毕业设计（论文）-潜孔钻气动冲击器设计.docx

本设计来源于实际生产需求，主要任务是设计在露天、粉尘、潮湿、空气质量不好的比较恶劣的环境中工作的潜孔钻用冲击器。潜孔冲击器由于其钻进效率高，钻头寿命长，钻进所需推进力小，转速低以及钻孔不易偏斜等优点，在钻孔作业中有较大的优势，故在砂床勘探、水文地质和凿岩工程等许多领域中，对潜孔冲击器的需求室越来越大。本文在详述国内外研究潜孔钻用冲击器现状的双础上，从参数优化,计算机设计，关键件设计与制造等方面对潜孔冲击器整体结构设计进行了阐述,重点是对冲击器活塞运动受力分析，列出运动微分方程0本文所设计的潜孔钻用冲击器是一种潜入孔中的以压气为动力，通过配气装置控制活塞作往亚运动，并冲击钻头将能量传递至钻头而破碎岩石的机具.与这同时，冲击器还在钻机旋转装置及推进装置共同作用下，实现旋转与推进动作。于是，岩体由表及里的受到破坏，并形成具有一定孔径的爆破孔。关健词：潜孔冲击器:活塞：工作原理：参数设计AbstractThedesigngraduatefromactua1.productiondemand,themaintaskistodesignintheopenair.dust,humidity,poorairqua1.ityinanenvironmentre1.ative1.ypoorworkofthedown-the-ho1.edri1.1.ingwithimpactor.Down-ho1.edri1.1.ingbecauseofi(simpactwithhighefficiency,1.ong1.ifebits,forpromotingthedri1.1.ingofsma1.1.,1.ow-speeddri1.1.ingandnotskewedtheadvantagesofthedri1.1.ingoperationshavegreateradvantages,deposititintheexp1.oration.Hydro-geo1.ogica1.anddri1.1.ingworks,andmanyotherareas,thepotentia1.impactofHo1.e'sdemandisincreasing.ThiSpaperindetai1.athomeandabroadtostudypotentia1.impactofdri1.1.ingho1.esforthestatusquoonthebasisoftheparametersoptimization,computerdesign,thekeypiecesofdesignandmanufacturing,andotheraspectsofthedown-the-ho1.efortheovera1.1.impactofStnictura1.designwasdescribed.FocusisonimpactwiththePistonsMovementAna1.ysis,1.istingdifferentia1.equation.Inthispaper,designedbythedown-the-ho1.eistheimpactofdri1.1.ingwithaho1.eintotheairasadrivingforcetopressurebythe1.,istonswithgascontro1.deviceforreciprocatingmovementandenergytransferwi1.1.impactdri1.1.hitsandbrokenrocktothemachines.Andthesametime,theimpactisa1.sopromotingtherigrotar),devicesanddevicesworkingtogether,andpromotetherea1.izationofspinmoves.Thus,(herockYoubiaoji1.idestructionandforma1.ionofacertaindiameteroftheb1.astho1.e.Keywords:Down-ho1.eimpactor;Pistons:Princip1.e;Designparameters摘要IAbstrac1.111.1 国内外潜孔钻用冲击器的研究现状11.1.1 国内外潜孔钻用冲击器的研尢发展概述11.1.2 潜孔冲击器配气方式的主要研究现状51.2 国内外潜孔钻用冲击器的发屣趋势81. 