CN110382811B - 用于dth锤的加压流体流动系统以及基于所述加压流动系统的正循环锤 - Google Patents

Abstract

一种用于正循环潜孔锤的加压流体流动系统，其包括同轴地设置于外壳与活塞之间的缸，活塞由于在所述活塞的相对侧处的前腔室和后腔室内部所包含的加压流体的压力变化而往复运动，通过由缸的外表面上的凹槽限定的且平行地布置的供应通道和排放通道的组来引导流体至这些腔室的供应/流体从这些腔室的排放，仅由活塞与缸的相对重叠以及引导流体在缸的内表面下方的流动和在活塞的外表面上方的流动来控制流入和流出前腔室和后腔室的流体。设置有该系统的锤包括带有一个或多个冲洗通路的钻头。

Description

用于DTH锤的加压流体流动系统以及基于所述加压流动系统 的正循环锤

技术领域

本发明总体涉及加压流体流动系统，其用于使用加压流体运行的冲击机构，特别地用于DTH(Down-The-Hole：潜孔)锤，以及更特别地用于正循环DTH锤，并且本发明涉及具有所述系统的DTH锤。

背景技术

DTH锤

存在多种冲击钻孔机构，其使用加压流体作为传递动力的设备。这些冲击钻孔机构包括被广泛地用于钻探行业、采矿业以及土木工程以及水井、油井和地热井的建造中的DTH锤。通过将圆柱形的DTH锤组装在位于地表面处的钻机上来使用所述DTH锤。钻机还包括钻柱，该钻柱包括组装在一起的杆，被理解为距锤钻头(在下文说明书中描述的元件)更远端的后端被组装至旋转、推力头部，并且被理解为距锤钻头更近端的前端被联接至锤。通过该钻柱，钻机将所需的加压流体供应至锤以用于使锤运行。

DTH锤的部件

锤的主要活动部件为活塞。锤的该构件具有整体圆柱形形状并且同轴且可滑动地设置于圆柱形外壳的内部。当锤以被称为“钻孔模式”的模式运行时，活塞由于在两个主腔室(前腔室和后腔室)中包含的加压流体的压力变化而实现往复运动，所述两个主腔室形成于锤内部并且位于活塞的相对的端部处。活塞具有与前腔室接触的前端以及与后腔室接触的后端，并且具有活塞的外表面的滑动部分或外滑动表面(其与具有凹槽区域、槽或孔的部分相对)以及活塞的内表面的滑动部分或内滑动表面(其同样与具有凹槽区域、槽或孔的部分相对)。外滑动表面主要被设计成用于确保活塞在锤内的引导和对准。此外，在大多数锤中，这些表面连同活塞的内滑动表面与如在下文说明书中描述的其它元件配合而允许控制加压流体的进入和离开前后腔室的交替的供应和排放。

锤的最前部分(其执行钻孔功能)被称为钻头，并且该钻头可滑动地设置在安装于外壳的前端中的驱动器接头上，钻头与前腔室接触并且适于接收活塞的前端的冲击力。

为了确保钻头相对于外壳的正确的对准，通常使用被称为钻头引导件的部件，该部件设置于外壳的内部中。由钻机提供的旋转运动通过钻头(或柄部)的最后部部分以及驱动器接头中的带沟槽的表面或键槽而传递至钻头。具有比外壳以及钻头柄部和驱动器接头更大的直径的钻头头部继而已经在其中安装有切削元件，该切削元件履行钻孔任务并且从钻头前面向前延伸。钻头的运动在其向后的行程中受到驱动器接头限制，并且在其向前的行程中受到为所述目的而特别地提供的保持元件限制。在锤的后端处设置有后接头，该后接头使锤与钻柱连接以及最终连接至加压流体的源。

在上面的描述以及下文所提供的描述中，锤的后端被理解为后接头所在的端部，并且锤的前端被理解为钻头所在的端部。

锤的操作

当锤以所谓的“钻孔模式”(在下文对其进行解释说明)运行时，前后腔室经历以下状态：

a-加压流体的供应，其中来自加压流体的源的流体自由地流动至腔室中；

b-膨胀或压缩，其取决于活塞的运动方向，其中腔室被紧密地密封并且该腔室所包围的容积增加或减小；

c-加压流体的排放，其中来自腔室的流体自由地流向孔的底部；该排放流使得能够冲洗钻头所生成的岩屑，悬浮于加压流体流中的岩屑被朝向地表面拖曳(被称为冲洗孔的过程)。

根据活塞的往复运动，其从活塞与钻头接触并且后者设置于其行程的最后部的点处的位置(被称为冲击位置的位置)开始，并且在同一位置结束(伴随有活塞对钻头的冲击)，前后腔室的状态的相应的顺序如下：[a-b(膨胀)-c-b(压缩)-a]以及[c-b(压缩)-a-b(膨胀)-c]。从一个状态至另一个状态的过渡对于每个腔室为独立的，并且由活塞相对于锤的其它部件的位置控制，以使得活塞自身充当阀和冲击元件。

