0050-ГБМС-5型液動(dòng)錘特性分析與計(jì)算【全套7張CAD圖】

0050-ГБМС-5型液動(dòng)錘特性分析與計(jì)算【全套7張CAD圖】,全套7張CAD圖,型液動(dòng)錘,特性,分析,計(jì)算,全套,cad 摘要 沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)的設(shè)想始于歐洲。從上世紀(jì)五十年代開(kāi)始，在美國(guó)，加拿大和前蘇聯(lián)才研制出幾種具有實(shí)用意義的液動(dòng)沖擊器。我國(guó)從1958年底開(kāi)始在原地質(zhì)礦產(chǎn)部勘探技術(shù)研究所對(duì)液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)進(jìn)行研究，幾乎與世界同步。 液動(dòng)沖擊器是液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆探的關(guān)鍵設(shè)備。隨著中國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)的不斷推進(jìn)和發(fā)展，國(guó)民經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)對(duì)液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆探不斷提出更高的要求，所以，加速液動(dòng)沖擊器的研究勢(shì)在必行。 本文在綜述了國(guó)內(nèi)外液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆探和液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆探核心機(jī)械—液動(dòng)沖擊器的基礎(chǔ)上，研究閥式反作用液動(dòng)沖擊器的工作原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并提出了計(jì)算液動(dòng)沖擊力和沖擊頻率的方法。通過(guò)分析，指出閥式反作用液動(dòng)沖擊器適用于中到中硬以上的巖層，并且應(yīng)盡量增大泥漿排量，采用較大剛度的沖錘彈簧，以使沖擊器的優(yōu)點(diǎn)得到充分發(fā)揮。并針對(duì)液動(dòng)沖擊器的關(guān)鍵零件—沖錘彈簧進(jìn)行了詳細(xì)的分析計(jì)算和驗(yàn)算。并從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)學(xué)角度分析了液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆探的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。本文主要作了以下工作： 1） 詳細(xì)闡述了液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆探； 2） 詳細(xì)介紹了各種液動(dòng)沖擊器； 3） 分析了反作用液動(dòng)沖擊器的結(jié)構(gòu)原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 4） 閥式反作用液動(dòng)沖擊器的性能分析和參數(shù)計(jì)算。 關(guān)鍵詞：液動(dòng) 回轉(zhuǎn) 鉆探 反作用 沖擊器 Abstract The text ,basing on summing up the studying of nation inside and outside n circumgyrate drilling of fluid move concussion and fluid move impulsion implement of counteractive of valve style,study working principle and frame characteristic of fluid move impulsion implement of counteractive of valve style.And it advances the measure that account the wallop and concussion frequency.Overpass the analysis,it indicate that the fluid move impulsion implement of counteractive of valve style is the same with the terrane that whose rigidity is middle or upwards.Besides it should accretion the arrange quantity of slop to the best of its abilities and adhibits clash spring of the greater limit to exert the excellence of impulsion implement.It also makes detailed analyzed account and checking computations in allusion to the key part of the impulsion implement,and analyses the technic economy effet of the impulsion implement.The text do mianly these work: 1)expound circumgyrate drilling of fluid move concussion particular. 2)introduce diversified impulsion implement particular. 3)analyse orking principle and frame characteristic of fluid move impulsion implement of counteractive of valve style. 4)capability analysis and parameter account of fluid move impulsion implement of counteractive of valve style. Key words: fluid move, circumgyrate, drilling, counteractive ,concussion implement 3 目錄 摘要 1 Abstract 2 第一章 液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆探 1 1．1概述 1 1．2沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的實(shí)質(zhì)和特點(diǎn) 2 1．3沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的應(yīng)用范圍 3 1．4沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的發(fā)展概況 4 1．5液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆在地質(zhì)巖心鉆探中技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益 6 第二章 液動(dòng)沖擊器 8 2．1沖擊器的種類(lèi) 8 2．2 反作用式液動(dòng)沖擊器 15 2．2．1 反作用式液動(dòng)沖擊器的結(jié)構(gòu)原理 15 2．2．2 反作用式液動(dòng)沖擊器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 15 2．3 閥式反作用液動(dòng)沖擊器性能分析及參數(shù)計(jì)算 16 2．3．1 功率特性及活塞沖錘運(yùn)動(dòng)特性分析 16 2．3．2 參數(shù)計(jì)算 16 2．4 本章小結(jié) 22 第三章 ГВМС—5型液動(dòng)錘 23 3．1 ГВМС—5型液動(dòng)錘工作原理及特點(diǎn) 23 3．2 沖錘彈簧設(shè)計(jì)和計(jì)算 24 3.2.1原始條件的確定 24 3．2．2．參數(shù)計(jì)算： 25 3.2.3驗(yàn)算 27 第四章 液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的發(fā)展展望 27 4．1 液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的發(fā)展方向 27 4．2 基礎(chǔ)理論方面的重大課題 30 4．