CN1678432A - 声波钻 - Google Patents

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Abstract

一种声波钻装置在气缸腔内具有工作活塞，通过交替将加压流体应用到在活塞上下的孔内以提供振动力，通过这种方式使活塞在上述孔内受迫往复运动。上述气缸腔包括：使加压流体进入工作活塞第一面之上的孔内的入口通道，以及使流体离开该工作活塞第二面之下的孔内的排放通道。还设置有减压旁路，以防止在工作活塞的往复运动过程中上述孔内产生过大的压力。

Description

声波钻
背景技术
声波钻是一种通过产生振动力并将产生的振动施加到芯轴上从而将芯轴或者管件驱动到地面中例如土质结构或半固体物质中的技术。这种振动力通常由大约200Hz的强正弦声波振动构成，这些振动被调谐到或接近于上述芯轴的共振频率。上述声波振动的作用就是在该芯轴上述施加负载时，可以使上述芯轴附近的土壤部分立即流态化。这种声波振动有利于使上述芯轴进入土质结构中。环绕上述芯轴的土壤并不成为共振系统的一部分，而是土壤的颗粒彼此相对随意振动，这种流态化开始时有利于上述芯轴通过土质结构，并最终在振动结束后使芯轴周围的土壤更加紧凑。
共振声波钻通常由包括振动器形式的钻头构成，这种振动器可以生成传递到芯轴上的纵向正弦压力波，该芯轴在自由端具有钻头或类似工具。众所周知，有很多机构可以将这种压力波作用到芯轴上，美国专利5,417,290(Barrow)公开了其中的一种。该专利描述了一种声波振动头，其包括一对在该声波振动头的轨圈内在相反旋转方向以高速回转的偏心辊。该声波振动头被固定到一个芯轴的顶部，产生的能脉冲从而被传递到上述芯轴上。
美国专利3,375,884(Bodine)；3,379,263(Bodine)；4,836,299(Bodine)；4,527,637(Bodine)；5,549,170(Barrow)；5,562,169(Barrow)和WO01/83933(Bar-Cohen)中还公开了产生声波能量并将其应用于芯轴上的其他方法。
所有上述这些装置都利用逆向旋转的辊等机械机构来产生正弦压力波，所以可能因摩擦问题而导致不希望发生的停机，从而会将高机械载荷施加到组件上。
WO01/83933中公开了另一种产生正弦压力波的方式。这种方式包括利用压电堆栈作为致动器来产生振动。
发明内容
因此，本发明的目的就是提供一种改进装置，利用直接作用在气缸内活塞上的高压流体产生正弦压力波。
在本发明的一个实施例中，上述装置包括：
气缸，包括具有孔、入口通道和排放通道的腔，
工作活塞，可在上述腔的孔内进行往复运动，并具有径向壁，在活塞在该腔内往复运动过程中，该壁能够密封上述腔的孔壁，
上述工作活塞在该活塞一端具有第一承接部，而在该活塞第二端具有第二承接部，
一种机构，可交替地将加压流体从上述入口通道内导通到上述气缸在工作活塞的第一承接部之上的孔内、且从在该活塞的第二承接部之下的孔排放到上述排放通道内、以在上述孔内移动上述工作活塞，
将加压流体从上述入口通道导通到上述气缸在该工作活塞的第二承接部之下的孔内、且从在该活塞的第一承接部之上的孔排放到上述排放通道内、以在上述孔内往复移动上述工作活塞，
以及活塞杆，其和工作活塞相连且可将活塞往复动作所产生的力传递给芯轴。
最好是，每一个活塞的入口通道均具有入口，使加压流体可以进入上述通道，上述入口通道经由一个终止在该孔壁表面上的端口，和气缸的孔相连通。
