用于冲击钻工具的冲洗和连接构造的制作方法

1.本发明涉及用于流体操作的冲击钻工具的冲洗和连接构造。特别地，本发明有关于在潜孔锤中使用的冲洗和连接构造。


背景技术：

2.用于流体操作的冲击钻工具(例如潜孔锤)的冲击钻头通常包括钻头头部，在头部的前面上装有切削刀片。钻头头部形成有轴向延伸的柄部，该柄部的直径小于钻头头部。当锤旋转时，旋转驱动最常通过设置在柄部的外圆柱形壁上的花键传递到柄部，外圆柱形壁上的花键与设置在钻工具的驱动卡盘内部的花键配合。在钻进循环期间，冲撞活塞与柄部的后端部碰撞，迫使钻头头部上的切削刀片进入被钻进的岩石中。加压空气，被称为冲洗空气，用于在锤操作时将钻屑从孔冲出。
3.可以经由穿过活塞中心的冲洗内孔和穿过钻头柄部的相应内孔来提供冲洗空气。然而，这种构造通常需要可能易于破裂的底阀来控制冲洗空气。此外，活塞的撞击面积由于中心内孔而减小，这也减轻了活塞的重量。活塞提升表面的面积也减小了。一种备选方案是使冲洗空气沿着花键行进，在钻头头部中设置通道以将空气从花键引导至钻头的切削面。由于花键需要润滑，可在钻机处将润滑油添加到冲洗气流中。
4.爱尔兰专利第s87042号提出了钻工具的驱动装置与钻头之间的常规花键接合的备选构造，其中驱动环在其前端部处设置有多个突起，每个突起被接收在钻头头部上相应的多个凹部之一中。因为接合装置设置在钻头的头部部分处，所以可以减小钻头的长度，从而减小钻头的总重量，使得能够更快和更高效地钻进。希望提供一种用于这种驱动机构和其它机构的冲洗构造，这种冲洗构造允许增加活塞重量和撞击面积，并优化活塞与钻头的质量比。


技术实现要素：

5.根据本发明，提供了一种流体操作的冲击钻工具，包括：
6.外部耐磨套筒，该外部耐磨套筒包括基本上圆柱形的壁并具有内表面和外表面；
7.冲击钻头，该冲击钻头具有头部部分和钻头固持部分，并位于外部耐磨套筒的前端部处；
8.滑动活塞，该滑动活塞安装成在外部耐磨套筒内往复运动，以撞击该冲击钻头；
9.驱动环，该驱动环具有基本上圆柱形的壁，并包括连接装置，该连接装置适于将驱动环连接到流体操作的冲击钻工具的驱动装置；
10.至少一个冲洗通道，该至少一个冲洗通道为冲洗介质提供通到钻头切削面的流体路径，其特征在于，至少一个冲洗通道的第一部分在耐磨套筒的壁内纵向延伸，至少一个冲洗通道的第二部分在驱动环的壁内纵向延伸，并且至少一个冲洗通道的第三部分穿过冲击钻头的头部部分延伸到钻头切削面。
11.该冲洗通道或每个冲洗通道的第一部分在外部耐磨套筒的基本上圆柱形的壁的
内部。也就是说，它设置在耐磨套筒的壁内并纵向延伸穿过该壁，而不是设置在耐磨套筒本身的内表面内。因此，该冲洗通道或每个冲洗通道的第一部分在耐磨套筒的内表面与外表面之间纵向延伸穿过耐磨套筒的壁。类似地，该冲洗通道或每个冲洗通道的第二部分在驱动环的基本上圆柱形的壁的内部。同样，冲洗通道的第二部分设置在驱动环的壁内并纵向延伸穿过驱动环的壁，而不是设置在驱动环本身内。因此，该冲洗通道或每个冲洗通道的第二部分在驱动环的内表面与驱动环的外表面之间纵向延伸穿过驱动环的壁。
12.这里使用的术语“向前(前)”旨在表示朝向钻进钻头切削面的方向。这里使用的术语“后”或“向后”意在表示远离钻进钻头切削面的方向。
