一种岩心钻探用水力轴向冲击器的制作方法

1.本发明涉及工程地质勘察钻探技术领域，尤其涉及一种岩心钻探用水力轴向冲击器。


背景技术：

2.工程地质钻探是工程勘察的一种重要手段，其目的在于查明地下工程地质和水文地质情况。随着铁路、市域交通等大型工程的建设，每年需要大量的工程地质钻探任务。根据钻探目的、质量要求及地层情况的不同，钻探可采用不同的钻进方法，冲击回转钻进是在钻头已承受一定静荷载的基础上以纵向冲击力和回转切削力共同破碎岩土的钻进方法，该方法可大大提高钻进效率，冲击荷载通常由安装在岩心管上方的冲击器提供。冲击器是冲击回转钻进的关键部件，种类繁多，目前根据所采用的动力不同，分为液动冲击器、气动冲击器和机械作用式冲击器。
3.液动冲击器是采用高压水或泥浆做为动力介质，又称“液动锤”，气动冲击器用压缩空气做为动力介质，又称风动“潜孔锤”，机械作用式冲击器利用某种机械运动，使冲锤上下运动而产生冲击力。在工程地质岩心钻探中，采用液动冲击器还需配高压水泵或高压泥浆泵，采用气动冲击器还需配备高压空气压缩机，采用机械作用式冲击器工作稳定性差，并且操作复杂，很难保证岩心质量，为此，通常采用硬质合金、金刚石回转钻进等，而不采用冲击回转钻进。
4.现有技术公开一种水力振荡轴向冲击器，其公开号为cn110905399，该水力振荡轴向冲击器，是利用钻探时给进的泥浆驱动设在壳体内带有桨叶的转轴转动，转轴外壁设有轨迹键，转轴外套设液动锤，液动锤内设有与轨迹键相配合的轨迹槽，转轴转动时，通过转轴上的轨迹键沿液动锤内的轨迹槽驱动液动锤抬升落下，冲击冲击接头，使钻头在旋转工作的同时产生纵向振动。若水压和流量不足时，就不能驱动液动锤正常工作，所以该现有技术公开的冲击器不适合在水压、流量小的常规工程地质钻探上应用，为此，亟需设计一种在常规工程地质钻探的基础上实现冲击振荡的用于岩心钻探冲击器，提高钻机钻进效率。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种结构简单，运行稳定，提高钻进效率的岩心钻探用水力轴向冲击器，
6.本发明是这样实现的，一种岩心钻探用水力轴向冲击器，包括与钻杆连接的钻杆连接套(15)、钻杆连接套的下端部螺纹连接上连接套(8)，所述上连接套的下端螺纹连接下连接套(4)，下连接套的下端螺纹连接锤头底帽(2)以及安装于上连接套内的振动锤(5)；其特征在于：
7.上述钻杆连接套、上连接套、下连接套以及锤头底帽连接成上下贯通的容纳腔，所述容纳腔由钻杆连接套至锤头底帽分为水轮工作腔(a)、能量转换腔(b)以及能量释放腔(c)；在水轮工作腔内通过水轮轴(13-1)安装有与钻杆运动方向相反的左旋水轮(13)；所述
水轮轴穿过水轮下支承(12)向下延伸至能量转换腔，所述水轮轴内设有轴向流道，在左旋水轮的桨叶下方水轮轴上设有连通水轮工作腔(a)和轴向流道的泄放口(13-2)；
8.所述上连接套(8)的内壁设有双头左螺旋轨迹槽(8-1)，沿上连接套轴向方向设有贯穿双头左螺旋轨迹槽的两个对称的冲击释放槽(8-2)；所述振动锤(5)的外圆周对称设有与双头左螺旋轨迹槽配合的两组双头左螺旋轨迹键块(5-1)，且所述双头左螺旋轨迹键块的宽度小于冲击释放槽的宽度；
9.在能量转换腔内还设有弹簧(10)，所述弹簧套装在水轮轴上，弹簧的上端抵接在弹簧座(11)的槽内，弹簧的下端抵接安装在振动锤上；所述振动锤沿中心方向设有中心孔(5-2)，在振动锤的上部中心孔内设有驱动槽(5-3)，驱动槽内设有驱动组件(3)，所述驱动组件连接水轮轴，驱动组件(3)驱动振动锤做左旋转运动；
