一种恒压空气锤

本发明涉及一种空气锤，特别涉及一种恒压空气锤。

背景技术：

1、目前，空气锤以压缩空气作为动力介质，驱动活塞带动钻头进行往复运动，实现冲击回转碎岩，具有钻进速度快、效率高、钻孔保直性好等优点，广泛应用于矿产资源勘探开发、水文水井钻凿、地热和油气资源钻采、基础工程施工等钻探相关领域。然而，随着孔深、地层及其它条件的不同，空压机供风量和风压发生变化，导致空气锤内部活塞的位移发生变化，致使空气锤的冲击性能不稳定。当钻遇复杂地层以至所需风量、风压过大而导致空气锤冲击功较高时，容易造成活塞断裂、钻头球齿折断等问题，影响空气锤钻进效率，甚至导致空气锤不能正常工作而引起孔内复杂事故。

技术实现思路

1、本发明的主要目的是为了解决现有的空气锤在风量、风压较大时冲击性能不稳定所导致的空气锤不能正常工作的问题，而提供的一种恒压空气锤。

2、本发明提供的恒压空气锤包括有外缸、内缸、冲击活塞、调压活塞和钻头，其中内缸插设在外缸的内腔中，内缸的底部与钻头的顶部相连接，冲击活塞插设在内缸的内腔中，冲击活塞能够在内缸的内腔中进行上下运动从而带动钻头进行冲击作业，调压活塞插设在调压芯管内管的内腔中，调压活塞能够在调压芯管内管的内腔中进行上下运动，冲击活塞和调压活塞的中心线为同一轴线，调压芯管装配在外缸上部的内腔中，调压芯管的内管插设在冲击活塞中间的中心通道内并与冲击活塞之间为滑动接触，调压芯管外管的底部与内缸的顶部密封相连接，调压芯管和内缸的外侧壁与外缸的内侧壁之间形成有环形通道，调压芯管的上部外缸的内腔中设置有动力室，调压芯管的上端头顶部开设有第一输气孔和第二输气孔，第一输气孔和第二输气孔与动力室相连通，内缸中部的侧壁周圈开设有数个第三输气孔，第三输气孔分别与内缸和外缸之间的环形通道以及冲击活塞和内缸之间的间隙及内缸的内腔相连通，内缸的底部与钻头顶部的连接处装配有衬套，衬套上分别开设有横向和纵向的第四输气孔，冲击活塞的侧壁和衬套上端形成前气室，第四输气孔分别与内缸的内腔和前气室相连通，冲击活塞的顶部与调压芯管上端头底部之间装配有后气室，前气室和后气室之间能够通过冲击活塞的中心通道相连通，调压芯管上端头内装配有调压室，动力室、第一输气孔、调压芯管和内缸与外缸之间的环形通道、第三输气孔、前气室和第四输气孔形成为第一输气通道，动力室和调压芯管的上端头顶部的第二输气孔形成为第二输气通道，第二输气通道与调压室相连通。

3、外缸的顶端连接有上接头。

4、内缸上部内腔的侧壁上设置有上台阶，冲击活塞上端头的底部设置有下端面，上台阶与下端面之间能够进行贴合，内缸的下部内腔的侧壁上设置有下台阶，冲击活塞中环的顶面设置有上端面，下台阶与上端面之间能够进行贴合。

5、调压活塞的上部插设在逆止阀内管的内腔中，逆止阀内管的内腔与调压芯管的内管内腔在同一轴线上，调压活塞顶端与逆止阀上端头底部之间的逆止阀内管内腔中装配有内弹簧，逆止阀上端头下部的逆止阀内管外周圈套设有外弹簧，外弹簧的底部与调压芯管的顶部相抵靠，逆止阀的上端外周圈套设有密封圈进行密封。

6、调压活塞的底部设置有凸起，对应凸起部位的调压芯管的侧壁上开设有气体通道，该气体通道能够与后气室相连通。

7、内缸的底部连接有衬套，衬套的底部通过花键套与钻头相连接，花键套与钻头之间装配有半圆卡。

8、本发明的工作原理：

9、本发明提供的恒压空气锤在工作时一定风量及风压的压缩空气推开逆止阀进入动力室，进入动力室的压缩空气通过调压芯管上端开设的第一输气孔和第二输气孔分别进入第一输气通道和第二输气通道。

