和钻头用相同的或相似的材料(即材料比重和通过材料的波速基本相同)制成，且锤子和柄部在通过锤子的纵向轴线的任一点的横截面面积相等，则反射波分量最小。传统锤子结构的理论上的应力波如图1A、1B和1C中的波形X′、X″和X所示。波形的第一应力分量的应力幅度σ与锤子的几何形状有关，如公式所示：

σ=Ev_jA₁[]c(A₁+A₂)

其中：v_j是锤子冲击速度；

A₁是锤子的横截面面积；

A₂是柄部的横截面面积；

E是杨氏模量；

c是锤子材料的波速；以及

σ是应力幅度。

图1A、1B和1C中的波形X′、X″和X示出的应力幅度一时间曲线具有传统锤子的特征，其活塞头横截面面积(A₁)比锤子本体的其余横截面面积大。合成的波形由许多传递和反射的分量组成。波形的应力幅度尖峰P′、P″和P是波反射在传统锤子大横截面的几何形状上的结果。图1A、1B和1C对于一特定的锤子速度还示出，当锤子的其余横截面面积为最小的时候，即具有恒定横截面面积的长度方向的其余部分，锤子具有比活塞头小的横截面面积A₁，起因于锤子的这些面积上的波的应力幅度部分最小。

反射波的幅度和由回跳及摩擦所致的各种损失是冲击时所形成的入射应力波的幅度及在钻机中各界面的刚度响应特性的函数。减少由锤子、柄部或其他钻杆组件部件在长度方向的不同横截面面积所引起的入射波的幅度，并使刚度响应特性最佳，就能减少这些能量的损失。

在图1A、1B和1C中的曲线下面的面积代表入射脉冲，可表示为：

I=A∫σ dt

A等于钻杆组件部件在测量点的面积。

应力波的总能量表示为：

e=Ac E∫σ ²dt

图1A、1B和1C还示出了理论上的应力波形Y′、Y″和Y。波Y′、Y″和Y比波X′、X″和X更呈矩形，应力幅度的波峰达到最小。各波Y的能量与各波X的能量相同。传统的锤子一般在波形的第一部分形成大部分有效能，而在波形的其余部分形成比较低的应力幅度的尾部。波形B的相对恒定的应力幅度与在其长度上具有恒定横截面面积的锤子及钻机部件有关。使锤子和钻机部件各自的横截面面积恒定，并使之互为相等，就有可能产生一种使反射波的能量损失达到最小的波形。

虽然由其锤子和钻机部件的横截面面积恒定并相等的钻机产生的波形Y的峰值应力幅度比传统气动钻机产生的具有尖峰P的波形X的峰值应力幅度低，但波形Y仍能包含与波形X同样多的，或者更多的能量，因为能量传递发生于一个较长的时间周期。此外，各波形X和Y的能量受锤子或钻杆组件各部件所能承受的应力的限制。因此，本发明的钻机比传统的气动钻机传递的能量多，因为，本发明钻机包括横截面面积恒定和相等的锤子及钻机部件，锤子及钻机部件中的波形Y的峰值应力幅度基本上等于锤子或钻杆组件部件所能承受的最大应力(加上安全因素)，而且在峰值应力幅度的能量传递发生于有些延长的时间周期，而对于传统气动钻机包括锤子和钻杆组件各部件，波形X的峰值应力幅度P基本上等于传统的锤子和钻杆组件各部件所能承受的最大应力(加上安全因素)，而且在峰值应力幅度上的能量传递时间比较短暂。

液压冲击钻机常常设计成用一个其横截面面积与窄的柄部的横截面面积相等的锤子完成钻岩功能，该锤子的外径与柄部的外径相等。然而，在液压钻机中，使反射能的损失达到最小是一件比较简单的事情，因为液压钻机具有高压液流的优势，该液压流体作用在一个窄的活塞头表面能产生较大的力。

相反，气动冲击钻机通常用大直径活塞头补偿低的工作压力。气动钻机一般用横截面面积变化的锤子，因而不具有使反射应力波达到最小的优势。因此，反射能的损耗在气动钻机中一般比较大。

发明主题和概要

因此，本发明的一个目的是提供一种把能量有效地传递到钻头的气动钻岩机。

本发明的另一个目的是为钻机提供一种其横截面面积基本不变的锤子。

本发明的还有一个目的是为气动钻机提供一种与通常用于野外的压缩机一起使用的锤子。

实现本发明目的的技术方案是：

一种气动驱动的冲击钻机的锤子，它包括：一具有第一端、第二端和一个主体部分的细长本体，所述的主体具有预定的横截面积；一与本体第二端相邻的活塞头，该活塞头的外圆周的直径比本体的外圆周大；以及，本体和活塞头的预定横截面面积基本上与本体主体部分的横截面面积相等，使得在冲击钻机的一冲击行程中，产生一个基本上为矩形的冲击所致的应力波，以减小锤子上的峰值应力水平，从而有利于提高锤子的冲击速度。