3 應(yīng)用研究 30 第五章 液動(dòng)錘的仿真分析 31 致謝 35 參考文獻(xiàn) 36 38 第一章 液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆探 1．1概述 采用沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)的設(shè)想始于歐洲。1867—1887年期間，一些企圖代替鉆桿沖擊鉆的潛孔式液動(dòng)沖擊器相繼出現(xiàn)，1887年在英國(guó)曾授予德國(guó)沃·布什曼以新鉆井方法的專(zhuān)利，其技術(shù)核心就是利用泵供給的液能驅(qū)動(dòng)液動(dòng)沖擊器對(duì)回轉(zhuǎn)著的鉆頭進(jìn)行連續(xù)沖擊，從而實(shí)現(xiàn)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)。 從本世紀(jì)五十年代開(kāi)始，在美國(guó)、加拿大和蘇聯(lián)才研制出幾種具有實(shí)用意義的液動(dòng)沖擊器。海灣石油公司和殼牌石油公司對(duì)比進(jìn)行過(guò)研究，其目的主要是應(yīng)用于石油鉆井及排除卡鉆等，故直徑較大，沖擊錘有重達(dá)300kg者，且沖擊頻率較低。在地質(zhì)礦產(chǎn)鉆探方面國(guó)外研究最有成效的是蘇聯(lián)，從1900—1905年間即開(kāi)展對(duì)液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)的研究，但直到1970年才開(kāi)始逐步在生產(chǎn)實(shí)踐中得到應(yīng)用，其間歷經(jīng)約七十年。匈牙利在六十年代研制了直徑從48到160mm的五種雙作用液動(dòng)沖擊器，其特點(diǎn)是組裝在一專(zhuān)用拖車(chē)上并配有相應(yīng)的泵、除砂器、取心工具、鉆頭和處理事故工具等，以便能夠靈活運(yùn)輸，在施工礦區(qū)或工地為好幾臺(tái)鉆機(jī)服務(wù)。當(dāng)某臺(tái)鉆機(jī)遇到堅(jiān)硬地層需要進(jìn)行沖擊回轉(zhuǎn)鉆時(shí)，可以及時(shí)運(yùn)來(lái)“全套”的附屬機(jī)具進(jìn)行施工，而后又可以靈活地運(yùn)往其他機(jī)臺(tái)的孔段服務(wù)。匈牙利的這種液動(dòng)鉆探設(shè)備不但在地質(zhì)礦山鉆探中使用，其較大口徑的液動(dòng)沖擊器也用于水井鉆和工程施工鉆探。日本對(duì)液動(dòng)沖擊鉆的研究約有十余年的歷史，比較成功的例子為利根公司研制的wH—120N型雙作用式液動(dòng)沖擊器，其最大的特點(diǎn)是采用氣液作為工作介質(zhì)。 我國(guó)從1958年底開(kāi)始在地質(zhì)礦產(chǎn)部勘探技術(shù)研究所對(duì)液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)進(jìn)行研究。至1965年設(shè)計(jì)研究了七種不同結(jié)構(gòu)形式的液動(dòng)沖擊器，并在周口店試驗(yàn)站專(zhuān)門(mén)建立的試驗(yàn)室中進(jìn)行了性能對(duì)比和巖樣鉆進(jìn)試驗(yàn)。其中最好的一種YZ—2型沖擊器外徑89mm，當(dāng)供給的液量為0.2—0.3立方米每分時(shí)，沖擊功為58—88J，沖擊頻率是16—25HZ。在試驗(yàn)臺(tái)用硬質(zhì)合金鉆頭鉆進(jìn)VII級(jí)花崗閃長(zhǎng)巖時(shí)，最高鉆進(jìn)速度可達(dá)85mm/min。1966年在湖南柿竹園多金屬礦進(jìn)行了生產(chǎn)試驗(yàn)，最大孔深達(dá)430m?？碧郊夹g(shù)研究所為推動(dòng)此種技術(shù)的發(fā)展，曾于1963年編輯了(沖擊回轉(zhuǎn)鉆專(zhuān)輯)第一輯，廣泛介紹了國(guó)內(nèi)外的文獻(xiàn)資料，為液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆在我國(guó)的發(fā)展做了有益的工作。原北京地質(zhì)學(xué)院和武漢地質(zhì)學(xué)院也進(jìn)行了大量的工作，培養(yǎng)了數(shù)批以沖擊回轉(zhuǎn)鉆為主要內(nèi)容的研究生，為系統(tǒng)的深入研究創(chuàng)立了良好的人才條尤其應(yīng)當(dāng)指出的是遼寧地質(zhì)礦產(chǎn)局第九地質(zhì)大隊(duì)與長(zhǎng)春地質(zhì)學(xué)院等單位從1971年開(kāi)始研究了一種具有獨(dú)創(chuàng)性的sc—89和JSC—75型射流式?jīng)_擊器，并于1982年獲得科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)，這是國(guó)內(nèi)得到廣泛應(yīng)用的第一種液動(dòng)沖擊器。從1975年以后，我國(guó)除了地質(zhì)系統(tǒng)廣泛地研制了掖動(dòng)沖擊器外，其他幾乎全部有鉆探任務(wù)的兄弟部門(mén)都對(duì)此種鉆進(jìn)技術(shù)進(jìn)行了研究，它們?cè)谏a(chǎn)實(shí)踐中幾乎部得到了肯定的好評(píng)。這種先進(jìn)的鉆進(jìn)技術(shù)正在地質(zhì)鉆探、石油和天然氣鉆井以及各種工程鉆中穩(wěn)定地發(fā)展著。其技術(shù)核心——液動(dòng)沖擊器正逐步形成孔底動(dòng)力鉆的一個(gè)重要分支。 1．2沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的實(shí)質(zhì)和特點(diǎn) 沖擊回轉(zhuǎn)鉆就是在回轉(zhuǎn)鉆的基礎(chǔ)上對(duì)巖石破碎工具——鉆頭，施加具有一定頻率的沖擊能量，因此對(duì)回轉(zhuǎn)著的鉆頭不但對(duì)巖石有靜的給進(jìn)壓力和扭矩，而且附加了一種連續(xù)的沖擊動(dòng)載荷。換言之，沖擊回轉(zhuǎn)鉆就是一種帶有沖擊負(fù)荷的回轉(zhuǎn)鉆。 沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)所以能夠提高鉆進(jìn)效率的原因，歸納起來(lái)有下列幾點(diǎn)： 1．沖擊裁荷的特點(diǎn)是接觸應(yīng)力瞬時(shí)可達(dá)極高值，應(yīng)力比較集中。所以盡管動(dòng)硬度要比靜硬度大，但仍易產(chǎn)生微裂紋。并且沖擊速度愈大，巖石脆性增大，有利于裂隙發(fā)育。因此可以不大的沖擊功(數(shù)個(gè)公斤米)就可破碎堅(jiān)硬巖石，而靜壓人時(shí)則需很大的力； 2．切削刃具磨損減少。在沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)中切削刃具的磨損減少的原因有：(a)鉆進(jìn)中所得的軸向壓力較小，轉(zhuǎn)速很低；(b)體積破碎的摩擦系數(shù)低于表面破碎時(shí)的摩擦系數(shù)，而在沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)中容易達(dá)到體積破巖的程度；(c)鉆速快，切削具的相對(duì)磨損就減小，(d)沖擊破碎巖石時(shí)刃具與巖石的作用時(shí)間很短。 3．因?yàn)樵跊_擊時(shí)還加有一定的軸向壓力，改善了沖擊功能的傳遞條件，增大了沖擊效果。 4．因?yàn)楦哳l并連續(xù)地給巖石施加沖擊載荷，所以在碎巖過(guò)程中縫隙發(fā)育較完全，更有利于破碎較硬巖石。 5．因?yàn)樵跊_擊中又有連續(xù)不斷的回轉(zhuǎn)切削作用，改變了沖擊裁荷的傳遞方向，充分發(fā)揮了沖擊碎巖和切削碎巖的效果。 1．3沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的應(yīng)用范圍 沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)除了可以提高鉆速外，又由于鉆進(jìn)中所需的軸向壓力較小，轉(zhuǎn)速較低，所以鉆孔不易彎曲，孔內(nèi)事故也較少，原材料的消耗低， 所以它是當(dāng)前的一種現(xiàn)實(shí)可行的高效、優(yōu)質(zhì)、低消耗的鉆進(jìn)方法。特別是在中等硬度的巖石中，其效率更為顯著，所以沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方法應(yīng)用范圍愈來(lái)愈廣。據(jù)美國(guó)1973年和1974的統(tǒng)計(jì)貧科說(shuō)明，使用沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方法完成的工作量占總工作量的23．2％一23．