液动冲击器的结构与工作原理-工程钻探与取样技术

9.2.1.1　阀式冲击器

1）正作用冲击器

正作用液动冲击器的活塞-锤头加速和冲击铁砧的动作靠水流能量来实现，而活塞返回初始状态则靠压缩弹簧的力量。

下钻时冲击器处于悬挂状态，其下部的销键（9）处于低位（图9-2，Ⅰ）。钻具距孔底还有一定距离时首先开泵，高压流体自由地流过冲击器和岩心管（10）冲洗孔底岩屑。而起钻过程中，销键（9）也处于低位，可排出钻杆（1）内的冲洗液。钻具到达孔底后销键处合拢，阀体（3）覆盖了活塞（4）上的孔，阻断液体通道（图9-2，Ⅱ）。在剧增的压力作用下阀体与活塞-锤头加速下移，压缩弹簧（2和5）。经过一个Δt时间，当阀体上盖到达限制器（11）时，阀体停止位移并与活塞脱离。活塞（4）在动能驱动下继续向下运动并冲击铁砧（7）；钻头切削具在冲击作用下破碎孔底岩石（图9-2，Ⅳ）。这时冲洗液又可经冲击器流向孔底。

为了改善冲击功的传递条件，铁砧（7）的销键（9）可以在一定范围内相对滑套（8）移动，从而防止冲击脉冲直接作用于冲击器外壳和钻杆柱。完成冲击后在受压弹簧的作用下阀体（3）和活塞（4）、重锤（6）返回初始位置。当阀体又与活塞相遇时液流又被截止，重新激励液动冲击，又重复上述过程。

这种冲击器结构简单，技术成熟，但回动弹簧的反作用力将抵消相当大的冲击力。适用于钻进硬脆性岩石（花岗岩、砂岩、辉长岩、玄武岩等），在弹塑性岩石中效果并不好。

图9-2　正作用液动冲击器工作原理示意图

Ⅰ—往孔内下放冲击器；Ⅱ—冲击器到达孔底；Ⅲ—冲击器活塞的工作行程；Ⅳ—冲击铁砧
1—钻杆；2，5—弹簧；3—阀体；4—活塞；6—重锤；7—铁砧；8—滑套；9—销键；10—岩心管；11—限制器

2）反作用冲击器

反作用冲击器又称为储能式冲击器，其活塞-锤头的加速与冲击铁砧作用取决于活塞-锤头的质量和弹簧的压缩能量，而活塞-锤头的上升动作（同时压缩承力弹簧）靠水力冲击作用。这类液动冲击器为达到活塞-锤头所需的上返速度需要消耗大量冲洗液。其工作原理如图9-3所示。

下钻时砧子悬挂在外壳下部花键套上，冲锤（4）与砧子（9）脱开，液流畅通（图9-3，Ⅰ）。钻具到孔底后砧子（9）上移，冲锤（4）下端面与砧子（9）上端面紧密压合，阻断冲锤（4）下端排液口，液流从冲锤下部径向通孔进入冲锤（4）与下阀（7）之间的阀腔，推动下阀（7）下移压缩阀簧（8），直至下阀（7）压住砧子（9）上端面（图9-3，Ⅱ左侧所示）。液流再次受阻，液压继续升高推动冲锤上升压缩阀簧和锤簧，为开启下阀和击锤蓄能，并将停留在上腔的冲洗液排往下腔，再经砧子上的排液孔排至钻头和井底（图9-3，Ⅱ右侧所示）。当冲锤升至锤程上限带动下阀上升，阀腔内液压下降，被压缩的阀簧迅速释放能量将下阀提升到阀程上限，冲锤下腔处于完全敞开卸压状态（图9-3，Ⅲ左侧所示）；冲锤在锤簧弹力作用下高速击打砧子（图9-3，Ⅲ右侧所示）。冲锤击砧后下阀在惯性力和阀腔内液力推动下迅速下移贴紧砧子上端面，冲锤内冲洗液进入阀腔，开始下一个工作周期。

