CN110644928B - 一种集束式反循环潜孔锤的钻头定位装置及其潜孔锤 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集束式反循环潜孔锤的钻头定位装置及其潜孔锤，该钻头定位装置包括用于限制钻头周向移动的周向定位机构和限制钻头轴向移动的轴向浮动定位机构；周向定位机构包括钻头头部和固定盘，钻头头部为多边形状，固定盘上设置有用于安装钻头的第一通孔和第二通孔；轴向浮动定位机构包括卡钳套、卡环和设置在钻头杆体上的卡槽，卡环套设在卡槽中，卡钳套套设在卡环和固定盘之间的钻头杆体上，卡环与卡钳套之间设置有浮动间隙。相比于现有技术，本发明主要取消了传统的花键、钻头杆体结构设计，开发了圆柱面、异形钻头与固定盘的组合结构，本发明的结构使得钻头角度可调，角度调节方便、快捷、耗时少，有效减少了钻进辅助时间。

Description

一种集束式反循环潜孔锤的钻头定位装置及其潜孔锤

技术领域

本发明属于钻探机具技术领域，具体涉及一种集束式反循环潜孔锤的钻头定位装置及其潜孔锤。

背景技术

在矿山地面大直径钻孔(孔深100～800m、孔径400～1500mm)施工过程中，由于孔深、孔径大，面临碎岩效率低、排渣难的实际问题。为了提高钻进效率、降低钻进成本，集束式反循环潜孔锤作为一种高效的碎岩工具，受到钻探技术人员的极大关注。

集束式反循环潜孔锤是由多个较小规格单体潜孔锤按照一定的排列规则进行组合，从而形成较大规格的碎岩工具。在孔底钻进过程中，单体潜孔锤绕着集束式反循环潜孔锤的中轴线转动，钻头内外侧球形凸起磨损程度差异较大，靠外侧的球形凸起磨损较多，靠内侧的球形凸起磨损较少，持续使用会严重影响集束式潜孔锤的整体碎岩效果，因此，在钻进一定深度后，若单体潜孔锤钻头能够卸开旋转一定角度再次安装使用，则可成倍延长钻头的使用寿命。然而，现有集束式反循环潜孔锤采用的单体潜孔锤为普通正循环潜孔锤，与配气室的连接方式多为旋转螺纹连接，与下部固定盘(或密封盘)连接方式多为轴-孔套设式结构。集束式反循环潜孔锤的单体潜孔锤这种连接固定结构典型特征为：钻头的轴向、周向固定(或连接)，完全沿用了普通正循环潜孔锤花键与花键套、半圆卡等机构之间配合型式。实践表明，上述结构存在的主要问题是：只能通过花键与花键套的不同插接配合来旋转球形凸起钻头，大概率会出现钻头边齿无法精确定位至整体集束式反循环潜孔锤最外侧的情况，往往会有2°～5°的偏差角度，当球形凸起钻头外侧球形凸起磨损后，往往因无法旋转到另一个符合使用需求的角度导致该钻头报废，这是由于上述结构无法实现球形凸起钻头任意角度的连续旋转与固定，且旋转钻头调节至所需角度在操作上也极其不便，费时费力。

在基础施工领域，为了提高大直径桩基孔(孔深大多小于100m)的入岩效率，集束式反循环潜孔锤也得到较多的应用。根据公开资料显示，FGC-15大直径反循环潜孔锤钻头、FC-312型大直径组合捆扎式潜孔锤的单体潜孔锤钻头、HC-15型大直径环式取心潜孔锤的单体潜孔锤钻头，其钻头的连接方式与角度调整，主要是通过法兰、花键等机构之间的配合而完成。该种结构形式在大直径桩基孔等浅孔用的其他类型集束式潜孔锤应用也较广泛，然而，由于法兰的连接螺栓易出现掉落现象导致孔内事故，因此，法兰连接较少用于矿山地面大直径钻孔的孔内钻具连接。

为此，本发明的设计者鉴于上述问题，通过潜心研究，综合多年从事相关领域工作的实践经验，研究出一种集束式反循环潜孔锤，以克服上述难题。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种集束式反循环潜孔锤的钻头定位装置及其潜孔锤，解决传统的法兰、键等定位存在的钻头调整不方便且连接螺栓掉落导致发生孔内事故的问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：

