專利名稱：沖擊錘的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及沖擊裝置的錘子，尤其涉及大孔的氣動鉆巖機。
背景技術(shù)：
和概要氣動鉆巖機總的包括一個殼體，其內(nèi)形成一個圓柱形腔室，一往復(fù)運動的錘子安裝在該腔室內(nèi)。在腔室一端的鐵砧或柄部所處的位置受到錘子的沖擊。壓縮空氣在錘子的相對兩側(cè)交替地供給氣缸，使錘子在氣缸內(nèi)往復(fù)運動并不斷地沖擊柄部。
在某些應(yīng)用中，數(shù)個鉆桿在錘子和鉆頭之間連成串以到達被鉆孔的底部。諸桿軸向連接，錘子的沖力沿著成串的桿傳遞到鉆頭。這種結(jié)構(gòu)一般用在巖石的鉆孔中，它需要相對長而又窄的孔。
鑒于安全、鉆機的操作特征和空氣壓縮機的成本等方面的原因，氣動鉆機總的用比較低的壓縮空氣，一般在60到100p.s.i的范圍。為了從比較低的壓縮空氣產(chǎn)生巖石鉆井所必須的力，現(xiàn)有技術(shù)的氣動鉆機一般有大腔室內(nèi)孔和大直徑錘子活塞頭。這類鉆機一般是Gardner—Denver PR1000，PR66和PR80鉆機。在這些鉆機中，鉆錘的錘子活塞頭的橫截面直徑基本上比錘子長度上其余部分的直徑和錘子沖擊面的直徑大。大截面活塞頭具有大的表面面積，較低的壓縮空氣作用其上，以擴大力使錘子加速。
當錘子沖擊柄部時，錘子運動的動能轉(zhuǎn)變成沖擊能，同時產(chǎn)生一個由錘子的粒子運動形成的入射波形。在鉆桿組件部件之間的各界面，例如在錘子與柄部、柄部與任何鉆桿、鉆桿或柄部與一鉆頭以及鉆頭與將被鉆的巖石之間，入射波形形成傳遞的和反射的波形分量，它在鉆桿組件中前后傳播。當起始的入射波形的引導(dǎo)壓縮部分到達鉆頭，鉆頭被推進巖石。
入射波形的長度和波形是鉆桿組件的幾何形狀的函數(shù)，尤其是鉆錘、柄部、成串的鉆桿和鉆頭的長度和直徑的函數(shù)。入射波形的應(yīng)力分量的幅度主要是沖擊速度的函數(shù)。
傳統(tǒng)的氣動錘結(jié)構(gòu)在有效地將錘子運動的動能轉(zhuǎn)變成固定柄部的沖擊能以及在有效地將該沖擊能沿鉆桿組件傳遞到鉆頭等方面存在著問題。產(chǎn)生于各界面的反射波形分量是界面的阻抗或動剛度的函數(shù)。反射波的一部分受壓尾部含有返回到前一沖擊部件的回跳損失。反射波形回跳部分由于剛性響應(yīng)的緣故而較大，但對于一自由端的反射則可能為零。
盡管反射波自身在桿中反射，并最終可反射到鉆頭，但反射能一般對巖石幾乎不作功，因而被認為是一種損失。例如，當一應(yīng)力波通過鉆桿組件接頭時，能量因摩擦而損失。能量從第一桿傳到接頭，再從接頭傳到在鉆桿組件的下一根桿，使接頭的拉伸和壓縮力不平衡。不平衡的力導(dǎo)致接頭和桿之間的運動形成摩擦消耗。反射能可引起大量的能量損失。因而，為了提高沖擊能傳到鉆頭的效率，希望使反射能變得最小。
鉆錘的反射能可能占沖擊時所產(chǎn)生的總能量的相當大的部分。如由B·倫德貝里所著的沖擊巖石破裂的某些基本問題(Some Ba-sic Problems in Percussive Rock Destruction)214—15(1971)所描述的，當鉆機中的錘子、連貫的鉆機部件及被鉆巖石之間的阻抗或動剛度相等時，鉆機中的反射波分量達到最小。若沖擊裝置中的錘子、柄部、鉆桿和鉆頭用相同的或相似的材料(即材料比重和通過材料的波速基本相同)制成，且錘子和柄部在通過錘子的縱向軸線的任一點的橫截面面積相等，則反射波分量最小。