10.在能量释放腔内安装有冲击锤头(1)，冲击锤头的下端伸出锤头底帽(2)，所述冲击锤头(1)的上部外圆周沿轴向方向设有花键(1-1)，冲击锤头的花键与下连接套(4)下部内壁设有的键槽(4-1)滑动配合。
11.优选的，所述水轮的上部安装在水轮上支承(14)上，水轮上支承(14)外缘设有过水孔(14-1)，所述水轮的下部安装在水轮下支承(12)上，所述水轮下支承通过轴承安装在水轮轴上。
12.优选的，所述水轮下支承和水轮轴安装第一gs阶梯密封构件(18-1)、所述水轮下支承和钻杆连接套之间设有第一密封圈(18-2)。
13.优选的，所述左旋水轮的桨叶设有6-8片。
14.优选的，所述水轮上支承的外缘设有过水孔(14-1)的面积总和为水轮工作腔内径截面积的15～20％。
15.优选的，所述驱动组件(3)包括安装在所述水轮轴的外壁且对应振动锤(5)的驱动槽的两个驱动轮(17)，所述驱动轮通过支撑轴(16)垂直安装在水轮轴上。
16.优选的，所述驱动组件(3)包括安装在驱动槽内的驱动支架(7)，所述驱动支架内安装有中空式连接杆(6)，在驱动支架的上端面通过紧固件安装锁紧压盖(9)，锁紧压盖(9)螺装在水轮轴的下端部上，连接杆与水轮轴之间设有第二密封圈(18-3)，所述驱动支架的外圆周对称设有支撑轴(16)，支撑轴上安装有驱动轮(17)。
17.优选的，所述冲击锤头的中心设有变径过流式过流通道，其中大径端位于上部，连接杆(6)或水轮轴(13-1)的下端插入大径端，且在大径端的过流通道内安装有与连接杆或水轮轴密封抵接的第二gs阶梯密封构件(19)。
18.优选的，所述冲击锤头与锤头底帽之间设有防尘密封圈(20)和第三gs阶梯密封构件(21)。
19.优选的，两组轨迹键块(5-1)和冲击释放槽(8-2)均呈对称分布。
20.本发明具有的优点和技术效果：
21.由于本发明采用上述技术方案，本发明充分利用钻探泥浆动力与钻机旋转动力，联合驱动振动锤，使常规工程地质钻探在不增加其他设备的条件下实现冲击回转钻进，提高钻进效率。此外，本发明还具有以下技术优点。
22.本发明和现有技术相比采用水轮下支撑将左旋水轮和冲击锤有效的分隔，一方面保证水轮轴运转的稳定性，另一方面避免钻探泥浆对直接作用于冲击锤上；并且本发明和
现有技术相比将旋轨迹槽和轨迹键块设置在上连接套的内壁和振动锤的外壁，大大提高了蓄能行程；
23.本发明通过增设密封设计，有效地将水轮安装工作腔与能量转换腔和能量释放腔分离开，避免泥浆锈蚀能量转换腔和能量释放腔，延长冲击器的使用寿命；本发明的水路设计，使钻探时水流平稳，利于保证钻取岩心的质量；冲击锤外设两组多头轨迹键块，与上连接套内螺旋轨迹槽配合，利于冲击锤的抬升，保证运行的稳定性；水轮轴上的对称驱动轮，减少了和冲击锤的摩擦力，利于冲击锤的抬升、落下。
24.现有技术需较高的水压，否则无法带着锤上下运动，本发明采用水轮和钻杆的旋转扭矩联合作用驱动振动锤运动，在较小水压时，也能够实现冲击。
附图说明
25.图1是本发明实施例1结构示意图；
26.图2是本发明上连接套结构剖示图；
27.图3是本发明振动锤结构示意图；
28.图4是驱动轮安装结构示意图；
29.图5是驱动轮与振动锤配合结构示意图；
30.图6是本发明实施例2结构示意图。