6％，僅次于一股的回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)(占62.7％一63．3％)而屬第二位的鉆進(jìn)方法。 沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)最適宜于鉆進(jìn)粗粒而不均勻的地層，在6—9級(jí)巖石中鉆進(jìn)效果尤為突出。近幾年來(lái)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)不僅用于硬合金鉆進(jìn)，而且也應(yīng)用于鋼粒鉆進(jìn)和金剛石鉆進(jìn)以及牙輪鉆進(jìn)，適用的巖層范圍擴(kuò)大了。最近，蘇聯(lián)將沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)應(yīng)用于金剛石小口徑鉆進(jìn)中，它不僅提高了鉆進(jìn)效率和鉆頭壽命，而且還克服了金剛石鉆進(jìn)裂隙發(fā)育地層、“打滑”地層和容易引起強(qiáng)烈彎曲的地層的困難?；蛞蜚@機(jī)開(kāi)不了高速而影響孕鑲鉆頭鉆進(jìn)時(shí)，用沖擊回轉(zhuǎn)法也可彌補(bǔ)其不足。 沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)所鉆的孔深和孔徑日有發(fā)展?？梢詽M(mǎn)足地質(zhì)勘探鉆進(jìn)的要求。美國(guó)在石油鉆井中，用巴辛格爾液動(dòng)沖擊器鉆井深度達(dá)2750米。蘇聯(lián)利用ВВО—3型液動(dòng)沖擊器在石油鉆井中可深達(dá)1280米。利用Г—3A型液動(dòng)沖擊器在地質(zhì)鉆探中孔深已達(dá)700多米。蘇聯(lián)近幾年研制丁Г—7、Г—9型液動(dòng)沖擊器，并且為了增大效能，采用了ПП—70型氣動(dòng)孔底反射器，其孔深可達(dá)1500米或更深。 總之，沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方法現(xiàn)在已用于不同的地層和不同的鉆進(jìn)方法，其孔徑和孔深也不斷擴(kuò)展，是—種很有發(fā)展前途的鉆進(jìn)方法。 1．4沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的發(fā)展概況 沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)法的應(yīng)用已有上百年的歷史。早在十九世紀(jì)六十年代就有人進(jìn)行丁潛孔式?jīng)_擊器的試制工作。早期在法國(guó)研制過(guò)低頻液動(dòng)沖擊器。后來(lái)在蘇聯(lián)和美國(guó)進(jìn)行過(guò)“渦輪錘”和“渦輪振動(dòng)鉆”的研究工作。 二十世紀(jì)三十年代發(fā)展了風(fēng)動(dòng)潛孔錘。到五十到六十年代獲得了較為廣泛的應(yīng)用。在此期間，美國(guó)在3500米的深井中，成功地進(jìn)行了風(fēng)動(dòng)潛孔錘沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)。隨后又在水并鉆和工程鉆中廣泛應(yīng)用。到六十年代末，在我國(guó)礦山開(kāi)采中推廣使用了風(fēng)動(dòng)潛孔錘沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，代替了舊的鋼絲繩沖擊鉆進(jìn)。 二十世紀(jì)四十年代，蘇聯(lián)葛奠夫研制了滑閥式正作用液動(dòng)沖擊器，美國(guó)巴辛格爾也研制了活閥式正作用動(dòng)沖擊器。在液動(dòng)沖擊器的研制方面取得了很大的進(jìn)展。到五十年代，美國(guó)艾莫雷研制了活閥式反作用的沖擊器，到五十年代后期就出現(xiàn)了種類(lèi)繁多的雙作用的沖擊器各種沖擊器一直發(fā)展到現(xiàn)在，都得了較大的發(fā)展。 雖然蘇聯(lián)在1960年使用反作用式的ВВО—3型液功沖擊器，在2400一2700米的深井中成功地進(jìn)行了沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，但是總的看來(lái)，六十年代以來(lái)，在1500來(lái)以?xún)?nèi)的鉆并中，使用效果較好的液動(dòng)沖擊器多屬于正作用沖擊器。 我國(guó)自1958年開(kāi)始研制沖擊回轉(zhuǎn)鉆具，許多單位在研制沖擊器和沖擊回轉(zhuǎn)取心鉆進(jìn)方面進(jìn)行了好多工作，但后來(lái)研究中斷。從1971年起，遼寧鐵嶺地質(zhì)隊(duì)，長(zhǎng)春地質(zhì)學(xué)院等單位又先后開(kāi)始研制液壓射流式?jīng)_擊器，取得了不少的成就?，F(xiàn)在射流式?jīng)_擊器和閥式?jīng)_擊器已在地質(zhì)勘探取心鉆進(jìn)生產(chǎn)中應(yīng)用起來(lái)，并敢得了較好的成果。例如某隊(duì)用射流沖擊器鉆進(jìn)6—7(少最8)段巖石，取得進(jìn)尺1132米的最高臺(tái)月效率，江西某隊(duì)用閥式?jīng)_擊器鉆進(jìn)一萬(wàn)六千多米，在玄武巖、花崗巖地層中平均臺(tái)月效率比鋼離鉆進(jìn)提高30一60％。 沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方法雖然應(yīng)用日廣，但尚須進(jìn)—步完善和提高。應(yīng)當(dāng)研究沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的碎巖原理，研究設(shè)計(jì)新型的沖擊器，應(yīng)盡先研制用于堅(jiān)硬巖層的大沖擊功的沖擊器，泥漿鉆進(jìn)用的沖擊器以及小口徑金剛石鉆進(jìn)用的高頻沖擊器，研究沖擊器的設(shè)計(jì)和計(jì)算方法；設(shè)計(jì)適應(yīng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)用的水泵及鉆機(jī)，研究沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)用的鉆頭結(jié)構(gòu)、硬合金的材質(zhì)和形狀及其鑲焊方法；制訂合理的鉆進(jìn)工藝參數(shù)。 1．5液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆在地質(zhì)巖心鉆探中技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益 液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆在我國(guó)地質(zhì)鉆探中應(yīng)應(yīng)用日愈增多，逐漸形成一種與回轉(zhuǎn)鉆配合使用的常規(guī)鉆探技術(shù)。大量的實(shí)際進(jìn)尺證明，它既可采用硬質(zhì)合金鉆頭，也可采用價(jià)格低廉的人造孕鑲金剛石鉆頭在VI~VII級(jí)巖石中進(jìn)行有效的鉆進(jìn)，尤其是在堅(jiān)硬致密的“打滑”地層中使用孕鑲金剛石鉆頭取得了明顯的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，主要表現(xiàn)在鉆進(jìn)速度可以成倍地提高，回次進(jìn)尺長(zhǎng)度和鉆頭進(jìn)尺均有不同程度的增長(zhǎng)。沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)費(fèi)用低于回轉(zhuǎn)鉆的主要原因是：(1)由于鉆壓和鉆頭轉(zhuǎn)數(shù)較低從而減輕了鉆桿和所有管材的磨損，斷鉆桿事故較少，(2)采用金剛石鉆頭時(shí)，幾乎可以不用皂化油等昂貴的沖洗液；(3)鉆頭費(fèi)用低，在VI~VII級(jí)石英閃長(zhǎng)巖、花崗閃長(zhǎng)斑巖等巖石中采用人造孕鑲金剛石鉆頭時(shí)，鉆頭進(jìn)尺可以超過(guò)120m。(4)動(dòng)力消耗少。 據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)從1971—1986年以來(lái)，用液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆探進(jìn)尺約500000m，最大使用孔深930m,取得了明顯的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。 蘇聯(lián)對(duì)此種鉆進(jìn)技術(shù)在地質(zhì)鉆探中的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益總的作了如下的估計(jì)：鉆速提高20一60％，回次進(jìn)尺增加10一20％，鉆頭壽命增加10一25％，鉆進(jìn)成本降低10—15％，有利于改善孔斜程度，用高轉(zhuǎn)速時(shí)對(duì)巖心質(zhì)量無(wú)任何影響，金剛石鉆頭不易被拋光，推廣較為容易。 