傳統(tǒng)錘子結(jié)構(gòu)的理論上的應(yīng)力波如

圖1A、1B和1C中的波形X′、X″和X所示。波形的第一應(yīng)力分量的應(yīng)力幅度σ與錘子的幾何形狀有關(guān)，如公式所示σ=EvjA1c(A1+A2)]]>其中vj是錘子沖擊速度；A1是錘子的橫截面面積；A2是柄部的橫截面面積；E是楊氏模量；c是錘子材料的波速；以及σ是應(yīng)力幅度。
圖1A、1B和1C中的波形X′、X″和X示出的應(yīng)力幅度—時間曲線具有傳統(tǒng)錘子的特征，其活塞頭橫截面面積(A1)比錘子本體的其余橫截面面積大。合成的波形由許多傳遞和反射的分量組成。波形的應(yīng)力幅度尖峰P′、P″和P是波反射在傳統(tǒng)錘子大橫截面的幾何形狀上的結(jié)果。圖1A、1B和1C對于一特定的錘子速度還示出，當錘子的其余橫截面面積為最小的時候，即具有恒定橫截面面積的長度方向的其余部分，錘子具有比活塞頭小的橫截面面積A1，起因于錘子的這些面積上的波的應(yīng)力幅度部分最小。
反射波的幅度和由回跳及摩擦所致的各種損失是沖擊時所形成的入射應(yīng)力波的幅度及在鉆機中各界面的剛度響應(yīng)特性的函數(shù)。減少由錘子、柄部或其他鉆桿組件部件在長度方向的不同橫截面面積所引起的入射波的幅度，并使剛度響應(yīng)特性最佳，就能減少這些能量的損失。
在圖1A、1B和1C中的曲線下面的面積代表入射脈沖，可表示為I=A∫σdt]]>A等于鉆桿組件部件在測量點的面積。應(yīng)力波的總能量表示為e=AcE∫σ2dt]]>圖1A、1B和1C還示出了理論上的應(yīng)力波形Y′、Y″和Y。波Y′、Y″和Y比波X′、X″和X更呈矩形，應(yīng)力幅度的波峰達到最小。各波Y的能量與各波X的能量相同。傳統(tǒng)的錘子一般在波形的第一部分形成大部分有效能，而在波形的其余部分形成比較低的應(yīng)力幅度的尾部。波形B的相對恒定的應(yīng)力幅度與在其長度上具有恒定橫截面面積的錘子及鉆機部件有關(guān)。使錘子和鉆機部件各自的橫截面面積恒定，并使之互為相等，就有可能產(chǎn)生一種使反射波的能量損失達到最小的波形。
雖然由其錘子和鉆機部件的橫截面面積恒定并相等的鉆機產(chǎn)生的波形Y的峰值應(yīng)力幅度比傳統(tǒng)氣動鉆機產(chǎn)生的具有尖峰P的波形X的峰值應(yīng)力幅度低，但波形Y仍能包含與波形X同樣多的，或者更多的能量，因為能量傳遞發(fā)生于一個較長的時間周期。此外，各波形X和Y的能量受錘子或鉆桿組件各部件所能承受的應(yīng)力的限制。因此，本發(fā)明的鉆機比傳統(tǒng)的氣動鉆機傳遞的能量多，因為，本發(fā)明鉆機包括橫截面面積恒定和相等的錘子及鉆機部件，錘子及鉆機部件中的波形Y的峰值應(yīng)力幅度基本上等于錘子或鉆桿組件部件所能承受的最大應(yīng)力(加上安全因素)，而且在峰值應(yīng)力幅度的能量傳遞發(fā)生于有些延長的時間周期，而對于傳統(tǒng)氣動鉆機包括錘子和鉆桿組件各部件，波形X的峰值應(yīng)力幅度P基本上等于傳統(tǒng)的錘子和鉆桿組件各部件所能承受的最大應(yīng)力(加上安全因素)，而且在峰值應(yīng)力幅度上的能量傳遞時間比較短暫。