3本课题的研究目的及意义112潜孔钻用冲击器的总体方案设计122.1潜孔冲击器工作原理122. 2潜孔冲击器原始性能数据选取152.2. 1单次冲击功的选取152.3. 2冲击器冲击频率的选取182.4. 3活塞冲击速度的选取222.5. 4空气耗用量的计算222.6. 5冲击功率的确定计算242. 3冲击器配气机构设计241 .3,1配气面积的设计计算252 .3.2配气长度的设计计算262.4冲击器基本结构参数设计292.5冲击器活塞运动规律的微分方程及其结构设计292.5.1冲击器活塞运动分析302.5.2冲击器活塞结构和主要性能参数设计422.6冲击器主要零件选材和工艺要求43参考文献致谢附录1结论潜孔钻机主要用于露天矿山开采，建筑基础开挖，水利、电站、建材、交通及国防建设等多种工程中的凿岩钻孔。与常见的凿岩机相比,具有粘孔深、钻孔直径大、钻孔效率高、适应范围广等特点，是当前通用的大型凿岩钻孔设备。而一部潜孔钻机的钻孔效率在很大程度上取决于冲击涔的性能。所以潜孔钻用冲击器的需求员越来越大，冲击器的发展也引起更多人的关注。在条件相同时，无阀配气的冲击功要比有阀配气低，特别是我国矿山风压一般不高，而活塞直径又受孔径限制，所以为了增加冲击功，设计选择有阀配齐方式，结构上采用加工简单、使用可靠性高的板状阀片1.1国内外潜孔站用冲击的研究现状1.1.1国内外清孔站用冲击的研究发展梃述六十年代后期，我国露天矿山迅速推广了新型高效率的潜孔钻机穿凿爆破深孔，最早是由宣化风动机械厂（现宣化采掘机械厂）生产的仿苏的C型侧揖气冲击耦和钎焊硬质合金片的钻头，这种冲击器和钻头由于结构原因穿孔速度低、使用寿命短，在中硬和硬岩中冲击器的寿命一般为500800米，钻头寿命为1050米,穿孔成本很高,这不仅影响新型穿孔设符的推广，也使穿孔作业成为矿山生产的薄弱环节。1972年初冶金工业部组成了潜孔钻具攻关组，并列为国家重点科目项目，参加攻美单位仃长沙矿山研究院、嘉兴冶金机械厂、中科院冶金所、株州硬质合金厂研究所、北京钢铁学院，以及一些试验矿山。各单位科技人员发挥了各自的特长，从结构设计、材料选择,硬质合金研究，加工和热处理等方面作/大量工作新型冲击器和钻头定名为J型.首先研制成功了用于大型露天砂山，可钻孔径200220事米的J-200型冲击器和钻头，随后乂研制了J-170、J-150、J100、J-80冲击器和钻头,实现了潜孔钻具系列化。与C型冲击器和钻头比较，J型冲击器的使用寿命般提高35倍，钻头寿命提高58倍，穿孔速度也提高30%以上。80年代初期研制的QCZ型系列冲击器。有QCZ90、QCZI50、QCZ1.70,特点是：中心排气，克服了IW排气的许多缺点，在结构上有了个K跃，但凿孔效率不是太理想。1987年，宜化采掘机械厂与美国英格索兰公司合资后，试制了中心推气的第二代CIR系列冲击器,同时引进了美国英格索兰公司的DHD、DH系列冲击器。1993年，根据近代冲击器凿岩理论和实践，吸收国外的先进技术和经验，结合我国矿山的条件，开发了中心排气第三代的C1.R1.50A、CIR170.CIR65和CIR80型冲击器。由于优化了配气结构，利用高压气辅助推动阀换向，降低活塞工作行程时的背压，适当增加活塞长度、活塞直径和配气长度，以进一步提高冲击能和冲击频率，进而提高凿岩速度。现在实际生产中广泛使用的系列冲击器的主要结构特点如下：（1）单次冲击能大，有利于提高凿岩效率。（2）活塞采用细长异径帝中心孔埴活塞结构形式，活塞冲击钎头时产生的应力波的峰值较低，而有效应力的作用时间较长，有利丁提卷岩石破碎效率和延长钎具的使用寿命。