国内气动潜孔冲击器技术发展现状

2019-06-24刘朋高学径

凿岩机械气动工具 2019年2期

刘朋，高学径

（1.无锡通准凿岩工具有限公司，江苏无锡 214000；2.天水凿岩机械气动工具研究所，甘肃天水 741020）

1 气动潜孔冲击器产品简述

潜孔冲击器是潜孔锤式（底冲式）凿岩机械的核心部件。顶锤式凿岩机械中，除了导轨式凿岩机和支腿式凿岩机等较重的机器，大多数类型的凿岩机可以直接作为产品进行凿岩作业使用。跟凿岩机有所不同的是，潜孔冲击器一般不能单独使用，一般情况下要配用于非自行的钻架或者能自行的钻机上，在进行凿岩作业时置于钻杆前端，随着钻进过程逐步潜入岩孔中实现凿岩作业。其外形见图1，解剖图见图2。

图1 潜孔冲击器外形图（含潜孔钻头）

图2 潜孔冲击器解剖图（含潜孔钻头）

自1965年我国生产出第一具气动潜孔冲击器，其产品结构已经经过了数次的更新换代。其动力源也从以前的0.63 MPa以下低气压为主，扩展为如今的0.8～1.6 MPa气压的中气压，以及1.7～2.4 MPa气压的高气压冲击器（普通用途冲击器上限一般为2.4 MPa，打井用冲击器可超过3.0MPa）高气压。甚至还有液体等其他动力源的潜孔冲击器被研发出来并投入使用。按照张维民教授对我国气动潜孔冲击器技术更新换代的划分，我国气动潜孔冲击器结构类型分为四代：即以低气压侧排气焊接式为主的第一代潜孔冲击器；以低气压中心排气式为主的第二代潜孔冲击器；以高气压钻头带尾管的第三代潜孔冲击器；以及以高气压钻头不带尾管的第四代潜孔冲击器[1]。尽管经历了多种结构形式的演变，但潜孔冲击器的基本工作原理都是在钻机推进装置的推动下，潜孔钻头前移抵住岩石表面，冲击活塞处于后端位置。用来驱动潜孔冲击器做功的压缩空气通过与冲击器联接的钻杆，以及冲击器的后接头进入冲击器后腔。此时因冲击器活塞和阀片均处于最后端的位置，压缩空气进入冲击器气缸的后腔，推动活塞向前运动直至击打潜孔钻头完成冲击动作。在活塞冲击过程中前行至一定的位置时，压缩空气通入冲击器前腔使得前腔压力开始上升，并使后腔排气将后腔中气体的压力卸掉（排掉的气体一般通过潜孔钻头的排气孔吹出，用于吹洗本次凿岩凿下来的岩粉）。当活塞完成冲击潜孔钻头动作后，冲击器活塞在反弹力，以及冲击器配气机构将压缩空气换向到前腔来推动活塞的双重作用下，使活塞完成返回行程动作。如此循环往复，每次活塞冲击都会通过钻头完成一次凿岩工作。钻机或钻架都安装有与冲击器相配用的回转器，使得冲击器每凿岩一次，都转动一定的角度。潜孔冲击器典型的结构如图3所示[1]。

图3 潜孔冲击器典型结构示意图

按照我国凿岩机械与气动工具行业的行业习惯叫法，以凿岩机为凿岩作业核心部件的凿岩设备称为顶锤式（顶冲式）凿岩机械；以潜孔冲击器为凿岩作业核心部件的凿岩设备称为潜孔锤式（底冲式）凿岩机械。