在第一操作模式或“钻孔模式”中，当加压流体被供应至锤并且锤处于冲击位置时，活塞立即开始往复运动并且钻头在每次循环中被活塞冲击，钻头的前端由此在每次冲击时执行对岩石钻孔的功能。岩屑通过由前后腔室排放至孔的底部的加压流体而被排出至地表面。随着孔的深度增加，带有岩屑的加压流体柱的规模也增加，从而对来自腔室的加压流体排放产生更大的阻力。这种现象对钻孔过程产生负面影响。在某些应用中，水或任何其它流体泄漏至孔中甚至更大程度地增加了该阻力，并且锤的操作可能停止。

在某些锤中，可以利用辅助冲洗系统来补充锤的该操作模式，所述辅助冲洗系统允许将从加压流体的源可获得的加压流体流的一部分直接地排放至孔的底部而不经过锤循环。该辅助冲洗系统使得能够在钻孔时彻底地清洁孔。

在锤的第二操作模式或“冲洗模式”中，钻柱和锤被钻机提升，使得钻头不再与岩石接触并且所有的加压流体通过锤被直接地排放至孔的底部以用于清洁目的而不经过锤循环，从而停止活塞的往复运动。

来自辅助冲洗系统的加压流体具有的能量水平大致类似于从加压流体的源出来的加压流体的能量水平，这与从腔室排出的加压流体的情况相反，所述从腔室排出的加压流体所处的压力由于与活塞的能量交换而显著地更低。

工业应用

这些钻孔工具被用于两个工业应用领域中：

1)生产，其中使用被称为“正循环锤”的一种锤，其中在钻孔操作期间产生的岩屑通过由孔壁以及锤和钻柱的外表面所限定的环形空间而被冲洗至地表面，从而由于所述岩屑的作用而在锤和钻柱的外表面上产生磨损。来自腔室和辅助冲洗系统的加压流体通过钻头内部的中心通路排放，所述中心通路从钻头的后端延伸至钻头的前端。该通路可以分成终止于钻头的前部面中的两个或更多个通路，以使得加压流体的排放主要从钻头的中心生成并且穿过钻头的前部面朝向钻头的周边区域并朝向孔壁，然后沿着锤与孔壁之间以及钻柱与孔壁之间的环形空间朝向地表面。岩屑通过拖曳排出并且悬浮于排放至孔的底部的加压流体中。

正循环锤在采矿业中被用于地下和地表开发中。由于它们将介质钻至坚硬的岩石的能力，这种类型的锤的使用还延伸至油井、水井以及地热井的建造。通常，移出的土壤或岩石不被使用，因为对其并不感兴趣的并且它们在到达表面的路径上受到污染。

2)勘探，其中使用一种被称为“反循环锤”的锤，其允许通过排放至孔的底部的加压流体而在地表面处回收来自孔的底部的岩屑。来自腔室的加压流体沿着钻头的前端的周边区域排放，从而穿过钻头的前部面、朝向连续的中心通路的内部产生加压流体流，通常通过从钻头延伸至后接头的被称为采样管的内管以及通过顺应钻柱的双壁杆而沿着锤的中心形成所述中心通路。该中心通路在钻头的内部的这样的点处开始：起始于钻头的前部面中的两个或更多个冲洗通路在该点处会聚。通过加压流体的作用朝向中心通路拖曳岩屑，在地表面处回收所述岩屑。带有悬浮的岩屑的加压流体流在形成所述中心通路的所有元件的内表面上产生磨损。

此外，在钻孔时(利用正循环锤时发生)，钻头或锤的圆柱形密封元件(所述圆柱形密封元件具有的直径基本上类似于钻头头部的直径并且大于外壳的外径)执行防止加压流体和岩屑泄漏至锤与孔壁之间以及钻柱与孔壁之间的环形空间中的作用，从而迫使这些岩屑通过加压流体的作用穿过采样管和钻柱而行进至地表面。如果是钻头执行该密封功能，则该钻头具有将钻头的前部面与所述环形空间隔离的周边区域。

这种类型的钻孔工具的使用允许回收90％以上的岩屑，所述岩屑在它们行进至地表面期间不会受到污染并且被存储以用于进一步分析。

性能变量

从用户的角度来看，用来评估锤的性能和有用性的变量如下：

1)穿进速度，其由在锤中的加压流体循环中所生成的功率给定并且该值取决于两个变量：加压流体消耗量以及循环的能量转换效率，这被定义为每单位所消耗的加压流体质量所产生的功率；

2)锤的耐用性，其与朝向地表面拖曳岩屑的加压流体流所引起的磨损以及运动部件之间的相互作用有关，耐用性很大程度上取决于岩屑的特征、用来制造锤部件的材料以及与加压流体流接触的部件的厚度；

3)加压流体的消耗量，其很大程度上取决于前腔室的被动容积、后腔室的被动容积以及锤的加压流体循环的设计；

4)深钻能力，其取决于锤将具有高能量水平的加压流体传递至孔的底部的能力；

5)制造成本，其取决于制造复杂性、锤的部件的数量以及所使用的原材料的量；

6)锤的可靠性，其取决于制造过程的质量以及工具的设计的坚固性；以及

7)岩屑回收效率(仅针对反循环锤)，其主要与锤的密封孔的能力以及防止加压流体和岩屑泄漏至形成于锤与孔壁之间以及钻柱与孔壁之间的环形空间的能力有关。

应当指出的是，穿进速度、锤的耐用性、加压流体消耗量、锤的可靠性以及深钻能力为直接影响使用者的操作成本的因素。通常，对于任一类型的应用总是优选的是具有在可接受的限度内的使用寿命的更快且可靠的锤。

