水井用快速节能潜孔锤的配气系统的制作方法

本发明涉及一种农业灌溉水井用气动潜孔钻具，尤其是涉及大口径水井用快速节能气动潜孔锤的配气系统。

背景技术：

近年来，北方旱情不断加重，特别是山东地区，大孔径气动潜孔锤在水井上的应用越来越广泛，随着水位的不断下降，水井施工的深度越来越深，配套设备空压机的压力参数也不断提高，高达30Bar/35m³/min。目前，公知的水井用气动潜孔锤大都有这样的问题：其一，潜孔锤活塞与内缸配合面过长，因工作过程定位精度走失，易发生该配合面研伤断裂的问题；其二，因公知潜孔锤配气系统先天不足，结构不够优化，气动潜孔锤工作压力低，一般在19Bar,空压机转速居高不下，耗气量大，用户的使用经济效益差；其三，随着水井施工孔径的不断变大，所用钻头直径加大后钻头重量增加，根据冲击理论等镜面传递原理，公知的潜孔锤活塞重量轻，冲锤工作过程能量损耗大，单次冲击功小，破岩能力差；其四，公知气动潜孔锤因结构限制，工作频率低，对于大孔径水井施工来说，总凿岩效率低，能耗高；最后，根据流体力学相关理论分析看，气动潜孔锤某些机构设计不合理，压力损失大，节能效果差。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是针对上述问题提供一种可有效避免潜孔锤活塞与内缸配合面研伤断裂的问题；结构合理，气动潜孔锤工作压力高，耗气量小；单次冲击力大，破岩能力高；工作频率高，工作效率高，能耗低；压力损

失小，节能效果好的水井用快速节能潜孔锤的配气系统。

为了解决上述问题，本发明创造采用以下技术方案：一种水井用快速节能潜孔锤的配气系统，包括外管、内缸、导向套、配气座及活塞，内缸的外表面与外管的内表面配合形成配气系统总进气通道；

活塞、外管及导向套配合形成前气室；

活塞的外表面与外套的内表面配合形成通向前气室的前气室进气道；

活塞、内缸及配气座配合形成后气室。

以下是本发明的进一步改进：

所述内缸上开设有后气室进气槽，后气室与前气室进气道之间通过后气室进气槽连通，活塞在内缸内滑动可实现后气室进气槽的密封与开启。

进一步改进：

活塞在外管内滑动可实现前气室进气道的密封与开启。

进一步改进：

内缸包括圆筒形的缸体，缸体内腔沿其轴线方向依次分为第一后气室、第一密封气室、第二后气室及第二密封气室。

进一步改进：

第一后气室与第二后气室的直径一致，第一密封气室与第二密封气室的直径一致；

第一后气室的直径大于第一密封气室的直径。

进一步改进：

前后气室进气槽为长槽型孔。

进一步改进：

活塞的外表面上具有与内缸的内表面配合的第一配合面。

进一步改进：

活塞的外表面上还具有与外管的内表面配合的第二配合面及第三配合面；

活塞的外表面上位于第一配合面与第二配合面之间的位置设有环形槽。

进一步改进：

第一配合面的前端开设有5个均布的大圆弧进气槽，大圆弧进气槽为圆弧型；

第二配合面的前端设有8个圆弧型圆弧过气槽，圆弧过气槽的出气端用大圆弧平滑过渡；

第三配合面的上设有5个均布的第二大圆弧进气槽。

进一步改进：

活塞的重量优选为44.4Kg, 活塞长径比3.27。

进一步改进：

第一后气室和第二后气室封气过程分为段，被封闭的气体为高压气体P和常压气体P0；

第1段，当活塞运动至其结构行程L大于等于0.468Lmm，且小于等于0.757Lmm时，第一后气室和第二后气室压缩常压气体P0；

第2段，当活塞结构行程L大于等于0.313Lmm时，且小于0.468Lmm时，高压气体P开始进入后气室，活塞压缩高压气体P和常压气体P0，为活塞冲程储备能量；

当结构行程L小于0.313Lmm时，后气室气体压缩膨胀能达到最大，同时前气室高压气体P释放完毕，变为常压区，活塞在后气室高压的推动下开始向前冲击，完成了活塞的一个冲程运动。

本发明采用上述技术方案具有以下技术效果：

1、可完全避免潜孔锤活塞与内缸配合面研伤断裂的问题；

2、结构合理，气动潜孔锤工作压力高，耗气量小，节能30%；

3、单次冲击力大，破岩能力高；

4、工作频率高，工作效率高，能耗低，凿速提高20%～35%。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

