导向适配器的制作方法

1.本发明总体上涉及一种用于在冲击钻探期间引导钻头的导向适配器，并且涉及一种包括所述导向适配器的钻探装置。


背景技术：

2.在建筑作业部门和采矿业中，冲击钻探(诸如顶锤钻探)是一种用于使用布置在伸长的钻柱或钻探钢丝绳(cable)的前端中的钻头钻探出竖直钻孔的成熟方法。在钻探期间，来自液压驱动活塞的锤击作用在钻柱上，以施加所需的力来破碎岩石并生成钻孔。
3.在钻探期间，随着钻孔深度的增加，通过添加另外的钻柱杆来增加钻柱的长度。当钻孔的深度增加时，偏离钻孔的预期直线方向的风险也增加。可以通过在钻头与钻柱或钻探钢丝绳之间添加导向适配器来减少偏离问题，从而为钻柱的前端和钻头提供额外的支撑。在us8051927b2中公开了导向适配器的一个示例。
4.然而，总是需要在不增加偏离问题的情况下提高钻探性能。


技术实现要素：

5.实现满足上述需求中的至少一些需求的导向适配器将是有利的。为了更好地解决这些问题中的一个或多个问题，提供了在独立权利要求中限定的导向适配器。在从属权利要求中限定了优选实施例。
6.用于在冲击钻探期间引导钻头的导向适配器，所述导向适配器旨在布置在钻头与沿着轴线a延伸的伸长的钻柱之间，所述钻头具有横向于轴线a的第一半径。根据本发明的导向适配器包括：
7.套筒形适配器本体，该套筒形适配器本体旨在沿着轴线a延伸并包括前端和后端，该前端具有旨在将导向适配器连接到钻头的第一联接部，该后端具有旨在将导向适配器连接到钻柱的第二联接部；以及
8.多个导向元件，该多个导向元件相对于轴线a从套筒形适配器本体基本上径向地延伸，
9.其中，导向元件沿着轴线a沿着适配器本体长度的60％或更少延伸并布置在适配器本体的后端，所述导向元件在后端具有在从轴线a的径向方向上基本等于所述第一半径的延伸以及沿着轴线a朝向前端弯曲的、直的或阶梯式减小的径向延伸。
10.根据本发明的导向适配器是有利的，因为布置在导向适配器的后端的、具有所要求保护的特征的导向元件将提供钻头的期望导向，并且同时减轻导向适配器的重量，这对于提高钻探性能是一个相当大的优势。此外，导向元件的特性设计减小了导向元件与钻孔之间的摩擦，因为只有导向元件的后端将与钻孔的侧壁接触，这进一步提高了钻探性能。导向适配器的后端的导向元件优选地是具有在从轴线a的径向方向上的延伸，该延伸基本上等于最大半径(即，钻头的第一半径)，使得导向适配器的导向元件将提供抵靠钻孔的侧壁的支撑并减小与期望的直的钻孔方向的偏离。
11.在导向适配器的一个实施例中，导向适配器包括具有基本相同的形状和尺寸的至少五个导向元件。该实施例是有利的，因为五个或更多个导向元件将提供钻头的非常好的导向并防止偏离。
12.在导向适配器的一个实施例中，导向元件基本上是直的并且沿着套筒形适配器本体平行于轴线a延伸。由于导向元件是直的并且平行于轴线a，所以可以以高效的方式制造该实施例。
13.在导向适配器的一个实施例中，在横向于轴线a的平面中，导向元件具有朝向套筒形适配器本体布置的基部，所述导向元件具有在从轴线a的径向方向上的锥形形状并且由外端表面终止。具有这种设计的导向元件在钻孔内提供优异的支撑，并且对于在钻探期间施加的载荷具有很强的抵抗力，这是因为较宽的基部给导向适配器本体提供了很强的约束，同时锥形形状减少了导向适配器的材料量，并因此减少了其重量，这提高了该装置的性能。
14.在导向适配器的一个实施例中，外端表面成形为类似圆弧，其半径对应于从轴线a到外端表面的半径。弯曲的外端表面提供了抵靠钻孔的侧壁的优异的支撑，并且非常耐磨。
15.在导向适配器的一个实施例中，至少一个导向元件的外端表面的至少一个区域被硬层覆盖。导向适配器本体和导向元件由金属材料制成，并且所涂敷的更硬且更耐磨的材料的硬层增加了导向适配器的使用寿命。