31.1、冲击锤头；1-1、花键；2、锤头底帽；3、驱动组件；4、下连接套；4-1、键槽；5、振动锤；5-1、轨迹键块；5-2、中心孔；5-3、驱动槽；6、连接杆；7、驱动支架；8、上连接套；8-1、左螺旋轨迹槽；8-2、冲击释放槽；8-3、排气孔；9、锁紧压盖；10、弹簧；11、弹簧座；12、水轮下支承；13、左旋水轮；13-1、水轮轴；13-2、泄放口；13-3、轴向流道；13-4、桨叶；14、水轮上支承；14-1、过水孔；15、钻杆连接套；16、支撑轴；17、驱动轮；18-1、第一gs阶梯密封构件；18-2、第一密封圈；18-3、第二密封圈；19、第二gs阶梯密封构件；20、防尘密封圈；21、第三gs阶梯密封构件。
具体实施方式
32.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
33.实施例1，请参阅图1至图5，一种岩心钻探用水力轴向冲击器，包括与钻杆连接的钻杆连接套15，钻杆连接套起到承上启下的作用；钻杆连接套的下端部螺纹连接上连接套8，所述上连接套的下端螺纹连接下连接套4，下连接套的下端螺纹连接锤头底帽2，还包括安装于上连接套内的沿轴向产生冲击力的振动锤5及承接振动锤5冲击力的冲击锤1；
34.上述钻杆连接套、上连接套、下连接套以及锤头底帽连接成上下贯通的容纳腔，所述容纳腔由钻杆连接套至锤头底帽分为水轮工作腔a、能量转换腔b以及能量释放腔c；在水轮工作腔内通过水轮轴13-1安装有左旋水轮13；所述水轮轴穿过水轮下支承向下延伸至能量转换腔，所述水轮轴内设有轴向流道13-3，在左旋水轮的桨叶13-4下方水轮轴上设有与轴向流道上端部连通的泄放口13-2，保证水轮工作腔的水经过水轮桨叶后，通过泄放口汇入水轮内的轴向流道；在实际装配过程中，为避免安装时密封腔室内形成压力的阻尼，在上
连接套的侧壁上设有排气孔8-3，所述排气孔与能量转换腔、能量释放腔连通，这样装配时可以实现快速装配，装配好后再用封堵封上；上述左旋水轮在钻机正转的情况下水轮在水力的冲击下作左旋运动反转，进而使水轮轴的运动方向与钻杆的运动方向相反。
35.所述上连接套的内壁设有双头左螺旋轨迹槽8-1，沿上连接套轴向方向设有贯穿螺旋轨迹槽的两个对称的冲击释放槽8-2；所述振动锤5的外圆周对称设有两组双头左螺旋轨迹键块5-1，且所述双头左螺旋轨迹键块的宽度小于冲击释放槽的宽度，通过振动锤上的两组多个双头左螺旋轨迹键块与连接套上的两组多个双头左螺旋轨迹槽配合，相对于现有技术中单个轨迹块配合相比，大大提升了振动锤沿轨迹槽抬升的能力和平稳性性，可以配置重量更大的振动锤；保证双头左螺旋轨迹键块运动至冲击释放槽8-2位置时，快速释放；之所以采用双螺旋结构是保证在旋转运动过程中双头左螺旋轨迹键块平行升起，保证运动的稳定性和平稳性，防止出现卡死的现象；在能量转换腔内还设有弹簧10，弹簧作为产生冲击力的蓄能构件；所述弹簧套装在水轮轴上，弹簧的上端抵接在弹簧座11的槽内，保证弹簧具有上限位；弹簧的下端抵接安装在振动锤上；所述振动锤沿中心方向设有中心孔5-2，在振动锤的上部中心孔设有用于放置驱动组件3的驱动槽5-3；左旋水轮轴左旋运动过程中通过驱动组件3带动振动锤做左旋转运动，使振动锤外的两组双头左螺旋轨迹键块沿钻进时右旋的上连接套的双头左螺旋轨迹槽上升，在上升过程中压缩振动锤上方的弹簧，当双头左螺旋轨迹键块旋转至冲击释放槽，振动锤失去支撑，在弹簧和重力作用下快速释放，并对位于振动锥下方的冲击锤头产生向下的冲击力；在能量释放腔内安装有冲击锤头1，冲击锤头的下端伸出锤头底帽2，所述冲击锤头1的上部外圆周沿轴向方向设有花键1-1，对应冲击锤头的花键所述下连接套4的内壁设有键槽4-1，保证冲击锤头相对于锤头底帽2做直线运动，并传递钻探扭力。
