CN107642327B - 一种闭式正反循环冲击器 - Google Patents

Abstract

一种闭式正反循环冲击器是一种快速钻凿岩石的钻井、钻孔机具，应用于各种岩土工程施工中，其包括同心三通道短接、上接头、上外管、变径通风套、隔套、中心配气座、缸套、下外管、芯管、活塞、卡簧、保持套、半圆卡、花键套及钻头，该冲击器采用连接三通道同心钻具，中心配气的结构方案，实现了冲击器工作活塞的最大的有效工作面积，这将显著提高闭式正反循环冲击器的单次冲击功，进而提高冲击器的钻凿效率，本发明还针对接触密封的冲洗液的渗入问题，通过在上述结构的基础上设计一种双向协同逆止阀，进气逆止阀与返气逆止阀协同工作，同时完成开通与关闭操作，提高了冲击器的工作可靠性和工作寿命，有益于冲击器长期、稳定及高效的工作。

Description

一种闭式正反循环冲击器

技术领域

本发明是一种钻凿岩石的钻井、钻孔机具，应用于各种岩土工程施工中，包括基础工程，矿山开采，水文水井钻凿，地质勘探，石油钻井及地热井等岩土钻凿领域。

背景技术

气动冲击器是快速钻凿硬岩的一种有效的钻凿工具，在各种岩土工程中得到了非常广泛的应用。但在工程的实际使用中，在地质条件复杂的地层、地下水丰富的地层及深孔钻进时存在很多技术问题和不足，特别是随着钻孔孔径的加大，其排屑问题凸显，在一定程度上限制了这项技术的应用与发展。

闭式正反循环气动冲击器使用两种工作介质，使用压缩空气驱动冲击器工作，并通过一专有封闭通道从钻孔中返回至地面，不参与携带破碎的岩屑，另一循环工作介质为泥浆冲洗液，用于携带岩屑、保护孔壁。这种气动冲击器将有效解决常规气动冲击器存在的上述技术问题，详见申请号CN90208731.2的专利文献公开了湿式闭型反循环气动贯通潜孔锤及申请号CN201210496011.4的专利文献公开了泥浆护壁空气潜孔锤钻具及钻井工艺，是在常规低压气动冲击器结构的基础上增加了一层外管和一个芯管，外管用于构成空气返回通道，芯管用做泥浆冲洗液的循环中心通道，由于增加了这些结构，从冲击器的横截面来看，两个通道的空间占用，导致了闭式反循环冲击器的工作活塞有效作用面积的大幅减少，这使得冲击器的单次冲击功小，冲击能力不足，这不仅影响了钻凿的效率，也严重的加剧了钻头的磨损，降低了钻头的使用寿命，增加了施工成本，影响了其实用性。这种基于传统气动冲击器基础上的一种改造，其空气返回的通道的局部还存在着不通畅，沿程压力损失大等问题。这种闭式反循环冲击器，省略了气动冲击器的配置的逆止阀，简化了结构，但是由于其施工是在水下作业的，而冲击器的结构上存在气体介质和泥浆冲洗液介质的接触密封，当冲击器停止工作时，必然会使有一定水柱压力的泥浆冲洗液介质沿接触密封的间隙向冲击器内部低压区域渗入，这样会将泥浆冲洗液的颗粒性岩粉带入接触密封的间隙处，造成接触密封的密封性能下降，严重的情况下，甚至影响冲击器的正常工作。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有的闭式反循环冲击器单次冲击功不足及其空气返回通道的局部还存在着不通畅，沿程压力损失大等问题，提供一种闭式正反循环冲击器。

