CN115522867B - 一种脉冲压力驱动液动冲击器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种脉冲压力驱动液动冲击器，在主缸体内设置活塞杆等结构，活塞杆与冲击组件连接，活塞杆与活塞缸弹性活动连接，活塞杆与液体压力工作腔连通，液体压力工作腔与上接头的液体入口连通，以通过液体入口输入的压力变化驱动活塞杆移动，还设置有与液体压力工作腔连通的泄压腔，泄压腔与下接头的液体出口连通，泄压腔设置有阀门，阀门用于自动控制泄压腔开闭。本发明适用于入口压力流量波动条件下使用，且输出流体的压力和流量按一定规律不断变化，使得孔底流场条件得到改善，漫流的作用得以充分发挥，从而克服岩屑的压持效应，提高碎岩效率和机械钻速，另外可用于钻进脉动注浆一体化。

Description

一种脉冲压力驱动液动冲击器

技术领域

本发明涉及钻探装备技术领域，特别涉及一种脉冲压力驱动液动冲击器。

背景技术

液动冲击回转钻进技术被广泛应用于钻探工程施工。可有效提高机械钻速、减小孔斜、延长钻头寿命。目前，液动冲击回转钻进采用的液动冲击器多为恒压力、恒流量条件，而研究表明孔底压力流量波动有利于减小岩屑压持效应，提高井眼净化效率，增强钻效。与此同时，广泛应用于水利、水电、市政等工程的“脉冲灌浆”技术，其压力流量波动显著，常规液动冲击器难以应用。因此，需要一种适用于入口压力流量波动条件下使用的液动冲击回转钻进机具，这对提高特殊工况下的钻进成孔效率，实现优快钻进具有重要工程意义。

公开号为CN115075727A的中国专利申请公开了一种孔底压力脉冲式液动冲击器，其工作原理为：流体通过上接头中心通道进入后，同时形成两条流动路径，第一条流动路径为：流体沿着上接头径向通道、冲锤径向槽孔进入外管第一轴向通道内，液体向冲锤受力台阶面施力，冲锤在液体的作用下向上运动，此时液体的作用力与冲锤与上接头之间的弹力相平衡；第二条流动路径为：流体从上接头中心通道沿脉冲入口进入脉冲单元的腔体内，通过腔体的自激荡形成振荡流体，振荡流体从脉冲出口沿脉冲通道进入冲锤中心通道以及钻头中心通道循环到排水孔。由于振荡流体经过脉冲单元的激荡，使得振荡流体呈现出周期性脉冲压力，当脉冲压力升高处于波峰时，液体压力沿着第一条流动路径作用于冲锤受力台阶面，脉冲压力大于弹力，由于在弹力产生处与外管第二轴向通道连通，液体通过冲锤径向圆孔进入冲锤中心通道，进而通过钻头中心通道循环至排水孔；当脉冲压力降低处于波谷时，冲锤所受的弹力大于脉冲压力，在弹力的作用下，冲锤快速向下运动，实现冲击碎岩。因此，该方案依靠脉冲单元形成周期性脉冲压力，其入口压力流量等是恒定的，不适用于入口压力流量波动条件下使用。

发明内容

本发明的目的是：针对上述背景技术中存在的不足，提供一种适用于入口压力流量波动条件下使用的液动冲击器。

为了达到上述目的，本发明提供了一种脉冲压力驱动液动冲击器，包括一种脉冲压力驱动液动冲击器，包括活塞缸以及活塞杆，所述活塞杆与所述冲击组件连接，所述活塞杆与所述活塞缸弹性活动连接，所述活塞杆与液体压力工作腔连通，所述液体压力工作腔与所述上接头的液体入口连通，以通过所述液体入口输入的压力变化驱动所述活塞杆移动，还包括与所述液体压力工作腔连通的泄压腔，所述泄压腔与所述下接头的液体出口连通，所述泄压腔设置有阀门，所述阀门用于自动控制所述泄压腔开闭。

进一步地，所述阀门为球阀，在所述活塞杆下行的过程中，所述球阀在惯性作用下行程落后于所述活塞杆，使所述泄压腔的出口开启。

进一步地，所述主缸体的上部与所述上接头螺纹连接，所述主缸体的下部与连接套螺纹连接，所述冲击组件包括冲锤和砧子，所述砧子的底部与所述下接头螺纹连接，同时所述砧子的底部与所述连接套间隙配合。

