CN110173211B - 采用连体喷射机构的射吸式液压潜孔锤 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种采用连体喷射机构的射吸式液压潜孔锤，包括外壳，设于外壳上端的上接头，设于外壳下端的下接头，外壳、上接头和下接头之间刚性连接，下接头与砧子非刚性连接，砧子上设有节流排液孔；连体喷射机构的进液端与上接头刚性连接，排液端与阀控冲击机构中的活塞内腔动密封配合。本发明提出的连体喷射机构克服了传统的分体式喷射机构的性能缺陷，本发明能够增大上、下腔压强差和满足大排量匹配大行程的技术要求，使冲击功、冲击频率和液能利用率获得不同程度提高。
Description
技术领域
本发明涉及一种液压潜孔锤，尤其是一种采用连体喷射机构的射吸式液压潜孔锤，属于钻井机械领域。
背景技术
射吸式液压潜孔锤属已有技术，这类潜孔锤具有结构简单、性能稳定、耐背压特性好，使用清水、泥浆或化学浆液为工作介质，适合大排量、高背压状态下工作等特点；之前由于传统阀控机构还存在击锤时的液能利用不充分，阀腔流道易冲蚀和高背压时阀体易被冲击锤体撞击而损坏等缺陷。
现有技术已显著的克服了传统阀控机构的上述缺陷，技术性能有了很大程度的提高，但是与射吸式液压潜孔锤技术性能密切相关的因素，除了阀控机构之外还有喷射机构。
射吸式液压潜孔锤的喷射机构，长期以来一直沿用分体式的传统结构形式，即喷嘴固定在上接头内，潜孔锤工作时它处于相对静止状态，承喷孔则固定在活塞上部，潜孔锤工作时它随同活塞不停地往复运动；喷嘴与承喷孔之间的空间就是上腔，没有卷吸孔和混合室，当活塞往复运动时，喷嘴与承喷孔之间的距离会不间断的迅速增大和缩小，无法获得稳定高效的射吸效果；此外，喷嘴必须与上接头连接成一体，击锤时会损耗部分液能；而且分体式喷射机构只适合于小冲击行程，不能满足大排量大冲击行程的匹配要求。
综上，现有技术存在以下缺陷：
1、喷嘴与承喷孔之间的距离随活塞的往复运动不停地变化，不能稳定的保持在最佳射流卷吸位置，因此降低了回程的液能利用率；
2、喷嘴与承喷孔之间的设计距离不宜超出射流卷吸作用的有效范围，因此活塞的工作行程受到限制，不利于合理的选择击锤行程，阻碍了冲击功的增大和冲程液能利用率的提高。
3、喷嘴固定于上接头，击锤时一部分液能被上接头吸收，不能参与击锤。
为了克服上述缺陷，有必要对喷射器的结构和它与潜孔锤内其它零部件之间的连接方式进行改进。
发明内容
针对上述已有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提出一种采用连体喷射机构的射吸式液压潜孔锤，应用于岩芯钻探、石油钻井、水井、矿山钻井和地基基础工程的硬地层钻井等领域。
本发明通过以下技术方案实现：
一种采用连体喷射机构的射吸式液压潜孔锤，它的外部结构由上接头（1）、外壳（5）、下接头（11）和砧子（12）构成，上接头（1）、外壳（5）、下接头（11）之间互为刚性连接，砧子（12）与下接头（11）非刚性连接，砧子（12）上设有节流排液孔；外壳内部装有连体喷射机构和阀控冲击机构；连体喷射机构（2）是由喷嘴（13）、卷吸孔（14）、混合室（15）、承喷孔（16）、扩散孔（18）和壳体构成，其中喷嘴（13）位于壳体进液管段的出口端，承喷孔（16）位于壳体排液管段的入口端，喷嘴(13) 与承喷孔（16）之间的空间为混合室（15），卷吸孔（14）分布于混合室（15）周边的壳体上，承喷孔（16）以下是扩散孔（18），整个机构是一个独立的零件，其进液端的壳体与上接头内腔（17）刚性连接，排液段的壳体为光滑圆柱面与活塞内腔（19）动密封配合；