10、进入第二输气通道的压缩气体进入调压室后推动调压活塞向上运动设定距离，调压活塞下部设置的凸起与调压芯管侧壁上开设的气体通道相互配合；

11、进入第一输气通道的压缩气体进入前气室使前气室的压力升高，此时后气室中的压缩气体由调压活塞不断经调压芯管中心通道卸压，推动冲击活塞以更快的速度上行，调压室内的压缩气体压力越大时，调压活塞上行的行程越大，加速冲击活塞上行行程越长。当冲击活塞运动至冲击活塞中环顶面上的上端面与内缸下部的下台阶接触进行贴合时，前气室进入封闭阶段，后气室仍处于泄气阶段，冲击活塞继续上行。如果调压活塞上行距离小于冲击活塞顶面与上端头底部的下端面之间的距离，并且冲击活塞顶面与调压活塞底部的凸起底面接触时，后气室封闭，前气室不断进气，冲击活塞继续上行。当冲击活塞上端头底部的下端面与内缸上部的上台阶分离时，气体进入后气室。

12、如果调压活塞上行距离大于冲击活塞顶面与上端头底部的下端面之间的距离，当冲击活塞上端头底部的下端面与内缸上部的上台阶分离时，压缩气体进入后气室，调压活塞底部的凸起底面与冲击活塞的顶面接触时，后气室不再由冲击活塞中心部位的中心通道泄气，当冲击活塞底面与衬套内的第四输气孔分离时，前气室排气，冲击活塞继续向上运动至最高点后向下运动，运动至冲击活塞底面刚好封闭衬套内的第四输气孔，此时前气室处于封闭状态。如果调压活塞上行距离小于冲击活塞的顶面与上端头底部的下端面之间的距离，当冲击活塞上端头底部的下端面运动至与内缸上部的上台阶接触贴合时，后气室封闭。当冲击活塞的顶面运动至与调压活塞底部的凸起底面接触时，后气室开始经由冲击活塞中心的中心通道泄气。如果调压活塞上行距离大于冲击活塞顶面与上端头底部的下端面之间的距离，当冲击活塞的顶面运动至与调压活塞底部的凸起底面接触时，后气室开始经由冲击活塞中心的中心通道泄气。当冲击活塞上端头底部的下端面运动至与内缸上部的上台阶接触贴合时，后气室不再进气。风压越大，调压活塞上行位移越大，冲击活塞的顶面与调压活塞底部的凸起底面分离时间越早，后气室提前经冲击活塞中心部位的中心通道卸压，降低了冲击活塞单次向下运动的冲击功。风压越小，调压活塞上行位移越小，冲击活塞的顶面与调压活塞底部的凸起底面分离时间越晚，后气室经冲击活塞中心部位的中心通道卸压越晚，提高冲击活塞单次向下运动的冲击功，实现调压功能。当冲击活塞中环顶面上的上端面与内缸下部的下台阶脱离时，前气室开始进气，但冲击活塞仍会在惯性作用下向下运动，快速冲击钻头。通过与调压活塞、调压芯管及冲击活塞的配合，限制钻头进行有限的径向位移，使得钻头能够伸出外缸底部实现碎岩。冲击结束后，压缩气体再次进入前气室驱动冲击活塞上行，周而复始，实现冲击回转钻进。

13、本发明提供的空气锤利用调压活塞和调压芯管实现对不同风量、风压下的后气室内的压力调节，能够使冲击活塞行程可变，以维持冲击活塞的单次冲击功基本保持一致，实现对于钻头球齿及活塞杆的保护。

14、本发明的有益效果：

15、本发明提供的恒压空气锤能够根据风量及风压自动调节后气室内部的压力，维持钻头的碎岩冲击功基本保持一致，钻头运动过程平稳，强度可靠。能够有效提高空气锤钻进寿命，提高钻进效率，降低井下事故的产生。