进一步地，所述冲锤的顶端与所述活塞杆的底端固定连接。

进一步地，所述活塞杆为变径设置，形成有第一台阶面，所述第一台阶面与所述液体压力工作腔连通，所述第一台阶面用于承载所述液体压力工作腔的压力并驱动所述活塞杆移动。

进一步地，所述活塞杆的顶部外壁与所述活塞缸密封配合，将所述活塞缸分隔为第一活塞腔与第二活塞腔，所述液体压力工作腔与所述第一活塞腔接通，所述活塞缸还开设有活塞缸输出通道，所述活塞缸输出通道与所述第二活塞腔连通，同时所述活塞缸输出通道与所述主缸体开设的通孔接通，而使所述第二活塞腔保持恒压。

进一步地，所述砧子为变径设置，形成有第二台阶面和第三台阶面，所述主缸体内固定设置有卡接限位件，所述卡接限位件位于所述第二台阶面与所述第三台阶面之间，用于限制所述砧子的位移范围。

进一步地，所述上接头设置有第一流体通道，所述第一流体通道的顶端为所述液体入口，所述活塞缸的外壁与所述主缸体之间形成第二流体通道，所述第二流体通道的顶端与所述第一流体通道连通，所述活塞杆的顶部设置有第三流体通道，所述第三流体通道与所述第二流体通道的底端连通，所述冲锤的外壁与所述主缸体之间形成有第四流体通道，所述第三流体通道的底端与所述第四流体通道的顶端连通，且所述第三流体通道的底端设置所述阀门，所述冲锤的底部设置有第五流体通道，所述砧子设置有第六流体通道，所述下接头设置有第七流体通道，所述第五流体通道连通所述第四流体通道的底端与所述第六流体通道的顶端，所述第六流体通道的底端连通所述第七流体通道的顶端，所述第七流体通道的底端为所述液体出口。

进一步地，所述主缸体内设置有第一弹簧座以及第二弹簧座，所述第一弹簧座固定在所述活塞缸的顶部，所述第一弹簧座连接有第一弹簧，所述第一弹簧同时与所述活塞杆的顶部连接，所述第二弹簧座固定在所述主缸体内，且位于所述活塞缸与所述冲锤之间，所述第二弹簧座连接有第二弹簧，所述第二弹簧同时与所述冲锤连接。

进一步地，所述第一弹簧的两端分别与所述第一弹簧座以及所述活塞杆的顶部套接，所述第二弹簧套设于所述活塞杆底部。

本发明的上述方案有如下的有益效果：

本发明提供的脉冲压力驱动液动冲击器，依靠活塞杆、液体压力工作腔、泄压腔等的设计与配合，能够适用于入口压力流量波动条件下使用，完成碎岩钻进作业等，且输出流体的压力和流量按一定规律不断变化，使得孔底流场条件得到改善，漫流的作用得以充分发挥，从而克服岩屑的压持效应，提高碎岩效率和机械钻速；另外，变压力流量流体的输出使得本发明具有除常规钻进之外的功能，如可用于钻进脉动注浆一体化。

本发明的其它有益效果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为本发明的整体结构剖视图；

图2为图1的A-A剖视图；

图3为图1的B-B剖视图；

图4为图1的C-C剖视图；

图5为图1的D-D剖视图。

【附图标记说明】

1-上接头；2-主缸体；3-下接头；4-活塞缸；5-活塞杆；6-液体入口；7-液体出口；8-球阀；9-连接套；10-冲锤；11-砧子；12-第一台阶面；13-活塞缸输出通道；14-第二台阶面；15-第三台阶面；16-卡接限位件；17-密封橡胶圈；18-第一弹簧座；19-第二弹簧座；20-定位销；21-第一弹簧；22-第二弹簧；23-第一流体通道；24-第二流体通道；25-第三流体通道；26-活塞杆输入通道；27-堵头；28-第四流体通道；29-活塞杆输出通道；30-第五流体通道；31-第六流体通道；32-第七流体通道。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。显然，所描述的实施例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，本领域普通技术人员在没有做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。此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是锁定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1-图5所示，本发明的实施例提供了一种脉冲压力驱动液动冲击器，包括上接头1、主缸体2、下接头3组成的外缸结构，以及冲击组件。同时，主缸体2内设置活塞缸4以及活塞杆5，活塞杆5与冲击组件连接，以通过活塞杆5将冲击力传递至冲击组件，进行碎岩钻进作业等。

