潜孔锤钻进
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发布时间：2022-04-24 01:46
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时间：2023-07-09 22:45
风动冲击器也称风动潜孔锤,是以压缩空气作为动力介质,驱动其工作的。同时压缩空气也兼做洗井介质。所以使用风动冲击器进行冲击回转钻进时,也具有空气洗井钻进一些特点。例如在空气洗井钻进中,为了洗井干净,获得较高钻速,钻杆外环间隙的上返风速须在10～15m/s以上。所以在风动冲击回转钻进时也使用较大直径的钻杆,以使环状间隙减小,达到提高上返风速的目的。
在生产实践中,风动冲击回转钻进比液动冲击回转钻进的效率高,一般可高0.75～1.60倍。但使用风动冲击器钻进,需要配备能力较大的空压机,燃料消耗较大,设备也较复杂。
(一)潜孔锤结构
1.有阀式冲击器
这种类型的冲击器,推动活塞上下排气运动的空气,是由配气机构的阀片控制的。有阀冲击器按排气方式又可分为旁侧排气和中心排气两种。旁侧排气冲击器使用最早,因其气缸内的气体由钻头两侧排出,故叫作旁侧排气冲击器。虽然这种冲击器排出孔底岩粉的效果不够理想,但由于它的结构比较简单,工作可靠,加工使用方便,活塞寿命长,所以有些矿山至今还在使用。中心排气冲击器是在旁侧排气冲击器的基础上改进的。其气缸内的气体是经钻头中心孔排出。虽然这种冲击器结构比较复杂,加工精度要求高,但排出岩粉的效果好,能及时把凿碎的岩粉吹出孔外,减少了岩渣的重复破碎,能减低钻头的磨损,并可提高钻进效率。新设计的冲击器多属此种结构类型。
按活塞的形式,有阀冲击器又可分为单活塞和双活塞(串联活塞)两种。双活塞冲击器的冲击功较大,但结构复杂。
(1)J-200型潜孔锤冲击器的结构
如图4-8所示。它主要由上、下接头、气缸、配气机构、配气杆、活塞和导向套等组成。
图4-8 J-200型潜孔冲击器结构图(单位:mm)
1—冲击器接头;2—胶垫座;3—钢垫圈;4—胶垫圈;5—阀盖;6—密封圈;7—阀片;8—阀座;9—配气杆;10—节流块;11—活塞;12—外套;13—内缸;14—导向套;15—卡钎套;16—圆键;17—柱销;18—弹簧;19—钻头;20—密封圈;21—止动销;22—弹簧;①阀盖上孔;②阀盖轴向孔;③旁侧孔;④进气孔;⑤环形气道;⑥防止空打孔;⑦进气孔;⑧活塞中心孔;⑨活塞泄气槽;⑩花键槽
(2)工作原理
阀片为环形板阀,内缸是一个圆形薄壁钢筒,在它的外缘有一个环形气槽,套上缸外套,形成环形气道,这样就消除了由于在气缸外缘上布置许多气槽而产生纵向裂纹的缺点,从而提高了气缸的寿命。
活塞近似中空纺锤形,最大直径126mm,最小直径92mm,全长280mm,有得于能量的传递。活塞的行程靠配气杆和活塞前端4个花键槽的长度来控制。配气杆固定在冲击器的上部。活塞中心孔可沿配气杆移动。导向套位于下接头的顶端,活塞运动时,其前端始终在导向套里移动。利用防止空打孔和活塞的4个泄气槽及导向套的4个排气槽来消除空打现象。即当提钻时,钻头下落,活塞也处于下限位置。下室气体随着活塞下移经槽排出。与此同时,压气经防止空打孔进到气缸上室,并从活塞中心孔、钻头中心孔排出,使活塞不能启动,并处于直接吹风状态。
下接头与钻头之间用圆销连接,并用柱销、弹簧和止动销来防止圆销脱落。它们均插入下接头上部的轴向孔内。顶起止动销,圆销便可以很方便地插入或取出。
其配气过程是:当阀片和活塞处于图4-8所示位置时,压气从阀盖轴向孔进入阀室里,然后从阀片上旁侧孔、气道、进气孔进入下室,推动活塞作返回行程。当活塞中心孔被配气杆堵死后,开始压缩上室气体,使上室压力逐渐上升。活塞继续上行,当其下端花键槽离开导向套而与下室相通时,下室开始排气,下室气体经花键槽,钻头中心孔排至孔底。这时下室压力不断下降,阀上侧的压力也随之下降。当作用在阀片下侧的压力大于其上侧的压力时,阀便换向,压气经进气孔进入上室,活塞很快停在上死点。随后活塞在压气作用下,开始冲程。在活塞下行过程中,其前端花键槽先被关闭,接着其后端中心孔被打开,最后完成冲击动作。冲程时,依靠气缸上、下室的压力差变化和由阀盖上孔进入压气的共同作用,实现阀片换向。
