CN112377091B - 一种集束式分动潜孔钻具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集束式分动潜孔钻具，包括动力转换装置、减速装置、扶正器和分动配气装置；所述分动配气装置的一端与扶正器连接，所述扶正器的小径套设在减速装置上，所述动力转换装置与减速装置连接并用于带动减速装置转动；所述分动配气装置用于带动单体气动潜孔锤分动。采用旋转配气的方法，按顺序依次将等量等压的高压气体分配给单体气动潜孔锤，保证气动潜孔锤以最大效率工作。多个单体气动潜孔锤分动，能有效避免多个单体气动潜孔锤同时工作引起的共振问题，提高集束式潜孔锤使用寿命和扩孔钻进定向精度。

Description

一种集束式分动潜孔钻具

技术领域

本发明涉及潜孔钻具技术领域，尤其涉及一种集束式分动潜孔钻具。

背景技术

气动潜孔锤利用钎头高频冲击岩石，具有较大的冲击功，岩石成体积破坏，是在硬质岩层中钻进最有效的技术之一。随着非开挖管道铺设直径与长度的增加，所钻地层向着硬岩层方向发展，由于缺乏先进的关键钻进技术及设备，传统工艺施工难度和风险逐步加大。

单体气动潜孔锤已无法满足大孔径水平定向钻扩孔施工的要求，大孔径扩孔施工常采用集束式潜孔锤，常规集束式潜孔锤多采用整体分流[1,2]的方法驱动单个潜孔锤共同工作(常规集束式潜孔锤多采用整体分流[1,2]的方法中：[1]刘振东.大孔径集束式潜孔锤结构与动力特性的研究[D].东北石油大学,2013；[2]佘翀.组合变径喷射泵吸反循环集束潜孔锤.CN108104713A)，这种方法会出现单体气动潜孔锤因高压气体分配不均，出现工作效率低，进尺慢等问题；同时多个单体气动潜孔锤同时冲击钻进，容易引起共振，导致钻具振动大、寿命短和扩孔定向精度差。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本专利申请所要解决的技术问题是：如何提供一种集束式分动潜孔钻具，解决集束式气动潜孔锤气体分配不均，单体气动潜孔锤工作效率低、进尺慢的问题以及解决多个单体气动潜孔锤同时工作引起钻具共振，钻具振动大、使用使用寿命短和扩孔定向精度差的问题。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种集束式分动潜孔钻具，包括动力转换装置、减速装置、扶正器和分动配气装置；所述分动配气装置包括连接套、支撑盘、斜盘、阀体、芯轴和若干单体气动潜孔锤；所述连接套的一端与扶正器连接，所述扶正器的小径套设在减速装置上，所述动力转换装置与减速装置连接并用于带动减速装置转动；所述斜盘转动安装在连接套内，所述斜盘设有花键与减速装置的输出轴连接并传递扭矩和转速；所述斜盘具有斜面，所述斜面与铰接座接触，所述铰接座套设在支撑盘上，阀体与连接套固定连接，所述斜盘与支撑盘之间转动连接，所述铰接座与支撑盘之间设置有复位弹簧；所述铰接座内安装有铰接杆，所述铰接座具有与铰接杆的球面配合的圆弧凹槽，所述铰接杆内设置有第一球阀，所述铰接杆内固定安装有第一阀座，所述第一阀座与第一球阀之间设置有第一弹簧，所述铰接座、铰接杆、第一阀座、第一球阀和第一弹簧滑动配合在阀体内的配气缸体中；所述阀体内设置有第二球阀和第二弹簧，所述阀体内固定安装有第二阀座，所述第二弹簧设置在第二球阀与第二阀座之间；所述阀体套设在芯轴上，所述芯轴上设置有若干允许高压气体通过的通孔，所述芯轴与支撑盘固定连接，所述芯轴上设置有芯轴单向阀；所述芯轴的后端固定有后封板，所述后封板通过隔气块与前封板连接，所述隔气块将后封板与前封板之间的腔体分隔为单体腔体，所述单体腔体分别有上密封块和下密封块密封；所述前封板通过固定筒与前支撑板固定连接，所述固定筒套设在前支撑板和前封板的凸台上，所述前支撑板与连接套固定连接，所述前封板、固定筒和前支撑板均设有若干穿孔，所述单体气动潜孔锤安装在所述穿孔内，所述单体气动潜孔锤的上接头与放掉筒固定连接，所述放掉筒与后封板内的圆心槽接触。

