呼詠 殷琨 張新華

（1、吉林大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)院，吉林 長春 130026；2、吉林大學(xué) 機械科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長春 130025）

0 引言

氣動潛孔鉆進技術(shù)發(fā)展迅速，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于水井勘察、地質(zhì)勘探、基柱工程和坑道掘進等領(lǐng)域，鉆進過程中，潛孔錘不斷沖擊巖石，同時由鉆機帶動潛孔錘回轉(zhuǎn)，實現(xiàn)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進，達(dá)到高效碎巖的目的。沖擊回轉(zhuǎn)鉆進的主要特點是鉆頭在靜壓作用下，由縱向沖擊動載和回轉(zhuǎn)切削共同作用而破碎巖石。

沖擊回轉(zhuǎn)鉆進效率高、孔的質(zhì)量好、孔內(nèi)事故少、成本低，鉆孔孔徑和孔深不斷擴展，已廣泛用于不同的地層和不同地質(zhì)勘探及工程施工中，但是，在實際應(yīng)用中也存在著一定的缺陷。本文將傳統(tǒng)的潛孔錘與鑿巖機相結(jié)合，借鑒鑿巖機的轉(zhuǎn)釬機構(gòu)，利用活塞的回程能量帶動鉆頭旋轉(zhuǎn)，即只用空壓機帶動潛孔錘實現(xiàn)沖擊與回轉(zhuǎn)。這樣，既簡化了鉆進設(shè)備，又能保證沖擊回轉(zhuǎn)鉆進的高效率，同時也簡化了現(xiàn)場施工設(shè)備，減少了設(shè)備更換工藝的輔助時間，提高了施工效率，對大口徑帷幕工程施工、挖槽施工、定向鉆進、非開挖導(dǎo)向孔鉆進，海底取樣鉆進等，具有很好的應(yīng)用前景。

1 新型潛孔錘的結(jié)構(gòu)

不使用鉆機，僅通過壓縮空氣，要實現(xiàn)沖擊和回轉(zhuǎn)2個動作，潛孔錘是關(guān)鍵。新型潛孔錘就能實現(xiàn)這樣的要求（見圖1），其工作原理如下：

（1）回程階段 壓縮空氣經(jīng)管路系統(tǒng)進入潛孔錘上接頭，推開逆止閥，經(jīng)由棘輪孔和配氣閥孔進入潛孔錘前氣室，活塞在壓力差的作用下回程，后氣室氣體通過螺旋棒側(cè)壁孔進入中心通孔，排到鉆頭底部；當(dāng)活塞大端（下端）上截面運動到M-M截面時，此時前氣室封閉，壓力不斷減小，后氣室內(nèi)壓縮空氣壓縮，阻止活塞繼續(xù)上行，使活塞減速回程；隨著活塞繼續(xù)減速回程，后氣室進氣孔打開，后氣室開始進氣，活塞進一步減速回程，繼續(xù)向上運動到上死點為止。在回程過程中，當(dāng)前氣室排氣孔1打開時，前氣室廢氣通過螺旋棒中心通孔排到孔底。

圖1 潛孔錘結(jié)構(gòu)圖

（2）沖程階段 壓縮空氣經(jīng)進氣孔2進入后氣室，推動活塞開始向下沖程，前氣室氣體通過排氣孔1排到孔底?；钊^續(xù)在后氣室壓縮氣體推動作用下，高速向下沖程，活塞運動到將排氣孔1堵住后，前氣室氣體受壓縮，活塞開始受阻。隨著活塞繼續(xù)沖程，前氣室打開，后氣室關(guān)閉，氣體經(jīng)進氣孔1進入前氣室，降低活塞沖程速度，但是活塞在后氣室氣體膨脹力作用下，依然繼續(xù)向下沖程。隨著活塞沖程繼續(xù)，后氣室螺旋棒側(cè)壁排氣孔2打開，后氣室壓縮空氣經(jīng)排氣孔2排到鉆頭，活塞在前氣室氣體壓縮阻力的作用下，減速沖程，直到?jīng)_擊到砧子，完成沖程。