阀控冲击机构由密封套（4）、活塞（6）、套阀（7）、柱塞（9）和冲击锤体（10）构成，套阀（7）套装于外壳（5）与活塞（6）之间，互为动密封配合，套阀（7）的行程上限和下限，分别位于上接头下端面（3）和外壳内壁中段向内突出的环形阀程座（8），其余零件按顺序刚性连接成一个整体，该阀控冲击机构上部的活塞内腔（19）与连体喷射机构排液段壳体外圆柱面动密封配合，下部冲击锤体（10）的下端面压在砧子（12）顶面。
进一步地，连体喷射机构（2）进液端的壳体外圆柱面与上接头内腔（17）上部的密封套（4）动密封配合，排液端壳体与阀控冲击机构的活塞内腔（19）上段刚性连接。
进一步地，连体喷射机构（2）的喷嘴（13）、卷吸孔（14）、混合室（15）和承喷孔（16）是安装在壳体内的一体式零件；或者喷嘴（13）、承喷孔（16）分别为两个零件，卷吸孔（14）、混合室（15）直接加工在壳体上，三个零件组装在一起构成连体喷射机构（2）。
进一步地，阀控冲击机构中的活塞（6）与柱塞（9）为一体设置，活塞（6）与柱塞（9）之间是一段直径小于柱塞（9）的实心圆柱体（9-1）；活塞内腔（19）上段设有内螺纹（6-1），外圆柱面上段设有排液槽（6-2），内腔（17）底部有排液孔（6-3）；柱塞（9）下部设有外螺纹（9-2），外螺纹（9-2）直径等于或小于柱塞（9）。
进一步地，阀控冲击机构中的活塞（6）与柱塞（9）一体设置，活塞（6）与柱塞（9）之间是一段沿径向带筋条的实心圆柱体（9-3）；活塞内腔（17）上段有内螺纹（6-1），外圆柱面上段有排液槽（6-2），内腔底部有排液孔（6-3）；柱塞（9）上端面与实心圆柱体上的筋条（9-3）下端面之间设有圆环形排液槽（9-4）；柱塞（9）下部有螺纹（9-2）。
进一步地，阀控冲击机构中的活塞（6）与柱塞（9）一体设置，活塞（6）与柱塞（9）之间通过数根筋条（9-5）连接，筋条之间设有若干排液窗口（9-6）与活塞内腔（17）连通；活塞内腔（17）上段有内螺纹（6-1），外圆柱面上段有排液槽（6-2），活塞内腔(17)底部也有排液孔（6-3）；柱塞（9）下部有螺纹（9-2）。
本发明提供的采用连体喷射机构的射吸式液压潜孔锤，外部结构是由上接头、外壳、下接头和砧子等部件构成，前三件之间为刚性连接，砧子与下接头采用非刚性连接，具有传递扭矩、压力、拉力和防空打功能；其内部装有连体喷射机构和阀控冲击机构，它们与上、下接头和外壳安装在同一根轴线上；连体喷射机构位于上接头与活塞之间，并把潜孔锤上腔与活塞内腔分隔开，两腔之间通过卷吸孔连通；该连体喷射机构有两种安装方式：一种是进液端固定在上接头内腔顶部，排液端与活塞上腔动密封配合，（简称顺装），另一种是进液端与上接头内腔动密封配合，排液端固定在活塞上腔（简称逆装）；连体喷射机构是由喷嘴、卷吸孔、混合室、承喷孔、扩散孔和壳体几部分构成的一个一体化装置，也可以由几个零件组合成一个整体，它能够独立完成喷射器的功能，工作时不受阀控冲击机构往复运动和活塞行程增大的影响：当输入工作液后，它能将上腔工作介质抽进混合室随同工作液一并经液流通道排入下腔；因为上下腔之间有活塞和套阀封隔而产生压力差，推动阀控冲击机构上升，直至阀门关闭，液流通道被阻断，迫使通过喷嘴的工作液由动能迅速恢复为压能，推动阀控冲击机构向下运动；阀控冲击机构是由套装于外壳和活塞之间相互呈动密封状态的套阀、活塞和与活塞下部柱塞刚性连接的冲击锤体组成；套阀运行时有行程上限和下限，分别位于上接头下端面和外壳内壁中段向内突起的阀程座。