一种棘轮式液动冲击器
技术领域
本发明属于液动冲击器，用于深孔大直径硬岩快速钻进的各类钻孔技术中。
背景技术
坚硬地层钻井，尤其是硬岩地层大直径深井的钻进是目前面临的一大技术挑战，实现坚硬地层大直径深孔的快速钻进对干热岩开发、火成岩油气储层钻井等工程领域降费增效具有重要意义。与常规回转钻进技术相比，旋冲钻井技术在硬岩钻井中具有高钻效的显著优势。目前的旋冲钻井技术中，主要发展了以压缩空气为传动介质的空气潜孔锤钻进技术和以泥浆介质为传动介质的液动冲击器，其中空气潜孔锤具有高频和高冲击功的显著优点，但其在深井应用中能耗会随井深增加显著增大，而现有高冲击功的液动冲击器，均存在磨损严重导致使用寿命低等问题。因此，研制具有结构简单、使用寿命长的高能液动冲击器对深井硬岩钻井各工程领域提高硬岩钻进效率、降低施工成本，属于本领域技术发展趋势。
发明内容
针对现有液动冲击器使用寿命短的问题，本发明所要解决的技术问题就是提供一种棘轮式液动冲击器，它结构简单，冲击能量大，且使用寿命长。
本发明所要解决的技术问题是通过这样的技术方案实现的，它包括螺杆马达转子、螺杆马达外缸、冲锤缸体、冲锤活塞、下棘轮、半圆卡、花键套，钻头；
螺杆马达转子安装在螺杆马达外缸内形成螺杆马达，螺杆马达转子从上到下依次加工有螺旋槽的螺旋段、过渡圆柱段、阀口圆柱段、六方柱段和尾部圆柱段，螺杆马达转子穿过冲锤活塞的中心孔插入钻头的中心孔流道内，螺杆马达转子的中心部至阀口圆柱段之下开有排空通道，排空通道通入钻头的中心流道；
螺杆马达外缸下端连接冲锤缸体，冲锤缸体下部有内螺纹与花键套连接，花键套顶面支撑下棘轮，半圆卡设置在花键套上方口部；冲锤活塞外圆柱面与冲锤缸体形成密封配合，冲锤活塞中部外端面加工有轴向棘齿、下部为冲击圆柱段，冲锤活塞的中心顶部为与阀口圆柱段配合的圆孔口、中心下部为与六方柱段配合的中心六方孔，冲锤活塞的下底面触击钻头顶面；冲锤活塞的中心六方孔与螺杆马达转子上的六方柱段配合，冲锤活塞中部外端面的轴向棘轮与下棘轮上的轴向棘齿配合，下棘轮的外棱柱面与冲锤缸体下部的正多边形内表面过渡配合；钻头的钻头体花键与花键套上的花键槽配合，形成可轴向运动的装配体，并通过半圆卡防止钻头从花键套中脱落。
优选地，花键套顶面设有衬套，衬套上台阶面支撑下棘轮，衬套为下棘轮轴向限位，半圆卡固定在衬套内壁或花键套上方口部。
本发明的优点是：
本发明采用棘轮机构作为冲锤活塞的复位机构，具有结构简单，故障率低，且冲锤活塞的频率、行程可通过调整棘轮机构的棘齿数量进行精确控制。同时冲锤活塞的往复运动不依赖于阀芯控制，因此棘轮式液动冲击器与阀控冲击器相比，具有零部件少，易损件少，使用寿命长等优点。
附图说明
本发明的附图说明如下：
图1为发明的结构示意图；
图2为图1中的A-A断面图。
图中，1、螺杆马达转子；11、螺旋段；12、过渡圆柱段；13、阀口圆柱段；14、六方柱段，15、尾部圆柱段；16、排空通道；
2、螺杆马达外缸；3、冲锤缸体；4、冲锤活塞；5、下棘轮；6、衬套；7、半圆卡；8、花键套；9、钻头。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
如图1和图2所示，本发明包括螺杆马达转子1、螺杆马达外缸2、冲锤缸体3、冲锤活塞4、下棘轮5、半圆卡7、花键套8和钻头9；
螺杆马达转子1安装在螺杆马达外缸2内形成螺杆马达，螺杆马达转子1从上到下依次加工有螺旋槽的螺旋段11、过渡圆柱段12、阀口圆柱段13、六方柱段14和尾部圆柱段15，螺杆马达转子1穿过冲锤活塞4的中心孔插入钻头9的中心孔流道内，螺杆马达转子1的中心部至阀口圆柱段13之下开有排空通道16，排空通道经尾部圆柱段15通入钻头9的中心流道；
螺杆马达外缸2下端通过螺纹与冲锤缸体3连接，冲锤缸体3下部有内螺纹与花键套8连接，花键套8顶面支撑下棘轮5，花键套8顶面为下棘轮5轴向限位，半圆卡7设置在花键套8上方口部；冲锤活塞4外圆柱面与冲锤缸体3形成密封配合，冲锤活塞4中部外端面加工有轴向棘齿、下部为冲击圆柱段，冲锤活塞4的中心顶部为与阀口圆柱段13配合的圆孔口、中心下部为与六方柱段14配合的中心六方孔，冲锤活塞4的下底面触击钻头9顶面；如图2所示，冲锤活塞4的中心六方孔与螺杆马达转子上的六方柱段14配合，冲锤活塞4中部外端面的轴向棘轮与下棘轮5上的轴向棘齿配合，下棘轮5的外棱柱面与冲锤缸体3下部的正多边形内表面过渡配合；钻头9的钻头体花键与花键套8上的花键槽配合，形成可轴向运动的装配体，并通过半圆卡7防止钻头从花键套8中脱落。
本实施例中，花键套8顶面有衬套6，衬套6上台阶面支撑下棘轮5，衬套6为下棘轮5轴向限位；半圆卡7固定在衬套6内壁或花键套8上方口部。
本发明的工作原理：
高压钻井液流经由螺杆马达转子1和螺杆马达外缸2形成的螺旋流道时，驱动螺杆马达转子1高速旋转，因冲锤活塞4中心六方孔与螺杆马达转子1上的六方柱段14配合，使冲锤活塞4与螺杆马达转子1共同高速旋转，因冲锤活塞4中部的轴向棘轮与下棘轮5的轴向棘齿配合，且下棘轮5与冲锤活塞外缸通过外八方配合，导致下棘轮5无法与冲锤活塞4同步旋转，使下棘轮5与冲锤活塞4产生转速差异，在下棘轮5的棘齿台阶斜坡与冲锤活塞4的旋转作用下，冲锤活塞4向上运动至螺杆马达转子1阀口圆柱段13的大径部分，逐渐使冲锤活塞4顶部的圆孔口与阀口圆柱段13配合形成密封，使冲锤活塞4上端面腔体的高压钻井液憋压并作用与冲锤活塞，当冲锤活塞4继续旋转到其上的轴向棘齿斜坡面与下棘轮5上的轴向棘齿斜坡面脱离接触，冲锤活塞4上顶面在高压钻井液作用下向下快速冲击钻头9，并同时打开阀口圆柱段13的阀口，高压钻井液进入排空通道16。重复上述过程，形成往复冲击作用。
