氣動潛孔沖擊器研究現狀及發展綜述

王藝星，孫巧雷，王甜甜，梅翔洲，顧浩文，張義

（長江大學 機械工程學院，湖北 荊州 434023）

巖土鉆鑿工程在我國占有重要的地位，“中國制造2025”指出：到2025年，70%的核心基礎零部件、關鍵基礎材料實現自主保障，80 種標志性先進工藝得到推廣應用，部分達到國際領先水平，建成較為完善的產業技術基礎服務體系，逐步形成整機牽引和基礎支撐協調互動的產業創新發展格局[1-2]。而隨著我國的科學技術的快速發展，氣動潛孔沖擊器的應用領域不斷拓寬，對其的需求量越來越大。氣動沖擊鉆進技術相比較傳統旋轉鉆進有著很大的應用優勢，對于復雜硬巖地層更有著較強的適應性，并能降低工程成本。

在鑿巖鉆井工程中，沖擊鉆井技術經過幾十年的發展，取得了技術層面上的改進和成果，例如SB RAS 礦業學院設計的PNB76R、Ash42 和Ash43T模型等。但在沖擊過程中，沖擊器仍存在活塞的使用壽命不長、單次沖擊能量利用率不高、鉆進過程中粉塵堵塞等問題，沖擊器在活塞的材料選型、結構優化、沖擊的能量利用率等方面還有待提升[3-4]。基于此，本文針對潛孔沖擊器已有的國內外研究，調研了其發展現狀，總結了其存在的問題和不足，指出了其發展趨勢，為潛孔沖擊器的后續發展提供一定基礎。

1 國外研究現狀

為了保證鉆井作業的安全，提高工作效率，降低成本，國內外研制了不同種類的氣動沖擊器，解決了沖擊器在鉆井過程中的不同問題，下述對相關具體研究進行總結。

TEZCAN[6]等針對氣動鑿巖活塞失效進行了詳細的研究，通過對活塞表面硬化鋼的硬度分析、利用光譜學化學分析方法，以及對金相試樣進行試驗以檢驗其內部結構。研究結果提出，活塞的化學材料應按照標準來選擇，滲透熱處理應在相同的時間、滲碳層深度等條件下進行，活塞的外表面硬度可提高到60～62 HRC，可增大螺紋圓角半徑減小由于應力集中導致活塞斷裂從螺紋區域開始的可能性。

KIVADE[7]等應用白金漢定理的量綱分析給出了沖擊鉆井的12 個無量綱群，推導了相應量綱群下的滲透率經驗方程，并采用逐步線性回歸分析建立了沖擊式鉆井的鉆速模型。最后通過統計回歸分析無量綱組間的關系，得出以下結論：在特定的巖石類型范圍內，風鉆鉆速與巖石強度、耐磨性和密度成反比。研究同時指出，在實驗中得到的結論有一定的局限性，它在只能應用于實驗中已經測試過的一系列巖石類型，對于自然界中其他類型的巖石還有待研究論證。

KWON[8]等利用活塞下落式沖擊試驗的方法，系統地對花崗巖樣品進行一系列活塞沖擊試驗；通過激光掃描測量巖石試樣表面的斷裂情況，對每個鉆井測驗進行定量分析，比較了新型鉆頭和傳統鉆頭的效率。研究發現，在不利的工作條件下，新的鉆頭設計比傳統設計節省大約45%的能源，實驗表明新型鉆頭設計具有較高的鉆進效率。

ZHAO[9]等針對氣動潛孔器的工作角度對氣動下孔沖擊器的鉆進的影響，進行了3 個方面的研究。①建立了模擬打孔鑿巖的計算模型，該模型通過模擬潛孔器的熱力循環，給出了沖擊時活塞的動能；通過應力波傳播分析，模擬了沖擊鉆進過程。②研制了多角度器擊鉆進實驗室規模試驗裝置，成功地模擬了多角度氣動器的工作狀態，通過對沖擊過程中注入壓力、推力和作用在巖石上的力等外部參數的動態測量，比較了不同角度下的工作狀態。③討論了氣動潛孔器的工作性能、井底形狀以及鉆屑的相關問題。其研究發現，氣動器的工作頻率和沖擊度隨偏角的增大而減小，使得傳遞到巖石上的有效功率整體減小，氣動器的工作頻率降低。

