潛孔鉆氣動(dòng)沖擊器設(shè)計(jì)

I摘 要本畢業(yè)設(shè)計(jì)來(lái)源于實(shí)際生產(chǎn)需求，主要任務(wù)是設(shè)計(jì)在露天、粉塵、潮濕、空氣質(zhì)量不好的比較惡劣的環(huán)境中工作的潛孔鉆用沖擊器。潛孔沖擊器由于其鉆進(jìn)效率高, 鉆頭壽命長(zhǎng), 鉆進(jìn)所需推進(jìn)力小, 轉(zhuǎn)速低以及鉆孔不易偏斜等優(yōu)點(diǎn), 在鉆孔作業(yè)中有較大的優(yōu)勢(shì), 故在礦床勘探、水文地質(zhì)和鑿巖工程等許多領(lǐng)域中, 對(duì)潛孔沖擊器的需求量越來(lái)越大。本文在詳述國(guó)內(nèi)外研究潛孔鉆用沖擊器現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，從參數(shù)優(yōu)化, 計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì), 關(guān)鍵件設(shè)計(jì)與制造等方面對(duì)潛孔沖擊器整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了闡述。重點(diǎn)是對(duì)沖擊器活塞運(yùn)動(dòng)受力分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本文所設(shè)計(jì)的潛孔鉆用沖擊器是一種潛入孔中的以壓氣為動(dòng)力，通過(guò)配氣裝置控制活塞作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并沖擊鉆頭將能量傳遞至鉆頭而破碎巖石的機(jī)具。與這同時(shí)，沖擊器還在鉆機(jī)旋轉(zhuǎn)裝置及推進(jìn)裝置共同作用下，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)與推進(jìn)動(dòng)作。于是，巖體由表及里的受到破壞，并形成具有一定孔徑的爆破孔。關(guān)鍵詞：潛孔沖擊器 ; 活塞 ; 工作原理 ; 參數(shù)設(shè)計(jì)IIABSTRACTThe design graduate from actual production demand, the main task is to design in the open air, dust, humidity, poor air quality in an environment relatively poor work of the down-the-hole drilling with impactor. Down-hole drilling because of its impact with high efficiency, long life bits, for promoting the drilling of small, low-speed drilling and not skewed the advantages of the drilling operations have greater advantages, deposit it in the exploration, Hydro-geological and drilling works, and many other areas, the potential impact of Hole's demand is increasing.This paper in detail at home and abroad to study potential impact of drilling holes for the status quo on the basis of the parameters optimization, computer design, the key pieces of design and manufacturing, and other aspects of the down-the-hole for the overall impact of structural design was described. Focus is on impact with the Pistons Movement Analysis, listing differential equation.In this paper, designed by the down-the-hole is the impact of drilling with a hole into the air as a driving force to pressure by the Pistons with gas control device for reciprocating movement and energy transfer will impact drill bits and broken rock to the machines. And the same time, the impact is also promoting the rig rotary devices and devices working together, and promote the realization of spin moves. Thus, the rock Youbiaojili