图9-3　反作用液动冲击器工作原理示意图

Ⅰ—初始状态；Ⅱ—冲锤上升状态；Ⅲ—冲锤下降状态
1—外壳；2—导流管；3—限位环；4—冲锤；5—锤簧；6—预压调节垫；7—下阀；8—阀簧；9—砧子

这种冲击器靠压缩弹簧释放的能量与冲锤自重同时作用，故可获得较大的单次冲击功，但弹簧的工作寿命短，为使冲锤快速上移需要消耗大量冲洗液，故在勘探钻进中应用并不广泛。

3）双作用冲击器

（1）基本工作原理。

冲锤活塞正冲程和反冲程均由液体压力推动的冲击器称为双作用冲击器，其基本工作原理如图9-4所示。

当钻具到达孔底时，由于钻具自重作用，使活接头f被压紧到外套上的g处，这时冲击器内压力工作腔d处的液流分别作用在活阀（2）和塔形冲锤活塞（6）上，由于活塞上下两端的压差，迫使活阀上移到最上位置。由于冲锤活塞上下两端面积不同而产生的压力差，迫使其也向上移动。当冲锤活塞上行到与活阀结合时，通道d1被关闭，冲锤活塞与活阀便一起急速下行，当下行h时，活阀被支撑座（4）限制，冲锤活塞与活阀分离，借助惯性作用继续下行，下行到s时，冲击砧子（9）。由于冲锤活塞中心通道被打开，液流又恢复循环，在液流压力作用下，活阀急剧上升，冲锤活塞也急剧上行，如此运行，周而复始进行。

图9-4　双作用液动冲击器基本原理示意图

1—带孔的活塞座；2—活阀；3—外套；
4—支撑座；5—导向密封件；6—塔形冲锤活塞；
7—导向密封件；8—节流环；9—砧子

这种冲击器采用差动运动方式，故必须有既滑动又隔压的密封件，为使冲击器内部能形成一个压力差，在铁砧部位设有“节流环”“下阀”等元件，在与冲锤活塞中间部位和活阀上部对应的外壳处设有“呼吸道”。从理论上讲，该冲击器的液流功率利用率较高。

（2）YZX系列复合式双作用冲击器。(www.xing528.com)

近年来，我国自主研发的YZX系列复合式双作用液动冲击器在生产中应用广泛。该冲击器的特点是：密封副少，有效地降低了运动件的阻卡几率；运动副不用橡胶件、科学分流，取消了原有潜孔锤固定式节流环，减少击砧时的水垫作用，冲程过程中充分利用上下腔的压差持续作用，可自由调节冲锤的行程，输出的冲击功大，能量利用效率高，工作稳定；在出现冲击器不工作的情况下，可不提钻采取常规回转钻进方法完成整个回次钻进。

YZX系列复合式双作用冲击器的主要零件有上阀组件、外管、冲锤组件和钻头（花键轴）等。如图9-5所示，来自地表泥浆泵的冲洗液经上接头（1）到达喷嘴（2）并高速喷射出，在阀程区产生一低压区，诱使上阀（4）上行，而此液流将继续通过上活塞（6）和冲锤（7）抵达冲锤下腔形成高压，使冲锤在上下活塞面积差的作用下快速上行并与已经处于上限位的上阀接触，将高速流动的冲洗液流截断，使原处于低压区的上阀区变成高压区，下腔则成为低压区。此时的压力差产生的推力快速推动上阀和冲锤下行，上阀运行一段距离（称为阀程）后在限位台阶作用下停止运动，冲锤则在惯性和由于阀、锤打开冲洗液畅通的液流共同作用下继续向下运动，直至冲击传功座将冲击能量输出，这样成为一个工作周期。如此循环周而复始。

YZX系列复合式双作用冲击器的性能参数见表9-1。

2001～2005年，在中国大陆科学钻探工程——CCSD1井施工中，YZX127液动锤共计下井505回次，累计进尺3526.3m，井深5118.2m。在可钻性8～9级榴辉岩和片麻岩中平均钻效1.32m/h，最高钻进效率2.46m/h，比纯回转钻进提高近一倍。岩心采取率90%以上，创造了液动冲击器深孔取心钻进的世界记录，取得了令人瞩目的成果。

