本发明属于钻井机械领域，具体公开一种可提高液动冲击器工作性能的互锁式锤阀机构，引流管上部插在上接头底部内，引流管下部插在活阀顶部内，活阀顶部外卡在限位垫内；引流管中部凸台底面与限位垫之间设有定位套；活阀下部设有冲锤杆，活阀、冲锤杆外部套有冲锤杆上段接头，活阀与有冲锤杆上段接头内孔滑动配合，冲锤杆顶部与冲锤上段接头固定连接，冲锤杆与冲锤上段接头组成冲锤组件；冲锤杆下部设有冲击砧座，冲锤杆底部外套有下缸套；外管顶部套在上接头底部外，外管底部套在冲击砧座外。本发明中的锤阀互锁机构改善了液动冲击器冲锤与活阀闭合密封性能、保证了锤阀结合的同步协调性与可靠度，提高了水能利用率和液动冲击器的工作性能。
1.一种可提高液动冲击器工作性能的互锁式锤阀机构，其特征在于：该互锁式锤阀机构包括上接头(1)、引流管(3)、定位套(4)、限位垫(5)、上导向套(6)、活阀(7)、冲锤杆上段接头(8)、外管(9)、冲锤杆(10)、下缸套(11)和冲击砧座(12)，引流管(3)上部插在上接头(1)底部内，引流管(3)下部插在活阀(7)顶部内，活阀(7)顶部外卡在限位垫(5)内；引流管(3)中部凸台底面与限位垫(5)之间设有定位套(4)；活阀(7)下部设有冲锤杆(10)，活阀(7)、冲锤杆(10)外部套有冲锤杆上段接头(8)，活阀(7)与有冲锤杆上段接头(8)内孔滑动配合，冲锤杆(10)顶部与冲锤杆上段接头(8)固定连接，冲锤杆(10)与冲锤杆上段接头(8)组成冲锤组件；冲锤杆(10)下部设有冲击砧座(12)，冲锤杆(10)底部外套有下缸套(11)；外管(9)顶部套在上接头(1)底部外，外管(9)底部套在冲击砧座(12)外。
2.根据权利要求1所述的一种可提高液动冲击器工作性能的互锁式锤阀机构，其特征在于：所述的上接头(1)与引流管(3)上部采用插入式滑动密封结构，引流管(3)上端外径与上接头(1)内孔滑动密封配合，配合面中间设有密封圈(2)。
3.根据权利要求2所述的一种可提高液动冲击器工作性能的互锁式锤阀机构，其特征在于：所述的上接头(1)与外管(9)采用螺纹刚性连接。
4.根据权利要求3所述的一种可提高液动冲击器工作性能的互锁式锤阀机构，其特征在于：所述的上导向套(6)为塔形结构，安装在外管(9)上端连接螺纹下面的内孔中，上导向套(6)外径与外管(9)内孔滑动密封配合，上导向套(6)通过外管内孔限位台阶定位，导向套(6)圆周开有侧排水孔(14)。
5.根据权利要求4所述的一种可提高液动冲击器工作性能的互锁式锤阀机构，其特征在于：所述的活阀(7)采用芯阀式结构，活阀(7)安装在冲锤组件中心部位；活阀(7)中心有通水孔，底部封闭，底面加工有沉孔，下段侧面开有侧排水孔(16)；活阀(7)上部内孔与引流管(3)外径滑动密封配合。
6.根据权利要求5所述的一种可提高液动冲击器工作性能的互锁式锤阀机构，其特征在于：所述的活阀(7)上段为“工”形结构，小径部分与阀体外径属同轴结构，活阀(7)“工”形结构小径段安装在限位垫5的U形卡槽内，“U”形卡槽孔与活阀(7)小径外径间隙配合，活阀(7)在“U”形卡槽内可上下自由活动，依靠活阀(7)“工”形结构的上端台阶下沿面与限位垫(5)“U”形槽卡上端面进行限位。
