技术领域：
本发明涉及桩基建设工程技术领域，特别涉及一种在钻进过程中能够解除卡钻现象的周向冲击的防卡钻装置及方法。
背景技术：
：
钻头是桩基建设中用于锚固地基墙体，隧道壁面的重要工具，主要用于在桩基锚固建设过程中切削，破碎岩石。但是，在使用钻头向基岩层钻进时，由于锚固孔出渣受阻或者在下方地层岩石坚硬导致在破碎岩石层时钻头发生间歇性卡钻现象，使得扭转弹性能不能释放，造成钻头破岩过程极不稳定，会直接损坏切削硬质合金刀粒，降低钻头及下部钻具的寿命。
一般解决卡钻的处理方法主要有如下方式：活动解卡，震击解卡，倒扣解卡，套铣解卡，浸泡解卡，磨蚀解卡，爆炸解卡。相关从业人员根据井况可将上述两种或几种方式交替使用，最终达到安全解除卡钻的目的。其中震击解卡方式需要将震击器，加速器等与打捞工具一起下井，当捞上并抓紧落物后，根据井况，通过操作，对被卡管柱进行连续上击或下击，将卡点震松以达到解卡目的。
本发明提供的一种周向冲击的防卡钻装置及方法相对于传统震击解卡手段无需下放震击器与加速器，自身就能产生一定频率的周向冲击，能够更加灵活快速的解决在施工作业时遇到的卡钻现象，提高了生产效率。
技术实现要素：
：
本发明是为了解决上述现有技术存在的问题而提供一种周向冲击的防卡钻装置及方法，本发明可以有效防止钻头在岩层钻进时候发生卡钻的现象。
本发明所采用的技术方案有：一种周向冲击的防卡钻装置，包括蓄能器、活塞座、冲击主轴、接头和钻头冠，所述蓄能器、活塞座、接头和钻头冠由上至下相互固定并同轴布置，冲击主轴上设有活塞、螺旋头和冲击锤，所述活塞与活塞座上的活塞腔滑动连接，螺旋头与接头螺旋连接，冲击锤伸于钻头冠内；在活塞座上设有进水流道、第一出水流道、第二出水流道、蓄压流道和泄压毛细孔，所述第一出水流道、第二出水流道、蓄压流道和泄压毛细孔均与所述活塞腔相连通，且第一出水流道和第二出水流道对应位于活塞部的上下两侧，进水流道与第一出水流道和第二出水流道相连通，蓄压流道与蓄能器相连通；所述钻头冠上设有冲洗流道和四个出水孔，进水流道和冲洗流道各对应与两个出水孔相连通。
进一步地，所述活塞座上的活塞腔为具有大圆部和小圆部的台阶孔结构，所述活塞头滑动置于活塞腔的大圆部内，第一出水流道和泄压毛细孔均与所述小圆部相连通，第二出水流道和蓄压流道均与所述大圆部相连通。
进一步地，所述冲击主轴包括由上至下一体成型的轴头部、泄压部和轴身部，所述轴身部的直径大于轴头部的直径，轴头部的直径大于泄压部的直径，所述轴头部滑动置于活塞腔的小圆部内，且轴头部将所述第一出水流道的内孔口密封，所述活塞头、螺旋头和冲击锤均设于轴身部上。
进一步地，所述螺旋头为半球形结构，在接头的轴心方向上设有通孔，通孔的内壁上设有螺旋槽，螺旋头置于螺旋槽内。
进一步地，所述冲击锤为块状结构，冲击锤通过螺钉固定连接在轴身部上，在钻头冠的轴心方向设有冲击孔，冲击孔为台阶状的盲孔结构，在冲击孔的内壁上设有两个对称布置的砧板。
进一步地，所述冲击主轴的轴心方向上设有泄压流道，泄压流道为通孔结构。
进一步地，所述第一出水流道和第二出水流道均沿着活塞座的径向方向布置，且第一出水流道和第二出水流道均为通孔结构，在第一出水流道和第二出水流道的外孔口设有堵头；所述蓄压流道为具有水平孔与竖直孔的直角形结构，蓄压流道水平孔为通孔结构，在所述水平孔的外孔口设有堵头。
进一步地，所述蓄能器为隔膜式蓄能器。
进一步地，所述钻头冠上固定有外管，所述活塞座和接头均置于外管内，在活塞座上固定有内管，蓄能器置于内管内。
本发明还提供一种周向冲击的防卡钻方法，利用高压水产生的压力使得冲击主轴中活塞的上下两端产生压力差，并结合蓄能器的储能与放能使得冲击主轴作轴向往复移动，通过冲击主轴与接头的螺旋配合，实现冲击主轴的轴向移动与周向转动的复合运动，继而带动冲击主轴上冲击锤周向撞击钻头冠，最终实现对钻头冠的重复周向冲击。