其中，所述动力转换装置包括缸体、螺旋叶片和上接头；所述螺旋叶片与减速装置的输入轴通过花键连接，所述减速装置的输入轴上设置有单向阀，所述螺旋叶片转动安装在缸体内；所述缸体与上接头固定连接，所述缸体内安装有调压阀，所述上接头与减速装置固定连接，所述螺旋叶片和减速装置的输入轴内分别设置有允许高压气体通过的通道。

其中，所述螺旋叶片通过两个唇形密封圈和位于唇形密封圈之间的轴承安装在缸体内，所述缸体内还固定安装有用于对唇型密封圈和轴承进行轴向固定的螺母。

其中，所述斜盘通过唇形密封圈和轴承安装在连接套内。

其中，所述斜盘与支撑盘之间设置有唇形密封圈和轴承。

其中，所述阀体与芯轴之间设置有O型密封圈。

其中，所述芯轴上设置有键槽，所述支撑盘与芯轴通过键连接。

其中，所述芯轴与后封板通过O型密封圈密封。

综上，本集束式分动潜孔钻具具有以下有益效果：

本集束式分动潜孔钻具采用旋转配气的方法，将旋转运动转变为直线运动，利用铰接杆的往复运动，按顺序依次将等量等压的高压气体分配给单体气动潜孔锤，保证气动潜孔锤以最大效率工作。多个单体气动潜孔锤分动，能有效避免多个单体气动潜孔锤同时工作引起的共振问题，提高集束式潜孔锤使用寿命和扩孔钻进定向精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本发明公开的集束式分动潜孔钻具的结构示意图。

图2为图1中动力转换装置的结构示意图。

图3为图1中B局部放大图。

图4为芯轴的结构示意图。

图5为斜盘的剖视图。

图6为图1中集束式分动潜孔钻具A-A剖视图。

图7为阀体结构示意图。

图8为铰接座和铰接杆结构示意图。

图9为支撑盘结构示意图。

图10为单体气动潜孔锤结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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施例，而不是全部的实施例。在本实施例中，术语“上”“下”“左”“右”“前”“后”“上端”“下端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造或操作，因此不能理解为对本发明的限制。

参照图1-10，一种集束式分动潜孔钻具，包括动力转换装置1、减速装置2、扶正器3和分动配气装置4；所述分动配气装置4包括连接套407、支撑盘420、斜盘425、阀体417、芯轴414和若干单体气动潜孔锤403；所述连接套407的一端与扶正器3连接，所述扶正器3的小径套设在减速装置2上，所述动力转换装置1与减速装置2连接并用于带动减速装置2转动；所述斜盘425转动安装在连接套407内，所述斜盘425设有花键425b与减速装置2的输出轴205连接并传递扭矩和转速；所述斜盘425具有斜面，所述斜面425与铰接座421接触，所述铰接座421套设在支撑盘420上，阀体417与连接套407通过螺栓408固定连接，所述斜盘与支撑盘之间转动连接，具体的，斜盘425内设有唇形密封圈422、轴承423和唇形密封圈424，唇形密封圈422、轴承423和唇形密封圈424安装在支撑盘420上，所述铰接座421与支撑盘420之间设置有复位弹簧436；所述铰接座421内安装有铰接杆435，所述铰接座421具有与铰接杆435的球面435a配合的圆弧凹槽421a,铰接座421与铰接杆435可以相对转动，但不可以相对移动，所述铰接杆435内设置有第一球阀434，所述铰接杆435内固定安装有第一阀座432，所述第一阀座432与第一球阀434之间设置有第一弹簧436，所述铰接座421、铰接杆435、第一阀座432、第一球阀434和第一弹簧436滑动配合在阀体417内的配气缸体417b中；所述阀体417内设置有第二球阀431和第二弹簧430，所述阀体417内固定安装有第二阀座429，所述第二弹簧430设置在第二球阀431与第二阀座429之间；所述阀体417套设在芯轴414上，所述芯轴414上设置有若干允许高压气体通过的通孔414b，所述芯轴414与支撑盘420固定连接，所述芯轴414上设置有芯轴单向阀413,高压气体只能充芯轴右端进入，不能从右端排出；所述芯轴414的后端固定有后封板411，所述后封板411通过隔气块437与前封板409连接，所述隔气块437将后封板411与前封板409之间的腔体分隔为10个单体腔体409a，所述单体腔体409a分别有上密封块410和下密封块431密封；所述前封板409通过固定筒405与前支撑板404固定连接，所述固定筒405套设在前支撑板404和前封板409的凸台上，所述前支撑板404与连接套407固定连接，所述前封板409、固定筒405和前支撑板404均设有若干穿孔，所述单体气动潜孔锤403安装在所述穿孔内，所述单体气动潜孔锤403的上接头403d与放掉筒418固定连接，所述放掉筒418与后封板411内的圆心槽接触。