7.根据权利要求6所述的一种可提高液动冲击器工作性能的互锁式锤阀机构，其特征在于：所述的活阀(7)具有底部凸肩(17)，底部凸肩(17)外径尺寸大于活阀(7)阀体外径尺寸。
8.根据权利要求7所述的一种可提高液动冲击器工作性能的互锁式锤阀机构，其特征在于：所述的限位垫(5)为中心开有“U”形卡槽的圆形垫。
9.根据权利要求8所述的一种可提高液动冲击器工作性能的互锁式锤阀机构，其特征在于：所述的冲锤杆上段接头(8)与冲锤杆(10)采用螺纹连接，接合部位采用顶锥包容式结构。
10.根据权利要求9所述的一种可提高液动冲击器工作性能的互锁式锤阀机构，其特征在于：所述的冲锤杆上段接头(8)上端外圆周加工有纵向导水排沙槽(15)；活阀(7)下端面与冲锤杆(10)上端面有一自由行程距离H(18)，冲锤杆(10)与外管(9)之间形成环形空腔(19)，下缸套(11)与外管(9)之间形成侧排水通道(22)，冲锤杆(10)中下部具有节流孔(21)，冲击砧座(12)中部具有泄水孔(23)。
可提高液动冲击器工作性能的互锁式锤阀机构
技术领域
[0001] 本发明属于钻井机械领域，具体涉及一种应用于地质矿产资源钻探、石油钻井、水文水井钻探、工程施工领域的液动冲击器的阀控机构。
背景技术
[0002] 阀式双作用式液动冲击器是研究得最多，也是应用最广的一种液动冲击器。它安装在回转钻具上，作为辅助碎岩工具，广泛应用于钻探、钻井领域。有利于提高钻进效率、提高岩心采取率、防破碎岩层堵卡钻具、提高钻头使用寿命、控制钻孔偏斜。它是利用面积差或者射流负压卷吸作用产生的压力差，让活阀先于冲锤杆到达上限位位置，然后冲锤杆上行与活阀碰撞闭合，关闭水路通道，从而在冲击器上腔产生巨大的水击压强，水击压强作用于冲锤杆与活阀上端面，产生向下的推力，推动冲锤杆活阀一起下行，活阀在下限位装置作用下停止运动，冲锤杆在惯性力作用下继续下行一段自由行程后击打砧座，此过程循环往复，进行冲击做功。从上述工作原理看，液动冲击器要想发挥最佳性能，必须保证两个条件：一是保证冲锤杆与活阀在上行末程能瞬间闭合不脱离；二是保证冲锤杆与活阀在下行冲程中同步运动，不提前脱离导致回程提前进行。但现有液动冲击器技术的阀控机构中活阀采用等径结构，在实际应用中会因为加工配合质量、冲洗液黏度、含砂量等原因出现冲锤与活阀关闭不严、锤阀提前分离现象，从而导致冲击频率不稳、功率下降、水能利用率低、冲击器工作性能下降等问题出现。
发明内容
[0003] 本发明的目的是提供一种可提高液动冲击器工作性能的互锁式锤阀机构，保证冲锤杆与活阀在冲程与回程工作过程中的可靠协调性，解决现有阀式双作用液动冲击器在工作过程中锤阀提前脱离及关闭不严的技术不足，提高液动冲击器的工作可靠性，提高水能利用率，提高液动冲击器的工作性能。
[0004] 实现本发明目的的技术方案：一种可提高液动冲击器工作性能的互锁式锤阀机构，该互锁式锤阀机构包括上接头、引流管、定位套、限位垫、上导向套、活阀、冲锤杆上段接头、外管、冲锤杆、下缸套和冲击砧座，引流管上部插在上接头底部内，引流管下部插在活阀顶部内，活阀顶部外卡在限位垫内；引流管中部凸台底面与限位垫之间设有定位套；活阀下部设有冲锤杆，活阀、冲锤杆外部套有冲锤杆上段接头，活阀与有冲锤杆上段接头内孔滑动配合，冲锤杆顶部与冲锤杆上段接头固定连接，冲锤杆与冲锤杆上段接头组成冲锤组件；冲锤杆下部设有冲击砧座，冲锤杆底部外套有下缸套；外管顶部套在上接头底部外，外管底部套在冲击砧座外。
