1、1摘要冲击回转钻进技术的设想始于欧洲。从上世纪五十年代开始，在美国，加拿大和前苏联才研制出几种具有实用意义的液动冲击器。我国从 1958 年底开始在原地质矿产部勘探技术研究所对液动冲击回转钻进技术进行研究，几乎与世界同步。全套图纸加 153893706液动冲击器是液动冲击回转钻探的关键设备。随着中国现代化建设的不断推进和发展，国民经济增长对液动冲击回转钻探不断提出更高的要求，所以，加速液动冲击器的研究势在必行。本文在综述了国内外液动冲击回转钻探和液动冲击回转钻探核心机械液动冲击器的基础上，研究阀式反作用液动冲击器的工作原理和结构特点，并提出了计算液动冲击力和冲击频率的方法。通过分析，指出阀式反
2、作用液动冲击器适用于中到中硬以上的岩层，并且应尽量增大泥浆排量，采用较大刚度的冲锤弹簧，以使冲击器的优点得到充分发挥。并针对液动冲击器的关键零件冲锤弹簧进行了详细的分析2计算和验算。并从技术和经济学角度分析了液动冲击回转钻探的技术经济效果。本文主要作了以下工作：1）详细阐述了液动冲击回转钻探；2）详细介绍了各种液动冲击器；3）分析了反作用液动冲击器的结构原理和结构特点4）阀式反作用液动冲击器的性能分析和参数计算。关键词：液动 回转 钻探 反作用 冲击器AbstractThe text ,basing on summing up the studying of nation inside and
3、 outside n circumgyrate drilling of fluid move concussion and fluid move impulsion implement of counteractive of valve style,study working principle and frame characteristic of fluid move impulsion implement of counteractive of valve style.And it advances the measure that account the wallop and conc
4、ussion frequency.Overpass the analysis,it indicate that the fluid move impulsion implement of counteractive of valve style is the same with the terrane that whose rigidity is middle or upwards.Besides it should accretion the arrange quantity of slop to the best of its abilities and adhibits clash sp
5、ring of the greater limit to exert the excellence of impulsion implement.It also makes detailed analyzed account and checking computations in allusion to the key part of the impulsion implement,and analyses the technic economy effet of the impulsion implement.The text do mianly these work:1)expound
6、circumgyrate drilling of fluid move concussion particular.2)introduce diversified impulsion implement particular.33)analyse orking principle and frame characteristic of fluid move impulsion implement of counteractive of valve style.4)capability analysis and parameter account of fluid move impulsion