在沖程過程中，活塞高速、高動能向下沖程運動，帶動螺旋棒旋轉(zhuǎn)，螺旋棒的棘爪處于順齒狀態(tài)，活塞的直線運動不影響棘輪的運動，此時螺旋棒為空轉(zhuǎn)，沖擊器外管和鉆頭處于不回轉(zhuǎn)狀態(tài)。

（3）回程階段 活塞的回程直線運動，帶動螺旋棒旋轉(zhuǎn)，此時螺旋棒棘爪處于逆齒狀態(tài)，活塞的向上直線運動使螺旋棒帶動棘輪產(chǎn)生回轉(zhuǎn)運動，棘輪通過螺紋聯(lián)接到潛孔錘外管，這樣棘輪的運動帶動潛孔錘外管和鉆頭共同回轉(zhuǎn)，實現(xiàn)了回轉(zhuǎn)動作。而在伸縮接頭處，通過螺紋與潛孔錘上部鉆桿聯(lián)接，通過光孔和潛孔錘中心部分連接，軸和孔的配合實現(xiàn)了潛孔錘部分回轉(zhuǎn)運動和潛孔錘上部鉆桿部分不回轉(zhuǎn)的隔離，實現(xiàn)了回轉(zhuǎn)和不回轉(zhuǎn)的過渡。

新型潛孔錘的結(jié)構(gòu)特點：

（1）改變了原潛孔錘的工作模式，采取回程旋轉(zhuǎn)，借助沖擊行程的反彈力，在潛孔錘和孔底摩擦力最小時旋轉(zhuǎn)，充分利用了活塞回程的能量來轉(zhuǎn)動鉆頭，這樣既保持了原來潛孔錘的高沖擊功鉆進又節(jié)省了能量；

（2）將原來的配氣中心桿換成了螺旋棒，從部件強度而言，不改變原潛孔錘部件之間的應(yīng)力傳遞過程；

（3）采用螺旋棒，實現(xiàn)鉆進過程中，鉆桿不回轉(zhuǎn)，只是潛孔錘和鉆頭回轉(zhuǎn)；

（4）潛孔錘沖程不回轉(zhuǎn)，回程回轉(zhuǎn)?；钊麤_程帶動螺旋棒旋轉(zhuǎn)，但此時螺旋棒棘爪處于順齒位置，螺旋棒為空載旋轉(zhuǎn)。在回程過程中，棘爪逆齒，活塞帶動螺旋棒、棘輪、潛孔錘外管、鉆頭旋轉(zhuǎn)，使?jié)摽族N實現(xiàn)回程回轉(zhuǎn)；

（5）潛孔錘的單個沖程周期回轉(zhuǎn)角度可以通過調(diào)節(jié)螺旋棒上棘齒傾角和長度來調(diào)節(jié)；

（6）螺旋棒上的棘齒設(shè)計能防止活塞在回程過程中，因孔底阻力而使活塞繞螺旋棒旋轉(zhuǎn)。

2 轉(zhuǎn)釬機構(gòu)

潛孔錘采用的是具有單獨螺旋棒的內(nèi)棘輪轉(zhuǎn)釬機構(gòu)，圖2為轉(zhuǎn)釬機構(gòu)示意圖。潛孔錘的轉(zhuǎn)釬機構(gòu)由棘輪1、螺旋棒3、帶螺旋母的活塞4以及棘爪2（裝在螺旋棒大端孔中）組成。

