CN110029940B - 动压反馈先导控制液动冲击振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动压反馈先导控制液动冲击振荡器，其为采用射流元件作为先导级，射流元件与换向阀形成二级组合控制，以高压水或高压油携带液压能驱动活塞高频往复运动的冲击振荡装置。总流量输入后即动态分配给射流元件和换向阀，提供给射流元件的流量仅需满足驱动主阀芯换向的要求，大部分流量由换向阀控制，提供给冲击机构。此外，该装置采用内反馈机制的水击压力信号控制附壁射流的切换，进而推动主阀芯换向，实现了冲击机构在大流量工况下的活塞高频往复运动，产生高能冲击振荡作用。该装置可作为核心部件，广泛应用于深井硬岩钻进的旋冲钻具系统，也可用于构建液压破碎锤、顶驱式液压桩锤或夯管锤以及液压振动试验台。

Description

动压反馈先导控制液动冲击振荡器

技术领域

本发明涉及一种液动冲击和振动装置，尤其是涉及一种动压反馈先导控制液动冲击振荡器。

背景技术

液动射流冲击器的提出最早可以追溯到1989年的中国发明专利CN2040529，该专利公开了一种采用双稳附壁式射流元件直接驱动活塞做功的液动冲击振动装置，由于整机结构简单、便于制造且采用清水和泥浆作为工作介质与钻探工艺相适应，此类产品在地质勘探和油气井勘探钻采领域得到广泛应用。在液动射流冲击器具体使用过程中，出现了射流元件容易冲蚀损坏、活塞高速运动时内缸上腔流量供应不足、活塞及活塞杆耐磨性差等诸多问题。为改善其工作性能，针对液动射流冲击器结构的创新方案不断提出，比较有代表性的如中国专专利文献中公开的一种液动射流冲击器，详见公开号CN102454360，提出了在射流元件上方增设碟簧及座的结构；中国专利文献公开的一种水平定向钻用射流式液动冲击钻具，详见公开号CN106894757A，提出了采用硬质合金材料构造分体式射流元件、采用活塞及缸体镀磷镍的表面硬化工艺，以及在冲锤上镶嵌聚四氟乙烯塑料降低摩擦力并改善耐磨性的措施；中国专利文献公开的具有补流蓄能功能的射流式液动锤，公开号为CN207131329U，提出了采用回程蓄能及节流缓冲的内缸上腔补流方案，等等。尽管采用双稳射流元件直接控制的液动射流冲击器经过多次改良和优化，依然难以从根本上解决元件易冲蚀寿命短、冲击器有效工作压差小、冲程时内缸上腔流量难以满足活塞和冲锤高速运动需求等难题。事实上，造成上述困难的根本原因在于：采用射流元件直接控制冲击机构、无法突破其自身结构与性能的局限性。双稳附壁式射流元件依据柯安达原理工作，具有狭窄的输入通道、内部采用开式工作腔，因此面对钻探行业以水和泥浆为工作介质、流量较高的工作需求，采用射流元件直接控制的液动射流冲击器在原理上就存在着不可逾越的技术瓶颈，如元件进口过流面积太小而引起极高节流损失、附壁射流受载荷影响大易失稳等等；此外，对于其在工程机械液压振动技术领域的应用，尽管射流元件具有非运动部件且采用压力反馈控制的特征，但由于其最大工作压力不高，直接用于驱动冲击机构无法获得较高冲击能量，故而失去实用价值。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中存在的问题，提出了一种动压反馈先导控制液动冲击振荡器，采用双稳附壁射流元件作先导级控制换向阀，换向阀作为主阀，由换向阀控制高压大流量液体通过配流孔道，进而驱动液动冲击机构动作。