13.这种构造是有利的，因为避免了对底阀和穿过活塞的中心冲洗内孔的需求。这允许活塞重量最大化并且活塞的撞击面积增加，从而提供增加的驱动力和增加的活塞提升力。活塞冲撞也散布在更大的接触面积上，这可以提高活塞的寿命。这种构造的另一个优点是冲洗流体在钻头的切削面处排放。
14.在本发明的实施例中，例如，在流体操作的冲击钻工具是气动操作的冲击钻工具的情况下，用于驱动活塞的空气也可以用作冲洗介质。在该实施例中，该冲洗通道或每个冲洗通道的第一部分具有在外部耐磨套筒的内表面处的第一入口和在外部耐磨套筒的壁的前端部处的出口。第一入口可以布置成从流体操作的冲击钻工具的顶部腔室排出空气。该冲洗通道或每个冲洗通道的第一部分可以有在外部耐磨套筒的内表面处的第二入口，其中第二入口沿着耐磨套筒处于与第一入口不同的纵向位置。例如，第二入口可以在第一入口的前方。第二入口可以布置成从流体操作冲击钻的底部腔室排出空气。
15.在另一个实施例中，例如，在流体操作的冲击钻工具也是液压操作的冲击钻的情况下，该工具可以接收空气供应以用作冲洗介质。在该实施例中，该冲洗通道或每个冲洗通道的第一部分具有在外部耐磨套筒的内表面处的入口和在外部耐磨套筒的壁的前端部处的出口。由于冲洗空气的供应独立于工具的驱动机构，因此不需要第二入口。该冲洗通道或每个冲洗通道的第二部分可以具有入口和出口，入口在驱动环后端部处，其中入口被布置成接收来自冲洗通道的第一部分的出口的冲洗介质。在一些实施例中，该冲洗通道或每个冲洗通道的第二部分的出口可以设置在驱动环的内表面处。在一些实施例中，该冲洗通道或每个冲洗通道的第二部分的出口可以设置在驱动环的前端部处。
16.该冲洗通道或每个冲洗通道的第三部分可以具有在冲击钻头的头部部分处的入口和在冲击钻头切削面中的出口，其中入口被布置成接收来自冲洗通道的第二部分的出口的冲洗介质。
17.流体操作的冲击钻工具还可包括冲击钻头上的接合装置，该接合装置可与驱动环上的互补接合装置接合，由此来自驱动环的旋转驱动可传递到冲击钻头。
18.优选地，接合装置设置在冲击钻头的头部部分上。在一个实施例中，冲击钻头的头部部分上的接合装置包括多个凹部，驱动环上的互补接合装置包括在其前端部处的相应的多个突起，由此每个突起接收在相应的凹部内，以将旋转驱动从驱动环传递到冲击钻头。在备选实施例中，冲击钻头的头部部分上的接合装置包括多个突起，驱动环上的互补接合装置包括相应的多个凹部，由此每个突起接收在相应的凹部内，以将旋转驱动从驱动环传递到冲击钻头。
19.这种构造的优点在于，由于在钻头头部上设置了接合装置，钻头重量减小，从而允
许活塞与钻头的质量比得到优化。此外，由于接合装置设置在钻头的头部部分上，不再需要花键柄部，从而也消除了花键润滑的需求。柄部也可以缩短，或者完全取消。
20.在一个实施例中，冲洗通道的第二部分具有在驱动环上的突起之一中的出口。出口可以设置在突起的内表面上。备选地或附加地，出口可以设置在突起的前端部处。可以设置多个冲洗通道，使得驱动环上的每个突起都具有用于冲洗介质的出口。在一些实施例中，可以在每个突起上设置多于一个出口。可以选择该出口或每个出口的确切位置和取向，以优化冲洗流体的出射角，从而确保冲洗流体被有效地引导。
21.在另一个实施例中，冲洗通道的第二部分具有在驱动环上的两个相邻突起之间的出口。该出口可以设置在驱动环的内表面上。备选地或附加地，出口可以设置在驱动环的前端部处。可以提供多个冲洗通道，使得在每对相邻的突起之间提供用于冲洗介质的出口。
