潜孔钻机和用于钻岩的方法
阅读说明：本技术 潜孔钻机和用于钻岩的方法 (Down-the-hole drill and method for rock drilling ) 是由 奥利维耶·布吕昂代 于 2018-05-31 设计创作，主要内容包括：一种潜孔岩钻机和钻岩的方法。该钻机包括壳体(15),在该壳体内是控制套筒(20)。往复式活塞(19)被布置用以在所述控制套筒内移动并控制工作腔室(20、21)的馈送和排放。在所述控制套筒与所述壳体的内表面之间是流体按路线输送所需的所有的流体通道(28、29、30、31)。所述活塞打开和关闭横向开口,并控制工作循环。(A down-the-hole rock drill and a method of rock drilling. The drill includes a housing (15) within which is a control sleeve (20). A reciprocating piston (19) is arranged to move within the control sleeve and control the feeding and discharging of the working chambers (20, 21). Between the control sleeve and the inner surface of the housing are all fluid passages (28, 29, 30, 31) required for fluid routing. The piston opens and closes the lateral opening and controls the working cycle.)
技术领域
本发明涉及一种潜孔钻机，该潜孔钻机包括冲击装置，并且尤其涉及在冲击装置内的流体输送和按路线输送(routing)。钻机设有往复式冲击活塞，通过控制将加压流体馈送进入到工作腔室中和从工作腔室排放出来而移动所述冲击活塞，活塞的工作表面位于工作腔室处。活塞被构造用以撞击直接连接到钻机的钻头。
此外，本发明涉及一种用于钻岩的方法。
在本申请的独立权利要求的前序部分中更详细地描述了本发明的技术领域。
背景技术
能够借助于各种岩钻机器在岩石中进行钻孔。可以利用将冲击和旋转加以组合的方法来执行钻凿。于是，此种钻凿称为冲击式钻凿。此外，冲击式钻凿可根据冲击装置在钻凿期间是处在钻孔之外还是处在钻孔中进行分类。当冲击装置处在钻孔中时，钻凿通常称为潜孔钻(DTH)。由于冲击装置处在位于钻孔内的DTH钻机中，因此冲击装置的结构需要紧凑。
在已知的DTH钻机中，冲击装置的效率表现得不令人满意。
发明内容
本发明的目的是提供一种新颖并且改进的钻机和用于钻岩的方法。
根据本发明的钻机的特征在于独立设备权利要求的表征特征。
根据本发明的方法的特征在于独立方法权利要求的表征特征。
所公开的解决方案的思想是，该潜孔钻机包括伸长的壳体，在壳体内是控制套筒。钻机的冲击装置的流体驱动的往复式活塞布置在控制套筒内。换言之，壳体围绕控制套筒，而控制套筒围绕活塞。在活塞的两个端侧处是工作腔室，即：顶部工作腔室和底部工作腔室，根据活塞的工作循环，加压流体被馈送进入到工作腔室中，并且流体被从工作腔室排放出来。流动到两个工作腔室的馈送流和来自两个工作腔室的排放流在流体通道中进行输送，该流体通道被布置在控制套筒的外表面和壳体的内表面之间。换言之，馈送流和排放馈送流在位于控制套筒和壳体的表面之间的流动路径中进行输送。流体通道或流动路径位于活塞之外。
所公开的解决方案的优点是：结构可以相对简单并且构件的数目少。因此，维护容易，并且制造成本可以是较低的。不需要可移动的单独的控制元件，而是相反，控制元件提供了流体通道和开口，并且活塞控制通过流体通道和开口的流体流。