（3）中心排气，废气经活塞和粘头中心孔排向孔底，排渣效果好，减少岩石至复破碎，提高凿孔效率和钎头寿命。（4）采用压差式配气结构，结构简单，易于制造，阀轻，行程合适，动作灵活，气道拐弯少，断面大，密封性好，压力损失小。（5）冲击器和钎头采用花键连接，结构简单，拆卸方便，传递扭矩大,稳固可靠,钎头不易脱落。（6）设有防水逆止阀，当冲击器突然停止供气时，冲击器周围的气水混合物不会从冲击器的排气孔道涌进。（7）冲击器提离孔底时，能自动停止活塞冲击，以便强吹孔底的岩渣.乂防止空打产生，避免造成对冲击器和钻机回转机构的破坏。J系列第二代冲击器（B型）的设计，是以进一步提高穿孔速度为主要目标，作法是改进配气结构，利用高压气辅助推动阀片换向，降低活塞工作行程时的背压，提高了冲击功，同时适当增加了活塞长度、直径和结构行程，这样，冲击器的单次冲击功又增加50%左右。由于增加了活塞长度和重量，提高了活塞一一钻头的能量传递效率和船头一一岩石的凿入效率。虽然由于活塞加重和行程加长，冲击嫌率有所下降，但实际穿孔速度提高30%40%,表1.1J型和C型钻具寿命比较矿山名林岩6硬度（f）孔S（W华击a寿命<*>'站头寿命（米）C型J«.CSJH大吉山房厂U1BHo230驳47.142东江水电站M20UO38US93.850.4枪冲铁矿!0-16HO218157432.71381416155353湖19.8214SMtBT，71S52040103082862671金山店就不12-14155610265035210大化水电此610155450729321.5755抚顺兵矿61.1.»51.1727795S135M32北京铁矿10-1415S.1757M240032.8240北京铁矿（B!）10-141154000S80黑山帙矿1214ISS400-800407«23.8471南芬被F10-16210SOO-100O>37001430)40兰尖铁矿10-16210。OyoO>»0030-50682拦尖铁（B5O101.621060拓859灵乡铁厂81，210258240273S41仿苏C型潜孔钻头都是钎焊硬质合金片的结构，小直径潜孔钻头一般采用三翼带超前刃，而大直径钻头采用四翼或四翼带超前刃，钎尾呈例柱状（侧边铳出一个平面），靠一个扁圆键与冲击器的卡钎套联结，扁圆键用以传递扭矩和防止钻头掉落。由于钻头直径大不易焊接，硬质合金片常常脱落或早期碎裂：轩尾与圆键接触的平面常因过快磨损而使钻头无法使用，因此钻头使用寿命很短。如表1.1所示，而J型潜孔钻头作了较彻底的改变：（I）采用头部呈球形或弹形的硬质合金柱齿代替传统的硬质合金片。合金柱在钻头端面布置均匀、合理，边齿径向磨损快，布置较多的硬质令金齿，而中间只布置少量硬版合金齿（钎焊硬质合金片的钻头无法做到）。（2）采用过盈冷压固齿代替传统的钎焊。大直径潜孔钻头钎焊加热很困难，般采用盐溶炉或真空炉加热，焊接温度850I1.OO硬质合金常因长时间高温加热而降低机械性能，而且焊接应力很高，常常引起硬质合金片早期脱落或破碎，过盈冷压固齿避免了上述缺点。（3）钻头的柄部和冲击器卡钎套之间采用花链和圆键混合联结，花键用以传递扭矩，圆键防止钻头监落，防坠键使用寿命长，钻头更换方便，工作可苑。J系列潜孔钻具第二代产品的主要工作指标已达到或接近国外同类产品的先进水平，例如冲击潺、钻头的使用寿命已大大超过苏联，美国的潜孔钻具代表世界先进水平，冲击器寿命一般在750-1000小时之间，在中硬至硬岩中，钻头寿命为150750米。J系列第二代产品的鉴定和试验数据已接近或达到这一水平。J系列潜孔冲击器是根据我国旷山风压较低的条件（56公斤/厘米2）而设计的，在这种条件卜.，冲击潺具有较高的穿孔速度。美国主要生产潜孔钻具的米申公司于1985年试探性的购买了J系列潜孔钻具，根据他们在巴西某工地所作的对比试验J型潜孔冲击器的穿孔速度明显高于美方冲击器.