加压流体流动系统

在锤中使用不同的加压流体流动系统，用于为前腔室和后腔室供应加压流体以及从这些腔室排放加压流体的过程。在所有这些加压流体流动系统中，存在形成于锤内部的供应腔室，根据活塞的位置加压流体从所述供应腔室被输送至前腔室或后腔室。通常，活塞充当阀，以使得前后腔室所处的状态取决于活塞的位置，这些状态为先前所指出的那些：供应、膨胀-压缩以及排放。

在任何时候，施加于活塞上的净力由存在于前腔室中的压力、活塞的与该腔室接触的区域(或活塞的前推力区域)、存在于后腔室中的压力、活塞的与该腔室接触的区域(或活塞的后推力区域)、活塞的重量以及可能存在的耗散力所决定。活塞的推力区域越大，由于加压流体的一定的压力水平而在活塞上产生的力越大，并且可以实现的功率和能量转换效率水平越大。

在以下段落中所描述的所有现有技术的加压流体流动系统均关于用于控制DTH锤的前后腔室的状态的解决方案而进行描述。所描述的示例涉及正循环锤，但它们同样适用于反循环锤。

A型流动系统，其由专利US4084646、US5944117以及US6135216代表。

这些专利中所描述的设计包括安装于外壳内部的缸，该缸在所述缸的外表面与外壳的内表面之间形成流体通路。该流体通路沿着活塞的后半部延伸并且终止于供应腔室中，所述供应腔室部分地由活塞的在其中间点附近的外滑动表面以及外壳的内表面所限定。该缸的设置需要使用双外径活塞，所述双外径活塞的外径在其前端处较大而在其放置有缸的后端处较小。

活塞的外径变化(即在活塞的外滑动表面上存在肩部)的区域受到的压力平均等于锤的供应压力。因此，在每次循环中，该区域施加于活塞上的净功为零，即其对至活塞的能量传递过程没有贡献，从而导致后推力区域减小。

而且，在具有这种类型的流动系统的正循环锤或反循环锤中，设置空气引导件以用于控制后腔室的排放，所述空气引导件为管状元件，其与活塞和外壳同轴并且位于后腔室的后部面处。此外，设置底阀以便控制前腔室的排放，底阀为中空的管状元件，其与活塞和外壳同轴并且从钻头的后部面(被称为冲击面)露出。

上文要求使用带有中心孔的活塞，所述孔沿着活塞的整个长度延伸并且与空气引导件和底阀相互作用。该中心孔甚至更大程度地减小活塞的后推力区域和前推力区域，这因此导致甚至更低功率的循环。

而且，在这种类型的设计中，缸的对准是一个常见的问题，其如果没有得到解决，则会引起耗散力，该耗散力使得功率从锤的循环流失。

B型流动系统，其由专利US5984021，US4312412以及US6454026代表。

这些专利中所描述的设计包括加压流体供应管(在其内部形成供应腔室)，该加压流体供应管从后腔室的后部面延伸并且接收于活塞的中心孔内部。该孔沿着活塞的整个长度延伸。

为了控制利用加压流体对前腔室的和对后腔室的供应以及控制后腔室的排放，供应管与活塞内部的孔和底切部相互作用。

活塞的外滑动表面上的以及外壳的内表面上的底切部补充活塞对腔室的状态的控制。此外，前腔室的排放由形成于钻头中的底阀(US5984021以及US4312412)或者替代地由活塞的、与活塞引导件相互作用的直径较小的前部分(US6454026)控制。最后的解决方案也可以被用作为A型流动系统中的以及将在下文中描述的其余流动系统中的底阀的替代方案。

穿过活塞的孔的存在削弱了锤的该部分的冲击强度，并且意味着更复杂的制造工艺。从这个角度来看，具有A型流动系统的锤比具有B型流动系统的锤具有更强的活塞和更简单的制造工艺。另外，由于供应管与腔室之间的距离，当能够向腔室供应加压流体时，在供应管内部形成供应腔室导致流动的开始的延迟。孔还导致腔室的被动容积的增加，这一点的主要结果是，加压流体的消耗量增加以及热力循环中的能量转换效率降低。

在锤具有的活塞带有与活塞引导件相互作用的直径较小的前部分的特定情况下，由于仍然需要足够大的冲击区域以便承受由冲击所形成的应力，从而减损前推力区域的表面，所以活塞的前推力区域被大大减小。