本发明具有如下有益效果：
1.本发明可以实现周向冲击缓解卡钻现象，提升工作效益。
2.本发明在正常钻进时高压水从冲洗流道进入，钻头不发生周向冲击，实现正常钻进。当发生卡钻时，高压水从进水流道进入，钻头发生周向冲击，缓解卡钻现象，根据实际的工况随时调整钻头运动状态，提高钻头的寿命，节约成本。
3.本发明结构简单，易于拆装维修。
附图说明：
图1为本发明的a-a旋转剖视图。
图2为本发明的俯视图。
图3和图4为本发明中活塞座结构图
图5为本发明中接头结构图。
图6为本发明中冲击主轴结构图。
图7为本发明中钻头冠结构图。
图8为本发明中蓄能器结构图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
如图1至图8，本发明一种周向冲击的防卡钻装置，包括蓄能器3、活塞座4、冲击主轴5、接头6和钻头冠7，蓄能器3、活塞座4、接头6和钻头冠7由上至下相互固定并同轴布置，在冲击主轴5上设有活塞51、螺旋头52和冲击锤53，在活塞座4上设有活塞腔400，活塞51与活塞座4上的活塞腔400滑动连接，螺旋头52与接头6螺旋连接，在冲击主轴5作轴向方向的往复运动时，冲击主轴5与接头6螺旋连接进而实现冲击主轴5轴向运动过程中的转动。冲击锤53伸于钻头冠7内，冲击主轴5转动过程中，冲击锤53击打钻头冠7，实现对钻头的重复周向冲击。
在活塞座4上设有进水流道40、第一出水流道41、第二出水流道42、蓄压流道43和泄压毛细孔44，活塞座4上加工有左右对称的两个进水流道40，顺着进水流道40自上向下分别加工有与进水流道交叉相贯的第一出水流道41，第二出水流道42和蓄压流道43。其中径向第一出水流道41和第二出水流道42的一端连通进水流道40，另一端连通活塞座4内腔，且第一出水流道41和第二出水流道42对应位于活塞部51的上下两侧。蓄压流道43连通活塞腔400和蓄能器3。第一出水流道41，第二出水流道42在周向分布位置相同，与蓄压流道43周向相错分布。
泄压毛细孔44设置在活塞座4的轴心方向上，且泄压毛细孔44的一端与蓄能器3相连通，另一端与活塞腔400相连通。
在钻头冠7上设有冲洗流道74和四个出水孔75，进水流道40贯穿于活塞座4并一直延伸于钻头冠7上对应与两个出水孔75相连通，冲洗流道74对应与两个出水孔75相连通。
活塞座4上的活塞腔400为具有大圆部和小圆部的台阶孔结构，活塞头51滑动置于活塞腔400的大圆部内，且活塞头51将活塞腔400中大圆部的内腔分隔成空腔a和空腔b。第一出水流道41和泄压毛细孔44均与小圆部相连通，第二出水流道42和蓄压流道43均与大圆部相连通。
本发明中的冲击主轴5包括由上至下一体成型的轴头部511、泄压部512和轴身部513，轴身部513的直径大于轴头部511的直径，轴头部511的直径大于泄压部512的直径，轴头部511滑动置于活塞腔400的小圆部内，且轴头部511将第一出水流道41的内孔口密封（轴头部511与活塞腔400的配合公差控制在h6/h5内并且表面粗糙度ra值小于等于0.63，即可保证轴头部511在活塞腔400滑动的同时，又能保证第一出水流道41的内孔口密封性）。活塞头51、螺旋头52和冲击锤53均设于轴身部513上。
在接头6的轴心方向上设有通孔，接头6的通孔内加工两个起始角度相差180°并且旋向相同的螺旋槽61（螺旋槽61的螺距大于100mm）。
在冲击主轴5的轴身部513的外圆面周向固定两块相互间隔180°的半球形结构螺旋头52，两块螺旋头52分别嵌入接头内孔面的两个旋向相同，起始角度相差180°的螺旋槽中。
为了能让冲击主轴5在上下往复运动的同时也能做周向的扭转运动，在接头6周向两个旋向相同，起始位置相错180°的螺旋槽限位下，通过卡入螺旋槽的两个对称分布且与冲击主轴5焊接为一体的螺旋头52带动主轴整体在轴向往复运动的同时做周向的扭转运动。