为了解决上述问题，本发明采用如下的技术方案：

本发明提出了一种闭式正反循环冲击器，其特征是：包括同心三通道短接、上接头、上外管、变径通风套、隔套、中心配气座、缸套、下外管、芯管、活塞、卡簧、保持套、半圆卡、花键套及钻头，所述同心三通道短接是由三层同心设置的圆管构成的三通道结构，三层圆管从内到外依次是中心管、中间管及外层管，由中心管、中间管及外层管形成的三个通道由内至外分别是中心泥浆冲洗液通道、内环状间隙进气通道和外环状间隙排气通道，其中外层管的下端与上接头螺纹连接，中间管和中心管的下端分别与变径通风套连接，并在连接处设置有密封件；所述上接头上开设有斜向返气孔；所述上外管的上端部与上接头的下部螺纹连接，上外管的下端部与下外管上端部螺纹连接；所述下外管内壁上具有台阶，在下外管内壁上部设置有返气环槽，在下外管内壁下部设置有进气环槽和卡簧环槽，下外管的下端部与花键套螺纹连接；所述缸套外壁紧靠于下外管内壁，并通过下外管内壁上的台阶定位，缸套侧壁上开设有排气孔，在缸套的上端面上设置有中心配气座；所述中心配气座包括回转体端盖、回转体及配气杆，其中回转体端盖位于回转体顶部并与其同轴布置，回转体端盖上开设有定位孔、返气孔及进气孔，定位孔开设在回转体端盖中部，其为贯穿孔，返气孔环绕定位孔布置并位于回转体外部，进气孔环绕定位孔布置并位于回转体内部，所述回转体具有内孔，回转体底部连接有配气杆；所述配气杆内部中空，且配气杆内部与回转体内部连通，中心配气座的上方设置有变径通风套、隔套及密封件，所述变径通风套侧壁中部开设有进气孔道，并沿变径通风套周向均匀布置，变径通风套上部分别与中间管和中心管插接，变径通风套下部与芯管螺纹连接,并在连接处设置有密封件；所述隔套置于变径通风套和上外管之间，隔套一端插接在上接头上，另一端插接在中心配气座上，并在插接处设置有密封件；所述芯管内部具有沿轴向贯穿的中心孔，芯管上部设置有定位外圆，并在定位外圆上部设置有连接螺纹，芯管中部设置有中部外圆，芯管下端部具有尾管外圆，芯管的中心轴与同心三通道短接的中心轴位于同一直线上，且位于同心三通道短接的下方，芯管的中心孔与同心三通道短接的中心管连通，其中定位外圆与定位孔套接，中部外圆与活塞内孔孔壁中部滑动接触并密封连接，尾管外圆上部与活塞的内孔孔壁下部滑动接触并密封连接，尾管外圆下部置于钻头的内孔中；所述活塞设置在钻头和中心配气座之间，活塞的外壁分别与缸套和下外管滑动接触，活塞的内孔孔壁上端部与配气杆滑动接触，活塞的内孔孔壁上部设有配气槽,在活塞中部设置有斜向进气通道和斜向返气通道；所述钻头的上部设置有保持套，保持套上端设置有卡簧；所述卡簧卡在下外管侧壁上的卡簧环槽内；所述钻头的中部为花键结构，并通过花键结构与花键套连接；所述花键套与下外管螺纹连接，在花键套的上端与保持套之间设有半圆卡；所述半圆卡外部套有密封圈。

所述同心三通道短接的中心管、芯管的中心孔及钻头的内孔构成了泥浆冲洗液的中心循环通道。

进一步，所述缸套侧壁上沿着缸套轴向开设有三排排气孔，从上至下依次为上端排气孔、中间排气孔及下端排气孔，每排排气孔沿着缸套周向均布。

进一步，本发明提出的一种闭式正反循环冲击器还包括返气逆止阀、组合密封圈、进气逆止阀、进气逆止阀弹簧、返气逆止阀弹簧及弹簧座，所述进气逆止阀套在变径通风套外部，并沿变径通风套轴向往复滑动；所述进气逆止阀弹簧设置在进气逆止阀的下部，进气逆止阀弹簧底部置于中心配气座的上端面；所述返气逆止阀套在隔套外部，返气逆止阀下端设置有返气逆止阀弹簧；所述返气逆止阀弹簧底部置于弹簧座上；所述组合密封圈设置在返气逆止阀与上接头之间，其中在所述隔套的侧壁上设有沿其周向布置的通气孔。

更进一步，在所述进气逆止阀上部沿着进气逆止阀轴向开设有进气孔，进气孔绕着进气逆止阀中心孔道呈环绕布置，在进气逆止阀上部沿着进气逆止阀径向开设有控制孔道，控制孔道绕着进气逆止阀中心孔道呈环绕布置，进气逆止阀内壁上设置有控制台阶面，且控制台阶面向进气逆止阀中心延伸。

通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：

1、相对于常规气动冲击器，该冲击器工作适应性强，可以在复杂的地质条件下和地下水丰富的水文条件下进行快速钻凿；在钻进设备能力相同的情况下，可以完成更深的钻孔、钻井的快速钻凿。

2、相对于常规气动冲击器，该冲击器更有利于空气的环保，由于气体不参与破碎岩屑的携带，返回的空气无任何粉尘有利于保护大气环境。

3、相对于常规气动冲击器，该冲击器更有利于提高大孔径冲击器在基岩钻井中的钻进效率，由于在钻凿大口径的施工时会产生大量破碎下来的岩屑，但常规的气动冲击器，是通过空气将岩屑携带至地表，由于钻进口径的加大，气体携带岩屑的能力也将显著下降，钻头钻进重复破碎严重，降低了钻进效率，使用冲洗液携带岩屑的能力大大的提高，避免了钻头的重复破碎，进而提高了钻进效率。

