超前导向式潜孔锤组合钻具的制作方法

本实用新型属于建筑施工机械领域，具体是一种岩土工程、地基或基础工程专用的超前导向式潜孔锤组合钻具。

背景技术：

现有的潜孔锤施工容易产生桩孔倾斜和弯曲的质量事故，在遇到软弱复杂地层时，往往出现施工困难，塌孔、缩径、断桩等，质量难以控制。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服上述不足，提供一种超前导向式潜孔锤组合钻具，其钻进速度快，施工效率高，钻孔方向精度得到保证，工程质量优良，成本较低。

为实现上述技术目的，本实用新型提供的方案是：一种超前导向式潜孔锤组合钻具，包括相互连接的高强度钻杆和高频潜孔冲击器，高频潜孔冲击器的末端设有钻头，所述钻头呈莲蓬头形状，其头部端面的中轴处具有至少一级凸起的超前端，后一级超前端在前一级超前端的端面中轴处凸起，钻头的头部端面和超前端的端面均分布多个柱齿，钻头的侧面分布多个边齿，钻头的尾部套设于高频潜孔冲击器的末端，且钻头的尾部和高频潜孔冲击器的末端是花键连接，钻头的内部设有连通其尾部进气口和其头部端面处多个排气孔的气路，钻头的尾部进气口与高频潜孔冲击器的喷嘴连通。

而且，所述钻头头部的第一级超前端直径不大于钻头头部端面的最大直径的1/2，后一级超前端直径不大于前一级超前端最大直径的1/2。

而且，所述钻头头部以钻头中心为圆心沿直径方向分为超前端中心区、内环区、外环区这三个布齿区，超前端中心区是超前端的端面，内环区是从超前端外径到3/5钻头最大直径的区域，外环区是以内环区的外径至钻头最大直径的区域。

而且，所述柱齿形状采用圆形、锥形或圆锥形，齿距为S，柱齿直径为d，满足S=2d。

而且，所述柱齿的切割面采用圆弧头形、平头形或两者组合形状。

而且，硬岩作业环境下，柱齿直径不小于18mm、长度不小于25mm，边齿直径不小于20mm、长度不小于27mm；中硬岩及软岩作业环境下，柱齿直径不小于16mm、长度不小于25mm，边齿直径不小于18mm、长度不小于27mm。

而且，所述钻头尾部的内花键为4~30键，钻头头部的排气孔为3~30个，排气孔直径为5~50mm。

而且，所述钻杆呈单层或双层直杆形管，内腔为贯通的单孔槽或双孔槽，单根长度为200~20000mm，钻杆直径为20mm~2000mm，厚度为5~800mm，外截面形状呈圆形、矩形、六方形、八方形、键槽形或螺旋形。

而且，所述高频潜孔冲击器包括上接头、密封圈、逆止阀、弹簧、组合垫、进气座、外缸、内缸、喷嘴、活塞、隔套、导向套、花键套和圆键，高频潜孔冲击器的单根长度为500~5000mm，高频潜孔冲击器外径为70~2000mm，外截面形状呈圆形；上接头与钻杆之间采用螺纹联结，螺纹丝扣呈梯形状、矩形状、三角形状或管螺纹状。

本实用新型的有益效果在于：钻进速度快，施工效率高，钻孔方向精度得到保证，工程质量优良，成本较低。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

图2是钻头的结构示意图。

图3是钻头的头部端面结构示意图。

图4是高频潜孔冲击器的结构示意图。

其中，1、钻机，2、高强度钻杆，3、高频潜孔冲击器，4、钻头，5、储气罐，6、空压机，7、超前端，8、柱齿，9、边齿，10、花键，11、进气口，12、排气孔，13、上接头，14、密封圈，15、逆止阀，16、弹簧，17、组合垫，18、进气座，19、外缸，20、内缸，21、喷嘴，22、活塞，23、隔套，24、导向套，25、花键套，26、圆键。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明。

本实施例提供一种超前导向式潜孔锤组合钻具，如图1所示，包括相互连接的高强度钻杆2和高频潜孔冲击器3，高频潜孔冲击器3的末端设有钻头4。

所述钻头4呈莲蓬头形状，其头部端面的中轴处具有至少一级凸起的超前端7，后一级超前端在前一级超前端的端面中轴处凸起。本实施例举例的是具有一级超前端的钻头，如图2和图3所示，也可以根据实际生产中钻孔的直径大小，尤其是针对较大直径的钻孔，适应性增加超前端的级数，以满足精度要求。

钻头4的头部端面和超前端7的端面均分布多个柱齿8，钻头4的侧面分布多个边齿9，钻头4的尾部套设于高频潜孔冲击器3的末端，且钻头4的尾部和高频潜孔冲击器3的末端是花键10连接，钻头4的内部设有连通其尾部进气口11和其头部端面处多个排气孔12的气路，钻头4的尾部进气口11与高频潜孔冲击器3的喷嘴21连通。