表1.2苏联和我国港孔钻具寿命比较矿械度I苏联拈具林j我国J型拈具寿金fI冲击加米/台）拈知米/只）1樵若（米冶）站头（米/只）691500-3000300-4504000-M00500-80010-13800*1500100-2002000-3000300-40014-18.3005002OOfiO1000-150050-200表1.3J型和米申公司冲击器穿孔速度比较穿孔速度（米/叶；工作风压：:J-筋型冲上将I米由公司牛击港»»>ah三,一三Wr'1.7公斤,'.重牙*:7.34.88I九$公斤，'里Xr6.4,1.1.2潜孔冲击HE气方式的主要研究现状目前国内外的风动冲击工具有两种配气方式：有阀和无阀。由于配其结构特点所决定，在条件相同时，无阀配气的冲击功要比有阀配气低，特别是我国ft山风压一般不富，而活塞直径又受孔径限制，所以为了增加冲击功，设计选择有阀配气方式，结构上采用加工简单、使用可靠性高的板状阀片.分析国内外潜孔冲击港的现状，我们还应看到无阀蟹潜孔冲击器的制造比重越来越大。这是由于无阀型冲击黯不仅结构简堆可旅、取消了阀片、整机使用寿命大幅度的提升，而且其更重要的个特点是易于在不同的工作气压（低至7千克/厘米2,高可达24.5千克/厘米D下运转。因而国外的高气压潜孔钻用冲击器多为无阀型。此外，冲击器在结构上多采用中心杆配气、采用进气座与配气杆一体的结构型式、采用细长型活塞与细长型钎头；在性能、参数选取上，取大冲击功、低冲击频率的参数分配方式：在气动能源上，由低气压（57千克/厘米2）过渡到高气压（10.5、17.6、21、甚至24.5千克/JE米?使冲击器的次冲击功能量大大提高：在材质及热处理工艺上，选用优版耐磨耐冲击合金钢及电子计算机控制的热处理工艺过程等.所有这些，使冲击器性能、效率.、制造质量及使用寿命有极为显著的改观。,中心管配，蕊加霭体联M潜孔冲击器分类j地.方式：中心排气拜气万式旁侧排气崔蝶泅、筒状阀,u寨头、串联活塞下面分析比较国内外几种类型冲击器的主要配气结构。如图1.1,(I)活塞自配气的无阀冲击器这种冲击器主要借活塞自身的气道进行配气。因而活塞结构在杂，活塞体上布置r很多气道，削弱r活塞强度，降低了活塞使用寿命。但是，这种冲击器具有内、外缸合为一的缸体结构，可使活塞的有效工作面积加大，相应提高了冲击器的冲击能显。(2)活塞和气缸联合配气的无阀冲击器这种冲击器结构筒单、加工方便、活塞寿命较长。因而国外广泛采用这种结构形式。属于这类冲击器的配气方式也不完全相同.(3)中心管即气的无阀型冲击耦这种冲击器上下室的进气道都布置在个圆管上，活塞在此管中滑动。除了要求制作精度高外，中心管寿命还较低"(4)旁他排气冲击涔所谓旁侧排气是指排粉气路由缸体而不是由钎头中心通至孔底的。国产C-150型冲击器即属此类型。这类冲击器在缸体上有较多的进排气路，不仅缸体结构强度差，易于产生纵向疲劳裂税，有较大的气压损失，而且排粉效果及钎头冷却都不够理想。(5)中心排气冲击器这类冲击器是由钎头中心向孔底吹粉排气的。压气直吹，不仅排粉效果好，能提高曲孔效率，而且还能更好的冷却钎头、提高钎头寿命。这种结构形式的内缸以环形槽取代了旁侧冲击器内缸为数甚多的纵向凹槽结构，大大的减少了内缸应力集中状况，是近年来广泛采用的一种结构形式。(6)出联活塞冲击器串联活塞冲击器又称双活塞(头)冲击器。这种冲击器是用隔离环将气缸分成前后两个室，使之在同一缸径情况下，同时有两个活塞面在工作，相应有较大的冲击功，较高的冲击频率。与此相应的还有双重排气系统，有效的排除孔底岩石粉末.其主要弊病是结构复杂、机件需有较高的加工精度，例如活塞与其相关的零件有多达五个相配合的表面，使之应用与推广受到了限制.abCdefg图1.1各种配气方式冲击器示意图1.2国内外潜孔钻用冲击器的发展趋势现代潜孔钻用冲击罂，从使用观点出发，它更显现出以下发展趋势：（1）良好的使用适应性，即在高、低不同的压气压力下均能正常运（2）有较高的曲孔速度和作业效率：（3）在各种复杂的岩层（包括含水岩层）均能正常运转作业：（4）结构简单，便于制造、使用及维修：（5）较高的机件使用寿命：（6）冲击器上的连接件要有一定的互换性，以便在多品种的钻机上使用。