4、相对于目前闭式反循环气动冲击器技术，采用了中心配气的结构形式，工作压力范围广，适用于低压、中压和高压0.6Mpa～3.5Mpa情况下进行工作。

5、相对于目前闭式反循环气动冲击器技术，冲击器的进气通道和返气通道通畅，沿程阻力损失小，能量利用率高。

6、相对于目前闭式反循环气动冲击器技术，在相同冲击钻具规格的条件下，大大的增加了活塞工作时的有效的作用面积，能显著的提高闭式反循环气动冲击器的单次冲击功，提高闭式反循环气动冲击器钻凿硬岩的钻进效率，有利于防止钻头过早的磨损、降低施工成本。

7、同时相对于目前闭式反循环气动冲击器技术，设置了协同逆止阀，提高了冲击器的工作可靠性和工作寿命，有益于冲击器长期、稳定及高效的工作。

附图说明

图1为本发明一种闭式正反循环冲击器结构示意图。

图2为本发明一种闭式正反循环冲击器上设置有双向协同逆止阀的结构示意图。

图3为本发明一种闭式正反循环冲击器上设置有双向协同逆止阀时进气逆止阀、返气逆止阀关闭状态示意图。

图4为本发明一种闭式正反循环冲击器上设置有双向协同逆止阀时进气逆止阀、返气逆止阀开启状态示意图。

图5为本发明一种闭式正反循环冲击器上设置有双向协同逆止阀时冲程配气过程示意图。

图6为本发明一种闭式正反循环冲击器上设置有双向协同逆止阀时回程配气过程示意图。

图7为本发明的进气逆止阀剖切轴测图。

图8为本发明的中心配气座结构示意图。

图9为本发明的芯管结构示意图。

图中：1-同心三通道短接、2-上接头、3-上外管、4-返气逆止阀、5-组合密封圈、6-变径通风套、7-隔套、8-进气逆止阀、81-进气孔、82-控制孔道、83-控制台阶面、9-进气逆止阀弹簧、10-返气逆止阀弹簧、11-弹簧座、12-中心配气座、121-回转体端盖、122-回转体、123-配气杆、124-定位孔、125-返气孔、126-进气孔、13-缸套、14-下外管、15-芯管、151-定位外圆、152-中部外圆、153-尾管外圆、16-活塞、17-卡簧、18-保持套、19-半圆卡、20-花键套、21-钻头、c-配气槽、d-中腔、e-斜向进气通道、f-斜向返气通道。