附图说明

附图1为本发明的结构示意图；

附图2为本发明中内缸的结构示意图；

附图3为本发明中活塞的结构示意图；

附图4为本发明中活塞A-A剖视图；

附图5为本发明中活塞B-B剖视图；

附图6为本发明中活塞C-C剖视图；

附图7为本发明中活塞D-D剖视图。

图中： 1-配气座；2-内缸；3-外管；4-活塞；5-导向套；6-第一后气室；7-第一密封气室；8-第二密封气室；9-前后气室进气槽；10-圆弧槽收尾圆弧；11-大圆弧进气槽；12-圆弧过气槽；13-第二大圆弧进气槽；14-前气室；15-第二后气室；16-活塞常压气体封气点；17-配气座常压气体封气点；18-活塞高压气体封气点；19-内缸高压气体封气点；20-第一配合面；21-环形槽；22-配气系统总进气通道；23-前气室进气道；24-配气座杆；25-第二配合面；26-第三配合面；L-活塞结构行程。

具体实施方式

实施例，如图1-7所示，水井用快速节能潜孔锤的配气系统，包括圆筒形的外管3，外管3内套装有圆筒形的内缸2。

内缸2的外表面与外管3的内表面配合形成配气系统总进气通道22。

所述外管3内滑动连接有活塞4，活塞4的一端滑动连接在内缸2内，活塞4的另一端套装有导向套5，导向套5固定连接在外管3内，活塞4与导向套5滑动连接。

活塞4、外管3及导向套5的配合形成前气室14。

活塞4的外表面与外套3的内表面配合形成通向前气室14的前气室进气道23。

如图2所示，所述内缸2包括圆筒形的缸体，缸体内腔沿其轴线方向依次分为第一后气室6、第一密封气室7、第二后气室15及第二密封气室8。

第一后气室6与第二后气室15的直径一致，第一密封气室7与第二密封气室8的直径一致。

第一后气室6的直径大于第一密封气室7的直径。

内缸2内靠近第一后气室6的一端设有配气座1并通过配气座1密封。

内缸2上靠近第二密封气室8的一端的外壁上开设有前后气室进气槽9，后气室进气槽9贯穿内缸2。

前后气室进气槽9为长槽型孔，作为潜孔锤正常工作进气孔和强吹孔。

配气座1上固定连接有配气座杆24，配气座杆24与内缸2同轴设置。

所述配气系统总进气通道22与内缸2的内腔之间通过前后气室进气槽9连通。

活塞4具有中心孔，活塞4的中心孔的轴线与配气座杆24的轴线重合，配气座杆24可深入到活塞4的中心孔内。

活塞4的外表面上具有与内缸2的内表面配合的第一配合面20。

活塞4的外表面上还具有与外管3的内表面配合的第二配合面25及第三配合面26。

活塞4的外表面上位于第一配合面20与第二配合面25之间的位置设有环形槽21，环形槽21的设计缩短了活塞4与内缸2的第一配合面20的长度。

第一配合面20的前端开设有5个均布的大圆弧进气槽11，大圆弧进气槽11为圆弧型，圆弧半径500毫米。

第二配合面25的前端设有8个圆弧型圆弧过气槽12，圆弧过气槽12的出气端用大圆弧10平滑过渡，减小空气阻力。

第三配合面26的上设有5个均布的第二大圆弧进气槽13，第二大圆弧进气槽的圆弧半径500毫米。

活塞4的重量优选为44.4Kg, 活塞4长径比3.27，提高活塞与钻头打击能量的传递效率。

高压气体通过配气系统总进气通道22和前气室进气道23，进入到前气室14，推动活塞4向第一后气室6和第二后气室15运动。

第一后气室6和第二后气室15封气过程分为2段，被封闭的气体为高压气体P和常压气体P0。

第1段，当活塞4运动至其结构行程L大于等于0.468Lmm，且小于等于0.757Lmm时，第一后气室6和第二后气室15压缩常压气体PO；第2段，当活塞4结构行程L大于等于0.313Lmm时，且小于0.468Lmm时，高压气体P开始进入后气室，活塞4压缩高压气体P和常压气体PO，为活塞4冲程储备能量；当结构行程L小于0.313Lmm时的某一位置（根据供气系统压力的大小，位置不确定），后气室气体压缩膨胀能达到最大，同时前气室14高压气体P释放完毕，变为常压区，活塞4在后气室高压的推动下开始向前冲击，完成了活塞4的一个冲程运动。

另外，结合配气系统的结构行程L0，应用计算机仿真设计软件MATLAB，对活塞受力分析，建立活塞运动微分方程

通过仿真计算，选择优化活塞4的重量为44.4Kg, 活塞4长径比3.27，使活塞获得的最优的冲击频率和冲击功，提高活塞与钻头打击能量的传递效率，和冲击器总的施工效率，降低能耗，节约成本。

经过试验，应用本发明配气系统的的高风压潜孔潜孔锤与普通潜孔锤相比，凿岩速度可提高20%～35%左右，单位功率耗气量相对可节省30%，具有良好的经济效益和社会效益。