本发明涉及钻孔工程,尤其涉及一种钻进装置以及具有该钻进装置的钻孔系统。
背景技术:
1、公知地,钻孔工程技术广泛应用于道路施工、地质勘探、采矿工程、采油工程等领域,通常,利用钻孔系统对待需施工的地质结构进行钻孔,例如,利用钻孔系统在待需施工的地质结构的地面上向下钻孔,该类孔通常称为井孔或井筒,再例如,利用钻孔系统在待需施工的矿山立壁上横向(或斜向)钻孔。
2、典型地钻孔系统通常包括钻杆、钻头、机械力供应装置、切削液供应装置。钻头连接至钻杆的远端,钻杆的近端连接至机械力供应装置,机械力供应装置用于驱动钻杆及钻头转动,并同时提供轴向进给,从而使得钻头对地质材料产生钻削作用,进而在地质结构中钻削出孔道。钻杆构造成中空结构,从而使得钻杆还具有传递流体的作用,切削液供应装置(如,液泵)连接至钻杆的近端并与钻杆的管孔连通,切削液供应装置通过钻杆的管孔向钻杆的远端的钻头提供切削液,容易理解地,该切削液的一方面作用是用于为钻头的切刀降温以降低切刀的磨损速度及提高切刀对地质材料的切削效率,该切削液的另一方面作用是用于推动并引导切屑从钻杆与已成型的孔道的孔壁之间的空隙流向孔道的近端(外端),进而将切屑排出。
3、钻头在钻进过程中,经常会遭遇如岩石层等硬地质材料层,当钻头钻削该硬地质材料时,钻头上的切刀的磨损速度加快,并且,若不改变钻削参数,地质材料对钻头的反作用力(扭矩)可能导致钻杆被扭断。传统地解决该问题的方法是:降低进给速度,并主动的抑制机械力供应装置对钻杆的扭矩,从而能够在一定程度上降低钻头的磨损速度及钻杆被扭断的概率。然而,这种方法也存在问题,并非优选方案,原因在于:一方面,通常地,由于硬地质材料层大多位于距离外层较远的内层,钻杆与孔道之间的摩擦力较大且难以确定,导致机械力供应装置所输出的扭矩与传递至钻头的扭矩之差难以确定,因而,机械力供应装置需要在多大程度上抑制输出扭矩难以确定,抑制程度过大,导致钻头的切削力不足,而过小,则钻杆仍存在扭断风险。另一方面,降低进给速度并不一定或者不一定同步的减小钻头(切刀)侵入地质材料的深度,而钻头进入地质材料的深度是造成地质材料对钻头反作用力增大的直接原因。
4、因传统方法所存在上述问题,现有技术中提供了一种解决方案,该解决方案是:在钻头的远端(头部)的中部增设可伸缩的顶推部件,当钻头钻削硬地质材料时,使得顶推部件伸出并抵靠在地质材料的待钻削端面,从而能够限定钻头侵入地质材料的深度,进而能够有效降低切刀的磨损速度,并降低地质材料对钻头的反作用力。
5、上述顶推部件利用如下两种方式驱动而伸出:
6、1、在钻头的内部增设电马达,如电致伸缩缸,利用电马达驱动顶推部件伸缩,然而,增设电马达会增加钻头结构的复杂性,例如,需要为电马达配置密封结构和部件,另外,能够提供足够驱动力的电马达的体积通常会较大,这会增大钻头的外形尺寸,因而,难以应用于小直径钻头。
7、2、在钻杆的管壁中开设液压流道,单独设置液泵作为动力向液压流道中供入压力流体,使得压力流体流向钻头,利用压力流体驱动顶推部件。然而,这种方式需要在钻杆中增设一条液压流道,该液压流道与钻杆的长度一致,这势必增加对钻杆的加工成本,且更为严重的是:压力流体在长且截面小的液压流道内会出现严重的压力损失,且存在较大概率的泄露可能。
8、应该说明的是:由于钻头钻削所需切削液的流量较小,而,钻头内部允许流体流通的通流截面较大,利用现有技术中的钻头内部的结构形式无法为切削液建立压力。
技术实现思路
1、针对现有技术中存在的上述技术问题,本发明的实施例提供了一种钻进装置及钻孔系统。
2、为解决上述技术问题,本发明的实施例采用的技术方案是:
3、一种钻进装置,包括:
4、主钻头,其外表面上安装有切刀,所述主钻头的内部具有自近端向远端延伸的主流道以及自所述主流道的远端引出并贯通至外表面的副流道,所述副流道用于引导所述主流道中的切削液流向外表面;
5、增压器,其设置于所述主流道中,并将所述主流道分隔成位于所述主钻头的近端一侧的第一流道和位于所述主钻头的远端一侧的第二流道,所述增压器包括阀部件,切削液借由所述阀部件能够从第一流道流向第二流道;所述阀部件配置成:响应于第一流道内的切削液的压力的增加而切换至节流状态,以使得切削液在所述第一流道内建立驱动压力;
6、顶推部件,其可滑动伸缩地设置于所述主钻头的远端的中部;
7、液压驱动流道,其用于将所述第一流道中的具有驱动压力的切削液引导至所述顶推部件以驱动所述顶推部件伸出。