具体实施方式

为了解决现有闭式反循环冲击器单次冲击功不足及其空气返回通道的局部存在着不通畅，沿程压力损失大等问题，本发明首次针对冲击功不足的问题，从冲击器的结构原理出发，在原理结构的层次上研究一种无需增加一层外管就能构成一空气返回通道，这样冲击器的活塞16外径尺寸，就不会因增加额外的外管导致活塞16外径变小，而活塞16内径，由于芯管15用做泥浆冲洗液的循环中心通道是无法规避的，所以在结构设计上将活塞16的内孔与芯管15的外壁配合，使得这种闭式反循环冲击器的活塞16内径达到最小，保证了闭式反循环冲击器有一个最大程度的活塞16有效作用面积，活塞16在冲程过程向下运动时其有效的作用面积为活塞16上腔和中腔d的端面面积之和，活塞16在回程过程向上运动时其有效的作用面积为活塞16下腔端面的面积，本发明提供的闭式正反循环冲击器采用连接三通道同心钻具，中心配气的结构方案，泥浆冲洗液介质可以正循环或者反循环工作，泥浆冲洗液可经过同心三通道短接1的中心管的中心泥浆冲洗液通道、芯管15的中心孔进入钻孔，通过冲击器外壁与钻孔孔壁构成的外侧环状空间携带岩屑排出，实施正循环钻进；或者泥浆冲洗液经过冲击器外壁与钻孔孔壁构成的外侧环状空间进入钻孔，再依次经芯管15的中心孔及同心三通道短接1的中心管的中心泥浆冲洗液通道返回，经由三通道钻具及三通道气水龙头排出，实施反循环钻进，如图1、图8及图9所示，具体结构如下：闭式正反循环冲击器的上端是同心三通道短接1，用于连接三通道同心钻杆，下端连接的破碎用钻头21，中间部分的外壳是外管，外管由上外管3和下外管14两部分组成，外管内依次装配冲击器的有关零件，所述同心三通道短接1是由三层同心设置的圆管构成的三通道结构，三层圆管从内到外依次是中心管、中间管及外层管，由中心管、中间管及外层管形成的三个通道由内至外分别是中心泥浆冲洗液通道、内环状间隙进气通道和外环状间隙排气通道，同心三通道短接1的外层管的下端与上接头2螺纹连接，同心三通道短接1的中间管和中心管分别与变径通风套6连接，并在连接处设置有密封件，确保三个通道间的密封和隔离；所述上接头2上开设有斜向返气孔；所述上外管3的上端部与上接头2的下部螺纹连接，上外管3的下端部与下外管14上端部螺纹连接；所述下外管14内壁上具有台阶，在下外管14内壁上部设置有返气环槽，在下外管14内壁下部设置有进气环槽和卡簧环槽，下外管14的下端部与花键套20螺纹连接；所述缸套13外壁紧靠于下外管14内壁，并通过下外管14内壁上的台阶定位，缸套13侧壁上沿着缸套13轴向开设有三排排气孔，从上至下依次为上端排气孔、中间排气孔及下端排气孔，每排排气孔沿着缸套13周向均布，缸套13的上端面上设置有中心配气座12；所述中心配气座12包括回转体端盖121、回转体122及配气杆123，其中回转体端盖121位于回转体122顶部并与其同轴布置，回转体端盖121上开设有定位孔124、返气孔125及进气孔126，定位孔124开设在回转体端盖121中部，其为贯穿孔，返气孔125环绕定位孔124布置并位于回转体122外部，进气孔126环绕定位孔124布置并位于回转体122内部，所述回转体122具有内孔，回转体122底部连接有配气杆123；所述配气杆123内部中空，且配气杆123内部与回转体122内部连通，中心配气座12的上方设置有变径通风套6、隔套7及密封件，所述变径通风套6侧壁中部开设有进气孔道，并沿变径通风套6周向均匀布置，变径通风套6上部分别与中间管和中心管连接，变径通风套6下部与芯管15螺纹连接，并在连接处设置有密封件；所述隔套7置于变径通风套6和上外管3之间，隔套7一端插接在上接头2上，另一端插接在中心配气座12上,并在插接处设置有密封件；所述芯管15内部具有沿轴向贯穿的中心孔，芯管15上部设置有定位外圆151，并在定位外圆151上部设置有连接螺纹，芯管15中部设置有中部外圆152，芯管15下端部具有尾管外圆153，芯管15的中心轴与同心三通道短接1的中心轴位于同一直线上，且位于同心三通道短接1的下方，芯管15的中心孔与同心三通道短接1的中心管连通，其中定位外圆151与定位孔124套接，中部外圆152与活塞16内孔孔壁中部滑动接触并密封连接，尾管外圆153上部与活塞16的内孔孔壁下部滑动接触并密封连接，尾管外圆153下部置于钻头21的内孔中，这样同心三通道短接1的中心管、芯管15的中心孔及钻头21的内孔构成了泥浆冲洗液的中心循环通道，所述的上接头2和中心配气座12都设置有相应的通气孔，便可构成冲击器通往同心三通道短接1的进气通道和返气通道；所述活塞16设置在钻头21和中心配气座12之间，活塞16的外壁分别与缸套13和下外管14滑动接触，活塞16的内孔孔壁上端部与配气杆123滑动接触，活塞16的内孔孔壁上部设有配气槽c,在活塞16中部设置有斜向进气通道e和斜向返气通道f；所述钻头21的上部设置有保持套18，保持套18上端设置有卡簧17；所述卡簧17卡在下外管14侧壁上的卡簧环槽内；所述钻头21的中部为花键结构，并通过花键结构与花键套20连接；所述花键套20与下外管14螺纹连接，在花键套20的上端与保持套18之间设有半圆卡19；所述半圆卡19外部套有密封圈。

如图1所示，本发明提供的闭式正反循环冲击器工作原理如下：

回程过程

冲击器工作时回程过程包括有冲击器进气回程阶段、冲击器膨胀做功回程阶段和惯性回程阶段，在回程过程中，活塞16由下止点向上止点运动，运动开始时，进入活塞16下腔的压缩高压气体作用在活塞16的下端面上，

冲击器进气回程阶段：

当冲击器开始工作时，活塞16处于最下端，进入冲击器的压缩空气，由同心三通道短接1的内环状间隙进气通道，通过变径通风套6的进气孔道进入变径通风套6与隔套7之间形成的环状空间，经由中心配气座12上开设的进气孔126进入到冲击器，并沿中心配气座12下部与芯管15之间形成的环状间隙进入活塞16的中腔d，经斜向进气通道e，最后进入活塞16的下腔，活塞16的下腔内为高压的压缩气体。此时活塞16的上腔与缸套13上开设的中间排气孔相通，处于相对低压状态，压缩空气作用在活塞16的下端作用面，将推动活塞16克服自身重力向上运动。活塞16的上腔内气体通过缸套13上开设的中间排气孔、上端排气孔，经由中心配气座12上开设的返气孔125进入隔套7与上外管3间的环状空间，沿上接头2上开设的斜向返气孔，经由同心三通道短接1的外环状间隙排气通道排出冲击器；