为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：动压反馈先导控制液动冲击振荡器，其特征在于，其为采用动压反馈二级控制的液动冲击振荡装置，射流元件作为先导阀，换向阀作为主阀，所述射流元件和换向阀沿液动冲击振荡器的外管轴线方向从上至下依次设置在液动冲击机构上方，射流元件用于驱动换向阀换向；所述换向阀具有高通和低通两个工作位置，换向阀处于高通位置时液动冲击机构内缸的上腔接通高压，活塞及设置在活塞下端的冲锤进行差动冲程动作；换向阀处于低通位置时液动冲击机构内缸的上腔接通低压，活塞及设置在活塞下端的冲锤进行回程动作；于射流元件上方设置有分流阀，射流元件的进口端和换向阀的出液端连通，分流阀包括分流阀体、调压弹簧、分流阀芯、分流阀套和分流阀座，分流阀座固定在分流阀套的下端，所述分流阀套的弹簧腔通过径向泄压孔与设置在分流阀座上的回油配流孔道相通；分流阀体的上部安装有缓冲垫，分流阀芯的中空通道与分流阀的高压进口贯通，调压弹簧压紧在分流阀芯上部台肩环形工作面上，调压弹簧所在的分流阀套上部环形腔室接通低压，初始状态下分流阀芯下端面在调压弹簧弹簧力作用下压紧在分流阀座上，分流阀芯具有径向分流孔，分流阀套具有通流环槽，初始状态下径向分流孔和通流环槽未接通；外管顶端连接有钻杆接头，钻杆接头的下端顶靠在缓冲垫上，钻杆接头的内孔用以实现对外连接并接收高压流体；

其中，射流元件为双稳附壁式平面元件，其安装在先导阀套内，射流元件下方安装有配流套，配流套中心具有阶梯形通孔，配流套与上芯管插接，上芯管具有阶梯型圆柱结构，上芯管与下芯管插接，在上芯管内设置有反馈信号接收孔道；

其中，换向阀的主阀芯为具有阶梯型空心圆柱滑阀结构，换向阀安装在主阀套内，主阀套与配流套的接触面上具有位置一一对应、结构一致的主液流孔道，主阀套还具有接收液动冲击机构内缸上下腔水击压强的反馈信号道；

其中，液动冲击机构包括活塞、液动冲击机构内缸及下芯管，活塞的凸肩将液动冲击机构内缸分为上下两腔，液动冲击机构内缸采用阶梯孔结构，阶梯孔上端利用下芯管的外台肩作为上缸盖，阶梯孔下部结构用于活塞出杆端密封，在活塞上开设反馈信号输入孔道。

所述射流元件为整体式平面结构，射流元件的输出孔道布置在其宽度方向，关于垂直于工作平面的元件中面对称；射流元件的压力反馈信号通道布置在其厚度方向上，关于液动冲击机构轴线对称。

所述换向阀为双台肩的滑阀，换向阀的主阀芯中部开设沉槽，沉槽内具有压力切换孔道，换向阀具有高通和低通两个工作位置，当换向阀处在高通位置时，主阀套的内部台肩与主阀芯上的沉槽中部相对应，主阀套中接通液动冲击机构内缸上腔和下腔的配流通道均接通高压液流，活塞及设置在活塞下端的冲锤进行差动冲程动作；当换向阀处在低通位置时，主阀套的内部台肩与主阀芯上的对应台肩形成间隙配合，同时主阀芯沉槽内的压力切换孔道接通上芯管的低压排空通道，通过主阀套内的配流通道，液动冲击机构内缸的上腔将接通低压，同时液动冲击机构内缸的下腔保持高压，活塞及设置在活塞下端的冲锤进行回程动作，主阀芯两侧的先导控制腔接通射流元件的输出孔道，先导控制腔与射流元件的主流道之间被主阀芯两端台肩所封隔。

所述主阀芯内开设有阻尼通道。

通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：本发明提出的动压反馈先导控制液动冲击振荡器是采用双稳附壁式射流元件与换向阀联合控制冲击机构的振荡系统。其技术优势在于：

(1)动压反馈控制可确保冲击完成后回程，可最大限度利用冲击机构的冲击能量，因换向控制信号取自机械碰撞引起的水击压力峰值，故有效避免了采用位置反馈原理工作的冲击机构在冲程接近终点处因逆向压差而减速所导致的机械能损失。

(2)采用双稳附壁式射流元件作为先导控制级，反馈信号直接取自液动冲击机构，可实现可靠的自激振动控制。针对双稳附壁式射流元件的孔道狭窄，内部流场具有开式结构的特点，在双稳附壁式射流元件进口处设置限压式分流阀，实现了射流元件与换向阀两者之间合理的流量分配，有效避免了使用射流元件直接驱动冲击机构情况下用射流元件易冲蚀、节流损失大的弊端。