液壓沖擊鉆機常常設(shè)計成用一個其橫截面面積與窄的柄部的橫截面面積相等的錘子完成鉆巖功能，該錘子的外徑與柄部的外徑相等。然而，在液壓鉆機中，使反射能的損失達到最小是一件比較簡單的事情，因為液壓鉆機具有高壓液流的優(yōu)勢，該液壓流體作用在一個窄的活塞頭表面能產(chǎn)生較大的力。
相反，氣動沖擊鉆機通常用大直徑活塞頭補償?shù)偷墓ぷ鲏毫?。氣動鉆機一般用橫截面面積變化的錘子，因而不具有使反射應(yīng)力波達到最小的優(yōu)勢。因此，反射能的損耗在氣動鉆機中一般比較大。
發(fā)明主題和概要因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種把能量有效地傳遞到鉆頭的氣動鉆巖機。
本發(fā)明的另一個目的是為鉆機提供一種其橫截面面積基本不變的錘子。
本發(fā)明的還有一個目的是為氣動鉆機提供一種與通常用于野外的壓縮機一起使用的錘子。
根據(jù)本發(fā)明的一個較佳實施例，氣動沖擊鉆機包括一個往復(fù)運動的錘子，該錘子具有本體部分及在本體部分上的活塞頭?；钊^最好是漏斗形的，但本體部分和活塞頭在錘子縱向軸線所有點上的橫截面面積相等。鉆機的殼體有一個錘子能在其中往復(fù)運動的氣缸。壓縮空氣進入氣缸，使錘子在該氣缸內(nèi)軸向往復(fù)運動。一柄部安裝在殼體中能受到錘子沖擊的部位。成串的桿與殼體中的柄部相連。各桿縱向軸線上的所有點的橫截面面積與錘子本體部分及活塞頭的橫截面面積相等。錘子、柄部和鉆桿各有一個沿錘子、柄部和鉆桿組件的長度延伸的軸向通道?？諝饬鬟^錘子、柄部和鉆桿的軸向通道以去掉鉆孔中的碎巖屑。
附圖簡要說明下面結(jié)合附圖詳細描述本發(fā)明的一個較佳實施例，其中相同的零部件用相同的編號表示，附圖中圖1A、1B和1C示意性地示出用來比較的理論上的模擬數(shù)據(jù)，線A是傳統(tǒng)氣動錘子和鉆機的鉆桿組件中各個部位的應(yīng)力—時間曲線，線B是本發(fā)明鉆桿組件中相同部位的應(yīng)力—時間曲線；圖2是本發(fā)明一實施例的氣動鉆機的縱向剖視圖；圖3是本發(fā)明一實施例的錘子和鉆桿組件結(jié)構(gòu)的示意圖；圖4是本發(fā)明一實施例的氣動錘子的縱向剖視圖；圖5是截取圖4中的線5—5的剖視圖；圖6是截取圖4中的線6—6的剖視圖；以及圖7是截取圖4中的線7—7的剖視圖。
詳細說明圖2剖面示出了具有沖擊錘20的氣動鉆機10。鉆機10包括一形成氣缸52以接納錘子20的殼體50。錘子20在氣缸52內(nèi)軸向運動。錘子20的活塞頭24構(gòu)成氣缸52的一個下腔62和上腔64。
錘子20有一個細長的、總體上最好是圓柱形的本體部分22(圖4)。錘子20的活塞頭24最好有一個總體上為漏斗形的部分34，在漏斗形部分的寬的一端延伸出一圓柱形前緣部分36。漏斗形部分34最好是圓錐形的，其壁47具有大體上為圓錐形的內(nèi)外壁表面49、48。前緣部分36與錘子軸線38同軸。
氣缸52的形狀總體上與錘子20的形狀一致。氣缸52有一個窄的前段54、一個寬的主段58和一個在前段與主段之間的過渡段56。過渡段56與氣缸52的縱向軸線之間的角度基本上等于漏斗形部分34的外壁48與錘子縱向軸線之間的角度θ，所以，當錘子20在沖擊位置時(見圖2)，漏斗形部分的外壁表面48在過渡段的附近或與其相鄰。
