CN113027347B - 一种可重复反击破岩的防卡钻钻头及防卡钻方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可重复反击破岩的防卡钻钻头及防卡钻方法，包括：钻头本体，与液压马达连接，所述液压马达的进液口设有压力传感器，所述压力传感器与控制系统连接；防卡钻机构，设置在所述钻头本体内，所述防卡钻机构包括反击锤、反击锤板以及芯轴，所述反击锤的一端通过梯形螺纹与所述钻头本体的内壁连接，所述反击锤板设置在所述钻头本体的内壁上，所述钻头本体以及所述反击锤板上分别设有数量相同位置相应的芯轴槽孔及锤板槽孔。本发明的一种可重复反击破岩的防卡钻钻头及防卡钻方法，通过钻头本体内的防卡钻机构对大块压实碎渣进行二次反击破碎，不需要停止施工即可达到解卡目的，有效缓解施工作业中由于出渣不顺导致的卡钻问题。

Description

一种可重复反击破岩的防卡钻钻头及防卡钻方法

技术领域

本发明涉及钻机设备技术领域，具体涉及一种可重复反击破岩的防卡钻钻头及防卡钻方法。

背景技术

钻头是桩基建设中用于锚固地基墙体，隧道壁面的重要工具，主要用于在桩基锚固建设过程中切削，破碎岩石。但是，在使用钻头向基岩层钻进时，由于锚固孔出渣受阻或者在下方地层岩石坚硬导致在破碎岩石层时钻头发生间歇性卡钻现象，使得扭转弹性能不能释放，造成钻头破岩过程极不稳定，会直接损坏切削硬质合金刀粒，降低钻头及下部钻具的寿命。一般解决卡钻的处理方法主要有如下方式：活动解卡，震击解卡，倒扣解卡，套铣解卡，浸泡解卡，磨蚀解卡，爆炸解卡。相关从业人员根据井况可将上述两种或几种方式交替使用，最终达到安全解除卡钻的目的。但是，这些解卡手段都是需要停止施工后再利用其它工具进行操作，以此达到解卡目的。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种可重复反击破岩的防卡钻钻头及防卡钻方法，通过钻头本体内的防卡钻机构对大块压实碎渣进行二次反击破碎，不需要停止施工即可达到解卡目的，增强出渣能力，有效缓解施工作业中由于出渣不顺导致的卡钻问题，提高了生产效率。

为了实现以上目的，本发明采取的一种技术方案是：

一种可重复反击破岩的防卡钻钻头，包括：钻头本体，与液压马达连接，所述液压马达的进液口设有压力传感器，所述压力传感器与控制系统连接；防卡钻机构，设置在所述钻头本体内，所述防卡钻机构包括反击锤、反击锤板以及芯轴，所述反击锤的一端通过梯形螺纹与所述钻头本体的内壁连接，所述反击锤的下端设置锤头，所述反击锤板设置在所述钻头本体的内壁上，所述反击锤板靠近所述反击锤的一面设有锤牙，所述芯轴设置在所述钻头本体的侧壁上，所述钻头本体以及所述反击锤板上分别设有数量相同位置相应的芯轴槽孔及锤板槽孔，所述芯轴槽孔位于所述芯轴的下方。

进一步地，所述反击锤包括锤体以及所述锤头，所述锤体的上端通过所述梯形螺纹与所述钻头本体的内壁连接，所述梯形螺纹的顶部设有限位挡圈，所述锤头设置在所述锤体的下端，所述锤头与所述反击锤板之间存在一定间隙，所述锤体内设有钻液流道，所述钻液流道将所述钻头本体的上腔体以及所述钻头本体的出渣流道连通。

进一步地，所述钻头本体的内壁设有挡圈槽，所述限位挡圈设置在所述挡圈槽内。

进一步地，所述锤体包括梯形螺纹段、储料段以及锤头安装段，所述储料段的一端与所述梯形螺纹段连接，所述储料段的另一端与所述锤头安装段连接，所述锤头通过安装部与所述锤头安装段连接，所述锤头的外径大于所述储料段的外径，所述锤头与所述梯形螺纹段形成了储料空间。