冲击锤53为块状结构，冲击锤53设置两个，周向相互间隔180°，通过紧定螺钉531固定在轴身部513上。
在钻头冠7的轴心方向设有设有冲击孔70，冲击孔70为台阶状的盲孔结构，在冲击孔70的内壁上对应冲击冲击锤53的位置处焊接有两块两块对称分布的砧板71，砧板71长度与主轴冲击锤段长度相等。
为了能让钻头产生周向的冲击作用，当冲击主轴5带动固定于主轴末端的冲击锤发生扭转运动后，冲击锤锤击在钻头冠砧板71上，由于砧板与钻头冠焊接为一个整体，以此实现整个钻头的周向冲击作用。
本发明通过外管1螺接钻头冠7，内管2螺接冲击器的活塞座4，活塞座4和接头均置于外管1内，在活塞座4上固定有内管2，蓄能器3置于内管2内。
在正常钻进过程中只需要向外管1内注入高压水，高压水进入冲洗流道74，当发生卡钻状况时再向进水流道40接入高压水即可。
为便于阀体内外气压保持一致，在冲击主轴中心处加工有贯通主轴轴向的泄压深孔（即泄压流道56），钻头冠7内孔底部亦开有贯通钻头冠内外的泄压孔。
为便于空腔a与空腔b内水压不溢流，在两个空腔a，b之间的活塞头51上安装有三个o型密封圈。空腔b的上方与主轴接触处内孔面安装有唇口向下的斯特封9，对应的空腔a下方接头6与主轴接触处内孔面安装有唇口向上的斯特封9。
第一出水流道41和第二出水流道42均沿着活塞座4的径向方向布置，且第一出水流道41和第二出水流道42均为通孔结构，在第一出水流道41和第二出水流道42的外孔口设有堵头10。蓄压流道43为具有水平孔与竖直孔的直角形结构，蓄压流道43水平孔为通孔结构。为便于活塞座流道加工，活塞座4上开设的各个工艺孔需要通过堵头10封住朝外泄流的孔眼。
本发明中的蓄能器3为隔膜式蓄能器。蓄能器3包括蓄能器上体32、蓄能器下体31、端盖33、加气螺塞34、隔膜35和螺栓。蓄能器隔膜35将蓄能器上下体分隔出上下两个腔室，其中上腔室位于加气螺塞34侧，下腔室与蓄压流道43和泄压毛细孔44连通，蓄能器上体32与下体31通过六个周向均匀分布的螺栓连接紧固于活塞座上端凸台面上。蓄能器3的结构与原理为现有的结构，故本发明不再对蓄能器3工作原理进行赘述。
由于空腔b中的高压水不断通过泄压流道43被挤入蓄能器3下腔室内，当下腔室内压力过大时，可以通过泄压毛细孔44进行泄压，泄压毛细孔44的直径为φ1mm。
初始状态时，当高压水进入进水流道40，冲击主轴5在重力作用下位于最低点，此时冲击锤53抵触在砧板71上，活塞座4上的第二出水流道42连通空腔a，第一出水流道41被轴头部511密封截止。
当高压水流入进水流道40后，由于第一出水流道41封闭，高压水只能从第二出水流道42进入空腔a，然后作用在活塞头51下端面上，冲击主轴在该水力作用下向上抬升。
由于第一出水流道41被轴头部511的外圆面堵住，空腔b的液体只能受压流入蓄压流道43内，再经由蓄压流道43流入蓄能器3隔膜下方腔室内，蓄能器开始蓄能。
冲击主轴继续向上抬升，当抬升到轴头部511脱离第一出水流道41并使得第一出水流道41处于通流位置处时，高压水同时也可从进水流道40经由第一出水流道41流入空腔b中，由于轴头部511的直径大于泄压部512的直径，因此活塞头51上端面受力面积远大于下端面的受力面积，此时冲击主轴5移动方向发生快速的反转，并且同时加上自身的重力与蓄能器储蓄的能量驱动冲击主轴快速向下运动，以此实现了单次的轴向冲击动作。
在向下冲击作用下，冲击主轴向下运动导致第一出水流道41截止，并且在钻头冠砧板71的限位下，冲击主轴5复位，然后重复上述冲击过程。因此只要当进水流道不断通入高压水，该结构便能持续发生轴向的冲击作用。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