而且，供应管的设置要求使用具有沿活塞的整个长度延伸的中心孔的活塞，从而导致已经针对A型系统提到的对功率的影响。

C型流动系统，其由专利US4923018代表。

该专利中所描述的设计具有在外壳中构建的三组不同的供应通路。第一组通路终止于外壳的内表面处，并在活塞的外滑动表面与外壳的内表面之间形成供应腔室。第二和第三组通路允许加压流体从供应腔室分别朝向前腔室和后腔室流动。为了控制加压流体至前腔室和后腔室的供应，供应腔室与活塞的外滑动表面中的凹槽以及与外壳中的第二和第三组通路相互作用，而通过使用底阀和空气引导件(参考应用于正循环锤的A型流动系统)分别控制前腔室和后腔室的排放。

该设计的主要缺点是，由于存在第二和第三组通路并且这些通路显著地减小外壳的使用寿命(使用寿命在很大程度上取决于外壳的壁的厚度)而使得被动容积增加。此外，空气引导件和底阀的设置要求使用具有沿活塞的整个长度延伸的中心孔的活塞，从而导致已经针对A型系统提到的对功率的影响。

D型流动系统，其由专利US5113950以及US5279371代表。

在这些专利中所描述的设计中，供应腔室设置于活塞的后端中，这些设计具有与A型和B型流动系统类似的特征。D型流动系统与在B型流动系统中一样使用中心供应管，但是与后者的不同之处在于，供应腔室并非在供应管内部形成。相反，类似于A型流动系统，供应腔室形成并作用于活塞的后端的一部分上。以这种方式，供应管执行帮助朝向供应腔室输送加压流体的功能并且不参与供应腔室的形成。所有这些因此产生活塞的后推力区域的减少。而且，对后腔室进行排放的需要要求使用具有中心孔(该中心孔在活塞的前部面上出现)的活塞，从而甚至更大程度地减小活塞的后推力区域和前推力区域，这导致甚至更低功率的循环。

进一步，在专利US5113950中，凹槽和穿过活塞的孔的存在削弱了该部件的冲击强度。

E型流动系统，其由专利US8640794以及US7921941代表。

这些专利中所描述的设计包括安装于外壳内部的缸，所述缸形成：用于将加压流体供应至锤的前腔室和后腔室的供应腔室；以及用于从前腔室和后腔室排放加压流体的排放腔室。在该设计中，供应腔室和排放腔室由纵向串联地设置于外壳的内表面上的相应的凹槽限定。

在这些设计中，加压流体进入和离开前后腔室的流动仅由活塞的交替运动期间的活塞的多个外滑动表面与缸的内表面的重叠位置或相对位置来控制。前者代表优点，这是因为只要活塞仅在缸内滑动就不必预计对准问题。但是这些设计要求活塞设置有多个流体引导设备，以用于将加压流体供应至锤的前腔室和后腔室，以及用于从前腔室和后腔室排放加压流体。就穿过活塞的孔的存在削弱了锤的该部分的冲击强度并且意味着更复杂的制造工艺而言，多个这些流体引导设备代表缺点。所述孔还导致腔室的被动容积的增加，这一点的主要结果是，加压流体的消耗量增加以及热力循环中的能量转换效率降低。

在以下段落中，关于用于将从前腔室以及后腔室排放的加压流体输送至孔的底部、特别地输送至钻头的前部面的周边以用于冲洗岩屑的解决方案，针对反循环锤的具体情况描述了不同的已知的加压流体流动系统。

1型流动系统，其由专利US5154244，RE36002(US)，US6702045以及US5685380代表

这些专利描述一种流动系统，其中加压流体通过通道从钻头的后端输送至钻头的前端，所述通道由在驱动器接头的内表面上机械加工的键槽以及在钻头柄部的外表面上机械加工的键槽以配合方式形成，并且其中环或套筒充当密封元件，以便形成封闭的通路，加压流体通过所述封闭的通路排放至钻头的前端的周边。

在专利US6702045中所描述的前种解决方案的变体方案中，示出一种流动系统，其中通过形成于钻头的外表面上的通道从钻头的后端将加压流体输送直至钻头的外部上的中间点。这些通道与驱动器接头的键槽配合地工作以形成封闭的通路。从该中间点，加压流体流通过驱动器接头中的孔偏离至形成于驱动器接头的外表面与密封环或密封套管的内表面之间的通路，以便将加压流体排放于钻头的前端的周边区域处。

从控制前后腔室的状态的角度来看，这些专利的商业设计为A型和D型流动系统。与B型流动系统一样，活塞的、与活塞引导件相互作用的直径较小的前部区域被用作用于控制前腔室的排放的底阀的替代解决方案。后腔室的排放通过空气引导件控制，所述空气引导件打开或阻止加压流体的、从后腔室至形成于活塞的内滑动表面与采样管的外表面之间的中心同轴通道的流动，该通路从后腔室延伸至钻头的后端。

该流动系统的缺点和与A型和D型流动系统相关联的那些缺点相同，特别地，在两个方面中对钻头的设计产生负面影响。第一个方面是，需要多个制造工艺来在钻头的外表面中产生通道，这增加了锤的制造成本。第二个方面是，由于这些通道的存在，键槽的拖曳表面(其取决于单独地每个键槽的接触面积以及键槽的总数)在某些应用中可能是不够的。最后的问题可以通过延长钻头来抵消，但这意味着增加锤的成本。