36.上述技术方案优选的，所述水轮的上部安装在水轮上支承14，所述水轮的下部安装在水轮下支承12上，所述水轮下支承通过轴承安装在水轮轴上；该支持结构保证水轮运行的稳定性。优选的，所述水轮下支承和水轮轴安装第一gs阶梯密封构件18-1、所述水轮下支承和钻杆连接套之间设有第一密封圈18-2；保证水流不会由水轮工作腔进入能量转换腔，使弹簧、振动锤、冲击锤等部件处于一个密封的环境下工作，保证弹簧及振动锤的使用寿命。
37.本发明中所述左旋水轮的桨叶设有6-8片。由于水从钻杆中孔(小直径)到水轮工作腔(大直径)，水流的压力将会降低，流量不足以推动水轮转动，为此在水轮上支承14上设置过水孔14-1，且对应叶片6-8片设有3-4个，保证隔一片走水，这样能够实现循环推动桨叶片转动。所述过水孔的面积总和为水轮工作腔内径截面积的15～20％，保证有效的过流面积，左旋水轮在较小的水力冲击下即可做旋转运动。
38.上述技术方案优选的，所述驱动组件3包括安装在所述水轮轴的外壁且对应振动锤5的驱动槽的驱动轮17，所述驱动轮通过支撑轴16垂直安装在水轮轴上。采用该结构保证在带动振动锤做旋转运动的同时，机械损耗最小。
39.优选的，所述冲击锤头的中心设有变径过流式过流通道，其中大径端位于上部，水轮轴13-1的下端插入大径端，且在大径端的过流通道内安装有与水轮轴密封抵接的第二gs阶梯密封构件19。有效地将水轮工作腔、能量转换腔和能量释放腔分离开，避免泥浆锈蚀能量转换腔和能量释放腔，延长冲击器的使用寿命。
40.优选的，所述冲击锤头与锤头底帽之间设有防尘密封圈20和第三gs阶梯密封构件21，避免泥浆锈蚀能量转换腔和能量释放腔，延长冲击器的使用寿命。
41.优选的，两组轨迹键块与冲击释放槽8-2均呈对称分布。受力平衡，保证上下运行的稳定性。
42.实施例2，请参阅图6，本实施例中，所述驱动组件3包括安装在驱动槽内的驱动支架7，所述驱动支架内安装有中空式连接杆6，连接杆与水轮轴之间设有第二密封圈18-3。在驱动支架的上端面通过紧固件安装锁紧压盖9，锁紧压盖螺装固定在水轮轴上，所述驱动支架的外圆周对称设有的支撑轴上安装有驱动轮17。其余结构均与实施例1相同。
43.本发明的工作原理：在钻机工作时，钻杆沿正转带动冲击器、岩心管及钻头顺时针转动切削地层，同时泥浆泵驱动泥浆经钻杆、冲击器、岩心管，从钻头出水口排出，岩心经钻头进入岩心管。当泥浆经过冲击器时，泥浆驱动其内的水轮轴带动左旋水轮反转，安装在水轮轴上的驱动构件带动冲击锤反转，冲击锤外壁的两组轨迹键块正好沿着上连接套内壁的双头反转螺旋轨迹槽上升，并且压缩冲击锤上方的弹簧储能，抬升半圈时，即轨迹键块与冲击释放槽相对位置时，冲击锤失去支撑，并在弹簧的作用下迅速落下，进而实现对冲击锤头的撞击，完成一次轴向冲击；然后进入下一个冲击周期。通过在下支承与钻杆连接套及水轮轴之间设置密封，水轮轴与连接杆之间，连接杆与冲击锤之间以及冲击锤与锤头底帽之间设置密封，确保水轮工作腔中的泥浆通过泄放口经水轮轴、连接杆及冲击锤的内腔排出，不会使泥浆进入能量转换腔和能量释放腔，保证其中结构正常工作，同时不会锈蚀，并且钻探泥浆流动通畅，不会形成水锤现象，对泥浆泵造成损害。采用本发明结构紧凑、运行稳定，有效地提高了钻进速度。
44.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。