7、implement of counteractive of valve style.Key words: fluid move, circumgyrate, drilling, counteractive ,concussion implementI目录摘要 .1Abstract .2第一章 液动冲击回转钻探 .111 概述 112 冲击回转钻进的实质和特点 213 冲击回转钻进的应用范围 314 冲击回转钻进的发展概况 415 液动冲击回转钻在地质岩心钻探中技术经济效益 6第二章 液动冲击器 .821 冲击器的种类 822 反作用式液动冲击器 .15221 反作用式液动冲击器的结构原理 .1
8、5222 反作用式液动冲击器的结构特点 .1523 阀式反作用液动冲击器性能分析及参数计算 .16231 功率特性及活塞冲锤运动特性分析 .16232 参数计算 .1624 本章小结 .22第三章 5 型液动锤 .2331 5 型液动锤工作原理及特点 .2332 冲锤弹簧设计和计算 .243.2.1 原始条件的确定 24322参数计算： .253.2.3 验算 27第四章 液动冲击回转钻进的发展展望 .2741 液动冲击回转钻进的发展方向 .2742 基础理论方面的重大课题 .3043 应用研究 .30第五章 液动锤的仿真分析 .31致谢 .35参考文献 .36II1第一章 液动冲击回转钻探1
9、 1 概述采用冲击回转钻进技术的设想始于欧洲。18671887 年期间，一些企图代替钻杆冲击钻的潜孔式液动冲击器相继出现，1887 年在英国曾授予德国沃布什曼以新钻井方法的专利，其技术核心就是利用泵供给的液能驱动液动冲击器对回转着的钻头进行连续冲击，从而实现冲击回转钻进。从本世纪五十年代开始，在美国、加拿大和苏联才研制出几种具有实用意义的液动冲击器。海湾石油公司和壳牌石油公司对比进行过研究，其目的主要是应用于石油钻井及排除卡钻等，故直径较大，冲击锤有重达300kg 者，且冲击频率较低。在地质矿产钻探方面国外研究最有成效的是苏联，从 19001905 年间即开展对液动冲击回转钻进技术的研究，但直
10、到 1970 年才开始逐步在生产实践中得到应用，其间历经约七十年。匈牙利在六十年代研制了直径从 48 到 160mm 的五种双作用液动冲击器，其特点是组装在一专用拖车上并配有相应的泵、除砂器、取心工具、钻头和处理事故工具等，以便能够灵活运输，在施工矿区或工地为好几台钻机服务。当某台钻机遇到坚硬地层需要进行冲击回转钻时，可以及时运来“全套”的附属机具进行施工，而后又可以灵活地运往其他机台的孔段服务。匈牙利的这种液动钻探设备不但在地质矿山钻探中使用，其较大口径的液动冲击器也用于水井钻和工程施工钻探。日本对液动冲击钻的研究约有十余年的历史，比较成功的例子为利根公司研制的 wH120N 型双作用式液动
11、冲击器，其最大的特点是采用气液作为工作介质。我国从 1958 年底开始在地质矿产部勘探技术研究所对液动冲击回转钻进技术进行研究。至 1965 年设计研究了七种不同结构形式的液动冲击器，2并在周口店试验站专门建立的试验室中进行了性能对比和岩样钻进试验。其中最好的一种 YZ2 型冲击器外径 89mm，当供给的液量为 0.20.3 立方米每分时，冲击功为 5888J，冲击频率是 1625HZ。在试验台用硬质合金钻头钻进 VII 级花岗闪长岩时，最高钻进速度可达 85mm/min。1966年在湖南柿竹园多金属矿进行了生产试验，最大孔深达 430m。勘探技术研究所为推动此种技术的发展，曾于 1963 年
12、编辑了(冲击回转钻专辑)第一辑，广泛介绍了国内外的文献资料，为液动冲击回转钻在我国的发展做了有益的工作。原北京地质学院和武汉地质学院也进行了大量的工作，培养了数批以冲击回转钻为主要内容的研究生，为系统的深入研究创立了良好的人才条尤其应当指出的是辽宁地质矿产局第九地质大队与长春地质学院等单位从 1971 年开始研究了一种具有独创性的 sc89 和 JSC75 型射流式冲击器，并于 1982 年获得科学技术奖，这是国内得到广泛应用的第一种液动冲击器。从 1975 年以后，我国除了地质系统广泛地研制了掖动冲击器外，其他几乎全部有钻探任务的兄弟部门都对此种钻进技术进行了研究，它们在生产实践中几乎部得到