其中，活塞杆5与活塞缸4采用弹性活动连接的方式，同时活塞杆5与液体压力工作腔连通，液体压力工作腔与上接头1的液体入口6连通，因此液体入口6输入的压力能够直接通过液体压力工作腔传递至活塞杆5，以通过液体入口6输入的压力变化驱动活塞杆5移动。即当输入压力较大时，第一台阶面12受较大的压力，能够克服弹性力按图示向上移动；而当输入压力较小时，在弹性力作用下活塞杆5向下移动，带动冲击组件向下冲击作业等。

同时，还设置有与液体压力工作腔连通的泄压腔，泄压腔与下接头3的液体出口7连通，并且泄压腔设置有阀门，该阀门用于自动控制泄压腔开闭。

具体到本实施例中，该阀门为球阀8，在活塞杆5下行的过程中，球阀8会在惯性作用下行程落后于活塞杆5，而使泄压腔开启。因此，在活塞杆5下行冲击的过程中，泄压腔将液体压力工作腔与下接头3的液体出口7连通，液体得以从液体压力工作腔进入泄压阀并进一步排出，形成液体输出，且对液体压力工作腔泄压。

本实施例中球阀8同样可以采用弹性结构与泄压腔连接，活塞杆5下行时球阀8行程落后于活塞杆5，当活塞杆5下行冲击结束后，球阀8逐渐关闭，而液体入口6输入的液体又转变为压力较大的状态，从而进行第二次循环。

在本实施例中，主缸体2的上部与上接头1通过螺纹连接，主缸体2的下部与连接套9通过螺纹连接，因此方便组装与拆卸。冲击组件具体包括冲锤10和砧子11，砧子11的底部与下接头3螺纹连接，同时砧子11的底部与连接套9间隙配合，因而能够相对于连接套9伸缩活动。活塞杆5在弹力作用下，带动冲锤10冲击砧子11，冲击能量经过砧子11传递给下接头3和钻头，而活塞杆5与冲锤10的复位依靠第一台阶面12上受到的向上作用力完成。

在本实施例中，冲锤10的顶端与活塞杆5的底端固定连接。具体地，冲锤10顶端开设有锥形圆孔，活塞杆5底部同样设置为锥形并与锥形圆孔过盈配合，从而通过活塞杆5带动冲锤10动作。活塞杆5的上部则部分与活塞缸4间隙配合，部分与活塞缸4密封配合。

具体到本实施例中，活塞杆5为变径设置，顶部形成有第一台阶面12，图示第一台阶面12以上的大直径段与活塞缸4是活动连接及密封的，而第一台阶面12以下的小直径段与活塞缸4是间隙配合的，且间隙配合的位置与液体压力工作腔连通。因此，液体压力工作腔能够将液压力传递至第一台阶面12，使第一台阶面12、即活塞杆5受液体压力工作腔的液压力，当液压力大于弹性力时推动活塞杆5上行。

可以理解的是，活塞杆5的顶部外壁与活塞缸4密封配合的方式，将活塞缸4分隔为上层的第一活塞腔与下层的第二活塞腔。显然，液体压力工作腔与第一活塞腔接通（第一活塞腔为液体压力工作腔的一部分）。活塞缸4还开设有活塞缸输出通道13，活塞缸输出通道13与第二活塞腔连通，同时活塞缸输出通道13与主缸体2开设的通孔接通，而使第二活塞腔与外界连通并保持恒压。

因此，活塞杆5受液体压力工作腔、即第一活塞腔的压力作用上行时，第二活塞腔对活塞杆5的压力不会发生变化，确保活塞杆5的顺利上行。

在本实施例中，砧子11也为变径设置，形成有第二台阶面14和第三台阶面15。同时，主缸体2内固定设置有卡接限位件16，卡接限位件16位于第二台阶面14与第三台阶面15之间，用于限制砧子11的位移范围，从而也对冲锤10等的位移范围进行限制。另外，卡接限位件16还设置有密封橡胶圈17，通过密封橡胶圈17与主缸体2底部形成密封，因而泄压腔内的液体不会从砧子11与主缸体2之间的间隙流出。