XU[10]等針對鉆孔作業中后擴式氣沖機中大多數巖屑顆粒會沉積在鉆頭表面和巖壁之間的空腔中，無法被氣體帶出的問題，利用流體動力學理論和Fluent 仿真軟件，通過建立巖屑后擴孔氣動沖擊器流場模型，基于切割流場中的氣固兩相流的數學模型，分析了沖擊器的鉆速和氣相質量對巖屑攜帶特性的影響。結果表明，隨著鉆進速度的增加，沖擊排氣的攜帶能力下降；隨著氣體質量流量的增加，沖擊器排氣的攜帶能力增加；同時后擴孔氣動沖擊器的鉆進速度應控制在12.6 m·h-1以下，防止沖擊器的堵塞。

REPINA[11]等通過減小單位有效面積的重量來增加打擊頻率，并通過鈦合金與硬化鈦合金沖擊器的對比理論研究和試驗研究，證實了通過增加擊打頻率來增加氣鉆器的沖擊能力以及使用低密度材料來提高沖擊能力的可行性。

CAO[12]等針對氣動反循環潛孔器鉆進過程中，粉塵逸出對環境以及人體健康不利的問題，研制了一種新型的螺旋鉆頭，應用理論、數值和實驗方法研究了不同旋流的產生機理和流動特性，比較了新型旋流反循環鉆頭與環形鉆頭結構以及功能上的差異，通過旋流反循環鉆頭設計數值模擬，證實了旋流鉆頭所吸入的空氣量大于環形鉆頭所吸入的空氣量，從而達到減少井場的粉塵量的目的。

TIMONIN[13]等設計了一種封閉式布局的、具有簡單形狀器擊部件的井下沖擊器鉆頭，并根據有效區域理論和有效面積比例對PNB76R 型號沖擊器進行了現場測試。研究表明，在設計中引入用于排出動力沖程腔的彈性閥后，器擊部件的行程長度增加了30%，打擊能量和容量增加了25%。排氣閥消除了給定空氣分配回路的物理缺點，即與空行程腔室一側的器頭相比，其在空行程腔室一側面積小，并且能夠利用所有優點，此設計可用于標記和增加壓縮空氣壓力。TIMONIN[14]等還介紹了一種新型的水井套管鉆井設備，該設備針對復雜地面條件下井壁塌陷問題，研制了PP110GM、PP110NK 兩種沖擊的空氣器。通過對空氣器的實驗室規模測試，發現試制的PP110NK 模型由于采用了步進閥配風，提供了較高的風量，具有更高的能量特性，并且該空氣器也可防止細小顆粒進入機器的工作室內；而在在足夠高的沖擊能量下，PP110GM 空氣器的沖擊頻率高于PP110NK 空氣器。此兩種沖擊器的使用壽命較常規沖擊器將增加，而成本分別降低了77%和84%。

目前，國外潛孔沖擊器的結構主要是如圖1 所示，相關研究基于氣道的轉換原理進行，圍繞如何解決活塞斷裂、提高氣動沖擊器工作效率、延長使用壽命、減少鉆進過程中的粉塵等問題進行充分改進[15]。

圖1 典型氣動潛孔器的結構示意圖

2 國內研究現狀

早期我國的潛孔沖擊器主要是結合現場需求及國外同類產品的優勢，進行結構的設計和功能實現[16-18]。近幾年，在傳統有桿式沖擊器基礎上（如圖2 所示），國內圍繞氣動潛孔沖擊器中氣體轉換率低、工程應用中有粉塵、鉆進效率不高、能量利用率有限和環境污染大等問題進行了研究。

圖2 傳統沖擊器結構圖

2.1 結構分析與數值模擬

江濤等[19]基于現場廣泛應用的氣動沖擊器，在結構與原理分析的基礎上，通過數學建模建立、MATLAB 編程以及SIMULINK 仿真優化分析，得出了活塞質量的增大會導致沖擊器頻率和沖擊功的下降，而沖擊距離的增大會使沖擊功增大。潘光永[20]針對無閥沖擊器的結構、應用背景、參數特性及應用前景進行了分析。

呂闖通[21-22]過建立無閥沖擊器的能量方程、運動方程，結合沖擊頻率的求解，提出了無閥沖擊器的性能分析方法；隨后，在建立活塞動力學方程的基礎上，結合應力波法開展了沖擊器動力學實驗，得到了沖擊器壓力、位移、速度和加速度在設計試驗下的變化規律。

而隨著數值仿真技術的發展，應用理論集合有限元方法進行沖擊器性能分析的研究逐漸增多。楊雄[23]等應用有限元軟件ANSYS，分析了活塞局部倒角值及內徑變化下的應力強度因子分析；蕭志鈺[24]基于潛孔沖擊器的不同作業工況，分析了結構參數變化對活塞裂紋的影響；章瑩[25]模擬了特定材料下的沖擊器活塞淬火工藝和性能分析；張晨[2]等通過活塞的數學建模和Matlab 數值仿真，得到了所設計沖擊器沖擊性能參數與其結構參數間的變化規律；任城鈺[26]等使用AMESim 對沖擊器沖擊過程的壓力、錘頭位移進行了模擬；何小宏[27]等通過對活塞運動過程數學分析，利用MATLAB 數值仿真模擬得到了活塞運動學規律和內部變化規律。

