潜孔锤回转机构研究

呼咏 殷琨 张新华

（1、吉林大学 建设工程学院，吉林 长春 130026；2、吉林大学 机械科学与工程学院，吉林 长春 130025）

0 引言

气动潜孔钻进技术发展迅速，现已广泛应用于水井勘察、地质勘探、基柱工程和坑道掘进等领域，钻进过程中，潜孔锤不断冲击岩石，同时由钻机带动潜孔锤回转，实现冲击回转钻进，达到高效碎岩的目的。冲击回转钻进的主要特点是钻头在静压作用下，由纵向冲击动载和回转切削共同作用而破碎岩石。

冲击回转钻进效率高、孔的质量好、孔内事故少、成本低，钻孔孔径和孔深不断扩展，已广泛用于不同的地层和不同地质勘探及工程施工中，但是，在实际应用中也存在着一定的缺陷。本文将传统的潜孔锤与凿岩机相结合，借鉴凿岩机的转钎机构，利用活塞的回程能量带动钻头旋转，即只用空压机带动潜孔锤实现冲击与回转。这样，既简化了钻进设备，又能保证冲击回转钻进的高效率，同时也简化了现场施工设备，减少了设备更换工艺的辅助时间，提高了施工效率，对大口径帷幕工程施工、挖槽施工、定向钻进、非开挖导向孔钻进，海底取样钻进等，具有很好的应用前景。

1 新型潜孔锤的结构

不使用钻机，仅通过压缩空气，要实现冲击和回转2个动作，潜孔锤是关键。新型潜孔锤就能实现这样的要求（见图1），其工作原理如下：

（1）回程阶段 压缩空气经管路系统进入潜孔锤上接头，推开逆止阀，经由棘轮孔和配气阀孔进入潜孔锤前气室，活塞在压力差的作用下回程，后气室气体通过螺旋棒侧壁孔进入中心通孔，排到钻头底部；当活塞大端（下端）上截面运动到M-M截面时，此时前气室封闭，压力不断减小，后气室内压缩空气压缩，阻止活塞继续上行，使活塞减速回程；随着活塞继续减速回程，后气室进气孔打开，后气室开始进气，活塞进一步减速回程，继续向上运动到上死点为止。在回程过程中，当前气室排气孔1打开时，前气室废气通过螺旋棒中心通孔排到孔底。

图1 潜孔锤结构图

（2）冲程阶段 压缩空气经进气孔2进入后气室，推动活塞开始向下冲程，前气室气体通过排气孔1排到孔底。活塞继续在后气室压缩气体推动作用下，高速向下冲程，活塞运动到将排气孔1堵住后，前气室气体受压缩，活塞开始受阻。随着活塞继续冲程，前气室打开，后气室关闭，气体经进气孔1进入前气室，降低活塞冲程速度，但是活塞在后气室气体膨胀力作用下，依然继续向下冲程。随着活塞冲程继续，后气室螺旋棒侧壁排气孔2打开，后气室压缩空气经排气孔2排到钻头，活塞在前气室气体压缩阻力的作用下，减速冲程，直到冲击到砧子，完成冲程。

在冲程过程中，活塞高速、高动能向下冲程运动，带动螺旋棒旋转，螺旋棒的棘爪处于顺齿状态，活塞的直线运动不影响棘轮的运动，此时螺旋棒为空转，冲击器外管和钻头处于不回转状态。

（3）回程阶段 活塞的回程直线运动，带动螺旋棒旋转，此时螺旋棒棘爪处于逆齿状态，活塞的向上直线运动使螺旋棒带动棘轮产生回转运动，棘轮通过螺纹联接到潜孔锤外管，这样棘轮的运动带动潜孔锤外管和钻头共同回转，实现了回转动作。而在伸缩接头处，通过螺纹与潜孔锤上部钻杆联接，通过光孔和潜孔锤中心部分连接，轴和孔的配合实现了潜孔锤部分回转运动和潜孔锤上部钻杆部分不回转的隔离，实现了回转和不回转的过渡。

新型潜孔锤的结构特点：

（1）改变了原潜孔锤的工作模式，采取回程旋转，借助冲击行程的反弹力，在潜孔锤和孔底摩擦力最小时旋转，充分利用了活塞回程的能量来转动钻头，这样既保持了原来潜孔锤的高冲击功钻进又节省了能量；