destruction and formation of a certain diameter of the blast hole. Keywords: Down-hole impactor ; Pistons ; Principle ; Design parametersIII目 錄摘要ABSTRACT1 緒論11.1 國(guó)內(nèi)外潛孔鉆用沖擊器的研究現(xiàn)狀11.1.1 國(guó)內(nèi)外潛孔鉆用沖擊器的研究發(fā)展概述11.1.2 潛孔沖擊器配氣方式的主要研究現(xiàn)狀51.2 國(guó)內(nèi)外潛孔鉆用沖擊器的發(fā)展趨勢(shì)71.3 本課題的研究目的及意義82 潛孔鉆用沖擊器的總體方案設(shè)計(jì)92.1 潛孔沖擊器工作原理92.2 潛孔沖擊器原始性能數(shù)據(jù)選取122.2.1 單次沖擊功的選取122.2.2 沖擊器沖擊頻率的選取142.2.3 活塞沖擊速度的選取172.2.4 空氣耗用量的計(jì)算172.2.5 沖擊功率的確定計(jì)算192.3 沖擊器配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)192.3.1 配氣面積的設(shè)計(jì)計(jì)算212.3.2 配氣長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)計(jì)算222.4 沖擊器基本結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)242.5 沖擊器活塞運(yùn)動(dòng)規(guī)律的分析及其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)252.5.1 沖擊器活塞運(yùn)動(dòng)分析25IV2.5.2 沖擊器活塞結(jié)構(gòu)和主要性能參數(shù)設(shè)計(jì)312.6 沖擊器主要零件選材和工藝要求34參考文獻(xiàn)致謝附錄11 緒 論潛孔鉆機(jī)主要用于露天礦山開(kāi)采，建筑基礎(chǔ)開(kāi)挖,水利、電站、建材、交通及國(guó)防建設(shè)等多種工程中的鑿巖鉆孔。與常見(jiàn)的鑿巖機(jī)相比，具有鉆孔深、鉆孔直徑大、鉆孔效率高、適應(yīng)范圍廣等特點(diǎn)，是當(dāng)前通用的大型鑿巖鉆孔設(shè)備。而一部潛孔鉆機(jī)的鉆孔效率在很大程度上取決于沖擊器的性能。所以潛孔鉆用沖擊器的需求量越來(lái)越大，沖擊器的發(fā)展也引起更多人的關(guān)注。在條件相同時(shí)，無(wú)閥配氣的沖擊功要比有閥配氣低，特別是我國(guó)礦山風(fēng)壓一般不高，而活塞直徑又受孔徑限制，所以為了增加沖擊功，設(shè)計(jì)選擇有閥配氣方式，結(jié)構(gòu)上采用加工簡(jiǎn)單、使用可靠性高的板狀閥片1.1 國(guó)內(nèi)外潛孔鉆用沖擊器的研究現(xiàn)狀1.1.1 國(guó)內(nèi)外潛孔鉆用沖擊器的研究發(fā)展概述六十年代后期，我國(guó)露天礦山迅速推廣了新型高效率的潛孔鉆機(jī)穿鑿爆破深孔，最早是由宣化風(fēng)動(dòng)機(jī)械廠（現(xiàn)宣化采掘機(jī)械廠）生產(chǎn)的仿蘇的C 型側(cè)排氣沖擊器和釬焊硬質(zhì)合金片的鉆頭，這種沖擊器和鉆頭由于結(jié)構(gòu)原因穿孔速度低、使用壽命短，在中硬和硬巖中沖擊器的壽命一般為500800 米，鉆頭壽命為 1050 米，穿孔成本很高，這不僅影響新型穿孔設(shè)備的推廣，也使穿孔作業(yè)成為礦山生產(chǎn)的薄弱環(huán)節(jié)。1972 年初冶金工業(yè)部組成了潛孔鉆具攻關(guān)組，并列為國(guó)家重點(diǎn)科目項(xiàng)目，參加攻關(guān)單位有長(zhǎng)沙礦山研究院、中科院冶金所、以及一些試驗(yàn)礦山等。各單位科技人員發(fā)揮了各自的特長(zhǎng)，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇、硬質(zhì)合金研究、加工和熱處理等方面作了大量工作。新型沖擊器和鉆頭定名為 J 型。首先研制成功了用于大型露天礦山，可鉆孔徑 200220 毫米的 J-200 型沖擊器和鉆頭，隨后又研制了 J-170、J-150、J-100、J-80 沖擊器和鉆頭，實(shí)現(xiàn)了潛孔鉆2具系列化。80 年代初期研制的 QCZ 型系列沖擊器。有 QCZ90、QCZ150、QCZ170，特點(diǎn)是：中心排氣，克服了側(cè)排氣的許多缺點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)上有了一個(gè)飛躍，但鑿孔效率不是太理想。1987 年，宣化采掘機(jī)械廠與美國(guó)英格索蘭公司合資后，試制了中心排氣的第二代 CIR 系列沖擊器，同時(shí)引進(jìn)了美國(guó)英格索蘭公司的 DHD、DH 系列沖擊器。1993 年，根據(jù)近代沖擊器鑿巖理論和實(shí)踐，吸收國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合我國(guó)礦山的條件，開(kāi)發(fā)了中心排氣第三代的 CIR150A、CIR170A、CIR65 和 CIR80 型沖擊器?