专利名称：气动无阀冲击器的制作方法
技术领域：
本实用新型公开了一种气动无阀冲击器，属于潜孔钻具技术领域。
目前使用的潜孔冲击器按结构分为有阀冲击器和无阀冲击器两类，按工作气压分为高压冲击器和低压冲击器两类。低压冲击器一般采用有阀结构，这种冲击器中的活塞往复运动是依靠阀门换向来实现的，阀门控制气体流向活塞的前端或后端，使活塞往复运动，这种低压冲击器的结构复杂，阀件不耐高压，工作效率低，易损坏，并且冲击能量较小。高压冲击器一般采用无阀结构，其活塞是单头活塞，活塞向前运动时，活塞前室预先压缩气体，贮存恢复力，在活塞打击完钎杆后，利用这种压缩气体的恢复力，使活塞恢复到起始位置，从而使活塞实现往复运动。这种高压冲击器的结构简单，不易损坏，冲击能量较高。但是由于要在前室压缩气体，以使活塞能向后恢复到起始位置，因而降低了冲击器的打击能量，降低了工作效率，另外，在活塞向前运动时，气源要提供充足的高压气体才能使活塞达到要求的运动速度，因而这种冲击器消耗的气量大，需要配置大流量高压气源。
本实用新型的目的是提供一种气动无阀冲击器，结构简单，能使用从低压到高压的气体工作，工作效率高，不易损坏。
本实用新型所设计的气动无阀冲击器，由外套管、气缸套、阀座、导向套和活塞组成，外套管的内壁上开有前室导气环槽和后室导气环槽；气缸套安装在外套管的后室导气环槽处，并遮盖后室导气环槽，气缸套后端的套壁上有径向通孔，径向通孔与后室导气环槽相通，在气缸套前端的外圆面上带有轴向小平面，轴向小平面上有径向通孔，轴向小平面使外套管上的后室导气环槽与气缸套的前端面连通，在气缸套的内孔中部的套壁上带有轴向导气凹槽；阀座安装在气缸套的后面，阀座前端带有环槽，环槽与气缸套后端的径向通孔相对，阀座的后端面上带有轴向通孔，轴向通孔与环槽连通，阀座前端带有芯杆，阀座中心带有中心通孔；活塞由小活塞、大活塞和打击杆串联组成一体，小活塞在活塞的后端，小活塞与气缸套配合，大活塞在活塞的中间，大活塞与外套管配合，大活塞前端面大于大活塞后端面积，打击杆在活塞的前端，活塞中间有中心通孔，中心通孔的后端与阀座的芯杆配合；导向套安装在外套管的前室导气环槽之前，活塞前端的打击杆与导向套配合。
在导向套的后端面上有轴向通孔，在导向套的套壁上有径向通孔，轴向通孔与径向通孔连通。
所述的小活塞后端面积、大活塞后端面积与大活塞前端面积之比为2～3∶1∶1.6～2.4。
所述的大活塞的直径与活塞的总长度之比为1∶5～7。
本实用新型所设计的气动无阀冲击器(以下简称冲击器)具有下列优点1.活塞后室分为两部分，并分别配气，使活塞的配气过程更符合活塞的运动要求，使冲击器在工作中耗气量小，冲击功大，工作效率高，同时也提高了冲击器的工作频率，并使工作频率随岩石硬度不同而能自动调整，以适应不同岩石的钻进要求。活塞运动所获得的速度与气源的两个重要参数有关，即压力P和流量Q。活塞启动时，需要有较大的推力推动活塞启动加速，这时压力P起主要作用，活塞运动所需的流量Q不大；随着活塞运动速度逐渐加大，活塞运动所需的气体流量Q也逐渐加大，这时能否向活塞提供充足的流量Q成为提高活塞运动速度的关键因素。目前的冲击器的活塞是采用单后室结构，为满足活塞的运动要求，气源就必须提供充足的流量Q，充满活塞的全部后室，因而冲击器消耗的气量较大；假若气源不能提供充足的流量Q，就会限制活塞的运动速度，减少冲击器的冲击功。本实用新型所设计的气动无阀冲击器采用双活塞、双后室结构，由小活塞与气缸套构成第一后室，由大活塞与外套管构成第二后室。在活塞启动时，两个后室同时充气，气体压力P作用在两个活塞上，产生较大的推力，使活塞能迅速启动；当活塞运动达到一定速度后，停止向第一后室供气，气源只向第二后室供气，这时，活塞所需气体流量Q减小，在气源供气流量不变的情况下，就可以使活塞获得更快的运动速度，提高冲击器的冲击功。同时在第一后室中的压缩气体膨胀作功，充分利用压缩气体的能量。因此，本实用新型所设计的冲击器的双活塞、双后室结构，可以使冲击器的活塞在不同运动阶段，得到不同的配气，充分利用气体能量，提高活塞的运动速度，使冲击器消耗的气量小，冲击功大，提高工作效率。