由于连体喷射机构与阀控冲击机构组合后，会产生压力与位移的反馈关系，实现套阀与柱塞之间阀门的开启或关闭，达到有规律的控制潜孔锤上腔与下腔压力差的方向，推动活塞与冲击锤体不断的往复运动，击打砧子。
根据连体喷射机构安装方式的不同，本发明有两种主要实施方案：一种为连体喷射机构顺装的射吸式连体液压潜孔锤；另一种为连体喷射机构逆装的射吸式连体液压潜孔锤。
本发明的工作过程如下：
1、启动前，阀控冲击机构位于行程下限，冲击锤体压在砧子顶面，上接头的工作液入口至砧子下部的液流出口之间的通道全部畅通。
2、启动和运行中，工作液经上接头进入连体喷射机构，由压能转换为高速喷射的动能输出，并同时将停留于潜孔锤上腔的工作介质从卷吸孔抽入混合室，一并流经活塞和套阀内腔，再经敞开的阀门涌入潜孔锤下腔，期间液流又由动能向压能转换，然后从砧子的节流排液孔排出；在此同时，由于下腔压力大于上腔压力，首先举升套阀抵达阀程上限，接着活塞连同冲击锤体向上举升，直至阀门关闭，随即上腔迅速恢复为压能，套阀又受到向下的推力，随同工作液流下行至阀程下限，上腔液流被完全阻断并产生水击，压强骤然升高，工作液推动活塞连同冲击锤体向下击打砧子，至此液流通道又完全敞开，重新进入下一个工作周期，周而复始不停的冲击。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1、本发明中采用的连体喷射机构，使喷嘴、卷吸孔与承喷孔三者之间的距离始终固定在设计的最佳位置，并且可以顺装或逆装；若以顺装时的冲击频率和冲击功为基准，在各种输入参数完全相同的情况下，逆装时的冲击频率低于顺装，冲击功则大于顺装；这有利于根据破碎岩石的需要对频率或冲击功进行选择。
2、本发明中采用的连体喷射机构，其技术性能不受活塞工作行程变化的影响，有利于扩大活塞工作行程和工作流量的选择范围，满足大流量匹配大行程的技术要求，大幅度增大冲击功。
3、本发明中采用的连体喷射机构，安装时能将潜孔锤上腔与活塞内腔分隔开，它们之间由卷吸孔经混合室连通，回程时停留于上腔的介质被喷射机构强力卷吸，随射流同步排入潜孔锤下腔；由于上腔被快速抽空，因此上下腔之间压强差增大，阀控冲击机构回程速度增快，冲击频率升高，能耗降低、能量利用率提升。
4、本发明在活塞与柱塞之间的排液段，增加了与套阀内腔滑动配合的筋条，可对套阀启闭过程的往复运动进行导向，防止摆动和阻卡。
附图说明
图1为本发明的第一个实施方案的结构示意图；
图2为本发明的第二个实施方案的结构示意图；
图3为本发明的第一个实施方案中的第一种连体喷射机构结构示意图；
图4为图3中A-A的截面图；
图5为本发明的第一个实施方案中的第二种连体喷射机构结构示意图；
图6为图5的B-B截面图；
图7为本发明的第二个实施方案中的第一种连体喷射机构结构示意图；
图8为图7的C-C截面图；
图9为本发明的第二个实施方案中的第二种连体喷射机构结构示意图；
图10为图9的D-D截面图；
