第二章   液动冲击器

2．1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9．81J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29—78J)，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4.9—5．8MPa)可以基本满足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Г—76，Г—59以及ГВ—5和ГВ—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SC—89型和JSC—75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WH—120N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—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TK—605型和地质矿产部的S75C及S59C型等。其中TK—60S型已于1984年通过技术鉴定。苏联地质部也于1985年开始生产ССГ—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。

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ГВ3型蜗轮冲击器。外径260mm．水平轴上的偏心体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14g／cm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1／830—1／900，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YQ—150A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3—5倍，约为液动冲击回转钻的1．5—3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①进入阀室，经进气孔②进入气缸壁上的进气道⑦及下室④。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⑦，同时开启阀座上的进气孔⑧，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②和气缸壁上的排气道⑥排出；回程时，上空气体经徘气口⑦及⑧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C—150、J—200及w—200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    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                  17.5~21

耗气量：                 5~6

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=12¬22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I—R系列潜孔锤其外径由93mm至689mm，可以钻进直径I 02—762mm的钻孔。DHD—360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DHD—124型超级潜孔锤，可用于的严寒条件，在石灰岩以至致密的冰冻砾石层中，当风量为56．6 m /min,压为0．86MPa时，钻进速度为6—18m／h，而且钻孔甚为笔直，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A30—15型潜孔锤其外径76．2mm，钻头外径92—101．6mm。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。

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