在本实施例中，活塞杆5的弹性力由弹簧提供，且设置两个弹簧对活塞杆5施加弹性力。其中，主缸体2内还设置第一弹簧座18以及第二弹簧座19，第一弹簧座18固定在活塞缸4的顶部，与活塞缸4通过定位销20定位且固定。第一弹簧座18中心具有安装柱，安装柱上套设第一弹簧21的顶部。第一弹簧21位于活塞缸4内，底部套设于活塞杆5顶部的凸台上，而使活塞杆5顶部与第一弹簧座18形成弹性连接。

第二弹簧座19直接固定在主缸体2内，且位于活塞缸4与冲锤10之间，其上表面被活塞缸4的下缘限位，下表面被主缸体2的内台阶结构限位而牢固。其中，第二弹簧座19开设有沉孔，活塞杆5从沉孔穿入，且套设有第二弹簧22。第二弹簧22的顶端位于沉孔的台阶处，底端与冲锤10相抵触，使活塞杆5的底部与第二弹簧座19同样形成弹性连接。

可以理解的是，本实施例中输入的液体压力大或小是与第一弹簧21和第二弹簧22产生的弹性力总值作对比，当液体压力大于弹性力总值时，活塞杆5上行，小于时活塞杆5下行。

本实施例中依靠双弹簧的设置，不仅可以提高碎岩钻进效率，而且可以延长弹簧的使用寿命，提升液动冲击器的使用寿命。

需要说明的是，前述的液体压力工作腔、泄压腔等均包括多个流道。具体到本实施例中，上接头1设置有位于中心的第一流体通道23，第一流体通道23的顶端为液体入口6。活塞缸4的外壁与主缸体2之间形成第二流体通道24，第二流体通道24的顶端与第一流体通道23依靠第一弹簧座18内部的流道连通。活塞杆5的顶部设置有第三流体通道25，第三流体通道25与第二流体通道24的底端依靠活塞杆5开设的活塞杆输入通道26连通，而第三流体通道25的顶端还设置堵头27，使第三流体通道25不连通活塞缸4的第二活塞腔。可以理解的是，第一流体通道23、第二流体通道24以及第三流体通道25为液体压力工作腔的一部分。

冲锤10的外壁与主缸体2之间形成有第四流体通道28，第三流体通道25的底端与第四流体通道28的顶端通过活塞杆5内部的活塞杆输出通道29连通，且第三流体通道25的底端设置球阀8。冲锤10的底部设置有第五流体通道30，砧子11的中心设置有第六流体通道31，下接头3的中心设置有第七流体通道32，第五流体通道30连通第四流体通道28的底端与第六流体通道31的顶端，第六流体通道31的底端连通第七流体通道32的顶端，第七流体通道32的底端为液体出口。可以理解的是，第四流体通道28至第七流体通道32为泄压腔的一部分。

采用本实施例提供的液动冲击器时，以钻井作业为例，有规律压力波动钻井液通过上接头1的第一流体通道23输入本装置内部，输入的钻井液压力比较大时，液体压力工作腔中的钻井液冲击力作用在第一台阶面12上，钻井液产生的冲击力迫使活塞杆5和冲锤10等压缩第一弹簧21和第二弹簧22向上移动，此时第三流体通道25中的钻井液由于球阀8的存在无法排出。此后，通过上接头1输入的钻井液压力变得比较小，第一弹簧21、第二弹簧22弹性力大于钻井液冲击力，活塞杆5和冲锤10共同下行，冲击能量通过砧子11传递给钻头。在活塞杆5下行的过程中，球阀8由于惯性，行程落后于活塞杆5，第三流体通道25与第四流体通道28得以连通，第三流体通道25中的钻井液依次通过第四流体通道28至第七流体通道32，最终从液体出口7排出。活塞杆5和冲锤10下行结束，球阀8随之关闭，通过上接头1输入的钻井液又转变为压力较大的状态，进行第二次循环。