图11为本发明的第一个或第二个实施方案的第一种活塞与柱塞的结构示意图；
图12为图11中A-A的截面图；
图13为本发明的第一个或第二个实施方案的第二种活塞与柱塞的结构示意图；
图14为图13中B-B的截面图；
图15为本发明的第一个或第二个实施方案的第三种活塞与柱塞的结构示意图；
图16为图15中C-C的截面图；
图中标号如下：
1.上接头、2.连体喷射机构、2-1芯体、3.上接头下端面、4.密封套、5.外壳、6.活塞、6-1内螺纹、6-2排液槽、6-3排液孔、7.套阀、8.阀程座、9.柱塞、9-1.实心圆柱体、9-2.外螺纹、9-3.带筋条的实心柱体、9-4.环形槽、9-5.筋条、9-6.排液窗口、10.冲击锤体、11.下接头、12.砧子、13.喷嘴、14.卷吸孔、15.混合室、16.承喷孔、17.上腔(含上接头内腔)、18.扩散孔、19.活塞内腔、20.套阀内腔、21.阀门、22.下腔、23.节流排液孔。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实例，而不是全部的实例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1所示，一种采用连体喷射机构的射吸式液压潜孔锤，包括外壳5，设于外壳上端的上接头1，设于外壳下端的下接头11和设有节流排液孔23的砧子12；外壳5与上接头1和下接头11之间均采用刚性连接，下接头11与砧子12之间采用非刚性连接从而实现传递扭矩、压力、拉力和轴向移动的功能。外壳5内部装有喷射机构2和阀控冲击机构，连体喷射机构2的进液端与上接头1刚性连接，连体喷射机构2的排液端与阀控冲击机构中的活塞内腔19动密封配合。
如图3、4所示为顺装的连体喷射机构2，它包括喷嘴13、卷吸孔14、混合室15、承喷孔16、上腔17和扩散孔18，喷嘴13位于进液管段的出口端，承喷孔16位于排液管段的入口端，喷嘴13与承喷孔16之间的空间为混合室15，卷吸孔14沿混合室15周边分布；除卷吸孔14外，其余构件位于同一轴线上。
如图1所示的阀控冲击机构包括活塞6、套阀7、活塞6下部的柱塞9以及冲击锤体10，其中套阀7套装于外壳5和活塞6之间，互呈动密封配合；活塞6与柱塞9一体设置，如图11、12所示，活塞6与柱塞9之间是一段直径小于柱塞9的实心圆柱体9-1，柱塞9和冲击锤体10为刚性连接；活塞内腔19上段设有螺纹6-1，活塞6的外圆柱面上段设有水槽6-2，活塞内腔19的底部有排液孔6-3；柱塞9下部设有外螺纹9-2。
本实施例的工作过程如下：
1、启动前，阀控冲击机构位于行程下限，冲击锤体10压在砧子12顶面，上接头1的工作液入口至砧子12下部的液流出口之间的通道全部畅通。
2、启动和运行中，工作液经上接头1进入连体喷射机构2，由压能转换为高速喷射的动能输出，并同时将停留于上腔17的工作介质从卷吸孔14抽入混合室15、一并流经活塞6和套阀内腔20，再经敞开的阀门21涌入潜孔锤下腔22，期间液流又由动能向压能转换，然后从砧子12的节流排液孔23排出；在此同时，由于下腔22压力大于上腔17压力，首先举升套阀7抵达阀程上限，接着活塞6连同冲击锤体10向上举升，直至阀门21关闭，随即上腔17的液压迅速升高，套阀7又受到向下的推力，随同工作液流下行至阀程下限，上腔液流被完全阻断并产生水击，压强骤然升高，工作液流推动活塞6连同冲击锤体10向下击打砧子12，至此工作液流通道又完全敞开，重新进入下一个工作周期，周而复始不停的冲击。