所公开的布置在活塞之外的流体按路线输送的优点允许处在顶部工作腔室和底部工作腔室内的活塞的工作区域的尺寸设定得尽可能大。受加压流体影响的工作区域的尺寸增加意味着能够产生更大的冲击脉冲。因此，可以提高冲击装置的效率，并且还有，冲击装置的外部尺寸不会显著增加。
一个实施例的构思是，活塞仅顶靠着控制套筒的内表面在径向方向上被支承和密封。换言之，活塞的承载表面和密封件位于活塞和控制套筒之间。优点在于，承载和密封表面更容易形成于较小的单独件，如活塞和控制套筒，而不是壳体或其它较大的形体部件。此外，活塞和控制套筒是分开的构件，从而允许它们在磨损时更换。
一个实施例的构思是，壳体的内表面和控制套筒的外表面彼此物理接触。换言之，除了在流体通道所位于的区域之外，这些表面彼此抵靠。
一个实施例的构思是，顶部工作腔室完全位于控制套筒的顶端部分内。
一个实施例的构思是，控制套筒是不可移动的控制元件。在工作循环期间，控制套筒不轴向移动或旋转。因此，控制套筒可以以不可移动的方式连接到壳体。活塞相对于控制套筒移动，并引起流体通道打开和关闭。
一个实施例的构思是，控制套筒的轴向位置能够相对于壳体调节。该解决方案的优点在于，可以通过调节控制套筒的轴向位置来细微调节馈送流和排放流的正时。因此，可以为钻机提供例如不对称的流体循环。位置调节可以借助于单独的调节元件(诸如调节螺钉)来执行。
一个实施例的构思是，壳体是单个件，由此结构可以是坚固耐用并且简单的。
一个实施例的构思是，壳体是简单的管状框架部件，而不具有复杂的钻孔和加工形状。壳体可以不具有任何横向贯通开口，并且壳体的内表面可以是光滑的。
一个实施例的构思是，控制套筒在其外表面上包括若干流体通道或流动路径。流动通道主要沿轴向指向，并且与横向贯通开口流体连接。横向开口允许流体在控制套筒的外表面和内表面之间流动。由于控制套筒的尺寸相对较小，因此易于为其提供所需的轴向和横向流体路径。
一个实施例的构思是，控制套筒在其外表面上包括若干凹槽。凹槽用作轴向流体通道。换言之，所提及的流体通道由凹槽和壳体的内表面限定。例如，借助于铣床，易于在控制套筒的外表面上加工出凹槽。
一个实施例的构思是，控制套筒的外周边具有用于将顶部工作腔室连接到流体供应的若干凹槽状顶部馈送通道。所述外周边还可以包括用于将底部工作腔室连接到流体供应的若干凹槽状底部馈送通道，并且此外还包括用于将流体从工作腔室排放出来的若干凹槽状排放通道。因此，控制套筒可以包括围绕套筒的外周边间隔开的两条或更多条类似的流体通道。使用围绕控制套筒的若干条类似流体通道确保了它们能够一起输送所需的流体流。
一个实施例的构思是，在壳体和控制套筒之间的流体通道在壳体的内表面上形成，而不是如先前的实施例中那样形成于控制套筒。因此，壳体的内表面可以设有形成流体通道的轴向部分的若干凹槽。控制套筒的外表面于是可以是不带有任何凹槽的光滑表面。然而，控制套筒仍然包括连接内部空间和外部空间的贯通孔。在该实施例中，流体通道的轴向部分由凹槽和控制套筒的光滑外表面限定。
一个实施例的构思是，在壳体和控制套筒之间的流体通道包括轴向部分，该轴向部分由控制套筒和壳体的凹槽的组合形成。因此，控制套筒的外表面和壳体的内表面都可以包括凹槽半部，该凹槽半部被对准，从而使得它们一起形成所需的流体通道。
一个实施例的构思是，活塞具有实心外表面或外壳。因此，活塞不具有任何的横向贯通开口。当活塞无交叉孔(cross hole)时，结构可以是简单并且坚固耐用的。然而，活塞可以包括或可以不包括从活塞端部到端部纵向延伸的至少一个轴向开口。在反向循环钻凿中，活塞包括中心开口，中心收集管穿过该中心开口布置。在该解决方案中，活塞是不具有横向孔的套筒状件。