最后還應(yīng)當(dāng)指出，采用液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆后大多數(shù)的IV~VII級(jí)巖石可以采用硬質(zhì)合金鉆頭代替金剛石鉆頭，而硬質(zhì)合金的主要原料——鎢在我同擁有的儲(chǔ)量為世界第一位，從這一點(diǎn)來(lái)看大力推廣它也是完全合乎國(guó)情，其意義是顯而易見(jiàn)的。 推廣液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆的經(jīng)濟(jì)效益可用年經(jīng)濟(jì)效果，既年節(jié)約約值確定。年經(jīng)濟(jì)效益E由運(yùn)用前后的成本和投資的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較而得，計(jì)算公式為： E= (1—1) 式中：E—年經(jīng)濟(jì)效益（元）； —液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆推廣前和推廣后每鉆探1米的平均成本（元）； —地區(qū)推定的投資效果的比較系數(shù)（鉆探工程取作=0.2）； —推廣前后單位進(jìn)尺的基本投資（元）； —推廣后每年完成的工作量。 基本費(fèi)用（單位進(jìn)尺）的投資為： 及元 (1—2) 其中：及（元） —鉆探設(shè)備包括液動(dòng)沖擊器及附屬裝置等的平衡表價(jià)格（元）； 及為原用和采用液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆技術(shù)的鉆探設(shè)備數(shù)量： (1—3) (1—4) 式中：—鉆探工作量（m） —一年總時(shí)間（臺(tái)班）。無(wú)星期天的全天工作制時(shí)，地表鉆為1234.8 （臺(tái)班）；而地下鉆和海拔2300m以上的地表鉆為1440（臺(tái)班）； —推廣前及推廣后的臺(tái)班效率（m/臺(tái)班）； —設(shè)備利用系數(shù)，取作0.6~~0.85。 前式中之為采用液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆時(shí)附加的流動(dòng)資金費(fèi)用。 第二章 液動(dòng)沖擊器 2．1沖擊器的種類(lèi) 沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)的分類(lèi)，一般以采用的潛孔式?jīng)_擊器(或振動(dòng)獲)之結(jié)構(gòu)或性能特點(diǎn)區(qū)分。 就沖擊器的性能而言，近年來(lái)出現(xiàn)了兩種不同的沖擊器，一種是沖擊頻率較高達(dá)到42HZ以上的高頻外擊器，但沖擊功則較小，一般在9．81J左右。利用這樣的沖擊器來(lái)實(shí)現(xiàn)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)，由于破碎巖石主要是回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的方式，而沖擊作用則是次要的，這樣的鉆進(jìn)方式稱(chēng)之為回轉(zhuǎn)—沖擊鉆。其使用的鉆頭主要是金則石鉆頭，其次才是硬質(zhì)合金鉆頭。另外一種是所謂低頻沖擊器，其性質(zhì)特點(diǎn)是沖擊頻率較低，征42HZ以下，而沖擊功則較高(達(dá)29—78J)，利用這樣的沖擊器來(lái)實(shí)現(xiàn)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)，由于破碎巖石主要是依據(jù)沖擊作用，而回轉(zhuǎn)作用僅僅是將鉆頭刃移動(dòng)一個(gè)適當(dāng)?shù)拈g距，這樣的鉆進(jìn)方式則稱(chēng)之為沖擊—回轉(zhuǎn)鉆。使用的鉆頭則主要是硬質(zhì)合金鉆頭。這樣的區(qū)分主要以碎巖的機(jī)理而言，所以現(xiàn)在通常所謂的沖擊回轉(zhuǎn)鉆乃是一種通稱(chēng)。 就沖擊器的結(jié)構(gòu)而言，其分類(lèi)械述如下 一、液動(dòng)沖擊器 此類(lèi)沖擊器是目前最為成功的一種典型產(chǎn)品。其基本作用原理是利用泵供給的液能，直接迫使沖擊錘形成上下往復(fù)的運(yùn)動(dòng)，并連續(xù)不斷的對(duì)鉆頭造成沖擊。利用現(xiàn)有泥漿泵所容許的泵壓(例如4.9—5．8MPa)可以基本滿(mǎn)足600一800m深的地質(zhì)勘探鉆孔，所以這是目前運(yùn)用最為廣泛的一種液動(dòng)沖擊器。按照沖擊錘工作過(guò)程的運(yùn)動(dòng)力學(xué)又可以分為以下三個(gè)類(lèi)型： 1．正作用式液動(dòng)沖擊器 利用泥漿系輸送的高壓液流做為能源，推動(dòng)沖擊錘下行沖擊鐵砧，而沖錘的回程則靠復(fù)位彈簧的作用而實(shí)現(xiàn)。目前國(guó)外最為成功的如蘇聯(lián)Г—76，Г—59以及Г?！?和ГВ—6型沖擊器；美國(guó)的如羅、巴辛蓋爾式等。我國(guó)比較成功的如YZ型ZF型及TK型等。 2．雙作用式液動(dòng)沖擊器 其特點(diǎn)是沖擊錘的工作行程和沖擊錘的回程均由泵供給的液流能量實(shí)現(xiàn)。此種類(lèi)型的液動(dòng)沖擊器在國(guó)外成功的例子很少，而從七十年代開(kāi)始，我國(guó)對(duì)此種沖擊器的研制工作取得了很大的成功。其中又可分為兩種： (1)射流式波動(dòng)沖擊器 它是利用一個(gè)典型的雙穩(wěn)射流元件將液流連續(xù)不斷地分配到活塞的上端或下端，從而迫使沖擊錘實(shí)現(xiàn)沖擊行程和回程。此種沖擊器最為成功的例子是SC—89型和JSC—75型射流式?jīng)_擊器等。 （2）閥式雙作用液動(dòng)沖擊器 我國(guó)從1971年開(kāi)始大量研制，比較好的結(jié)構(gòu)如地質(zhì)礦產(chǎn)部的遼寧—54型、YS系列無(wú)彈簧式以及核工業(yè)部的YE型等。蘇聯(lián)也設(shè)計(jì)了一些試驗(yàn)性的結(jié)構(gòu)。 雙作用式液動(dòng)沖擊器除了上述兩種類(lèi)型外，近年來(lái)還出現(xiàn)了一種氣液混合的雙作用沖擊器，例如日本利根公司的WH—120N型。 3、反作用式液動(dòng)沖擊器 其結(jié)構(gòu)原理恰好與正作用式液動(dòng)沖擊器相反。它是利用泵供給的液流能量推動(dòng)沖擊錘上行，同時(shí)壓縮彈簧而儲(chǔ)存能量；沖擊錘在工作行程開(kāi)始時(shí)是據(jù)沖擊程的重量和彈簧釋放的能量對(duì)鉆頭實(shí)現(xiàn)沖擊。美國(guó)海灣石油公司設(shè)計(jì)的反作用式液動(dòng)沖擊器就是其中之一。 4．繩索取心式波動(dòng)沖擊器 國(guó)內(nèi)和國(guó)外目前在地質(zhì)礦山鉆探中普遍推廣的繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)均為采用金剛石鉆頭的回轉(zhuǎn)鉆。當(dāng)遇到堅(jiān)硬致密的巖石時(shí)有的會(huì)造成金剛石鉆頭的“打滑”現(xiàn)象，鉆進(jìn)效率很低，有時(shí)甚至不能進(jìn)尺。這種現(xiàn)象鉆孔很深時(shí)，其矛盾尤為明顯，從而使繩索取心鉆探的優(yōu)勢(shì)受到很大的限制。近年來(lái)國(guó)內(nèi)和國(guó)外(主要是蘇聯(lián))對(duì)發(fā)展繩索取心鈾探與液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆探相結(jié)合的繩索取心液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆探技術(shù)給予了很大的重視。其核心技術(shù)就是發(fā)展可以從繩索取心鉆桿中能夠和取心器—巖心容納管用鋼絲繩和打撈器升降自如的繩索取心式液動(dòng)沖擊器。我國(guó)正在研制和試驗(yàn)小的繩索取心式液動(dòng)沖擊器有冶金工業(yè)部探礦研究所研制的TK—605型和地質(zhì)礦產(chǎn)部的S75C及S59C型等。其中TK—60S型已于1984年通過(guò)技術(shù)鑒定。蘇聯(lián)地質(zhì)部也于1985年開(kāi)始生產(chǎn)ССГ—76型繩索取心式液動(dòng)沖擊器。 實(shí)踐證明，繩索取心式液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆可比繩索取心鉆提高鉆進(jìn)速度，延長(zhǎng)提鉆周期和提高回次進(jìn)尺長(zhǎng)度。