16.在导向适配器的一个实施例中，通过在导向元件的面向钻孔侧壁的整个表面上设置硬层，将该硬层沿着轴线a沿着全部导向元件涂敷在外端表面上，以增加导向适配器的使用寿命。硬层是由比导向适配器本体的金属材料更硬且更耐磨的材料制成的层。该材料为包括铁基合金、钴基合金、镍基合金、难熔金属、硬质合金、金属基复合材料和/或碳化铬合金的材料。这些不同的替代材料提供了保护层，该保护层可以承受磨损并增加导向适配器的更换之间的间隔。硬层在与外端表面垂直的方向上的厚度在0.1-10mm的范围内，并且优选地是在0.1-4mm的范围内，以提供导向适配器的导向元件的期望保护。
17.在导向适配器的一个实施例中，导向元件包括后端表面，并且至少一个导向元件的后端表面被后端表面硬层覆盖。因为从岩石去除以形成钻孔的材料保留在钻孔内并且由于重力而倾向于落在导向元件的后端表面上，所以后端表面暴露于磨损。后端表面硬层的涂敷延长了导向适配器的使用寿命，这是因为导向元件的后端受到后端表面硬层的保护。后端表面硬层在与后端表面垂直的方向上的厚度在0.1-10mm范围内，优选地是在0.1-4mm范围内，并且由与布置在导向元件的外端表面上的硬层相同类型的材料制成。
18.在导向适配器的一个实施例中，导向元件在所述后端具有：在从轴线a的径向方向上的、为所述第一半径的约94-96％的延伸；以及在导向元件的前端的、为所述第一半径的约89-91％的径向延伸。具有这种设计的导向元件提供了优异的钻头导向和期望的钻探性能。
19.在导向适配器的一个实施例中，在导向元件中的至少一个导向元件的外端表面中布置有磨损指示器，以指示导向适配器何时磨坏并且需要更换。该实施例帮助操作者及时更换导向适配器以确保钻头的期望导向。
20.在导向适配器的一个实施例中，磨损指示器是布置在顶端表面中的凹口、凹部或切口部，所述凹口、凹部或切口部具有一深度，该深度被选择成使得当导向适配器磨坏时，
凹口在顶端表面中不再可见。该实施例使操作者易于验证导向适配器的状况，并且如果需要的话，则更换导向适配器。
21.在导向适配器的一个实施例中，从轴线a到磨损指示器的距离在导向适配器的后端的在从轴线a的径向方向上的导向元件延伸的80-99％的范围内，并且优选地是在导向适配器的后端的在从轴线a的径向方向上的导向元件延伸的85-95％的范围内。这些范围被选择用以确保及时更换导向适配器，以确保钻头的期望导向。
22.在导向适配器的一个实施例中，导向元件沿着轴线a沿着适配器本体长度l的50％或更少延伸，可替代地是沿着轴线a沿着适配器本体长度l的40％或更少延伸。这些长度被选择用以确保钻头的期望导向以及优异的钻探性能。
23.在导向适配器的一个实施例中，导向元件沿着轴线a沿着适配器本体长度l的10-60％延伸，优选地是沿着轴线a沿着适配器本体长度l的15-50％延伸，更优选地是沿着轴线a沿着适配器本体长度l的20-40％或18-35％延伸。这些长度被选择用以在减少钻探组件的重量(这提高了穿透率)与具有足够的长度以能够维持导向适配器的使用寿命之间实现最佳平衡。在长度在该范围内的情况下，确保了实现钻头的期望导向以及优异的钻探性能。
24.在导向适配器的一个实施例中，导向元件的径向延伸在从后端朝向前端的方向上减小，使得导向元件将具有沿着轴线a的凸形形状，或沿着轴线a相对于轴线a成角度的基本直的形状。
25.此外，本发明涉及一种用于冲击钻探的钻探装置，所述装置包括钻柱、具有横向于轴线a的第一半径的钻头以及根据权利要求1的导向适配器，该导向适配器布置在钻柱与钻头之间，以减小偏离风险。
附图说明
26.参考附图，通过以下优选实施例的说明性和非限制性详细描述，将更好地理解本发明，在附图中：
27.图1是包括钻柱杆、导向适配器和钻头的钻探装置的立体图，以及布置在钻柱的一端的导向适配器和钻头以及布置在钻柱的相对端的联接部的放大图。
28.图2示出了钻柱杆的前端、导向适配器和钻头的分解图。
29.图3示出了导向适配器的一个实施例的立体图。
30.图4示出了导向适配器的横向于纵向轴线a的截面图。该截面图的位置由图3中的箭头iv示出。