一个实施例的构思是，活塞具有不带有任何的轴向或横向开口的实心构造。当活塞没有轴向或中心开口并且不具有交叉孔或任何的贯通开口时，活塞的结构是坚固并且耐用的。此外，实芯的活塞易于制造。
一个实施例的构思是，活塞具有平坦的顶端。换言之，顶端不具有凹部或肩部。
一个实施例的构思是，活塞的顶端具有凹部，该凹部用作顶部工作腔室的容积的一部分。然而，该凹部是盲凹部，即它不具有任何单独的流体通道。
一个实施例的构思是，活塞具有顶端，该顶端的面积对应于控制套筒的内表面的截面面积。换言之，控制套筒的内径限定了在冲击方向上实现的活塞的最大工作区域。
一个实施例的构思是，活塞的顶端包括面向顶部工作腔室的总体第一工作区域，并且活塞的底端包括面向底部工作腔室的总体第二工作区域。第一和第二工作区域的尺寸被设定为是相等的。然而，在可替代解决方案中，工作区域的尺寸不同，以确保在工作循环停止之后正确启动活塞的工作循环。
一个实施例的构思是，钻头包括中心凹部，该中心凹部具有朝向活塞的第一开口端和背对活塞的第二封闭端。钻头的凹部被构造用以构成另外的流体空间，并成为底部工作腔室的一部分。换言之，底部工作腔室的容积的一部分位于钻头内。当底部工作腔室部分地处在控制套筒内并且部分地处在钻头内时，底部工作腔室的容积可以增加，而不会增加钻机的外部尺寸。
一个实施例的构思是，钻头包括凹部，该凹部作为用于底部工作腔室用的另外的空间。该另外的流体空间被构造为经由所述凹部的开放的第一端到钻头的侧面并且进一步通过连接钻头的侧面与端面表面的单独冲洗沟道而进行排放。因此，所排放出来的流体可以借助于钻头的冲洗沟道被引导到钻头的端面表面。
一个实施例的构思是，钻头包括凹部，该凹部作为用于底部工作腔室的另外的空间。该另外的流体空间可以包括邻近于所述凹部的封闭端并延伸到钻头的侧面的一条或多条横向排放沟道。
一个实施例的构思是，冲击装置包括环形中心馈送腔室。该馈送腔室位于活塞的外表面和控制套筒的内表面之间。在冲击装置的工作循环期间，中心馈送腔室与入口端口恒定流体连接。因此，馈送压力在中心馈送腔室内占主导，并且活塞被构造用以控制从馈送腔室到顶部工作腔室和底部工作腔室的流体的馈送。活塞在工作循环期间移动打开和关闭了控制套筒的横向开口。
一个实施例的构思是，冲击装置包括由活塞的中心部分并且由控制套筒的内表面限定的环形中心馈送腔室。活塞的中心部分设有空腔，该空腔的直径小于活塞的端部的直径。换言之，活塞具有中心变细部分，该中心变细部分设有更小的直径并限定了所述环形馈送腔室。
一个实施例的构思是，冲击装置包括处在活塞的外表面和控制套筒的内表面之间的环形中心馈送腔室。进而，在控制套筒和壳体的内表面之间是从中心馈送腔室朝向顶部工作腔室延伸的至少一条轴向顶部馈送通道。相对应地是，在控制套筒和壳体的内表面之间是从中心馈送腔室朝向底部工作腔室延伸的至少一条轴向底部馈送通道。轴向顶部馈送腔室和轴向底部馈送腔室允许馈送流被从中心馈送腔室输送到工作腔室。两个工作腔室均经由中心馈送腔室进行馈送。
一个实施例的构思是，冲击装置包括处在活塞的外表面和控制套筒的内表面之间的环形中心馈送腔室。此外，在控制套筒和壳体的内表面之间是从控制套筒的顶侧端延伸到中心馈送腔室的至少一条主馈送通道。主馈送通道可以包括处在控制套筒的外表面上的凹槽。借助于主馈送通道，馈送流可以被从入口端口输送到中心馈送腔室，从该中心馈送腔室，流体可以被进一步输送到工作腔室。借助于主馈送通道，在工作循环期间，中心馈送腔室处于恒定的馈送流体连接状态。
一个实施例的构思是，冲击装置的顶部工作腔室和底部工作腔室通过一条或多条共用的轴向排放通道排放。该共用的排放通道也位于控制套筒和壳体的内表面之间。该共用的轴向排放通道连接到处于顶部工作腔室处的至少一个第一横向开口和处于底部工作腔室处的至少一个第二横向开口。当活塞移动时，它被构造用以交替地打开和关闭顶部工作腔室和底部工作腔室的排放开口。该共用的轴向排放通道可以延伸到钻头，该钻头可以在钻头的外表面上设有至少一个排放凹槽。