一种集束式反循环潜孔锤的钻头定位装置，包括用于限制钻头周向移动的周向定位机构和限制钻头轴向移动的轴向浮动定位机构；

所述的周向定位机构包括钻头头部和固定盘，钻头头部为多边形状，固定盘上设置有用于安装钻头的通孔，所述的通孔包括同轴连通的第一通孔和第二通孔，第一通孔的轮廓与钻头头部轮廓匹配，第二通孔的轮廓与卡钳套的轮廓匹配；

所述的轴向浮动定位机构包括卡钳套、卡环和设置在钻头杆体上的卡槽，所述的卡环套设在卡槽中，所述的卡钳套套设在钻头杆体上，卡钳套限位在卡环和钻头头部之间。

具体的，所述的钻头包括钻头头部和钻头杆体，所述的钻头头部设置有多个用于排渣的排渣槽，排渣槽底部设置有气孔，钻头头部表面分布有多个球形凸起。

具体的，所述的钻头头部的轮廓为圆弧段和直线段首尾交替连接的近六边形结构，圆弧段的外边缘上设置有球形凸起。

进一步的，所述的固定盘上还设置有用于安装潜孔锤中心管的中心通孔和用于排渣的排渣孔；所述的第一通孔与排渣孔之间通过导渣槽连通。

进一步的，所述的固定盘上设置有多个通孔，多个通孔围绕中心通孔设置，每个通孔对应有一个排渣孔。

进一步的，所述的固定盘上设置有球形凸起。

具体的，所述的卡钳套的外径小于钻头头部，卡钳套的内径大于钻头杆体直径，卡钳套的外部设置有用于与潜孔锤外管连接的螺纹。

具体的，所述的卡环由两个半圆形卡环拼接而成，半圆形卡环的外壁上设置有凹槽，所述的凹槽中套设有固定圈。

本发明还公开了一种集束式反循环潜孔锤，包括配气室、多个单体潜孔锤、中心管、导渣管和钻头定位装置，所述的钻头定位装置为本发明所述的定位装置；多个单体潜孔锤的钻头头部设置在所述的第一通孔中，卡钳套设置在所述的第二通孔中，所述的中心管和导渣管分别连接在固定盘的中心通孔和排渣孔中，通过周向定位机构和轴向浮动定位机构对每个钻头的周向和轴向定位。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

相比于现有技术，本发明主要取消了传统的花键、钻头头部结构设计，开发了圆柱面、异形钻头与固定盘的组合结构，其有益效果是：①通过本发明的定位装置可精确地将钻头某一边的球形凸起定位于固定盘最外侧；②当异形钻头某一弧边的边齿磨损后，首先轴向调整钻头头部位置使其完全出露于固定盘第一通孔外，脱离所述固定盘的周向约束，然后旋转一定角度将其他方向的球形凸起调整至此处，从而可继续钻进，提高了钻头的使用寿命；③可适当增加异形钻头的弧边边齿数量，即增加了固定盘最外侧的边齿数量，可有效减轻单个边齿碎岩负荷，有利于提高碎岩效率和使用寿命；④本发明的结构使得钻头角度可调，角度调节方便、快捷、耗时少，有效减少了钻进辅助时间。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例提供的潜孔锤钻头定位装置的立体图。

图2是本发明实施例提供的潜孔锤钻头定位装置的俯视图。

图3是本发明实施例提供的潜孔锤钻头定位装置的钻头主视图。

图4是本发明实施例提供的潜孔锤钻头定位装置的钻头俯视图。

图5是本发明实施例提供的潜孔锤钻头定位装置的固定盘示意图。

图6是本发明实施例提供的潜孔锤钻头定位装置的固定盘A-A剖视图。

图7是本发明实施例提供的潜孔锤钻头定位装置的卡钳套示意图。

图8是本发明实施例提供的潜孔锤钻头定位装置的半圆形卡环示意图。

图9是本发明实施例提供的具有钻头定位装置的潜孔锤示意图。

图10是本发明实施例提供的潜孔锤钻头的浮动间隙示意图。

图中各标号表示为：3-中心管，4-导渣管，5-配气室，6-单体潜孔锤；

101-钻头头部，102-钻头杆体，103-固定盘，104-第一通孔，105-第二通孔，106-卡槽，107-排渣槽，108-气孔，109-球形凸起，110-圆弧段，111-直线段，112-中心通孔，113-排渣孔，114-导渣槽；