冲击器膨胀做功回程阶段：

随着活塞16继续向上移动，活塞16上腔的排气阻断，活塞16的上腔开始压缩空气，但活塞16的上腔内依然为低压气体，当活塞16下腔进气行程结束时，活塞16下腔的进气也被阻断，这时封闭的活塞16下腔压缩高压气体开始膨胀对活塞16做功，直至活塞16下端面脱离尾管外圆153。在这个过程中，在活塞16下端面脱离尾管外圆153前，活塞16的上腔与进气通道连通，活塞16的上腔进气，压缩高压空气进气经沿中心配气座12下部与芯管15之间形成的环状间隙进入活塞16的中腔d，经由活塞16上端设置的配气槽c进入活塞16的上腔。

惯性回程阶段：

活塞16通过膨胀做功上行至其下端面脱离尾管外圆153后，活塞16的下腔与返气通道连通，活塞16的下腔排气经由活塞16下端内孔孔壁与芯管15之间形成的环状间隙，通过活塞16的斜向返气通道f，缸套13上开设的下端排气孔，缸套13与下外管14间的环状间隙，经由缸套13的上端排气孔，再经由中心配气座12上开设的返气孔125进入隔套7与上外管3间的环状空间，沿上接头2上开设的斜向返气孔，经由同心三通道短接1的外环状间隙返气通道排出冲击器。活塞16的下腔气体压力释放，压力降低，虽然活塞16的上腔内为高压气体，但活塞16，依旧能够依靠其惯性继续上行，直至运动到活塞16回程的上止点，完成了活塞16的惯性回程阶段，同时也完成了活塞16全部的回程过程。

冲程过程

进入活塞16上腔的压缩高压气体作用在活塞16的上端作用面上，同时高压气体在活塞16的中腔d内也作用在活塞16中间作用面上，最大程度的保证了冲程阶段活塞16作用的有效面积。

进气冲程阶段：

回程结束后，活塞16将进入冲程过程。首先是进气冲程阶段，此时活塞16的上腔与进气通道相连，处于高压状态，活塞16的下腔排气后处于相对低压状态，活塞16将在其上腔和下腔的压力差作用下向下运动。活塞16的下腔内气体继续排气，活塞16下腔的排气经由活塞16内孔下端与芯管15间的环状间隙，通过活塞16的斜向返气通道f，缸套13的下端排气孔，缸套13与下外管14间的环状间隙，经由缸套13的上端排气孔，中心配气座12上开设的返气孔125进入隔套7与上外管3间的环状空间，沿上接头2上开设的斜向返气孔，经由同心三通道短接1的外环状间隙返气通道排出冲击器。当活塞16加速向下运动至活塞16内孔下端与尾管外圆153接触时，活塞16的下腔被封闭起来，活塞16下腔内的空气被压缩，但压力依然较低。

膨胀冲程阶段：

当活塞16下行时，此时活塞16的配气槽c的控制上台阶将与中心配气座12下部配气杆123接触，阻断了高压气体进入活塞16上腔的通道。由于活塞16的上腔气体依然处于高压状态，活塞16的下腔气体处于相对低压状态，活塞16的上腔气体利用膨胀做功，从而继续推动活塞16向下运动。

惯性冲程阶段：

这个阶段实质上也是活塞16的减速阶段，当活塞16由于膨胀冲程至一定距离时，活塞16的下腔与进气通道重新打开，压缩高压气体沿中心配气座12与芯管15之间形成的环状间隙进入活塞16的中腔d，经活塞16的斜向进气通道e，最后进入活塞16的下腔；活塞16继续下行，活塞16的上腔与缸套13的上端排气孔连通，活塞16的上腔气体压力释放。活塞16依惯性产生的惯性力活塞16继续向下运动，直至活塞16运动到下止点，撞击钻头21，完成一次能量的传递，如上所述过程循环往复，活塞16不断的撞击钻头21。

本发明还针对接触密封的冲洗液的渗入问题，通过在上述结构的基础上设计一种双向协同逆止阀，当冲击器停止工作时，即切断进气通道同时又切断返气通道，使冲击器的内部腔体封闭并存储一定的气体，保持一定的压力，从而阻止冲洗液介质沿接触密封的间隙渗入。