当今国内外都在努力对冲击器进行优化设计，冲击器的冲击系统的能用传递效率随岩石硬度而变化，大址试脸证明r这一点。对右软岩，效率随岩石硬度的变化是缓慢的，但对于硬岩，它的变化却非常快。硬岩的抗张应力和抗循环应力低，有利于冲击载荷破碎岩石，通过合理选择结构.得到较高的冲击能量传递效率来对付硬岩。潜孔冲击器的最优化设计必须满足最优活塞和钎头重量，以及岩石特性之间的数量关系，找出它们之间的相互关系，就达到r优化的目的。潜孔钻用冲击器内部动力过程是一个复杂的变化过程，其影响因素又多，我们利用理论计算公式和各种气动原理,运用各种方法确定冲击器的结构长度、配气长度、活塞侦量、作用面积、活塞前后腔气室的作用面积，使设计的冲击器工作性能达到最优.为了使冲击器达到最优化效果，达到较高的穿孔效率和较长的寿命，冲击器在设计上可采取以下措施：(I)加大活塞行程由于增加活塞直径受到限制，要加大冲击功，必然增加活塞行程，以前设计的Y200型冲击器是，结构行程为88皂米，FD2(X)冲击器(FD200型为J2(X)型的雏形)为100富米，而J200型冲击器结构行程增加到130率米。(2)增加活塞重盘结构行程加大后，就会提高活塞冲击速度，过高的冲击速度，容易引起零件疲劳破坏.所以在设计中增加了活塞重量，CKY-200型活塞重3.4千克，FD200型活塞重13千克，而J-200里活塞增加到16.2克。在冲击功一定的情况下，活塞重量增加，冲击速度相应地降低。较武的活塞还有利于提高冲击能量的传递效率，因为活塞的冲击动转变为钎尾应变能，起主导作用的是冲击瞬间的接触时间，而接触时间与活塞质量成正比.(3)采用棒槌形细长活寒为了进一步降低穿孔时的单位功耗，和提高钻具寿命，J200型冲击器采用棒槌形细长活塞。许多实验室试验资料表明：在冲击功、冲击速度和活塞重量完全相同的情况下,细长活塞破碎岩石的单位功耗要比短粗活塞低.例如J200型冲击器的棒槌形活塞和仿苏型的短粗活塞，在磁铁矿中进行了凿孔对比试验，活塞重量完全一样，只是形状不同，冲击速度分别为2、4、6、8米/秒，在所有四种冲击功情况下，棒槌形活塞的单位功耗都要比短粗形活塞低，分别降低1.2-40%e同时，用示波照相机拍扳冲击应力波表明，棒锤形活塞的应力波最大振幅要较短粗活塞低2030%,而波的持续时间长：分之一左右。棒锤形活塞还可以提高内缸的使用寿命，因为活塞冲击钎尾时，除了产生纵向应力波外，还存在横向应力波，横向应力波同活塞和钎尾碰撞接触状态有关，-些资料指出最大横向应力波振幅约为纵向应力波振幅的70%,横向应力波是内缸损坏的主要原因。棒锤形活塞前端有较长而厚的导向衬套，保护了内缸，从而提高了内缸寿命。(4)中心排气，内缸呈光滑筒形在设计Y-200型、CKY2型、FD200型冲击潺时，内缸外侧都有许多条配气槽，这不仅加工找时，而且大大降低f寿命，据统计这种内缸平均寿命为I(XX)米左右.J-2(X)型冲击器采用中心排气，内缸呈光滑筒形，减少了应力集中，也由于前端有导向衬套，寿命大大提高。从现场试脸结果可以看出,J-200型冲击器内缸从未破坏过，有的寿命已超过6000米。中心排气还有一个优点，推出废气直吹孔底，孔底岩破吹扫干净，有利于提高穿孔效率。(5)采用板阀配气由丁配气结构特点所决定，在条件相同时，无阀配气的冲击功要比有阀配气低，特别是我国旷山风压一般不高，而活塞直径又受孔径限制，所以为了增加冲击功，设计选择有阀配气方式。结构上采用加工简单、使用可靠的板状阀片。新型潜孔估用冲击器要达到更好的使用效果在发展趋势上还应具备以下结构特点：（I）可以根据岩石比重不同和管路风乐大小，改变配气杆中心的节流孔直径来调节耗风量和风压。（2）考虑了风水混合的湿式凿岩和钻孔涌水情况卜作业，根据用户需要可增加析水和防水密封装置.（3）采用整体钻头。结构强度高，寿命长，能地传递好。（4）钻头的装卸，采用弹簧挡销结构，使用方便，工作可旅。1.3本课题的研究目的及意义本设计来源于实际生产需求，主要任务是设计在露天、粉尘、潮湿、空气质最不好的比较恶劣的环境中工作的潜孔钻用冲击器.