13、了肯定的好评。这种先进的钻进技术正在地质钻探、石油和天然气钻井以及各种工程钻中稳定地发展着。其技术核心液动冲击器正逐步形成孔底动力钻的一个重要分支。1 2 冲击回转钻进的实质和特点冲击回转钻就是在回转钻的基础上对岩石破碎工具钻头，施加具有一定频率的冲击能量，因此对回转着的钻头不但对岩石有静的给进压力和扭矩，而且附加了一种连续的冲击动载荷。换言之，冲击回转钻就是一种带有冲击负荷的回转钻。冲击回转钻进所以能够提高钻进效率的原因，归纳起来有下列几点：1冲击裁荷的特点是接触应力瞬时可达极高值，应力比较集中。所以3尽管动硬度要比静硬度大，但仍易产生微裂纹。并且冲击速度愈大，岩石脆性增大，有利于裂隙发育。
14、因此可以不大的冲击功(数个公斤米)就可破碎坚硬岩石，而静压人时则需很大的力；2切削刃具磨损减少。在冲击回转钻进中切削刃具的磨损减少的原因有：(a)钻进中所得的轴向压力较小，转速很低；(b)体积破碎的摩擦系数低于表面破碎时的摩擦系数，而在冲击回转钻进中容易达到体积破岩的程度；(c)钻速快，切削具的相对磨损就减小，(d)冲击破碎岩石时刃具与岩石的作用时间很短。3因为在冲击时还加有一定的轴向压力，改善了冲击功能的传递条件，增大了冲击效果。4因为高频并连续地给岩石施加冲击载荷，所以在碎岩过程中缝隙发育较完全，更有利于破碎较硬岩石。5因为在冲击中又有连续不断的回转切削作用，改变了冲击裁荷的传递方向，充分
15、发挥了冲击碎岩和切削碎岩的效果。13 冲击回转钻进的应用范围冲击回转钻进除了可以提高钻速外，又由于钻进中所需的轴向压力较小，转速较低，所以钻孔不易弯曲，孔内事故也较少，原材料的消耗低，4所以它是当前的一种现实可行的高效、优质、低消耗的钻进方法。特别是在中等硬度的岩石中，其效率更为显著，所以冲击回转钻进方法应用范围愈来愈广。据美国 1973 年和 1974 的统计贫科说明，使用冲击回转钻进方法完成的工作量占总工作量的 232一 236，仅次于一股的回转钻进(占 62.7一 633) 而属第二位的钻进方法。冲击回转钻进最适宜于钻进粗粒而不均匀的地层，在 69 级岩石中钻进效果尤为突出。近几年来冲击
16、回转钻进不仅用于硬合金钻进，而且也应用于钢粒钻进和金刚石钻进以及牙轮钻进，适用的岩层范围扩大了。最近，苏联将冲击回转钻进应用于金刚石小口径钻进中，它不仅提高了钻进效率和钻头寿命，而且还克服了金刚石钻进裂隙发育地层、 “打滑”地层和容易引起强烈弯曲的地层的困难。或因钻机开不了高速而影响孕镶钻头钻进时，用冲击回转法也可弥补其不足。冲击回转钻进所钻的孔深和孔径日有发展。可以满足地质勘探钻进的要求。美国在石油钻井中，用巴辛格尔液动冲击器钻井深度达 2750 米。苏联利用 3 型液动冲击器在石油钻井中可深达 1280 米。利用 3A 型液动冲击器在地质钻探中孔深已达 700 多米。苏联近几年研制丁 7、
17、9 型液动冲击器，并且为了增大效能，采用了 70 型气动孔底反射器，其孔深可达 1500 米或更深。总之，冲击回转钻进方法现在已用于不同的地层和不同的钻进方法，其孔径和孔深也不断扩展，是种很有发展前途的钻进方法。14 冲击回转钻进的发展概况冲击回转钻进法的应用已有上百年的历史。早在十九世纪六十年代就有人进行丁潜孔式冲击器的试制工作。早期在法国研制过低频液动冲击器。后来在苏联和美国进行过“涡轮锤”和“涡轮振动钻”的研究工作。5二十世纪三十年代发展了风动潜孔锤。到五十到六十年代获得了较为广泛的应用。在此期间，美国在 3500 米的深井中，成功地进行了风动潜孔锤冲击回转钻进。随后又在水并钻和工程钻中
18、广泛应用。到六十年代末，在我国矿山开采中推广使用了风动潜孔锤冲击回转钻进，代替了旧的钢丝绳冲击钻进。二十世纪四十年代，苏联葛奠夫研制了滑阀式正作用液动冲击器，美国巴辛格尔也研制了活阀式正作用动冲击器。在液动冲击器的研制方面取得了很大的进展。到五十年代，美国艾莫雷研制了活阀式反作用的冲击器，到五十年代后期就出现了种类繁多的双作用的冲击器各种冲击器一直发展到现在，都得了较大的发展。虽然苏联在 1960 年使用反作用式的 3 型液功冲击器，在 2400一 2700 米的深井中成功地进行了冲击回转钻进，但是总的看来，六十年代以来，在 1500 来以内的钻并中，使用效果较好的液动冲击器多属于正作用冲击器