(3)液动冲击机构内缸下腔常通高压，冲程时差动连接，回程时液动冲击机构内缸上腔通过具有三通控制机能的换向阀接低压，换向阀的主阀芯具有中空结构，低压通道布置在内侧。主阀芯上的阻尼通道确保了射流附壁状态的稳定性，同时使主阀芯有效克服了稳态和瞬态液动力，可快速平稳可靠换向并可准确停留在工作位置上。

(4)在上芯管内设置反馈信号接收孔道，并在活塞上开设反馈信号输入孔道，仅在活塞运动至冲程或回程终点附近才使活塞上的反馈信号输入孔道与上芯管的反馈信号接收孔道相连通，有效避免了液动冲击机构内缸缸内主液流对射流元件附壁状态造成影响，其作为深井液动旋冲钻井工具可在极高背压条件下正常工作。

(5)双稳附壁射流元件采用整体式平面元件结构，组装时，仅需将其插入先导阀套的矩形安装孔内，操作方便，且在损坏时易于更换。双稳附壁射流元件采用粉末冶金压铸方式一次成型，加工效率高，成本低，利于批量化生产。

(6)动压反馈先导控制液动冲击振荡器的三个主要部件：①作为先导控制的射流元件；②换向阀；③液动冲击机构。以上部件既可采用紧凑型辅助配流零部件进行连接，组装在外管管体内部，用作深井硬岩钻探液动冲击器和振荡器；也可采用独立的壳体分体布置，用管路连接，构建在地表应用的大功率液动冲击装置；还可以集成化组装，增设蓄能器等辅助元件，构造动压反馈式液压锤剪，作为核心部件组建液压振动试验台等，应用领域十分广泛。

附图说明

图1为本发明实施例中动压反馈先导控制液动冲击振荡器的系统结构总图。

图2为本发明实施例中换向阀结构示意图。

图3为本发明实施例中双稳附壁式射流元件及控制配流结构示意图。

图4为本发明实施例中液动冲击机构的结构示意图。

图5为本发明实施例中液动冲击机构反馈信号道结构示意图。

图6为本发明实施例中动压反馈先导控制液动冲击振荡器的系统原理图。

图中各标记如下：1-钻杆接头；2-缓冲垫；3-分流阀体；4-调压弹簧；5-分流阀芯；6-分流阀套；7-分流阀座；8-射流元件；9-先导阀套；10-配流套；11-上芯管；12-换向阀；13-主阀套；14-下芯管；15-液动冲击机构内缸；16-活塞；18-冲锤；19-平键；20-外管；21-砧子；22-砧座；23-联接螺栓。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

如图1、图2、图3、图4、图5及图6所示，本发明所提出的动压反馈先导控制液动冲击振荡器采用双稳附壁式射流元件8作为先导阀，换向阀12作为主阀，由换向阀12控制高压大流量液体通过配流孔道，进而驱动液动冲击机构动作。所构建的二级控制液动冲击系统具有如下主要技术特征：

(1)冲击器入口处输入的流量采用限压式分流阀动态分配至射流元件8和换向阀12高压进口；

(2)射流元件8主要用于控制换向阀12切换，对应附壁式平面射流元件8的双稳态，换向阀12具有两个稳定的工作位置；

(3)液动冲击机构内缸15的下腔恒为高压，液动冲击机构内缸15的上腔压力随换向阀12工作位置切换而变化，当换向阀12控制液动冲击机构内缸15的上腔为高压时，活塞16和冲锤18进行差动冲程动作；当换向阀12控制液动冲击机构内缸15的上腔接通低压时，活塞16和冲锤18进行回程动作。