一种气动冲击钻机，它包括：一锤子，该锤子包括一具有第一端、第二端和一个主体部分的细长本体，所述的主体部分具有预定的横截面积，以及与该本体的第二端相邻的活塞头，该活塞头的外圆周的直径比本体的外圆周大，本体和活塞头的预定横截面面积基本上与本体主体部分的横截面面积相等，使得在冲击钻机的一冲击行程中，产生一个基本上为矩形的由冲击所致的应力波，以减小锤子上的峰值应力强度而有利于提高锤子的冲击速度；一形成气缸以接纳锤子的壳体，锤子可在气缸内轴向运动；把流体引导到气缸使锤子在气缸内轴向往复运动的装置；传递锤子能量的装置，该传递装置受到锤子的冲击。

附图简要说明

下面结合附图详细描述本发明的一个较佳实施例，其中相同的零部件用相同的编号表示，附图中：

图1A、1B和1C示意性地示出用来比较的理论上的模拟数据，线A是传统气动锤子和钻机的钻杆组件中各个部位的应力一时间曲线，线B是本发明钻杆组件中相同部位的应力一时间曲线；

图2是本发明一实施例的气动钻机的纵向剖视图；

图3是本发明一实施例的锤子和钻杆组件结构的示意图；

图4是本发明一实施例的气动锤子的纵向剖视图；

图5是截取图4中的线5-5的剖视图；

图6是截取图4中的线6-6的剖视图；以及

图7是截取图4中的线7-7的剖视图。

详细说明

图2剖面示出了具有冲击锤20的气动钻机10。钻机10包括一形成气缸52以接纳锤子20的壳体50。锤子20在气缸52内轴向运动。锤子20的活塞头24构成气缸52的一个下腔62和上腔64。

锤子20有一个细长的、总体上最好是圆柱形的本体22(图4)。锤子20的活塞头24最好有一个总体上为漏斗形的部分34，在漏斗形部分的直径较大的一端延伸出一圆柱形前缘部分36。漏斗形部分34最好是圆锥形的，其壁47具有大体上为圆锥形的内外壁表面49、48。前缘部分36与锤子轴线38同轴。

气缸52的形状总体上与锤子20的形状一致。气缸52有一个窄的前段54、一个宽的主段58和一个在前段与主段之间的过渡段56。过渡段56与气缸52的纵向轴线之间的角度基本上等于漏斗形部分34的外壁48与锤子纵向轴线之间的角度θ，所以，当锤子20在冲击位置时(见图2)，漏斗形部分的外壁表面48在过渡段的附近或与其相邻。

来自一压缩机(未示)的空气进出气缸52并通过一阀结构对着锤子20的活塞头24的顶侧和底侧45、46使锤子往复运动。空气通过气缸52前段54的一输入口65进入气缸52，并通过气缸的主段58的排出口67排出。沿锤子本体22的预定部位有凹进去的区域30和32。支承件60、61同轴地设置在狭窄段54以为锤子的本体22提供滑动支承。支承件60、61与凹陷区域30、32配合以引导钻机10中的压缩空气使锤子20往复运动。锤子20往复运动时，锤子20的前缘部分36运动过排出口的交替侧，因而，当锤子往复运动时空气从活塞头24的交替侧排出。

在锤子20冲击行程的开始阶段，凹陷区域32与支承件61相对，使输入口65与下腔62之间的通路基本中断，因而很少有或没有空气压力进入活塞头24的底侧46。前缘部分36在排出口67之上的气缸52的主段58的一个部位，使下腔62的空气排出。凹陷区域30与支承件60相互相对，使得输入口65与下通口68和通道66连通，又通过上通口69与上腔64连通。通过输入口65进入钻机10的压缩空气对着活塞头的顶侧45被引入上腔64，从而，使锤子朝着冲击位置运动，在该冲击位置锤子的冲击面26冲击柄部70。

当锤子20达到冲击位置，即在图2中所示的冲击面26接触柄部70的位置，凹陷区域30与支承件60相互相对，使得输入口65与下通口68之间的连通中断。前缘部分36位于排出口67的下面，所以，上腔64与排出口67连通。凹陷区域32与支承件61相互相对，使输入口65与下腔62连通。通过输入口65进入钻机10的压缩空气对着活塞头24的底侧46被引入下腔62，以开始一个返回行程。