這是一種很有前途很現(xiàn)實(shí)的新技術(shù)。 由于繩索取心式的沖擊器目前主要是液動(dòng)沖擊器。可以是正作用式、各種雙作用式等。 二 鉆桿傳動(dòng)沖擊器。 美國(guó)和蘇聯(lián)都曾對(duì)此種結(jié)構(gòu)的沖擊器進(jìn)行過(guò)研究。狀沖擊錘3在鉆桿回轉(zhuǎn)時(shí)借助于彈簧1支撐在孔壁上而不能回轉(zhuǎn)，當(dāng)鉆桿回轉(zhuǎn)，巖心管上端的齒狀凸緣迫使沖擊錘3上行，而當(dāng)上行到達(dá)凸圓齒的頂端時(shí)沖擊錘3落下而沖擊巖心管， 2為具有花鍵的聯(lián)動(dòng)接頭。鉆桿每轉(zhuǎn)動(dòng)一周則可造成與凸齒齒數(shù)相同的沖擊次數(shù)。在1976一1979年問(wèn)我國(guó)甘肅、四川地礦局均曾對(duì)與此類(lèi)似的結(jié)構(gòu)進(jìn)行過(guò)研究。但至今在國(guó)內(nèi)外還均未得到運(yùn)用，共主要原因是它傳遞的能量很有限，而從支撐在孔壁上的彈簧或其他制動(dòng)裝置不靠。盡管有人曾設(shè)計(jì)了液壓式和具有反向旋轉(zhuǎn)制動(dòng)的水力裝置，但均未能成功的得到運(yùn)用。 三、回轉(zhuǎn)器傳動(dòng)沖擊器 這是一種利用波動(dòng)蝸輪或類(lèi)似原理的液力旋轉(zhuǎn)式機(jī)構(gòu)帶動(dòng)回轉(zhuǎn)軸及錐形齒輪和成組的同步偏心機(jī)構(gòu)造成對(duì)鉆頭連續(xù)沖擊或振動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)。 液動(dòng)蝸輪沖擊器液流經(jīng)蝸輪機(jī)構(gòu)1而迫使錐齒2旋轉(zhuǎn)并帶動(dòng)曲柄3作縱向高速回轉(zhuǎn)。曲柄3將上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)通過(guò)彈簧4、連桿5及沖擊錘7而對(duì)孔底形成連續(xù)不斷的沖擊，鉆頭的回轉(zhuǎn)則仍由地面鉆機(jī)通過(guò)鉆桿傳動(dòng)其外殼和鉆頭而實(shí)現(xiàn)。 美國(guó)的一種利用一種類(lèi)似多級(jí)的蝸輪2，帶動(dòng)一組24對(duì)同步的偏心體而形成對(duì)孔底鉆頭的高速?zèng)_擊，這些偏心體的往復(fù)運(yùn)動(dòng)仍然是利用一對(duì)錐形齒輪3來(lái)實(shí)現(xiàn)，離合器1是一組花鍵連接機(jī)構(gòu)，共目的是允許沖擊器做軸向運(yùn)動(dòng)并且又能傳遞鉆桿的扭矩以便同時(shí)形成鉆頭的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 蘇聯(lián)設(shè)計(jì)的ГВ3型蝸輪沖擊器。外徑260mm．水平軸上的偏心體3，其殼腔之一半充填以鎢之碎塊，碎塊間則以鉛充填，因而形成了一個(gè)比重約為14g／cm的偏心塊，而殼腔的另一半則充滿(mǎn)沖洗液，形成一個(gè)液力減阻器以減少旋轉(zhuǎn)時(shí)的阻力。高速回轉(zhuǎn)的偏心體就是沖擊能的來(lái)源。孔底給進(jìn)器1的目的是使鉆頭具有相當(dāng)?shù)恼穹?，同時(shí)也可以避免鉆桿激烈振動(dòng)。此種結(jié)構(gòu)的沖擊器曾進(jìn)行過(guò)鉆孔試驗(yàn)，但缺點(diǎn)甚大而末成功。 所有的液力回轉(zhuǎn)器傳動(dòng)的沖擊器，其主要缺點(diǎn)是各種型式蝸輪機(jī)的傳遞功率不足，而且效率低，若設(shè)計(jì)成多級(jí)高速的蝸輪機(jī)構(gòu)則又過(guò)于復(fù)雜，而且又不可能承受長(zhǎng)時(shí)間的劇烈振動(dòng)。有效而成功的結(jié)構(gòu)尚待進(jìn)一步研究。 四、電動(dòng)沖擊器 電動(dòng)沖擊器可以利用直徑較小而軸向尺寸較大的潛孔式電動(dòng)機(jī)取代前述回轉(zhuǎn)器傳動(dòng)沖擊器中的蝸輪機(jī)構(gòu)而實(shí)現(xiàn)。我國(guó)地質(zhì)礦產(chǎn)部勘探技術(shù)研究所曾于六十年代初進(jìn)行過(guò)研究，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，無(wú)論是設(shè)計(jì)制造和使用都有困難。在英國(guó)和蘇聯(lián)曾設(shè)計(jì)研究過(guò)利用磁致伸縮原理的高頻振動(dòng)鉆，但有效能量很小，鉆進(jìn)巖石十分困難。國(guó)外有人也曾研究過(guò)電磁沖擊器。至今為止，電動(dòng)沖擊器在深孔中的應(yīng)用由于輸電系統(tǒng)，沖擊器的結(jié)構(gòu)都比較復(fù)雜而沒(méi)有大的進(jìn)展。 五、風(fēng)動(dòng)沖擊器(潛孔錘) 風(fēng)動(dòng)沖擊器是就是利用壓縮空氣驅(qū)動(dòng)沖擊錘完成工作行程和實(shí)現(xiàn)沖擊錘的回程，因此也一種雙作用式的沖擊器。風(fēng)動(dòng)沖擊器亦稱(chēng)潛孔錘。由于工作介質(zhì)為空氣，而空氣的阻力是液體的1／830—1／900，故在相同的沖錘重量，有效工作面積和沖程條件下其沖擊功和沖擊頻率均比液動(dòng)沖擊器為大。在鉆進(jìn)時(shí)壓縮空氣也就是沖孔介質(zhì)，故其鉆進(jìn)工藝和特點(diǎn)基本上與空氣吹井鉆進(jìn)相同。在淺孔、破碎漏失地層和缺水地區(qū)、永凍層等條件下鉆進(jìn)時(shí)，其優(yōu)點(diǎn)尤為突出。 我國(guó)研制風(fēng)動(dòng)潛孔錘及其配套鉆機(jī)是從1958年開(kāi)始，1964年進(jìn)行了YQ—150A型鉆機(jī)的生產(chǎn)性試驗(yàn)，而從1965年開(kāi)始推廣，約有二十多年的歷史，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。 可見(jiàn)采用風(fēng)動(dòng)沖擊器實(shí)行沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，其鉆進(jìn)效率很高，一般為沖擊鉆的3—5倍，約為液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆的1．5—3倍。 風(fēng)動(dòng)沖擊器結(jié)構(gòu)類(lèi)似鑿巖機(jī)，但無(wú)轉(zhuǎn)殲機(jī)構(gòu)，碎巖工具的旋轉(zhuǎn)和液動(dòng)沖擊器一樣均由地面鉆機(jī)或轉(zhuǎn)盤(pán)實(shí)現(xiàn)。 風(fēng)動(dòng)沖擊器的基本原理：室(配氣機(jī)構(gòu))控制壓氣使之輪流進(jìn)入氣缸的上空或下空，以便推動(dòng)活塞——沖擊錘，對(duì)砧(鉆頭)進(jìn)行沖擊或推動(dòng)沖出錘上行完成回程動(dòng)作。閥室由陰蓋1、閥片2和閥座3組成。當(dāng)沖擊器不工作時(shí)閥片2由于自重置于閥座3上，活塞6則停留在鉆頭(砧)7上。工作時(shí)壓氣經(jīng)閥蓋1的進(jìn)氣孔①進(jìn)入閥室，經(jīng)進(jìn)氣孔②進(jìn)入氣缸壁上的進(jìn)氣道⑦及下室④。此時(shí)活塞被舉起，當(dāng)活塞上行接近上死點(diǎn)時(shí)閥片2由于下端壓力升高而改變位置并關(guān)閉閥蓋的進(jìn)氣孔⑦，同時(shí)開(kāi)啟閥座上的進(jìn)氣孔⑧，此時(shí)壓氣進(jìn)入上空推動(dòng)活塞向下沖擊鉆頭。在活塞到達(dá)沖擊點(diǎn)后閥片又換向，壓氣重新進(jìn)入下室并開(kāi)始第二個(gè)工作循環(huán)。工作沖程時(shí)下空氣體經(jīng)排氣口②和氣缸壁上的排氣道⑥排出；回程時(shí)，上空氣體經(jīng)徘氣口⑦及⑧排出，所有排出的廢氣均經(jīng)過(guò)鉆頭到達(dá)孔底實(shí)現(xiàn)沖凈鉆孔的作用。 所有風(fēng)動(dòng)沖擊器均沒(méi)有防止空打和潤(rùn)滑的裝置。 我國(guó)采礦工業(yè)常用的風(fēng)動(dòng)沖擊器目前多為C—150、J—200及w—200等，其詳細(xì)結(jié)構(gòu)圖可從有關(guān)文獻(xiàn)中查到。前兩種均為有閥式，風(fēng)壓較低。而w1200型則為無(wú)閥式，據(jù)文獻(xiàn)載，與有閥式?jīng)_擊器相比，耗氣量可節(jié)省30％左右。 近年我國(guó)又研制成功一種CC80型風(fēng)動(dòng)沖擊器，經(jīng)過(guò)鑒定認(rèn)為其性能達(dá)到了國(guó)內(nèi)同類(lèi)產(chǎn)品的先進(jìn)水平。其最大的特點(diǎn)是直徑小，沖擊功較大，完全有可能在地質(zhì)鉆探中采用，同時(shí)所需氣壓僅0.49MPa，比較適應(yīng)于現(xiàn)有壓風(fēng)機(jī)的技術(shù)條件。 