进一步地，所述钻头本体内设有第一限位台阶，所述钻头本体内壁上的梯形螺纹位于所述挡圈槽与所述第一限位台阶之间。

进一步地，所述钻头本体的侧壁上端设有芯轴阶梯孔，所述芯轴设置在所述芯轴阶梯孔内，所述芯轴与所述芯轴阶梯孔间设置限位弹簧，所述芯轴阶梯孔的顶部与液压系统连通，所述芯轴能够在液压系统的控制下沿所述芯轴阶梯孔上下移动。

进一步地，所述芯轴台阶孔设有第二限位台阶，所述芯轴台阶孔包括相互连接的限位孔以及封孔轴孔，所述限位孔的内径大于所述封孔轴孔的内径，所述芯轴包括相互连接的限位轴以及封孔轴，所述限位轴的外径大于所述封孔轴的外径，所述限位轴位于所述限位孔内，所述封孔轴位于所述封孔轴孔内，所述封孔轴的外径不大于所述芯轴槽孔的宽度，所述限位弹簧位于所述限位轴的底面与所述第二限位台阶之间，所述限位轴外壁上设有斯特封槽，所述限位轴与所述限位孔之间设有斯特封。

进一步地，所述芯轴阶梯孔的轴线与所述钻头本体的轴线平行，所述芯轴槽孔的轴线以及所述锤板槽孔的轴线与所述钻头本体的轴线垂直。

本发明还提供了一种基于以上任意一种可重复反击破岩的防卡钻钻头的可重复反击破岩的防卡钻方法，包括：S10控制系统通过压力传感器实时检测带动钻头本体回转的液压马达的油路压力，并实时处理测算所述钻头本体所受扭矩情况；S20初始状态下，芯轴堵住芯轴槽孔，当所述控制系统检测到所述钻头本体收到的扭矩超过预警值时，所述控制系统控制所述芯轴向上移动将所述芯轴槽孔打开，外部碎石通过所述芯轴槽孔进入所述钻头本体内，所述反击锤与所述反击锤板配合对碎石进行二次破碎；S30所述控制系统监测到所述钻头本体所受扭矩超过极限值时，所述液压马达反转，所述钻头本体在液压马达的控制下反转，所述反击锤向靠近所述梯形螺纹的方向移动，将所述钻头本体内的碎石颗粒向下排出；S40所述控制系统控制所述钻头本体的交替进行正反转，当扭矩位于安全扭矩范围内时，所述防卡钻钻头恢复初始运行状态。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

(1)本发明的一种可重复反击破岩的防卡钻钻头及防卡钻方法，通过钻头本体内的防卡钻机构对大块压实碎渣进行二次反击破碎，不需要停止施工即可达到解卡目的，增强出渣能力，有效缓解施工作业中由于出渣不顺导致的卡钻问题，提高了生产效率。

(2)本发明的一种可重复反击破岩的防卡钻钻头及防卡钻方法，通过压力传感器实时监测钻头所受扭矩大小来判断卡钻情况，同时根据所受扭矩大小，控制系统判断不同工况类型，然后根据不同工况采用不同钻进方法，实现了两级破岩，延长了钻具的寿命。

(3)本发明的一种可重复反击破岩的防卡钻钻头及防卡钻方法，结构简单，易于拆装维修，便于普及应用。

附图说明

下面结合附图，通过对本发明的具体实施方式详细描述，将使本发明的技术方案及其有益效果显而易见。

图1所示为本发明一实施例的可重复反击破岩的防卡钻钻头的剖视图；

图2所示为本发明一实施例的反击锤板的剖视图；

图3所示为本发明一实施例的钻头本体的剖视图；

图4所示为本发明一实施例的反击锤的剖视图；

图5所示为本发明一实施例的芯轴的剖视图；

图6所示为本发明一实施例的可重复反击破岩的防卡钻方法流程图。图中附图标记：

1钻头本体、11芯轴槽孔、12挡圈槽、13上腔体、131第一限位台阶、14出渣流道、15芯轴阶梯孔、151限位孔、152封孔轴孔、153第二限位台阶、16限位弹簧、2反击锤板、21锤牙、22锤板槽孔、3芯轴、31限位轴、32斯特封槽、33封孔轴、4反击锤、41锤体、411梯形螺纹段、412储料段、413锤头安装段、414钻液流道、42锤头、421安装部、5限位挡圈。

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。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作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。