，F(xiàn)在實(shí)際生產(chǎn)中廣泛使用的一系列沖擊器的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下：（1） 單次沖擊能大，有利于提高鑿巖效率。（2） 活塞采用細(xì)長(zhǎng)異徑帶中心孔單活塞結(jié)構(gòu)形式，活塞沖擊釬頭時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力波的峰值較低，而有效應(yīng)力的作用時(shí)間較長(zhǎng)，有利于提高巖石破碎效率和延長(zhǎng)釬具的使用壽命。（3） 中心排氣，廢氣經(jīng)活塞和鉆頭中心孔排向孔底，排渣效果好，減少巖石重復(fù)破碎，提高鑿孔效率和釬頭壽命。（4） 采用壓差式配氣結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造，閥輕，行程合適，動(dòng)作靈活，氣道拐彎少，斷面大，密封性好，壓力損失小。（5） 沖擊器和釬頭采用花鍵連接，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，拆卸方便，傳遞扭矩大，穩(wěn)固可靠，釬頭不易脫落。（6） 設(shè)有防水逆止閥，當(dāng)沖擊器突然停止供氣時(shí)，沖擊器周?chē)臍馑旌衔锊粫?huì)從沖擊器的排氣孔道涌進(jìn)。（7） 沖擊器提離孔底時(shí)，能自動(dòng)停止活塞沖擊，以便強(qiáng)吹孔底的巖渣，又防止空打產(chǎn)生，避免造成對(duì)沖擊器和鉆機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的破壞。J 系列第二代沖擊器（B 型）的設(shè)計(jì)，是以進(jìn)一步提高穿孔速度為主要目標(biāo)，作法是改進(jìn)配氣結(jié)構(gòu)，利用高壓氣輔助推動(dòng)閥片換向，降低活塞3工作行程時(shí)的背壓，提高了沖擊功，同時(shí)適當(dāng)增加了活塞長(zhǎng)度、直徑和結(jié)構(gòu)行程，這樣，沖擊器的單次沖擊功又增加 50%左右。由于增加了活塞長(zhǎng)度和重量，提高了活塞鉆頭的能量傳遞效率和鉆頭巖石的鑿入效率。雖然由于活塞加重和行程加長(zhǎng)，沖擊頻率有所下降，但實(shí)際穿孔速度提高 30%40%。表 1.1 J 型和 C 型鉆具壽命比較仿蘇 C 型潛孔鉆頭都是釬焊硬質(zhì)合金片的結(jié)構(gòu)，小直徑潛孔鉆頭一般采用三翼帶超前刃，而大直徑鉆頭采用四翼或四翼帶超前刃，釬尾呈圓柱狀（側(cè)邊銑出一個(gè)平面） ，靠一個(gè)扁圓鍵與沖擊器的卡釬套聯(lián)結(jié)，用以傳遞扭矩和防止鉆頭掉落。由于鉆頭直徑大不易焊接，硬質(zhì)合金片易脫落或4早期碎裂；釬尾與圓鍵接觸的平面常因過(guò)快磨損而使鉆頭無(wú)法使用，因此鉆頭使用壽命很短。如表 1.1 所示，而 J 型潛孔鉆頭作了較徹底的改變：（1） 采用頭部呈球形或彈形的硬質(zhì)合金柱齒代替?zhèn)鹘y(tǒng)的硬質(zhì)合金片。（2） 采用過(guò)盈冷壓固齒代替?zhèn)鹘y(tǒng)的釬焊。（3） 鉆頭的柄部和沖擊器卡釬套之間采用花鍵和圓鍵混合聯(lián)結(jié)，花鍵用以傳遞扭矩，圓鍵防止鉆頭墜落，防墜鍵使用壽命長(zhǎng)，鉆頭更換方便，工作可靠。J 系列潛孔鉆具第二代產(chǎn)品的主要工作指標(biāo)已達(dá)到或接近國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品的水平，例如沖擊器、鉆頭的使用壽命已大大超過(guò)蘇聯(lián)。美國(guó)的潛孔鉆具代表世界先進(jìn)水平，沖擊器壽命一般在 7501000 小時(shí)之間，在中硬至硬巖中，鉆頭壽命為 150750 米。J 系列第二代產(chǎn)品的鑒定和試驗(yàn)數(shù)據(jù)已接近或達(dá)到這一水平。J 系列潛孔沖擊器是根據(jù)我國(guó)礦山風(fēng)壓較低的條件（56）而設(shè)計(jì)的，在這種條件下，沖擊器具有較高的穿孔速度。2公 斤 厘 米美國(guó)主要生產(chǎn)潛孔鉆具的米申公司于 1985 年試探性的購(gòu)買(mǎi)了 J 系列潛孔鉆具，根據(jù)他們?cè)诎臀髂彻さ厮鞯膶?duì)比試驗(yàn)，J 型潛孔沖擊器的穿孔速度明顯高于美方?jīng)_擊器。表 1.2 蘇聯(lián)和我國(guó)潛孔鉆具壽命比較5表 1.3 J 型和米申公司沖擊器穿孔速度比較1.1.2 潛孔沖擊器配氣方式的主要研究現(xiàn)狀目前國(guó)內(nèi)外的風(fēng)動(dòng)沖擊工具有兩種配氣方式：有閥和無(wú)閥。由于配氣結(jié)構(gòu)特點(diǎn)所決定，在條件相同時(shí)，無(wú)閥配氣的沖擊功要比有閥配氣低，特別是我國(guó)礦山風(fēng)壓一般不高，而活塞直徑又受孔徑限制，為了增加沖擊功，設(shè)計(jì)選擇有閥配氣方式，結(jié)構(gòu)上采用加工簡(jiǎn)單、使用可靠性高的板狀閥片。分析國(guó)內(nèi)外潛孔沖擊器的現(xiàn)狀，我們還應(yīng)看到無(wú)閥型潛孔沖擊器的制造比重越來(lái)越大。無(wú)閥型沖擊器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、取消了閥片、整機(jī)使用壽命大幅度的提升，且易于在不同的工作氣壓（低至 7 ，高可達(dá)2千 克 厘 米24.5 ）下運(yùn)轉(zhuǎn)。