潜孔锤钻头组件

技术领域

本公开涉及一种冲击钻头组件。更特别地是，本公开涉及在潜孔锤钻头组件中的流动分配。

背景技术

潜孔(DTH)冲击钻凿涉及一种将冲击和旋转相结合的方法。经由钻凿管将加压流体供应到处在钻孔的底部处的钻头。该流体有双重作用，其不仅用于驱动锤钻凿动作，而且还用于将由于切削动作而产生的破碎的碎片向后冲洗。通常，DTH冲击钻凿组件或者锤钻头组件包括壳体，该壳体在顶部接头和可拆卸地联接到驱动接头的钻头之间延伸。往复式的流体驱动的冲击装置或活塞被布置在该壳体的内部。在该活塞的两端处均是作业室，即，顶部作业室和底部作业室，在作业室中根据活塞的作业循环而排出流体。传统的DTH钻机还包括由柄部、钻头头部和冲洗孔组成的钻头组件，其中该钻头头部进一步包括在面向钻孔的表面上的球齿，该冲洗孔允许破碎的碎片被立即移走，使得该球齿在每一次冲击时都击打新的坚硬的岩石表面。

当前使用的钻头组件具有缺陷，即，在钻头组件中对于空气而言没有足够的可用体积，尤其是在具有如下钻头的组件中，其中钻头的中心处的内部孔在柄部的前端处闭合并且在后端处朝向活塞打开。在这种钻头中，花键的数目通常比冲洗孔的数目多，并且由于当空气从花键行进到冲洗孔时，空气的流动路径存在改变，因此空气需要一些空间以适应该改变。当没有提供用于空气的这种体积时，钻凿的效率受到影响。

为了解决该问题，在一些钻头中已经观察到，该体积是通过存在于钻头的柄部中的沟槽来提供的。该构造的缺点是，钻头柄部整体性受到损害，这导致钻头的寿命缩短。钻头的频繁更换引发用于维护的高额费用并且也导致钻机的大量停机时间。

在一些反循环(RC)锤中已经观察到解决该问题的另一种方法，这些反循环(RC)锤包括围绕驱动接头的罩状结构或者套筒，以产生用于收集来自锤的流的体积。这种组件的示例在专利文献US6702045和EP1454031中进行了描述。该类型的构造的问题在于，流动通常在驱动接头的外表面和罩的内表面之间，并且该流动未连接钻头中的冲洗孔。而且，该种方案被证实是更加昂贵且构造复杂的，因为其涉及需要被组装到锤中的额外部件。由于DTH钻机位于钻孔内部，所以该机器的结构需要紧凑。

因此，需要一种坚固耐用、紧凑并且结构简单的钻头组件，该钻头组件在不损害钻头的整体性的情况下改善钻头组件中的流动分配。

发明内容

本公开的目标是克服或者至少减少上述问题。

本公开的目的是提供一种坚固耐用且结构简单的岩钻头组件，尤其是通过该钻头有良好的流动分配。另一个目的是，在不使用额外部件的情况下，通过在钻凿操作期间为向下游流动的加压流体或空气提供体积而实现在钻头组件中的良好的流动分配。又一个目标是，在钻凿操作期间保持钻头的整体性，从而需要用于锤的较少的钻头更换次数。

通过提供一种岩钻头组件而实现这些目标，该岩钻头组件允许用于来自锤的排出流的加压流体的向上游流动的体积或空间，同时将花键与冲洗孔连接。

根据本公开的第一实施例，提供了一种由压力流体致动的潜孔锤组件，该潜孔锤组件包括：伸长的壳体，该伸长的壳体具有前端或轴向向前端以及后端或轴向向后端；流体驱动的活塞，该流体驱动的活塞被布置成能够在该壳体内部移动；处在该活塞的轴向向后侧或顶侧处的顶部作业室；处在该活塞的轴向向前侧或底侧处的底部作业室；多个流体通路，该多个流体通路用于将加压流体馈送到上述作业室中和将加压流体排出上述作业室，以生成活塞的往复移动；钻头，该钻头能够连接到壳体的前端或轴向向前端并且设置有朝向该活塞面向的砧部，该砧部用于接收该活塞的冲击；以及环形驱动接头，该环形驱动接头围绕该柄部的至少一部分并且与该钻头协作，以形成沿着柄部在长度方向上延伸的流体通路，其中，该驱动接头包括周向延伸通过该驱动接头的凹形弧形沟槽，该凹形弧形沟槽形成室，该室用于收集来自排出流的流体并且将所收集起来的体积的流体重新分配到布置在钻头中的冲洗孔。该弧形沟槽位于进给力传递点之上，因为到排出流的距离、即冲洗孔到大气的距离较大并且其将允许流动被更加均匀地分配在冲洗孔之间以及在冲洗孔内部更少的湍流，从而产生更加可预测的冲洗，这更容易优化。如果该沟槽被定位在进给力传递点之下，则将会产生薄弱点，该薄弱点将会经受导致疲劳失效的张应力。在钻凿期间，进给力传递区域经受来自钻头的冲击和振动。由于活塞击打钻头撞击面，因此钻头在岩石内部向前移动，破碎岩石并且然后朝向锤反弹回来，并且被进给力传递区域停止。因此，重要的是，将沟槽定位在进给力传递点之上，以避免张应力的形成。该弧形沟槽具有以下最小体积尺寸：