本实施例提供了一种可重复反击破岩的防卡钻钻头，如图1所示，包括钻头本体1以及防卡钻机构，所述防卡钻机构设置在所述钻头本体1内。所述防卡钻机构包括反击锤板2、芯轴3以及反击锤4，所述反击锤板2设置在所述钻头本体1的内壁上，所述反击锤4设置在所述钻头本体1内，所述芯轴3设置在所述钻头本体1的侧壁上。所述反击锤4的一端通过梯形螺纹与所述钻头本体1的内壁连接，所述反击锤4的下端设置锤头42，所述钻头本体1以及所述反击锤板2上分别设有数量相同位置相应的芯轴槽孔11及锤板槽孔22，所述芯轴槽孔11位于所述芯轴3的下方。所述芯轴槽孔11及所述锤板槽孔22的数量可根据反击破岩过程中卡钻的具体情况而设置，当所钻位置卡钻现象较多时，可以增加所述芯轴槽孔11及所述锤板槽孔22的数量。优选所述芯轴槽孔11的尺寸为15mm×30mm～20mm×40mm。

所述钻头本体1与液压马达连接，所述液压马达的进液口设有压力传感器，所述压力传感器与控制系统连接，所述控制系统可通过实时检测所述液压马达进液口处的压力传感器的压力获知所述钻头本体1扭矩，进而获知所述钻头本体1的使用状态，当所述钻头本体1发生卡钻时，所述控制系统实时调整所述芯轴3的位置实现所述钻头本体1的所述芯轴槽孔11的开合，将所述钻头本体1外侧卡住钻头本体1转动的岩石碎块吸入钻头本体1内，再利用所述液压马达的正反转带动所述钻头本体1内的所述反击锤4上下运动形成的击打作用进行重复反击破岩碎石，并将细化成岩石颗粒排出，实现解卡。优选所述压力传感器采用量程为0-60MPa，精度为0.2％FS，响应时间小于100ms。

如图2～3所示，所述反击锤4包括锤体41以及所述锤头42，所述钻头本体1包括所述芯轴槽孔11、挡圈槽12、上腔体13、出渣流道14、芯轴阶梯孔15以及限位弹簧16，所述上腔体13内设有第一限位台阶131。所述挡圈槽12设置在所述上腔体13的上端，所述限位挡圈5设置在所述挡圈槽12内。所述钻头本体1内壁上的梯形螺纹位于所述挡圈槽12与所述第一限位台阶131之间，使用所述限位挡圈5可以限定所述反击锤4的滑移位置，使得所述反击锤4的梯形螺纹段411在所述限位挡圈5与所述第一限位台阶131之间滑移。所述芯轴槽孔11位于所述上腔体13与所述出渣流道14之间。所述芯轴槽孔11的轴线以及所述锤板槽孔22的轴线与所述钻头本体1的轴线垂直。所述反击锤4回转直径优选为60-80mm。为了便于两端钻杆之间的连接，优选所述钻头本体1的上端面设有O型圈槽，所述上腔体13与所述钻头本体1的上端面之间设有锥螺纹段。

所述锤体41包括梯形螺纹段411、储料段412以及锤头安装段413，所述锤体41通过所述梯形螺纹段411与所述上腔13内的螺纹连接。所述储料段412的一端与所述梯形螺纹段411连接，所述储料段412的另一端与所述锤头安装段413连接，所述锤头42通过安装部421与所述锤头安装段413连接，所述锤头42的外径大于所述储料段412的外径，所述锤头42与所述梯形螺纹段411形成了储料空间，组装后所述锤头42与所述反击锤板2之间存在一定间隙，便于二次破岩的碎石块通过所述出渣流道14排出。所述锤体41内设有钻液流道414，所述钻液流道414将所述钻头本体1的上腔体13以及所述钻头本体1的出渣流道14连通，所述钻液通过所述钻液流道输出至待钻孔位置。

如图4所示，所述反击锤板2靠近所述反击锤4的一面设有锤牙21，所述反击锤板2与所述钻头本体1通过螺钉连接。所述反击锤板2包括锤板安装孔、所述锤板槽孔22和所述锤牙21，所述反击锤板2依靠锤板安装孔固定安装在所述上腔体13与所述出渣流道14之间。所述锤板2远离所述钻头本体1内壁的一面加工有间隔均匀的半圆牙型锤板锤牙23。

