王藝星，孫巧雷，王甜甜，梅翔洲，顧浩文，張義

（長江大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)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(chǔ)零部件、關(guān)鍵基礎(chǔ)材料實(shí)現(xiàn)自主保障，80 種標(biāo)志性先進(jìn)工藝得到推廣應(yīng)用，部分達(dá)到國際領(lǐng)先水平，建成較為完善的產(chǎn)業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)服務(wù)體系，逐步形成整機(jī)牽引和基礎(chǔ)支撐協(xié)調(diào)互動(dòng)的產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展格局[1-2]。而隨著我國的科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，氣動(dòng)潛孔沖擊器的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬，對(duì)其的需求量越來越大。氣動(dòng)沖擊鉆進(jìn)技術(shù)相比較傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)有著很大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，對(duì)于復(fù)雜硬巖地層更有著較強(qiáng)的適應(yīng)性，并能降低工程成本。

在鑿巖鉆井工程中，沖擊鉆井技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，取得了技術(shù)層面上的改進(jìn)和成果，例如SB RAS 礦業(yè)學(xué)院設(shè)計(jì)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(jìn)過程中粉塵堵塞等問題，沖擊器在活塞的材料選型、結(jié)構(gòu)優(yōu)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(duì)潛孔沖擊器已有的國內(nèi)外研究，調(diào)研了其發(fā)展現(xiàn)狀，總結(jié)了其存在的問題和不足，指出了其發(fā)展趨勢(shì)，為潛孔沖擊器的后續(xù)發(fā)展提供一定基礎(chǔ)。

1 國外研究現(xiàn)狀

為了保證鉆井作業(yè)的安全，提高工作效率，降低成本，國內(nèi)外研制了不同種類的氣動(dòng)沖擊器，解決了沖擊器在鉆井過程中的不同問題，下述對(duì)相關(guān)具體研究進(jìn)行總結(jié)。

TEZCAN[6]等針對(duì)氣動(dòng)鑿巖活塞失效進(jìn)行了詳細(xì)的研究，通過對(duì)活塞表面硬化鋼的硬度分析、利用光譜學(xué)化學(xué)分析方法，以及對(duì)金相試樣進(jìn)行試驗(yàn)以檢驗(yàn)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。研究結(jié)果提出，活塞的化學(xué)材料應(yīng)按照標(biāo)準(zhǔn)來選擇，滲透熱處理應(yīng)在相同的時(shí)間、滲碳層深度等條件下進(jìn)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(yīng)力集中導(dǎo)致活塞斷裂從螺紋區(qū)域開始的可能性。

KIVADE[7]等應(yīng)用白金漢定理的量綱分析給出了沖擊鉆井的12 個(gè)無量綱群，推導(dǎo)了相應(yīng)量綱群下的滲透率經(jīng)驗(yàn)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(tǒng)計(jì)回歸分析無量綱組間的關(guān)系，得出以下結(jié)論：在特定的巖石類型范圍內(nèi)，風(fēng)鉆鉆速與巖石強(qiáng)度、耐磨性和密度成反比。研究同時(shí)指出，在實(shí)驗(yàn)中得到的結(jié)論有一定的局限性，它在只能應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)測試過的一系列巖石類型，對(duì)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?jīng)_擊試驗(yàn)的方法，系統(tǒng)地對(duì)花崗巖樣品進(jìn)行一系列活塞沖擊試驗(yàn)；通過激光掃描測量巖石試樣表面的斷裂情況，對(duì)每個(gè)鉆井測驗(yàn)進(jìn)行定量分析，比較了新型鉆頭和傳統(tǒng)鉆頭的效率。研究發(fā)現(xiàn)，在不利的工作條件下，新的鉆頭設(shè)計(jì)比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)節(jié)省大約45%的能源，實(shí)驗(yàn)表明新型鉆頭設(shè)計(jì)具有較高的鉆進(jìn)效率。