最好是，上述腔包括减压孔，具有朝向上述气缸在工作活塞第一径向面之上的孔而打开的第一端，还具有朝向上述气缸在工作活塞第二径向面之下的孔而打开的第二端，上述减压孔包括往复的减压活塞，该减压活塞的运动可由流体从上述气缸腔进出上述减压孔的运动所确定。
最好是，上述装置包括：
设置在上述腔内的减压孔，
设置在减压孔内的减压活塞，该活塞可在上述该减压孔内进行往复运动，并在往复运动过程中密封上述减压孔壁，
第一减压旁路，在工作活塞的一端和上述气缸的孔部相连通，在该减压活塞的一端和上述减压孔相连通，
第二减压旁路，在工作活塞的第二端和上述气缸的孔部相连通，在该减压活塞的第二端和上述减压孔相连通，
上述结构和配置可以如下设置，当工作活塞在气缸孔内沿一个方向移动时，在气缸第一端处的孔内的流体就会受作用经由上述第一减压旁路进入上述减压孔的第一端，从而在该减压活塞内移动上述减压活塞，以加压上述减压孔的第二端内的流体，并将流体经由该第二减压旁路移动进入到上述气缸孔的第二端。
最好是，每一入口通道均环绕上述腔壁延伸360。。
最好是，上述工作活塞的本体包括第一传递通道，其在工作活塞往复运动预定时间的过程中，纵向经过该本体并经由上述工作活塞的径向壁和上述入口通道相连通，还可经由上述工作活塞的第一径向面和气缸孔相连通。
最好是，上述工作活塞的本体包括第二传递通道，其在工作活塞往复运动预定时间的过程中，纵向经过该本体并经由上述工作活塞的径向壁和上述入口通道相连通，还可经由上述工作活塞的第二径向面和气缸孔相连通。
最好是，上述腔包括两个排放通道，
上述第一排放通道在上述工作活塞的第一径向面之上和上述气缸腔相连通，
上述第二排放通道在上述工作活塞的第二径向面之下和上述气缸孔相连通，
上述第一、第二排放通道均包括出口，以导通通道内的流体离开上述气缸孔。
最好是，在上述工作活塞径向壁内的上述第一传递通道的开口位置纵向偏离该工作活塞径向壁内第二传递通道的开口位置。
最好是，上述气缸由钻机支撑，上述工作活塞包括和芯轴相连的活塞杆。
最好是，上述气缸腔形成包括压载重的钻头的一部分。
附图简述
下面借助于附图，来叙述本发明的优选实施例，其中：
图1是部分剖视了本发明声波钻基本结构的简图；
图2是气缸内活塞的简要剖图，活塞处于中间位置；
图3是类似于图2的简图，但示出在第一方向冲程开始时的活塞；
图4是类似于图2的简图，但示出在第二方向冲程开始时的活塞。
本发明优选实施例的详述
如图1简要所示，本发明中的装置包括设置在地面2之上的钻头1，其由钻机(图中未示出)以本领域技术人员所熟知的方式支承。该钻头包括设置在压载重4上的气缸腔3。在该气缸腔3的内部，工作活塞5纵向往复运动，且和活塞杆6相连，该活塞杆可在上述压载重4内的衬套4a中在第一端6a处被导引。在上述衬套4a内可设置适合的流体密封8，以保证在气缸腔3内部和周围环境之间能够进行充分的密封。上述活塞杆6的第二端6a穿过气缸腔3的端板10上设置的密封件9，使活塞5以下的腔内部和外界相隔开，而得以密封。如本领域所熟知的，该活塞杆可为中空，以便于内部采样。
在图1所示的实施例中，上述活塞杆6承载在芯轴11或钻杆组(drill string)上或者形成为其一部分，如图所示，部分嵌入在地面2内。还可以设置对本领域的技术人员来说显而易见的装置(图中未示出)，用于旋转上述钻杆组或者芯轴，来保证上述钻杆组等上的拧紧接头保持为一体，而且还便于拆卸上述钻杆组以及在操作过程中控制导引上述钻杆组。
尤其如图2、3和4清楚所示，上述气缸腔3包括入口通道12，该通道具有可以连接到高压流体源的入口13。该气缸腔还包括具有出口15的第一排放通道14和具有出口17的第二排放通道16。