常见的顶锤式（顶冲式）凿岩机械有：（1）凿岩机类。细分为手持式（气动）凿岩机、气腿式（气动）凿岩机、向上式（气动）凿岩机、导轨式（气动）凿岩机、手持式内燃凿岩机、手持式电动凿岩机、支腿式电动凿岩机、导轨式电动凿岩机、手持式液压凿岩机、支腿式液压凿岩机、导轨式采矿液压凿岩机、导轨式掘进凿岩机等。（2）钻车类。细分为履带式（气动、半液压）露天钻车、轮胎式（气动、半液压）露天钻车、轨轮式（气动、半液压）露天钻车、履带式液压露天钻车、轮胎式液压露天钻车、轨轮式液压露天钻车、履带式（气动、半液压）采矿钻车、履带式（气动、半液压）掘进钻车、履带式（气动、半液压）锚杆钻车、轮胎式（气动、半液压）采矿钻车、轮胎式（气动、半液压）掘进钻车、轮胎式（气动、半液压）锚杆钻车、轨轮式（气动、半液压）采矿钻车、轨轮式（气动、半液压）掘进钻车、轨轮式（气动、半液压）锚杆钻车、履带式液压采矿钻车、履带式液压掘进钻车、履带式液压锚杆钻车、轮胎式液压采矿钻车、轮胎式液压掘进钻车、轮胎式液压锚杆钻车、轨轮式液压采矿钻车、轨轮式液压掘进钻车、轨轮式液压锚杆钻车[2]等。以冲击器为凿岩作业的核心部件的凿岩设备称为潜孔锤式凿岩机械。常见的潜孔锤式（底冲式）凿岩机械有：（1）潜孔冲击器类。细分为（低气压）潜孔冲击器、中（气）压潜孔冲击器、高（气）压潜孔冲击器、液压潜孔冲击器等。（2）钻机类。细分为：履带式低气压潜孔钻机、履带式中（气）压潜孔钻机、履带式高（气）压潜孔钻机、轮胎式低（气）压潜孔钻机、轮胎式中（气）压潜孔钻机、轮胎式高（气）压潜孔钻机、柱架式低（气）压潜孔钻机、柱架式中（气）压潜孔钻机、柱架式高（气）压潜孔钻机、履带式液压潜孔钻机、轮胎式液压潜孔钻机、电动潜孔钻机[2]等。

2 我国气动潜孔冲击器产品行业发展概况

我国自上世纪七十年代就开始了气动潜孔冲击器的研发生产，但截止于上世纪末，乃至于2010年之前多处于模仿阶段，产品可靠性、使用寿命、凿岩速度以及其它技术指标上，都跟国际顶尖企业存在较大的差距。国际市场乃至国内市场，长期被国际跨国公司如美国英格索兰、瑞典阿特拉斯、山特维克、日本古河占据[3]。其中英格索兰公司对我国企业潜孔钻机和潜孔冲击器的发展有很大的影响。1987年宣化采掘机械厂与美国英格索兰公司合资成立了宣化英格索兰矿山工程机械有限公司，推出了配用DHD340、DHD350、DHD360冲击器的CM341和CM351型高气压潜孔钻车，在国内市场销量很大，知名度很高。国内大量生产潜孔锤式凿岩机械的企业，也配用DHD系列气动潜孔冲击器，生产各种型号的潜孔钻车。

2010年前后，我国凿岩机械企业开始出现爆发式增长。随着宣化苏普曼、长沙黑金刚、湖南新金刚、长沙天和、五环钻具等气动潜孔冲击器生产企业的崛起，国内品牌在产品销售方面已呈压倒性优势，并大量出口国际市场，在产品使用寿命、可靠性、凿岩速度等技术指标上已与国际先进企业平分秋色，与潜孔冲击器配套的钻杆、钻头等钻具的生产企业，更呈现雨后春笋之势。潜孔冲击器是近年来我国凿岩机械与气动工具行业中，与液压破碎锤、全断面隧道掘进机（TBM）用刀具等产品一起，得到突飞猛进爆发式发展的行业主导产品之一。

3 我国潜孔冲击器主要生产地区与典型企业产品概况

3.1 宣化地区的企业产品概况

位于河北省张家口市的宣化地区，是我国钻机生产历史悠久的产业集聚区域。因为该地区生产钻机的历史悠久、品种规格繁多、产量大、国内知名度高，因而宣化地区拥有“中国的钻机之乡”的美誉。早在上世纪五十年代，国家就批准建立了与钻机生产相关的国有企业，不仅能生产潜孔钻机等凿岩机械产品，还生产气镐、气钻、气砂轮等气动工具产品，是我国名副其实的凿岩机械与气动工具产业基地之一。改革开放以来，随着国有企业的市场化体制转型，上世纪九十年代后期，以宣化风动机械厂为代表的国有企业逐渐被兴起的个体企业所取代。如宣化苏普曼钻潜机械有限公司、宣化金科钻孔机械有限公司、华泰矿冶机械有限公司、宣钻重型机械有限公司、宣化宏大钻孔机械有限公司就是这些企业中的代表。目前宣化地区拥有与潜孔冲击器和钻机相关的生产企业百余家，从业人员超过万人，潜孔钻机类产品占据国内市场70%左右的份额。

3.1.1 宣化苏普曼钻潜机械有限公司的概况

宣化苏普曼钻潜机械有限公司[4]成立于2002年。公司地处宣化区高新技术产业开发区，以生产各种类型的潜孔冲击器和潜孔钻头等潜孔钻具为主。“苏普曼”品牌不仅享誉全国，还远销澳洲、非洲及东南亚地区。由于篇幅所限，本文只涉及它的气动潜孔冲击器产品。