分流阀的分流阀芯5初始状态在调压弹簧4的预紧力作用下贴紧在分流阀座7上，此时输入液流仅有射流元件8入口这一通道，由于射流元件8进口狭小，节流作用引起输入端中心孔道内液体压力升高，分流阀芯5上作用的液体压力克服调压弹簧4的预紧力向上提动，于是开设在分流阀芯5上的径向分流孔q1与分流阀套6上的通流环槽c1相通，而后高压液流一小部分流量通过射流元件8用于驱动换向阀12换向，大部分流量进入分流阀套6的高压配流孔道，进入环形空间R，环形空间R实质上是位于分流阀套6外圆柱面上沿圆周均布的两处腰型槽，被外管20内孔遮盖，所形成的封闭的高压区域。高压液流同时提供给液动冲击机构内缸15的下腔以及换向阀12的进油孔道，用于驱动液动冲击机构工作。分流阀芯5下端沿圆周均匀开设的矩形槽c2，在初始状态分流阀芯5端面与分流阀座7贴合时依然可引导液体压力作用于分流阀芯5的环形截面，确保分流阀芯5在压力作用下提动。分流阀套6的弹簧腔通过径向泄压孔y与设置在分流阀座7上的回油配流孔道Y相通并最终与分流阀套6的中心低压通道联通，故分流阀芯5提动的条件为作用于分流阀芯5环形截面上的压力克服调压弹簧4的预紧力，调压弹簧4起到了设定系统启动压力的作用。

控制先导级采用了整体式双稳附壁式射流元件8，射流元件8具有关于中面对称的内部流场结构，分流获得的流量从射流元件8上部圆形通孔进入预压腔Pv，随后通过狭长的矩形喷嘴产生高速射流，根据柯安达原理射流将附壁至一侧，进入主阀先导控制流道m或主阀先导控制流道n，从而使主阀芯动作，主阀套13上环槽c3接通高压流体，主阀套13的径向配流孔Ps通过轴向通孔Pp与环槽c3连通，环槽c3、径向配流孔Ps及轴向通孔Pp数量均为两组，其中每组内径向配流孔Ps和轴向通孔Pp的数量为三个，以确保大流量高压液体通流时具有足够的过流面积。射流元件8内射流附壁现象产生后，射流元件8的输出孔道Pa接通主阀先导控制流道m、射流元件8的输出孔道Pb接通主阀先导控制流道n，射流附壁侧具有较高的工作压力，输出液流可推动主阀芯换向，而非附壁侧则接收通过主阀芯内部阻尼通道的回流，进而通过排空孔道Tv1或排空孔道Tv2进入上芯管11中心低压通道。射流附壁侧的切换依赖于反馈控制孔道Ctrl1和反馈控制孔道Ctrl2处的压强变化，液动冲击机构正常工作的情况下，促使射流附壁侧切换的反馈信号通常为液动冲击机构内缸15上腔或下腔内形成的水击压强。

作为主控级的换向阀12为双台肩的滑阀，换向阀12的主阀芯中部开设沉槽，沉槽内具有压力切换孔道，换向阀12具有高通和低通两个工作位置，当换向阀12处在高通位置时，主阀套13的内部台肩与主阀芯上的沉槽中部相对应，主阀套13中接通液动冲击机构内缸15上腔和下腔的配流通道均接通高压液流，实现活塞16和冲锤18的差动快进；当换向阀12处在低通位置时，主阀套13的内部台肩与主阀芯上的对应台肩形成间隙配合，与此同时主阀芯沉槽内的压力切换孔道接通上芯管11的低压排空通道，通过主阀套13内的配流通道，液动冲击机构内缸15的上腔将接通低压，同时液动冲击机构内缸15的下腔保持高压，从而使活塞16和冲锤18回程。主阀芯两侧的先导控制腔分别接通射流元件8的输出孔道Pa和输出孔道Pb，先导控制腔与射流元件8主流道之间被主阀芯两端台肩所封隔，为确保射流元件8稳定附壁以及活塞16正常运动时主阀芯处在稳定的工作位置，在主阀芯环状实体内开设有阻尼通道，由于阻尼通道的存在，射流元件8驱动换向阀12切换到位后，射流元件8的输出孔道Pa和输出孔道Pb之间依然保持了连通状态，并在主阀芯两端通过持续的小流量通流形成一定的压力差，这种通流状态有效避免了所驱动的主阀芯在行程终点处速度突变而引起附壁射流失稳，同时流动引起的压力差也使主阀芯可以克服液动力而处在稳定的工作位置。