上述工作活塞5包括第一传递通道20，该通道可在活塞5的轴向面上和开口21相连通，且在该工作活塞的承接部(land)23的22处纵向穿过该活塞。如上所述，该开口21偏离上述活塞的纵向中心。该活塞还包括第二传递通道25，其一端在活塞的轴向壁内经由端口30在26处打开，而另一端在活塞的承接部28内在27处打开。在上述第一传递通道20内，上述第二传递通道25的开口26偏离上述活塞的纵向中心，距离等于开口21偏离活塞纵向中心的距离，但方向相反。
上述装置还包括流体旁路，该旁路在优选实施例中包括在气缸内纵向形成的孔36，该孔可经由管道37和可在活塞5上下的气缸腔38相联通。往复旁路活塞40可在该孔36内自由纵向运动，在该活塞40的任一端均设置有合适的流体密封41，以防止流体经由上述密封。
在操作中，加压流体被导入到上述端口13内，进入入口通道12内，该通道最好是环绕上述气缸壁延伸360。。当活塞处于图3所示的位置时，上述加压流体就会如箭头所示，进入上述第一传递通道中，并经由活塞的轴向面内的开口22进入到上述腔38内。在该位置，上述排放到通道17的端口关闭，而排放到通道14的端口打开，因而在活塞之上的上述腔内部就朝向通道14打开。应该注意的是，上述腔38总是在活塞之上或之下，保持朝向管道37打开，从而朝向孔36打开。
上述加压流体作用在活塞的承接部23上，从而会使活塞在箭头A-A的方向上移动(参考图3)。上述活塞的运动随后会加快关闭第一传递通道20朝向入口通道12的打开，并会加快关闭上述气缸腔38朝向排放通道14的打开。当该活塞达到第一传递通道20朝向入口通道12的开口21关闭且朝向排放通道14的上述腔38也关闭的阶段时，上述腔内在活塞之上的流体就会流入上述管道37和孔36内。因此压力就会作用在上述箭头方向移动的旁路活塞40的端面上。这就减小了上述腔38内的压力，防止在腔38内的活塞之上产生过大的压力，从而使工作活塞5完成冲程动作。
当该工作活塞在图3内的箭头A-A的方向上运动时，第二传递通道25的开口26开始与入口通道12对齐，加压流体就会流进上述第二传递通道25，并流出上述活塞承接部28内的开口27，流进活塞之上的腔38。活塞将继续向上运动，直到活塞到达图4所示的活塞为止，在此阶段，经由第二传递通道25内开口27而进入上述气缸腔38的加压流体开始将活塞压回，进入操作的第二次循环中。
只要在入口通道内具有加压流体且该流体能够从排放通道14、16中排出，图3和4所示活塞的向后和向前运动就能够和上述钻杆组的共振弹簧质量系统自动地相结合。当然，可以理解上述入口通道和排放通道都优选为可和一个由合适泵产生所需流体压力的回路相连。
因此根据零件的相对体积和流体压力，利用活塞的往复速度可以产生相当大的往复作用力，该往复速度不仅取决于流体压力，还取决于移动设置的相对定时，以及芯轴/钻杆组的共振频率。
还可以理解，流体形式可优选为液压油或者类似油，但还可以为气体或者油脂，由已知压力生成系统在合适的压力下适量提供。例如，一种这样的压力生成系统可以是内燃机。
尽管已经描述本发明的优选实施例，但对本领域技术人员显而易见的是，对上述特定优选实施例的各种修改和替换都是可以的，且这些修改和替换同本发明的基本理念相一致。所有这些修改和替换均落入本发明的范围内。

Claims (11)

1、一种产生正弦压力波以用于芯轴的装置，上述装置包括：
气缸，包括具有孔、入口通道和排放通道的腔；
工作活塞，可在上述腔的孔内进行往复运动，并具有径向壁，在活塞在该腔内往复运动过程中，该壁能够密封上述腔的孔壁；