2.无阀式风动冲击器
这种冲击器没有阀,控制活塞往复运动的配气系统布置在活塞气缸壁上,在活塞运动时自动配气。无阀冲击器能够利用压气的膨胀功推动活塞继续运动,从而减少了动力消耗。特点是零件少,结构简单。与有阀冲击器相比,压气消耗量可节省30%左右。
(1)W-220型风动冲击器的结构
基本结构如图4-9所示。
图4-9 W-220型风动冲击器结构图
1—上接头;2—密封圈;3—弹簧;4—止逆塞;5—垫圈;6—密封垫圈;7—进气座;8—内缸;9—外套;10—进气嘴套;11—冲锤;12—隔套;13—导向套;14—圆键;15—下接头;16—钻头;
A—后气室;B—进气孔;C—前气室
(2)工作原理
当压缩空气由钻杆进入冲击器后,止逆塞即打开,部分气体经进气座、活塞冲锤及钻头中心通道而流入孔底,清洗岩粉,作为动力气的主气流则经进气座的主气道沿外缸的进气槽,进入活塞冲锤的中间环腔和下腔,推动活塞冲锤上行,在活塞冲锤的上行过程中,当活塞冲锤下段封闭下气槽和进气座的尾管进入活塞冲锤的中心孔后,活塞冲锤在压缩室内的气垫作用下停止上行。动力气经进气座,外缸的进气槽进入活塞冲锤的中间环腔,推动活塞冲锤加速下行,以很大的冲击能量打在钻头的尾部,当活塞冲锤下行至离开进气座尾管后,活塞冲锤的上气室的气体则经活塞冲锤和钻头的中心孔排于孔底,当活塞冲锤行止在下时点位置时,活塞冲锤的中间环腔与下气室联通,压气又进入活塞冲锤的下气室,推动活塞冲锤上行,重复前过程。
(3)结构特点
能够利用压气的膨胀功推动活塞冲锤运动,从而减少了动力气的消耗。该类冲击器零件少,结构简单。与有阀式冲击器相比,压力消耗量可节省30%左右。
(二)潜孔锤钻进成孔
风动冲击回转钻进的主要钻进规程是钻进时的风量、风压、钻头的转速及孔底压力。
1.风量与风压的选择
(1)风量选择
气动冲击回转钻进的风量大小直接影响清除孔底的效果。在环隙一定的条件下,风量越大,环隙间气流上返的速度也越大,岩屑上返的能力越强,孔底清洁,钻进效率高。但是风量过大,会引起沿程压力损失和能源消耗增大,并可加剧对孔壁的冲刷。
与常规回转钻进相比较,冲击器冲击回转钻进所产生的岩粉颗粒较大。同时,由于气动冲击器钻进速度高,空气的密度又小,因而以空气作介质与水(或泥浆)作介质相比,携带岩粉所需的上返流速自然要大些。根据国内外风动冲击器钻进的经验,干孔条件下上返风速一般为15～20m/s。
空压机的风量除应满足排粉的需要,还应满足冲击器的性能要求。因为,在冲击器工作时,气体从冲击器中排出,压力由高变低,气体则产生膨胀,体积增大。这时如果井底岩粉聚集过多便会阻碍钻头唇部周围的气体膨胀,导致气流速度和排粉射力的降低。从而*了冲击器设计能力的发挥。特别是当孔内潮湿时,岩粉形成松散的粉块,使气体难以通过,甚至中断排粉。这种情况下,冲击器则要求有更大的风量才能工作。
(2)工作风压
一般冲击器的额定风压为0.5～0.7MPa。空压机的工作风压主要是由各种阻力损失叠加而成。随着孔深的增加,随着岩粉含量的增加,风压增大。有时为了增大冲击器的冲击功,把冲击器的内管减小,这时作用在冲击器上的有效压差增大,当然整个管路系统的风压也增大。风压是风量的函数,当风量增大时,风压也随之增大。因而,在空气钻进中,风量可作为独立的钻进参数,风压一般不作为独立的钻进参数。对于空压机系统来讲,空压机的功率是一定的,所需的输出压力较大时,输出风量就减小。因而,当钻孔较深,或钻遇地下水时,所需风压较大,而空压机所能供给的风量却较小。
2.钻压的选择
气动潜孔锤钻进中钻压的作用是保持孔底钻头与岩石的紧密接触,钻压过大并不能增大钻速,反而可能增大钻头的磨损,不能达到有效破碎岩石的效果。
3.钻头的回转速度
钻头的回转速度对顺利钻进和延长钻头寿命有直接的关系。合理的回转速度应保证冲击刃(如球齿)在每经过一次冲击后能落在新的岩面上。钻头外缘上的齿对回转速度特别敏感,若回转速度过慢,钻头外缘上的齿将重复冲入先前冲击过的坑穴中,从而引起钻头不稳定,使回转受阻,造成重复破碎,钻进效率下降。若钻头转速过快,钻进效率并不增加,反而会引起钻头齿的过快磨损。钻头的转速也应与风量相匹配,风量大时,冲击频率较高,因而转速也应相应增高。