射流元件8的反馈控制信号引自液动冲击机构内缸15的上腔和下腔，由于液动冲击机构具有差动冲程的工作特点，冲程时液动冲击机构内缸15上腔及下腔均接通高压，故反馈信号接通液动冲击机构内缸15下腔和上腔的效果是等同的，冲程终了后液动冲击机构内缸15的上腔将发生水击现象，对应冲程终了，使液动冲击机构内缸15的上腔发出动压反馈信号，引起射流元件8内射流附壁侧切换；而在回程终了，液动冲击机构内缸15的下腔将发生水击现象，发出动压反馈信号，再次引起射流元件8内射流附壁侧的切换。射流切换后通过输出孔道Pa和输出孔道Pb进入主阀芯两端先导控制腔，控制主阀芯换向，主阀芯换向后进一步控制活塞16和冲锤18改变运动方向，于是在有稳定的高压液流输入的情况下，系统内形成可持续的内反馈自激振荡，由于差动冲程可以获得更高的冲击末速，故基于上述原理构建的液动冲击机构也可视作单向输出冲击能量的冲击器。事实上，通过调整结构参数，增加诸如回程缓冲蓄能器等辅助元件，可灵活调整冲击机构工作参数，满足不同应用领域的具体需求。

所述液动冲击机构采用单出杆活塞16及液动冲击机构内缸15组成，其中活塞16作为驱动部件，其下端采用平键19安装有冲锤18，以增大运动部件质量，获得足够的动能。平键19的数量为四根，平键19的半圆头部加工有内螺纹通孔e，以便于拆卸。活塞16具有中空的低压排流孔道，液动冲击机构内缸15上部由下芯管14的法兰作为封盖，液动冲击机构内缸15的上腔也通过下芯管14法兰内的孔道PA接通换向阀12的输出孔道。液动冲击机构内缸15的下腔则由其外部的配流槽c6和径向通孔PB恒接通高压液流。活塞16外部加工有反馈信号导流槽c4，反馈信号导流槽c4常通液动冲击机构内缸15的配流槽c6，以及接通配流槽c6的沿其圆周均布的反馈信号孔Pf，故活塞16的反馈信号通道可在其运动过程中始终接通高压。在反馈信号导流槽c4的下方开设有径向反馈信号孔Pr，接通活塞16内部反馈信号导流槽c5。在下芯管14下方外圆柱面上开设有冲程终了反馈信号孔Pra及冲程终了反馈信号孔Prb，活塞16冲程结束时反馈信号导流槽c5接通液动冲击机构内缸15上腔反馈信号道Paa，回程结束时反馈信号导流槽c5接通液动冲击机构内缸15下腔反馈信号道Pbb，进一步可将高压液流内的水击压强信号传递给射流元件8的反馈控制孔道Ctrl1或反馈控制孔道Ctrl2，从而实现射流附壁侧切换，使射流元件8控制换向阀12切换，对应冲程终了，主阀切换后液动冲击机构内缸15的上腔接通低压，而对应回程终了，换向阀12切换后液动冲击机构内缸15的上腔接通高压，如此周而复始，可实现动压反馈控制的、高压液流驱动的活塞16和冲锤18的高频往复运动，实现冲击振荡作用。

本发明动压反馈先导控制液动冲击振荡器，其为采用动压反馈二级控制的液动冲击振荡装置，射流元件8作为先导级，换向阀12作为主控级，射流元件8和换向阀12沿外管20轴线从上至下依次居中布置在液动冲击机构上方，二者联合作用实现液动冲击机构的压力反馈二级先导式控制；该动压反馈先导控制液动冲击振荡器具有输入端分流阀，分流阀包括分流阀体3、调压弹簧4、分流阀芯5、分流阀套6和分流阀座7，分流阀座7通过联接螺栓23固定在分流阀套6的下端，分流阀体3的上部安装有缓冲垫2，分流阀芯5具有中空通道q，分流阀芯5的中空通道q与换向阀12的中部沉槽是贯通的，调压弹簧4压紧在分流阀芯5上部台肩环形工作面上，调压弹簧4所在的分流阀套6的上部环形腔室接通低压，初始状态下分流阀芯5下端面在弹簧力作用下压紧在分流阀座7上，分流阀芯5具有径向分流孔q1，分流阀套6具有通流环槽c1，初始状态下径向分流孔q1和通流环槽c1未接通。整个外管20顶端连接有钻杆接头1，钻杆接头1的下端顶靠在缓冲垫2上实现内部元件上端定位，钻杆接头1的内孔可根据具体应用方式加工为石油钻杆标准连接螺纹等结构，用以实现对外连接并接收高压流体；

