一种可提高液动冲击器工作性能的滑阀式阀控机构的制作方法

1.本发明属于钻探、钻井机械领域，具体涉及一种可提高液动冲击器工作性能的滑阀式阀控机构。


背景技术：

2.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，让活阀先于冲锤到达上限位位置，然后冲锤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与活阀上端面，产生向下的推力，推动冲锤活阀一起下行，活阀在下限位装置作用下停止运动，冲锤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。
3.现有阀式双作用式液动冲击器的阀控机构存在下述问题：(1)冲锤在回程末了与活阀产生刚性碰撞，冲程越长、冲锤质量越大、冲锤回程速度赶快，碰撞越剧烈，导致阀座和活阀经常损坏，使液动冲击器不能正常工作而中断施工；(2)现有液动冲击器技术的阀控机构，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、锤—阀回程提前现象，从而导致冲击频率不稳、冲击功小、水能利用率低、冲击器工作性能下降等问题出现；(3)现有液动冲击器技术的阀控机构，阀程和冲程为一固定值，冲锤回程末了与活阀接触后，大量的能量消耗在锤阀剧烈碰撞上，甚至出现向上的打击力大于向下的打击力。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种可提高液动冲击器工作性能的滑阀式阀控机构，解决现有液动冲击器技术中阀控机构锤—阀刚性碰撞、阀座和活阀经常损坏、冲击器性能不稳定的技术不足，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。
5.实现本发明目的的技术方案：
6.一种可提高液动冲击器工作性能的滑阀式阀控机构，所述滑阀式阀机构包括：上接头、上缸套、限位垫、上导向套、滑阀、冲锤、外管和冲击砧座，冲锤下端与冲击砧座的砧座安装于下缸套内孔中；上述零部件安装在液动冲击器的外管内，外管上端与上接头通过螺纹连接，上接头上部与钻杆螺纹连接；外管下端与冲击砧座连接，冲击砧座下端连接钻头或钻具；冲锤上下往复运动，周期性地击打冲击砧座，击打力通过与冲击砧座传递给与之连接的钻具或钻头，进行碎岩做功。
7.外管上下两端螺纹尾端加工有与螺纹大小径同心的内孔和限位台阶；上导向套安装在外管上部内孔处，通过限位台阶定位，上导向套外径与配合安装的内孔滑动密封配合；
上导向套圆周开有侧排水孔，冲锤与滑阀往复运动时，上腔的流体通过侧排水孔进行排出与补充。
8.滑阀限位垫与上缸套外径等径，依次装入上导向套上部内孔，底部由上导向套的内孔台阶限位固定；上缸套外圆与上导向套上部内孔为滑动密封配合，两零件安装到位后上端面呈平齐状；上接头下端面与上缸套和上导向套上端面贴合压紧，三者中间设计有密封圈，防止流体泄漏泄压。
9.滑阀式阀控机构采用芯阀式结构，滑阀外圆呈两端小中间大不等径形状，滑阀有中心通水孔，底部封闭，近底端有侧向水孔；滑阀上端外圆与上缸套内孔滑动密封配合，滑阀沿上缸套内孔上下滑动运动；滑阀上部加工有环槽，环槽部分安装在限位垫的u形卡槽中，槽孔与滑阀环槽小径处外径有0.1mm～1.0mm的间隙配合，滑阀在u形卡槽内可上下自由活动；滑阀上下运动时其阀程h由环槽上下台肩和限位垫的上下平面进行限位控制。
10.安装滑阀时，先将滑阀上部环槽置于限位垫的u形槽中，然后将滑阀插入冲锤上端中心孔，再将上缸套压在限位垫上。
11.冲锤中心有钻井液流通道，底部有侧向节流孔。冲锤上段外径与上导向套内孔滑动配合，冲锤杆体上端外圆加工有花键式纵向导水排砂槽，可减小其与上导向套内孔壁间的摩擦面积，可有效防止冲洗液中泥砂阻卡；冲锤上段内孔呈不等径形状，上孔径大、下孔径小，两孔间加工有较大孔径的内环槽孔，内环槽孔与滑阀外圆形成环形腔室；位于内环槽孔上部有内孔与滑阀的粗径部分滑动密封配合，构成滑动配合密封面；位于内环槽孔下部的内孔与滑阀下端外圆滑动密封配合；冲锤杆体上段环槽孔上部内孔孔径大于下部内孔孔径，沿冲锤中心从上往下投影，两孔形成环形面积差；当冲锤回程上行至滑阀插入冲锤中心水孔)时，中心水路关闭并产生水击压强，水击压强作用于该环形面积上，推动冲锤快速向下击打冲击砧座做功；由于该受力环形面积比较小，使得冲锤在冲程运动时具有较高的下行速度，从而获得较高的击砧末速度，有利于提高液动冲击器的冲击功。