最小流动体积≥2x最小(来自锤的流动面积；冲洗孔面积)。

这意味着，该体积应当是比来自锤的流动面积(在花键之间的面积)或冲洗孔面积的2倍大，这取决于锤的流动面积和冲洗面积中哪个是最小的。

在钻凿操作期间，来自锤的排出流被收集在驱动接头中的由弧形凹形沟槽形成的室中。该体积的加压流体被连接到在钻头中布置的冲洗孔，这允许在不需产生在钻头的柄部上的流动通路的情况下使自锤的流动在冲洗孔之间均匀重新分配。

优选地是，在驱动接头中的室产生了在钻头的外表面和驱动接头的内表面之间的流体通路，该流体通路用于收集来自排出流的流体。优选地是，驱动接头的外径小于钻头头部的外径。钻头和驱动接头被构造成被布置成使得驱动接头能够定位成轴向重叠并且径向包围钻头的柄部区域的至少一部分。驱动接头的底部边缘的角度对应于钻头头部-柄部过渡区域的角度。这是有利的，因为这确保了钻头相对于驱动接头的准确定位，并且还提供了在钻头和接头之间的增大的接触面积，这继而减少了在钻头上的表面压力或应力，由此增大了钻头的寿命。

优选地是，驱动接头包括在其顶部边缘上的多个外周突起，该多个外周突起产生狭槽，该狭槽延伸通过驱动接头的壁的厚度。这些狭槽允许来自锤的排出流的加压流体通过到达驱动接头中。具有这些狭槽的优点是，钻头保持环不需要传统的扇部，以允许流体穿过，因此使得钻头保持环更坚固并且允许其具有更多的保持面积。具有这些狭槽的另一个优点是，加压流体被更均匀地分配在钻头的花键和驱动接头的花键之间的空间中，从而提供在花键之间的良好的润滑。

本公开的该实施例的其中一个优点是，不需要任何额外部件、如套筒或罩以形成用于容纳来自排出流的加压流体的体积的室。这使得设备的构造被极大的简化。该特征的另一个优点是，不需要在柄部上产生流动通路。这在保持钻头的整体性和强度以及增大其寿命方面是很有用的。

可选地是，驱动接头的径向向内面向的部分包括多个径向延伸的保持形成部，并且岩钻头的柄部的径向向外面向的部分包括多个径向延伸的保持形成部，使得驱动接头的形成部被构造用以与岩钻头的柄部的形成部协作地且可释放地互相接合。优选地是，在钻头的柄部上以及驱动接头上的保持形成部都呈轴向且径向延伸的花键的形式。这样的布置结构使得能够从驱动接头到岩钻头传递扭矩。这种布置结构的优点在于，当钻头被磨损时，能够容易且便捷地移除和更换该钻头，这在当钻头的使用寿命与驱动接头的使用寿命不同时是尤其有用的。具有在柄部和接头上的这些互补的花键的优点是，允许从驱动接头到岩钻头的旋转驱动的容易且有效率的传递。

优选地是，本公开中描述的锤是气动的，并且压力流体是空气。

根据本公开的第二实施例，钻凿组件设置有岩钻头，该岩钻头被定位在锤的切削端或锤的轴向向前端处，并且该岩钻头包括头部、伸长的柄部、头部-柄部过渡区域、砧部、多个球齿和用于流体的多个冲洗通路，其中该伸长的柄部在前端处或者在该柄部的轴向向前端处连接到该头部，在该头部-柄部过渡区域处，该头部连接到该柄部，该砧部处在该柄部的轴向向后端处，用于接收活塞的冲击，该多个球齿设置在该头部的前面处，并被构造用以接合在预期的钻凿方向上待破碎的材料，该多个冲洗通路延伸通过该头部并且在该头部的前面处具有至少一个开口。该岩钻头通过以下特性特征解决了在钻头头部-柄部过渡区域上的应力增大的问题，其中该特性特征是在该头部-柄部过渡区域处，该头部和该柄部之间形成的角度大于100度。在该钻头头部-柄部过渡区域中具有大于100度的角度的优点是，该种构造极大地减少了该钻头头部-柄部过渡区域在钻凿期间所遭受的应力。减少的应力保持了该岩钻头的强度，从而确保岩钻头具有比平均值更长的寿命。这减少了用于钻凿组件的维护费用，因为该岩钻头不必频繁地更换。进一步，也减少了装备的停机时间，因为减少了钻头的更换次数。