因而國(guó)外的高氣壓潛孔鉆用沖擊器多為無(wú)閥2千 克 厘 米型。6下面分析比較國(guó)內(nèi)外幾種類(lèi)型沖擊器的主要配氣結(jié)構(gòu)。如圖 1.1。（1） 活塞自配氣的無(wú)閥沖擊器 這種沖擊器主要借活塞自身的氣道進(jìn)行配氣。因而活塞結(jié)構(gòu)復(fù)雜，活塞體上布置了很多氣道，削弱了活塞強(qiáng)度，降低了活塞使用壽命。但是，這種沖擊器具有內(nèi)、外缸合為一的缸體結(jié)構(gòu)，可使活塞的有效工作面積加大，相應(yīng)提高了沖擊器的沖擊能量。（2） 活塞和氣缸聯(lián)合配氣的無(wú)閥沖擊器 這種沖擊器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工方便、活塞壽命較長(zhǎng)。因而國(guó)外廣泛采用這種結(jié)構(gòu)形式。（3） 中心管配氣的無(wú)閥型沖擊器 這種沖擊器上下室的進(jìn)氣道都布置在一個(gè)圓管上，活塞在此管中滑動(dòng)。除了要求制作精度高外，中心管壽命還較低。（4） 中心排氣沖擊器 這種結(jié)構(gòu)形式的內(nèi)缸以環(huán)形槽取代了旁側(cè)沖擊器內(nèi)缸為數(shù)甚多的縱向凹槽結(jié)構(gòu)，大大的減少了內(nèi)缸應(yīng)力集中狀況，是近年來(lái)廣泛采用的一種結(jié)構(gòu)形式。（5） 旁側(cè)排氣沖擊器 所謂旁側(cè)排氣是指排粉氣路由缸體而不是由釬頭中心通至孔底的。國(guó)產(chǎn) C-150 型沖擊器即屬此類(lèi)型。（6） 串聯(lián)活塞沖擊器 串聯(lián)活塞沖擊器又稱(chēng)雙活塞（頭）沖擊器。該沖擊器是用隔離環(huán)將氣缸分成前后兩個(gè)室，在同一缸徑情況下，同時(shí)有7兩個(gè)活塞面在工作，相應(yīng)有較大的沖擊功及沖擊頻率。與此相應(yīng)的還有雙重排氣系統(tǒng)，有效的排除孔底巖石粉末。其主要弊病是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、機(jī)件需有較高的加工精度，例如活塞與其相關(guān)的零件有多達(dá)五個(gè)相配合的表面，使之應(yīng)用與推廣受到了限制。a b c d e f g圖 1.1 各種配氣方式?jīng)_擊器示意圖1.2 國(guó)內(nèi)外潛孔鉆用沖擊器的發(fā)展趨勢(shì)現(xiàn)代潛孔鉆用沖擊器，從使用觀點(diǎn)出發(fā)，它更顯現(xiàn)出以下發(fā)展趨勢(shì)：（1） 良好的使用適應(yīng)性，即在高低不同的壓氣壓力下均能正常運(yùn)轉(zhuǎn)；（2） 有較高的鑿孔速度和作業(yè)效率；（3） 在各種復(fù)雜的巖層（包括含水巖層）均能正常運(yùn)轉(zhuǎn)作業(yè)；（4） 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于制造、使用及維修；（5） 較高的機(jī)件使用壽命；8（6） 沖擊器上的連接件要有一定的互換性。當(dāng)今國(guó)內(nèi)外都在努力對(duì)沖擊器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，沖擊器的沖擊系統(tǒng)的能量傳遞效率隨巖石硬度而變化，大量試驗(yàn)證明了這一點(diǎn)。對(duì)于軟巖，效率隨巖石硬度的變化是緩慢的，但對(duì)于硬巖，它的變化卻非?？?。硬巖的抗張應(yīng)力和抗循環(huán)應(yīng)力低，有利于沖擊載荷破碎巖石，通過(guò)合理選擇結(jié)構(gòu)，得到較高的沖擊能量傳遞效率來(lái)對(duì)付硬巖。潛孔沖擊器的最優(yōu)化設(shè)計(jì)必須滿(mǎn)足最優(yōu)活塞和釬頭重量，以及巖石特性之間的數(shù)量關(guān)系，找出它們之間的相互關(guān)系，就達(dá)到了優(yōu)化的目的。為了使沖擊器達(dá)到最優(yōu)化效果，達(dá)到較高的穿孔效率和較長(zhǎng)的壽命，沖擊器在設(shè)計(jì)上可采取以下措施：加大活塞行程；增加活塞重量；采用棒槌形細(xì)長(zhǎng)活塞；中心排氣，內(nèi)缸呈光滑筒形；采用板閥配氣。新型潛孔鉆沖擊器要達(dá)到更好的使用效果在發(fā)展趨勢(shì)上還應(yīng)具備以下結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：（1） 可以根據(jù)巖石比重不同和管路風(fēng)壓大小，改變配氣桿中心的節(jié)流孔直徑來(lái)調(diào)節(jié)耗風(fēng)量和風(fēng)壓。（2） 考慮了風(fēng)水混合的濕式鑿巖和鉆孔涌水情況下作業(yè)，根據(jù)用戶(hù)需要可增加析水和防水密封裝置。（3） 采用整體鉆頭。結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，壽命長(zhǎng)，能量傳遞好。（4） 鉆頭的裝卸，采用彈簧擋銷(xiāo)結(jié)構(gòu)，使用方便，工作可靠。