2型流动系统，其由专利US5407021以及US4819746代表。

专利US5407021以及US4819746描述一种流动系统，其中通过由在驱动器接头的内表面上机械加工的键槽以及在钻头柄部的外表面上机械加工的键槽以配合方式形成的通道来将加压流体从钻头的后端引导直至钻头的外表面上的中间点。从该中间点，加压流体流通过形成于钻头的头部中的主纵向孔而被偏离，以便将加压流体排放于钻头的前端的周边区域处。

钻头头部具有避免加压流体通过形成于锤与孔壁之间的以及杆与孔壁之间的环形空间而离开的另外的功能。

从控制前后腔室的状态的角度来看，专利US4819746具有A型流动系统。

在两个专利中，作为用于控制前腔室的排放的底阀的替代解决方案，使用活塞的、与活塞引导件相互作用的直径较小的前部分，如在B型流动系统中所描述的那样。

后腔室的排放由空气引导件(US4819746)控制，所述空气引导件打开或关闭加压流体的、从后腔室至形成于活塞的内滑动表面与采样管的外表面之间的中心同轴通道的流动，所述中心同轴通道延伸直至钻头的后端。

该示例(专利US4819746)中的缺点与A型流动系统的那些缺点相同，并且钻头的设计也在已经针对1型流动系统提到的相同的两个方面再加上第三个方面中受到负面影响。该第三方面由主纵向孔在钻头上引起的机械性弱点给予，所述主纵向孔在钻头的头部上构成，用于引导加压流体并将其排放于钻头的前端的周边区域处，以便产生从沿着钻头的前部面的周边朝向锤和杆的中心同轴通路的内部的加压流体流。

本发明的目的

根据所陈述的问题和技术前提，本发明的目标是提供一种适用于正循环锤的加压流体流动系统，其提供比现有技术的正循环锤更好的性能，并且与适于所述系统的钻头加压流体通道设备结合来提供改进的DTH正循环锤。具体地且在不牺牲使用寿命的情况下，期望在以下方面中进行改进的正循环锤：

·能量转换过程中的高功率和高效率，这意味着更高的穿进速度。

·结构更简单的设计以及降低的制造成本。

·高可靠性和坚固性。

发明内容

为了根据上述目标提供一种用于正循环DTH锤的改进的加压流体流动系统，描述了一种解决方案，其有效地利用锤的横截面面积、使用更少的部件并且制造起来更简单。

本发明的加压流体流动系统的特征在于包括用于活塞的一组直径相等的外滑动表面，从而避免该部件由于活塞与未对准的部件(空气引导件、供应管、底阀等)之间的摩擦所引起的热裂缝而发生故障。而且，活塞不具有孔、通道或通路，使得活塞完全为实心部件。

特别地，本发明的加压流体流动系统的特征在于具有：同轴地设置于外壳与活塞之间的缸；以及由缸的外表面和外壳的内表面所界定的两组通道，即供应通道的组和排放通道的组。所述供应通道的组永久地填充有来自加压流体的源的流体，并且不间断地连接至所述源的出口。所述排放通道的组与锤钻出的孔的底部永久连通。供应通道相对于纵向重叠的排放通道纵向平行地设置，并且两组通道均由缸的外表面上的相应的多组凹槽限定。

活塞在其外表面上具有凹槽，所述外表面与缸的内表面配合限定供应腔室。该供应腔室不间断、永久地连接至所述供应通道的组。以这种方式，供应腔室永久地填充有来自加压流体的源的流体，并且不间断地连接至所述源的出口。

供应至前后腔室中的以及从前后腔室排放的加压流体的流动仅由活塞的外滑动表面与缸的内表面的重叠或相对位置来控制。

为了将加压流体从供应腔室引导至锤的前后腔室，在缸上设置前组凹槽和后组凹槽。为了将加压流体从前后腔室引导至所述排放通道的组，在缸中设置多个排放贯通端口。

因此，加压流体进入和离开前后腔室的流动在缸的内表面与活塞的外表面之间发生。此外，在本发明中，通过单对部件的相互作用来控制前腔室和后腔室的状态。

与现有技术的锤相比，上述构造使得能够最佳地利用锤的横截面面积。通过与所述排放通道的组纵向平行地设置所述供应通道的组，能够增加活塞的前推力区域和后推力区域。

根据本发明的构造的活塞的前推力区域和后推力区域在尺寸方面相同。另外，通过活塞与缸之间的相互作用来控制前腔室和后腔室的排放使得不必为此目的而具有底阀或活塞的、与活塞引导件或空气引导件相互作用的直径较小的前部分，从而避免如在现有技术的流动系统中发生的推力区域的额外损失。

而且，加压流体进入和离开前后腔室的流动发生在缸的内表面与活塞的外表面之间允许活塞能够完全为实心的，从而不需要孔、通道或通路，所述孔、通道或通路可能削弱活塞、增加前后腔室的被动容积、劣化循环效率并且使活塞成为更昂贵的部件。

甚至，可以在分隔壁(其将所述供应通道的组以及所述排放通道的组分开)中设置一个或多个冲洗通道，以用于允许能够从加压流体的源获得的加压流体流的一部分被直接地排放至孔的底部，以这种方式顺应辅助冲洗系统并且使得能够增加深钻能力而不会显著地降低穿进速度。