在钻头头部和柄部过渡之间的角度的这种独特特征的另一个优点是，在该钻头中形成锥形表面，以传递进给力。有利地是，该锥形表面在操作期间精确地引导钻头，并且增加用于进给力传递的接触表面，因此减少在该钻头头部-柄部过渡区域中的表面压力(应力)。

优选地是，在岩钻头中，在钻头头部和柄部之间的角度应当在100度和160度之间。更优选地是，在钻头头部和柄部之间的角度应当在110度和130度之间。

根据本公开的第三实施例，在钻头的中心处的内部孔在柄部的前端或轴向向前端处闭合并且在柄部的后端或轴向向后端处朝向活塞打开。在该岩钻头中的内部盲孔被构造用以组成底部作业室的一部分。由于该钻头的中心不像在传统钻头中那样用于冲洗，因此该体积可被用作用于锤的底部作业室。该种构造的优点是，它将使得锤更紧凑。

可选地是，在钻头头部和柄部之间的角度大于100度的特征将提高钻头的强度，这对于在中心处的内部孔在柄部的前端处闭合且在后端处朝向活塞打开的钻头来说尤其有益处。这些盲孔钻头在钻头头部-柄部过渡区域中由于该区域中存在冲洗孔而遭受巨大应力，该冲洗孔产生用于从锤向上游流动的流体通路。在这种盲孔钻头中具有在钻头头部和柄部之间的大于100度的角度显著地提高了钻头的强度。

根据本公开的第四实施例，在岩钻头中，钻头头部-柄部过渡区域在用于冲洗孔的开口附近设置有凹陷，该凹陷优选地是呈现向内弯曲或者弧形凹形沟槽的形式。在岩钻头中，该结构特征提供了在钻头头部-柄部过渡区域中的减少应力的优点。具体地是，该结构特征提高了内部中心孔在柄部的轴向向前端处闭合并且在柄部的轴向向后端处朝向活塞打开的那些岩钻头的强度和寿命。可选地是，该凹陷可是方形、圆形、椭圆形、矩形或者三角形兜孔的形状。

优选地是，岩钻头中的钻头头部和柄部被构造为单个一体单元。但是，如果岩钻头由包括被组装在一起的钻头头部和柄部的多个部件构成，则以上解释的特征同样适于提供良好的钻凿结果。

可选地是，在本公开中描述的岩钻头适于与反循环冲击锤一起工作。在该应用中使用的反循环钻头可具有在钻头头部的中心和外周之间定位的冲洗孔。可替代地是，冲洗孔可径向地定位在钻头头部的外周处。反循环锤可以具有或可以不具有围绕钻头头部的罩。根据实施例中的一个实施例，反循环钻头不具有围绕钻头头部的罩，并且钻头头部的外表面与孔壁配合。有利地是，从传统构造移除一个部件(罩)使得锤更紧凑。