[0005] 所述的上接头与引流管上部采用插入式滑动密封结构，引流管上端外径与上接头内孔滑动密封配合，配合面中间设有密封圈。
[0006] 所述的上接头与外管采用螺纹刚性连接。
[0007] 所述的上导向套为塔形结构，安装在外管上端连接螺纹下面的内孔中，上导向套外径与外管内孔滑动密封配合，上导向套通过外管内孔限位台阶定位，导向套圆周开有侧排水孔。
[0008] 所述的活阀采用芯阀式结构，活阀安装在冲锤组件中心部位；活阀中心有通水孔，底部封闭，底面加工有沉孔，下段侧面开有侧排水孔；活阀上部内孔与引流管外径滑动密封配合。
[0009] 所述的活阀上段为“工”形结构，小径部分与阀体外径属同轴结构，活阀“工”形结构小径段安装在限位垫5的U形卡槽内，“U”形卡槽孔与活阀小径外径间隙配合，活阀在“U”形卡槽内可上下自由活动，依靠活阀“工”形结构的上端台阶下沿面与限位垫“U”形槽卡上端面进行限位。
[0010] 所述的活阀具有底部凸肩，底部凸肩外径尺寸大于活阀阀体外径尺寸。
[0011] 所述的限位垫为中心开有“U”形卡槽的圆形垫。
[0012] 所述的冲锤杆上段接头与冲锤杆采用螺纹连接，接合部位采用顶锥包容式结构。
[0013] 所述的冲锤杆上段接头上端外圆周加工有纵向导水排沙槽；活阀下端面与冲锤杆上端面有一自由行程距离H，冲锤杆与外管之间形成环形空腔，下缸套与外管之间形成侧排水通道，冲锤杆中下部具有节流孔，冲击砧座中部具有泄水孔。
[0014] 本发明的有益技术效果：本发明所提供的可提高液动冲击器工作性能的互锁式锤阀机构，是在液动冲击器冲锤杆与活阀配合空间上设计了环状互锁受力机构，利用流体液压力形成互锁力，保证锤阀结合可靠度与密封性。互锁式锤阀机构形成的互锁力使液动冲击器冲锤与活阀在下行冲程过程中冲锤杆和活阀保持可靠结合，同步协调下行，不产生提前相互脱离现象；在冲锤杆上行回程过程中，冲锤杆与活阀闭合瞬间，互锁机构能促使冲锤杆与活阀能迅速闭合，从而产生巨大的水击压强，避免锤、阀碰撞闭合时因回弹导致锤、阀闭合不严、降低水击压强现象，影响液动冲击器输出性能。本发明中的锤阀互锁机构改善了液动冲击器冲锤杆与活阀闭合密封性能、保证了锤阀结合的同步协调性与可靠度，提高了水能利用率和液动冲击器的工作性能。
附图说明
[0015] 图1为本发明所提供的可提高液动冲击器工作性能的互锁式锤阀机构的结构示意图。
[0016] 图中：1、上接头；2、密封圈；3、引流管；4、定位套；5、限位垫；6、上导向套；7、活阀；8、冲锤杆上段接头；9、外管；10、冲锤杆；11、下缸套；12、冲击砧座；16、下部侧排水孔；17、底部凸肩；18、自由行程距离H；19、环形空腔；20、细牙螺纹；21、节流孔；22、侧排水通道；23、泄水孔。
具体实施方式
[0017] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