CC60型沖擊器的主要性能參數(shù)為： 鉆孔直徑，mm 80 全 長(zhǎng)，mm 625 氣缸直徑，mm 50 活塞行程，mm 120 沖擊功 ，J 68.7 沖擊頻率，HZ 17.5~21 耗氣量： 5~6 整體質(zhì)量，kg 11 除以上特點(diǎn)外，CC80型風(fēng)動(dòng)沖擊器之缸體組合件采用不銹鋼焊條焊接，活閥用65Mn鋼制成，淬火硬度HRC30一35。球齒鉆頭的硬質(zhì)合金牌號(hào)為YGllC，尺寸為412xI 8mm，采用磨齒．鉆孔、冷壓固齒工藝，當(dāng)鉆頭直徑為120mm時(shí)采用15顆硬質(zhì)合金，球齒和孔逐個(gè)測(cè)量分級(jí)選配，其過(guò)盈顯為0.12一0.18mm，鉆頭壽命在f=12?22之砂巖、堅(jiān)硬礫巖中達(dá)150m。 CC80型風(fēng)動(dòng)沖擊器經(jīng)在冶金、建材、水電、鐵路和國(guó)防工程的井下和露天施工中使用認(rèn)為是一種高效率和低耗能、壽命較長(zhǎng)的潛孔鉆具，其性能達(dá)到了國(guó)內(nèi)同類(lèi)產(chǎn)品的先進(jìn)水平。這種小型的風(fēng)動(dòng)沖擊器值得在地質(zhì)勘探鉆孔中推廣使用。 美、法等因在采礦、水井鉆鑿、建筑業(yè)、管道近孔的施工中廣泛使用浴孔錘鉆進(jìn)。其主要原因就是生產(chǎn)效率高。在鉆進(jìn)堅(jiān)硬巖石和大直徑鉆孔中可以使用硬質(zhì)合金鉆頭（包括各種形式的球齒）代替昂貴的金剛石鉆頭以節(jié)約資金。美國(guó)英格索蘭公司出產(chǎn)的I—R系列潛孔錘其外徑由93mm至689mm，可以鉆進(jìn)直徑I 02—762mm的鉆孔。DHD—360型無(wú)閥潛孔錘。專(zhuān)門(mén)為阿拉期加輸油管鉆鑿工程而研制的無(wú)閥DHD—124型超級(jí)潛孔錘，可用于的嚴(yán)寒條件，在石灰?guī)r以至致密的冰凍礫石層中，當(dāng)風(fēng)量為56．6m/min,壓為0．86MPa時(shí)，鉆進(jìn)速度為6—18m／h，而且鉆孔甚為筆直，采用的鉆頭均為凹面球齒破質(zhì)合金鉆頭。米森(Mission)公司出產(chǎn)的A30—15型潛孔錘其外徑76．2mm，鉆頭外徑92—101．6mm。法國(guó)A，S、S系列的潛孔錘，其中65A,S,S型之外徑僅59mm,長(zhǎng)700mm，重l 2kg，鉆頭外徑65mm，這是一種尺寸較小的產(chǎn)品。 預(yù)計(jì)風(fēng)動(dòng)沖擊器用于地質(zhì)礦山鉆探的前景是樂(lè)觀的。在鉆探工藝方面需要解決的主要問(wèn)題與空氣吹并存在的問(wèn)題極為相近，其次是設(shè)計(jì)研究適合于礦山鉆探用風(fēng)壓較高的空氣壓縮機(jī)。目前由于壓風(fēng)機(jī)能力的限制，孔深均在50m左右，若能利用功率和氣壓較高的壓風(fēng)機(jī)或設(shè)計(jì)研制特殊的鉆進(jìn)工藝，則鉆孔深度可以增加，國(guó)外有達(dá)孔深為3，000m的報(bào)導(dǎo)。顯然這些問(wèn)題的解決，就是能否廣泛應(yīng)用于地質(zhì)勘探鉆孔的關(guān)鍵。 綜上所述，在目前我國(guó)的條件下，最有可能發(fā)展的是液動(dòng)沖擊器，尤其是液動(dòng)沖擊器中，正作用和雙作用式波動(dòng)沖擊器在地質(zhì)巖心鉆探中的航員是極為寬廣的。其次是風(fēng)動(dòng)沖擊器在水文水井和工程鉆探中的采用必將日愈廣泛。 2．2 反作用式液動(dòng)沖擊器 2．2．1 反作用式液動(dòng)沖擊器的結(jié)構(gòu)原理 反作用式液動(dòng)沖擊器的結(jié)構(gòu)原理是利用高壓液流的壓力增高推動(dòng)活塞沖錘上升，活塞沖銹上升的同時(shí)壓縮工作彈簧儲(chǔ)存能量。當(dāng)分配液流機(jī)構(gòu)(閥門(mén))打開(kāi)，高壓液流暢通，而工作室中的液流壓力降低時(shí)，工作彈簧便釋放儲(chǔ)存的能量，驅(qū)動(dòng)活塞沖錘急速向下運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生沖擊(圖3—49)。 2．2．2 反作用式液動(dòng)沖擊器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 從結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行分析，反作用式液動(dòng)沖擊器具有下列特點(diǎn)： 1．對(duì)沖洗能的適應(yīng)能力較強(qiáng)； 2．比較允分地利用活塞沖錘本身重量和彈簧的張力。由于彈簧釋放出來(lái)的能量與活塞沖錘本身重量同時(shí)向下作用，故可獲得較大的單次沖擊功，適宜鉆進(jìn)大口徑(如工程鉆孔，地質(zhì)水文鉆孔以及水井等)鉆孔； 3．沖擊器所需泵壓較低。 2．3 閥式反作用液動(dòng)沖擊器性能分析及參數(shù)計(jì)算 2．3．1 功率特性及活塞沖錘運(yùn)動(dòng)特性分析 閥式反作用液動(dòng)沖擊器是指依靠高壓液體推動(dòng)沖錘上行壓縮工作彈簧儲(chǔ)存能量，而以工作彈簧釋放出的能量驅(qū)動(dòng)沖錘下行進(jìn)行沖擊的沖擊器，其功率特性及活塞沖錘運(yùn)動(dòng)特性分析如下： 鉆具處于懸掛狀態(tài)時(shí)，鉆頭與井底無(wú)接觸，鐵砧在其自身和鉆頭重量作用下，處于最低位置（如圖1a所示）。沖錘在沖錘彈簧作用下與鐵砧相接觸，活閥在活閥彈簧作用下坐落在沖錘的上端面處，此時(shí)，泥漿經(jīng)活閥上的通水孔，沖錘和鐵砧的內(nèi)孔流向井底。 當(dāng)鉆頭接觸井底使鐵砧上行一段距離頂?shù)酵鈿ど蠒r(shí)（如圖1b所示），沖錘，活閥也隨同上行，并且活閥的通水孔進(jìn)入閥箱，使泥漿流道突然關(guān)閉。由于液流速度突然降為零，則產(chǎn)生水擊壓強(qiáng)。又由于沖錘連桿上端面與活閥下端背面的壓力差作用，使沖錘與活閥一同迅速上行壓縮沖錘彈簧和活閥彈簧。當(dāng)沖錘上行一段距離后，由于受到被壓縮的沖錘彈簧的阻止，其速度下降，并由沖擊器外殼上的凸肩限制住其上行。此時(shí)，活閥由于慣性而繼續(xù)上行，與沖錘分開(kāi)，液流通道打開(kāi)（如圖1c所示）。在被壓縮的沖錘彈簧作用下，沖錘停止運(yùn)行后，又迅速下行沖擊鐵砧。同時(shí)，活閥到達(dá)上死點(diǎn)后，又在活閥彈簧作用下迅速下行。在沖錘與鐵砧產(chǎn)生沖擊時(shí)，活閥與沖錘相接觸，關(guān)閉液流通道，并一同又復(fù)上行，循環(huán)往復(fù)，便形成了連續(xù)沖擊。 2．3．2 參數(shù)計(jì)算 為研究方便，作如下假設(shè)： 1．活閥，沖錘和與之配合的缸套間的摩擦等于零。 2．活閥和沖錘所受液體的粘滯阻力等于零。 3．液體靜壓力對(duì)活閥和沖錘的影響包含在浮力系數(shù)k中:。 K=1- (2-1) 式中:k—浮力系數(shù); ___泥漿密度, ___活閥或沖錘的材料密度, 4．彈簧力隨位移線性變化。計(jì)算某一過(guò)程的彈簧力時(shí)，取其平均值。 5．上沖程時(shí)，坐標(biāo)取向上為正，下沖程時(shí)，坐標(biāo)取向下為正。 （1）上沖程 沖錘與活閥一同上行 由于受到水擊壓強(qiáng)的作用，沖錘與活閥一同上行，上行的初速度為零。以沖錘和活閥為研究對(duì)象，根據(jù)能量守恒定律和動(dòng)量定理分別可得： (2-2) (2-3) 其中： （2-4） （2-5） 式（2）~（5）中： S—沖錘行程，m; —活閥彈簧預(yù)壓縮量，m; —沖錘彈簧預(yù)壓縮量，m; —活閥彈簧的剛度，N/m; —沖錘彈簧的剛度，N/m; —活閥質(zhì)量，kg,; —沖錘質(zhì)量，kg; —沖錘與活閥一同上行S距離所需要的時(shí)間，s； —沖錘與外殼凸肩接觸前的瞬時(shí)速度，m/s； —沖錘與活閥的集合尺寸（如圖2所示），m； —泥漿泵出口壓力，Pa； —地面管匯和鉆柱內(nèi)損耗壓力，Pa； —水擊壓強(qiáng)（，Pa； C—水擊壓強(qiáng)波的傳播速度，m/s； —鉆柱內(nèi)泥漿流速，m/s。 由式（2）（3）解得： （2-6） 第二章 液動(dòng)沖擊器 （2-7） 〈2〉沖錘撞擊外殼凸肩 沖錘上行壓縮沖錘彈簧，由于沖錘彈簧剛度較大，沖錘速度逐漸降低，并且在撞擊外殼凸肩前，其速度較小。所以，這一碰撞過(guò)程可略去。 （2）下沖程 〈1〉沖錘下行 沖錘在其自重和沖錘彈簧等作用下迅速下行，獲得較大的動(dòng)能，為沖擊鐵砧做好準(zhǔn)備，其下行速度為零，以沖錘為研究對(duì)象，根據(jù)能量守恒定律和動(dòng)量定理分別可得： （2-8） （2-9） 其中： （2-10） 式（8）~（10）中： -------------沖錘下行S距離所需時(shí)間，S； ------------沖錘與鐵砧撞擊前瞬時(shí)速度，m/s； ----------- 沖錘幾何尺寸（如圖2所示），m； 由式（8）和（9）解得： （2-11） （2-12） 〈2〉沖錘沖擊鐵 沖錘下行沖擊鐵砧，鐵砧將沖擊力傳給鉆頭。