附图说明

参考附图更详细地解释本发明的一些实施例，在附图中：

图1示意性地示出了设置有DTH岩钻机的岩钻设备；

图2示意性地示出了在钻孔的底部处的DTH钻机；

图3示出了一种已知岩钻头组件的透视图，其中驱动接头覆盖柄部的一部分；

图4示出了根据本公开的具体实施方式的锤的竖直截面；

图5a示出了图4的钻头的侧视图，图5b示出了钻头的竖直截面示图，其中驱动接头覆盖图5a的柄部；

图5c、5d和5e分别示出了截取自图5a的不同截面D-D、E-E、F-F的截面示图；

图6a是图4的钻头组件的局部剖切透视图，并且图6b是突出显示凹形沟槽的驱动接头的剖视图；

图7a是根据另一个具体实施方式的RC钻头组件的示例的透视图，并且图7b、7c和7d分别示出了截取自图7a的不同截面D-D、E-E、F-F的截面示图；

图7e是图7a的RC钻头组件的竖直截面；

图8a是根据另一个具体实施方式的RC钻头组件的示例的透视图，并且图8b、8c和8d分别示出了截取自图8a的不同截面D-D、E-E、F-F的截面示图；

图8e是图8a的RC钻头组件的竖直截面。

具体实施方式

现在将参考所附实施例描述本公开，该实施例不限制本公开的范围和界限。所提供的描述纯粹是示例性和说明性的。

图1示出了包括设置有钻凿臂3的可移动载具2的岩钻设备1。臂3设置有岩钻单元4，该岩钻单元4包括进给梁5、进给装置6和旋转单元7。该旋转单元7可以包括齿轮系统和一个或多个旋转马达。旋转单元7可以被支撑于载架8，该旋转单元7和载架8一起可移动地支撑于该进给梁5。旋转单元7可以设置有钻凿装备9，该钻凿装备9可以包括一个或多个彼此连接起来的钻凿管10和处在该钻凿装备9的最外端处的DTH钻机11。DTH钻机或者锤11在钻凿期间位于所钻凿出来的钻孔12中。

图2示出了锤11包括冲击装置或者活塞13(图4中示出)。活塞13相对于该旋转单元7处于该钻凿装备9的相反端处。在钻凿期间，钻头14直接连接到活塞13，因此，由该活塞13生成的冲击P被传递到钻头14。钻凿装备9通过图1中所示的旋转单元7而围绕其纵向轴线在方向R上旋转，并且同时，旋转单元7和被连接到旋转单元7的钻凿装备9通过进给装置6而在钻凿方向A上利用进给力F进给。然后，钻头14由于旋转R、进给力F和冲击P的作用而打碎岩石。加压流体从压力源PS通过钻凿管10而被馈送到该钻机11。加压流体可以是压缩空气，并且压力源PS可以是压缩机。加压流体被引导，以影响活塞13的作业表面，并且使活塞13以往复的方式移动并且撞击该钻头14的冲击表面或者砧部22。在锤11的作业循环中被利用之后，加压流体被允许从锤11排出并且因此为该钻头14提供冲洗。进而，所排出的空气在钻孔和钻凿装备9之间的环形空间中将所钻凿出来的岩石材料推出钻孔12。可替代地是，在穿过冲击装置的中心内管内将钻凿钻屑从钻凿面移走。该方法被称为反循环钻凿。图2通过箭头TE指示锤11的上端或顶端或者轴向向后端，并且通过箭头BE指示锤11的下端或底端或者轴向向前端。

参考图3，可见标准钻头14。钻头头部20包括多个外周淤泥沟槽39，该多个外周淤泥沟槽39径向凹陷到钻头头部20的环形外壁38中。在图3中还可观察到底阀34。底阀用于控制锤的空气循环以及底部作业室28的通气和闭合。

参考图4，示出了锤11的竖直截面，29是锤11的纵向轴线。锤11包括壳体15，该壳体15带有轴向向后端15a和轴向向前端15b。在壳体15内安装传统的自由活塞13，该活塞13被布置成在其作业循环期间以往复方式移动。顶部接头16至少部分地被容纳在壳体15的向后端15a内。还安装了连接件31，通过该连接件31，将锤11连接到钻凿管10。连接件31可以包括螺纹连接表面30。与该连接件31连接的是进口端口32，该进口端口32用于将加压流体馈送到活塞。进口端口32可以包括阀门，该阀门允许将流体朝向活塞馈送但是防止该流体在相反方向上流动。在活塞的轴向后端处是顶部作业室27，并且在活塞的轴向前端处是底部作业室28。分配器缸33在壳体15内抵靠着壳体15的内面45轴向延伸，并且限定了包括顶部作业室27和底部作业室28的轴向延伸的内部室。活塞13能够进行轴向往复运动，从而在室区域27和28内来回穿梭。在图4中还可看到的是流体通路52，该流体通路52用于将加压流体馈送到作业室27、28中和将加压流体排出作业室27、28，以生成活塞13的往复运动。钻头14被定位在锤11的轴向向前端处。钻头14包括代表砧部的向后面26，活塞13冲击在该砧部，上以使钻头14向前移动。钻头还包括钻头头部20和柄部17，该柄部17具有中心内部孔19，该中心内部孔19在向前端处闭合。冲洗孔24从钻头的向前面22轴向向后延伸。刀片或球齿23设置在钻头的向前面22上，用于切削钻凿表面。驱动接头18围绕柄部17的至少一部分，该柄部17从钻头的向后面26轴向延伸到钻头头部-柄部过渡区域。钻头保持环37在图4中也是可见的。