钻头4可采用优质合金钢和碳化钨原子柱齿8材料，钻头4体采用35CrMo优质合金钢材料，坚硬耐磨。

进一步的，所述钻头4头部的第一级超前端7直径不大于钻头4头部端面的最大直径的1/2，后一级超前端直径不大于前一级超前端最大直径的1/2。例如，钻头4主体最大部位直径D=100~2000mm，第一级超前端7直径Dn=50~1000mm，花键轴直径D1=50~800mm。

进一步的，为了使钻头4端面所有柱齿8达到均匀磨损，且有利于定向和钻进平稳，将钻头4头部端面以钻头4中心为圆心沿直径方向分为超前端中心区、内环区、外环区这三个布齿区，超前端中心区是超前端的端面，内环区是从超前端外径到3/5钻头4最大直径的区域，外环区是以内环区的外径至钻头4最大直径的区域。

进一步的，所述钻头4的柱齿8形状采用圆形、锥形或圆锥形，齿距为S，柱齿8直径为d，满足S=2d。可防止边齿9崩落，有利于保径，增加钻头4使用寿命。柱齿8是采用机械压固工艺镶嵌在钻头4体的齿孔中制造完成。

进一步的，所述柱齿8的切割面采用圆弧头形、平头形或两者组合形状。

进一步的，可根据岩石软硬及高频潜孔冲击器3单次冲击功确定柱齿8的规格。硬岩作业环境下，柱齿8直径不小于18mm、长度不小于25mm，边齿9直径不小于20mm、长度不小于27mm；中硬岩及软岩作业环境下，柱齿8直径不小于16mm、长度不小于25mm，边齿9直径不小于18mm、长度不小于27mm。

进一步的，所述钻头4尾部的内花键10为4~30键，钻头4头部的排气孔12为3~30个，排气孔12直径为5~50mm。

进一步的，所述钻杆呈单层或双层直杆形管，内腔为贯通的单孔槽或双孔槽，单根长度为200~20000mm，钻杆直径为20mm~2000mm，厚度为5~800mm，外截面形状呈圆形、矩形、六方形、八方形、键槽形或螺旋形。

进一步的，如图4所示，所述高频潜孔冲击器3包括上接头13、密封圈14、逆止阀15、弹簧16、组合垫17、进气座18、外缸19、内缸20、喷嘴21、活塞22、隔套23、导向套24、花键套25和圆键26，高频潜孔冲击器3的单根长度为500~5000mm，高频潜孔冲击器3外径为70~2000mm，外截面形状呈圆形；上接头13与钻杆之间采用螺纹联结，螺纹丝扣呈梯形状、矩形状、三角形状或管螺纹状。

本方案的工作原理如下：压缩气体从中空高强度钻杆2经上接头13、逆止阀进入进气座的下腔，然后压缩气体分成两路：一路经进气座的中心孔道和节流塞进入活塞和钻头4的中心孔道至孔底冷却钻头4和清除岩粉；另一路气体进入外缸和内缸之间的环形腔，此腔作为活塞运动的进气室，推动活塞上下运动。进气室的压缩气体，经内缸上的径向孔以及活塞上的环形气槽进入下缸时，活塞开始返程向上运动，当活塞上移关闭进气气路时，活塞靠气体膨胀运行，当下缸与排气孔12路相通时，活塞靠惯性运行，高频潜孔冲击器3返程包括进气、压缩空气膨胀、活塞惯性滑行三个阶段。同理，活塞在冲程过程中，首先气体经活塞上的环形气槽进入上缸，然后，也经历冲程进气、压缩空气膨胀、活塞惯性滑行三个阶段，完成整个工作循环。

本方案是将超前带导向功能的钻头4和一个能产生高频冲击作用的气动装置放入孔底，进行钻进凿岩的工具。它是以压缩气体作为动力介质，所产生的冲击能量直接传递给钻头4；同时通过钻机带动钻杆回转，形成对岩石破碎的能力，利用高频冲击器排出的压缩气体，对钻头4进行冷却和排渣，从而实现了冲击回转钻进凿岩的目的。在高频潜孔冲击器3持续平稳撞击下，超前端先于钻头4本体破碎岩石，具有定心导向作用，并且改变了传统的全端面钻进，优化为多级掏芯超前钻进，钻具与岩石受力状态及破碎机理发生了根本的变化。适合各类型的地质，特别是坚硬和损耗性强的岩层，或钻进地质情况复杂、岩层起伏较大、软硬互层（从较软岩层钻进硬岩层或从硬岩层钻进较软岩层）等，针对质量技术要求严格的超深孔，或者对容易产生钻孔倾斜、弯曲的地质钻孔，由于超前式潜孔锤组合钻具改善了钻探状态，并赋予了它定向导向的特性，具有极佳的钻孔垂直度。

可见本方案提供的超前导向式潜孔锤组合钻具，能提高功效和钻孔质量，降低工程造价，经济效益显著。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进或变形，这些改进或变形也应视为本实用新型的保护范围。