ZHAO[9]等針對(duì)氣動(dòng)潛孔器的工作角度對(duì)氣動(dòng)下孔沖擊器的鉆進(jìn)的影響，進(jìn)行了3 個(gè)方面的研究。①建立了模擬打孔鑿巖的計(jì)算模型，該模型通過模擬潛孔器的熱力循環(huán)，給出了沖擊時(shí)活塞的動(dòng)能；通過應(yīng)力波傳播分析，模擬了沖擊鉆進(jìn)過程。②研制了多角度器擊鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)室規(guī)模試驗(yàn)裝置，成功地模擬了多角度氣動(dòng)器的工作狀態(tài)，通過對(duì)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(shù)的動(dòng)態(tài)測量，比較了不同角度下的工作狀態(tài)。③討論了氣動(dòng)潛孔器的工作性能、井底形狀以及鉆屑的相關(guān)問題。其研究發(fā)現(xiàn)，氣動(dòng)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(dòng)器的工作頻率降低。

XU[10]等針對(duì)鉆孔作業(yè)中后擴(kuò)式氣沖機(jī)中大多數(shù)巖屑顆粒會(huì)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(dòng)力學(xué)理論和Fluent 仿真軟件，通過建立巖屑后擴(kuò)孔氣動(dòng)沖擊器流場模型，基于切割流場中的氣固兩相流的數(shù)學(xué)模型，分析了沖擊器的鉆速和氣相質(zhì)量對(duì)巖屑攜帶特性的影響。結(jié)果表明，隨著鉆進(jìn)速度的增加，沖擊排氣的攜帶能力下降；隨著氣體質(zhì)量流量的增加，沖擊器排氣的攜帶能力增加；同時(shí)后擴(kuò)孔氣動(dòng)沖擊器的鉆進(jìn)速度應(yīng)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(duì)比理論研究和試驗(yàn)研究，證實(shí)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(duì)氣動(dòng)反循環(huán)潛孔器鉆進(jìn)過程中，粉塵逸出對(duì)環(huán)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(yīng)用理論、數(shù)值和實(shí)驗(yàn)方法研究了不同旋流的產(chǎn)生機(jī)理和流動(dòng)特性，比較了新型旋流反循環(huán)鉆頭與環(huán)形鉆頭結(jié)構(gòu)以及功能上的差異，通過旋流反循環(huán)鉆頭設(shè)計(jì)數(shù)值模擬，證實(shí)了旋流鉆頭所吸入的空氣量大于環(huán)形鉆頭所吸入的空氣量，從而達(dá)到減少井場的粉塵量的目的。

TIMONIN[13]等設(shè)計(jì)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(jù)有效區(qū)域理論和有效面積比例對(duì)PNB76R 型號(hào)沖擊器進(jìn)行了現(xiàn)場測試。研究表明，在設(shè)計(jì)中引入用于排出動(dòng)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(diǎn)，即與空行程腔室一側(cè)的器頭相比，其在空行程腔室一側(cè)面積小，并且能夠利用所有優(yōu)點(diǎn)，此設(shè)計(jì)可用于標(biāo)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(shè)備，該設(shè)備針對(duì)復(fù)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(duì)空氣器的實(shí)驗(yàn)室規(guī)模測試，發(fā)現(xiàn)試制的PP110NK 模型由于采用了步進(jìn)閥配風(fēng)，提供了較高的風(fēng)量，具有更高的能量特性，并且該空氣器也可防止細(xì)小顆粒進(jìn)入機(jī)器的工作室內(nèi)；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(guī)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(jié)構(gòu)主要是如圖1 所示，相關(guān)研究基于氣道的轉(zhuǎn)換原理進(jìn)行，圍繞如何解決活塞斷裂、提高氣動(dòng)沖擊器工作效率、延長使用壽命、減少鉆進(jìn)過程中的粉塵等問題進(jìn)行充分改進(jìn)[15]。