潜孔钻机的工作效果，很大程度上取决于钻具的结构是否合理，良好的年具设计应达到两个目标：较高的效率和较长的使用寿命。而本设计根据根据近代凿岩理论和吸取国内外经验，确立了各种参数，选取了较好的冲击器和钻头结构,采用长而重的活塞代替仿苏的短81活塞。由于配其结构特点所决定，在条件相同时，无阀配气的冲击功要比有阳配气低，特别是我国犷山风压一般不高，而活塞直径又受孔径限制，所以为了增加冲击功，设汁选择有阀配齐方式，结构上采用加工简单、使用可转性高的板状阀片。2潜孔钻用冲击器的总体方案设计冲击器是潜孔钻机的主要工作机构，它的性能直接影响钻机的生产率。风动工具的使用已有一百多年的历史，但到目前为止，还缺少关于活塞运行的完善计算方法。由于对冲程、回程运动，以及换向过程难以观察了解,只能依靠想象来估计活寒的运动状态.近年来，由于现代测试技术的应用，获得了活塞位移和气缸内风压变化的相对数据，对于分析活塞运动规律提供r科学依据.在这次设计中为了简化运行条件，特作两点假设：（1）活塞运行时的摩擦阻力可忽略不计：（2）缸内空气的压缩和扩散,都按等温过程进行。2.1 潜孔冲击工作原理目前，潜孔冲击器的结构型式分为无阀和有阀两大类。无阀型结构简单，寿命较长。但由于要利用气体膨胀作功，因而在高气压卜工作时的效率较高。国外冲击器的工作压力一般为7176千克/厘米2,有的甚至高达24.5千克/闻米2的，而目前国内各种气动凿岩机和气动工具均采用5千克/厘米2的低工作压力。有阀型冲击器如能在配气、排气方式、活塞和阀的结构方面设计合理，仍然能达到较高的工作效率。通过对国内外冲击器结构的分析比较，本冲击器采用J"中心杆配气，片状阀压差变位，中心排气的结构形式。图2.1冲击器工作示意图如图2.1所示，潜孔冲击潘开始工作时，压缩空气由后接头经逆止固进入缸体内，后分两路：一路是强吹风气路，经阀盖、导向管、配气座、活塞中心孔，以及钎头的中心孔进入孔底，直接吹扫孔底岩哦：另曲是完成工作配气气路,返I可行程开始，阀片和活塞均处r图示位置.压缩空气，经阀片上面进入阀靛的孔道然后进入内缸间的环形槽，到活塞的前腔,推动活塞上举，当活塞后端面与配气座的配气杆开始配合时，后腔的排气孔道被关闭，后室处于密封压缩状态，阀片前端受到逐渐升高的背压作用。阀片迅速移向阀盖端,关闭了前室的进气气路，准饴作冲击行程，配气完成r活塞返程过程。冲程开始时，活塞和阀片均处于极上端位置，压气经阀彘和阀片卜端进入阀座和汽缸的后腔，推动活塞向下运动，此时活塞以很高的速度冲击钎尾，导向套的槽被关闭，前腔压力开始上升，活寒的后端离开配气座的配气杆，于是，后腔的压力降低工作行程完成。活塞在冲击钎尾的瞬间，阀片由于其前后的压力差作用换向，然后活塞IR第返回行程动作，完成一个工作循环。详细工作过程：图2.2中活塞12处于冲程末了回程即将开始的位置.阀片10位于左面位置。从压气管路来的高压气体经阀右供J,阀盖4内的气路,气缸的外环形气道和回程进气孔进入缸体前气室，推动活塞向后作回程运动,这时缸体后气室与活塞中心排气孔相通。当活塞回程到一定位置.时，配气座8上的配气杆进入活塞中心排气孔，使缸体后气室处于封闭状态。随若活塞不断地惯性后退,缸体后气室的气体被压缩而压力逐渐增高，阻止活塞后退。当压力增淘到一值时，推动阀片10克服右（W的压力而移到右面的位置，使气流换向。这时，压气经阀左恻和阀座11（与配气杆合为一体）中的冲程进气孔直接进入缸体后气室推动活塞向前作冲程运动。此时前气室已早与前部的排气道相通。当活塞冲程到一定位置时，活塞中心排气孔与配气杆离开,后气室与中心排气孔相通而突然降压，阀在右侧常压力作用下又移到左面位置，切断后气室的进气通路。图2.2冲击器示意图1、后接头2、止逆寤3、蝶形宽4、阀装5、钢垫圈6、胶垫圈7、密封网8、配气座9、节流块10、阀片II、阀座12、活塞13、外缸14、内缸15、导向套16、密封圈17、逆止阀18、闽健19、堂圈20.