來自一壓縮機(未示)的空氣進出氣缸52并通過一閥結(jié)構(gòu)對著錘子20的活塞頭24的頂側(cè)和底側(cè)45、46使錘子往復(fù)運動?？諝馔ㄟ^氣缸52前段54的一輸入口65進入氣缸52，并通過氣缸的主段58的排出口67排出。沿錘子本體部分22的預(yù)定部位有凹進去的區(qū)域30和32。支承件60、61同軸地設(shè)置在狹窄段54以為錘子的本體部分22提供滑動支承。支承件60、61與凹陷區(qū)域30、32配合以引導(dǎo)鉆機10中的壓縮空氣使錘子20往復(fù)運動。錘子20往復(fù)運動時，錘子20的前緣部分36運動過排出口的交替?zhèn)龋蚨?，當錘子往復(fù)運動時空氣從活塞頭24的交替?zhèn)扰懦觥?br> 在錘子20沖擊行程的開始階段，凹陷區(qū)域32與支承件61相對，使輸入口65與下腔62之間的通路基本中斷，因而很少有或沒有空氣壓力進入活塞頭24的底側(cè)46。前緣部分36在排出口67之上的氣缸52的主段58的一個部位，使下腔62的空氣排出。凹陷區(qū)域30與支承件60相互相對，使得輸入口65與下通口68和通道66連通，又通過上通口69與上腔64連通。通過輸入口65進入鉆機10的壓縮空氣對著活塞頭的頂側(cè)45被引入上腔64，從而，使錘子朝著沖擊位置運動，在該沖擊位置錘子的沖擊面26沖擊柄部70。
當錘子20達到?jīng)_擊位置，即在圖2中所示的沖擊面26接觸柄部70的位置，凹陷區(qū)域30與支承件60相互相對，使得輸入口65與下通口68之間的連通中斷。前緣部分36位于排出口67的下面，所以，上腔64與排出口67連通。凹陷區(qū)域32與支承件61相互相對，使輸入口65與下腔62連通。通過輸入口65進入鉆機10的壓縮空氣對著活塞頭24的底側(cè)46被引入下腔62，以開始一個返回行程。
柄部70上的錘子20的沖擊能如圖3所示那樣通過柄部傳遞到一鉆頭88，進而沖擊被鉆的巖石。圖3中所示的錘子20沖擊鉆桿組件80中的柄部70。柄部70通過一接頭84與鉆桿組件80中的鉆桿82相連。鉆桿組件80制造得足夠長以滿足特定的鉆孔應(yīng)用，在桿82與連接于鉆頭88的終端鉆桿86之間可連接一根或一根以上的鉆桿。
如圖4所示，錘子20的漏斗形部分34的外壁表面48從錘子本體部分22以一相對于錘子的縱向軸線38且小于90°的角度θ伸出。漏斗形部分34的內(nèi)壁表面49與錘子20的縱向軸線呈一角度φ，其中φ大于θ。漏斗形部分34的壁47的厚度從與本體部分22接觸的點到與前緣部分36接觸的點逐漸下降。漏斗形部分34的內(nèi)外壁表面49、48的角度φ和θ最好設(shè)置得把空氣壓力轉(zhuǎn)換成錘子20推力的活塞頭上的表面面積的量能最佳地平衡錘子20往復(fù)運動時為漏斗形部分提供足夠的強度和剛度所必須的材料厚度。在一較佳實施例中，φ約等于50°，θ約等于45°，活塞頭24的漏斗形部分34的最寬部分的外徑約是本體部分22的外徑的2.5倍之大。
如圖5、6和7所示，垂直于錘子20軸線38的平面的橫截面面積基本上不變。因此，當錘子20沖擊柄部70時，形成一根基本上是矩形的應(yīng)力幅度—時間波，比較好的是接近于圖1A中的波Y′的形狀。此外，使柄部70材料的阻抗與錘子20的一樣，且柄部70的橫截面面積基本上與錘子的相等，則錘子的反射波形能達到最小，從而有利于能量的有效傳遞。通過逐漸地降低漏斗形部分34壁47的厚度，就可使漏斗形部分的外徑增加時而其橫截面面積保持不變或幾乎不變。如圖5所示的活塞頭24的頂側(cè)45的表面面積大到足以能產(chǎn)生用所得的壓縮空氣鉆巖石所必須的力。本體部分22的內(nèi)外徑和前緣部分36的內(nèi)外徑也設(shè)置成橫截面面積保持恒定。