22.驱动环可以包括多个可分离的环段驱动牙嵌(dog)区段。每个驱动牙嵌区段可以包括多个突起中的一个或多个。
23.流体操作的冲击钻工具还可以包括钻头固持装置，该钻头固持装置适于与冲击钻头的钻头固持部分接合，以将冲击钻头固持在钻工具中。钻头固持装置可以包括形成在驱动环内部的肩部，用于与冲击钻头的钻头固持部分接合，以将冲击钻头固持在钻工具中。在其他实施例中，钻头固持装置可以包括钻头固持环。冲击钻头的钻头固持部分可以包括固持肩部。
24.流体操作的冲击钻工具还可以包括环形凸缘，环形凸缘被布置成在外部耐磨套筒前端部处围绕外部耐磨套筒。通过设置在凸缘上的内肩部与设置在耐磨套筒前端部处的外肩部的接合，可以阻止凸缘相对于耐磨套筒向前运动。驱动环的连接装置可以包括设置在驱动环后端部处的环形套环，该环形套环被布置成接收耐磨套筒的前端部，使得耐磨套筒的前端部抵接驱动环的内肩部。多个孔可以设置在套环的后端部中，该后端部可以抵接凸缘的前端部。凸缘可以包括设置在其中的多个通孔，其中每个通孔对应于套环中的多个孔之一，并且其中每个通孔和套环中的相应的孔被构造成接收紧固件，例如螺栓，以将驱动环连接到冲击钻工具的驱动装置。凸缘中的通孔和/或套环中的孔可以是带内螺纹的。
25.根据本发明的另一个方面，提供了一种流体操作的冲击钻工具，包括：
26.外部耐磨套筒，该外部耐磨套筒包括基本上圆柱形的壁并具有内表面和外表面；
27.冲击钻头，该冲击钻头具有头部部分和钻头固持部分，并位于外部耐磨套筒的前端部处；
28.滑动活塞，该滑动活塞安装成在外部耐磨套筒内往复运动，以撞击冲击钻头；
29.驱动环，该驱动环具有基本上圆柱形的壁，并包括连接装置，该连接装置适于将驱动环连接到流体操作的冲击钻工具的驱动装置；以及
30.环形凸缘，该环形凸缘被布置成在外部耐磨套筒的前端部处围绕外部耐磨套筒，其中凸缘包括设置在其中的多个通孔，并且通过设置在凸缘上的内肩部与设置在耐磨套筒前端部处的外肩部的接合而被阻止相对于耐磨套筒向前运动；并且
31.其中驱动环的连接装置包括设置在驱动环后端部处的环形套环，该套环包括设置在其后端部中的多个孔，其中每个孔对应于凸缘中的多个通孔之一，该套环被布置成接收耐磨套筒的前端部，使得耐磨套筒的前端部抵接驱动环的内肩部，并且套环的后端部被布置成抵接凸缘的前端部，并且其中每个通孔和套环中的相应的孔被构造成接收紧固件，以
将驱动环连接到冲击钻工具的驱动装置。
32.钻头固持环可以被布置成与冲击钻头的钻头固持部分接合，以将钻头固持在冲击钻工具中。通过紧固件与驱动环的接合，钻头固持环可以被夹持在驱动环与对准器之间的适当位置。
33.钻头固持环可以设置为多个环段钻头固持部分，并且驱动环的套环中的孔的深度可以大于钻头固持部分的高度，使得能通过以下方式将冲击钻头从钻工具移除：将紧固件从孔中抽出大于或等于钻头固持部分的高度但小于孔的深度的距离，使得当外部耐磨套筒远离冲击钻头移动时，在耐磨套筒的前端部与驱动环的内肩部之间形成环形空间，钻头固持部分可沿径向向外的方向移动到该环形空间中，使得它们不再将冲击钻头固持在钻工具中。
34.流体操作的冲击钻工具还可以包括围绕钻头固持部分布置的o形环。备选地，流体操作的冲击钻工具可以包括多个销，这些销延伸穿过驱动环并被布置成接合钻头固持部分。