圖1 典型氣動(dòng)潛孔器的結(jié)構(gòu)示意圖

2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

早期我國的潛孔沖擊器主要是結(jié)合現(xiàn)場需求及國外同類產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和功能實(shí)現(xiàn)[16-18]。近幾年，在傳統(tǒng)有桿式?jīng)_擊器基礎(chǔ)上（如圖2 所示），國內(nèi)圍繞氣動(dòng)潛孔沖擊器中氣體轉(zhuǎn)換率低、工程應(yīng)用中有粉塵、鉆進(jìn)效率不高、能量利用率有限和環(huán)境污染大等問題進(jìn)行了研究。

圖2 傳統(tǒng)沖擊器結(jié)構(gòu)圖

2.1 結(jié)構(gòu)分析與數(shù)值模擬

江濤等[19]基于現(xiàn)場廣泛應(yīng)用的氣動(dòng)沖擊器，在結(jié)構(gòu)與原理分析的基礎(chǔ)上，通過數(shù)學(xué)建模建立、MATLAB 編程以及SIMULINK 仿真優(yōu)化分析，得出了活塞質(zhì)量的增大會(huì)導(dǎo)致沖擊器頻率和沖擊功的下降，而沖擊距離的增大會(huì)使沖擊功增大。潘光永[20]針對(duì)無閥沖擊器的結(jié)構(gòu)、應(yīng)用背景、參數(shù)特性及應(yīng)用前景進(jìn)行了分析。

呂闖通[21-22]過建立無閥沖擊器的能量方程、運(yùn)動(dòng)方程，結(jié)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(dòng)力學(xué)方程的基礎(chǔ)上，結(jié)合應(yīng)力波法開展了沖擊器動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)，得到了沖擊器壓力、位移、速度和加速度在設(shè)計(jì)試驗(yàn)下的變化規(guī)律。

而隨著數(shù)值仿真技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用理論集合有限元方法進(jìn)行沖擊器性能分析的研究逐漸增多。楊雄[23]等應(yīng)用有限元軟件ANSYS，分析了活塞局部倒角值及內(nèi)徑變化下的應(yīng)力強(qiáng)度因子分析；蕭志鈺[24]基于潛孔沖擊器的不同作業(yè)工況，分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)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(shù)學(xué)建模和Matlab 數(shù)值仿真，得到了所設(shè)計(jì)沖擊器沖擊性能參數(shù)與其結(jié)構(gòu)參數(shù)間的變化規(guī)律；任城鈺[26]等使用AMESim 對(duì)沖擊器沖擊過程的壓力、錘頭位移進(jìn)行了模擬；何小宏[27]等通過對(duì)活塞運(yùn)動(dòng)過程數(shù)學(xué)分析，利用MATLAB 數(shù)值仿真模擬得到了活塞運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律和內(nèi)部變化規(guī)律。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

結(jié)合數(shù)學(xué)模擬、數(shù)學(xué)仿真技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)相關(guān)研究者在已有的基礎(chǔ)上，逐步對(duì)潛孔沖擊器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了進(jìn)一步設(shè)計(jì)與優(yōu)化。

馬利東[18]等提出了一種可進(jìn)行雙向沖擊的氣動(dòng)潛孔器，結(jié)合數(shù)值仿真研制了CJ-130 型雙向氣動(dòng)潛孔器。建立力學(xué)數(shù)學(xué)模型，并對(duì)其進(jìn)行模擬仿真后，確定了潛孔器配氣參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括：①前后氣室進(jìn)氣、膨脹( 壓縮) 、排氣行程及相互間比例關(guān)系，以及結(jié)構(gòu)行程；②活塞質(zhì)量與活塞有效作用面積，在低壓狀態(tài)下使沖擊器的沖擊末速度達(dá)到理想的定額值；③活塞質(zhì)量與鉆頭質(zhì)量、活塞長度與鉆頭長度的比例關(guān)系；④對(duì)材料進(jìn)行熱研究延長潛孔器的使用壽命；⑤鉆頭結(jié)構(gòu)及布齒規(guī)律。該氣動(dòng)潛孔器具有鉆進(jìn)效率高，鉆進(jìn)速度大，鑿巖過程中卡鉆可順利退回的優(yōu)點(diǎn)。