如图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8及图9所示，本发明提供的闭式正反循环冲击器采用连接三通道同心钻具，中心配气的结构方案，进气逆止阀8与返气逆止阀4协同工作，同时完成开通与关闭操作,具体的包括返气逆止阀4、组合密封圈5、进气逆止阀8、进气逆止阀弹簧9、返气逆止阀弹簧10及弹簧座11，所述进气逆止阀8套在变径通风套6外部，并沿变径通风套6轴向往复滑动，在所述进气逆止阀8上部沿着进气逆止阀8轴向开设有进气孔81，进气孔81绕着进气逆止阀8中心孔道呈环绕布置，在进气逆止阀8上部沿着进气逆止阀8径向开设有控制孔道82，控制孔道82绕着进气逆止阀8中心孔道呈环绕布置，进气逆止阀8内壁上设置有控制台阶面83，且控制台阶面83向进气逆止阀8中心延伸；所述进气逆止阀弹簧9设置在进气逆止阀8的下部，进气逆止阀弹簧9底部置于中心配气座12的上端面；所述返气逆止阀4套在隔套7外部，返气逆止阀4下端设置有返气逆止阀弹簧10；所述返气逆止阀弹簧10底部置于弹簧座11上；所述组合密封圈5设置在返气逆止阀4与上接头2之间，其中在所述隔套7的侧壁上设有沿其周向布置的通气孔。

如图3、图4及图7所示，双向协同逆止阀工作原理：

当闭式正反循环冲击器工作时，压缩的空气依次经由同心三通道短接1的内环状间隙进气通道及变径通风套6上开设的进气孔道进入进气逆止阀9的控制腔，作用在控制台阶面83上，产生向下的推力，克服进气逆止阀弹簧9阻力，推动进气逆止阀8下行，进气阀口开启，进气沿进气逆止阀8上开设的进气孔81，通过进气逆止阀8，再经由中心配气座12上开设的进气孔126进入到冲击器的工作腔体。同时，一部分压缩空气通过进气逆止阀8，经由隔套7上开设的通气孔，进入返气逆止阀4的控制腔，对返气逆止阀4产生向下的推力，克服返气逆止阀弹簧10的弹力，返气逆止阀4向下移动，返气的阀口开启，并一直锁定开启的状态。

冲击器工作排除的气体，经由中心配气座12上开设的返气孔125，进入返气逆止阀4，通过返气逆止阀4开启的阀口，上接头2上开设的斜向返气孔，经由同心三通道短接1的外环状间隙返气通道，与钻杆相连，最后通过钻机上的气水龙头排出。

当关闭冲击器的气源，停止工作时，首先进气逆止阀9控制腔内压力降低，进气逆止阀8在进气逆止阀弹簧9的作用下复位关闭进气阀口，冲击器的进气通道切断，这时进气逆止阀8开设的径向控制孔道82与隔套7上开设的通气孔连通，返气逆止阀4的控制腔压力也降低，返气逆止阀4在返气逆止阀弹簧10的弹力作用下复位关闭返气阀口，冲击器的返气通道也被切断。冲击器的内部被封闭起来，并具有一定的压力。

如图2、图5及图6所示，冲击器工作原理：

回程过程

冲击器工作时回程过程包括有冲击器进气回程阶段，冲击器膨胀做功回程阶段和惯性回程阶段，在回程过程中，活塞16由下止点向上止点运动，运动开始时，进入活塞16下腔内的压缩高压气体作用在活塞16的下端面上。

冲击器进气回程阶段：

当冲击器开始工作时，活塞16处于最下端，进入冲击器的压缩空气，由同心三通道短接1内环状间隙进气通道，分别进入进气逆止阀9的控制腔与返气逆止阀4的控制腔，克服弹簧力协同开启进气逆止阀8与返气逆止阀4，经由中心配气座12上开设的进气孔126进入到冲击器，并沿中心配气座12下部与芯管15之间形成的环状间隙进入活塞16的中腔d，经斜向进气通道e，最后进入活塞16的下腔，活塞16的下腔内为高压的压缩气体，此时活塞16上腔与缸套13上开设的中间排气孔相通，处于相对低压状态，压缩空气作用在活塞16的下端作用面，将推动活塞16克服自身重力向上运动。活塞16上腔内气体通过缸套13上开设的中间排气孔、上端排气孔，经由中心配气座12上开设的返气孔125进入返气逆止阀4，通过返气逆止阀4开启的阀口，上接头2上开设的斜向返气孔，经由同心三通道短接1的外环状间隙的排气通道排出冲击器；

冲击器膨胀做功回程阶段：

随着活塞16继续向上移动，活塞16上腔的排气阻断，活塞16的上腔开始压缩空气，但活塞16的上腔内依然为低压气体，当活塞16下腔进气行程结束时，活塞16下腔的进气也被阻断，这时封闭的活塞16下腔压缩高压气体开始膨胀对活塞16做功，直至活塞16下端面脱离尾管外圆153。在这个过程中，在活塞16下端面脱离尾管外圆153前，活塞16的上腔与进气通道连通，活塞16的上腔进气，压缩高压空气进气经沿中心配气座12下部与芯管15之间形成的环状间隙进入活塞16的中腔d，经由活塞16上端设置的配气槽c进入活塞16的上腔。