参考图5a，示出了被驱动接头18围绕的钻头14的投影图。已经在钻头14上从三个不同的点截取了截面，一个点在驱动接头18的顶端或者轴向向后端附近(D-D)，一个点在驱动接头18的底端或者轴向向前端附近(F-F)，并且一个点在驱动接头18的中间(E-E)。图5c中示出了截面D-D，其中可见在钻头上的花键42与在驱动接头18上的对应的花键43接合，从而形成通道48。来自锤的排出流流体流动通过在花键42和43之间形成的通道48。

参考图5d，截面E-E示出了室21，该室21由于在驱动接头18中的弧形凹形沟槽而形成。来自锤的上游排出流从花键42、43流动并且然后进入冲洗孔24。但是，由于孔的数目和花键的数目不同，所以在使得从花键到孔的路径的数目转变之前，一定体积的流体聚集在室21中。图5e中的截面F-F示出了钻头头部20和冲洗孔24，排出流流体从该钻头头部20和冲洗孔24进入钻头14。

如从图5b清楚的是，驱动接头18从柄部的狭窄上端17a轴向延伸到钻头头部-柄部过渡区域40。在驱动接头18中的呈凹形沟槽形式的弧形凹陷形成了室21，该室21聚集了在钻凿操作期间来自锤11的排出流的加压流体的体积。钻头14在钻头头部-柄部过渡区域40中具有钝角，如图5b上的α所示。该角度优选的是在100度和160度之间。更优选地是，该角度可以在110度和130度之间。在钻头头部-柄部过渡区域40中，在冲洗孔24附近设置了凹陷25，以减少在钻凿操作期间在钻头头部-柄部过渡区域40中生成的应力。

参考图6a，能观察到围绕钻头14的柄部17的驱动接头18的局部剖视图。图6b示出了在没有钻头14情况下的单独的局部剖切的驱动接头18。驱动接头18设置有多个外周突起41，该多个外周突起41产生径向间隔的狭槽46，该径向间隔的狭槽46使得来自锤的排出流的加压流体的上游流动能够被均匀地分配在钻头花键42和在驱动接头上的花键43之间，同时维持在花键42和43之间的润滑。狭槽46延伸通过驱动接头18的壁的径向厚度。钻头14在钻头头部-柄部过渡区域40中设置有凹形弧形凹陷25，以帮助减少在钻凿期间在该区域中生成的应力。

在图6a中还示出了互补的花键42(在钻头14上的)和43(在驱动接头18上的)。参考图6b，驱动接头18的底部边缘44具有与钻头14的钻头头部-柄部过渡角度对应的角度，使得驱动接头18的底部边缘44配合抵靠钻头头部过渡区域40。驱动接头18的底部边缘44的这种带角度的构造提供了锥形表面，该锥形表面促进了钻头14相对于驱动接头18的准确定位并且增加接触面积，该增加的接触面积继而减少在钻头头部-柄部过渡区域40中的表面压力或者应力。

本公开的不同方面也可应用于反循环锤和其中所使用的钻头。参考图7a，示出了反循环钻头的投影图。已经在图7b、7c和7d中描绘了在钻头14中的三个点处的截面。在图7a至7e中示出的钻头设置有中心内部孔19，加压流体与碎屑或者所钻凿出来的材料一起通过该中心内部孔19向上游流动。在RC钻头14中还设置冲洗孔24、带有形成室21的凹形沟槽的驱动接头18、柄部17以及在向前面22上具有球齿23的钻头头部20。参考图7b，在截面D-D中看到驱动接头18围绕钻头14的柄部17。在图7c中的截面E-E中可见冲洗孔24和花键42。室21收集来自在花键42和43之间形成的通道48的加压流体的上游的排出流并且将其重新分配到冲洗孔24。如在图7d中所见，从钻头头部20截取的截面F-F示出了来自冲洗孔24和中心内部孔19的通路。

参考图7e，示出了用于反循环锤的钻头14的竖直截面。钻头14具有纵向轴线29、钻头头部20、柄部17、球齿23、向前面22和向后面26。在钻头14中还设置了驱动接头18，该驱动接头18围绕柄部17的一部分并且延伸直到钻头头部-柄部过渡区域40。内部中心孔19延伸通过钻头14的长度并且用于在钻凿操作期间加压流体和所钻凿出来的材料的向上通路。钻头头部20设置有多个冲洗孔24，该多个冲洗孔24被定位在钻头头部20的中心和外周之间。

类似的是，图8a至8e描绘了一种反循环钻头14，在该反循环钻头14中，冲洗孔24被定位在钻头头部20的外周处。