另外值得强调的是，本实施例提供的液动冲击器还具有除常规钻进之外的功能，如当使用既满足钻进需求又满足注浆需要的液体时，本发明可用于钻进注浆一体化。

本实施例提供的液动冲击器结构总体坚固可靠，可采用全金属加工制造，也可使用3D打印等增材制造方式进行关键结构件加工。该装置输出流体的压力和流量按一定规律不断变化，使得孔底流场条件得到改善，漫流的作用得以充分发挥，从而克服了岩屑的压持效应，提高了碎岩效率，提高了机械钻速。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种脉冲压力驱动液动冲击器，包括上接头、主缸体、下接头组成的外缸结构，以及冲击组件，其特征在于，所述主缸体内设置活塞缸以及活塞杆，所述活塞杆与所述冲击组件连接，所述活塞杆与所述活塞缸弹性活动连接，还包括液体压力工作腔，所述活塞杆与所述液体压力工作腔连通，所述上接头的液体入口压力流量波动，所述液体压力工作腔与所述上接头的液体入口连通，以通过所述液体入口输入的压力变化驱动所述活塞杆移动，还包括与所述液体压力工作腔连通的泄压腔，所述泄压腔与所述下接头的液体出口连通，所述泄压腔设置有阀门，所述阀门用于自动控制所述泄压腔开闭；

所述阀门为球阀，在所述活塞杆下行的过程中，所述球阀在惯性作用下行程落后于所述活塞杆，使所述泄压腔开启；

所述活塞杆的顶部外壁与所述活塞缸密封配合，将所述活塞缸分隔为第一活塞腔与第二活塞腔，所述液体压力工作腔与所述第一活塞腔接通，所述活塞缸还开设有活塞缸输出通道，所述活塞缸输出通道与所述第二活塞腔连通，同时所述活塞缸输出通道与所述主缸体开设的通孔接通，而使所述第二活塞腔保持恒压；

所述主缸体的上部与所述上接头螺纹连接，所述主缸体的下部与连接套螺纹连接，所述冲击组件包括冲锤和砧子，所述砧子的底部与所述下接头螺纹连接，同时所述砧子的底部位于所述连接套内部，与所述连接套间隙配合；

所述上接头设置有第一流体通道，所述第一流体通道的顶端为所述液体入口，所述活塞缸的外壁与所述主缸体之间形成第二流体通道，所述第二流体通道的顶端与所述第一流体通道连通，所述活塞杆的顶部设置有第三流体通道，所述第三流体通道与所述第二流体通道的底端连通，所述冲锤的外壁与所述主缸体之间形成有第四流体通道，所述第三流体通道的底端与所述第四流体通道的顶端连通，且所述第三流体通道的底端设置所述阀门，所述冲锤的底部设置有第五流体通道，所述砧子设置有第六流体通道，所述下接头设置有第七流体通道，所述第五流体通道连通所述第四流体通道的底端与所述第六流体通道的顶端，所述第六流体通道的底端连通所述第七流体通道的顶端，所述第七流体通道的底端为所述液体出口；

所述第一流体通道、所述第二流体通道以及所述第三流体通道为所述液体压力工作腔的一部分；所述第四流体通道至所述第七流体通道为所述泄压腔的一部分。

2.根据权利要求1所述的一种脉冲压力驱动液动冲击器，其特征在于，所述冲锤的顶端与所述活塞杆的底端固定连接。

3.根据权利要求1所述的一种脉冲压力驱动液动冲击器，其特征在于，所述活塞杆为变径设置，形成有第一台阶面，所述第一台阶面与所述液体压力工作腔连通，所述第一台阶面用于承载所述液体压力工作腔的压力并驱动所述活塞杆移动。

4.根据权利要求1所述的一种脉冲压力驱动液动冲击器，其特征在于，所述砧子为变径设置，形成有第二台阶面和第三台阶面，所述主缸体内固定设置有卡接限位件，所述卡接限位件位于所述第二台阶面与所述第三台阶面之间，用于限制所述砧子的位移范围。

5.根据权利要求1所述的一种脉冲压力驱动液动冲击器，其特征在于，所述主缸体内设置有第一弹簧座以及第二弹簧座，所述第一弹簧座固定在所述活塞缸的顶部，所述第一弹簧座连接有第一弹簧，所述第一弹簧同时与所述活塞杆的顶部连接，所述第二弹簧座固定在所述主缸体内，且位于所述活塞缸与所述冲锤之间，所述第二弹簧座连接有第二弹簧，所述第二弹簧同时与所述冲锤连接。

6.根据权利要求5所述的一种脉冲压力驱动液动冲击器，其特征在于，所述第一弹簧的两端分别与所述第一弹簧座以及所述活塞杆的顶部套接，所述第二弹簧套设于所述活塞杆底部。

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