2.2 結構設計與優化

結合數學模擬、數學仿真技術的發展，國內相關研究者在已有的基礎上，逐步對潛孔沖擊器的結構進行了進一步設計與優化。

馬利東[18]等提出了一種可進行雙向沖擊的氣動潛孔器，結合數值仿真研制了CJ-130 型雙向氣動潛孔器。建立力學數學模型，并對其進行模擬仿真后，確定了潛孔器配氣參數和結構參數，包括：①前后氣室進氣、膨脹( 壓縮) 、排氣行程及相互間比例關系，以及結構行程；②活塞質量與活塞有效作用面積，在低壓狀態下使沖擊器的沖擊末速度達到理想的定額值；③活塞質量與鉆頭質量、活塞長度與鉆頭長度的比例關系；④對材料進行熱研究延長潛孔器的使用壽命；⑤鉆頭結構及布齒規律。該氣動潛孔器具有鉆進效率高，鉆進速度大，鑿巖過程中卡鉆可順利退回的優點。

謝群[28]等在針對各種主要因素對沖擊能量影響分析的基礎上，運用無閥配氣機構，采用提高壓縮空氣壓力的方法和沖擊回轉鉆進方式提出了一種新型的潛孔沖擊器。隨后，基于CORDIC 算法的正余弦函數的容錯計算，對所設計沖擊器結構進行仿真，結果表明，其工作性能有一定提高，且鉆進效率有一定提高，而功率損耗降低。

羅永江[15]等為了降低作業區的粉塵，設計了一種用于反循環氣動潛孔沖擊器的鉆頭，并通過計算流體動力學和實驗研究發現，濕法鉆孔被認為是表面鉆孔控制粉塵的最佳方法，但濕式鉆井鉆頭壽命面臨較大挑戰。為了延長鉆頭壽命，水分離器接頭被應用，從而實現了從注入空氣中去除注入的水的目的。進一步的CFD 模擬和實驗研究發現，反向循環沖擊器的鉆頭設最優噴嘴為6 個，兩個沖洗嘴和下方的恢復槽，其優選直徑分別為6、3、8 mm。

余勇高[29]等設計了QCK90 快沖型中氣壓潛孔沖擊器和KQG35B 節能型高氣壓潛孔沖擊器，上述沖擊器主要通過對排氣結構的再設計，提高了沖擊器在沖擊行程和返回行程的沖擊效率。與QCW930相比，QCK90 快沖型沖擊器能夠有效提高機械效率、降低生產成本，此外其結構還具有方便拆裝維修、鉆頭的使用壽命較長、通用性好等優點。作為KQG35A 的改良產品，KQG35B 的活塞機械強度和疲勞壽命進行了加強。

王玉溪[30]等設計了一種新型雙向貫通式潛孔器鉆具，該鉆具的設計時建立在大量原雙向潛孔器在應用方面存在的問題的收集和分析后，該沖擊器能快速切換，一定程度降低了施工成本和人力消耗，且基本上解決了因基坑降排水而造成的環境污染問題及快速鉆孔問題。

還有一些研究者也設計了具有一定特色的沖擊器，如楊紅東[31]等設計的閥套式無氣墊高性能氣動沖擊器，杜成[1]等設計了快換向的新型潛孔沖擊器，如圖3 所示。除上述之外，在結構設計、數值仿真基礎上，部分學者已圍繞沖擊器性能測試、沖擊試驗臺架、沖擊測量等試驗開展了研究[32-33]，相關研究為潛孔沖擊器的進一步深入研究提供了新的平臺和思路。

圖3 新型結構的潛孔沖擊器

3 結論與認識

盡管目前國內外市場已經有各種形式的氣動沖擊器，但是隨著鉆鑿的深度不斷增大、地層硬度的提高以及考慮到潛孔沖擊器應用的性價比，現有的新型潛孔沖擊器仍然存在一些技術上的問題，從而導致市場難以完全認可接受各種新型的沖擊器。其仍存在著活塞的應力分布不均勻、易產生疲勞破壞，鉆井過程中產生過多的粉塵污染環境、威脅人體健康，鉆進效率低，沖擊器作業過程巖屑顆粒易沉積在鉆頭表面和巖壁之間的空腔中、無法被氣體帶出排除等問題。后續研究可圍繞上述問題在沖擊器理論建模、數值模擬、數值仿真基礎上，結合實驗對沖擊器進行深入研究開發。