实施例2
如图2所示，本实施例的液压潜孔锤，其结构组成与实施例1不同之处在于它采用了逆装连体喷射机构2，如图7、8所示，该连体喷射机构2的进液端与设置在上接头内腔17上部的密封套4动密封配合，连体喷射机构2的排液端与活塞内腔19刚性连接。其余与实施例1相同。
实施例3
如图5、6所示，本实施例的液压潜孔锤中，连体喷射机构2的喷嘴13、卷吸孔14、混合室15和承喷孔16分布于芯体2-1上，芯体2-1安装在连体喷射机构2壳体内，可以拆卸或更换。其余与实施例1相同。
实施例4
如图9、10所示，本实施例的液压潜孔锤中，连体喷射机构2的喷嘴13和承喷孔16分别为两个可以拆卸或更换的零件，安装在相应位置，其余与实施例2相同。
实施例5
如图13、14所示，本实施例的液压潜孔锤中，采用一体化设置的活塞6与柱塞9，活塞内腔19上段有内螺纹6-1，活塞6的外圆柱面上段有排液槽6-2，活塞内腔19的底部有排液孔6-3；活塞6与柱塞9之间有一段带筋条的实心圆柱体9-3，柱塞9上端面与实心圆柱体9-3之间设有圆环形排液槽9-4；排液孔6-3和圆环形排液槽9-4之间通过筋条之间的通液槽连通，筋条可对套阀7启闭过程的往复运动进行导向，防止摆动和阻卡。其余与实施例1或2相同。
实施例6
如图15、16所示，本实施例的液压潜孔锤中，采用一体化设置的活塞6与柱塞9，活塞6与柱塞9之间有数根筋条9-5，筋条之间有排液窗口与活塞内腔19底部的排液孔6-3连通；活塞内腔19上段有内螺纹6-1，活塞6的外圆柱面上段有排液槽6-2；柱塞9下部有螺纹9-2。其余与实施例1或2相同。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种采用连体喷射机构的射吸式液压潜孔锤，它的外部结构由上接头（1）、外壳（5）、下接头（11）和砧子（12）构成，上接头（1）、外壳（5）、下接头（11）之间互为刚性连接，砧子（12）与下接头（11）非刚性连接，砧子（12）上设有节流排液孔；其特征在于：外壳内部装有连体喷射机构（2）和阀控冲击机构；连体喷射机构（2）由喷嘴（13）、卷吸孔（14）、混合室（15）、承喷孔（16）、扩散孔（18）和壳体构成，其中喷嘴（13）位于壳体进液管段的出口端，承喷孔（16）位于壳体排液管段的入口端，喷嘴（13）与承喷孔（16）之间的空间为混合室（15），卷吸孔（14）分布于混合室（15）周边的壳体上，承喷孔（16）以下是扩散孔（18），连体喷射机构（2）整体是一个独立的零件，其进液端的壳体与上接头内腔（17）刚性连接，排液段的壳体为光滑圆柱面与活塞内腔（19）动密封配合；
阀控冲击机构由密封套（4）、活塞（6）、套阀（7）、柱塞（9）和冲击锤体（10）构成，套阀（7）套装于外壳（5）与活塞（6）之间，互为动密封配合，套阀（7）的行程上限和下限，分别位于上接头下端面（3）和外壳内壁中段向内突出的环形阀程座（8），密封套（4）、活塞（6）、柱塞（9）和冲击锤体（10）按顺序刚性连接成一个整体，阀控冲击机构上部的活塞内腔（19）与连体喷射机构（2）排液段壳体外圆柱面动密封配合，下部冲击锤体（10）的下端面压在砧子（12）顶面。