由于活塞的运动速度较高，在活塞行程一定的条件下，就提高了冲击器的工作频率，使冲击器的凿岩效果更好。当在不同岩石硬度下工作时，冲击器中的活塞的运动行程不同，冲击器的工作频率也不同。岩石较硬时，活塞每次打击钎杆，钎杆钻进的深度较小，活塞的行程较短，活塞的工作频率就高；当岩石较软时，钎杆每次钻进的深度较大，活塞的行程较长，活塞的工作频率就低，因此随岩石的硬度不同，冲击器可以自动调整工作频率，能适应不同的岩石钻进要求。
2.能使用从低压到高压的气体工作，适应性好，在各种压力下，都能充分做功，有较高的工作效率。以往的无阀结构冲击器设计为了达到足够的活塞运动速度而避免受流量不足的影响，活塞后端面积设计得相对小，活塞前端面积相对大，活塞制动距离短、制动快，活塞惯性作功不充分，不适于用低压气源驱动，低压工作效率很低。因为在无阀结构的冲击器中，活塞能量分为两部分传递，一部分能量传递给钎杆，另一部分能量压缩活塞前室气体在返程时膨胀作功。又因为无论用高压气源或低压气源，活塞前室压缩气体获得的能量相对变化较小(因为压缩量不变)，因而在低压时，活塞前室压缩气体分得的能量相对比例增加，钎杆分得的能量相对减少，因而无阀结构冲击器的低压工作效率低。本实用新型所设计的冲击器采用双活塞、双后室结构，大活塞前端的面积只比大活塞后端面积大，大活塞前端面积大大小于大活塞和小活塞后端总面积，因而在活塞冲程中，产生的阻力小。当冲击器在低压供气时，也能产生较大的推力，使活塞运动速度高，使冲击器能有效输出冲击功，使冲击器在低压气源下也能正常工作。由于活塞前端面积小，产生的阻力小，因而本实用新型所设计的冲击器在各种压力下工作效率都较高。
由于本实用新型所设计的冲击器采用双活塞、双后室结构，并采用分别配气的结构，使活塞在返程开始时，小活塞后端与大气连通，压力低，阻力小，大活塞的后端面小于大活塞前端面积，因而活塞前端面积虽然比较小，但也能产生足够的恢复力，使活塞返程。在返程达到一定速度时，小活塞与大气隔离，并开始压缩第一后室中的气体，前室与第二后室隔离，第一后室和第二后室与压力气源连通，给活塞产生制动力，使活塞依靠惯性能无冲击地返回到起始位置，并在小活塞的第一后室中贮存压缩气体，也就是贮存了一部分活塞的返程制动能量。在活塞冲程开始时，小活塞第一后室中的压缩气体膨胀作功，加速活塞启动，因而本实用新型所设计的冲击器能够充分利用气体的能量，在活塞冲程时，产生较大的冲击功，使冲击器在各种气压下都有较高的工作效率。
3.结构简单，制造工艺性好，使用寿命长。本实用新型所设计的冲击器所用的零件数量少，几何形状简单，制造工艺通用，容易加工、装配，因而制造成本低。大部分运动付和配气机构都是金属件，不易磨损和损坏，因而冲击器的使用寿命长。
4.在工作中，冲击器排出的废气通过钎杆进入孔底，帮助排渣，效果好，能源利用率高。
5.带有防空打结构，可防止活塞空打。当冲击器前端没有装钎杆时，大活塞前端面将越过外套管的前室导气环槽前端，与外套管配合，使前室不能得到压力气体，并与大气相通，并使活塞不能返程。
6.使用本实用新型所设计的冲击器钻进时，所需轴压较低，较小的钻机也可以使用这种冲击器。
图1是气动无阀冲击器的结构示意主视图。
图2～图5是
图1中活塞的不同位置图(局部放大)。
图6是图2的A-A剖视图(放大)。
图7是图2的B-B剖视图(放大)。
图8是图3的C-C剖视图(放大)。
以下结合附图和实施例对本实用新型作详细说明。
实施例气动无阀冲击器(简称冲击器)的结构示意图见