在圖3所示的本發(fā)明的鉆桿組件80中，各相繼的鉆桿82、86的橫截面面積設(shè)置成基本上與柄部70和錘子20的橫截面面積相等。在此方式中，當錘子20沖擊柄部70、柄部沖擊鉆桿82，依此類推時，形成一根基本上是矩形的應(yīng)力幅度—時間波，比較好的是接近于圖1B和1C所示的波Y″和Y的形狀，從而，有利于能量從錘子經(jīng)過鉆桿組件80到鉆頭88的有效傳遞。
在圖2所示的鉆機10中，有一個使錘子20兩端相通的連續(xù)中心通道，例如孔28，使空氣從活塞頭24經(jīng)過錘子流到?jīng)_擊面26。柄部70設(shè)置在氣缸52端部的殼體50內(nèi)，并部分地伸到氣缸內(nèi)。柄部70有一個與錘子20的中心孔28相連通的連續(xù)中心通道，例如孔72。通過一送風管流經(jīng)錘子孔28的空氣流過孔72。如圖3所示，鉆巖時空氣就是以這一方式被引導(dǎo)到鉆頭88以沖掉鉆孔中的巖石碎塊和巖屑。去掉孔中的巖屑有助于鉆頭與巖石保持接觸，以便能更有效地鉆孔。最好是錘子20形成中心孔28而與柄部70是否有孔72無關(guān)，因為中心孔還能有利于柄部附近的鉆機部件的氣—油滲漏潤滑。例如，最好是常常引導(dǎo)空氣以沖掉柄部中離開柄部受到錘子20的沖擊面26沖擊的位置一些距離的部位(未示)的巖石碎塊。
在運行中，當壓縮機(未示)通過輸入口65提供壓縮空氣時，錘子20受到驅(qū)動沖擊柄部70，該空氣通過下通口68、通道66和上通口69，然后流進上腔64并對著活塞頭24的頂側(cè)45，以迫使錘子20通過一個沖擊行程。在沖擊行程的至少一部分期間，空氣從下腔62通過排出口67排出。圖2中所示的錘子20在鉆機10中從右到左的運動發(fā)生在沖擊行程中。圖2所述的錘子20在沖擊位置與柄部70接觸。然后，壓縮空氣由輸入口65提供進到下腔62并對著活塞頭的底側(cè)46，以迫使錘子20通過一個回程。在回程的至少一部分期間，空氣從上腔64通過排出口67排出。
選擇柄部70的外徑使其橫截面面積基本上與錘子20的橫截面面積相等。這對如上所述的橫截面面積基本相等的錘子20和柄部70使峰值應(yīng)力幅度及反射波分量最小。同樣，這種分量的傳遞應(yīng)力波基本上是矩形的，從而進一步有利于能量的有效傳遞。柄部70和鉆桿82及86中的基本上為矩形的應(yīng)力波將分別更好地接近于圖1A、1B和1C所示的Y′、Y″和Y的形狀。此外，錘子20、柄部70和鉆桿82、86的橫截面面積選得使這些部件的峰值應(yīng)力幅度基本上等于這些部件所能承受的再加上所需的安全因素的最大應(yīng)力，從而，有利于最大限度地將能量傳到巖石。
雖然已根據(jù)一較佳實施例描述了本發(fā)明，但可以理解的是，在不脫離如權(quán)利要求書所述的本發(fā)明的范圍的情況下，可以對本發(fā)明進行變型和改變。
權(quán)利要求
1.一種沖擊裝置的錘子，它包括一本體部分；一在本體部分上的活塞頭，該活塞頭的外圓周比本體部分大；以及所述本體部分和活塞頭在錘子的縱向軸線上所有點的橫截面面積基本相等。
2.如權(quán)利要求1所述的錘子，其特征在于，本體部分是圓柱形的。
3.如權(quán)利要求1所述的錘子，其特征在于，活塞頭設(shè)置在本體部分的一端，且是漏斗形的。
4.如權(quán)利要求3所述的錘子，還包括一從活塞頭寬的一端延伸出的圓柱形前緣部分，其在縱向軸線上的所有點的橫截面面積基本上與本體部分和活塞頭的橫截面面積相等。
5.如權(quán)利要求3所述的錘子，其特征在于，活塞頭的內(nèi)表面是圓錐形的。