謝群[28]等在針對(duì)各種主要因素對(duì)沖擊能量影響分析的基礎(chǔ)上，運(yùn)用無閥配氣機(jī)構(gòu)，采用提高壓縮空氣壓力的方法和沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)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(shù)的容錯(cuò)計(jì)算，對(duì)所設(shè)計(jì)沖擊器結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，結(jié)果表明，其工作性能有一定提高，且鉆進(jìn)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(yè)區(qū)的粉塵，設(shè)計(jì)了一種用于反循環(huán)氣動(dòng)潛孔沖擊器的鉆頭，并通過計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)和實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，濕法鉆孔被認(rèn)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(zhàn)。為了延長鉆頭壽命，水分離器接頭被應(yīng)用，從而實(shí)現(xiàn)了從注入空氣中去除注入的水的目的。進(jìn)一步的CFD 模擬和實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，反向循環(huán)沖擊器的鉆頭設(shè)最優(yōu)噴嘴為6 個(gè)，兩個(gè)沖洗嘴和下方的恢復(fù)槽，其優(yōu)選直徑分別為6、3、8 mm。

余勇高[29]等設(shè)計(jì)了QCK90 快沖型中氣壓潛孔沖擊器和KQG35B 節(jié)能型高氣壓潛孔沖擊器，上述沖擊器主要通過對(duì)排氣結(jié)構(gòu)的再設(shè)計(jì)，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(jī)械效率、降低生產(chǎn)成本，此外其結(jié)構(gòu)還具有方便拆裝維修、鉆頭的使用壽命較長、通用性好等優(yōu)點(diǎn)。作為KQG35A 的改良產(chǎn)品，KQG35B 的活塞機(jī)械強(qiáng)度和疲勞壽命進(jìn)行了加強(qiáng)。

王玉溪[30]等設(shè)計(jì)了一種新型雙向貫通式潛孔器鉆具，該鉆具的設(shè)計(jì)時(shí)建立在大量原雙向潛孔器在應(yīng)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(huán)境污染問題及快速鉆孔問題。

還有一些研究者也設(shè)計(jì)了具有一定特色的沖擊器，如楊紅東[31]等設(shè)計(jì)的閥套式無氣墊高性能氣動(dòng)沖擊器，杜成[1]等設(shè)計(jì)了快換向的新型潛孔沖擊器，如圖3 所示。除上述之外，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、數(shù)值仿真基礎(chǔ)上，部分學(xué)者已圍繞沖擊器性能測試、沖擊試驗(yàn)臺(tái)架、沖擊測量等試驗(yàn)開展了研究[32-33]，相關(guān)研究為潛孔沖擊器的進(jìn)一步深入研究提供了新的平臺(tái)和思路。

圖3 新型結(jié)構(gòu)的潛孔沖擊器

3 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

盡管目前國內(nèi)外市場已經(jīng)有各種形式的氣動(dòng)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(yīng)用的性價(jià)比，現(xiàn)有的新型潛孔沖擊器仍然存在一些技術(shù)上的問題，從而導(dǎo)致市場難以完全認(rèn)可接受各種新型的沖擊器。其仍存在著活塞的應(yīng)力分布不均勻、易產(chǎn)生疲勞破壞，鉆井過程中產(chǎn)生過多的粉塵污染環(huán)境、威脅人體健康，鉆進(jìn)效率低，沖擊器作業(yè)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(xù)研究可圍繞上述問題在沖擊器理論建模、數(shù)值模擬、數(shù)值仿真基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)驗(yàn)對(duì)沖擊器進(jìn)行深入研究開發(fā)。