该公司生产65至170规格的低气压潜孔冲击器产品。其低气压潜孔冲击器属于有阀式中心排气型产品。该公司生产的冲击器跟国内市场同类产品相比，具有单次冲击功大、耗气量低、凿岩速度快、故障率低、拆装维修方便等优点，适用于矿山、采石场、筑路工程中的爆破孔钻凿，以及护坡、固坝等锚固工程的施工等。其主要技术参数见表1。

该公司生产90至110规格的中气压潜孔冲击器产品。产品特点及用途跟低气压产品类似，但凿速比低气压产品更高。同等凿孔能力下，产品更加轻便小巧，也更加节约能源。其主要技术参数见表2。

表1 苏普曼低气压潜孔冲击器基本参数表

该公司生产80至300规格的高气压潜孔冲击器产品。该公司的高气压潜孔冲击器跟国内同类产品相比，具有冲击功大、耗气量低、凿岩速度快等优点，适于各种中硬、高硬等坚韧性岩石。其特点是岩粉吹洗能力强、设计有调气塞便于实现最佳排渣效果、结构简单部件少、便于维护、钻头拆卸方便，易损件更换方便。产品适用于矿山、采石场、筑路工程中的爆破孔钻凿，以及护坡、固坝等锚固工程的施工，以及打水井等。其主要技术参数见表3。

表2 苏普曼中气压潜孔冲击器基本参数表

该公司还推出了115至200规格的节能高效型高气压潜孔冲击器产品。其主要技术参数见表4。

该公司推出了90至300规格的贯通式反循环潜孔冲击器产品。该类产品与常规潜孔冲击器的区别是吹粉方式的不同（详见后面的相关表述）。普通的潜孔冲击器是压缩空气通过岩孔底部潜孔钻头的排气孔吹洗岩粉，吹起的岩粉通过冲击器外壁与岩孔间的间隙排除岩孔；反循环潜孔冲击器是压缩空气通过潜孔冲击器的外侧排气吹洗岩粉，吹起的岩粉经过潜孔钻头的通气孔道沿冲击器的中心孔来排出。这种类型的冲击器具有排屑能力更强、便于将岩粉排到指定位置便于处理等优点。这在复杂、漏失地层进行凿孔时可有效地保护孔壁稳定，提高成孔率，还能通过岩粉排出情况判断岩层结构变化情况。因而特别适用于水文水井、地热源空调井、地质勘探、复杂地层等施工场合。其主要技术参数见表5。

表3 苏普曼高气压潜孔冲击器基本参数表

表4 苏普曼节能高效型高气压潜孔冲击器基本参数表

3.1.2 张家口市北方穿越钻具制造有限公司的概况

张家口市北方穿越钻具制造有限公司位于宣化钻机产业园区。该公司始建于上世纪九十年代，以潜孔冲击器和钻杆、套管、钻头等相关钻具为主。该公司产品主要为国内钻机生产企业配套，并与阿特拉斯、山特维克等国外企业有着良好的合作关系或合作经历。