其中，所述动力转换装置包括缸体103、螺旋叶片104和上接头101；所述螺旋叶片104与减速装置的输入轴202通过花键连接，所述减速装置的输入轴202上设置有单向阀201，所述螺旋叶片104转动安装在缸体103内；所述缸体103与上接头101通过螺纹固定连接，所述缸体103内安装有调压阀102，所述上接头101与减速装置2通过螺栓203和螺母204固定连接，所述螺旋叶片104和减速装置2的输入轴202内分别设置有允许高压气体通过的通道104a和202a。

其中，所述螺旋叶片104通过两个唇形密封圈108、106和位于唇形密封圈之间的轴承107安装在缸体103内，所述缸体103内还固定安装有用于对唇型密封圈和轴承进行轴向固定的螺母105。

其中，所述斜盘425通过唇形密封圈和轴承安装在连接套内。具体的，斜盘425大径处设有唇形密封圈406和轴承402，斜盘425小径处设有唇形密封圈426、轴承427和唇形密封圈428。唇形密封圈406、轴承402、斜盘425、唇形密封圈426、轴承427和唇形密封圈428都安装在连接套407内。

其中，所述斜盘与支撑盘之间设置有唇形密封圈和轴承。

其中，所述阀体与芯轴之间设置有O型密封圈416。

其中，所述芯轴414上设置有键槽414a，所述支撑盘与芯轴通过键419连接。

其中，所述芯轴与后封板通过O型密封圈415密封。

工作原理：

见图1，初始时，高压气体经通道104a-202a-425c-414c-414b进入分动配气装置储气腔439内，此时储气腔体439和管路压力较低，调压阀102未打开，当储气腔体439内充满高压气体后，管路气压升高，调压阀102打开，高压气体驱动螺旋叶片104旋转，螺旋叶片104与减速装置2内的输入轴202通过花键连接，减速装置2输出轴通过花键425b与斜盘425连接，螺旋叶片104的旋转动力驱动斜盘425旋转，由于斜盘设有斜面425a，如说明书附图图5，斜盘旋转一周，斜面上最高点425e到最低点425d轴线方向上往复运动一次。斜面425a与铰接座421在复位弹簧438的预紧力下紧密接触，见图1和图3,，铰接座在支撑盘420的约束下，只能沿轴向移动。斜盘旋转一周，铰接座421沿轴向往复运动一次，从而带动铰接杆435内的球阀434、弹簧436和阀座432一起在阀体417内的配气缸体417a往复运动。驱动螺旋叶片104旋转的高压气体，可以通过单向阀201回到管路中。

见图3和图8，回程时，在弹簧436预紧力的作用下下，阀球434将进气口435b紧密贴合，进气口435b关闭，当斜盘旋转，斜面上最高点425e向最低点425d沿轴线运动，在复位弹簧438弹力的作用下，铰接座421、铰接杆435，以及铰接杆内的球阀434、弹簧436和阀座432一起向左移动，腔体417b成负压状态，储气腔439气压高于腔体417b内的压力，此时高压气体推动球阀434压缩弹簧436，进气口435b打开，高压气体通过储气腔439-铰接杆进气口435c-腔体417b进气口435b进入腔体417b。冲程时，在弹簧430的预紧力下，阀球431将腔体417b排气口417c紧密贴合，腔体417b排气口417c关闭，斜盘继续转动，斜面上最低点425d向最高点425e沿轴向运动，铰接座421、铰接杆435，以及铰接杆内的球阀434、弹簧436和阀座432一起向右移动，铰接座421压缩复位弹簧438，同时腔体417b内气压持续升高，腔体417b内的气压高于储气腔439内的压力，在弹簧436的弹力作用下，阀球434再次与进气口435b紧密贴合，腔体417b进气口435b关闭，同时推动球阀431压缩弹簧430，腔体417b排气口417c打开。等压等量的高压气体从腔体417b、小腔体进气口429a，见图3和图6，进入小腔体409a，小腔体409a内的高压气体经过防掉筒418和气动潜孔锤403的上接头403d进入单个气动潜孔锤403中，见图10，高压气体可以在活塞403c的前腔室403e和后腔室403f交替变化，从而驱动活塞403c往复运动，活塞403c间隙冲击钎头403b破岩，剩余气体由钎头内的流道403a排出清洗井底。