其中，所述射流元件8是控制装置中的先导阀，系统仅为其提供较小的流量，以控制主阀切换，该射流元件8为双稳附壁式平面元件，安装在具有矩形安装孔的先导阀套9内；射流元件8下方安装有配流套10，配流套10中心具有阶梯形通孔，其内部插接有上芯管11，上芯管11具有阶梯型圆柱结构，其大端在上，故下芯管14仅能自上方插入。当射流元件8装入时，其下端面压紧弹性垫圈t，对上芯管11的轴向位置进行了限制；

其中，所述换向阀12是动压反馈先导控制液动冲击振荡器中的第二级，也是控制液动冲击机构动作的主阀，大部分流量通过主阀孔道提供给液动冲击机构，主阀的主阀芯为具有阶梯型空心圆柱滑阀结构，安装在主阀套13内，主阀套13与配流套10接触面上具有位置一一对应、结构一致的主液流孔道，此外还包括接收液动冲击机构内缸15上下腔水击压强的反馈信号道，需要强调的是反馈信号来自液动冲击机构，液动冲击机构中还具有可越过射流元件8向上、将中心低压排空通道与分流阀弹簧腔接通的回油配流孔道Y；

其中，所述液动冲击机构包括活塞16、液动冲击机构内缸15及下芯管14，活塞16的凸肩将液动冲击机构内缸15分为上下两腔，液动冲击机构内缸15采用阶梯孔结构，上端利用下芯管14的外台肩作为上缸盖，阶梯孔下部结构用于活塞16出杆端密封；对于采用三通滑阀原理控制的液动回路，液动冲击机构内缸15的下腔恒接通高压，而上腔则基于射流元件8和换向阀12的切换过程分别接通高压或低压，于是产生了活塞冲程的差动运动，而在压力反馈作用下使附壁射流发生偏转并切换是基于水击原理实现。

所述射流元件8为整体式平面结构，其主工作孔道布置在射流元件8宽度方向，关于垂直于工作平面的元件中面对称；其压力反馈信号通道布置在射流元件8厚度方向上，关于液动冲击机构轴线对称；射流元件8采用高精度高光洁度金属近净成型加工为最佳生产途径，如粉末冶金压铸技术等。

所述换向阀12，其配流过程由外圆柱环槽及径向通孔T共同完成，换向阀12的主阀芯具有两个稳定的工作位置，与射流元件8的双稳状态相对应，其中位置一通过外圆柱环槽接通高压，位置二通过径向通孔T接通低压，径向通孔T在主阀芯切换到位置二时与上芯管11的低压排空孔道相通，此外，主阀芯采用高强度、高硬度、高耐磨性、低密度材料制造，其上加工有阻尼孔。

本发明动压反馈先导控制液动冲击振荡器组成原理如图6所示，其主要功能部件工作可分为六个部分，分别为：I-限压分流阀总成；II-先导控制阀总成；III-主控换向阀总成；IV-液动冲击机构总成；V-压力反馈信号道；VI-高压蓄能器。其中限压分流阀I是一种提动阀，以来自先导控制阀II进口处的节流作用建立起工作压力，在该压力作用下分流阀芯5提动，高压液流大部分流量可直接进入环形高压通道，由于阀口全开，故液流仅产生很小的局部压力损失。先导控制阀II主要由平面型双稳附壁射流元件8构成，该射流元件8可采用线切割加工硬质合金及电火花钻孔形成内部流场结构和孔道，也可采用粉末冶金压铸工艺一次模锻成型。先导阀套9上加工有各类工作孔道，与射流元件8的各孔道一一对应，除输入孔道Q1外，主要还包括控制主阀换向的输出孔道Pa和输出孔道Pb、反馈控制孔道Ctrl1和反馈控制孔道Ctrl2、排空孔道Tv1和排空孔道Tv2，由于所采用的双稳射流元件8具有关于中面对称的结构，故而上述孔道均关于元件中面对称布置。先导控制阀的输出孔道Pa和输出孔道Pb用于驱动主控换向阀总成III中主阀换向，主阀芯具有两个稳定的工作位置，其一控制液动冲击机构总成IV中液动冲击机构差动冲程，其二控制液动冲击机构总成IV中液动冲击机构回程。而所述控制液动冲击机构总成IV中液动冲击机构则具有单出杆活塞16，活塞16下端连接有冲锤18以增大运动部件质量，冲程时液动冲击机构内缸15上下腔皆连通高压，回程时液动冲击机构内缸15的下腔保持高压，液动冲击机构内缸15的上腔在主阀芯切换后连通低压，故而在主阀芯控制作用下，可一次实现液动冲击机构总成IV中液动冲击机构差动冲程及有杆腔高压-无杆腔低压的回程动作。液动冲击机构总成IV中液动冲击机构的活塞16具有中空低压通道，活塞16内孔与下芯管14外圆柱面配合，下芯管14作为液动冲击机构内缸15上盖封闭了液动冲击机构内缸15的上端，下芯管14的内部孔道接通主阀输出孔，可在主阀芯控制作用下实现液动冲击机构内缸15上腔高低压切换。在下芯管14内部加工有冲程终了反馈信号孔Pra及冲程终了反馈信号孔Prb，活塞16大端内孔及外圆表面加工有反馈信号导流孔道，上述孔道构成压力反馈信号道的完整流场结构，在活塞16冲程或回程终了反馈信号道畅通，可将水击压强传递至射流元件8的反馈控制孔道Ctrl1或反馈控制孔道Ctrl2，控制射流切换附壁侧，进而驱动主阀芯切换，从而改变冲液动击机构工作状态。由于系统总的供液流量近似恒定，而液动冲击机构总成IV中液动冲击机构的运动部件速度是动态变化的，故而系统内增加蓄能器VI可实现活塞16低速情况下储能、活塞16高速运动时补充流量释能的作用，从而大幅度提高整机工作效率。