技术特征：

1.一种恒压空气锤，其特征在于：包括有外缸、内缸、冲击活塞、调压活塞和钻头，其中内缸插设在外缸的内腔中，内缸的底部与钻头的顶部相连接，冲击活塞插设在内缸的内腔中，冲击活塞能够在内缸的内腔中进行上下运动从而带动钻头进行冲击作业，调压活塞插设在调压芯管内管的内腔中，调压活塞能够在调压芯管内管的内腔中进行上下运动，冲击活塞和调压活塞的中心线为同一轴线，调压芯管装配在外缸上部的内腔中，调压芯管的内管插设在冲击活塞中间的中心通道内并与冲击活塞之间为滑动接触，调压芯管外管的底部与内缸的顶部密封相连接，调压芯管和内缸的外侧壁与外缸的内侧壁之间形成有环形通道，调压芯管的上部外缸的内腔中设置有动力室，调压芯管的上端头顶部开设有第一输气孔和第二输气孔，第一输气孔和第二输气孔与动力室相连通，内缸中部的侧壁周圈开设有数个第三输气孔，第三输气孔分别与内缸和外缸之间的环形通道以及冲击活塞和内缸之间的间隙及内缸的内腔相连通，内缸的底部与钻头顶部的连接处装配有衬套，衬套上分别开设有横向和纵向的第四输气孔，冲击活塞的侧壁和衬套上端形成前气室，第四输气孔分别与内缸的内腔和前气室相连通，冲击活塞的顶部与调压芯管上端头底部之间装配有后气室，前气室和后气室之间能够通过冲击活塞的中心通道相连通，调压芯管上端头内装配有调压室，动力室、第一输气孔、调压芯管和内缸与外缸之间的环形通道、第三输气孔、前气室和第四输气孔形成为第一输气通道，动力室和调压芯管的上端头顶部的第二输气孔形成为第二输气通道，第二输气通道与调压室相连通。

2.根据权利要求1所述的一种恒压空气锤，其特征在于：所述的外缸的顶端连接有上接头。

3.根据权利要求1所述的一种恒压空气锤，其特征在于：所述的内缸上部内腔的侧壁上设置有上台阶，冲击活塞上端头的底部设置有下端面，上台阶与下端面之间能够进行贴合，内缸的下部内腔的侧壁上设置有下台阶，冲击活塞中环的顶面设置有上端面，下台阶与上端面之间能够进行贴合。

4.根据权利要求1所述的一种恒压空气锤，其特征在于：所述的调压活塞的上部插设在逆止阀内管的内腔中，逆止阀内管的内腔与调压芯管的内管内腔在同一轴线上，调压活塞顶端与逆止阀上端头底部之间的逆止阀内管内腔中装配有内弹簧，逆止阀上端头下部的逆止阀内管外周圈套设有外弹簧，外弹簧的底部与调压芯管的顶部相抵靠，逆止阀的上端外周圈套设有密封圈进行密封。

5.根据权利要求1或4所述的一种恒压空气锤，其特征在于：所述的调压活塞的底部设置有凸起，对应凸起部位的调压芯管的侧壁上开设有气体通道，该气体通道能够与后气室相连通。

6.根据权利要求1所述的一种恒压空气锤，其特征在于：所述的内缸的底部连接有衬套，衬套的底部通过花键套与钻头相连接，花键套与钻头之间装配有半圆卡。

技术总结
本发明公开了一种恒压空气锤，包括有外缸、内缸、冲击活塞、调压活塞和钻头，其中内缸插设在外缸的内腔中，内缸的底部与钻头的顶部相连接，冲击活塞插设在内缸的内腔中，冲击活塞能够在内缸的内腔中进行上下运动从而带动钻头进行冲击作业，调压活塞插设在调压芯管内管的内腔中，调压活塞能够在调压芯管内管的内腔中进行上下运动，冲击活塞和调压活塞的中心线为同一轴线，调压芯管装配在外缸上部的内腔中，调压芯管的内管插设在冲击活塞中间的中心通道内并与冲击活塞之间为滑动接触，有益效果：能够根据风量及风压自动调节后气室内部的压力，钻头运动过程平稳，强度可靠，提高钻进效率，降低井下事故的产生。

技术研发人员：曹品鲁,邵娜,张鸿运,崔国庆,白津赫
受保护的技术使用者：吉林大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15