该公司生产的潜孔冲击器涵盖90至195规格的中气压和高气压产品。具体参数见表6。

3.1.3 正亿机械有限公司的概况

正亿机械有限公司成立于2005年，公司生产露天潜孔钻机，也生产潜孔冲击器，以及钻杆、钻头等钻具产品。

表5 苏普曼贯通式反循环潜孔冲击器基本参数表

表6 北方穿越潜孔冲击器基本参数表

该公司生产的潜孔冲击器涵盖90至195规格的中气压和高气压产品。具体参数见表7。

3.1.4 方园中钻钎具制造有限公司的概况

张家口市宣化区方园中钻钎具制造有限公司生产60-200规格的潜孔冲击器，以及钻头、钻杆等钻具。其冲击器产品基本参数见表8。

3.1.5 安百拓（张家口）建筑矿山设备有限公司的概况

安百拓（张家口）建筑矿山设备有限公司因历史原因，生产不同技术风格的冲击器产品。这主要是因为兼并其他公司后延续了这些公司的原有产品而形成的。主要有以下三种。

表7 正亿机械潜孔冲击器基本参数表

表8 方园中钻潜孔冲击器基本参数表

（1）70-170规格的CIR系列潜孔冲击器，其技术参数见表9。

（2）90-200规格的DHD系列潜孔冲击器，其技术参数见表10。

（3）105-711规格的QL系列潜孔冲击器技术参数见表11、表12、表13。

3.2 长沙地区的企业概况

我国在研制潜孔锤式凿岩机械之前，在冶金矿山采矿中使用的凿岩机械还是带有原始色彩的纯惯性冲击式的凿孔机械，也就是钢丝绳冲击式钻机（俄语音译：乌卡斯）。这种笨重落后的凿孔设备严重制约了工程部门的工作效率，因此我国的潜孔锤式凿岩机械尤其是潜孔冲击器最早也是在冶金系统开始研制的。我国气动冲击器的研发起步很早，早在1974年，冶金工业出版社就出版了《露天潜孔钻机》书籍，该专著对各类潜孔冲击器的典型结构、工作原理、冲击凿岩的基本理论、主要零部件材料与加工，乃至几种当时产量较大的冲击器作了详尽解析，对在我国凿岩机械行业普及潜孔冲击器产品的基本知识起到了很好的作用。当时的潜孔冲击器生产企业主要有宣化风动机械制造厂、太原矿山机器厂、嘉兴冶金机械厂等。东北工学院、长沙矿山研究院、本溪钢铁学校、本溪钢铁研究所、沈阳金属研究所等高等院校和科研机构进行了大量的科研工作。长沙矿山研究院陆续研发了多种潜孔冲击器产品，并建立了冲击器产品的性能检测试验室。长沙地区还有冶金系统一家实力雄厚的科研单位长沙矿冶研究院，以及挂靠的国家冶金工业钎具质量监督检测中心，也具有雄厚的潜孔冲击器科研实力，并建有冲击器和钻具产品的性能检测系统。借助该地区这些科研机构的雄厚科研实力的助力和辐射效应，长沙地区涌现了黑金刚、新金刚、超金刚、天和钻具等一大批异军突起的潜孔冲击器生产企业。产品不仅占据了我国潜孔冲击器产业的半壁江山，还出口国际市场，形成了蒸蒸日上的区域产品研发生产繁荣景象。

表9 安百拓CIR系列潜孔冲击器基本参数表

表10 安百拓DHD系列潜孔冲击器基本参数表

表11 安百拓QL系列潜孔冲击器基本参数表

表12 安百拓QL系列潜孔冲击器基本参数表

表13 安百拓QL系列潜孔冲击器基本参数表

3.2.1 长沙黑金刚实业有限公司的概况

长沙黑金刚实业有限公司[5]成立于1999年4月，是长沙地区一家专业从事潜孔冲击器、潜孔钻机等凿岩机械和钻杆、钻头等潜孔钻具研究与制造的民营企业。“黑金刚”牌钻具由于质量稳定、性能优良而畅销全国，并批量出口到南非、巴西、法国、澳大利亚、加拿大、马来西亚、韩国等50多个国家。

该公司生产90-150规格的HR系列低气压潜孔冲击器。HR系列潜孔冲击器是一种以压缩空气为动力的有阀低风压冲击器，属于单活塞、板阀、中心排气结构的冲击器。为防止粉尘污染，可在压缩空气中加入少量高压水，进行湿式凿岩。产品主要有以下特点：（1）单次冲击能大，破碎岩石的能耗低；（2）活塞与钻头重量比接近，有效作用时间长，有利于提高岩石破碎效率和延长钻具的寿命；（3）中心排气排渣效果好，减少了岩石的重复破碎；（4）冲击器带有逆止阀装置，可在水中钻凿炮孔。具体技术参数见表14。

该公司生产65-90规格的HBR系列中气压潜孔冲击器。HBR系列中气压潜孔冲击器是一种可与BR系列钻头相配的中低气压冲击器。其主要特点：（1）适应工作气压为0.7至1.75MPa。（2）属于无阀冲击器类型。（3）结构简单、拆卸容易、寿命长。（4）冲击功率大，钻进速度快。（5）耗气量小，能耗低。当需要加大排渣时，可在逆止阀上钻孔。（6）特别适应于石材开采。具体技术参数见表15。

该公司生产90-300规格的有尼龙管高气压潜孔冲击器。其主要特点是：（1）采用无阀式配气，配气可靠。（2）活塞构造简单，不易损坏。（3）能量传递效率高，凿孔速度快，耗气量少，能耗低。（4）产品部件少，结构简单，各部件均经过硬化处理，工作寿命长，故障率低，维修方便。（5）接头和卡钎套采用多头螺纹与外缸联接，拆卸容易。具体结构见图4。具体技术参数见表16。