柄部70上的锤子20的冲击能如图3所示那样通过柄部传递到一钻头88，进而冲击被钻的岩石。图3中所示的锤子20冲击钻杆组件80中的柄部70。柄部70通过一接头84与钻杆组件80中的钻杆82相连。钻杆组件80制造得足够长以满足特定的钻孔应用，在杆82与连接于钻头88的终端钻杆86之间可连接一根或一根以上的钻杆。

如图4所示，锤子20的漏斗形部分34的外壁表面48从锤子本体22以一相对于锤子的纵向轴线38且小于90°的角度θ伸出。漏斗形部分34的内壁表面49与锤子20的纵向轴线呈一角度φ，其中φ大于θ。漏斗形部分34的壁47的厚度从与本体22接触的点到与前缘部分36接触的点逐渐下降。漏斗形部分34的内外壁表面49、48的角度φ和θ最好设置得把空气压力转换成锤子20推力的活塞头上的表面面积的量能最佳地平衡锤子20往复运动时为漏斗形部分提供足够的强度和刚度所必须的材料厚度。在一较佳实施例中，Φ约等于50°，θ约等于45°，活塞头24的漏斗形部分34的最大外径约是本体22的外径的2．5倍之大。

如图5、6和7所示，垂直于锤子20轴线38的平面的横截面面积基本上不变。因此，当锤子20冲击柄部70时，形成一根基本上是矩形的应力幅度-时间波，比较好的是接近于图1A中的波Y′的形状。此外，使柄部70材料的阻抗与锤子20的一样，且柄部70的横截面面积基本上与锤子的相等，则锤子的反射波形能达到最小，从而有利于能量的有效传递。通过逐渐地降低漏斗形部分34壁47的厚度，就可使漏斗形部分的外径增加时而其横截面面积保持不变或几乎不变。如图5所示的活塞头24的顶侧45的表面面积大到足以能产生用所得的压缩空气钻岩石所必须的力。本体22的内外径和前缘部分36的内外径也设置成横截面面积保持恒定。

在图3所示的本发明的钻杆组件80中，各相继的钻杆82、86的横截面面积设置成基本上与柄部70和锤子20的横截面面积相等。在此方式中，当锤子20冲击柄部70、柄部冲击钻杆82，依此类推时，形成一根基本上是矩形的应力幅度一时间波，比较好的是接近于图1B和1C所示的波Y″和Y的形状，从而，有利于能量从锤子经过钻杆组件80到钻头88的有效传递。

在图2所示的钻机10中，有一个使锤子20两端相通的连续中心通道，例如孔28，使空气从活塞头24经过锤子流到冲击面26。柄部70设置在气缸52端部的壳体50内，并部分地伸到气缸内。柄部70有一个与锤子20的中心孔28相连通的连续中心通道，例如孔72。通过一送风管流经锤子孔28的空气流过孔72。如图3所示，钻岩时空气就是以这一方式被引导到钻头88以冲掉钻孔中的岩石碎块和岩屑。去掉孔中的岩屑有助于钻头与岩石保持接触，以便能更有效地钻孔。最好是锤子20形成中心孔28而与柄部70是否有孔72无关，因为中心孔还能有利于柄部附近的钻机部件的气-油渗漏润滑。例如，最好是常常引导空气以冲掉柄部中离开柄部受到锤子20的冲击面26冲击的位置一些距离的部位(未示)的岩石碎块。

在运行中，当压缩机(未示)通过输入口65提供压缩空气时，锤子20受到驱动冲击柄部70，该空气通过下通口68、通道66和上通口69，然后流进上腔64并对着活塞头24的顶侧45，以迫使锤子20通过一个冲击行程。在冲击行程的至少一部分期间，空气从下腔62通过排出口67排出。图2中所示的锤子20在钻机10中从右到左的运动发生在冲击行程中。图2所述的锤子20在冲击位置与柄部70接触。然后，压缩空气由输入口65提供进到下腔62并对着活塞头的底侧46，以迫使锤子20通过一个回程。在回程的至少一部分期间，空气从上腔64通过排出口67排出。

选择柄部70的外径使其横截面面积基本上与锤子20的横截面面积相等。这对如上所述的横截面面积基本相等的锤子20和柄部70使峰值应力幅度及反射波分量最小。同样，这种分量的传递应力波基本上是矩形的，从而进一步有利于能量的有效传递。柄部70和钻杆82及86中的基本上为矩形的应力波将分别更好地接近于图1A、1B和1C所示的Y′、Y″和Y的形状。此外，锤子20、柄部70和钻杆82、86的横截面面积选得使这些部件的峰值应力幅度基本上等于这些部件所能承受的再加上所需的安全因素的最大应力，从而，有利于最大限度地将能量传到岩石。