惯性回程阶段：

活塞16通过膨胀做功上行至其下端面脱离尾管外圆153后，活塞16的下腔与返气通道连通，活塞16的下腔排气经由活塞16下端内孔孔壁与芯管15之间形成的环状间隙，通过活塞16的斜向返气通道f，缸套13上开设的下端排气孔，缸套13与下外管14间的环状间隙，经由缸套13的上端排气孔，再经由中心配气座12上开设的返气孔125进入隔套7与上外管3间的环状空间，沿上接头2上开设的斜向返气孔，经由同心三通道短接1的外环状间隙返气通道排出冲击器。活塞16的下腔气体压力释放，压力降低，虽然活塞16的上腔内为高压气体，但活塞16，依旧能够依靠其惯性继续上行，直至运动到活塞16回程的上止点，完成了活塞16的惯性回程阶段，同时也完成了活塞16全部的回程过程。

冲程过程

进入活塞16上腔的压缩高压气体作用在活塞16的上端作用面上，同时高压气体在活塞16的中腔d内也作用在活塞16中间作用面上，最大程度的保证了冲程阶段活塞16作用的有效面积。

进气冲程阶段：

回程结束后，活塞16将进入冲程过程。首先是进气冲程阶段，此时活塞16的上腔与进气通道相连，处于高压状态，活塞16的下腔排气后处于相对低压状态，活塞16将在1其上腔和下腔的压力差作用下向下运动。活塞16的下腔内气体继续排气，活塞16下腔的排气经由活塞16内孔下端与芯管15间的环状间隙，通过活塞16的斜向返气通道f，缸套13的下端排气孔，缸套13与下外管14间的环状间隙，经由缸套13的上端排气孔，中心配气座12上开设的返气孔125进入隔套7与上外管3间的环状空间，沿上接头2上开设的斜向返气孔，经由同心三通道短接1的外环状间隙返气通道排出冲击器。当活塞16加速向下运动至活塞16内孔下端与尾管外圆153接触时，活塞16的下腔被封闭起来，活塞16下腔内的空气被压缩，但压力依然较低。

膨胀冲程阶段：

当活塞16下行时，此时活塞16的配气槽c的控制上台阶将与中心配气座12下部配气杆123接触，阻断了高压气体进入活塞16上腔的通道。由于活塞16的上腔气体依然处于高压状态，活塞16的下腔气体处于相对低压状态，活塞16的上腔气体利用膨胀做功，从而继续推动活塞16向下运动。

惯性冲程阶段：

这个阶段实质上也是活塞16的减速阶段，当活塞16由于膨胀冲程至一定距离时，活塞16的下腔与进气通道重新打开，压缩高压气体沿中心配气座12与芯管15之间形成的环状间隙进入活塞16的中腔d，经活塞16的斜向进气通道e，最后进入活塞16的下腔；活塞16继续下行，活塞16的上腔与缸套13的上端排气孔连通，活塞16的上腔气体压力释放。活塞16依惯性产生的惯性力活塞16继续向下运动，直至活塞16运动到下止点，撞击钻头21，完成一次能量的传递，如上所述过程循环往复，活塞16不断的撞击钻头21。

Claims (5)

