反向扩孔气动冲击器的能量传递机理和设计理论研究

This project conducts research on trenchless reverse pneumatic impact hammer.It first analyses the mechanism of energy loss, which includs frictional energy loss, collision energy loss，inside compress air leaking energy loss and air flowing resistance energy loss.In addition, the theoretical relationship between above energy loss and the systematical, structural and air flowing route parameters is also analyzed so as to get the effective way of reducing energy loss. Secondly,analysis in made on energy consuming mechanism in rock drilling and rock cutting mechanism to get the matching relationship between the performance parameters and the enlarging hole diameter. Also, theoretical relationship among conveying chip quantity, chip delivery distance, annular space structure and exhausted air energy loss is established. Thirdly, the design method of the impact hammer, its working mathematical model and simulation analysis method are obtained to conduct research on the theoretical relationship between performance parameters and the systematical, structural and air flowing route parameters. The influence of the changing exhausted air parameters on its performance parameters is also analyzed. With the above research, optimization design method for the impact hammer is established. Finally, based on the test analysis and engineering test research on the experimental performance parameters, energy loss mechanism, working energy consuming mechanism and design method of the hammer are verified. The above researches will provide theoretic support for the application of the trenchless reverse pneumatic impact hammer.

项目针对非开挖反向扩孔气动冲击器进行研究，首先，对冲击器的能量损失机理进行理论分析，研究工作过程中冲击器的摩擦能量损失、碰撞能量损失、内泄压能流失、气体流动阻力损失与其系统参数、结构参数和气路结构参数之间的理论关系，得到减少其能量损失的有效方法。其次，对冲击器的凿岩能耗机理进行分析，研究其岩石切削机理，及性能参数与扩孔孔径之间的匹配关系；对冲击器的排屑能耗机理进行分析，研究岩粉输送量、输送距离、间隙结构与尾气能耗参数之间的理论关系。然后，建立冲击器设计理论、工作过程的数学模型和仿真分析方法，研究冲击器的性能参数与系统参数、结构参数和气路结构参数之间的理论关系，以及尾气能耗参数变化对性能参数的影响规律，在此基础上，建立冲击器优化设计方法。最后，通过冲击器性能参数测试分析和工程试验研究，对能量损失机理、工作能耗机理及设计理论进行校验。通过上述研究，为反向扩孔气动冲击器的应用提供理论支撑。

本项目针对岩石、卵砾石等复杂地层中非开挖施工时，存在施工效率低，扩孔钻头容易磨损破坏等技术难题，研究一种新的扩孔设备─反向扩孔气动冲击器。项目主要进行了以下四个方面内容的研究：.1.反向扩孔气动冲击器能量传递损失机理研究。针对反向扩孔气动冲击器系统的能量传递、损失机理进行理论分析，研究得到冲击器活塞运动机理，冲击器冲击性能、系统碰撞能量与系统参数、结构参数和气路结构参数之间的影响关系。在此基础上运用优化设计理论，对影响冲击器冲击性能的各结构参数进行优化设计。.2.反向扩孔冲击器工作能耗机理研究。针对反向扩孔气动冲击器凿岩能耗机理进行分析，研究得到钻头破岩的瞬态特性机理，钻头结构参数对钻头使用寿命、冲击器冲击能耗的影响关系。针对反向扩孔气动冲击器和集束式扩孔气动冲击器排屑能耗机理进行分析，研究得到岩粉输送量、输送距离、钻进速度与尾气能耗参数之间的影响关系。.3.反向扩孔气动冲击器设计理论和方法研究。研究得到一种与排屑性能相关的气动冲击器设计方法，并对该设计方法的步骤进行完善，利用该方法对反向扩孔气动冲击器和集束式扩孔气动冲击器进行了新的探索性研究，结果表明采用新的设计方法能够有效改善气动冲击器的排屑性能。.4.反向扩孔气动冲击器冲击性能和排屑性能试验研究。针对反向扩孔气动冲击器冲击性能进行实验测试，验证了冲击器冲击性能仿真的准确性。针对反向扩孔气动冲击器排屑流场颗粒浓度分布情况进行实验测量，验证了冲击器排屑性能仿真和与排屑性能相关的冲击器设计方法的正确性。