31.图5示出了导向适配器的平行于穿过导向适配器的中心的纵向轴线a的截面图。该截面图的位置由图3中的箭头v示出。
32.图6示出了装配在一起的钻头和导向适配器的侧视图。
33.所有附图都是示意性的、不一定按比例绘制，并且总体上仅示出了阐明本发明所必需的部分，其中，可以省略或仅提出其它部分。
具体实施方式
34.在图1中，示出了根据本发明的钻探装置的立体图。钻探装置包括钻柱杆10、根据本发明的导向适配器100，以及钻头20。钻柱杆10包括沿着纵向轴线a延伸的伸长的中间段
11(如图3所示)。在所示实施例中，凸联接部12布置在中间段的一端，并且凹联接部13布置在相对端。凸联接部和凹联接部旨在能够将导向适配器和钻头连接在钻柱杆的前端中，并且钻柱杆的后端中的凹联接部旨在通过将相同的钻柱杆的凸联接部连接到相邻钻柱杆的凹联接部来连接另外的钻柱杆，以形成具有期望长度的钻柱100。在钻探期间，随着钻孔深度的增加，连接另外的钻柱杆10，以延长钻柱100的长度。在所示实施例中，示出了凸/凹联接部，但可以使用其它联接装置来使该装置适于不同的需求。
35.在钻探期间，钻柱10的后端连接到液压驱动的活塞(未示出)，该活塞布置用以提供期望的轴向力和钻柱、导向适配器和钻头的旋转，以进行冲击钻探。钻柱杆、导向适配器和钻头的设计适于源自不同类型的岩石材料和所期望的钻孔直径的特定需求。更大的钻孔直径需要更大尺寸的不同部件，以确保它们能够承受在钻探期间的载荷。
36.钻柱杆可以以不同的方式实施，并且例如中间段10可以具有圆形、矩形、五边形或六边形的截面形状，只要确保所需的强度即可。中间段是实心的，或者包括在中间段的中心延伸穿过钻柱杆的通路，以允许冲洗介质通过钻柱到达布置在钻柱的前端中的钻头，以在钻探期间从岩石去除颗粒和砾石。冲洗介质例如是空气、水或空气和水的混合物。
37.图2示出了沿着轴线a的分解图，其中，钻柱杆10的前端、导向适配器100和钻头20彼此分开示出，以更清楚地示出不同部件的设计。布置在中间段11的前端中的凸联接部12包括沿着轴线a与中间段同轴延伸的凸插口部14。在所示实施例中，凸插口部14具有与中间段11基本相同的半径，但可以改变尺寸，以使插口部14和中间段适于不同的需求。凸插口部14包括外螺纹15，该外螺纹沿着轴线a沿着插口部的整个长度延伸。在图1所示的凸联接部的相对端，凹联接部13永久地装配到中间段11。图1所示的凹联接部13的形状和尺寸对应于凸联接部12(即，凸插口部14)的尺寸，以使得能够将相同的钻柱杆10彼此连接起来，以形成钻柱。凹联接部13包括与中间段同轴延伸的套筒形元件16。套筒形元件16具有内螺纹17，该内螺纹对应于凸插口部14上的外螺纹15。
38.导向适配器100附接到钻柱杆的前端，以在钻探期间提供钻头20的额外导向并减少与期望的直的钻孔方向的偏离。根据本发明的导向适配器的不同实施例将在后面的详细说明中进一步进行详细描述。
39.导向适配器的不同实施例全都包括旨在与轴线a同轴延伸的套筒形适配器本体101。适配器本体具有：前端102，该前端具有旨在将导向适配器100连接到钻头20的第一联接部104；以及后端103，该后端具有旨在将导向适配器100连接到钻柱10的第二联接部105。
40.钻头20通过第一联接元件104装配到导向适配器100的前端102。在所示实施例中，导向适配器100的第一联接部104是凸联接部，并且在钻头20的后端28中，对应的凹联接部22布置在钻头本体21内。钻头本体21与轴线a同轴延伸。钻头本体21沿着轴线a的长度取决于钻头的尺寸和预期用途。钻头的前表面23是基本上平坦的或者是凸形的。在前表面23中布置有若干个球齿(buttons)24。球齿由更硬且更耐用的材料制成，并且旨在在钻探期间形成期望的钻孔。球齿被定位成使得沿着前表面的周边的球齿限定钻头的最大半径(即，第一半径)，并且因此，当开始钻探时，将形成钻头的钻孔的半径。存在有不同的众所周知的用于球齿的合适材料，以及本领域已知的前表面和球齿的许多不同布局和设计。在钻头的前表面24的后方，钻头本体具有较窄段30，该较窄段具有基本上圆形的截面形状，其距轴线a的径向延伸比第一半径小。在较窄段的后方，钻头本体包括后段29。沿着后段29，多个导向肋