35.根据本发明的一个方面，提供了一种用于从如上所述的流体操作的冲击钻工具中移除冲击钻钻头的方法，该方法包括：将紧固件从孔中抽出一段距离，该距离大于或等于钻头固持部分的高度，但小于孔的深度；将外部耐磨套筒与驱动环相对于彼此移开，以在耐磨套筒的前端部与驱动环的内肩部之间形成环形空间；以及将钻工具和冲击钻钻头相对于彼此移动分开，使得冲击钻头的钻头固持部分导致钻头固持环的钻头固持部分沿径向向外的方向移动到环形空间中。
36.该方法可以进一步用于替换冲击钻钻头，并且可以进一步包括：将冲击钻头插入冲击钻工具的远侧端部；通过致动延伸穿过驱动环并布置成接合钻头固持部分的多个销，沿径向向内的方向移动钻头固持环的钻头固持部分；以及朝向冲击钻头移动外部耐磨套筒并将紧固件重新插入孔中。
37.根据本发明的一个方面，流体操作的冲击钻工具是潜孔锤。
附图说明
38.图1是根据本发明第一实施例的潜孔锤的纵向截面图；
39.图2是图1的锤的驱动环的剖面透视图；
40.图3是图1的潜孔锤的透视图；
41.图4是图1的锤的部件中的一些部件的分解图；
42.图5是图1的潜孔锤的纵向截面图，示出了活塞处于冲程顶部；
43.图6是根据本发明第二实施例的潜孔锤的部分的纵向截面图；
44.图7是图6的锤的驱动环的一区段的透视图；
45.图8是图6的锤的部件中的一些部件的分解图；
46.图9是在图1的潜孔锤中使用的钻头固持环的分解图；
47.图10a至10d是图1的潜孔锤的纵向截面图，示出了从锤上移除钻头；
48.图11是图1的锤的冲击钻头和驱动环的透视图；以及
49.图12是根据本发明第二方面的实施例的潜孔锤的纵向截面图。
具体实施方式
50.根据本发明第一实施例的潜孔锤1在图1至图5中图示。锤1包括外部耐磨套筒2，该外部耐磨套筒2包括基本上圆柱形的壁3并具有内表面4和外表面5。锤还包括冲击钻头6，该冲击钻头6具有头部部分7和钻头固持肩部8。钻头位于外部耐磨套筒的前端部9处。该锤还包括滑动活塞10，该滑动活塞10安装成在外部耐磨套筒内往复运动以撞击冲击钻头。具有基本上圆柱形的壁12的驱动环11包括连接装置13，该连接装置13适于将驱动环连接到该锤的驱动装置。钻头固持环21被布置成与冲击钻头上的钻头固持肩部8接合，以将钻头固持在锤中。
51.如图4最佳所示，多个凹部14设置在冲击钻头6的头部部分7的后端部15处。相应的多个突起16设置在驱动环11的前端部17。每个突起16被接收在相应的凹部14内，以将旋转驱动从驱动环11传递到冲击钻头6。
52.该锤还包括环形凸缘18，该环形凸缘18被布置成在外部耐磨套筒的前端部9处围绕外部耐磨套筒。通过设置在凸缘上的内肩部19与设置在耐磨套筒前端部处的外肩部20的接合，凸缘被阻止相对于耐磨套筒向前运动。驱动环的连接装置13包括设置在驱动环的后端部23处的环形套环22，该环形套环22被布置成接收耐磨套筒的前端部9，使得耐磨套筒的前端部抵接驱动环的内肩部24。
53.多个内螺纹孔25设置在套环的后端部26中，并且套环的后端部被布置成抵接凸缘18的前端部27。多个通孔28设置在凸缘中。每个通孔对应于套环中的多个孔之一。螺栓30插入每个通孔28中，并拧入套环中相应的孔25中，以将驱动环连接到耐磨套筒，从而连接到冲击钻工具的驱动装置。这种螺栓连接的构造的夹持效果也将钻头固持环21保持在驱动环11与对准器29之间的适当位置。