先前的实施例的可替代的解决方案是，顶部工作腔室和底部工作腔室具有其自身的排放通道。
一个实施例的构思是，钻机利用反向循环原理，其中钻屑被从钻头的端面侧通过位于活塞的中心开口内的内管输送。因此，在该解决方案中，活塞是不具有横向贯通开口的套筒状件。内管从钻头延伸到钻机的顶端部分。两个工作腔室均可以通过至少一条横向排放通道排放到钻头的侧面，并且进一步通过至少一条排放通道排放到钻头的端面侧。钻头包括从钻头的端部到端部延伸的中心开口。内管与钻头的中心开口的顶端流体连接，从而允许钻屑被从钻头的端面侧通过内管输送出钻机外。在该解决方案中，活塞的顶部工作区域和底部工作区域的尺寸都由工作腔室处的控制套筒的内径并且由内管的外径限定。
一个实施例的构思是，钻机是能够气动操作的装置，并且流体是加压气体，诸如加压空气。
一个实施例的构思是，钻机是液压装置。该装置例如可以借助于加压水来使用。
以上公开的实施例及其特征可以进行组合。
附图说明
在附图中将更详细地解释本发明的一些实施例，在附图中
图1示意性地示出设有DTH岩钻机器的岩钻机；
图2示意性地示出处在钻孔的底部处的DTH钻机；
图3a和3b示意性地示出DTH钻机的两个不同的截面图；
图4a和4b示意性地示出DTH钻机的两个不同的截面和局部视图，并且示出了底部工作腔室的馈送的正时；
图5a和5b示意性地示出DTH钻机的两个不同的截面和局部视图，并且示出了顶部工作腔室的排放的正时；
图6a和6b示意性地示出DTH钻机的两个不同的截面和局部视图，并且示出了底部工作腔室的排放的正时；
图7a和7b示意性地示出DTH钻机的两个不同的截面和局部视图，并且示出了顶部工作腔室的馈送的正时；
图8示意性地示出DTH钻机的实芯的活塞的侧视图，并且图9是该实芯的活塞的截面图；
图10示意性地示出DTH钻机的控制套筒；
图11和12示意性地并且以截面形式示出在壳体和控制套筒之间形成流体通道的两种替代性方式的原理；
图13示意性地并且以截面形式示出DTH钻机的一部分应用反向循环钻凿的原理；并且
图14和15示意性地并且以截面形式公开在活塞和控制套筒的内表面之间布置单独的密封元件的两种替代性方案。
在图中，为了清楚起见，简化地示出了本发明的一些实施例。在图中，相似的参考标号指代相似的部分。
具体实施方式
图1示出岩钻机1，该岩钻机1包括设有钻凿吊臂3的可移动载架2。吊臂3设有包括馈送梁5、馈送装置6和旋转单元7的岩钻单元4。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可以被支撑到载架8，利用该载架8，它被以可移动的方式支撑到馈送梁5。旋转单元7可以设有钻凿装备9，该钻凿装备9可以包括彼此连接起来的一根或多根钻管10，和处在钻凿装备9的最外端处的DTH钻机11。在钻凿期间，DTH钻机11位于钻出的钻孔12中。
图2示出DTH钻机11包括冲击装置13。冲击装置13相对于旋转单元7处在钻凿装备9的相反端处。在钻凿期间，钻头14被直接连接到冲击装置13，由此由冲击装置13产生的撞击P被传递到钻头14。钻凿装备9借助于图1中所示的旋转单元7在R方向上围绕其纵向轴线旋转，并且同时，旋转单元7和被连接于旋转单元的钻凿装备9借助于馈送装置6在馈送力F的作用下在钻凿方向A上馈送。然后，钻头14由于旋转R、馈送力F和撞击P的作用而使岩石破裂。加压流体通过钻管10被从压力源PS馈送到钻机11。加压流体可以是压缩空气，并且压力源PS可以是压缩机。压力流体被引导，以影响钻机的冲击活塞的工作表面，并使活塞以往复的方式移动并撞击钻头的冲击表面。在被用在钻机11的工作循环中之后，压缩空气被允许从钻机11排放出来，并且由此为钻头14提供冲洗。此外，所排放出来的空气在钻孔和钻凿装备9之间的环形空间中将钻出的岩石材料从钻孔中推出。可替代地是，钻屑被从位于穿过冲击装置的中心内管内的钻孔端面移除。这种方法被称为反向循环钻凿。