1.3 本課題的研究目的及意義本畢業(yè)設(shè)計(jì)來(lái)源于實(shí)際生產(chǎn)需求，主要任務(wù)是設(shè)計(jì)在露天、粉塵、潮濕、空氣質(zhì)量不好的比較惡劣的環(huán)境中工作的潛孔鉆用沖擊器。潛孔鉆機(jī)的工作效果，很大程度上取決于鉆具的結(jié)構(gòu)是否合理，良好的鉆具設(shè)計(jì)應(yīng)達(dá)到兩個(gè)目標(biāo)：較高的效率和較長(zhǎng)的使用壽命。而本設(shè)計(jì)根據(jù)近代鑿巖理9論和吸取國(guó)內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)，確立了各種參數(shù)，選取了較好的沖擊器和鉆頭結(jié)構(gòu)，采用長(zhǎng)而重的活塞代替仿蘇的短粗活塞。由于配氣結(jié)構(gòu)特點(diǎn)所決定，在條件相同時(shí)，無(wú)閥配氣的沖擊功要比有閥配氣低，特別是我國(guó)礦山風(fēng)壓一般不高，而活塞直徑又受孔徑限制，所以為了增加沖擊功，設(shè)計(jì)選擇有閥配氣方式，結(jié)構(gòu)上采用加工簡(jiǎn)單、使用可靠的板狀閥片。2 潛孔鉆用沖擊器的總體方案設(shè)計(jì)沖擊器是潛孔鉆機(jī)的主要工作機(jī)構(gòu)，它的性能直接影響鉆機(jī)的生產(chǎn)率。風(fēng)動(dòng)工具的使用已有一百多年的歷史，但到目前為止，還缺少關(guān)于活塞運(yùn)行的完善計(jì)算方法。由于對(duì)沖程、回程運(yùn)動(dòng)，以及換向過(guò)程難以觀察了解，只能依靠想象來(lái)估計(jì)活塞的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。近年來(lái)，由于現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)的應(yīng)用，獲得了活塞位移和氣缸內(nèi)風(fēng)壓變化的相對(duì)數(shù)據(jù)，對(duì)于分析活塞運(yùn)動(dòng)規(guī)律提供了科學(xué)依據(jù)。在這次設(shè)計(jì)中為了簡(jiǎn)化運(yùn)行條件，特作兩點(diǎn)假設(shè)：（1）活塞運(yùn)行時(shí)的摩擦阻力可忽略不計(jì)；（2）缸內(nèi)空氣的壓縮和擴(kuò)散，都按等溫過(guò)程進(jìn)行。2.1 潛孔沖擊器工作原理目前，潛孔沖擊器的結(jié)構(gòu)型式分為無(wú)閥和有閥兩大類(lèi)。無(wú)閥型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，壽命較長(zhǎng)。但由于要利用氣體膨脹做功，因而在高氣壓下工作時(shí)的效率較高。國(guó)外沖擊器的工作壓力一般為 7176 ，有的甚至2千 克 厘 米高達(dá) 24.5 ，而目前國(guó)內(nèi)各種氣動(dòng)鑿巖機(jī)和氣動(dòng)工具均采用 52千 克 厘 米的低工作壓力。有閥型沖擊器如能在配氣、排氣方式、活塞2千 克 厘 米和閥的結(jié)構(gòu)方面設(shè)計(jì)合理，仍然能達(dá)到較高的工作效率。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外沖10擊器結(jié)構(gòu)的分析比較，本沖擊器采用了中心桿配氣，片狀閥壓差變位，中心排氣的結(jié)構(gòu)形式。圖 2.1 沖擊器工作示意圖如圖 2.1 所示，潛孔沖擊器開(kāi)始工作時(shí)，壓縮空氣由后接頭經(jīng)逆止閥進(jìn)入缸體內(nèi)，后分兩路：一路是強(qiáng)吹風(fēng)氣路，經(jīng)閥蓋、導(dǎo)向管、配氣座、活塞中心孔，以及釬頭的中心孔進(jìn)入孔底，直接吹掃孔底巖碴；另一路是完成工作配氣氣路，返回行程開(kāi)始，閥片和活塞均處于圖示位置，壓縮空氣，經(jīng)閥片上面進(jìn)入閥蓋的孔道然后進(jìn)入內(nèi)缸間的環(huán)形槽，到活塞的前腔，推動(dòng)活塞上舉，當(dāng)活塞后端面與配氣座的配氣桿開(kāi)始配合時(shí)，后腔的排氣孔道被關(guān)閉，后室處于密封壓縮狀態(tài)，閥片前端受到逐漸升高的背壓作用。閥片迅速移向閥蓋一端，關(guān)閉了前室的進(jìn)氣氣路，準(zhǔn)備作沖擊行程，配氣完成了活塞返程過(guò)程。沖程開(kāi)始時(shí)，活塞和閥片均處于極上端位置，壓氣經(jīng)閥蓋和閥片下端進(jìn)入閥座和氣缸的后腔，推動(dòng)活塞向下運(yùn)動(dòng)，此時(shí)活塞以很高的速度沖擊11釬尾，導(dǎo)向套的槽被關(guān)閉，前腔壓力開(kāi)始上升，活塞的后端離開(kāi)配氣座的配氣桿，于是，后腔的壓力降低工作行程完成?；钊跊_擊釬尾的瞬間，閥片由于其前后的壓力差作用換向，然后活塞重復(fù)返回行程動(dòng)作，完成一個(gè)工作循環(huán)。詳細(xì)工作過(guò)程：圖 2.2 中活塞 12 處于沖程末了回程即將開(kāi)始的位置。閥片 10 位于左面位置。從壓氣管路來(lái)的高壓氣體經(jīng)閥右側(cè)，閥蓋 4 內(nèi)的氣路，氣缸的外環(huán)形氣道和回程進(jìn)氣孔進(jìn)入缸體前氣室，推動(dòng)活塞向后作回程運(yùn)動(dòng)。這時(shí)缸體后氣室與活塞中心排氣孔相通。