基于上述原理构建的先导式动压反馈二级控制冲击振荡器按照应用领域的不同，可设计为三类典型产品，其一为应用于石油天然气深井硬岩钻探领域的井下液动冲击器和水力振荡器，需要将各职能部件沿轴向组装在外管20内部，顶端钻杆接头1与上部钻柱间采用标准钻杆锁接头螺纹V连接，并由地面钻井泵通过上部钻杆柱提供高压流体Q，冲击器下方安装在砧座22内的砧子21可采用矮牙艾克姆梯形螺纹s1直接连接钻头或井下钻柱，砧子21可在砧座22内沿轴线滑动，二者之间具有花键联接结构。高压流体Q在驱动液压冲击机构做功后通过冲锤18的中空孔道d、径向有角度的均布通孔c，以及砧座22上的均布通孔b流入中心孔道a，作为钻井液经钻头水眼排出，实现正循环井底动力旋冲钻进；其二是应用于基础工程施工领域的顶驱式液动锤或夯管锤，由于所受空间结构的限制较小，可将系统组成中的各个部件分体布置，采用管路连接各处液流通道，将砧座22加工为过渡法兰，直接连接在各类预制桩或钢管桩的顶部，实现锤击钻进；其三是应用于工程机械领域的液压破碎锤，可充分利用压力反馈机制结构简单、实用可靠的工作特点，将系统组成中的各个功能部件采用液压油路块集成安装，液动冲击机构壳体设计为长方体则更加便于布置各配流通道，在液动冲击机构壳体外部加装隔膜式蓄能器，工作介质更换为液压油，由挖掘机底盘液压动力单元或独立的液压站提供高压油，与挖掘机等工程机械配套使用。此外，本发明所述机理还可用于构建各类液压振动实验台等疲劳测试装置，依据前述组合流控原理设计的液压冲击振动装置也在本专利保护范围之内。

本发明所涉及的内容较多，具体实施例无法在本说明书内一一介绍，本说明仅对整机系统集成的总体布局以及必要从属部件特殊功能进行说明。沿用本发明所提及的构建思路进行部件组合的其他实施方案也在保护范围之内。

Claims (4)