沖擊時(shí)間與沖擊前沖錘瞬時(shí)速度關(guān)系為： （13） 式中：-------沖擊時(shí)間，S。 沖擊后，沖錘速度為零。根據(jù)定量定理可得： （2-14） 式中：----------沖錘與鐵砧的沖擊力，N。 由式（14）解得： （2-15） 綜上可得沖擊頻率為 （2-16） 式中：f—沖擊頻率， 4． 計(jì)算舉例及討論 某閥式反作用液動(dòng)沖擊器其外徑178mm，長(zhǎng)1.8m?；铋y彈簧剛度為4000N/m，沖錘彈簧和活閥彈簧的預(yù)壓縮量均為30mm。沖錘，活閥幾何尺寸，d1=76mm,d2=80mm,d3=35mm,d4=10mm.沖錘行程為15mm，泥漿密度為1200kg/m3。Pb—pH取為6Mpa。 又式（11），式（15）可知，沖擊力與錘重，沖錘彈簧剛度成正比，可以看出，當(dāng)流量，錘重變化時(shí)，沖擊力無(wú)變化，而沖錘彈簧剛度越大，沖擊力越大，這是因?yàn)殄N重的變化對(duì)沖擊力影響很小。所以閥式反作用液動(dòng)沖擊器的沖擊力又沖錘彈簧剛度決定。 還可以看出，當(dāng)流量，沖錘彈簧剛度與錘重變化時(shí)，對(duì)沖擊頻率均有影響，并且沖擊頻率與錘重，沖錘彈簧剛度成反比，與流量成正比。 在實(shí)際操作時(shí)，若遇到中到中硬以上巖層，應(yīng)以沖擊碎巖為主，旋轉(zhuǎn)切削為輔。同時(shí)應(yīng)提高沖擊頻率和沖擊力，增加流量和采用較大沖錘彈簧剛度。若遇軟地層，應(yīng)以旋轉(zhuǎn)切削為主，沖擊碎巖為輔。此時(shí)，應(yīng)增加鉆壓，降低沖擊力和沖擊頻率。采用剛度較小的沖錘彈簧可減小沖擊力，但卻增加了沖擊頻率，所以同時(shí)應(yīng)減少流量，增加錘重?？梢钥闯?，采用較小的沖錘彈簧剛度，流量和較大的錘重時(shí)，沖擊頻率仍然較高。所以，不可能同時(shí)降低沖擊力和沖擊頻率。若軟硬地層交替出現(xiàn)，沖擊力的改變只能通過(guò)頻繁起下鉆更換不同剛度的彈簧來(lái)實(shí)現(xiàn)，顯然這是不合理的。 綜上可知，在中到中硬以上地層中，閥式反作用液動(dòng)沖擊器工作效果較好，其優(yōu)越性能夠得到發(fā)揮。 2．4 本章小結(jié) 1．為增加鉆速，提高效率，閥式反作用液動(dòng)沖擊器應(yīng)在中到中硬以上地層中使用。 2．使用閥式反作用液動(dòng)沖擊器時(shí)，應(yīng)盡量采用較大的流量和較大剛度的沖錘彈簧。 第三章 ГВМС—5型液動(dòng)錘 3．1 ГВМС—5型液動(dòng)錘工作原理及特點(diǎn) ГВМС—5型沖擊器近似于美國(guó)海灣石油公司的沖擊器，其結(jié)構(gòu)如圖5—5所示。沖擊器的上接頭1其上與鉆桿相接，其下有活閥活塞4。連桿3是活閥下行行程的限制器?；铋y活塞在缸套5中運(yùn)動(dòng)。在缸套與外殼6之間形成環(huán)狀通水道，允許沖洗液通過(guò)。同活閥活塞相互作用的是沖擊部分，它由閥座7同錘桿12及沖錘13組成。彈簧系統(tǒng)9使沖擊部分向下運(yùn)行，完成工作沖程。襯套ll是沖擊部分上行程限制座，鐵砧14與巖心管16連接，巖心管下有鉆頭17。閥座7在襯套8的導(dǎo)向中運(yùn)動(dòng)，此襯套將高壓區(qū)同經(jīng)鐵砧內(nèi)通道與管外空間聯(lián)通的低壓區(qū)隔離。經(jīng)閥座7的內(nèi)通孔使閥座之上內(nèi)腔同低壓區(qū)聯(lián)通。 當(dāng)鉆頭到達(dá)孔底后，鐵砧上移一定值， 頂?shù)较拗谱?。這樣，彈簧9上升，并得到附加預(yù)壓力。 當(dāng)沖洗液壓人時(shí)，沖錘和活閥活塞整個(gè)系統(tǒng)在液壓作用下向上運(yùn)動(dòng)，壓縮彈簧9及2。向上運(yùn)動(dòng)直到?jīng)_擊部分頂?shù)揭r套11的限制座上為止，這時(shí)在慣性力作用下活閥活塞脫離閥座。沖洗液流入活閥與閥座間形成的縫隙狀的間隙，因而液壓下降，上升力停止作用。彈簧因被壓縮而積累起來(lái)的能量使沖錘下行，直到?jīng)_擊鐵砧?；铋y活塞在壓縮彈簧2的作用下，也同時(shí)下行，直到與沖錘上的閥座觸及為止。沖洗液流驟停，形成水錘效應(yīng)，因此沖錘及活閥活塞急劇上行，壓縮彈簧9及2。沖錘又被襯套的限制座限住，而活閥活塞又以慣性繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)并脫離閥座。循環(huán)又重復(fù)。 該沖擊器的特點(diǎn)是利用慣性力使活閥脫離閥座。 反作用沖擊器的主要缺點(diǎn)是須用動(dòng)力彈簧，其載荷較重，其剛度比正作用沖擊器所用的彈簧大得多。同時(shí)這些彈簧還經(jīng)受著沖洗液的磨損和化學(xué)腐蝕。所以這種彈簧必須嚴(yán)格設(shè)計(jì)和計(jì)算，還必須特殊制造工藝。即使這樣，彈簧的工作壽命也只有40一100小時(shí)。 3．2 沖錘彈簧設(shè)計(jì)和計(jì)算 反作用沖擊器的主要缺點(diǎn)是須用動(dòng)力彈簧，其載荷較重，其剛度比正作用沖擊器所用的彈簧大得多。同時(shí)這些彈簧還經(jīng)受著沖洗液的磨損和化學(xué)腐蝕。所以這種彈簧必須嚴(yán)格設(shè)計(jì)和計(jì)算，還必須特殊制造工藝。即使這樣，彈簧的工作壽命也只有40一100小時(shí)。 3.2.1原始條件的確定 1． 彈簧類(lèi)別：液動(dòng)錘的沖擊頻率f=22~25HZ，彈簧的壽命是40—100小時(shí)，所以，在其壽命期間內(nèi)，彈簧的作用次數(shù)區(qū)間是：，即次，其大于次，所以該選用I類(lèi)彈簧。 2． 材料選擇：選擇錫青銅線（GB3124），因?yàn)榇瞬牧嫌休^高的耐磨性，耐腐蝕性，而且具較好的性?xún)r(jià)比，所以選擇次材料。 3． 工作載荷：（1）最小工作載荷： （2）最大工作載荷： 4． 工作行程h：h=124mm 5． 彈簧中徑D：D=88mm 6． 端部結(jié)構(gòu)：端部并緊，磨平，支承圈為1圈 第三章ГВМС-5液動(dòng)錘 3．2．2．參數(shù)計(jì)算： 1．初算彈簧剛度： 2．工作極限載荷：因?yàn)槭荌類(lèi)載荷： 3．彈簧材料直徑d及彈簧中徑D與有關(guān)參數(shù)： 根據(jù)與D條件，從表11-2-19得： d D 16 90 10405 11.87 877 4.有效圈數(shù)n： 按照表11-2-10取標(biāo)準(zhǔn)值n=12.5 5．總?cè)?shù)：=n+2=12.5+2=14.5 6．彈簧剛度： 7．工作極限載荷下的變形量： 8．節(jié)距t： 9．自由高度：，取標(biāo)準(zhǔn)值380mm 10．彈簧外徑： 11．彈簧內(nèi)徑： 12．螺旋角： 13．展開(kāi)長(zhǎng)度L： 3.2.3驗(yàn)算 1．最小載荷時(shí)的高度： 2．最大載荷時(shí)的高度： 3．極限載荷時(shí)的高度： 4．實(shí)際工作行程h： 5．工作區(qū)范圍： 6．高徑比b：<5.3 b<5.3,不必穩(wěn)定性驗(yàn)算。 第四章 液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的發(fā)展展望 4．1 液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的發(fā)展方向 液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)在地質(zhì)勘探鉆進(jìn)今發(fā)展很快。從當(dāng)前國(guó)內(nèi)外情況來(lái) 看，今后應(yīng)從下列幾個(gè)方面進(jìn)行研究和完善。 1．向小口徑發(fā)展 適應(yīng)地質(zhì)巖心鉆探推廣小口徑的趨勢(shì)，沖擊器也應(yīng)向小口徑方面發(fā)展。實(shí)踐平明，小口徑?jīng)_擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)具有較高的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。如前所述，用Г—7型沖擊器配用ГЙЙ74МЬ鉆頭鉆進(jìn)76毫米的鉆孔，比普通金剛石鉆進(jìn)和硬合金鉆進(jìn)，機(jī)械鉆速增長(zhǎng)80一100％，回 次長(zhǎng)度增加30一50％，效率提高30一60％。 2．?dāng)U大沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)深度 液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的深度受送水管路能量損失及沖擊器沖擊功的大小所限。目前沖擊回轉(zhuǎn)已鉆深800一900米，增大送水泵的能力、增大沖擊器的沖擊功可進(jìn)一步擴(kuò)大其鉆進(jìn)的深度。