6.如權(quán)利要求1所述的錘子，其特征在于，活塞頭的壁部分的厚度隨著活塞頭外徑的增大而減少。
7.如權(quán)利要求1所述的錘子，其特征在于，一軸向通道延伸通過本體部分和活塞頭。
8.如權(quán)利要求7所述的錘子，其特征在于，軸向通道的至少一部分是一個連續(xù)的軸向孔。
9.如權(quán)利要求3所述的錘子，其特征在于，活塞頭的外表面與錘子的縱向軸線成一角度。
10.如權(quán)利要求9所述的錘子，其特征在于，活塞頭的外表面與錘子的縱向軸線成45°角。
11.如權(quán)利要求1所述的錘子，其特征在于，活塞頭的外徑比本體部分的外徑大2.5倍。
12.一種沖擊鉆機，它包括一有本體部分以及在本體部分上的活塞頭的錘子，活塞頭的外圓周比本體部分的外圓周大，所述本體部分和活塞頭在錘子的縱向軸線上所有點的橫截面面積基本相等；一形成氣缸以接納錘子的殼體，錘子可在氣缸內(nèi)軸向運動；把流體引導(dǎo)到氣缸使錘子在氣缸內(nèi)軸向往復(fù)運動的裝置；傳遞錘子能量的裝置，該傳遞裝置受到錘子的沖擊。
13.如權(quán)利要求12所述的沖擊鉆機，其特征在于，傳遞裝置包括一柄部。
14.如權(quán)利要求13所述的沖擊鉆機，其特征在于，柄部縱向軸線上的所有點的橫截面面積基本上與本體部分和活塞頭的橫截面面積相等。
15.如權(quán)利要求14所述的沖擊鉆機，其特征在于，傳遞裝置還包括成串連接的鉆桿，各鉆桿縱向軸線上的所有點的橫截面面積基本上與本體部分和活塞頭的橫截面面積相等。
16.如權(quán)利要求12所述的沖擊鉆機，其特征在于，一軸向通道延伸通過本體部分、活塞頭和傳遞裝置。
17.一種沖擊鉆機，它包括一錘子，它有一細長的圓柱形的本體部分、以及一具有一漏斗形部分和一從漏斗形部分的寬的一端延伸出的前緣部分的活塞頭，本體部分、漏斗形部分和前緣部分在錘子的縱向軸向上的所有點的橫截面面積基本相等，一軸向通道延伸通過本體部分、漏斗形部分和前緣部分的錘子的長度，漏斗形部分的外表面與錘子的縱向軸線成50°角，漏斗形部分的內(nèi)表面與錘子的縱向軸線成45°角，漏斗形部分的外面和里面分別至少形成活塞頭的部分底側(cè)和頂側(cè)；一形成氣缸以接納錘子的殼體，錘子可在氣缸內(nèi)軸向運動，漏斗形部分的寬的部分和前緣部分構(gòu)成氣缸的一下腔和一上腔；用閥調(diào)節(jié)的裝置，把壓縮流體交替地送到氣缸的下腔和上腔以交替地作用在活塞頭的底側(cè)和頂側(cè)、使錘子分別通過一回程和一沖擊行程運動；以及一柄部，安裝在當錘子運動過沖擊行程時受到錘子沖擊的殼體中的位置，柄部有一個在其長度方向延伸的軸向通道，其縱向軸線上的所有點的橫截面面積基本上與錘子的橫截面面積相等；其中，在氣缸的沖擊行程中，流體流過錘子的軸向通道和柄部的軸向通道。
18.如權(quán)利要求17所述的沖擊鉆機，其特征在于，在氣缸的回程中，流體流過錘子的軸向通道和柄部的軸向通道。
全文摘要
在一沖擊鉆機中具有一沖擊錘，該沖擊錘包括一本體部分和一在本體部分上的活塞頭?；钊^的外圓周比本體部分的外圓周大。本體部分和活塞頭的縱向軸線上的所有點的橫截面面積基本上相等?；钊^設(shè)置在本體部分的一端，并呈漏斗形。
文檔編號B25D9/00GK1129965SQ94193011
公開日1996年8月28日 申請日期1994年7月1日 優(yōu)先權(quán)日1993年7月1日
發(fā)明者漢斯·E·埃德隆德 申請人:里德里爾股份有限公司