图2用箭头TE指示钻机11的上端或顶端，并且用箭头BE指示钻机11的下端或底端。
图3a和3b公开了DTH钻机11及其冲击装置13。在图3a和3b中在不同的点处示出截面，从而呈现出围绕内部结构布置的开口和流体通道。钻机11包括伸长的壳体15，其可以是相对简单的套筒状框架件。在壳体15的顶端TE处安装了连接件16，借助于该连接件16，钻机11能够被连接到钻管。连接件16可以包括带螺纹的连接表面17。用于将加压流体馈送到冲击装置13的入口端口18与连接件16相连。入口端口18可以包括阀装置18a，该阀装置18a允许朝向冲击装置馈送流体，但是防止在相反方向上的流动。冲击装置13包括活塞19，该活塞19被布置成在其工作循环期间以往复方式移动。在活塞的底端BE处是冲击表面ISA，该冲击表面ISA被布置用以撞击处在钻头14的顶端处的冲击表面ISB。如能够注意到的那样，活塞19是实芯件，因此它在轴向方向和横向方向上不带有任何贯通沟道或开口。在壳体15和活塞19之间是控制套筒20，该控制套筒在工作循环期间不被移动。在活塞19的顶端TE一侧处是顶部工作腔室21，并且在相反端一侧处是底部工作腔室22。活塞19的运动被构造用以打开和关闭流体通道，以馈送和排放工作腔室21、22，并且由此引起活塞19朝向冲击方向A和返回方向B移动。在图3a、3b中，活塞19处在冲击点处，其中冲击表面ISA已经撞击(stroke)钻头14。在壳体15的内表面和控制套筒20的外表面之间执行流体按路线输送。控制套筒20的外周边可以包括用作流体通道的若干凹槽。横向开口可以将凹槽连接到工作腔室、入口端口和排放沟道。
由于活塞19处在控制套筒20内，因此控制套筒的内径限定了顶部工作表面23和底部工作表面24的最大外径。顶部工作腔室21处在控制套筒20内，而底部工作腔室22部分地由钻头14的中心凹部25限定。
在活塞19的中心部分处是直径较小的变细部分26，使得在变细部分和控制套筒20之间是环形中心馈送腔室27。馈送腔室27通过一条或多条主馈送通道28而与入口端口18恒定地流体连接。主馈送通道28借助于横向开口41被连接到入口端口18，并借助于横向开口42被连接到中心馈送腔室27。通过从中心馈送腔室27通过一条或多条顶部馈送通道29和底部馈送通道30来输送流体，对顶部工作腔室21和底部工作腔室22进行馈送。此外，工作腔室21、22可以借助于一条或多条排放通道而进行排放，所述排放通道对于两个工作腔室21、22可以是共用的。馈送通道28、29、30和共用的排放通道31与它们的横向开口一起在呈现出控制套筒20的图10中最佳地示出。
在图3a、3b中，活塞19具有通向共用的排放通道31的打开的横向开口32，由此顶部工作腔室21通过排放沟道33a、33b被排放到钻头14的端面。在共用的排放通道31和底部工作腔室22之间的横向开口34被活塞19封闭。图3a示出活塞19具有打开的横向开口35，由此流体被从中心馈送腔室27通过底部馈送通道30和横向开口36而馈送到底部工作腔室22。当顶部工作腔室21被排放并且加压流体被馈送到底部工作腔室22时，活塞19开始朝向返回方向B运动。
图3b进一步示出，在钻头14的凹部25的底端处可以是横向排放开口37，从而当钻头14相对于壳体15在冲击方向A上移动时，该横向排放开口37允许流体冲洗到钻头的侧面，以执行对所钻出的钻孔的冲洗。