本发明还涉及一种正循环DTH锤，其特征在于，具有上述加压流体流动系统以及钻头，其中所述钻头的后端中的常见的中心通路以及在正循环锤中所使用的会聚至该中心通路的两个或更多个通路已经被一个或多个冲洗通路所取代，所述一个或多个冲洗通路穿过钻头钻挖而成并且从通道(其如在所描述的1型和2型流动系统中由驱动器接头上的键槽与钻头柄部上的键槽配合地形成)延伸至钻头的前部面。这使得用于正循环锤的简化的且更坚固的钻头成为可能。

通过使本发明具有由缸的外表面和外壳的内表面界定(即邻近于外壳的内表面)的排放通道的组，不仅能够使从所述排放通道的组排出的加压流体流转向至钻头柄部的外部并且朝向在驱动器接头的内表面上的键槽与钻头柄部的外表面上的键槽之间配合地形成的通道转向，而且，然后可以通过一个或多个冲洗通路将加压流体流从这些通道排放至钻头的前端，所述一个或多个冲洗通路穿过钻头的本体钻挖而成并且从所述通道延伸至钻头的前部面。

钻头的所提到的特征加上先前关于加压流体流动系统所描述的特征强有力地改进了锤的可靠性。

为了便于理解先前的想法，参考附图描述本发明。

附图说明

在附图中：

图1和图2描绘如何生成在图3、4以及5中所示的本发明的正循环DTH锤的横截面视图。如可以看到的，以相同的方式获得了三个横截面视图。

图3描绘本发明的正循环DTH锤的纵向横截面视图，其具体地示出当以加压流体供应前腔室并且后腔室将加压流体排放至孔的底部时，活塞相对于外壳、缸以及钻头的布置。

图4描绘本发明的正循环DTH锤的纵向横截面视图，其具体地示出当以加压流体供应后腔室并且前腔室将加压流体排放至孔的底部时，活塞相对于外壳、缸以及钻头的布置。

图5描绘本发明的正循环DTH锤的纵向横截面视图，其具体地示出当锤处于冲洗模式中时，活塞和钻头相对于外壳和缸的布置。利用虚线描绘前部凹槽的组，以便最好地理解它的相对于活塞的位置。

图6描绘本发明的锤的缸的等距视图。

图7描绘图6的缸的横截面视图，以便最好地理解该元件的不同特征。

在所有这些图中，还相对于根据本发明设计的解决方案来描述锤的流动系统，以便在所有模式和状态中将加压流体从前腔室和后腔室输送至孔的底部、特别地输送至钻头的前端，用于冲洗岩屑。通过箭头指示加压流体流的方向。

具体实施方式

参考图1至图7，示出正循环DTH锤，其包括以下主要部件：

具有后端和前端的圆柱形外壳(1)；

驱动器接头(110)，其安装至所述外壳(1)的前端并且具有内表面(113)，所述内表面上机械加工有键槽(112)；

后接头(20)，其固定至所述外壳(1)的后端，用于将锤连接至加压流体源；

活塞(60)，其可滑动地且同轴地设置于所述外壳(1)内部，并且所述活塞由于在所述活塞(60)的相对侧处的前腔室(240)和后腔室(230)内部所包含的加压流体的压力变化而能够往复运动，所述活塞(60)具有多个外滑动表面(64，67)；和

钻头(90)，其可滑动地安装于所述驱动器接头(110)上，所述钻头(90)的滑动运动由钻头保持器(210)以及驱动器接头(110)的钻头支撑面(111)限制，所述钻头(90)包括在所述钻头的后端处的钻头柄部(95)以及在所述钻头的前端处的钻头头部(96)，所述钻头头部(96)具有比所述钻头柄部(95)大的直径并且具有前部面(99)，所述钻头柄部(95)具有外表面(98)，所述外表面上机械加工有键槽(93)；

通道(97)，其在所述驱动器接头(110)的内表面(113)上的键槽(112)与所述钻头柄部(95)的外表面(98)上的键槽(93)之间配合地形成。

本发明的加压流体流动系统包含缸(40)，其同轴地设置于外壳(1)与活塞(60)之间，所述缸(40)具有内表面(47)和外表面(48)。

锤的后腔室(230)由后接头(20)、缸(40)以及活塞(60)的后推力表面(62)限定。后腔室的容积可根据活塞(60)的位置变化。锤的前腔室(240)由钻头(90)、缸(40)、钻头引导件(150)以及活塞(60)的前推力表面(63)限定。前腔室的容积也能够根据活塞(60)的位置变化。

活塞(60)在它的外表面上具有环形凹槽(68)，所述活塞的外表面与缸(40)的内表面(47)配合限定流体流供应腔室(66)。该流体流供应腔室(66)在每个端部处分别由活塞的外滑动表面(64，67)纵向地限制。