201-卡钳套，202-卡环，203-浮动间隙，204-半圆形卡环，205-凹槽，206-固定圈。

以下结合附图和具体实施方式对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。

具体实施方式

以下给出本发明的具体实施方式，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下”通常是指以相应附图的图面为基准定义的，“内、外”是指以相应附图的轮廓为基准定义的。

如图1所示，本发明的一个实施例中给出一种集束式反循环潜孔锤的钻头定位装置，该装置包括用于限制钻头周向自转的周向定位机构和限制钻头轴向移动范围的轴向浮动定位机构。

其中，周向定位机构包括钻头头部101和固定盘103，钻头头部101为多边形状，固定盘103上设置有用于安装钻头的通孔。通孔包括同轴连通的第一通孔104和第二通孔105，如图6所示。第一通孔104的轮廓与钻头头部101轮廓匹配，第二通孔105的轮廓与卡嵌套201的轮廓匹配，第二通孔105的内径与卡钳套201的内径匹配，一般第二通孔105的内径比卡钳套201的内径大1～2mm。第一通孔104的一边贯通至固定盘103外边缘处，这样此处的钻头边球齿可露在外部，用于破碎岩体。

如图3所示，在本发明的一个具体实施例中，钻头包括钻头头部101和钻头杆体102，钻头头部101设置有多个用于排渣的排渣槽107，每个排渣槽107自钻头中心自外围延伸，多个排渣槽107自钻头头部中心至四周呈放射状分布，如图4所示。在排渣槽107底部设置有气孔108，并且在钻头头部101表面分布有多个球形凸起109，用于破碎岩石，这些球形凸起109分布在排渣槽107之外的钻头头部101端面上。本实施例中的球形凸起109为球齿，优选的，可拆卸安装在钻头头部101表面。

作为本实施例的优选方案，如图4所示，钻头头部101的轮廓为圆弧段110和直线段111首尾交替连接的近六边形结构，最好的，圆弧段110和直线段111呈120°交替连接。第一通孔104也为近六边形，钻头头部101安装在第一通孔104中后，其中一个圆弧段110位于固定盘103的外边缘处，直线段111与近六边形第一通孔104的三个边贴合。另外，在圆弧段110的外边缘上也设置有多个球形凸起109。排渣槽107从钻头头部101中心延伸至直线段111处。

如图5所示，固定盘103上还设置有用于安装中心管3的中心通孔112和用于排渣的排渣孔113，其中，排渣孔113用于连接导渣管4，作为反循环排渣的通道。固定盘103上设置有多个通孔，在本实施例中，通孔有三个，三个通孔呈120°围绕中心通孔112设置。每个通孔对应有一个排渣孔113，第一通孔104与排渣孔113之间通过导渣槽114连通。具体的，导渣槽114的宽度从第一通孔104至排渣孔113减缩。导渣槽114的走向与固定盘103径向呈一定的夹角。

进一步的，作为本实施例的一个优选方案，在固定盘103上也设置有球形凸起109，本实施例中，固定盘103上的球形凸起109为硬质合金柱齿(或PDC复合片齿)，如图5所示，此处的球形凸起109可作为辅助破碎齿，起到破碎大块岩屑的作用。此处的球形凸起109设置在相邻通孔之间，从固定盘103中心沿直线延伸至固定盘103外边缘。

如图1所示，轴向浮动定位机构包括卡钳套201、卡环202和设置在钻头杆体102上的卡槽106(如图3所示)，卡环202套设在卡槽106中，卡钳套201套设在卡环202和钻头头部101之间的钻头杆体102上，并通过卡环202和钻头头部101限位。具体为，卡环202的外径大于卡钳套201的内径，使得卡钳套201的两端在浮动范围的极限位置能挤顶在卡环202和钻头头部101上，以此实现卡钳套201的定位。