54.如图1中最佳图示的，锤1包括多个冲洗通道31，以为冲洗介质提供流体路径。冲洗通道围绕锤以径向间隔开的方式设置。每个冲洗通道的第一部分32在耐磨套筒2的壁3内纵向延伸。如图所示，每个冲洗通道的第一部分32在外部耐磨套筒的壁3的内部，这意味着它设置在耐磨套筒的壁内，而不是设置在耐磨套筒本身的内表面内。每个冲洗通道的第一部分32在外部耐磨套筒的内表面4处具有第一入口33。第一入口33定位成从锤的顶部腔室44排出空气。每个冲洗通道的第一部分在外部耐磨套筒的内表面4处具有第二入口35。如图1和图5所示，对于每个冲洗通道，第二入口35在第一入口33的前方，并被布置成从锤的底部腔室45排出空气。每个冲洗通道的第一部分32还包括在外部耐磨套筒的壁的前端部9处的出口34。
55.每个冲洗通道31的第二部分36在驱动环11的壁12内纵向延伸。如图1所示，每个冲洗通道的第二部分36在驱动环壁的内部，也就是说，冲洗通道的第二部分设置在耐磨套筒的壁内并纵向延伸穿过该壁，而不是设置在驱动环本身内。每个冲洗通道的第二部分36具有在驱动环的后端部处的入口37，其中每个入口37被布置成从相应的冲洗通道的第一部分的出口34接收冲洗介质。每个冲洗通道的第二部分36在驱动环的内表面39处具有出口38。如图2所示，每个出口38设置在驱动环上的突起16之一中。在其他实施例中，每个冲洗通道的第二部分的出口可以设置在驱动环的前端部处，例如，在突起之一的前端部中，或者在两个相邻突起之间。每个冲洗通道的第三部分40穿过冲击钻头6的头部部分7延伸到钻头的切削面41。每个冲洗通道的第三部分40具有在冲击钻头的头部部分处的入口42，其中该入口
被布置成接收来自相应的冲洗通道的第二部分的出口38的冲洗介质。每个冲洗通道的第三部分40具有在冲击钻头的切削面中的出口43。
56.在使用中，顶部腔室44和底部腔室45交替地被供应加压空气。如图5所示，当活塞处于冲程顶部时，顶部腔室44被供应加压空气。冲洗通道31的入口33被活塞10密封。活塞被迫向下撞击冲击钻头6。一旦活塞向下(向前)移动到图1所示的位置，入口33打开以从顶部腔室44排出空气。如图1所示，当活塞处于撞击位置时，底部腔室45与冲洗通道隔离，从而避免底部腔室暴露于环境压力。
57.当活塞处于撞击位置时，加压空气经由供应通道(未示出)供应到底部腔室45。如图1所示，底部腔室与冲洗通道隔离，并由活塞10、钻头6和对准器29密封隔离。结果，活塞10提升，并且一旦活塞的前端部越过冲洗通道的第二入口35，空气从底部腔室排出到钻头的切削面。该循环然后重复，空气被交替地供应到顶部腔室和底部腔室，以引起活塞在耐磨套筒内的往复运动。
58.根据本发明第二实施例的潜孔锤1在图6至图8中图示。第二实施例的锤1类似于第一实施例的锤，并且相同的附图标记用于指代相同的元件。第二实施例与第一实施例的不同之处在于，驱动环11包括多个环段区段46，如图7和图8所示。每个区段46设有三个突起16。在其他实施例中，每个区段可以设置有更多或更少数量的突起。代替钻头固持环，每个区段46形成有肩部47，使得当驱动环11被组装时，连续的钻头固持肩部48与冲击钻头上的钻头固持肩部8接合，以将钻头固持在锤中。