所述芯轴阶梯孔15设置在所述钻头本体1的侧壁上端，所述芯轴3设置在所述芯轴阶梯孔15内，所述限位弹簧16设置所述芯轴3与所述芯轴阶梯孔15间，所述芯轴阶梯孔15的顶部与液压系统连通，所述控制系统通过控制所述芯轴阶梯孔15的顶部的液压压力控制所述芯轴3沿所述芯轴阶梯孔15上下移动，进而实现所述芯轴槽孔11的开合，控制对应破岩动作。

所述芯轴阶梯孔15的轴线与所述钻头本体1的轴线平行，所述芯轴阶梯孔15包括限位孔151、封孔轴孔152以及第二限位台阶153，所述限位孔151与所述封孔轴孔152相互连接，所述限位孔151的内径大于所述封孔轴孔152的内径，所述限位孔151与所述封孔轴孔152之间设有所述第二限位台阶153。如图5所示，所述芯轴3包括相互连接的限位轴31以及封孔轴33，所述限位轴31的外径大于所述封孔轴33的外径，所述限位轴31位于所述限位孔151内，所述封孔轴33位于所述封孔轴孔152内，所述封孔轴33的外径不大于所述芯轴槽孔11的宽度，所述限位弹簧16位于所述限位轴31的底面与所述第二限位台阶153之间，所述限位轴31外壁上设有斯特封槽32，所述限位轴31与所述限位孔151之间设有斯特封，确保液压力的传递。

本发明还提供了一种基于以上可重复反击破岩的防卡钻钻头的可重复反击破岩的防卡钻方法，如图6所示，包括：S10控制系统通过压力传感器实时检测带动钻头本体1回转的液压马达的油路压力，并实时处理测算所述钻头本体1所受扭矩情况。S20初始状态下，芯轴3堵住芯轴槽孔11，当所述控制系统检测到所述钻头本体1受到的扭矩超过预警值时，所述控制系统控制所述芯轴3向上移动将所述芯轴槽孔11打开，外部碎石通过所述芯轴槽孔11进入所述钻头本体1内，所述反击锤4与所述反击锤板2配合对碎石进行二次破碎。S30所述控制系统监测到所述钻头本体1所受扭矩超过极限值时，所述液压马达反转，所述钻头本体1在液压马达的控制下反转，所述反击锤4向靠近所述梯形螺纹的方向移动，将所述钻头本体1内的碎石颗粒向下排出。S40所述控制系统控制所述钻头本体1的交替进行正反转，当扭矩位于安全扭矩范围内时，所述防卡钻钻头恢复初始运行状态。

所述S20中，初始状态下，所述控制系统控制所述限位孔151顶部的液压压力，将所述芯轴3向靠近所述芯轴槽孔11的方向移动，所述限位弹簧16被压缩，进而将所述芯轴槽孔11封住，所述钻头本体1的外侧与所述钻头本体1的内腔不连通，所述钻头本体1正常排渣。当所述控制系统检测到所述钻头本体1收到的扭矩超过预警值时，所述控制系统控制所述限位孔151顶部的液压压力，所述芯轴3在所述限位弹簧16弹力恢复力的作用下向远离芯轴槽孔11的方向移动，进而将所述芯轴槽孔11打开，外部碎石通过所述芯轴槽孔11进入所述钻头本体1内，所述反击锤4与所述反击锤板2配合对碎石进行二次破碎，并将破碎后的小颗粒从所述出渣流道排出。

所述S30中，所述控制系统监测到所述钻头本体1所受扭矩超过极限值时，说明此时即将发生卡钻现象，钻头内腔存在较多的碎石与污泥，所述液压马达做正反转交替钻进，由于所述反击锤4与所述钻头本体1之间通过梯形螺纹连接，当钻头本体反转时候，所述反击锤4受到碎石与污泥的阻碍不能跟随钻头本体1反转，所以在梯形螺纹的传动连接下向上螺旋运动，将内腔上部污泥与碎石向下方的所述出渣流道14处挤压排出，实现钻头卡钻后迅速的防卡与脱卡操作。