31从钻头本体在基本上径向方向上延伸。导向肋31沿着钻头本体的后段基本上平行于轴线a延伸并且具有略小于第一半径(即，钻头的最大半径)的径向延伸。导向肋旨在为钻头提供抵靠钻孔侧壁的支撑，以减少与期望的直的钻孔方向的偏离。
41.在图2、图3和图5所示的导向适配器实施例中，第一联接部104是凸联接元件110，并且第二联接部105是对应于钻柱杆10的前端中的凸联接部12的凹联接元件111。套筒形适配器本体101具有沿着轴线a的长度l，并且套筒形适配器本体沿着前半部的外半径略小于后半部的外半径。然而，适配器本体的设计可以以若干种不同的方式进行修改，以使导向适配器适于不同的需求。
42.凸联接元件110包括从适配器本体101的前端102与轴线a同轴延伸的凸插口部112。在所示实施例中，凸插口部112具有比适配器本体101的前端102小的半径。凸插口部112包括外螺纹113，该外螺纹沿着轴线a沿着插口部的整个长度延伸。插口部由横向于轴线a的接触表面114终止。接触表面旨在支承抵靠于钻头中的对应表面，使得轴向载荷经由接触表面112从钻头传递到导向适配器。适配器本体长度l被定义为导向适配器的总长度，即，适配器本体包括凸联接部的插口部。
43.在适配器本体与凸联接部相对的一端处，凹联接部111布置在适配器本体101的后部内。凹联接部111实施为具有圆形截面形状的凹部113，该凹部横向于轴线a从导向适配器100的后端在适配器本体内与轴线a同轴延伸。凹部的半径对应于凸联接部12(即，钻柱杆的凸插口部14)的半径，以使得能够将钻柱杆10的前端连接到导向适配器。凹联接部具有对应于凸插口部14上的外螺纹15的内螺纹114。
44.为了在钻探期间提供钻头的期望导向，导向适配器包括沿着适配器本体的后部延伸的导向元件106。导向元件的设计在图3、图4和图5中示出。
45.在横向于轴线a的平面中，导向元件具有：图3所示的基部115，该基部朝向套筒形适配器本体101布置；以及第一侧表面116和第二侧表面117，该第一侧表面和第二侧表面从适配器本体延伸。导向元件在从轴线a的径向方向上具有锥形形状并且由在第一侧表面与第二侧表面之间延伸的外端表面107终止。外端表面107成形为类似圆弧状，其半径对应于轴线a到外端表面的半径。然而，第一侧表面和第二侧表面以及外端表面的设计可以以许多不同的方式进行修改。
46.导向元件具有基本相同的形状和尺寸并且围绕适配器本体的周边以彼此相距恒定的距离并排布置。导向元件基本平行于轴线a沿着适配器本体的后端103延伸。
47.导向适配器的后端中的导向元件106具有在从轴线a的径向方向上的、与钻头的最大半径rf相对应的延伸以及沿着轴线a朝向前端弯曲的、直的或阶梯式减小的径向延伸，这在附图中示出。
48.为了提供钻头的期望导向，必要的是钻头和导向适配器的尺寸彼此对应，并且在图6中，示出了钻头和对应的导向适配器的径向延伸。钻头可以以多种不同的方式实施，但钻头的必要特征是钻头的最大半径(即，第一半径rf)，一旦开始钻探，则该钻头的最大半径将决定所形成的钻孔的尺寸。旨在与所描述的钻头组合使用的根据本发明的导向适配器优选地是具有导向元件106，该导向元件在后端中在从轴线a的径向方向上的延伸rr为所述第一半径rf的约94-96％，该第一半径即为旨在与导向适配器结合使用的钻头的最大半径。
49.由于导向元件的径向延伸朝向导向适配器的前端减小，所以在导向元件的前端中
的导向元件的径向延伸rm是所述第一半径rf的约89-91％，该第一半径即为旨在与导向适配器结合使用的钻头的最大半径。