表14 黑金刚HR系列低气压潜孔冲击器基本参数表

表15 黑金刚HBR系列中气压潜孔冲击器基本参数表

该公司生产75-300规格的无尼龙管高气压潜孔冲击器。该类冲击器所配钻头无尼龙管，属于先进的冲击器结构类型。其特点有：（1）钻头不需要尼龙管，因而不会有传统类型产品所配用钻头所存在的尼龙管断裂、破损和热胀冷缩问题。（2）冲击能量损耗小，冲击频率高，钻进速度比同类型带尼龙管冲击器快15%～30%。（3）结构更加简单，部件可靠性更好，冲击器寿命更长，维修保养也更加简易。（4）耗气量更低，更加省风省油。该类产品比同类型有尼龙管冲击器产品省油10%以上。具体结构见图5。具体技术参数见表17。

该公司生产155-610规格的水井、建筑桩和

石油钻井用冲击器。该类冲击器也是一种高气压潜孔冲击器。其特点有：（1）采用最新设计优化了内部结构，冲击能传递效率高、钻进速度快、耗气量低。（2）根据钻井类工程施工中钻头断裂打捞十分困难的问题，专门设计了安全可靠的钻头防脱落装置。（3）使用中遇到需要加强排渣的工况，可更换不同尺寸调气孔的逆止阀来实现。（4）接头和卡钎套采用专用牙型的螺纹，使拆卸容易。具体技术参数见表18。黑金刚反循环冲击器基本参数见表19。

表16 黑金刚有尼龙管高气压潜孔冲击器基本参数表

续表16 黑金刚有尼龙管高气压潜孔冲击器基本参数表

图4 黑金刚有尼龙管高气压潜孔冲击器结构图

图5 黑金刚无尼龙管高气压潜孔冲击器结构图

表17 黑金刚无尼龙管高气压潜孔冲击器基本参数表

续表17 黑金刚无尼龙管高气压潜孔冲击器基本参数表

3.2.2 湖南新金刚工程机械有限公司的概况

湖南新金刚工程机械有限公司[6]成立于2011年，位于长沙市娄底经济开发区。是长沙地区一家专业从事潜孔冲击器、潜孔钻机等凿岩机械和钻杆、钻头等钻具研究与制造的现代化高新技术企业。“新金刚”牌产品不仅深受国内市场广大用户好评，产品还远销澳大利亚、智利、加拿大、南非、埃塞俄比亚、马来西亚、韩国、巴西、俄罗斯、台湾、香港等20多个国家和地区。

该公司生产255-305规格的N系列有尼龙管高气压潜孔冲击器，以及255-305规格的N系列无尼龙管高气压潜孔冲击器。

N系列有尼龙管高气压潜孔冲击器采用无阀式配气。主要有以下特点：（1）活塞构造简单，不易损坏。（2）冲击能量传递效率高，钻进速度快，耗气量小，油耗低。（3）产品部件少、结构简单；各部件均经硬化处理，工作寿命长、故障率低、维修方便。（4）接头和卡钎套采用螺纹与外缸联接，便于拆卸。N系列有尼龙管高气压潜孔冲击器技术参数见表20。

N系列无尼龙管高气压潜孔冲击器采用有阀式中心排气。主要有以下特点：（1）比旁侧式排气类产品排出岩粉效果好，可减少岩渣的重复破碎，从而降低钻头的磨损、提高钻进效率；（2）冲击能量传递效率更高、单次冲击功更大，钻进速度更快，耗气量更低；（3）工艺性更好，性能更稳定，使用寿命更长；（4）故障率低，便于保养和维修。N系列无尼龙管高气压潜孔冲击器技术参数见表21。

该公司生产90-305规格的ND系列有尼龙管高气压潜孔冲击器，以及135-305规格的ND系列无尼龙管高气压潜孔冲击器。ND系列有尼龙管高气压潜孔冲击器技术参数见表22，ND系列无尼龙管高气压潜孔冲击器技术参数见表23。

该公司生产110-195规格的NQL系列有尼龙管高气压潜孔冲击器，以及110-215规格的NQL系列无尼龙管高气压潜孔冲击器。NQL系列有尼龙管高气压潜孔冲击器技术参数见表24,NQL系列无尼龙管高气压潜孔冲击器技术参数见表25。

该公司生产110-305规格的NSD系列有尼龙管高气压潜孔冲击器，以及110-305规格的NSD系列无尼龙管高气压潜孔冲击器。NSD系列有尼龙管高气压潜孔冲击器技术参数见表26。NSD系列无尼龙管高气压潜孔冲击器技术参数见表27。