潜孔锤原理与设计

发表时间：2015-01-08T17:07:30.530Z 来源：《价值工程》2014年第8月下旬供稿 作者： 党进[导读] DTH 钻进所使用的地层几乎都是能够包括所有火成岩和变质岩以及中硬以上的沉积岩。

党进淤DANG Jin曰赵伟民于ZHAO Wei-min

（淤广西玉柴重工有限公司工程机械研究院，玉林537005；于东北石油大学机电学院，大庆163318）

（淤Engineering Machinery Research Institute，Guangxi Yuchai Heavy Industry Co.，Ltd.，Yulin 537005，China； 于School of Mechanical and Electrical，Northeast Petroleum University，Daqing 163318，China）

摘要：本文首先介绍了潜孔锤钻孔方法的原理和特点，冲击器结构方案的确定等内容，然后对于具有活塞和气缸联合配气的无阀冲击器结构的潜孔锤进行了理论分析和相关参数计算，最后通过有限元的方法对潜孔锤钻头进行了分析，验证了设计的正确性。

Abstract: This paper introduces the principle and characteristics of DTH hammer drilling methods, determines the structure schemeofthe impactor, then makes a theoretical analysis and calculation of related parameters of the DTH hammer with the structure of

valvelessimpactor which combines with piston and cylinder, and finally the DTH hammer bit is analyzed by finite element method andthecorrectness of the design is verified.

关键词：潜孔锤；冲击器；有限元分析；理论分析

Key words: DTH hammer；impactor；finite element analysis；theoretical analysis 中图分类号：TD4 文献标识码院A 文章编号院1006-4311（2014）24-0070-03 0 引言

根据施工区域的地质情况，钻孔机常采用四种主要的钻孔方法，如图1 所示。

a、气动或液压驱动的旋转动力头与冲击设备结合，通过钻杆的顶部传输旋转和冲击能量，通过钻杆中的冲击波传递能量给钻头进行钻孔。仅限于小孔径和深度浅的作业，一般常用于采石场，建筑工地和地下采矿作业。

b、潜孔锤（以下简称DTH）位于钻柱的底部，压缩空气通过钻柱进入DTH，驱动活塞往复运动直接冲击钻头，向岩石传递冲击能量。系统功率损耗不大，特别适用于深孔、直孔和中硬岩石。

c、反循环（RC）钻孔是采用DTH 从钻头面收集并输送岩石样品的一种形式，通过DTH 的中心管将干燥和未被污染的岩屑装入样品收集装置，为地质分析作准备。

d、由液压或电动马达驱动的齿轮箱形成旋转的动力头，通过钻架上上下移动的进给系统和厚壁钻杆产生下拉力给三牙轮钻头施加足够的进给力。用于较软岩石或强节理硬岩石。 1 DTH 的原理与特点

DTH 钻进所使用的地层几乎都是能够包括所有火成岩和变质岩以及中硬以上的沉积岩。

使用DTH 钻进硬岩和坚硬岩层更为有利。因为硬岩和坚硬岩层相对较脆，在冲击载荷作用下，除了直接粉碎掉的一些岩石外，还会在钻头齿刃接触部位产生破裂，形成一个破碎区，并产生较大颗粒的岩屑，因此钻进速度要比单纯回转钻进快很多。如图2 所示的力学模型

表明了冲击回转钻进过程中岩石所受到的各种载荷作用情况。

另外DTH 对片理、层理发育等容易孔斜的岩层，或者软硬不均匀以及多裂隙的岩层等，能有效减少孔斜，并且还能克服某些卵砾石层、漂砾层钻进困难的问题。

DTH 钻进问世于19 世纪末，至今己有百余年的历史。DTH 种类很多，但其共同特点是产生冲击作用的机构和钻头均潜入孔内，回转加冲击破碎岩石。生产中用于产生冲击作用的设备根据其驱动方式的不同可分为：气动、液动、油压、电动和机械等多种类型。由于冲击能量在传递过程中会有明显的损耗，而且会对被冲击的部分产生较强的破坏作用。在比较深的钻进施工过程中，通常要求该设备能够随同钻具一同进入井内，其输出的冲击力能直接作用在钻头或岩心管上，以减少能量传递产生消耗、提高能量利用率和减少孔内钻具事故。