以上所述仅为本发明的示例性实施例，并非因此限制本发明专利保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种可重复反击破岩的防卡钻钻头，其特征在于，包括：钻头本体，与液压马达连接，所述液压马达的进液口设有压力传感器，所述压力传感器与控制系统连接；防卡钻机构，设置在所述钻头本体内，所述防卡钻机构包括反击锤、反击锤板以及芯轴，所述反击锤的一端通过梯形螺纹与所述钻头本体的内壁连接，所述反击锤的下端设置锤头，所述反击锤板设置在所述钻头本体的内壁上，所述反击锤板靠近所述反击锤的一面设有锤牙，所述芯轴设置在所述钻头本体的侧壁上，所述钻头本体以及所述反击锤板上分别设有数量相同位置相应的芯轴槽孔及锤板槽孔，所述芯轴槽孔位于所述芯轴的下方；

所述反击锤包括锤体以及所述锤头，所述锤体的上端通过所述梯形螺纹与所述钻头本体的内壁连接，所述梯形螺纹的顶部设有限位挡圈，所述锤头设置在所述锤体的下端，所述锤头与所述反击锤板之间存在一定间隙，所述锤体内设有钻液流道，所述钻液流道将所述钻头本体的上腔体以及所述钻头本体的出渣流道连通；

所述钻头本体的侧壁上端设有芯轴阶梯孔，所述芯轴设置在所述芯轴阶梯孔内，所述芯轴与所述芯轴阶梯孔间设置限位弹簧，所述芯轴阶梯孔的顶部与液压系统连通，所述芯轴能够在液压系统的控制下沿所述芯轴阶梯孔上下移动。

2.根据权利要求1所述的可重复反击破岩的防卡钻钻头，其特征在于，所述钻头本体的内壁设有挡圈槽，所述限位挡圈设置在所述挡圈槽内。

3.根据权利要求2所述的可重复反击破岩的防卡钻钻头，其特征在于，所述锤体包括梯形螺纹段、储料段以及锤头安装段，所述储料段的一端与所述梯形螺纹段连接，所述储料段的另一端与所述锤头安装段连接，所述锤头通过安装部与所述锤头安装段连接，所述锤头的外径大于所述储料段的外径，所述锤头与所述梯形螺纹段形成了储料空间。

4.根据权利要求3所述的可重复反击破岩的防卡钻钻头，其特征在于，所述钻头本体内设有第一限位台阶，所述钻头本体内壁上的梯形螺纹位于所述挡圈槽与所述第一限位台阶之间。

5.根据权利要求1所述的可重复反击破岩的防卡钻钻头，其特征在于，所述芯轴阶梯孔设有第二限位台阶，所述芯轴阶梯孔包括相互连接的限位孔以及封孔轴孔，所述限位孔的内径大于所述封孔轴孔的内径，所述芯轴包括相互连接的限位轴以及封孔轴，所述限位轴的外径大于所述封孔轴的外径，所述限位轴位于所述限位孔内，所述封孔轴位于所述封孔轴孔内，所述封孔轴的外径不大于所述芯轴槽孔的宽度，所述限位弹簧位于所述限位轴的底面与所述第二限位台阶之间，所述限位轴外壁上设有斯特封槽，所述限位轴与所述限位孔之间设有斯特封。

6.根据权利要求5所述的可重复反击破岩的防卡钻钻头，其特征在于，所述芯轴阶梯孔的轴线与所述钻头本体的轴线平行，所述芯轴槽孔的轴线以及所述锤板槽孔的轴线与所述钻头本体的轴线垂直。

7.根据权利要求1所述的可重复反击破岩的防卡钻钻头的可重复反击破岩的防卡钻方法，其特征在于，包括：S10控制系统通过压力传感器实时检测带动钻头本体回转的液压马达的油路压力，并实时处理测算所述钻头本体所受扭矩情况；S20初始状态下，芯轴堵住芯轴槽孔，当所述控制系统检测到所述钻头本体受到的扭矩超过预警值时，所述控制系统控制所述芯轴向上移动将所述芯轴槽孔打开，外部碎石通过所述芯轴槽孔进入所述钻头本体内，所述反击锤与所述反击锤板配合对碎石进行二次破碎；S30所述控制系统监测到所述钻头本体所受扭矩超过极限值时，所述液压马达反转，所述钻头本体在液压马达的控制下反转，所述反击锤向靠近所述梯形螺纹的方向移动，将所述钻头本体内的碎石颗粒向下排出；S40所述控制系统控制所述钻头本体交替进行正反转，当扭矩位于安全扭矩范围内时，所述防卡钻钻头恢复初始运行状态。