1.动压反馈先导控制液动冲击振荡器，其特征在于，其为采用动压反馈二级控制的液动冲击振荡装置，射流元件(8)作为先导阀，换向阀(12)作为主阀，所述射流元件(8)和换向阀(12)沿液动冲击振荡器的外管(20)轴线方向从上至下依次设置在液动冲击机构上方，射流元件(8)用于驱动换向阀(12)换向；所述换向阀(12)具有高通和低通两个工作位置，换向阀(12)处于高通位置时液动冲击机构内缸(15)的上腔接通高压，活塞(16)及设置在活塞(16)下端的冲锤(18)进行差动冲程动作；换向阀(12)处于低通位置时液动冲击机构内缸(15)的上腔接通低压，活塞(16)及设置在活塞(16)下端的冲锤(18)进行回程动作；于射流元件(8)上方设置有分流阀，射流元件(8)的进口端和分流阀的出液端连通，分流阀包括分流阀体(3)、调压弹簧(4)、分流阀芯(5)、分流阀套(6)和分流阀座(7)，分流阀座(7)固定在分流阀套(6)的下端，所述分流阀套(6)的弹簧腔通过径向泄压孔与设置在分流阀座(7)上的回油配流孔道相通；分流阀体(3)的上部安装有缓冲垫(2)，分流阀芯(5)的中空通道与换向阀(12)的高压进口贯通，调压弹簧(4)压紧在分流阀芯(5)上部台肩环形工作面上，调压弹簧(4)所在的分流阀套(6)上部环形腔室接通低压，初始状态下分流阀芯(5)下端面在调压弹簧(4)弹簧力作用下压紧在分流阀座(7)上，分流阀芯(5)具有径向分流孔，分流阀套(6)具有通流环槽，初始状态下径向分流孔和通流环槽未接通；外管(20)顶端连接有钻杆接头(1)，钻杆接头(1)的下端顶靠在缓冲垫(2)上，钻杆接头(1)的内孔用以实现对外连接并接收高压流体；

其中，射流元件(8)为双稳附壁式平面元件，其安装在先导阀套(9)内，射流元件(8)下方安装有配流套(10)，配流套(10)中心具有阶梯形通孔，配流套(10)与上芯管(11)插接，上芯管(11)具有阶梯型圆柱结构，上芯管(11)与下芯管(14)插接，在上芯管(11)内设置有反馈信号接收孔道；

其中，换向阀(12)的主阀芯为具有阶梯型空心圆柱滑阀结构，换向阀(12)安装在主阀套(13)内，主阀套(13)与配流套(10)的接触面上具有位置一一对应、结构一致的主液流孔道，主阀套(13)还具有接收液动冲击机构内缸(15)上下腔水击压强的反馈信号道；

其中，液动冲击机构包括活塞(16)、液动冲击机构内缸(15)及下芯管(14)，活塞(16)的凸肩将液动冲击机构内缸(15)分为上下两腔，液动冲击机构内缸(15)采用阶梯孔结构，阶梯孔上端利用下芯管(14)的外台肩作为上缸盖，阶梯孔下部结构用于活塞(16)出杆端密封，在活塞(16)上开设反馈信号输入孔道。

2.根据权利要求1所述的动压反馈先导控制液动冲击振荡器，其特征在于，所述射流元件(8)为整体式平面结构，射流元件(8)的输出孔道布置在其宽度方向，关于垂直于工作平面的元件中面对称；射流元件(8)的压力反馈信号通道布置在其厚度方向上，关于液动冲击机构轴线对称。

3.根据权利要求2所述的动压反馈先导控制液动冲击振荡器，其特征在于，所述换向阀(12)为双台肩的滑阀，换向阀(12)的主阀芯中部开设沉槽，沉槽内具有压力切换孔道，换向阀(12)具有高通和低通两个工作位置，当换向阀(12)处在高通位置时，主阀套(13)的内部台肩与主阀芯上的沉槽中部相对应，主阀套(13)中接通液动冲击机构内缸(15)上腔和下腔的配流通道均接通高压液流，活塞(16)及设置在活塞(16)下端的冲锤(18)进行差动冲程动作；当换向阀(12)处在低通位置时，主阀套(13)的内部台肩与主阀芯上的对应台肩形成间隙配合，同时主阀芯沉槽内的压力切换孔道接通上芯管(11)的低压排空通道，通过主阀套(13)内的配流通道，液动冲击机构内缸(15)的上腔将接通低压，同时液动冲击机构内缸(15)的下腔保持高压，活塞(16)及设置在活塞(16)下端的冲锤(18)进行回程动作，主阀芯两侧的先导控制腔接通射流元件(8)的输出孔道，先导控制腔与射流元件(8)的主流道之间被主阀芯两端台肩所封隔。

4.根据权利要求3所述的动压反馈先导控制液动冲击振荡器，其特征在于，所述主阀芯内开设有阻尼通道。

Images