气动DTH，又称风动DTH 冲击器，其结构类型很多，分类方法也各不相同。

淤按压力等级：分为高压型、中压型和低压型；于按整体结构：分为非贯通型和贯通型；盂按阀运行原理：分为控制阀型、自由阀型和混合阀型；榆按活塞结构：分为同径活塞型、异径活塞型和串联活塞型；虞按配气类型：可分为有阀式DTH 和无阀式DTH。有阀式DTH又可分为板状阀型、碟状阀型和筒状阀型；无阀式DTH 分为中心杆排气型、活塞配气型和活塞、缸体和中心杆联合配气型；愚按洗孔排渣方式：可分为中心洗孔排渣型、前端洗孔排渣型和旁侧洗孔排渣型。 2 冲击器结构方案的确定 2.1 活塞自配气的无阀冲击器

这种冲击器主要由活塞自身的气道进行配气，所以活塞构造复杂，活塞体上布满了气道，从而使活塞强度降低，减少了使用寿命。但是，这种冲击器具有集内缸外缸于一体的结构，可以加大活塞的有效工作面积，提高了冲击器的冲击能量。 2.2 活塞和气缸联合配气的无阀冲击器

这种冲击器结构简单、加工方便、活塞寿命较长、气孔开在缸体与活塞上。国外广泛采用这种结构形式。 2.3 中心管配气的无阀型冲击器

这种冲击器上下室的进气道都布置在活塞滑动的圆管上。特点是要求制造精度高，中心管寿命较低。 2.4 旁侧排气冲击器

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。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纹，损失较大气压，而且排粉效果及钎头冷却的效果都不够好。 2.5 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。压气直吹，不仅排粉效果好，凿孔效率高，而且钎头的冷却和寿命都很好。这种结构型式的内缸以环形槽取代了旁侧排气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型式。

2.6 串联活塞冲击器

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，可以保证在同一缸径情况下，同时有两个活塞面在工作，因此具有较大的冲击功和较高的冲击频率。与此相应的还有双重排气系统，可以有效的排除孔底岩粉。它的主要弊端是结构复杂、机件加工要有较高的精度，例如活塞与其相关的零件有多达五个相配合的表面，了它的应用与推广。综上所述，本次设计采用第二种方案，即活塞和气缸联合配气的无阀冲击器。其结构如图3 所示。 3 DTH 理论分析及相关计算 3.1 工作参数的选定

3.1.1 锤体长度及重量：初步设计长度小于4500mm，重量小于2500kg。 3.1.2 锤体直径：根据钻孔直径的大小确定适宜的锤体直径为0mm。 3.1.3 钻孔直径：即桩孔孔径，一般为550耀600mm。

3.1.4 钻孔深度：根据桩孔设计需要，一般为数十米到一百米。 3.1.5 钻具转速：DTH 钻进一般为低速回转，转速一般7耀25r/s。 3.1.6 回转扭矩：本次设计最大扭矩为150kN·m。 3.2 设计参数的计算

DTH 的设计参数，即DTH 冲击设备的性能参数。在机器设计时，它是设计的依据，而对于制造出的设备，又是设备的性能参数。 3.2.1 冲击设备的设计压力P

国内广泛选用0.49MPa（约为5伊105Pa）作为气动冲击设备的设计标准。本设计的气动DTH 为无阀冲击设备，并且钻孔直径大，活塞重量大，因此高风压更能显示其性能上的优势，而且现在高风压的空气压缩机使用越来越广泛，结合国际标准ISO5941-1979，选择设计压力为1.6MPa。 3.2.2 冲击功