19、。我国自 1958 年开始研制冲击回转钻具，许多单位在研制冲击器和冲击回转取心钻进方面进行了好多工作，但后来研究中断。从 1971 年起，辽宁铁岭地质队，长春地质学院等单位又先后开始研制液压射流式冲击器，取得了不少的成就。现在射流式冲击器和阀式冲击器已在地质勘探取心钻进生产中应用起来，并敢得了较好的成果。例如某队用射流冲击器钻进67(少最 8)段岩石，取得进尺 1132 米的最高台月效率，江西某队用阀式冲击器钻进一万六千多米，在玄武岩、花岗岩地层中平均台月效率比钢离钻进提高 30 一 60。冲击回转钻进方法虽然应用日广，但尚须进步完善和提高。应当研究冲击回转钻进的碎岩原理，研究设计新型的冲击器
20、，应尽先研制用于坚硬岩层的大冲击功的冲击器，泥浆钻进用的冲击器以及小口径金刚石钻进6用的高频冲击器，研究冲击器的设计和计算方法；设计适应冲击回转钻进用的水泵及钻机，研究冲击回转钻进用的钻头结构、硬合金的材质和形状及其镶焊方法；制订合理的钻进工艺参数。15 液动冲击回转钻在地质岩心钻探中技术经济效益液动冲击回转钻在我国地质钻探中应应用日愈增多，逐渐形成一种与回转钻配合使用的常规钻探技术。大量的实际进尺证明，它既可采用硬质合金钻头，也可采用价格低廉的人造孕镶金刚石钻头在 VIVII 级岩石中进行有效的钻进，尤其是在坚硬致密的“打滑”地层中使用孕镶金刚石钻头取得了明显的技术经济效益，主要表现在钻进速
21、度可以成倍地提高，回次进尺长度和钻头进尺均有不同程度的增长。冲击回转钻进费用低于回转钻的主要原因是：(1)由于钻压和钻头转数较低从而减轻了钻杆和所有管材的磨损，断钻杆事故较少，(2)采用金刚石钻头时，几乎可以不用皂化油等昂贵的冲洗液；(3)钻头费用低，在 VIVII 级石英闪长岩、花岗闪长斑岩等岩石中采用人造孕镶金刚石钻头时，钻头进尺可以超过 120m。(4) 动力消耗少。据统计，我国从 19711986 年以来，用液动冲击回转钻探进尺约500000m，最大使用孔深 930m,取得了明显的技术经济效益。苏联对此种钻进技术在地质钻探中的技术经济效益总的作了如下的估计：钻速提高 20 一 60，回
22、次进尺增加 10 一 20，钻头寿命增加 10 一25，钻进成本降低 1015，有利于改善孔斜程度，用高转速时对岩心质量无任何影响，金刚石钻头不易被抛光，推广较为容易。最后还应当指出，采用液动冲击回转钻后大多数的 IVVII 级岩石可以采用硬质合金钻头代替金刚石钻头，而硬质合金的主要原料钨在我同拥有的储量为世界第一位，从这一点来看大力推广它也是完全合乎国情，7其意义是显而易见的。推广液动冲击回转钻的经济效益可用年经济效果，既年节约约值确定。年经济效益 E 由运用前后的成本和投资的经济指标比较而得，计算公式为：E= (11)02121AKEC）（）（ 式中：E年经济效益（元） ；液动冲击回转钻推
23、广前和推广后每钻探 1 米的平均成本（元） ；21C地区推定的投资效果的比较系数（钻探工程取作 =0.2） ；1E 1E推广前后单位进尺的基本投资（元） ；2K推广后每年完成的工作量。0A基本费用（单位进尺）的投资为：及 元 (12)LWK112CK其中： 及 （元）nC1nC2钻探设备包括液动冲击器及附属装置等的平衡表价格（元） ；及 为原用和采用液动冲击回转钻技术的钻探设备数量：(13)cKVTWn201(14)c201式中： 钻探工作量（m）1W8一年总时间（台班） 。无星期天的全天工作制时，地表钻为0T1234.89（台班） ；而地下钻和海拔 2300m 以上的地表钻为 1440（台班
24、） ；推广前及推广后的台班效率（m/台班） ；21V及设备利用系数，取作 0.60.85。cK前式中之 为采用液动冲击回转钻时附加的流动资金费用。fC第二章 液动冲击器21 冲击器的种类冲击回转钻进技术的分类，一般以采用的潜孔式冲击器(或振动获)之结构或性能特点区分。就冲击器的性能而言，近年来出现了两种不同的冲击器，一种是冲击频率较高达到 42HZ 以上的高频外击器，但冲击功则较小，一般在 981J左右。利用这样的冲击器来实现冲击回转钻进时，由于破碎岩石主要是回转钻进的方式，而冲击作用则是次要的，这样的钻进方式称之为回转冲击钻。其使用的钻头主要是金则石钻头，其次才是硬质合金钻头。另外一种是所谓