當(dāng)然，細(xì)小孔徑也可減小對(duì)水泵和沖擊器能力的要求，相對(duì)地?cái)U(kuò)大了鉆進(jìn)孔深。例如蘇聯(lián)用КГСГ-76和КГСГ9—59型小口徑?jīng)_擊器在金屬礦鉆進(jìn)孔深已達(dá)800一1200米。如進(jìn)一步增加沖擊功則可鉆到1500米或更深。 3．與分層鉆進(jìn)配套 根據(jù)不同巖層選擇硬合金或者金剛石沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)。在生產(chǎn)實(shí)際中，巖層變化多端，不宜固定使用一種鉆進(jìn)方法。所以應(yīng)有不同的鉆頭和不同的沖擊器，并分層定出合理的鉆進(jìn)工藝。 4．使沖擊器能用于泥漿鉆進(jìn) 現(xiàn)在大多數(shù)沖擊器只適用于清水鉆進(jìn)，這就大大限制了沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的推廣和使用。在這個(gè)問(wèn)題上，應(yīng)該一方面研制可用于泥漿的沖擊器，另一方面，應(yīng)積極改變泥漿性質(zhì)，使用低同相或無(wú)固相泥漿，同時(shí)還應(yīng)研究整套泥漿的凈化設(shè)備。 5．提商采心率 在一些較為復(fù)雜的地層，為了提高沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的采心率，可設(shè)計(jì)特殊的雙層巖心管和噴反裝置。例如，在蘇聯(lián)已采用CCK型的和KCCK型繩索取心鉆縣與ГС—50型液動(dòng)沖擊器配用，取得了較好效果。 6．?dāng)U大沖擊回轉(zhuǎn)的使用范圍 沖擊回轉(zhuǎn)鉆不僅在地質(zhì)部門(mén)可以應(yīng)用，還可有效地應(yīng)用于煤田、冶金，采礦，水電等部門(mén)，不僅可用于地質(zhì)勘探孔，而且更便于鉆進(jìn)工程施工鉆孔。 在當(dāng)隊(duì)沖擊因轉(zhuǎn)鉆進(jìn)中還必須注意研究解決下列問(wèn)題： 1．研制新型的適合不同需要的沖擊器。如結(jié)構(gòu)不同，直徑不同，頻率不同的沖擊器等。 2．研制高效能、多品種的沖擊回轉(zhuǎn)用的鉆頭。沒(méi)有優(yōu)良的鉆頭，不可能推廣和發(fā)展沖 擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方法。應(yīng)適應(yīng)不同要求研制硬合金鉆頭、金剛石鉆頭及牙輪鉆頭。 3研究沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的井底碎巖機(jī)理和制訂完善的鉆進(jìn)工藝4．研制專(zhuān)用水泵。水泵是液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)的動(dòng)力源?，F(xiàn)用水泵原為洗井面設(shè)計(jì)，因此滿(mǎn)足不了沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的需要，勉強(qiáng)使用既限制了沖擊器的能力，又加劇了水泵的磨損。應(yīng)該研制沖擊回轉(zhuǎn)的專(zhuān)用水泵。蘇聯(lián)研制的НВ320／100(排量為320升／分，最大泵壓為100公斤／厘米2)型水泵就是供沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)使用的。 有關(guān)風(fēng)動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，當(dāng)前還多用于礦山開(kāi)采及水井鉆進(jìn)，服從于空氣洗井鉆進(jìn)的某些規(guī)律。從當(dāng)前的情況看，應(yīng)在風(fēng)動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)中，研究推廣空氣泡沫劑，以解決粉塵飛揚(yáng)和井內(nèi)含水曾排粉等問(wèn)題。實(shí)踐證明，風(fēng)動(dòng)沖擊器的鉆進(jìn)效率與風(fēng)壓成正比增長(zhǎng)，因此，研制高壓大風(fēng)量助空壓機(jī)是當(dāng)務(wù)之急。當(dāng)然還須進(jìn)一步研制適合于地質(zhì)勘探鉆進(jìn)用的沖擊器和鉆頭，以及合理的鉆進(jìn)工藝規(guī)范，不斷擴(kuò)大風(fēng)動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)在地質(zhì)巖心鉆探中的應(yīng)用。 4．2 基礎(chǔ)理論方面的重大課題 1．予壓應(yīng)力條件下同時(shí)施加沖擊和迥轉(zhuǎn)載荷時(shí)巖石破碎規(guī)律的深入研究。其主要任務(wù)是：揭露具有上述特點(diǎn)的碎巖能耗和碎巖效果之間的聯(lián)系；研究預(yù)壓應(yīng)力、沖擊動(dòng)載和轉(zhuǎn)這三種載荷的合理數(shù)值以及它們之間與巖石物理機(jī)械性質(zhì)的關(guān)系，尋求合理的定量數(shù)值以指導(dǎo)研制性能優(yōu)越而又經(jīng)濟(jì)合理的液動(dòng)沖擊器；制定經(jīng)濟(jì)合四的鉆進(jìn)參數(shù)；制定我國(guó)液動(dòng)沖擊鉆巖分級(jí)表為擬定生產(chǎn)定額的基礎(chǔ)。 應(yīng)變波理論在沖擊—回轉(zhuǎn)碎巖理論研究方面應(yīng)當(dāng)是一個(gè)重要的內(nèi)容和途徑。目前在這方面的研究可概括為以下內(nèi)容：予壓應(yīng)力條件下沖擊—回轉(zhuǎn)碎巖的基本方程(對(duì)金剛石鉆頭和硬質(zhì)合金鉆頭等)和能量的傳插；沖擊錘沖擊環(huán)狀斷面巖心管和不同形狀無(wú)巖心鉆頭時(shí)的應(yīng)力波形；應(yīng)力波沿巖心管的傳播和能量損耗的機(jī)制。 2．各種類(lèi)型液動(dòng)沖擊器力學(xué)特性的深入研究。主要任務(wù)是設(shè)計(jì)和改進(jìn)液動(dòng)沖擊器結(jié)構(gòu)參數(shù)，使其達(dá)到既有優(yōu)良的技術(shù)指標(biāo)又具有合理的經(jīng)濟(jì)目的。液動(dòng)沖占器的優(yōu)化研究應(yīng)當(dāng)滿(mǎn)足上述主要任務(wù)。各種類(lèi)型液動(dòng)沖擊器中水錘現(xiàn)象的研究和充分利用顯然是液動(dòng)沖擊器力學(xué)特性的研究?jī)?nèi)容之—。 4．3 應(yīng)用研究 其主要任務(wù)是；巖心鉆探、水文水井鉆探、工程鉆探、石油天然氣鉆探液動(dòng)沖擊器的系列化(用清水、低固相、無(wú)固相和泥漿的沖擊器)。包括各種繩索取心式、處理孔內(nèi)卡鉆事故用的各種液動(dòng)沖擊器以及適用于反循環(huán)連續(xù)取心的液動(dòng)沖擊器等。美國(guó)喬伊公司研制的全液壓無(wú)閥HJ—Z型液壓鑿片機(jī)，共沖擊頻率達(dá)200小次沖擊HZ單次功78.5—118J。潛孔式液動(dòng)沖擊器要達(dá)指標(biāo)叢到類(lèi)似顯然比較困難，也不一定是合理的，但解決相應(yīng)的配套設(shè)施，例如高能量的泥漿泵和耐高壓的軟管和鉆桿系統(tǒng)必將有助于問(wèn)題的解決。 深入研制取心工具、打撈工且，適宜于現(xiàn)場(chǎng)使用的有關(guān)儀表，特別是排量表、泵壓表、頻率計(jì)等等。 鉆頭的研究也是一個(gè)十分重要的方而。我國(guó)發(fā)展液動(dòng)沖擊鉆金剛石鉆頭應(yīng)當(dāng)以人孕鑲和聚品類(lèi)為主。關(guān)丁硬質(zhì)合金鉆頭主要的方向是提高硬質(zhì)合金的性能、鉆頭結(jié)構(gòu)和制造工藝，目的是提高鉆頭壽命。關(guān)于硬質(zhì)合金的物理機(jī)械性能，我國(guó)株洲硬質(zhì)合金廠近年來(lái)研制成功并通過(guò)了堅(jiān)定的下列幾種新產(chǎn)品問(wèn)世是十分可喜的，這些新產(chǎn)品的主要性能見(jiàn)表9一1所示。 這些新型高硬度、高抗彎強(qiáng)度的硬質(zhì)合金的出現(xiàn)是令人鼓舞的、若能運(yùn)用于液動(dòng)沖擊，則必將對(duì)提高液動(dòng)沖擊鉆的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)生更加良好的效果。 最后應(yīng)當(dāng)組織液動(dòng)沖擊鉆和相關(guān)鉆進(jìn)技術(shù)組合的研究。 第五章 液動(dòng)錘的仿真分析 程序清單： MAIN: MOV DPTR,#7F04H; MOV A,#10H MOVX A,# 10H INC DPTR MOV A,#40H MOVX DPTR,#7F00H MOV A,#0D6H MOVX @DPTR,A; MOV SP,#60H MOV 20H,