虽然已根据一较佳实施例描述了本发明，但可以理解的是，在不脱离如权利要求书所述的本发明的范围的情况下，可以对本发明进行变型和改变。

Claims

1．一种气动驱动的冲击钻机的锤子，它包括：

一具有第一端、第二端和一个主体部分的细长本体，所述的主体具有预定的横截面积；

一与本体第二端相邻的活塞头，该活塞头的外圆周的直径比本体的外圆周大；以及本体和活塞头的预定横截面面积基本上与本体主体部分的横截面面积相等，使得在冲击钻机的一冲击行程中，产生一个基本上为矩形的冲击所致的应力波，以减小锤子上的峰值应力水平，从而有利于提高锤子的冲击速度。

2．如权利要求1所述的锤子，其特征在于，本体是圆柱形的。

3．如权利要求1所述的锤子，其特征在于，活塞头是漏斗形的。

4．如权利要求3所述的锤子，还包括：一从活塞头直径较大的一端延伸出的圆柱形前缘部分，其在纵向轴线上的所有点的横截面面积基本上与本体和活塞头的横截面面积相等。

5．如权利要求3所述的锤子，其特征在于，活塞头的内表面是圆锥形的。

6．如权利要求1所述的锤子，其特征在于，活塞头的壁部分的厚度随着活塞头外径的增大而减少。

7．如权利要求1所述的锤子，其特征在于，一轴向通道延伸通过本体和活塞头。

8．如权利要求7所述的锤子，其特征在于，轴向通道的至少一部分是一个连续的轴向孔。

9．如权利要求3所述的锤子，其特征在于，活塞头的外表面与锤子的纵向轴线成一角度。

10．如权利要求9所述的锤子，其特征在于，活塞头的外表面与锤子的纵向轴线成45°角。

11．如权利要求1所述的锤子，其特征在于，活塞头的外径比本体的外径大2．5倍。

12．一种气动冲击钻机，它包括：

一锤子，该锤子包括一具有第一端、第二端和一个主体部分的细长本体，所述的主体部分具有预定的横截面积，以及与该本体的第二端相邻的活塞头，该活塞头的外圆周的直径比本体的外圆周大，本体和活塞头的预定横截面面积基本上与本体主体部分的横截面面积相等，使得在冲击钻机的一冲击行程中，产生一个基本上为矩形的由冲击所致的应力波，以减小锤子上的峰值应力强度而有利于提高锤子的冲击速度；

一形成气缸以接纳锤子的壳体，锤子可在气缸内轴向运动；

把流体引导到气缸使锤子在气缸内轴向往复运动的装置；

传递锤子能量的装置，该传递装置受到锤子的冲击。

13．如权利要求12所述的冲击钻机，其特征在于，传递装置包括一柄部。

14．如权利要求13所述的冲击钻机，其特征在于，柄部纵向轴线上的所有点的横截面面积基本上与本体和活塞头的横截面面积相等。

15．如权利要求14所述的冲击钻机，其特征在于，传递装置还包括成串连接的钻杆，各钻杆纵向轴线上的所有点的横截面面积基本上与本体和活塞头的横截面面积相等。

16．如权利要求12所述的冲击钻机，其特征在于，一轴向通道延伸通过本体、活塞头和传递装置。

17．如权利要求12所述的冲击钻机，其特征在于，活塞头具有一漏斗形部分和一从漏斗形部分的直径较大的一端延伸出的前缘部分，一轴向通道延伸通过本体、漏斗形部分和前缘部分的锤子的长度，漏斗形部分的外表面与锤子的纵向轴线成45°角，漏斗形部分的内表面与锤子的纵向轴线成50°角，漏斗形部分的外面和里面分别至少形成活塞头的部分底侧和顶侧；

漏斗形部分的直径较大的部分和前缘部分构成气缸的一下腔和一上腔；

所述引导流体的装置包括用阀调节的装置，把压缩流体交替地送到气缸的下腔和上腔以交替地作用在活塞头的底侧和顶侧、使锤子分别通过一回程和一冲击行程移动；以及

所述传递装置包括一柄部，安装在当锤子运动过冲击行程时受到锤子冲击的壳体中的位置，柄部有一个在其长度方向延伸的轴向通道，柄部的横截面面积基本上与本体的主体部分的横截面面积相等；

其中，在气缸的冲击行程中，流体流过锤子的轴向通道和柄部的轴向通道。

18．如权利要求17所述的冲击钻机，其特征在于，在气缸的回程中，流体流过锤子的轴向通道和柄部的轴向通道。