25、低频冲击器，其性质特点是冲击频率较低，征 42HZ 以下，而冲击功则较高(达 2978J)，利用这样的冲击器来实现冲击回转钻进时，由于破碎岩石主要是依据冲击作用，而回转作用仅仅是将钻头刃移动一个适当的间距，这样的钻进方式则称之为冲击回转钻。使用的钻头则主要是硬质合金钻头。这样的区分主要以碎岩的机理而言，所以现在通常所谓的冲击回转钻乃是一种通称。就冲击器的结构而言，其分类械述如下一、液动冲击器此类冲击器是目前最为成功的一种典型产品。其基本作用原理是利用10泵供给的液能，直接迫使冲击锤形成上下往复的运动，并连续不断的对钻头造成冲击。利用现有泥浆泵所容许的泵压(例如 4.958MPa)可以基本满足
26、600 一 800m 深的地质勘探钻孔，所以这是目前运用最为广泛的一种液动冲击器。按照冲击锤工作过程的运动力学又可以分为以下三个类型：1正作用式液动冲击器 利用泥浆系输送的高压液流做为能源，推动冲击锤下行冲击铁砧，而冲锤的回程则靠复位弹簧的作用而实现。目前国外最为成功的如苏联 76，59 以及 5 和 6 型冲击器；美国的如罗、巴辛盖尔式等。我国比较成功的如 YZ 型 ZF 型及 TK 型等。2双作用式液动冲击器 其特点是冲击锤的工作行程和冲击锤的回程均由泵供给的液流能量实现。此种类型的液动冲击器在国外成功的例子很少，而从七十年代开始，我国对此种冲击器的研制工作取得了很大的成功。其中又可分为两
27、种：(1)射流式波动冲击器 它是利用一个典型的双稳射流元件将液流连续不断地分配到活塞的上端或下端，从而迫使冲击锤实现冲击行程和回程。此种冲击器最为成功的例子是 SC89 型和 JSC75 型射流式冲击器等。（2）阀式双作用液动冲击器 我国从 1971 年开始大量研制，比较好的结构如地质矿产部的辽宁54 型、YS 系列无弹簧式以及核工业部的 YE型等。苏联也设计了一些试验性的结构。双作用式液动冲击器除了上述两种类型外，近年来还出现了一种气液混合的双作用冲击器，例如日本利根公司的 WH120N 型。3、反作用式液动冲击器 其结构原理恰好与正作用式液动冲击器相反。它是利用泵供给的液流能量推动冲击锤上
28、行，同时压缩弹簧而储存能量；冲击锤在工作行程开始时是据冲击程的重量和弹簧释放的能量对钻头实现冲击。美国海湾石油公司设计的反作用式液动冲击器就是其中之一。4绳索取心式波动冲击器 国内和国外目前在地质矿山钻探中普遍11推广的绳索取心钻进技术均为采用金刚石钻头的回转钻。当遇到坚硬致密的岩石时有的会造成金刚石钻头的“打滑”现象，钻进效率很低，有时甚至不能进尺。这种现象钻孔很深时，其矛盾尤为明显，从而使绳索取心钻探的优势受到很大的限制。近年来国内和国外(主要是苏联)对发展绳索取心铀探与液动冲击回转钻探相结合的绳索取心液动冲击回转钻探技术给予了很大的重视。其核心技术就是发展可以从绳索取心钻杆中能够和取心器
29、岩心容纳管用钢丝绳和打捞器升降自如的绳索取心式液动冲击器。我国正在研制和试验小的绳索取心式液动冲击器有冶金工业部探矿研究所研制的 TK605 型和地质矿产部的 S75C 及 S59C 型等。其中 TK60S 型已于1984 年通过技术鉴定。苏联地质部也于 1985 年开始生产 76 型绳索取心式液动冲击器。实践证明，绳索取心式液动冲击回转钻可比绳索取心钻提高钻进速度，延长提钻周期和提高回次进尺长度。这是一种很有前途很现实的新技术。由于绳索取心式的冲击器目前主要是液动冲击器。可以是正作用式、各种双作用式等。二 钻杆传动冲击器。美国和苏联都曾对此种结构的冲击器进行过研究。状冲击锤 3 在钻杆回转时
30、借助于弹簧 1 支撑在孔壁上而不能回转，当钻杆回转，岩心管上端的齿状凸缘迫使冲击锤 3 上行，而当上行到达凸圆齿的顶端时冲击锤 3 落下而冲击岩心管， 2 为具有花键的联动接头。钻杆每转动一周则可造成与凸齿齿数相同的冲击次数。在 1976 一 1979 年问我国甘肃、四川地矿局均曾对与此类似的结构进行过研究。但至今在国内外还均未得到运用，共主要原因是它传递的能量很有限，而从支撑在孔壁上的弹簧或其他制动装置不靠。尽管有人曾设计了液压式和具有反向旋转制动的水力装置，但均未能成功的得到运用。12三、回转器传动冲击器这是一种利用波动蜗轮或类似原理的液力旋转式机构带动回转轴及锥形齿轮和成组的同步偏心机构