（2）将原来的配气中心杆换成了螺旋棒，从部件强度而言，不改变原潜孔锤部件之间的应力传递过程；

（3）采用螺旋棒，实现钻进过程中，钻杆不回转，只是潜孔锤和钻头回转；

（4）潜孔锤冲程不回转，回程回转。活塞冲程带动螺旋棒旋转，但此时螺旋棒棘爪处于顺齿位置，螺旋棒为空载旋转。在回程过程中，棘爪逆齿，活塞带动螺旋棒、棘轮、潜孔锤外管、钻头旋转，使潜孔锤实现回程回转；

（5）潜孔锤的单个冲程周期回转角度可以通过调节螺旋棒上棘齿倾角和长度来调节；

（6）螺旋棒上的棘齿设计能防止活塞在回程过程中，因孔底阻力而使活塞绕螺旋棒旋转。

2 转钎机构

潜孔锤采用的是具有单独螺旋棒的内棘轮转钎机构，图2为转钎机构示意图。潜孔锤的转钎机构由棘轮1、螺旋棒3、带螺旋母的活塞4以及棘爪2（装在螺旋棒大端孔中）组成。

图2 新型潜孔锤的转钎机构示意图

螺旋棒小端外表铣有螺旋齿，螺旋母（与活塞连为一体）内表面也铣有螺旋齿，二者组成一螺旋副。螺旋棒大端是一个逆止机构，棘爪借塔形弹簧作用，与棘轮内齿啮合，利用棘轮机构具有单方向间歇旋转的特性，使棘轮只能向一个方向转动，即回程时转动。棘轮与外管螺纹配合，从而带动外管、花键套和钻头旋转。

活塞作冲程运动时，由于螺旋副的关系，螺旋棒与螺旋母（与活塞连为一体）之间必有一个作转动运动，使螺旋棒沿图中实线箭头方向转动。此时棘爪处于顺齿位置，它压缩塔形弹簧，在棘轮内齿面上滑过，随螺旋棒一起转动。由于棘轮通过螺纹牵连着外管、花键套、钻头等零件，这些零件所形成的回转阻力矩远大于螺旋棒上的棘爪与棘轮间的内摩擦阻力矩，因此活塞作冲程运动时，只能使螺旋棒带动棘爪在棘轮内圆周表面上转动一个角度β，而不能使钻头旋转；当活塞作回程运动时，活塞带动螺旋母作直线运动，由于螺旋齿的作用，使螺旋棒沿图中虚线箭头方向转动，此时棘爪处于逆齿位置，抵住棘轮的内齿，阻螺旋棒转动，迫使棘轮带动与其螺纹配合的外管转动，从而带动花键套和钻头一起旋转一个β角，实现回程旋转。

这种转钎机构的特点是合理地利用了活塞回程的能量来转动钻头，节省了动力能源。显然，这种作牵连运动的转钎机构是属于非独立式的，为内回转式转钎。

3 潜孔锤工作过程的理论计算

新型潜孔锤在传统潜孔锤计算公式的基础上加入了转钎机构的计算。

（1）加速度公式

F-F1=mα

式中 m——活塞的质量

α——活塞的加速度

F——前后气室压力差

F1——螺旋棒对活塞的阻力

（2）气体状态方程

PiVi=miRTi

式中 Pi——前后气室的绝对压力

Vi——前后气室容积

mi——前后气室内气体质量

Ti——前后气室内气体的绝对温度

R——气体常数，R＝287

（3）转动阻力计算

式中 φ——活塞转过的角度

J——配气阀、棘轮等零件的转动惯量

Fr——螺旋棒受到的法向力

r——螺旋母与螺旋棒啮合处到中心线的

距离

（4）气体流动方程

式中 Gi——单位时间气体流量

（5）冲击频率计算公式

式中 Ts——活塞运行周期

4 结语

新型潜孔锤孔底回转机构，不用钻机，可以产生冲击和回转两动作，奠定了仅使用空压机，就可以进行冲击回转钻进的基础，为我国大口径帷幕工程、水利水电工程、非开挖工程等高效率施工提供了新的技术前提，为提高非开挖钻进效率提供了新的工艺方法。

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