12.液动冲击器在启动前的自由状态下，滑阀与冲锤均处于下位，滑阀阀程为h，滑阀下端面与冲锤中心通液孔上端面间有自由行程h，此时滑阀式阀控机构的滑阀与冲锤中心水路处于开启状态；当钻井液通过与上接头连接的钻杆柱送入液动冲击器时，液流通过滑阀与冲锤间的自由行程h形成的环形通道进入冲锤中心水孔到下缸套内腔，由于下缸套内腔为封闭腔室，迫使液流通过节流孔并产生节流增压效果；滑阀下端受力面积大于上端受力面积，其质量较冲锤轻很多，于是滑阀先于冲锤在上下压力差作用下迅速上行到限位垫的滑阀上限位位置停住，紧跟着冲锤也在上下压力差的作用下向上运动，与滑阀滑动密封配合的冲锤内孔逐渐向滑阀下端面靠近，直到滑阀下部插入中心内孔关闭液流通道，液流受阻并产生水击效应，滑阀与冲锤内孔闭合位置以上的腔体内压力迅速升高；此时，滑阀上部为高压区，下部为低压区，滑阀在上下压差作用下迅速下行到限位垫的滑阀下限位位置停下，该状态是滑阀插入冲锤孔行程最长的状态；冲锤中心液流通道由于滑阀插入而关闭，上行速度快速减为零，冲锤杆体上段环槽孔与滑阀外圆的环形腔室中产生水击，水击压强作用于上下孔径不等形成的环形面积上，向下推动冲锤击打冲击砧座做功；冲锤击砧后，由于滑阀被限位垫限位制动而拔出内孔，恢复阀锤的自由间隙h，液流通道打开，滑阀与冲锤又开始新一轮向上回程运动，如此周而复始，冲锤不断击打冲击砧座产生冲击功，传递给钻头进行碎岩。
13.滑阀式阀控机构靠滑阀插入与拔出冲锤的中心水孔来实现液流通道的闭合与打开，全程无刚性碰撞，区别于之前阀控机构靠端面刚性碰撞贴合关闭液流通道形式。冲锤在向上回程和向下冲程运动过程中，滑阀下部可自由插入或拔出与之滑动密封配合的冲锤中心通液孔内孔；滑阀插入内孔时，液动冲击器中心液流通道关闭并产生巨大水击压强推动冲锤向下快速运动击打冲击砧座；滑阀拔出内孔时，液动冲击器中心液流通道打开，滑阀与冲锤开始向上回程运动；冲锤的回程与冲程长度随着输入液流能量的大小发生变化，输入液流能量大时锤程长，输入液流能量小时锤程短，此结构特征可最大程度地利用液流能量，提高液动冲击器液能利用率。
14.下缸套内孔与冲锤下端外圆为滑动密封配合，配合间隙0.05mm～0.15mm；冲锤下端相当于活塞，可以在下缸套内孔上下滑动；下缸套内孔与冲击砧座上部砧座外圆之间是滑动密封配合；下缸套安装在外管下端螺纹尾部内孔处，两零件为间隙滑动配合，并通过外管下部内孔的限位台肩对下缸套进行定位；下缸套外圆加工有花键式纵向水槽与外管下部内孔之间形成侧排水通道。
15.冲击砧座安装在外管下端，通过螺纹连接，冲击砧座下端连接钻头或钻具；冲击砧座中心有非贯通中心水孔，上部台肩对下缸套进行定位，沿台肩圆周加工有斜向侧排水孔与中心排水孔连通。
16.冲锤外径与外管内径之间形成环形空腔，下缸套外表面的花键式纵向水槽和冲击砧座台肩处的侧排水孔将环形空腔与冲击砧座中心水孔连通。
17.本发明的有益技术效果在于：
18.1、本发明滑阀式阀控机构靠滑阀插入与拔出冲锤中心孔来实现液流通道的闭合与打开，全程无刚性碰撞，避免了阀控零件因刚性碰撞而损坏导致冲击器不能正常使用的现象发生，有利于提高液动冲击阀控零件使用寿命，减少故障率，提高液动冲击器工作稳定性；
19.2、本发明滑阀式阀控机构具有滑阀行程固定、冲锤冲程动态变化的特点，冲锤的回程与冲程长度随着输入液流能量的大小发生长短变化，最大程度地利用了液流能量，产生较高的冲击功；
20.3、本发明水击压强作用于环形击锤受力面上，推动冲锤向下运动击打砧座做功，由于该受力环形面积小，使得冲锤在冲程运动时获得很高的下行冲击速度，提高冲击功；
21.4、本发明结构简单，加工容易，拆装、使用维护方便。