當(dāng)活塞回程到一定位置時(shí)，配氣座 8 上的配氣桿進(jìn)入活塞中心排氣孔，使缸體后氣室處于封閉狀態(tài)。隨著活塞不斷地慣性后退，缸體后氣室的氣體被壓縮而壓力逐漸增高，阻止活塞后退。當(dāng)壓力增高到一值時(shí)，推動(dòng)閥片 10 克服右側(cè)的壓力而移到右面的位置，使氣流換向。這時(shí)，壓氣經(jīng)閥左側(cè)和閥座 11（與配氣桿合為一體）中的沖程進(jìn)氣孔直接進(jìn)入缸體后氣室推動(dòng)活塞向前作沖程運(yùn)動(dòng)。此時(shí)前氣室已早與前部的排氣道相通。當(dāng)活塞沖程到一定位置時(shí)，活塞中心圖 2.2 沖擊器示意圖1、后接頭 2、止逆塞 3、蝶形簧 4、閥蓋 5、鋼墊圈 6、膠墊圈 7、密封圈 128、配氣座 9、節(jié)流塊 10、閥片 11、閥座 12、活塞 13、外缸 14、內(nèi)缸15、導(dǎo)向套 16、密封圈 17、逆止閥 18、圓鍵 19、墊圈 20、釬頭排氣孔與配氣桿離開(kāi)，后氣室與中心排氣孔相通而突然降壓，閥在右側(cè)常壓力作用下又移到左面位置，切斷后氣室的進(jìn)氣通路。這時(shí)活塞繼續(xù)作慣性運(yùn)動(dòng)，并在密閉的前氣室壓力升高之前，以較高的沖擊速度打擊釬頭，然后在前氣室壓力的作用下又開(kāi)始下一循環(huán)的回程運(yùn)動(dòng)。如此不斷反復(fù)，即形成活塞的連續(xù)沖擊運(yùn)動(dòng)。在沖擊器工作過(guò)程中，除了利用中心排氣排粉外，還應(yīng)始終有一般壓氣吹到鑿巖面上，以提高沖擊器的排粉能力，因而在配氣桿中開(kāi)有一中空孔道。2.2 潛孔沖擊器原始性能數(shù)據(jù)選取沖擊器性能參數(shù)或沖擊器鑿孔參數(shù)，主要有沖擊功、沖擊頻率、沖擊能量以及壓縮空氣耗用量（簡(jiǎn)稱(chēng)耗氣量） 。它們表征一臺(tái)潛孔沖擊器具有的做功本領(lǐng)。以往在設(shè)計(jì)沖擊器是，最關(guān)心的是單次沖擊功和沖擊頻率兩個(gè)指標(biāo)，而在確定單次沖擊功時(shí)，又常常過(guò)分擔(dān)心合金片的強(qiáng)度；在結(jié)構(gòu)上則盡量使沖擊器短而輕巧，以利于加工和使用，所以采取短而輕巧的活塞和較小的活塞行程。按一般公式計(jì)算這種沖擊器，雖然單次沖擊功較低，但是沖擊頻率提高了，沖擊功率也比較高。然而，生產(chǎn)實(shí)踐表明，這種沖擊器不僅效率不高，而且壽命也比較低。從巖石破碎觀點(diǎn)來(lái)看，活塞的單次沖擊功、沖擊速度和頻率，在汽缸直徑一定的情況下，這三者又是互相制約的，正確選擇三者的關(guān)系，不僅可以提高鑿巖效率，而且可以提高鉆具的使用壽命。2.2.1 單次沖擊功的選取13沖擊功表征沖擊器一次沖擊能量。實(shí)踐表明，不同的鑿孔孔徑及工作壓氣壓力應(yīng)取不同的沖擊功，確保一定的“釬頭單位沖擊功” ，以便有效的破碎巖石以及獲得較經(jīng)濟(jì)的鑿碎比和相宜的鑿孔速度。在鉆頭直徑一定的情況下，不同的單次沖擊功破碎單位體積巖石所消耗的沖擊功（稱(chēng)單位功耗）是不同的，而且差別較大 ，許多研究資料表明：以單位刃長(zhǎng)平均 2沖擊功計(jì)算，對(duì)于堅(jiān)硬巖石，最優(yōu)沖擊功是在 1.62.7 千克·米厘米之間。沖擊器活塞對(duì)釬尾所做的沖擊功，在不變的氣體壓力及略去活塞重量和運(yùn)動(dòng)體無(wú)摩擦的理想條件下，可按物體在恒力作用下沿直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)計(jì)算。物體在恒力作用下沿直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，其功 A 的大小為力 F 與所經(jīng)路程 S 之乘積。對(duì)于氣缸內(nèi)的活塞相應(yīng)有：式（2.1）米千 克 ·6.045.71SPFA式中 沖程活塞受力面積， ；1 2厘 米P管路壓氣壓力， ；千 克 厘 米S活塞結(jié)構(gòu)行程，米；活塞行程利用系數(shù)，一般設(shè)計(jì)取 0.9。)(024.)3.06.(4)(4 222211 厘 米dDFA=（105140.5）焦實(shí)際上，活塞所受之壓力遠(yuǎn)非恒壓，沖擊器性能測(cè)試顯示了活塞所受壓力變化情況如圖 2.3；活塞的實(shí)際行程小于其結(jié)構(gòu)上可能允許的行程；運(yùn)動(dòng)件也存在著摩擦阻力；還有運(yùn)動(dòng)件本身自重、運(yùn)動(dòng)件相互撞擊時(shí)的附加作用力等等。因而有（0.50.67）的沖擊功折算系數(shù)。14如表（2.1）國(guó)內(nèi)外典型沖擊器沖擊功折算系數(shù)，可以得到?jīng)_擊器沖擊圖 2.3 沖擊器氣缸壓力變化曲線(xiàn)表 2.1 沖擊功折算系數(shù)功折算系數(shù)取 0.53。顯然，某一臺(tái)機(jī)器的沖擊功折算系數(shù)越大，說(shuō)明其結(jié)構(gòu)及配氣設(shè)計(jì)，愈近合理，機(jī)器的經(jīng)濟(jì)效果愈佳。2.2.2 沖擊器沖擊頻率的選取沖擊頻率是指活塞在單位時(shí)間內(nèi)的沖擊次數(shù)，一般以每分鐘計(jì)。