图1到图8所示，冲击器由外套管1、气缸套2、阀座3、导向套4和活塞5组成。外套管1的内壁上开有前室导气环槽6和后室导气环槽7。气缸套2安装在外套管1的后室导气环槽7处，气缸套2长度大于后室导气环槽7的长度，使气缸套2遮盖后室导气环槽7；气缸套2的后端套壁上有四个径向通孔8，径向通孔8与后室导气环槽7连通；在气缸套2的前端外圆面上带有四个轴向小平面9，在轴向小平面9上有径向通孔10，轴向小平面9使后室导气环槽7与气缸套2前端面连通；在气缸套2内孔壁上中部带有四条轴向导气凹槽11。阀座3安装在气缸套2的后面，阀座3的前端带有环槽12，环槽12与气缸套2后端的径向通孔8相对，在阀座3的后端面上带有10个轴向通孔13，轴向通孔13与环槽12连通；阀座3的前端带有芯杆14和端面凹槽15，阀座3的中心带有中心通孔16。活塞5由小活塞17、大活塞18和打击杆19串联而成，小活塞17与气缸套2配合，构成第一后室20，大活塞18与外套管1配合，构成第二后室21，大活塞18前端与外套管1配合，构成前室22，打击杆19与大活塞18前端相连，活塞5中心有中心通孔23。导向套4安装在外套管1的前室导气环槽6的前面，打击杆19与导向套4配合，在导向套4的后端面上有10个轴向通孔24，在导向套4的套壁上有10个径向通孔25，轴向通孔24与径向通孔25连通。在导向套4前装有钎杆26。在阀座3后面装有单向阀27，在单向阀27后装有接头28。在本实施例中，小活塞17后端面积、大活塞18后端面积与大活塞18前端面积之比为2.5∶1∶2，大活塞18直径与活塞5全长之比为1∶6。
冲击器的工作过程见图2到图5所示。图2表示活塞在起动位置，这时，压缩空气经过单向阀27进到阀座3的后端，压缩空气通过阀座3后端的轴向通孔13和阀座3前端的环槽12，再通过气缸套2后端的径向通孔8进入外套管1上的后室导气环槽7中，再通过气缸套2前端外圆上的轴向小平面9，压缩空气作用在大活塞18的后端面上，推动活塞5整体向前运动，开始活塞5的冲程运动。与此同时，贮存在第一后室20中的压缩空气膨胀作功，也推动活塞5向前运动。当小活塞17的后端到达并超过气缸套2内孔中部的轴向导气凹槽11的后端时，后室导气环槽7中的压缩空气通过径向通孔10、轴向导气凹槽11进入到小活塞17后端的第一后室20中，此时，小活塞17和大活塞18后端全都作用有压绾空气的压力，大活塞18前端的前室22通过导向套4与大气相通，因此活塞5受到最大的推力，最小的阻力，使活塞5迅速启动加速。
当活塞5达到一定速度后，小活塞17的前端到达并超过气缸套2内的轴向导气凹槽11的前端时，见图3所示，压缩空气不能向小活塞17后端的第一后室20供气，只能向大活塞18的后端第二后室21供气，这样就可以使用较小的气量来使活塞5获得更高的运动速度；此时第一后室20中的压缩空气膨胀作功，充分利用气体能量推动活塞5加速；此时，打击杆19进入导向套4中，并开始封闭导向套4上的径向通孔25，使活塞5的前室22中的空气开始逐渐压缩，为贮存恢复力作准备。在这一阶段中活塞5获得最高速度。
当大活塞18的后端到达并超过前室导气环槽6的后端时，见图4所示，压缩空气进入活塞前室22中，由于大活塞18的前端面积大于后端面积，活塞5开始制动。此时活塞5在惯性作用下，继续前进，并打击钎杆26，见图5所示。此时，小活塞17将径向通孔10封闭，关闭压缩空气，小活塞17的后端面通过活塞5的中心通孔23与大气相通，第一后室20中的废气排出，供钎杆26前端排屑用。
在活塞5打击钎杆26后，大部分能量传送给钎杆26，用于钻头凿岩，小部分能量使活塞5反弹。此时，在前室22中的压缩气体也使大活塞18在面积差的作用下向后运动，使活塞5开始返程。在返程启动时，小活塞17的后端面与大气相通，阻力很小，反弹力和压缩气体的恢复力使活塞5能迅速启动返回。见图5所示。
在活塞5上的中心通孔23与阀座3上的芯杆14结合后，第一后室20中的空气开始逐渐压缩，随着大活塞18后端回到并超过前室导气环槽6的后端，切断前室22与第二后室21的连通，使压缩空气不能进入前室22，活塞5失去反程推力，见图4所示，此时活塞5开始返程制动。