图4a和4b公开了当活塞19在冲击方向A上移动并且活塞19的边缘38将要打开底部馈送通道30的横向开口35时的情形。然后，底部工作腔室22经由主馈送通道28、中心馈送腔室27和底部馈送通道30而被连接到入口端口18。
图4b进一步公开了在中心馈送腔室27的相反两侧上，活塞19的端部具有不同的直径D1、D2，由此确保在停止之后，当馈送压力在中心馈送腔室中作用在具有不同面积的压力表面上时，活塞19开始移动。
图5a和5b公开了活塞19从顶部行程位置朝向冲击方向A移动，并且边缘39将要打开通向排放通道31的横向开口32，以排放顶部工作腔室21。活塞19的边缘40已经封闭了处在底部工作腔室22和排放通道31之间的横向开口34。
图6a和6b公开了由于压力流体在封闭的底部工作腔室22中膨胀，所以活塞19正朝向返回方向B移动。当活塞19在返回方向B上向前移动时，活塞的边缘40打开横向开口35，并且将底部工作腔室22连接到排放通道31。进而，边缘39已经关闭了从顶部工作腔室21到排放通道31的连接，由此顶部工作腔室21被准备用于流体馈送。
图7a和7b公开了横向馈送开口44将被活塞19的边缘45打开。然后，流体通过顶部馈送通道29和横向开口43被输送到顶部工作腔室21。处在底部工作腔室22和排放通道31之间的排放开口34已被打开。
图8和9公开了可以是实芯件的活塞19，其不具有任何的横向或轴向开口。如上已经提到的那样，活塞19包括具有与端部处的直径D1、D2相比更小的直径D3的中心变细部分26。由于活塞19的往复运动被构造用以控制冲击装置的工作循环，所以活塞19设有边缘38、39、40和45或控制表面，以如以上公开的那样打开和关闭流体通道的横向开口。
图10公开了具有内表面IS和外表面OS的控制套筒20。活塞被抵靠内表面IS进行支撑并密封，并且外表面OS与壳体的内表面接触。在外表面OS上有若干凹槽G和将凹槽G与控制套筒20的内表面侧连接起来的横向开口。控制套筒20包括带有开口41和42的一条或多条主馈送通道28、带有开口43和44的一条或多条顶部馈送通道29、带有开口35和36的一条或多条底部馈送通道30，和另外的带有开口32、34和46的一条或多条排放通道31。
然而，代替共用的排放通道，工作腔室可以具有其自身的排放通道。
图11公开了一种解决方案，其中，壳体15设有凹槽G，并且控制套筒20具有光滑的外表面，并且在凹槽G处设有开口OP。在图12中，壳体15和控制套筒20这两者均设有凹槽半部G1、G2，所述凹槽半部一起形成所需的流体通道FP。
图13公开了钻机11的一部分，其与以上公开的解决方案的不同之处在于，活塞19是套筒状件，内管47从中穿过。因此，活塞19具有中心开口48。内管47从钻头14延伸到钻机11的顶端TE。在内管47内是用于将钻屑从钻孔中输送出的沟道49。基本操作原理与上述的基本相同。同样，在控制套筒20和壳体15之间执行流体按路线输送。
图14公开了与图8的活塞19相对应的活塞19，除了图14的活塞设有密封件S之外。于是，具有较大直径D1和D2的端部两者都可以具有布置在形成于其外周边上的密封件凹槽上的两个密封件S。密封件S可以轴向地靠近控制边缘38、39、40和45定位，这些控制边缘被布置用以在操作期间打开和关闭流体通道。借助于密封件S，可以减少流体泄漏，并且可以增加冲击装置的效率。然而，如图15中所示的那样，可以通过将密封件S布置在控制套筒20的内表面IS上来代替活塞19的密封件S。密封件凹槽SG可以在内表面IS上形成，以便接纳密封件。密封件S轴向地位于处在穿过控制套筒的开口之间的选定位置处。在其它情况中，控制套筒20的操作和结构可以对应于以上已经公开的内容。
附图和相关描述仅旨在示意本发明的构思。本发明的细节可以在权利要求书的范围内改变。