2.根据权利要求1所述的采用连体喷射机构的射吸式液压潜孔锤，其特征在于：连体喷射机构（2）的喷嘴（13）、卷吸孔（14）、混合室（15）和承喷孔（16）是安装在壳体内的一体式零件；或者喷嘴（13）、承喷孔（16）分别为两个零件，卷吸孔（14）、混合室（15）直接加工在壳体上，三个零件组装在一起构成连体喷射机构（2）。
3.根据权利要求1所述的采用连体喷射机构的射吸式液压潜孔锤，其特征在于：阀控冲击机构中的活塞（6）与柱塞（9）为一体设置，活塞（6）与柱塞（9）之间是一段直径小于柱塞（9）的实心圆柱体（9-1）；活塞内腔（19）上段设有内螺纹（6-1），活塞内腔（19）外圆柱面上段设有排液槽（6-2），活塞内腔（19）底部有排液孔（6-3）；柱塞（9）下部设有外螺纹（9-2），外螺纹（9-2）直径等于或小于柱塞（9）。
4.根据权利要求1所述的采用连体喷射机构的射吸式液压潜孔锤，其特征在于：阀控冲击机构中的活塞（6）与柱塞（9）一体设置，活塞（6）与柱塞（9）之间是一段沿径向带筋条的实心圆柱体（9-3）；活塞内腔（19）上段有内螺纹（6-1），活塞内腔（19）外圆柱面上段有排液槽（6-2），活塞内腔（19）底部有排液孔（6-3）；柱塞（9）上端面与实心圆柱体上的筋条下端面之间设有圆环形排液槽（9-4）；柱塞（9）下部有螺纹（9-2）。
5.根据权利要求1所述的采用连体喷射机构的射吸式液压潜孔锤，其特征在于：阀控冲击机构中的活塞（6）与柱塞（9）一体设置，活塞（6）与柱塞（9）之间通过数根筋条（9-5）连接，筋条之间设有若干排液窗口（9-6）与活塞内腔（19）连通；活塞内腔（19）上段有内螺纹（6-1），活塞内腔（19）外圆柱面上段有排液槽（6-2），活塞内腔（19）底部也有排液孔（6-3）；柱塞（9）下部有螺纹（9-2）。
6.一种采用连体喷射机构的射吸式液压潜孔锤，它的外部结构由上接头（1）、外壳（5）、下接头（11）和砧子（12）构成，上接头（1）、外壳（5）、下接头（11）之间互为刚性连接，砧子（12）与下接头（11）非刚性连接，砧子（12）上设有节流排液孔；其特征在于：外壳内部装有连体喷射机构（2）和阀控冲击机构；连体喷射机构（2）由喷嘴（13）、卷吸孔（14）、混合室（15）、承喷孔（16）、扩散孔（18）和壳体构成，其中喷嘴（13）位于壳体进液管段的出口端，承喷孔（16）位于壳体排液管段的入口端，喷嘴（13）与承喷孔（16）之间的空间为混合室（15），卷吸孔（14）分布于混合室（15）周边的壳体上，承喷孔（16）以下是扩散孔（18），连体喷射机构（2）整体是一个独立的零件，其进液端的壳体外圆柱面与上接头内腔（17）上部的密封套（4）动密封配合，排液端壳体与阀控冲击机构的活塞内腔（19）上段刚性连接；
阀控冲击机构由活塞（6）、套阀（7）、柱塞（9）和冲击锤体（10）构成，套阀（7）套装于外壳（5）与活塞（6）之间，互为动密封配合，套阀（7）的行程上限和下限，分别位于上接头下端面（3）和外壳内壁中段向内突出的环形阀程座（8），活塞（6）、柱塞（9）和冲击锤体（10）按顺序刚性连接成一个整体，阀控冲击机构上部的活塞内腔（19）与连体喷射机构（2）排液段壳体外圆柱面刚性连接，下部冲击锤体（10）的下端面压在砧子（12）顶面。
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