1.一种闭式正反循环冲击器，其特征是：包括同心三通道短接(1)、上接头(2)、上外管(3)、变径通风套(6)、隔套(7)、中心配气座(12)、缸套(13)、下外管(14)、芯管(15)、活塞(16)、卡簧(17)、保持套(18)、半圆卡(19)、花键套(20)及钻头(21)，所述同心三通道短接(1)是由三层同心设置的圆管构成的三通道结构，三层圆管从内到外依次是中心管、中间管及外层管，由中心管、中间管及外层管形成的三个通道由内至外分别是中心泥浆冲洗液通道、内环状间隙进气通道和外环状间隙排气通道，其中外层管的下端与上接头(2)螺纹连接，中间管和中心管的下端分别与变径通风套(6)连接，并在连接处设置有密封件；所述上接头(2)上开设有斜向返气孔；所述上外管(3)的上端部与上接头(2)的下部螺纹连接，上外管(3)的下端部与下外管(14)上端部螺纹连接；所述下外管(14)内壁上具有台阶，在下外管(14)内壁上部设置有返气环槽，在下外管(14)内壁下部设置有进气环槽和卡簧环槽，下外管(14)的下端部与花键套(20)螺纹连接；所述缸套(13)外壁紧靠于下外管(14)内壁，并通过下外管(14)内壁上的台阶定位，缸套(13)侧壁上开设有排气孔，在缸套(13)的上端面上设置有中心配气座(12)；所述中心配气座(12)包括回转体端盖(121)、回转体(122)及配气杆(123)，其中回转体端盖(121)位于回转体(122)顶部并与其同轴布置，回转体端盖(121)上开设有定位孔(124)、返气孔(125)及进气孔(126)，定位孔(124)开设在回转体端盖(121)中部，其为贯穿孔，返气孔(125)环绕定位孔(124)布置并位于回转体(122)外部，进气孔(126)环绕定位孔(124)布置并位于回转体(122)内部，所述回转体(122)具有内孔，回转体(122)底部连接有配气杆(123)；所述配气杆(123)内部中空，且配气杆(123)内部与回转体(122)内部连通，中心配气座(12)的上方设置有变径通风套(6)、隔套(7)及密封件，所述变径通风套(6)侧壁中部开设有进气孔道，并沿变径通风套(6)周向均匀布置，变径通风套(6)上部分别与中间管和中心管插接，变径通风套(6)下部与芯管(15)螺纹连接,并在连接处设置有密封件；所述隔套(7)置于变径通风套(6)和上外管(3)之间，隔套(7)一端插接在上接头(2)上，另一端插接在中心配气座(12)上，并在插接处设置有密封件；所述芯管(15)内部具有沿轴向贯穿的中心孔，芯管(15)上部设置有定位外圆(151)，并在定位外圆(151)上部设置有连接螺纹，芯管(15)中部设置有中部外圆(152)，芯管(15)下端部具有尾管外圆(153)，芯管(15)的中心轴与同心三通道短接(1)的中心轴位于同一直线上，且位于同心三通道短接(1)的下方，芯管(15)的中心孔与同心三通道短接(1)的中心管连通，其中定位外圆(151)与定位孔(124)套接，中部外圆(152)与活塞(16)内孔孔壁中部滑动接触并密封连接，尾管外圆(153)上部与活塞(16)的内孔孔壁下部滑动接触并密封连接，尾管外圆(153)下部置于钻头(21)的内孔中；所述活塞(16)设置在钻头(21)和中心配气座(12)之间，活塞(16)的外壁分别与缸套(13)和下外管(14)滑动接触，活塞(16)的内孔孔壁上端部与配气杆(123)滑动接触，活塞(16)的内孔孔壁上部设有配气槽(c),在活塞(16)中部设置有斜向进气通道(e)和斜向返气通道(f)；所述钻头(21)的上部设置有保持套(18)，保持套(18)上端设置有卡簧(17)；所述卡簧(17)卡在下外管(14)侧壁上的卡簧环槽内；所述钻头(21)的中部为花键结构，并通过花键结构与花键套(20)连接；所述花键套(20)与下外管(14)螺纹连接，在花键套(20)的上端与保持套(18)之间设有半圆卡(19)；所述半圆卡(19)外部套有密封圈。

2.根据权利要求1所述的一种闭式正反循环冲击器，其特征是：所述同心三通道短接(1)的中心管、芯管(15)的中心孔及钻头(21)的内孔构成了泥浆冲洗液的中心循环通道。

3.根据权利要求1所述的一种闭式正反循环冲击器，其特征是：所述缸套(13)侧壁上沿着缸套(13)轴向开设有三排排气孔，从上至下依次为上端排气孔、中间排气孔及下端排气孔，每排排气孔沿着缸套(13)周向均布。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的一种闭式正反循环冲击器，其特征是：还包括返气逆止阀(4)、组合密封圈(5)、进气逆止阀(8)、进气逆止阀弹簧(9)、返气逆止阀弹簧(10)及弹簧座(11)，所述进气逆止阀(8)套在变径通风套(6)外部，并沿变径通风套(6)轴向往复滑动，所述进气逆止阀弹簧(9)设置在进气逆止阀(8)的下部，进气逆止阀弹簧(9)底部置于中心配气座(12)的上端面；所述返气逆止阀(4)套在隔套(7)外部，返气逆止阀(4)下端设置有返气逆止阀弹簧(10)；所述返气逆止阀弹簧(10)底部置于弹簧座(11)上；所述组合密封圈(5)设置在返气逆止阀(4)与上接头(2)之间，其中在所述隔套(7)的侧壁上设有沿其周向布置的通气孔。

5.根据权利要求4所述的一种闭式正反循环冲击器，其特征是：在所述进气逆止阀(8)上部沿着进气逆止阀(8)轴向开设有进气孔(81)，进气孔(81)绕着进气逆止阀(8)中心孔道呈环绕布置，在进气逆止阀(8)上部沿着进气逆止阀(8)径向开设有控制孔道(82)，控制孔道(82)绕着进气逆止阀(8)中心孔道呈环绕布置，进气逆止阀(8)内壁上设置有控制台阶面(83)，且控制台阶面(83)向进气逆止阀(8)中心延伸。