忏头这时活塞继续作惯性运动，并在密闭的前气室压力升爵之前，以较高的冲击速度打击钎头，然后在前气室压力的作用下乂开始下循环的回程运动。如此不断反兔，即形成活塞的连续冲击运动.在冲击器工作过程中，除了利用中心排气排粉外，还应始终有i股压气吹到凿岩面上，以提高冲击器的排粉能力，因而在配气杆中开有中空孔道。2.2 潜孔冲击给原始性能数据选取冲击器性能参数或冲击器凿孔参数，主要有冲击功、冲击频率、冲击能量以及压缩空气耗用量（简称耗气量）。它们表征台潜孔冲击器具有的做功本领。以往在设计冲击罂是，最关心的是单次冲击功和冲击频率两个指标，而在确定堆次冲击功时，又常常过分担心合金片的强度；在结构上则尽量使冲击器短而轻巧，以利于加工和使用，所以采取短而轻巧的活塞和较小的活塞行程。按一般公式计兑这种冲击器，虽然单次冲击功较低，但是冲击频率提高了，冲击功率也比较高。然而，生产实践表明，这种冲击器不仅效率不高，而且寿命也比较低从岩石破碎观点来看，活塞的单次冲击功、冲击速度和频率，在汽缸直径一定的情况下，这三者又是互相制约的，正确选择三者的关系，不仅可以提高凿岩效率，而且可以提高钻具的使用寿命。2.2.1 单次冲击功的选取冲击功表征冲击器一次冲击能量.实践表明，不同的凿孔孔径以及不同的工作压气压力应取不同的冲击功，以确保给出一定的“钎头单位冲击功”。在这单位冲击功下，可以有效的破碎岩石以及有较为经济的凿碎比功和相宜的凿孔速度。在钻头直径一定的情况下，不同的单次冲击功破碎雌位体积岩石所消耗的冲击功（称维位功耗）是不同的，而且差别较大，许多研究资料表明：以单位刃长平均冲击功计克，时于坚硬岩石，最优冲击功是在1.62.7千克,米/厘米之间。冲击器活塞对钎尾所做的冲击功，在不变的气体压力及略去活塞重量和运动体无摩擦的理想条件卜.，可按物体在恒力作用卜沿直线运动状态计算。物体在恒力作用下沿直线运动，其功A的大小为力F与所经路程S之乘积。对于气缸内的活寒相应有：(2.I)-4=(O.5-O.67)P5=(0.45-0.6厉PSF克米式中K一冲程活塞受力面积，厘米久P一管路压气压力，千克/厘米，S活塞结构行程，米；一活塞行程利用系数，一般设计取09.F=-（D1-t.2）=-（0.062-0.0223?）=0.00244（匣米?）44A=<105-140.5）焦实际上，活塞所受之压力远非恒压，冲击器性能测试显示了活塞所受压力变化情况如图（2.3）：活塞的实际行程小于其结构上可能允许的行程：运动件也存在着摩擦阻力：还有运动件本身自重、运动件相互撞击时的附加作用力等等。因而有（0.50.67）的冲击功折莫系数。如表（2.1）国内外典型冲击器冲击功折算系数，可以得到冲击器冲击图2.3冲击器气缸压力变化曲线农2冲击功折算系数折算系数取053°显然.某台机器的冲击功折算系数越大,说明其结构及配气设计，愈近合理，机器的经济效果愈佳。而根据实际测试发现冲击功折豫系数过小，一般来说当其小于0.5时，即应对所设计、制造的冲击器图2.4冲击器冲击功率计算图进行设计与制造分析。2.2.2 冲击冲击我率的选取冲击频率是指活塞在总位时间内的冲击次数,一般以每分钟计。表(2.2)列出J国内外主要冲击器冲击族率。从表中可以看出，今年来生产的冲击耦的冲击频率，在低气压下，多数在100o次/分以下。这同早年高冲击频率的产品，如苏联M系列高达2000次/分，成鲜明对比。这是因为在冲击功一定的条件下，增加冲击频率固然可提高冲击器的冲击功率，但是，在气缸直径一定的情况F,要提高冲击频率就得减小活塞行程，这样反而会使冲击功减低的更多，冲击器的冲击总功率也随之下降，因此在冲击功与冲击频率相互制约的条件下，取大一点冲击功、低一点的冲击频率是相宜的。从表(2.2)中列出的数据，我们还可以发现：(I)在供气压力一定的条件下，冲击器冲击频率大体上随凿孔直径增大略呈下降趋势:（2）冲击频率陨气压呈正比线性变化：（3）现在使用的某系列冲击器选择r较高的冲击频率参数.冲击器冲击频率的选取范围较宽，选取时要遵循这样一个原则，即破坏岩石的冲击功不足时，不能简单地用增肌冲击频率的办法来弥补冲击功的不足。