对钻大直径孔用的DTH，其设计冲击能量的波动范围比较大，本设计冲击能量按下式计算：

3.2.3 冲击频率

一般来说，在冲击能量一定的条件下冲击频率和冲击器的输出功率是成正比的，但是在气缸直径一定的情况下，要提高冲击频率就得减小活塞行程，这样就会使单次冲击功减小，当单次冲击功小到某一定限度时，无论怎样提高冲击频率都不会有良好的破岩效果。这就是说，冲击频率的选取，还要受到冲击功的约束。

气动DTH 在设计压力为0.5MPa 情况下，不大于16.8Hz。由于DTH 使用与设计压力为0.5耀2.5MPa，因而设备的冲击频率变化范围较大，初选冲击器的频率按下式计算：

f=10.4+7.6P （2）式中 P———系统供气压力。本次设计压力为P=1.6MPa， 故f=10.4+7.6伊1.6=22.5Hz。 3.3 结构参数设计

DTH 的主要结构参数包括气缸缸径、活塞结构行程和活塞尺寸。增加气缸直径，可提高冲击功和冲击频率，因此在结构尺寸允许的条件下，应尽量扩大气缸直径。一般情况下，DTH 外径与孔径之差，不应小于15耀20mm，而DTH 外套与气缸不能太薄。因此，一般DTH

气缸直径与钻孔直径的比值在0.5以上。

3.3.1 气缸工作直径与结构行程气缸工作直径D 可按下式计算：D=KD（孔）=（0.57-0.68）D（孔） （3）本次设计D（孔）=600mm，故D 取360mm。结构行程S 按经验可取S=500mm。 3.3.2 活塞质量

活塞的径向尺寸受缸体尺寸与结构形式的约束，可制成同径形或异径形活塞，其线性尺寸则取决于活塞的重量，而活塞的重量又涉及活塞撞击钻头时具有的速度。因此活塞结构尺寸的确定是DTH 构设计较为复杂的一项工作，DTH 活塞质量可按下式估算： m=0.0205D2.84 （4）

式中m———活塞质量，kg； D———气缸工作直径，cm。 将D=36 代入上式得：m=0kg。

DTH 主要由传扭结构和气动冲击机构组成。其中，传扭结构连接钻杆和DTH，传递回转切削及回拉拉力；气动冲击机构产生冲击作用，给冲击钻头提供轴向动力。具体结构见图3。

传扭结构为连接钻杆和冲击器的上接头，上接头通过管螺纹与钻杆和冲击器连接，用管螺纹连接的主要目的是保证气体不泄露，同时实现扭矩、拉力的传递，逆止阀的作用是防止岩浆水流入冲击器及钻杆，由弹簧控制。带有配气杆的进气座的作用是将压气引入缸体，连带缸体、活塞一起实现活塞运动的配气动作，实现联合配气。弹簧涨圈的作用是在更换钎头时可以防止活塞滑出缸体。 3.4 DTH 钻头的有限元分析

DTH 钻头受到活塞的冲击力以及动力头提供的扭矩的作用，压气对活塞的作用力为： F=PS （5）

式 中 P———系 统 压力，Pa； S———活塞受力面积，m2。

故F=1.6伊106伊0.084=134400N。

因此钻头所受的冲击力为：F'=kF （6）式中k———冲击系数； F———压气对钻头的作用力，N。故F'=20伊134400=2688kN。

动力头对DTH 钻头施加的扭矩为N=150kN；将F'=2688kN 和N=150kN 加载到钻头上，固定钻头的下端面，材料选QT500-7，屈服力为320MPa 进行有限元分析。具体加载约束情况和网格划分情况分别如图4、图5 所示。

有限元分析结果如图6 所示，最大应力为144.355MPa，小于QT500-7 的屈服力320MPa，满足要求。 参考文献：

[1]苏冬九.CJ-130 型双向气动潜孔锤的研制[D].中南大学硕士论文，2008.

[2]张新华.一种新型潜孔锤的研究及仿真分析[D].吉林大学硕士论文，2007.

[3]何智敏，隆威，万步炎，黄筱军，马利东.CJ-130 型双向气动潜孔锤施工工艺初步研究[J].探矿工程(岩土钻掘工程)，2009（11）.