31、造成对钻头连续冲击或振动，从而实现冲击回转钻进。液动蜗轮冲击器液流经蜗轮机构 1 而迫使锥齿 2 旋转并带动曲柄 3 作纵向高速回转。曲柄 3 将上下往复运动通过弹簧 4、连杆 5 及冲击锤 7 而对孔底形成连续不断的冲击，钻头的回转则仍由地面钻机通过钻杆传动其外壳和钻头而实现。美国的一种利用一种类似多级的蜗轮 2，带动一组 24 对同步的偏心体而形成对孔底钻头的高速冲击，这些偏心体的往复运动仍然是利用一对锥形齿轮 3 来实现，离合器 1 是一组花键连接机构，共目的是允许冲击器做轴向运动并且又能传递钻杆的扭矩以便同时形成钻头的回转运动。苏联设计的 3 型蜗轮冲击器。外径 260mm水平轴上的偏
32、心体 3，其壳腔之一半充填以钨之碎块，碎块间则以铅充填，因而形成了一个比重约为 14gcm 的偏心块，而壳腔的另一半则充满冲洗液，形成一个液力减阻器以减少旋转时的阻力。高速回转的偏心体就是冲击能的来源。孔底给进器 1 的目的是使钻头具有相当的振幅，同时也可以避免钻杆激烈振动。此种结构的冲击器曾进行过钻孔试验，但缺点甚大而末成功。所有的液力回转器传动的冲击器，其主要缺点是各种型式蜗轮机的传递功率不足，而且效率低，若设计成多级高速的蜗轮机构则又过于复杂，而且又不可能承受长时间的剧烈振动。有效而成功的结构尚待进一步研究。四、电动冲击器电动冲击器可以利用直径较小而轴向尺寸较大的潜孔式电动机取代前述回转
33、器传动冲击器中的蜗轮机构而实现。我国地质矿产部勘探技术研究13所曾于六十年代初进行过研究，但结构复杂，无论是设计制造和使用都有困难。在英国和苏联曾设计研究过利用磁致伸缩原理的高频振动钻，但有效能量很小，钻进岩石十分困难。国外有人也曾研究过电磁冲击器。至今为止，电动冲击器在深孔中的应用由于输电系统，冲击器的结构都比较复杂而没有大的进展。五、风动冲击器(潜孔锤) 风动冲击器是就是利用压缩空气驱动冲击锤完成工作行程和实现冲击锤的回程，因此也一种双作用式的冲击器。风动冲击器亦称潜孔锤。由于工作介质为空气，而空气的阻力是液体的 18301900，故在相同的冲锤重量，有效工作面积和冲程条件下其冲击功和冲击
34、频率均比液动冲击器为大。在钻进时压缩空气也就是冲孔介质，故其钻进工艺和特点基本上与空气吹井钻进相同。在浅孔、破碎漏失地层和缺水地区、永冻层等条件下钻进时，其优点尤为突出。我国研制风动潜孔锤及其配套钻机是从 1958 年开始，1964 年进行了YQ150A 型钻机的生产性试验，而从 1965 年开始推广，约有二十多年的历史，积累了丰富的经验。可见采用风动冲击器实行冲击回转钻进，其钻进效率很高，一般为冲击钻的 35 倍，约为液动冲击回转钻的 153 倍。风动冲击器结构类似凿岩机，但无转歼机构，碎岩工具的旋转和液动冲击器一样均由地面钻机或转盘实现。风动冲击器的基本原理：室(配气机构)控制压气使之轮流
35、进入气缸的上空或下空，以便推动活塞冲击锤，对砧(钻头)进行冲击或推动冲出锤上行完成回程动作。阀室由阴盖 1、阀片 2 和阀座 3 组成。当冲击器不工作时阀片 2 由于自重置于阀座 3 上，活塞 6 则停留在钻头(砧)7 上。工作时压气经阀盖 1 的进气孔进入阀室，经进气孔进入气缸壁上的进气14道及下室。此时活塞被举起，当活塞上行接近上死点时阀片 2 由于下端压力升高而改变位置并关闭阀盖的进气孔，同时开启阀座上的进气孔，此时压气进入上空推动活塞向下冲击钻头。在活塞到达冲击点后阀片又换向，压气重新进入下室并开始第二个工作循环。工作冲程时下空气体经排气口和气缸壁上的排气道排出；回程时，上空气体经徘气
36、口及排出，所有排出的废气均经过钻头到达孔底实现冲净钻孔的作用。所有风动冲击器均没有防止空打和润滑的装置。我国采矿工业常用的风动冲击器目前多为 C150、J200 及 w200等，其详细结构图可从有关文献中查到。前两种均为有阀式，风压较低。而 w1200 型则为无阀式，据文献载，与有阀式冲击器相比，耗气量可节省30左右。近年我国又研制成功一种 CC80 型风动冲击器，经过鉴定认为其性能达到了国内同类产品的先进水平。其最大的特点是直径小，冲击功较大，完全有可能在地质钻探中采用，同时所需气压仅 0.49MPa，比较适应于现有压风机的技术条件。CC60 型冲击器的主要性能参数为：钻孔直径，mm 80全