go（H9，“S-q0Wsi（U>图2.5冲击韧率与钻孔直径特性曲线理论冲击频率应在求出冲击循环时间后求出。如冲击循环时间以杪单位计,则冲击频率（"应为：6060亍K次/分式(2.2)式中外为冲程时间，并以冲程时间4乘以大于2的比例系数K表示全循环时间。又视冲程阶段活塞的运动是初速度为零的匀加速运动，则全行程S中，活塞的运动时间为：“闸，杪式（2.3）于是得到：f=日（粤片，次/分式（2.4）K2Sm实际上，如前面所讲的，活塞的运动状态受气缸结构形式、工作气体热力状态变化、机件运动的摩擦、活塞异端倍压等诸多因素影响，因而可以以下式表达冲击器冲击频率：筮）'，次/分式（2.5）式中冲击频率折算系数，该值以现有冲击器，用上式反演求出。m活塞质量。G41.16dm=4.2千克g9.8G一一活塞重量41.16牛顿典型冲击器冲击频率折算系数列于表（2.2）中.由表（2.2）引出=23,5(,次/分25m式(2.6.)式中冲击罂冲击频率折算系数P=235系表2.2）中冲击频率折算系数的平均值.所以/=23.5(0.00244X0.8X10"2×O.I2×4.2表2.2各类型冲击器系数比较三Z12SgW1、TS含6WfI惊¥?三e9.A.*I1SII.11.S强二S一一IZSJ一一I_.(051.e*二7OW7.SKaCC«,SQ:3K)r一26"WIiN=1才二，三自SU二i'RI299-gZU81W一WS三2J.f.三1._-gS三Z-WaJ'三*5_GeE9三.S1.*二ZIP-*学ZSMB一JfI1SJS*.9WSJ'二.一9e-T-YJ1W;-52j5ssI='o»一*1O42SZ6三8Og,_EI*»金2i2Q.aJZ金/、HXfckM一aM-4teI_CC.S*3r>一._;W2.2.3 活冲击速度的选取活塞冲击速度也有个最优范闹，过低或过高的冲击速度都会显著地增加单位功耗，室内试验资料表明，对于坚硬岩石，最优冲击速度在57.5米/秒之间。确定活塞冲击速度时还必须考虑冲击器零件（主要是活塞、内缸和钻头）的疲劳破坏，而活塞和钎杆的疲劳破坏主要取决于最大应力（应力波的振幅），而与冲击功大小无关，而应力大小乂与冲击速度成正比。由此.把此次设if-的潜孔冲击器的活塞冲击速度确定在78米/秒之间。2.2.4 空气耗用量的计算空气耗用量与冲击器结构、冲击频率、气腔容积以及配气短路情况等有关。冲击器的耗气/0由两部分组成：工作耗气量0和强吹排粉耗气量Q1.现在分别讦算如下：（1）工作耗气量0Q1=KiK2K,（Fi+F2）SPu式（2.7）式中：Ki气缸内压气充满系数4=0.85K2配气孔道容积增加系数5=1.5一排气口打开后高压气短路系数K,=1.4F1前腔活塞工作面积F2后腔活塞工作面积.F,=,加a-43.7）=0.00133米24PIa管道风压（绝对压力0.8MPS一一结构行程，S=OI2米Q=0.85×1.5×1.4×（0.00244+0.00133）×O.12×O.8IO6=8.53米/分（2）直吹渣耗气fftQ?一般岩石采用节流孔径为6亳米Q2=60Aa,Vp式（2.8）式中：A,一一强吹孔面积，孔径=0.6厘米。-J1.Ar=0.000028（米D匕,一强吹气体潦速，取匕,=250米/秒。由此可算出2,=0.424（米分）总耗气量：=+2=8.53+0.424=8.95米一分2.2.5 呼击功率的神定计其冲击功率是指单位时间内冲击器所作的总功。在主要凿岩参数冲击功、冲击频率确定以后，冲击功率即已相应确定.冲击功率多以马力/分来表示。冲击功率较冲击功、冲击次数更直观的表达凿定孔径所需冲击能量。按冲击功率定义有：r=-=(0.14-O.2O)(.马力/分752nS=167马力/分显而易见，在潜孔钻用冲击器的气缸直径被钻孔孔径限定的条件卜.，提高风压是提高潜孔冲击器冲击能量的根本和唯途径。据此，高风压冲击器在国外发展迅速，为潜孔冲击器赋予了新的生命力.2.3冲击器配气机构设计前面已经提到，冲击器配气机构，