8、优选地,所述增压器还包括盘体,所述盘体横置于所述主流道中,所述阀部件包括多个,多个所述阀部件布置在所述盘体上;
9、每个所述阀部件均包括:
10、阀孔,其轴向贯通所述盘体,所述阀孔的近端形成有径向收缩的缩口;
11、球状阀芯,其设置于所述阀孔中,并能够沿所述阀孔轴向滑动;
12、第一弹簧,其用于朝近端方向推抵所述球状阀芯,以使得所述球状阀芯抵靠于所述缩口;其中:
13、所述缩口的外围形成有周向排布的多个扇形导流结构,所述扇形导流结构倾斜贯通至所述阀孔的孔壁的中部,以使得:在所述球状阀芯抵靠于所述缩口后,第一流道中的切削液能够依次经过所述扇形导流结构及所述球状阀芯的远端一侧的阀孔而流向第二流道,且在所述球状阀芯远离缩口的预设距离后,所述球状阀芯对从第一流道流向第二流道的切削液进行节流。
14、优选地,所述增压器还包括封板,所述封板固定于所述盘体的远端的端面;其中:
15、所述封板上形成有多个限位套,多个所述限位套对应伸入至所述阀孔中,所述限位套的端面用于止挡所述球状阀芯;
16、所述限位套的端面开设有周向排布的缺口,在所述球状阀芯抵靠于所述限位套的端面后,所述缺口与所述球状阀芯配合而对切削液进行节流。
17、优选地,所述盘体滑动配合地设置于所述主流道中;所述第二流道中构造出环形止挡台;所述第二流道中装设有用于朝近端方向推抵所述盘体的第二弹簧;其中:
18、在所述第二流道中的切削液的压力超过预设压力后,所述第二流道中的切削液推抵所述盘体抵靠于所述环形止挡台
19、将所述液压驱动流道与所述主流道贯通的近端口的位置配置成:
20、在所述盘体朝所述环形止挡台滑动并抵靠于所述环形止挡台的过程中,所述近端口从与所述第二流道连通切换至与所述第一流道连通;
21、所述环形止挡台上封装有压力传感器。
22、优选地,所述主钻头的远端的中部构造出液压腔,所述液压驱动流道的远端口连接至所述液压腔;所述主钻头的远端的端面的中部构造出收纳空间;
23、所述顶推部件包括设置于所述液压腔中的活塞、连接至所述活塞的顶杆、以及连接至所述顶杆的远端的作用部件;
24、所述液压腔中设置有第三弹簧,所述第三弹簧用于朝近端方向推抵所述活塞,以使得在所述液压腔引入具有驱动压力的切削液前所述顶杆处于回缩状态而使所述作用部件收纳于所述收纳空间中。
25、在所述液压腔引入具有驱动压力的切削液后,切削液推抵所述活塞而使得所述作用部件伸出而作用于孔道的端面。
26、优选地,所述作用部件包括顶头部件,所述顶头部件的远端的端面的中部形成有球冠。
27、优选地,所述作用部件包括副钻头,所述副钻头具有位于远端一侧的用于钻削的切削部以及位于近端一侧的导向柱;其中:
28、在所述收纳空间与所述液压腔之间构造出导向腔,所述导向腔的腔壁上开设有周向排布且轴向延伸的导向槽;
29、所述导向柱穿设所述导向腔而连接至所述顶杆,所述导向柱的外周面上形成有周向排布且轴向延伸的导向肋,所述导向肋对应位于所述导向槽中,以使得所述副钻头随所述主钻头同步转动。
30、优选地,所述主钻头的外表面形成有轴向延伸且周向排布的多个隆起部,所述切刀装设于所述隆起部上,每相邻的两个隆起部之间限定出导屑槽;其中:
31、所述副流道自所述第二流道的盲端的端面引出;自所述副流道引出分支流道而贯通至所述导屑槽,以使得第二流道中的切削液流向所述导屑槽。
32、优选地,所述盘体的近端一侧的所述第一流道的壁上装设有挡圈,所述第二弹簧推抵所述盘体而止挡于所述挡圈。
33、本发明还公开了一种钻孔系统,包括:钻杆、机械力供应装置、切削液供应装置,机械力供应装置连接至钻杆的近端以用于驱动所述钻杆转动并为钻杆提供进给,所述切削液供应装置连接至钻杆的近端的管孔以用于提供切削液;所述钻孔系统还包括上述的钻进装置,所述钻进装置中的主钻头连接至所述钻杆的近端。
34、与现有技术相比,本发明公开的钻进装置及钻孔系统的有益效果是:
35、1、利用增压器使切削液建立驱动压力,利用液压驱动流道将具有驱动压力的切削液引导至顶推部件以驱动顶推部件伸出钻头的端面。
36、2、本发明的其他关键优势直接和隐含记载于下文的具体实施方式中。
37、应当理解,前面的一般描述和以下详细描述都仅是示例性和说明性的,而不是用于限制本发明。
38、本发明中描述的技术的各种实现或示例的概述,并不是所公开技术的全部范围或所有特征的全面公开。