上述工作活塞在该活塞一端具有第一承接部，而在该活塞第二端具有第二承接部；
一种机构，可交替地将加压流体从上述入口通道内导通到上述气缸在工作活塞的第一承接部之上的孔内、且从在该活塞的第二承接部之下的孔排放到上述排放通道内、以在上述孔内移动上述工作活塞，
将加压流体从上述入口通道导通到上述气缸在该工作活塞的第二承接部之下的孔内、且从在该活塞的第一承接部之上的孔排放到上述排放通道内、以在上述孔内往复移动上述工作活塞；
以及活塞杆，和工作活塞相连且可将活塞往复动作所产生的力传递给芯轴。
2、如权利要求1所述的产生正弦压力波以用于芯轴的装置，其特征在于，每一个活塞的入口通道均具有入口，使加压流体可以进入上述通道，上述入口通道经由一个终止在该孔壁表面上的端口，和气缸的孔相连通。
3、如权利要求1所述的产生正弦压力波以用于芯轴的装置，其特征在于，上述腔包括减压孔，具有朝向上述气缸在工作活塞第一径向面之上的孔而打开的第一端，还具有朝向上述气缸在工作活塞第二径向面之下的孔而打开的第二端，上述减压孔包括往复的减压活塞，该减压活塞的运动可由流体从上述气缸腔进出上述减压孔的运动所确定。
4、如权利要求3所述的产生正弦压力波以用于芯轴的装置，其特征在于，包括：
设置在上述腔内的减压孔，
设置在减压孔内的减压活塞，该活塞可在上述该减压孔内进行往复运动，并在往复运动过程中密封上述减压孔壁，
第一减压旁路，在工作活塞的一端和上述气缸的孔部相连通，在该减压活塞的一端和上述减压孔相连通，
第二减压旁路，在工作活塞的第二端和上述气缸的孔部相连通，在该减压活塞的第二端和上述减压孔相连通，
上述结构和配置可以如下设置，当工作活塞在气缸孔内沿一个方向移动时，在气缸第一端处的孔内的流体就会受作用经由上述第一减压旁路进入上述减压孔的第一端，从而在该减压活塞内移动上述减压活塞，以加压上述减压孔的第二端内的流体，并将流体经由该第二减压旁路移动进入到上述气缸孔的第二端。
5、如权利要求1所述的产生正弦压力波以用于芯轴的装置，其特征在于，每一入口通道均环绕上述腔壁延伸360。。
6、如权利要求1所述的产生正弦压力波以用于芯轴的装置，其特征在于，上述工作活塞的本体包括第一传递通道，其在工作活塞往复运动预定时间的过程中，纵向经过该本体并经由上述工作活塞的径向壁和上述入口通道相连通，还可经由上述工作活塞的第一径向面和气缸孔相连通。
7、如权利要求1所述的产生正弦压力波以用于芯轴的装置，其特征在于，上述工作活塞的本体包括第二传递通道，其在工作活塞往复运动预定时间的过程中，纵向经过该本体并经由上述工作活塞的径向壁和上述入口通道相连通，还可经由上述工作活塞的第二径向面和气缸孔相连通。
8、如权利要求1所述的产生正弦压力波以用于芯轴的装置，其特征在于，上述腔包括两个排放通道，
上述第一排放通道在上述工作活塞的第一径向面之上和上述气缸腔相连通，
上述第二排放通道在上述工作活塞的第二径向面之下和上述气缸孔相连通，
上述第一、第二排放通道均包括出口，以导通通道内的流体离开上述气缸孔。
9、如权利要求1所述的产生正弦压力波以用于芯轴的装置，其特征在于，在上述工作活塞径向壁内的上述第一传递通道的开口位置纵向偏离该工作活塞径向壁内第二传递通道的开口位置。
10、如权利要求1所述的产生正弦压力波以用于芯轴的装置，其特征在于，上述气缸由钻机支撑，上述工作活塞包括和芯轴相连的活塞杆。
11、如权利要求1所述的产生正弦压力波以用于芯轴的装置，其特征在于，上述气缸腔可形成包括有压载重的钻头的一部分。
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