图9-5　YZX系列复合式液动潜孔锤的工作原理图

1—上接头；2—喷嘴；3—行程调节垫；4—上阀；5—上缸套；6—上活塞；
7—冲锤；8—外管；9—下活塞；10—下缸套；11—卡瓦；12—花键套；13—花键轴

表9-1　YZX系列液动潜孔锤结构参数一览表

9.2.1.2　无阀冲击器

1）射流式冲击器

射流式冲击器由原长春地质学院与辽宁地质矿产局第九地质大队合作研发，SC-89和JSC-75型射流式液动冲击器曾获得1982年科学技术奖。该钻具主要由上接头、射流元件、缸体、活塞、冲锤、外缸、砧子、花键套和下接头等组成。

工作原理（图9-6）：由泥浆泵输出的高压液流从射流元件（2）的喷嘴喷出，输入射流元件（2），假如在附壁作用下先附壁于右侧，高压液流便进入缸体（3）的上部，推动活塞（4）下行。此时，与活塞连接的冲锤（5）便冲击砧子（7）。砧子与岩心管相连，冲击能量经岩心管传至钻头完成一次冲击作用。活塞冲程末了，缸体（3）上部腔体的压力上升，迫使射流由右侧切换到左侧输出，流体经连接的通道进入下缸，然后推到活塞（4）向上返回，当活塞运动到上限位置时，缸体（3）下腔的压力上升将射流又换到开始位置，如此往返实现冲击动作。缸体上下腔的回水可通过输出道返到放空孔，再经放空孔通道、中接头及砧子内孔注入岩心管及钻头，冲洗孔底后返回地表。

图9-6　射流式冲击器工作原理示意图

1—上接头；2—射流元件；3—缸体；
4—活塞；5—冲锤；6—外缸；
7—砧子；8—花键套；9—下接头

射流冲击器除活塞与冲锤外无弹簧、配水活阀等其他易损零件，冲锤向下冲击砧子时没有弹簧对冲击力的抵消作用，因而冲击能量利用率高，能适用于深孔作业。

2）射吸式冲击器

射吸式冲击器利用高压液流喷射时的卷吸作用，使活塞冲锤的上下腔产生交变压力差推动活塞往复运动（图9-7）。

图9-7　射吸式冲击器工作原理示意图

1—喷嘴；2—上腔；3—阀；4—活塞；5—承喷器；6—冲锤；7—外壳；8—下腔；9—砧子

工作原理：启动前，阀（3）与冲锤（6）均位于行程下限[图9-7（a）]，液流通道敞开；工作液流通过喷嘴（1）以大于40m/s的速度由喷嘴射出，并通过冲锤上部的承喷器（5）扩散减速后进入冲锤下腔（8），再从砧子（9）的侧孔排出[图9-7（b）]。进入下腔的液流，由于通道扩大，流速减慢和砧子（9）节流孔的增压作用，使活塞下腔压力升高。于是，上、下腔形成压差，使冲锤活塞与阀同时上行。由于阀体的质量较轻，运动速度较快，先抵达行程上限，随后阀与冲锤上部的阀座闭合阻断液流通道而停止[图9-7（c）]；由于阻断的过程极其迅速，进入阀、锤上腔的高速射流骤然受阻产生水击[图9-7（d）]，上腔压力猛增。测试结果表明：当阀、锤上腔产生水击的同时，阀、锤的下腔也出现一次负水击（下腔压强降至零线），上下腔压差推动阀体和冲锤快速向下冲击，由于阀程小于锤程，当阀抵达阀程下限后冲锤因惯性继续向下冲击砧子，并使液流通道完全打开[图9-7（e）]，一个工作周期结束，阀与冲锤进入下一个工作周期，周而复始不停地冲击。

射吸式液动冲击器的阀控结构简单，由工作液流的体积力推动冲锤做功，流量大冲锤输出的能量则大（反之亦然）；启动泵压低，即使流量频繁变化也能及时响应，当流量稳定时频率与冲击功也很稳定。适于小口径钻进。