附图说明
22.图1为本发明所提供的一种滑阀式阀控机构结构实施方式示意图；
23.图2为本发明所提供的一种滑阀式阀控机构结构示意图。
24.图中：1、上接头；2、密封圈；3、上缸套；4、限位垫；5、上导向套；6、滑阀；7、冲锤；8、外管；9、下缸套；10、冲击砧座；11、上接头中心通孔；12、上接头的下端面；13、内孔；15、第一侧排水孔；16、上部内孔；17、纵向导水排沙槽；18、第二侧排水孔；19、下端外圆；20、下部内孔；22、环形空腔；23、钻井液流通道；24、侧向节流孔；26、限位台肩；27、抬锤槽；29、侧排水通道；30、泄水孔；31、中心排水孔。
具体实施方式
25.下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
26.如图1所示，本发明滑阀式阀控机构组件安装在液动冲击器上接头1与冲击砧座之10间的外管8内。滑阀式阀控机构包括：上接头1、密封圈2、上缸套3、限位垫4、上导向套5、滑阀6、冲锤7、外管8、下缸套9、冲击砧座10。
27.上接头1位于外管8上方，上接头1与外管8采用螺纹刚性连接，上接头1上部连接钻杆，钻井液经上接头中心通孔11进入冲击器。外管8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5从外管8上口放入安装到内孔内，上导向套5外径与配合安装的外管8内孔滑动密封配合，上导向套5通过外管8内孔限位台阶定位。上导向套5圆周开有第一侧排水孔15，冲锤7套设于滑阀6的外周，冲锤7与滑阀6上下运动时，上腔的流体通过第一侧排水孔15排出与补充。
28.滑阀限位垫4与上缸套3外径等径，依次装入上导向套5上部内孔，安装位置由上导向套5的内孔台阶限位固定；上缸套3外圆与上导向套5上部内孔滑动密封配合，两零件上端面平齐；上接头1的下端面12与上缸套3和上导向套5上端面贴合压紧，三者中间设计有密封圈2，防止流体泄漏泄压。
29.滑阀6中心有通水孔，底部封闭，下段侧面开有第二侧排水孔18；滑阀6上部外圆面与上缸套3内孔13配合面为滑动密封配合；滑阀6上段外圆加工有环槽，环槽小径部分安装在限位垫4的u形卡槽中，槽孔与滑阀环槽小径外径有0.1mm～1.0mm的间隙配合，滑阀6在限位垫4u形卡槽内可上下自由活动；滑阀6上下运动阀程h(5mm～50mm)由环槽上下台肩和限位垫4的上下平面进行限位控制。
30.安装滑阀6时，先将滑阀6上部环槽小径段置于限位垫4的u形槽中，然后将滑阀6插入冲锤7上部中心孔，使限位垫4安装到上导向套5上部内孔的限位台阶处，再安装上缸套3使其压在限位垫4上。
31.冲锤7中心有钻井液流通道23，底部有侧向节流孔24。冲锤7上段外径与上导向套5下部内孔滑动配合，冲锤7上端外圆加工有纵向导水排沙槽17，可减小其与导向套5内孔壁间的摩擦，可有效防止冲洗液中泥沙阻卡。
32.冲锤7上段一组内孔呈不等径形状，位于内环槽孔上部的上部内孔16、下部的下部内孔20分别与滑阀6中间粗径段和下端外圆19互为滑动密封配合；上部内孔16孔径大于下部内孔20，沿冲锤7中心从上往下投影，上部内孔16与下部内孔20形成环形面积差，该环形面积为冲锤7的击锤作用面积；当冲锤7回程上行时，冲锤7上段沿滑阀6向上运动，当滑阀6下部接近并插入下部内孔20内时，下端外圆19和下部内孔20形成密封，中心通道关闭，此时滑阀6下段相当于阀芯，冲锤7的下部内孔20部位相当于阀套；中心液流通道关闭产生水击压强，作用于冲锤7击锤环形面积上，推动冲锤7向下高速运动击打砧座10做功。
33.下缸套9位于冲锤7下方，下缸套9套设于冲锤7下方外周，下缸套9内孔与冲锤7下端外圆19为滑动密封配合，配合间隙0.05mm～0.15mm。冲锤7下端相当于活塞，可以在下缸套9中上下滑动。
34.冲击砧座10位于下缸套9的下方，下缸套9与冲击砧座10之间是滑动密封配合。
35.冲锤7上下往复运动，周期性地击打冲击砧座10，击打力通过砧座10传递给与冲击砧座10连接的钻具或钻头，进行碎岩做功。