卡钳套201在轴向上设置有浮动间隙203，该间隙长度的浮动量为卡环202处于卡槽106上位时卡环202的下端面与卡钳套201处于钻头杆体102下位时卡钳套201的上端面两端面间的距离长度，如图10所示，该间隙长度的浮动量亦是卡钳套201与单体潜孔锤外管螺纹连接固定后的钻头在轴向上浮动量。

如图8所示，在本实施例中，卡环202由两个半圆形卡环204拼接而成，并通过固定圈206固定，固定圈206为弹性结构，具体可选O型橡胶圈。具体为，半圆形卡环204的外壁上设置有凹槽205，凹槽205的大小与固定圈206的大小匹配，两个半圆形卡环204对放在凹槽205中，通过固定圈206固定成一个卡环。

如图7所示，本实施例中，卡钳套201的内面为光滑柱面，外表面设置有螺纹。卡钳套201内径略大于钻头杆体102的外径，在卡钳套201自钻头杆体102上端套设进去后，将2个半圆形卡环204对放于卡槽106中，O型橡胶圈套设在凹槽205内防止2个半圆形卡环204再次分开，因2个半圆形卡环204对放形成的圆环外径大于卡钳套201的内径，若上提卡钳套201时，则使得卡钳套201上端面顶于2个半圆形卡环204下端面，从而保障卡钳套201无法从钻头杆体102上端脱出，只能在轴向一定长度范围内浮动，亦即当卡钳套201与单体潜孔锤6外管螺纹连接后，钻头相对于卡钳套201只能在轴向一定长度范围内浮动，从而实现钻头的轴向浮动定位。

另外需要注意的是，钻头头部101在轴向上最大浮动量比第一通孔104的深度小，在本实施例中，设置第一通孔104的深度比钻头头部101的厚度少5～20mm，该结构尺寸特征可保证在孔底钻进后暂时提离孔底排渣过程中，钻头头部101轴向浮动下滑至最下位时，钻头头部101不会完全出露固定盘103，脱离固定盘103的周向限位，亦即该结构是为了解决钻头防空打功能与固定盘103对钻头头部101周向限位作用之间存在的问题。

综上可看出，本发明的钻头的轴向固定是通过钻头杆体102上的卡槽106，与卡钳套201、两个半圆形卡环204、固定圈206之间配合而形成轴向浮动连接，具体是指：在卡钳套201自钻头杆体102处套设进去后，将两个半圆形卡环204对放在卡槽106处，并用固定圈206将两个半圆形卡环204约束，由于两个半圆形卡环204组成的圆形卡环202外径大于卡钳套201内径，因此，钻头头部101无法再次穿出卡钳套201，当卡钳套201与单体式潜孔锤外管螺纹连接后，即可将钻头头部101限制在轴向一定长度范围内浮动，构成防空打功能；钻头头部101的周向固定方式是通过钻头头部101套设在固定盘103的第一通孔104内，从而被限制周向转动。

本发明的一个实施例中给出具有上述钻头定位装置的集束式反循环潜孔锤，如图9所示，该集束式反循环潜孔锤包括配气室5、多个单体潜孔锤6、中心管3、导渣管4和钻头定位装置，其中，钻头定位装置为上述实施例中的钻头定位装置。具体为：多个单体潜孔锤6的钻头头部101安装在第一通孔104中，多个卡钳套201安装在第二通孔105中，安装位置如图1所示。中心管3和导渣管4分别连接在固定盘的中心通孔112和排渣孔113中。以此通过本发明的定位装置的周向定位机构和轴向浮动定位机构对每个钻头的周向和轴向进行定位。

通过本发明的定位装置可精确将钻头某一边的球形凸起定位于固定盘最外侧；当异形钻头某一弧边的边齿磨损后，调换异形钻头其它弧边的边齿将其替换，从而可继续钻进，提高了钻头的使用寿命。另外，可通过适当增加钻头的弧边上球形凸起的数量，即增加了位于固定盘最外侧的球形凸起的数量，可有效减轻单个边齿碎岩负荷，有利于提高碎岩效率和使用寿命。最后，本发明的结构使得钻头角度可调，角度调节方便、快捷、耗时少，有效减少了钻进辅助时间。