37、 长，mm 625气缸直径，mm 50活塞行程，mm 120冲击功 ，J 68.7冲击频率，HZ 17.521耗气量： 56min/3整体质量，kg 11除以上特点外，CC80 型风动冲击器之缸体组合件采用不锈钢焊条焊15接，活阀用 65Mn 钢制成，淬火硬度 HRC30 一 35。球齿钻头的硬质合金牌号为 YGllC，尺寸为 412xI 8mm，采用磨齿钻孔、冷压固齿工艺，当钻头直径为 120mm 时采用 15 颗硬质合金，球齿和孔逐个测量分级选配，其过盈显为 0.12 一 0.18mm，钻头寿命在 f=1222 之砂岩、坚硬砾岩中达150m。CC80 型风动冲击器经在冶金、建材、水电、铁路
38、和国防工程的井下和露天施工中使用认为是一种高效率和低耗能、寿命较长的潜孔钻具，其性能达到了国内同类产品的先进水平。这种小型的风动冲击器值得在地质勘探钻孔中推广使用。美、法等因在采矿、水井钻凿、建筑业、管道近孔的施工中广泛使用浴孔锤钻进。其主要原因就是生产效率高。在钻进坚硬岩石和大直径钻孔中可以使用硬质合金钻头（包括各种形式的球齿）代替昂贵的金刚石钻头以节约资金。美国英格索兰公司出产的 IR 系列潜孔锤其外径由 93mm至 689mm，可以钻进直径 I 02762mm 的钻孔。DHD360 型无阀潜孔锤。专门为阿拉期加输油管钻凿工程而研制的无阀 DHD124 型超级潜孔锤，可用于的严寒条件，在石
39、灰岩以至致密的冰冻砾石层中，当风量为 566m /min,压为 086MPa 时，钻进速度为 618mh，而且钻孔甚为笔直，3采用的钻头均为凹面球齿破质合金钻头。米森(Mission) 公司出产的 A3015 型潜孔锤其外径 762mm，钻头外径 921016mm。法国 A，S 、S系列的潜孔锤，其中 65A,S,S 型之外径仅 59mm,长 700mm，重 l 2kg，钻头外径 65mm，这是一种尺寸较小的产品。预计风动冲击器用于地质矿山钻探的前景是乐观的。在钻探工艺方面需要解决的主要问题与空气吹并存在的问题极为相近，其次是设计研究适合于矿山钻探用风压较高的空气压缩机。目前由于压风机能力的限
40、制，孔深均在 50m 左右，若能利用功率和气压较高的压风机或设计研制特殊的钻16进工艺，则钻孔深度可以增加，国外有达孔深为 3，000m 的报导。显然这些问题的解决，就是能否广泛应用于地质勘探钻孔的关键。综上所述，在目前我国的条件下，最有可能发展的是液动冲击器，尤其是液动冲击器中，正作用和双作用式波动冲击器在地质岩心钻探中的航员是极为宽广的。其次是风动冲击器在水文水井和工程钻探中的采用必将日愈广泛。22 反作用式液动冲击器221 反作用式液动冲击器的结构原理反作用式液动冲击器的结构原理是利用高压液流的压力增高推动活塞冲锤上升，活塞冲锈上升的同时压缩工作弹簧储存能量。当分配液流机构(阀门)打开，
41、高压液流畅通，而工作室中的液流压力降低时，工作弹簧便释放储存的能量，驱动活塞冲锤急速向下运动而产生冲击(图 349)。222 反作用式液动冲击器的结构特点从结构方面进行分析，反作用式液动冲击器具有下列特点：1对冲洗能的适应能力较强；2比较允分地利用活塞冲锤本身重量和弹簧的张力。由于弹簧释放出来的能量与活塞冲锤本身重量同时向下作用，故可获得较大的单次冲击功，适宜钻进大口径(如工程钻孔，地质水文钻孔以及水井等)钻孔；3冲击器所需泵压较低。 172 3 阀式反作用液动冲击器性能分析及参数计算231 功率特性及活塞冲锤运动特性分析阀式反作用液动冲击器是指依靠高压液体推动冲锤上行压缩工作弹簧储存能量，而
42、以工作弹簧释放出的能量驱动冲锤下行进行冲击的冲击器，其功率特性及活塞冲锤运动特性分析如下：钻具处于悬挂状态时，钻头与井底无接触，铁砧在其自身和钻头重量作用下，处于最低位置（如图 1a 所示） 。冲锤在冲锤弹簧作用下与铁砧相接触，活阀在活阀弹簧作用下坐落在冲锤的上端面处，此时，泥浆经活阀上的通水孔，冲锤和铁砧的内孔流向井底。当钻头接触井底使铁砧上行一段距离顶到外壳上时（如图 1b 所示） ，冲锤，活阀也随同上行，并且活阀的通水孔进入阀箱，使泥浆流道突然关闭。由于液流速度突然降为零，则产生水击压强。又由于冲锤连杆上端面与活阀下端背面的压力差作用，使冲锤与活阀一同迅速上行压缩冲锤弹簧和活阀弹簧。当冲