36.冲击砧座10与外管8端部内孔为间隙配合，冲击砧座10安装于外管8端部内孔中，并通过外管8下部内孔的限位台肩26对冲击砧座10定位。
37.冲锤7与外管8之间形成环形空腔22，下缸套9外圆加工有纵向水槽与外管8之间形成侧排水通道29。冲锤7下部具有节流孔24，冲击砧座10的泄水孔30与中心排水孔31连通。
38.本发明提出的可提高液动冲击器工作性能的滑阀式阀控机构工作过程如下：
39.图1为本发明中可提高液动冲击器工作性能的滑阀式阀控机构初始工作状态，滑阀6悬挂在限位垫4的u形槽位置，滑阀6下端面与冲锤7下部内孔20上端面有一自由行程距离h(3mm～30mm)。流体通过钻杆柱内孔通道，经上接头1中心通孔11，通过上缸套3中心孔进入滑阀6中心孔，液流通过滑阀6下部第二侧排水孔18流出，通过滑阀6下端面与冲锤7下部内孔20上端面之间的自由行程间隙h形成的环形通道，进入冲锤7的中心水孔进入下缸套9活塞腔，由于冲锤7下部开有侧向节流孔24，在节流孔24的节流作用下，下腔压力升高，高压液体通过冲锤7下端面的抬锤槽27作用于冲锤7下端活塞截面上。由于冲锤7与外管8的环形空腔22通过下缸套9外侧排水通道29和冲击砧座10的泄水孔30，与冲击砧座10中心水孔31连通，环形空腔22中的液流与外管8外面的低压区相连通，冲锤7在下缸套9内的下端面产生的液体压力大于下缸套9外侧，因此，滑阀6上下端和冲锤7上下端产生压力差。由于滑阀6质量远小于冲锤7，滑阀6在压力差作用下先于冲锤7上行，当滑阀6上移到其上端环槽下台肩面限位垫4下平面碰合时，滑阀6停止运动。随后，冲锤7在压差作用下，开始向上运动，当运动到冲锤7下部内孔20与滑阀6下端开始插入配合时，滑阀6下端外圆面19与冲锤7下部内孔20内圆面互为滑动密封配合，冲锤7中心液流通道被切断，滑阀6下段外圆与冲锤7上部内环槽孔形成的环状空间、滑阀6内部、滑阀6上端面流体压强骤然升高(水击效应)，由于滑阀6向下受水击压强的作用面积大于向上受水击压强的面积，巨大的水击压力使滑阀6快速向下运动，直到滑阀6上段环槽上台肩面与限位垫4上平面贴合，滑阀6被限位垫4的u形槽挂住，滑阀6停止下行，此时冲锤7靠惯性向上速度逐渐减速至零，滑阀6插入冲锤7下部内孔20距离最大。
40.本发明滑阀式阀控机构在这一过程与以往阀式双作用液动冲击器阀控技术不同之处在于：本发明滑阀式阀控机构在冲程阶段滑阀与冲锤是相向运动，两者无刚性碰撞，通过滑阀6与冲锤7下部内孔20的插入滑动密封配合切断水路通道；而以往碰撞式阀控机构锤阀是同向运动，有刚性碰撞，靠碰撞端面贴合切断水路通道。当滑阀6下行到限位垫4限位位置停止下行时，水击压强作用于冲锤7上段环槽上部内孔16与下部内孔20形成环状面积上，推动冲锤7由零速开始加速下行进行冲程运动，滑阀6逐渐被拉出冲锤7下部内孔20，冲锤在惯性力作用下脱离滑阀6下端面继续下行，走完自由行程h，冲锤7底部击打冲击砧座10的砧面产生冲击力，击打冲击力通过冲击砧座传递给钻头，进行碎岩做功。此时，由于冲锤7上端面和滑阀6下端面脱离了一段距离h，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7以一定频率和冲击功击打冲击砧座10，通过传递装置传到钻头处，进行碎岩做功。滑阀式阀控机构克服了以往阀式双作用液动冲击器锤阀刚性碰撞导致零件过早损坏的技术不足，采用滑阀结构形式，利用滑阀插入与拔出阀孔来控制水路切断与打开，整个阀控机构在冲程与回程运动过程中无刚性碰撞，回程运动过程中锤阀的运动是相向运动，不同于碰撞阀控机构的同向运动；冲锤的回程与冲程行程随着输入液流的能量大小而发生变化：输入能量大时回程与冲程行程长，输入能量小时回程与冲程行程短；冲锤冲击受力活塞
面积小，下行运动速度快，击砧末速度高，冲击功大。本发明滑阀式阀控机构改善了液动冲击器的工作稳定性，提高了锤阀零件的使用寿命，提高了水能利用率，提高了液动冲击器的工作性能。
41.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。