[0018] 如1图所示，本发明所提供的可提高液动冲击器工作性能的互锁式锤阀机构，该互锁式锤阀机构包括上接头1、密封圈2、引流管3、定位套4、限位垫5、上导向套6、活阀7、冲锤杆上段接头8、外管9、冲锤杆10、下缸套11、冲击砧座12。上接头1与外管9采用螺纹刚性连接，外管9的连接螺纹下部加工与螺纹大小径保持同心的内孔及限位台阶，上导向套6从外管9上口放入安装到内孔内，上导向套6外径与配合安装的外管9内孔滑动密封配合，上导向套6通过外管9内孔限位台阶定位。
[0019] 上接头1与引流管3上部采用插入配合结构，引流管3上端外径与上接头1内孔采用滑动密封配合，中间设计有密封圈2，防止流体泄漏泄压，保证钻井液有效通过引流管3进入活阀7内。
[0020] 冲锤上段接头8与冲锤杆10采用细牙螺纹20连接，接合部位采(15°～45°)用顶锥包容式结构，防止冲锤杆10击打时松扣现象发生。
[0021] 活阀7中心有通水孔，底部封闭，底面加工有沉孔，下段侧面开有侧排水孔16；活阀7上部内孔与引流管3外径滑动密封配合；活阀7上段为“工”形结构，小径部分与活阀7的阀体外径属同轴结构。图图1剖视图A-A所示，限位垫(5)为中心开有“U”形卡槽的圆形垫，活阀
7“工”形结构小径部段安装在限位垫5的“U”形卡槽内，“U”形卡槽孔与活阀小径外径有
0.1mm～1.0mm的配合间隙，活阀7在“U”形卡槽内可上下自由活动，依靠活阀7“工”形结构的上端部下沿面与限位垫5“U”形卡槽上端面进行限位。
[0022] 活阀7下端具有底部凸肩17，底部凸肩17外径尺寸大于活阀7的阀体外径尺寸，从阀体上端向下俯视时，底部凸肩17具有环形面积区；活阀7“工”形结构部分的最大外径与活阀7阀体外径一致，与冲锤上段接头8内孔滑动配合；安装活阀7时，先将活阀7上部从冲锤上段接头8内孔穿出，然后将冲锤上段接头8通过螺纹与冲锤杆10连接起来成为冲锤组件。
[0023] 上导向套6设计有限位垫定位台阶，限位垫5下端面安装在导向套6的定位台阶上，上端面由定位套4压紧定位，保持固定。
[0024] 导向套6上端设计有安装引流管3的内孔台阶，该内孔台阶端面与定位套4的上端面齐平，引流管3安装到位后，引流管3凸肩下端面与定位套4上端面紧贴配合。
[0025] 导向套6圆周开有侧排水孔14，冲锤上段接头8、冲锤杆10组成的冲锤组件与活阀7往复运动时，导向套6上腔的流体通过侧排水孔14排出与补充。
[0026] 冲锤上段接头8上端外圆加工有纵向导水排沙槽15，可减小其与导向套6内孔壁面的摩擦阻力，并可有效防止冲洗液中泥沙的阻卡。
[0027] 下缸套11内孔与冲锤杆10下端外圆为滑动密封配合，配合间隙0.05mm～0.15mm，两者之间形成滑动密封。冲锤杆10下端相当于活塞，可以在下缸套11中上下滑动。
[0028] 下缸套11与冲击砧座12之间是滑动密封配合。
[0029] 冲锤杆10上下往复运动，周期性地击打冲击砧座12，击打力通过砧座12传递给液动冲击器的钻头，进行碎岩做功。
[0030] 冲击砧座12与外管9端部内孔为间隙配合，冲击砧座12安装于外管9端部内孔中，并通过外管9内孔的台肩b对冲击砧座12定位。
[0031] 冲锤杆10与外管9之间形成环形空腔19，下缸套11与外管9之间形成侧排水通道22。冲锤杆10中下部具有节流孔21，冲击砧座12中部具有泄水孔23。