表（2.2）列出了國(guó)內(nèi)外主要沖擊器沖擊頻率。從中可以看出，今年來(lái)生產(chǎn)的沖擊器的沖擊頻率，在低氣壓下，多數(shù)在 1000 次分以下。這同早年高頻的產(chǎn)品成鮮明對(duì)比。這是因?yàn)樵跊_擊功一定的條件下，增加沖擊頻率可提高沖擊功率，但是，在氣缸直徑一定的情況下，要提高沖擊頻率就得減小活塞行程，這樣反使沖擊功減低，沖擊器的沖擊總功率也隨之下降。因15此在沖擊功與沖擊頻率相互制約的條件下，取大一點(diǎn)沖擊功、低一點(diǎn)的沖擊頻率是相宜的。沖擊器沖擊頻率的選取范圍較寬，理論沖擊頻率應(yīng)在求出沖擊循環(huán)時(shí)間后求出。如沖擊循環(huán)時(shí)間以秒單位計(jì)，則沖擊頻率 f 應(yīng)為：，次分 式160KtTf（2.2）式中 為沖程時(shí)間，并以沖程時(shí)間 乘以大于 2 的比例系數(shù) K 表示全循環(huán)1t 1t時(shí)間。又視沖程階段活塞的運(yùn)動(dòng)是初速度為零的勻加速運(yùn)動(dòng)，則全行程 S中，活塞的運(yùn)動(dòng)時(shí)間為：，秒 式21pFSmt（2.3）于是得到：, 分 式21)(60SmpKf次（2.4）實(shí)際上，如前面所講的，活塞的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)受氣缸結(jié)構(gòu)形式、工作氣體熱力狀態(tài)變化、機(jī)件運(yùn)動(dòng)的摩擦、活塞異端背壓等諸多因素影響，因而可以用下式表示沖擊器沖擊頻率：，次分 式（2.5）21)(SmpFf式中 沖擊頻率折算系數(shù)，該值以現(xiàn)有沖擊器，用上式反演求出。16m活塞質(zhì)量。 千 克2.48.916gGmG活塞重量 41.16 牛頓典型沖擊器沖擊頻率折算系數(shù)列于表（2.2）中。表 2.2 各類(lèi)型沖擊器系數(shù)比較17由表（2.2）引出，次分 式（2.6.）21)(5.3SmpFf18式中沖擊頻率折算系數(shù) =23.5 系表（2.2）中沖擊頻率折算系數(shù)的平均值。所以1025216).4028.(53f Hz2.2.3 活塞沖擊速度的選取活塞沖擊速度也有一個(gè)最優(yōu)范圍，過(guò)低或過(guò)高的沖擊速度都會(huì)顯著地增加單位功耗，室內(nèi)試驗(yàn)資料 表明，對(duì)于堅(jiān)硬巖石，最優(yōu)沖擊速度在 357.5 米秒之間。確定活塞沖擊速度時(shí)還必須考慮沖擊器零件（主要是活塞、內(nèi)缸和鉆頭）的疲勞破壞，而活塞和釬桿的疲勞破壞主要取決于最大應(yīng)力（應(yīng)力波的振幅） ，而與沖擊功大小無(wú)關(guān) ，而應(yīng)力大小又與沖擊速度成正比。 5由此，把此次設(shè)計(jì)的潛孔沖擊器的活塞沖擊速度確定在 78 米秒之間。2.2.4 空氣耗用量的計(jì)算空氣耗用量與沖擊器結(jié)構(gòu)、沖擊頻率、氣腔容積以及配氣短路情況等有關(guān)。沖擊器的耗氣量 由兩部分組成：工作耗氣量 和強(qiáng)吹排粉耗氣量Q1Q?，F(xiàn)在分別計(jì)算如下：2Q（1）工作耗氣量 1式（2.7）aSPFK)(2132式中： 氣缸內(nèi)壓氣充滿(mǎn)系數(shù) =0.851K1配氣孔道容積增加系數(shù) =1.52 219排氣口打開(kāi)后高壓氣短路系數(shù) =1.43K3K前腔活塞工作面積1F后腔活塞工作面積，2 013.)7.4360(222米管道風(fēng)壓（絕對(duì)壓力）0.8 aaPS結(jié)構(gòu)行程， S=0.12 米 61 108.2)013.24.(15.80 Q=8.53 分米 3（2）直吹渣耗氣量 2一般巖石采用節(jié)流孔徑為 6 毫米 式PpVAQ02（2.8）式中 ： 強(qiáng)吹孔面積，孔徑 厘米。pA6.0pd（ ）28.42p2米強(qiáng)吹氣體流速，取 =250 米秒。pVpV由此可算出=0.424（ ）2Q 分米 3總耗氣量：=8.53+0.424=8.9521 分米 3202.2.5 沖擊功率的確定計(jì)算沖擊功率是指單位時(shí)間內(nèi)沖擊器所作的總功。在主要鑿巖參數(shù)沖擊功、沖擊頻率確定以后，沖擊功率即已相應(yīng)確定。沖擊功率多以馬力分來(lái)表示。圖 2.4 沖擊器沖擊功率計(jì)算圖沖擊功率較沖擊功、沖擊次數(shù)更直觀的表達(dá)鑿一定孔徑所需沖擊能量。按沖擊功率定義有：馬力分mSPFAfN2·)0.14(75131）（=167 馬力分顯而易見(jiàn)，在潛孔鉆用沖擊器的氣缸直徑被鉆孔孔徑限定的條件下，提高風(fēng)壓是提高潛孔沖擊器沖擊能量的根本和唯一途徑。據(jù)此，高風(fēng)壓沖擊器在國(guó)外發(fā)展迅速，為潛孔沖擊器賦予了新的生命力。2.3 沖擊器配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)21前面已經(jīng)提到，沖擊器配氣機(jī)構(gòu)，無(wú)論是有閥還是無(wú)閥，其類(lèi)型很多。因而要事先選好配氣類(lèi)型。有關(guān)各種配氣類(lèi)型的詳細(xì)比較，本設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)在前已經(jīng)敘述，在本設(shè)計(jì)中我們選擇的是有閥型，中心排氣沖擊器。