缸(40)具有由其外表面(48)上的相应的纵向凹槽限定的供应通道(2)和排放通道(3)的组，供应通道(2)和排放通道(3)围绕所述表面(48)设置，用于在第一种情况下将加压流体从后接头(20)输送至供应腔室(66)并且从所述供应腔室输送至前腔室(240)和后腔室(230)，以及用于在第二种情况下将加压流体从前腔室(240)和后腔室(230)朝向形成于驱动器接头(110)与钻头柄部(95)之间的通道(97)排放，并从所述通道朝向由锤钻出的孔的底部输送。当锤运行时，这些组通道中的第一组通道与加压流体源永久地流体连通并且被填充有所述流体，而这些组通道中的第二组通道与孔的底部直接地连通。

缸(40)具有穿过其中钻挖的后部加压流体进口端口(41)，所述后部加压流体进口端口使供应通道(2)与后接头(20)中的供应底切部(21)连接，并且所述缸具有穿过其中钻挖的细长的前部加压流体出口端口(42)，所述前部加压流体出口端口使缸的供应通道(2)的组与供应腔室(66)流体地且不间断地连通，从而永久地使供应腔室填充有高压流体。缸(40)还具有穿过其中钻挖的后部排放端口(43)和前部排放端口(44)，它们允许加压流体能够分别地从后腔室(230)和前腔室(240)流动至排放通道(3)的组中。

缸(40)进一步在其内表面上具有前部凹槽(45)的组和后部凹槽(46)的组，用于与活塞(60)的多个外滑动表面(64，67)配合而允许从后接头(20)通过供应通道(2)的组流动至供应腔室(66)的加压流体分别使所述流的一部分转向至前腔室(240)和后腔室(230)。

前腔室(240)的状态的控制

当在锤循环中活塞(60)的冲击面(61)与钻头(90)的冲击面(91)接触并且钻头(90)处于其行程的最后的点处(即锤处于冲击位置处)(参见图3)时，前腔室(240)通过缸(40)的前部凹槽(45)的组而与供应腔室(66)处于直接流体连通。以这种方式，加压流体能够从供应腔室(66)自由地流动至前腔室(240)并且开始活塞(60)的沿向后方向的运动。

当活塞(60)沿其行程的前端-后端方向行进直至活塞(60)的前部外供应边缘(73)到达缸(40)的前部凹槽(45)的组的后界线的点时，加压流体至前腔室(240)的流动将停止。随着活塞(60)的运动沿其行程的前端-后端方向进一步继续，将到达这样的点：其中活塞(60)的前部外排放边缘(72)将与缸(40)的前部排放端口(44)的前界线相匹配。随着活塞(60)的运动更进一步继续，锤的前腔室(240)将通过缸(40)的前部排放端口(44)的组而与排放通道(3)的组流体连通(参见图4)。以这种方式，前腔室(240)内部包含的加压流体将被排放至排放通道(3)的组中，并且所述加压流体能够从排放通道(3)的组通过在钻头柄部(95)的键槽(93)与驱动器接头(110)的键槽(112)之间配合形成的通道(97)而从锤自由地流出，以及通过钻头(90)的冲洗通路(92)而流动至钻头(90)的前面(99)。

通常，通过钻头引导件(150)使钻头(90)与锤的外壳(1)对准，所述钻头引导件具有如图中所示的排放槽(151)。在本发明中，这些排放槽使排放通道(3)的组与通道(97)连接，以使得加压流体的排放在到达通道(97)之前流动通过这些排放槽(151)，此后所述加压流体的排放流动通过钻头(90)的冲洗通路(92)。然而，本发明不限于使用钻头引导件，并且替代的对准解决方案可以与相对应的加压流体排放设备一起使用。

后腔室(230)的状态的控制

当在锤循环中活塞(60)的冲击面(61)与钻头(90)的冲击面(91)接触并且钻头(90)处于其行程的最后的点处(即锤处于冲击位置处)(参见图3)时，后腔室(230)通过缸(40)的后部排放端口(43)的组而与排放通道(3)的组处于直接流体连通(参见图3)。

以这种方式，包含于后腔室(230)内部的加压流体将以与从前腔室(240)排放的加压流体相类似的方式被排放至排放通道(3)的组中并且从排放通道(3)的组排出锤并且排放至钻头(90)的前部面(99)。

当活塞(60)沿其行程的前端-后端方向行进直至活塞(60)的后部外排放边缘(70)到达缸(40)的后部排放端口(43)的组的后界线时，加压流体的这种流动将停止。随着活塞(60)的运动沿其行程的前端-后端方向进一步继续，将到达这样的点：其中活塞(60)的后部外供应边缘(71)与缸(40)的后部凹槽(46)的组的前界线相匹配(参见图4)。随着活塞(60)的运动更进一步继续，锤的后腔室(230)将通过缸(40)的后部凹槽(46)的组与供应腔室(66)流体连通。以这种方式，后腔室(230)将被供应来自供应腔室(66)的加压流体。