[0032] 本发明所提供的可提高液动冲击器工作性能的互锁式锤阀机构工作过程：
[0033] 图1为本发明所提供的可提高液动冲击器工作性能的互锁式锤阀机构的初始工作状态，活阀7悬挂在限位垫5的U形卡槽位置，活阀7下端面与冲锤杆10上端面有一自由行程距离H18(3mm～30mm)。流体通过液动冲击器钻杆柱内孔通道，经上接头1内孔，通过引流管3的中心孔13进入活阀7中心孔，液流通过活阀7下部侧排水孔16流出，经活阀7下端面与冲锤杆10上端面之间的自由行程间隙H，经过冲锤杆10的中心水孔进入下活塞腔a，由于冲锤杆10上的节流孔21的节流作用，下活塞腔a压力升高，由于冲锤杆10与外管9的环形空腔19通过下缸套11外侧排水通道22、冲击砧座12的泄水孔23与冲击砧座12中心水孔连通，环形空腔19中的液流与外管9外面的低压区相连通，液流在冲锤杆10下端面产生的液体压力大于冲锤杆10外侧，因此，活阀7上下端和由冲锤上段接头8、冲锤杆10组成的冲锤组件上下端产生压力差。由于活阀7质量远小于冲锤组件，活阀7在压力差作用下先于冲锤组件上行，当活阀7上移到其上端面与引流管3台肩下平面碰合时，活阀7停止运动。随后，冲锤组件在压差作用下，向上运动，当运动到冲锤杆10上端面与活阀7下端面碰撞时，活阀7与冲锤杆10上端面贴合面呈密封状态，由自由行程H流经冲锤杆10中心的液流通道切断，在活阀7外径与冲锤杆上接头8内孔形成的环状空间及活阀7内部流体压强骤然升高(水击效应)，由于活阀7的底部凸肩17处环状面积区的存在，形成将活阀7向下推和将冲锤组件向上推两个方向相反的作用力，在这两个方向相反的作用力下，活阀7与冲锤杆10紧紧贴合在一起，增强了阀、锤端的密封效果，保证水击压强不消散。由于中心水路瞬间被切断，巨大的水击压力使活阀
7和冲锤活阀组件快速向下，开始冲程运动。
[0034] 由于本发明的互锁式锤阀机构优点，液流在活阀7的台肩面积和冲锤上接头8的环状空间上端面上形成互锁力，互锁机构形成的互锁力使液动冲击器冲锤组件与活阀7在下行冲程过程中锤和阀保持紧密结合，同步下行，不会产生中途提前脱离现象。当活阀7和冲锤组件一起下行到限位垫5的限位位置时，限位垫5的U形卡槽口挂住活阀7，阻止活阀7继续下行。冲锤组件在惯性力作用下脱离活阀7下端面继续下行，走完自由行程H，冲锤杆10底部击打砧座12，击打力通过砧座12传递给液动冲击器的钻头，进行碎岩做功。此时，由于冲锤杆10上端面和活阀7下端面脱离了一段距离H，液动冲击器的中心水路打开，又开始下一个工作循环，周而复始，冲锤杆10以一定频率和冲击功击打砧座12，通过传递装置传到液动冲击器的钻头处，进行碎岩做功。在冲锤上行回程过程中，冲锤杆10与活阀7闭合的瞬间，由于互锁力的存在，冲锤杆10与活阀7能迅速闭合，产生巨大水击压强，避免现有技术中锤、阀碰撞闭合时产生回弹导致锤、阀闭合不严，降低水击压强，影响液动冲击器输出性能。锤阀互锁机构改善了液动冲击器冲锤杆10与活阀7的密封性能，提高了水能利用率，提高了液动冲击器的工作性能。
[0035] 上面结合附图和实施例对本发明作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。本发明中未作详细描述的内容均可以采用现有技术。