在選定配氣類(lèi)型以后，我們就著手配氣面積與配氣長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)計(jì)算。這種配氣尺寸上的設(shè)計(jì)計(jì)算關(guān)系到供、排氣速度，供、排氣時(shí)間，關(guān)系到活塞運(yùn)行行程的大小。所以說(shuō)配氣尺寸設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的。如圖 2.5、2.6所示閥蓋、閥座。是配氣機(jī)構(gòu)的主要組成部分。圖 2.5 閥蓋圖 2.6 閥座配氣桿一體結(jié)構(gòu)配氣機(jī)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)是遵照流體相似準(zhǔn)則進(jìn)行的。222.3.1 配氣面積的設(shè)計(jì)計(jì)算配氣面積是指工作氣體流經(jīng)各通道的氣路面積。這個(gè)氣路面積與氣缸工作面積的比值有一定范圍，稱(chēng)為“配氣面積比” 。以符號(hào) k 表示配氣面積比；1Fk， 2厘 米顯然，通道面積 可通過(guò) k， 求得。1圖 2.7 沖擊器配氣孔道示意圖如以圖 2.7 所示配氣尺寸表示沖擊器配氣面積，則統(tǒng)計(jì)指出：主進(jìn)氣管面積與氣缸沖程工作面積比是：=（0.170.25）21211)(4dDk沖程進(jìn)氣面積與氣缸沖程工作面積比是：=（0.150.20）2102102)(4dndnk返程閥箱進(jìn)氣面積與返程工作面積比是：23=（ 0.120.25）24243)(dDndnk返程氣道面積與氣缸返程工作面積比是：=（ 0.180.28）2432434)(dndnk氣缸排氣面積與氣缸沖程工作面積比是：=（0.130.20）21215)(4dDdk2.3.2 配氣長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)計(jì)算沖擊器配氣機(jī)構(gòu)配氣長(zhǎng)度包括：進(jìn)氣長(zhǎng)度活塞運(yùn)行過(guò)程中，進(jìn)壓氣的長(zhǎng)度；膨脹長(zhǎng)度活塞運(yùn)行過(guò)程中，借壓縮氣體膨脹做功的運(yùn)行長(zhǎng)度；滑行長(zhǎng)度活塞運(yùn)行中，借慣性運(yùn)行的長(zhǎng)度；排氣長(zhǎng)度活塞運(yùn)行中，氣室與大氣相遇，向外排氣長(zhǎng)度；壓縮長(zhǎng)度活塞運(yùn)行中，關(guān)閉氣室排氣口后，活塞運(yùn)行的長(zhǎng)度。而有閥型潛孔沖擊器的配氣長(zhǎng)度主要有以下幾項(xiàng)：進(jìn)氣長(zhǎng)度、滑行長(zhǎng)度、排氣長(zhǎng)度、壓縮長(zhǎng)度。上述幾種配氣長(zhǎng)度與沖擊器結(jié)構(gòu)行程長(zhǎng)度之比，也有一定范圍，并用配氣長(zhǎng)度比 來(lái)表示：， 式(2.9)Sl式中 相應(yīng)的配氣長(zhǎng)度；lS結(jié)構(gòu)行程長(zhǎng)度。24對(duì)于不同的類(lèi)型的沖擊器如控制閥、活閥及無(wú)閥型沖擊器，各段配氣長(zhǎng)度是大不一樣的，即有不同的配氣長(zhǎng)度比參閱表（2.3） 。本設(shè)計(jì)中配氣長(zhǎng)度、配氣長(zhǎng)度比參閱表（2.4）選取。表 2.4 各配氣階段配氣長(zhǎng)度比配氣階段 進(jìn)氣 滑行 壓縮 進(jìn)氣滑行 壓縮前室排氣長(zhǎng)度后室排氣長(zhǎng)度氣墊厚度0.7 0.2 0.59 0.59 0.31 0.7 0.82 0.4 0.1（毫米）l70 20 59 59 31 70 2 492 24 10表 2.3 各型號(hào)沖擊器配氣長(zhǎng)度比25此次設(shè)計(jì)的沖擊器圖 2.8，將各段配氣長(zhǎng)度標(biāo)注如下：圖 2.8 配氣長(zhǎng)度示意圖沖擊后室進(jìn)氣長(zhǎng)度： 121hl26沖程后室滑行長(zhǎng)度：（ ）-（ ）hL1L沖程前室壓縮長(zhǎng)度： 7返程前室進(jìn)氣長(zhǎng)度： 343)(l返程前室滑行長(zhǎng)度： 7Lh返程后室放氣長(zhǎng)度： 1后室放氣長(zhǎng)度： )(21L前室放氣長(zhǎng)度：2 7h2.4 沖擊器基本結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)沖擊器的基本結(jié)構(gòu)尺寸包括氣缸工作直徑 D 和活塞結(jié)構(gòu)行程 S。這兩個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)左右著沖擊器的沖擊性能。一般來(lái)說(shuō)，缸徑盡可能取大值，借以得到較大的沖擊功。而結(jié)構(gòu)行程S 取小值時(shí)可獲得高沖擊頻率，但沖擊功要相應(yīng)降低。用下式選取缸徑與行程：，厘米孔孔 ）（ DkD68.057.)(=8 厘米，米pdApFAS)().21(21=0.12 米式中 k結(jié)構(gòu)系數(shù)，單缸結(jié)構(gòu)選用較大的系數(shù)；鑿孔直徑，厘米；孔DA、 、 、p 同前。1F