冲洗模式操作

如果锤被提升以使得钻头(90)停止与正被钻孔的岩石接触并且钻头的保持器支撑肩部(94)安放于钻头保持器(210)上，则钻头(90)将到达其行程的前端并且因此锤切换至其冲洗模式。在该位置，锤的冲击停止，因此使活塞(60)的冲击面(61)安放于钻头(90)的冲击面(91)上(参见用于示例说明冲洗模式描述的图5，而特征(61)和(91)在图4中示出)，并且加压流体通过以下路径被直接输送至钻头(90)的前端：通过后接头(20)的供应底切部(21)以及缸(40)的后部加压流体进口端口(41)进入至供应通道(2)的组中，以及通过缸(40)的前部加压流体出口端口(42)、通过后腔室(240)、以及通过缸(40)的后部排放端口(43)的组而从供应通道(2)的组至排放通道(3)的组。从排放通道(3)的组，加压流体能够以与锤处于钻孔模式中时从后腔室(230)和前腔室(240)排放的加压流体相类似的方式而自由地从锤流出以及流动至钻头(90)的前部面(99)。

Claims (4)

1.一种用于潜孔正循环锤的加压流体流动系统，所述加压流体流动系统包括：

圆柱形的外壳(1)，其具有后端和前端；

驱动器接头(110)，其安装至所述外壳(1)的前端并且具有内表面(113)，所述内表面上机械加工有键槽(112)；

后接头(20)，其固定至所述外壳(1)的后端，用于将所述锤连接至加压流体的源；

活塞(60)，其可滑动且同轴地设置于所述外壳(1)的内部，并且所述活塞由于在所述活塞(60)的相对侧处的前腔室(240)和后腔室(230)的内部所容纳的加压流体的压力变化而能够往复运动，所述活塞(60)具有直径相等的多个外滑动表面(64，67)；

钻头(90)，其可滑动地安装于所述驱动器接头(110)上，所述钻头(90)主要为旋转的实心体并且包括在所述钻头的后端处的钻头柄部(95)以及在所述钻头的前端处的钻头头部(96)，所述钻头头部(96)具有比所述钻头柄部(95)更大的直径并且具有在所述钻头头部的前端处的前部面(99)，所述钻头柄部(95)具有外表面(98)，所述外表面上机械加工有键槽(93)；

通道(97)，其在所述驱动器接头(110)的内表面(113)上的键槽(112)与所述钻头柄部(95)的外表面(98)上的键槽(93)之间配合地形成；

缸(40)，其同轴地设置于所述外壳(1)与所述活塞(60)之间，所述缸(40)具有内表面(47)和外表面(48)；

供应腔室(66)，其由所述活塞(60)的外表面上的环形凹槽限定，该供应腔室(66)在每个端部处分别由所述外滑动表面(64，67)纵向地限制并且所述供应腔室与所述加压流体的源处于永久性流体连通，以用于将加压流体供应至所述前腔室(240)和所述后腔室(230)；

供应通道(2)的组和排放通道(3)的组，所述供应通道的组由所述缸(40)的外表面(48)上的相应的纵向凹槽限定，用于将加压流体从所述后接头(20)输送至所述供应腔室(66)，所述排放通道的组由所述缸(40)的外表面(48)上的相应的纵向凹槽限定，用于通过所述通道(97)将加压流体从所述前腔室(240)和所述后腔室(230)排放至由所述锤钻出的孔的底部，所述排放通道(3)相对于所述供应通道(2)纵向平行地设置；

多个进口端口(41)和多个出口端口(42)以及后部排放端口(43)和前部排放端口(44)，其设置于所述缸(40)中并且分别面对所述供应通道(2)的组和所述排放通道(3)的组；

前部凹槽(45)的组，其设置于所述缸(40)的内表面(47)上，用于在所述前腔室(240)必须被供应加压流体时将所述供应腔室(66)与所述前腔室连接；以及

后部凹槽(46)的组，其设置于所述缸(40)的内表面(47)上，用于在所述后腔室(230)必须被供应加压流体时将所述供应腔室(66)与所述后腔室连接；

前部排放端口(44)的组，其设置于所述缸(40)中，用于从所述前腔室(240)排放至所述排放通道(3)的组中；以及

后部排放端口(43)的组，其设置于所述缸(40)中，用于从所述后腔室(230)排放至所述排放通道(3)的组中；

其中，加压流体进入和离开所述前腔室(240)和后腔室(230)的流动仅由在所述活塞(60)的交替运动期间的所述活塞(60)的所述多个外滑动表面(64，67)与所述缸(40)的内表面(47)的重叠位置或相对位置来控制，并且加压流体进入和离开所述前腔室(240)和后腔室(230)的流动发生在所述缸(40)的内表面(47)与所述活塞(60)的外滑动表面(64，67)之间。

2.根据权利要求1所述的加压流体流动系统，其中，所述缸(40)具有进口端口(41)的后部组，用于允许所述加压流体从所述后接头(20)流动至所述供应通道(2)的组。

3.根据权利要求1所述的加压流体流动系统，其中，构成所述供应通道(2)的组和所述排放通道(3)的组的纵向凹槽被设置成使得所述供应通道的组和所述排放通道的组纵向地重叠。

4.一种潜孔正循环锤，其包括：

根据权利要求1的加压流体流动系统；以及

钻头(90)，所述钻头具有穿过所述钻头钻挖的一个或多个冲洗通路(92)，所述一个或多个冲洗通路从所述通道(97)延伸至所述钻头(90)的前部面(99)，用于将所述加压流体排出所述锤。

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