50.图6中的导向元件106的径向延伸在从后端朝向前端的方向上减小，使得导向元件将具有沿着轴线a的凸形形状。由于导向元件的锥形形状，导向元件的减小的径向延伸还导致外端表面将会横向于轴线a稍宽。如果导向元件的径向延伸沿着基本直的形状减小，则同样的结果也将适用，其中所述基本直的形状沿着轴线a相对于轴线a成角度。在导向适配器的所示实施例中，过渡段124形成为邻近于导向元件的前端，以在导向元件106的前端与套筒形适配器本体101之间形成平滑过渡。
51.当今市场上有多种不同尺寸的钻头可用，并因此将会需要对应的导向适配器，以确保钻探装置的期望性能。
52.此外，每个导向元件包括后端表面109。在导向适配器的所示实施例中，后表面具有波浪形状而不是横向于轴线a的平坦表面，以促进从钻孔输送颗粒或砾石。所述端表面可以通过若干种方式进行修改，以使导向元件适于不同条件。
53.为了延长导向适配器的使用寿命，在钻探期间暴露于严重磨损的表面可以由涂敷在导向元件的外端表面107上的附加的保护硬层108覆盖，这是因为这些表面将会与钻孔的孔壁接触以引导钻头。导向适配器由金属材料制成，并且一个或多个导向元件的外端表面的有限区域或整个外端表面覆盖有更耐磨的所述硬层。优选地是，所有外端表面都被硬层108覆盖，以确保所有导向元件具有相似的特性。
54.此外，一个或多个导向元件的后端表面109可以被后端表面硬层122覆盖。
55.硬层108和122由比导向适配器的金属材料更硬且更耐磨的材料制成，以使导向适配器的暴露表面能够长时间承受磨损。
56.在外端表面107和后端表面109上所涂敷的硬层在垂直于被覆盖的表面的方向上的厚度在0.1-10mm的范围内。硬层厚度在整个覆盖区域上是不变的，或者被调整，使得在磨损风险较高处涂敷较厚的层。
57.更硬且更耐磨的材料层可以是不同类型的材料。材料的示例是包括具有期望特性的铁基合金、钴基合金、镍基合金、难熔金属、硬质合金、金属基复合材料和/或碳化铬合金的材料。另外的材料也是可能的。
58.涂敷更硬且更耐磨的材料层的技术通常被称为“耐磨堆焊”。耐磨堆焊是一种金属加工工艺，其中将更硬或更坚韧的材料涂敷于基部金属。通常将材料焊接到基部材料，以确保所涂敷的材料粘附到基部材料。替代方法涉及使用焊接到需要保护层的产品的表面的粉末金属合金。
59.导向适配器100还包括磨损指示器120，该磨损指示器布置在导向元件106中的至少一个导向元件的外端表面107中，以指示导向适配器何时磨坏并且需要更换。磨损指示器是沿着顶端表面的在便于操作者检查的某个地方处布置在顶端表面107中的凹口120、凹部或切口部。优选地是，凹口120、凹部或切口部布置成靠近导向元件106的前端，在该前端处，导向元件的径向延伸较小并且钻孔对导向元件的载荷小于钻孔导向适配器的后端的载荷，以防止影响导向元件的强度。凹口、凹部或切口部具有一深度，该深度被选择成使得当导向适配器100磨坏时，凹口在顶端表面107中不再可见。磨损指示器的深度被选择成使得磨损指示器底部的径向延伸rw在导向适配器的后端的在从轴线a的径向方向上的导向元件延伸
rr的80-99％范围内。在磨损指示器的优选实施例中，深度在导向适配器的后端的在从轴线a的径向方向上的导向元件延伸rr的85-95％的范围内。
60.虽然已经在附图和前面的描述中详细说明和描述了本发明，但这样的说明和描述被认为是说明性的或示例性的而不是限制性的；本发明不限于所公开的实施例。本领域技术人员理解在如所附权利要求书所限定的范围内可以设想到许多修改、变化和变更。
61.此外，通过研究附图、公开内容和所附权利要求书，本领域技术人员在实践要求保护的发明时可以理解和实现对所公开的实施例的变化。在权利要求书中，“包括”一词不排除其它元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中叙述某些措施这一事实并不表示这些措施的组合不能有利地使用。权利要求书中的任何附图标记不应被解释为限制权利要求书的范围。