本发明的一个实施例中还给出了上述集束式反循环潜孔锤中钻头的调节方法，具体为：

首先，人力将钻头头部101在轴向上完全拽出，或者在垂直放置时，钻头提离地面，在钻头自重作用下也可自动伸出；其次，将单体潜孔锤6从配气室5下部接头螺纹处或从单体潜孔锤6外管与卡钳套201间的连接螺纹处拧卸一定长度，以使钻头头部101完全出露于固定盘103外，脱离固定盘103的周向约束；然后，将钻头头部101旋转一定角度，令其它圆弧段110置于固定盘103外侧；最后，拧紧单体潜孔锤6与配气室5下部接头处或从单体潜孔锤6外管与卡钳套201间的连接螺纹处的螺纹，使钻头头部101重新受限于所述固定盘103，保障钻头头部101处于固定盘103最外侧的球齿在旋转破碎岩石钻进过程中，可承受岩石对钻头的周向反作用力，从而不发生周向偏转。

在以上的描述中，除非另有明确的规定和限定，其中的“设置”、“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是拆卸连接或成一体；可以是直接连接，也可以是间接连接等等。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术方案中的具体含义。

在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，只要其不违背本发明的思想，同样应当视其为本发明所公开的内容。

Claims (6)

1.一种集束式反循环潜孔锤的钻头定位装置，其特征在于，包括用于限制钻头周向移动的周向定位机构和限制钻头轴向移动的轴向浮动定位机构；

所述的钻头包括钻头头部(101)和钻头杆体(102)，所述的钻头头部(101)设置有多个用于排渣的排渣槽(107)，排渣槽(107)底部设置有气孔(108)；

所述的轴向浮动定位机构包括卡钳套(201)、卡环(202)和设置在钻头杆体(102)上的卡槽(106)，所述的卡环(202)套设在卡槽(106)中；

所述的卡钳套(201)的外径小于钻头头部(101)，卡钳套(201)的内径大于钻头杆体(102)直径，卡钳套(201)套设在钻头杆体(102)上，卡钳套(201)限位在卡环(202)和钻头头部(101)之间；卡钳套(201)的外部设置有用于与潜孔锤外管连接的螺纹；

所述的周向定位机构包括钻头头部(101)和固定盘(103)，所述的钻头头部(101)的轮廓为圆弧段(110)和直线段(111)首尾交替连接的近六边形结构，圆弧段(110)的外边缘上设置有球形凸起(109)；

所述固定盘(103)上设置有用于安装钻头的通孔，所述的通孔包括同轴连通的第一通孔(104)和第二通孔(105)，第一通孔(104)的轮廓与钻头头部(101)轮廓匹配，第二通孔(105)的轮廓与卡钳套(201)的轮廓匹配。

2.如权利要求1所述的集束式反循环潜孔锤的钻头定位装置，其特征在于，所述的固定盘(103)上还设置有用于安装潜孔锤中心管(3)的中心通孔(112)和用于排渣的排渣孔(113)；所述的第一通孔(104)与排渣孔(113)之间通过导渣槽(114)连通。

3.如权利要求1所述的集束式反循环潜孔锤的钻头定位装置 ，其特征在于，所述的固定盘(103)上设置有多个所述的通孔，多个通孔围绕中心通孔(112)设置，每个通孔对应有一个排渣孔(113)。

4.如权利要求1所述的集束式反循环潜孔锤的 钻头定位装置 ，其特征在于，所述的固定盘(103)上设置有球形凸起(109)。

5.如权利要求1所述的集束式反循环潜孔锤的钻头定位装置 ，其特征在于，所述的卡环(202)由两个半圆形卡环(204)拼接而成，半圆形卡环(204)的外壁上设置有凹槽(205)，所述的凹槽(205)中套设有固定圈(206)。

6.一种集束式反循环潜孔锤，包括配气室(5)、多个单体潜孔锤(6)、中心管(3)、导渣管(4)和钻头定位装置，其特征在于，所述的钻头定位装置为权利要求1至5任一项所述的定位装置；多个单体潜孔锤(6)的钻头头部(101)设置在所述的第一通孔(104)中，卡钳套(201)设置在所述的第二通孔(105)中，所述的中心管(3)和导渣管(4)分别连接在固定盘的中心通孔(112)和排渣孔(113)中，通过定位装置的周向定位机构和轴向浮动定位机构对每个钻头的周向和轴向定位。

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