同理，由于多个铰接座沿斜盘圆周方向分布，斜盘在旋转过程中，斜面上最高点425e到最低点425d轴线方向上往复运动，多个沿阀体417圆周分布的腔体417b依次进气排气，分别驱动气动潜孔锤工作，见图1和图10，实现多个气动潜孔锤分动，多个气动潜孔锤均能以最大效率工作。

运动方向：采用集束式分动潜孔钻具进行回拖扩孔时，扩孔方向从图1中看为从右往左，多个气动潜孔锤内的钎头按顺序高频冲击破岩，图1中向左冲击破岩，岩石成体积破岩，提高破岩效率，同时多个钎头分动，避免多个钎头同时工作而发生共振，提高钻具使用寿命。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解；其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (8)

1.一种集束式分动潜孔钻具，其特征在于，包括动力转换装置、减速装置、扶正器和分动配气装置；所述分动配气装置包括连接套、支撑盘、斜盘、阀体、芯轴和若干单体气动潜孔锤；所述连接套的一端与扶正器连接，所述扶正器的小径套设在减速装置上，所述动力转换装置与减速装置连接并用于带动减速装置转动；所述斜盘转动安装在连接套内，阀体与连接套固定连接，所述斜盘设有花键与减速装置的输出轴连接并传递扭矩和转速；所述斜盘具有斜面，所述斜面与铰接座接触，所述铰接座套设在支撑盘上，所述斜盘与支撑盘之间转动连接，所述铰接座与支撑盘之间设置有复位弹簧；所述铰接座内安装有铰接杆，所述铰接座具有与铰接杆的球面配合的圆弧凹槽，所述铰接杆内设置有第一球阀，所述铰接杆内固定安装有第一阀座，所述第一阀座与第一球阀之间设置有第一弹簧，所述铰接座、铰接杆、第一阀座、第一球阀和第一弹簧滑动配合在阀体内的配气缸体中；所述阀体内设置有第二球阀和第二弹簧，所述阀体内固定安装有第二阀座，所述第二弹簧设置在第二球阀与第二阀座之间；所述阀体套设在芯轴上，所述芯轴上设置有若干允许高压气体通过的通孔，所述芯轴与支撑盘固定连接，所述芯轴上设置有芯轴单向阀；所述芯轴的后端固定有后封板，所述后封板通过隔气块与前封板连接，所述隔气块将后封板与前封板之间的腔体分隔为单体腔体，所述单体腔体分别有上密封块和下密封块密封；所述前封板通过固定筒与前支撑板固定连接，所述固定筒套设在前支撑板和前封板的凸台上，所述前支撑板与连接套固定连接，所述前封板、固定筒和前支撑板均设有若干穿孔，所述单体气动潜孔锤安装在所述穿孔内，所述单体气动潜孔锤的上接头与防掉筒固定连接，所述防掉筒与后封板内的圆心槽接触。

2.根据权利要求1所述的一种集束式分动潜孔钻具，其特征在于，所述动力转换装置包括缸体、螺旋叶片和上接头；所述螺旋叶片与减速装置的输入轴通过花键连接，所述减速装置的输入轴上设置有单向阀，所述螺旋叶片转动安装在缸体内；所述缸体与上接头固定连接，所述缸体内安装有调压阀，所述上接头与减速装置固定连接，所述螺旋叶片和减速装置的输入轴内分别设置有允许高压气体通过的通道。

3.根据权利要求2所述的一种集束式分动潜孔钻具，其特征在于，所述螺旋叶片通过两个唇形密封圈和位于唇形密封圈之间的轴承安装在缸体内，所述缸体内还固定安装有用于对唇型密封圈和轴承进行轴向固定的螺母。

4.根据权利要求3所述的一种集束式分动潜孔钻具，其特征在于，所述斜盘通过唇形密封圈和轴承安装在连接套内。

5.根据权利要求4所述的一种集束式分动潜孔钻具，其特征在于，所述斜盘与支撑盘之间设置有唇形密封圈和轴承。

6.根据权利要求5所述的一种集束式分动潜孔钻具，其特征在于，所述阀体与芯轴之间设置有O型密封圈。

7.根据权利要求6所述的一种集束式分动潜孔钻具，其特征在于，所述芯轴上设置有键槽，所述支撑盘与芯轴通过键连接。

8.根据权利要求7所述的一种集束式分动潜孔钻具，其特征在于，所述芯轴与后封板通过O型密封圈密封。

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