圖2 新型潛孔錘的轉(zhuǎn)釬機構(gòu)示意圖

螺旋棒小端外表銑有螺旋齒，螺旋母（與活塞連為一體）內(nèi)表面也銑有螺旋齒，二者組成一螺旋副。螺旋棒大端是一個逆止機構(gòu)，棘爪借塔形彈簧作用，與棘輪內(nèi)齒嚙合，利用棘輪機構(gòu)具有單方向間歇旋轉(zhuǎn)的特性，使棘輪只能向一個方向轉(zhuǎn)動，即回程時轉(zhuǎn)動。棘輪與外管螺紋配合，從而帶動外管、花鍵套和鉆頭旋轉(zhuǎn)。

活塞作沖程運動時，由于螺旋副的關(guān)系，螺旋棒與螺旋母（與活塞連為一體）之間必有一個作轉(zhuǎn)動運動，使螺旋棒沿圖中實線箭頭方向轉(zhuǎn)動。此時棘爪處于順齒位置，它壓縮塔形彈簧，在棘輪內(nèi)齒面上滑過，隨螺旋棒一起轉(zhuǎn)動。由于棘輪通過螺紋牽連著外管、花鍵套、鉆頭等零件，這些零件所形成的回轉(zhuǎn)阻力矩遠(yuǎn)大于螺旋棒上的棘爪與棘輪間的內(nèi)摩擦阻力矩，因此活塞作沖程運動時，只能使螺旋棒帶動棘爪在棘輪內(nèi)圓周表面上轉(zhuǎn)動一個角度β，而不能使鉆頭旋轉(zhuǎn)；當(dāng)活塞作回程運動時，活塞帶動螺旋母作直線運動，由于螺旋齒的作用，使螺旋棒沿圖中虛線箭頭方向轉(zhuǎn)動，此時棘爪處于逆齒位置，抵住棘輪的內(nèi)齒，阻螺旋棒轉(zhuǎn)動，迫使棘輪帶動與其螺紋配合的外管轉(zhuǎn)動，從而帶動花鍵套和鉆頭一起旋轉(zhuǎn)一個β角，實現(xiàn)回程旋轉(zhuǎn)。

這種轉(zhuǎn)釬機構(gòu)的特點是合理地利用了活塞回程的能量來轉(zhuǎn)動鉆頭，節(jié)省了動力能源。顯然，這種作牽連運動的轉(zhuǎn)釬機構(gòu)是屬于非獨立式的，為內(nèi)回轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)釬。

3 潛孔錘工作過程的理論計算

新型潛孔錘在傳統(tǒng)潛孔錘計算公式的基礎(chǔ)上加入了轉(zhuǎn)釬機構(gòu)的計算。

（1）加速度公式

F-F1=mα

式中 m——活塞的質(zhì)量

α——活塞的加速度

F——前后氣室壓力差

F1——螺旋棒對活塞的阻力

（2）氣體狀態(tài)方程

PiVi=miRTi

式中 Pi——前后氣室的絕對壓力

Vi——前后氣室容積

mi——前后氣室內(nèi)氣體質(zhì)量

Ti——前后氣室內(nèi)氣體的絕對溫度

R——氣體常數(shù)，R＝287

（3）轉(zhuǎn)動阻力計算

式中 φ——活塞轉(zhuǎn)過的角度

J——配氣閥、棘輪等零件的轉(zhuǎn)動慣量

Fr——螺旋棒受到的法向力

r——螺旋母與螺旋棒嚙合處到中心線的

距離

（4）氣體流動方程

式中 Gi——單位時間氣體流量

（5）沖擊頻率計算公式

式中 Ts——活塞運行周期

4 結(jié)語

新型潛孔錘孔底回轉(zhuǎn)機構(gòu)，不用鉆機，可以產(chǎn)生沖擊和回轉(zhuǎn)兩動作，奠定了僅使用空壓機，就可以進行沖擊回轉(zhuǎn)鉆進的基礎(chǔ)，為我國大口徑帷幕工程、水利水電工程、非開挖工程等高效率施工提供了新的技術(shù)前提，為提高非開挖鉆進效率提供了新的工藝方法。

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