43、锤上行一段距离后，由于受到被压缩的冲锤弹簧的阻止，其速度下降，并由冲击器外壳上的凸肩限制住其上行。此时，活阀由于惯性而继续上行，与冲锤分开，液流通道打开（如图 1c 所示） 。在被压缩的冲锤弹簧作用下，冲锤停止运行后，又迅速下行冲击铁砧。同时，活阀到达上死点后，又在活阀弹簧作用下迅速下行。在冲锤与铁砧产生冲击时，活阀与冲锤相接触，关闭液流通道，并一同又复上行，循环往复，便形成了连续冲击。232 参数计算为研究方便，作如下假设：1活阀，冲锤和与之配合的缸套间的摩擦等于零。182活阀和冲锤所受液体的粘滞阻力等于零。3液体静压力对活阀和冲锤的影响包含在浮力系数 k 中:。K=1- (2-1)sl式中
44、:k浮力系数;_泥浆密度,l3/mkg_活阀或冲锤的材料密度,s 3/kg4弹簧力随位移线性变化。计算某一过程的弹簧力时，取其平均值。5上冲程时，坐标取向上为正，下冲程时，坐标取向下为正。（1）上冲程冲锤与活阀一同上行由于受到水击压强的作用，冲锤与活阀一同上行，上行的初速度为零。以冲锤和活阀为研究对象，根据能量守恒定律和动量定理分别可得：(2-2)2(1)2(121 skskmvkgsSA(2-3)121)( mt其中： )(4311 HBspd（2-4）（2-5）21m式（2）（5 ）中：S冲锤行程， m;活阀弹簧预压缩量，m;1s19冲锤弹簧预压缩量，m;2s活阀弹簧的刚度，N/m;1k冲
45、锤弹簧的刚度，N/m;2活阀质量，kg,;1m冲锤质量，kg;2冲锤与活阀一同上行 S 距离所需要的时间，s；1t冲锤与外壳凸肩接触前的瞬时速度，m/s；v冲锤与活阀的集合尺寸（如图 2 所示） ，m ；31,d泥浆泵出口压力，Pa；Bp地面管汇和钻柱内损耗压力，Pa；H水击压强（ ，Pa；s )0vplsC水击压强波的传播速度，m/s；钻柱内泥浆流速，m/s。0v由式（2） （3）解得：（2-6）kmskskgAsv )2(1)2(1)(211 第二章 液动冲击器20（2-7）)21()21()(21 221 skskmgAskt 2冲锤撞击外壳凸肩冲锤上行压缩冲锤弹簧，由于冲锤弹簧刚度较大
46、，冲锤速度逐渐降低，并且在撞击外壳凸肩前，其速度较小。所以，这一碰撞过程可略去。（2）下冲程1冲锤下行冲锤在其自重和冲锤弹簧等作用下迅速下行，获得较大的动能，为冲击铁砧做好准备，其下行速度为零，以冲锤为研究对象，根据能量守恒定律和动量定理分别可得：（2-8）)21212skgsmvkSA（2-9）2)( vtSg其中： （2-4243HBpd10）式（8）（10 ）中：-冲锤下行 S 距离所需时间，S；2t-冲锤与铁砧撞击前瞬时速度，m/s ；v- 冲锤几何尺寸（如图 2 所示） ，m ；43,d由式（8）和（9）解得：第二章 液动冲击器21（2-11）2222 )(1)(kmsgASv（2-
47、12）)21()(2222 skgAskt 2冲锤冲击铁22冲锤下行冲击铁砧，铁砧将冲击力传给钻头。冲击时间与冲击前冲锤瞬时速度关系为：42932726243 106.10.10.7105.10479. vvvvtc （13）式中： -冲击时间， S。ct冲击后，冲锤速度为零。根据定量定理可得：（2-14）222)vkmtFskgmAc式中： -冲锤与铁砧的冲击力， N。cF由式（14）解得：（2-15）SkgmAtvkFc22综上可得冲击频率为（2-6012cttf16）式中：f冲击频率， min4 计算举例及讨论某阀式反作用液动冲击器其外径 178mm，长 1.8m。活阀弹簧刚度为4000
48、N/m，冲锤弹簧和活阀弹簧的预压缩量均为 30mm。冲锤，活阀几何尺寸，d1=76mm,d2=80mm,d3=35mm,d4=10mm.冲锤行程为 15mm，泥浆密度为 1200kg/m3。Pb pH 取为 6Mpa。又式（11） ，式（15）可知，冲击力与锤重，冲锤弹簧刚度成正比，23可以看出，当流量，锤重变化时，冲击力无变化，而冲锤弹簧刚度越大，冲击力越大，这是因为锤重的变化对冲击力影响很小。所以阀式反作用液动冲击器的冲击力又冲锤弹簧刚度决定。还可以看出，当流量，冲锤弹簧刚度与锤重变化时，对冲击频率均有影响，并且冲击频率与锤重，冲锤弹簧刚度成反比，与流量成正比。在实际操作时，若遇到中到中硬以上岩层，应以冲击碎岩为主，旋转切削为辅。同时应提高冲击频率和冲击力，增加流量和采用较大冲锤弹簧刚度。若遇软地层，应以旋转