在小活塞17的前端回到并超过气缸套2中的轴向导气凹槽11前端时，见图3所示，压缩空气通过轴向导气凹槽11进入第一后室20，压缩空气作用在小活塞17的后端，活塞5进一步制动。此时活塞5上的打击杆19与导向套4上的径向的通孔25脱离，活塞前室22与大气连通，活塞前室22排气，废气供钎杆26前端排屑。
在小活塞17的后端回到并超过气缸套2中的轴向导气凹槽11的后端时，压缩空气不再向第一后室20供气，活塞5在惯向作用下，继续后退返程，并压缩第一后室20中的空气，使活塞5进一步制动，直到活塞5回到起始位置，如图2所示。第一后室20中的压缩空气为活塞的下一次冲程启动服务。
由上述冲击器的工作过程可以看出，活塞5在冲程时，分二次配气，第一次配气使活塞5在启动时得到的推力最大，在第二次配气时，可以使用较小的气量使活塞5获得最大的运动速度，因而在耗气量较小的情况下，可以获得较大的冲击功。在实验中，最低耗气量可达到4M3/分。在活塞5的冲程制动和返程制动中；都贮存部分压缩气体，使这部分贮存能量用在下一次运动的启动过程中；在第二次配气时，第一后室20中的压缩空气继续膨胀作功，这些措施最大限度地利用了气体的能量，降低了气源气体消耗，提高了冲击器的工作效率。另外，由于大活塞18的前端面积较小，产生的阻力小，并且在活塞5启动时，前室22处于与大气连通状态，阻力更小，因而冲击器可以在较低的气源压力下工作，实验中最低气源工作压力可达0.4MPa。此外，由于活塞、配气零件均由金属制做，不易损坏，耐高压，因此在试验中，最高气源工作压力可达2.46MPa。在实验中，冲击器的工作频率高，并可以随岩层岩石硬度变化，自动调节工作频率，在不规则岩石层(如破碎层或倾斜层)中，都可以很好地工作，提高钻孔工作效率。
阀座3中心的中心孔16可以始终分流一部分压缩空气到钎杆头部，进入钻孔底部，保持排渣用气。
权利要求1.一种气动无阀冲击器，其特征是由外套管、气缸套、阀座、导向套和活塞组成，外套管的内壁上开有前室导气环槽和后室导气环槽；气缸套安装在外套管的后室导气环槽处，并遮盖后室导气环槽，气缸套后端的套壁上有径向通孔，径向通孔与后室导气环槽相通，在气缸套前端的外圆面上带有轴向小平面，轴向小平面上有径向通孔，轴向小平面使外套管上的后室导气环槽与气缸套的前端面连通，在气缸套的内孔中部的套壁上带有轴向导气凹槽；阀座安装在气缸套的后面，阀座前端带有环槽，环槽与气缸套后端的径向通孔相对，阀座的后端面上带有轴向通孔，轴向通孔与环槽连通，阀座前端带有芯杆，阀座中心带有中心通孔；活塞由小活塞、大活塞和打击杆串联组成一体，小活塞在活塞的后端，小活塞与气缸套配合，大活塞在活塞的中间，大活塞与外套管配合，大活塞前端面大于大活塞后端面积，打击杆在活塞的前端，活塞中间有中心通孔，中心通孔的后端与阀座的芯杆配合；导向套安装在外套管的前室导气环槽之前，活塞前端的打击杆与导向套配合。
2.根据权利要求1所述的气动无阀冲击器，其特征还在于是在导向套的后端面上有轴向通孔，在导向套的套壁上有径向通孔，轴向通孔与径向通孔连通。
3.根据权利要求1所述的气动无阀冲击器，其特征还在于是小活塞后端面积、大活塞后端面积与大活塞前端面积之比为2～3∶1∶1.6～2.4。
4.根据权利要求1所述的气动无阀冲击器，其特征还在于是大活塞的直径与活塞的总长度之比为1∶5～7。
专利摘要本实用新型公开了一种气动无阀冲击器,属于潜孔钻具技术领域。冲击器由外套管、气缸套、阀座、导向套和活塞组成,活塞由小活塞、大活塞和打击杆串联组成一体,小活塞与气缸套配合构成第一后室,大活塞与外套管配合构成第二后室,两个后室分别配气,使冲击器在较小的耗气量的条件下,输出较大的冲击功,工作效率高,不易损坏,可以在从低压到高压的气源条件下使用。
文档编号E21B1/00GK2464920SQ0120094
公开日2001年12月12日 申请日期2001年1月10日 优先权日2001年1月10日
发明者苑占武, 傅春青, 董春, 杨寿生 申请人:苑占武