1.一种周向冲击的防卡钻装置，其特征在于：包括蓄能器（3）、活塞座（4）、冲击主轴（5）、接头（6）和钻头冠（7），所述蓄能器（3）、活塞座（4）、接头（6）和钻头冠（7）由上至下相互固定并同轴布置，冲击主轴（5）上设有活塞（51）、螺旋头（52）和冲击锤（53），所述活塞（51）与活塞座（4）上的活塞腔（400）滑动连接，螺旋头（52）与接头（6）螺旋连接，冲击锤（53）伸于钻头冠（7）内；在活塞座（4）上设有进水流道（40）、第一出水流道（41）、第二出水流道（42）、蓄压流道（43）和泄压毛细孔（44），所述第一出水流道（41）、第二出水流道（42）、蓄压流道（43）和泄压毛细孔（44）均与所述活塞腔（400）相连通，且第一出水流道（41）和第二出水流道（42）对应位于活塞部（51）的上下两侧，进水流道（40）与第一出水流道（41）和第二出水流道（42）相连通，蓄压流道（43）与蓄能器（3）相连通；所述钻头冠（7）上设有冲洗流道（74）和四个出水孔（75），进水流道（40）和冲洗流道（74）各对应与两个出水孔（75）相连通。
2.如权利要求1所述的周向冲击的防卡钻装置，其特征在于：所述活塞座（4）上的活塞腔（400）为具有大圆部和小圆部的台阶孔结构，所述活塞头（51）滑动置于活塞腔（400）的大圆部内，第一出水流道（41）和泄压毛细孔（44）均与所述小圆部相连通，第二出水流道（42）和蓄压流道（43）均与所述大圆部相连通。
3.如权利要求2所述的周向冲击的防卡钻装置，其特征在于：所述冲击主轴（5）包括由上至下一体成型的轴头部（511）、泄压部（512）和轴身部（513），所述轴身部（513）的直径大于轴头部（511）的直径，轴头部（511）的直径大于泄压部（512）的直径，所述轴头部（511）滑动置于活塞腔（400）的小圆部内，且轴头部（511）将所述第一出水流道（41）的内孔口密封，所述活塞头（51）、螺旋头（52）和冲击锤（53）均设于轴身部（513）上。
4.如权利要求3所述的周向冲击的防卡钻装置，其特征在于：所述螺旋头（52）为半球形结构，在接头（6）的轴心方向上设有通孔，通孔的内壁上设有螺旋槽（61），螺旋头（52）置于螺旋槽（61）内。
5.如权利要求3所述的周向冲击的防卡钻装置，其特征在于：所述冲击锤（53）为块状结构，冲击锤（53）通过螺钉固定连接在轴身部（513）上，在钻头冠（7）的轴心方向设有冲击孔（70），冲击孔（70）为台阶状的盲孔结构，在冲击孔（70）的内壁上设有两个对称布置的砧板（71）。
6.如权利要求1所述的周向冲击的防卡钻装置，其特征在于：所述冲击主轴（5）的轴心方向上设有泄压流道（56），泄压流道（56）为通孔结构。
7.如权利要求1所述的周向冲击的防卡钻装置，其特征在于：所述第一出水流道（41）和第二出水流道（42）均沿着活塞座（4）的径向方向布置，且第一出水流道（41）和第二出水流道（42）均为通孔结构，在第一出水流道（41）和第二出水流道（42）的外孔口设有堵头（10）；所述蓄压流道（43）为具有水平孔与竖直孔的直角形结构，蓄压流道（43）水平孔为通孔结构，在所述水平孔的外孔口设有堵头（10）。
8.如权利要求1所述的周向冲击的防卡钻装置，其特征在于：所述蓄能器（3）为隔膜式蓄能器。
9.如权利要求1所述的周向冲击的防卡钻装置，其特征在于：所述钻头冠（7）上固定有外管（1），所述活塞座（4）和接头（6）均置于外管（1）内，在活塞座（4）上固定有内管（2），蓄能器（3）置于内管（2）内。
10.一种周向冲击的防卡钻方法，其特征在于：利用高压水产生的压力使得冲击主轴中活塞的上下两端产生压力差，并结合蓄能器的储能与放能使得冲击主轴作轴向往复移动，通过冲击主轴与接头的螺旋配合，实现冲击主轴的轴向移动与周向转动的复合运动，继而带动冲击主轴上冲击锤周向撞击钻头冠，最终实现对钻头冠的重复周向冲击。
技术总结