59.如图9所示，图1至图5所示实施例的钻头固持环21可以设置成两个环段钻头固持部分或半部21a、21b。在备选实施例中，环21可以分成更多数量的部分。如在图1中看出和如图10a所表示，驱动环11的套环22中的孔25的深度d大于钻头固持环的高度h。这允许在不移除驱动环11的情况下从锤移除冲击钻头6。这可以通过将螺栓30从孔25中抽出一段距离来实现，该距离大于或等于钻头固持环部分的高度h，但小于孔的深度d。如图10b所示，然后例如通过提升锤，外部耐磨套筒2可以远离冲击钻头6移动，从而在耐磨套筒的前端部9与驱动环的内肩部24之间产生环形空间47。螺栓30仍然接合在孔25中，因此驱动环11仍然固持在锤中。
60.如图10c所示，当锤进一步提升时，冲击钻头6从锤中掉出，使得钻头的钻头固持部分接合钻头固持环21的半部21a、21b。钻头的质量导致半部沿径向向外的方向移动到环形空间47中，使得它们不再将冲击钻头固持在锤中，如图10d所示。这允许在不从锤上移除驱动环的情况下移除或替换钻头。可以插入新的钻头，并且钻头固持环半部21a、21b通过图11所示的销48返回到钻头固持位置，该销48延伸穿过驱动环11并且布置成接合半部21a、21b。在备选实施例中，弹性o形环可以设置在钻头固持环半部21a、21b周围，以向内偏置半部，使得当钻头被移除时，它们返回到它们的原始的钻头固持位置。一旦插入新钻头，通过向钻头移动耐磨套筒并将螺栓完全插入孔中来重新组装锤。
61.图12图示了根据本发明第二方面的实施例的潜孔锤。锤1201包括外部耐磨套筒2和冲击钻头6，冲击钻头6具有头部部分7和位于外部耐磨套筒前端部9处的钻头固持肩部8。锤1201还包括滑动活塞10，滑动活塞10安装成在外部耐磨套筒内往复运动，以撞击冲击钻头。
62.锤还包括驱动环11，该驱动环11具有设置在其后端部23处的环形套环22，该环形
套环22被布置成接收耐磨套筒的前端部9，使得耐磨套筒的前端部抵接驱动环的内肩部24。多个内螺纹孔25设置在套环的后端部26中，并且套环的后端部布置成抵接凸缘18的前端部27。多个通孔28设置在凸缘中。每个通孔对应于套环中的多个孔之一。螺栓30插入每个通孔28中，并拧入套环中相应的孔25中，以将驱动环连接到耐磨套筒，从而连接到冲击钻工具的驱动装置。这种螺栓连接构造的夹持效果也将钻头固持环21保持在驱动环11与对准器29之间的适当位置。驱动环上的花键50与冲击钻头上的互补花键51接合，以将旋转驱动转移到钻头。
63.如图9所示，钻头固持环21设置成两个环段钻头固持环半部21a、21b。在其他实施例中，该环可以包括更多数量的环段部分。驱动环的套环22中的孔25的深度d大于钻头固持部分的高度h，使得能通过以下方式从钻工具移除冲击钻头：将螺栓30从孔25中抽出大于或等于钻头固持部分21a、21b的高度但小于孔的深度的距离，使得当外部耐磨套筒2远离冲击钻头6移动时，在耐磨套筒的前端部与驱动环的内肩部之间形成环形空间，钻头固持部分可沿径向向外的方向移动到该环形空间中，使得它们不再将冲击钻头固持在钻工具中。因此，以类似于上面参考图10a至图10d所描述的方式，冲击钻头6可以在不移除驱动环11的情况下从锤1201移除。当参考本发明在本文中使用时，词语“包括/包含”和词语“具有/含有”用于规定所陈述特征、整数、步骤或部件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、部件或其组的存在或添加。
64.应当理解，为了清楚起见，在单独实施例的上下文中描述的本发明的某些特征也可以在单个实施例中组合提供。相反，为了简洁起见，在单个实施例的上下文中描述的本发明的各种特征也可以单独提供或以任何合适的子组合提供。