射流式液动锤增设蓄能装置的数值分析与实验研究
摘要
构建合理的数学模型，开发模拟仿真软件，对射流式液动锤
进行数值分析，可以大大缩短优良性能产品的研制开发周期，降
低试制成本和风险，是射流式液动锤理论研究的重要方面。前人
已 有 数 学 模 型 预 测 的 射 流 式 液 动 锤 前 后 腔 压 力 变 化 曲 线 无 论 在
形状还是在数值上与实测曲线有较大的差距，对驱使活塞冲锤运
动的作用力——前后腔液体压力的数学描述不尽合理，忽略了射
流式液动锤的心脏和灵魂——射流元件的存在。依据前人已有模
型和软件预言，随着活塞冲锤质量的增加，冲击功和冲击频率都
增加，而多次重复试验明确证明，冲击功增加，冲击频率降低。
另外，前人已有模型没有涉及储能装置。因此，为推进无储能装
置和有储能装置的射流式液动锤内部动力过程的理论研究，有必
要进一步深入研究改进射流式液动锤内部动力过程的数学模型。
射流式液动锤单次冲击功和工作稳定性的显著提高，将大幅
度地提高冲击破碎岩石的效率，明显改善坚硬岩石钻进效果，促
进它在油气钻井、地热钻井、大陆和大洋科学钻探、非开挖导向
钻进、基岩水井钻凿等领域的推广应用。前人为此做了大量卓有
成效的工作，积累了宝贵的经验，获得了大量珍贵的数据。但是
射 流 式 液 动 锤 的 活 塞 冲 锤 冲 击 末 速 度 与 气 动 和 油 压 冲 击 器 普 遍
达到的 8~10m/s 冲击末速度相比还相距甚远,冲击节奏的稳定性
也有待显著提高。深入分析研究表明，气动和油压冲击器冲击末
速度之所以可以达到材料许可的冲击速度的极限值，关键在于二
者都存在储能机制。储能机构的存在是油压冲击器在小流量、高
泵压条件下得以节奏稳定地输出高冲击功的最关键因素之一。因
此，有必要借鉴气动和油压冲击器的储能机制，对射流式液动锤
上增设储能装置进行理论研究和试验研究。
本文针对上述问题进行了研究，内容包括：(1)无储能装置的
射流式液动锤内部动力过程新模型。(2)有储能装置（包括前腔单
独接蓄能器、后腔单独接蓄能器、前后腔均接蓄能器、后端设蓄
能器缓冲储能和后端设弹簧储能。）的射流式液动锤内部动力过
程数学模型。(3)基于新构建的系列模型开发数值分析软件。(4)
运用基于新系列新模型的新仿真软件分析 16 个参数的变化对射
流式液动锤性能的影响，寻找有利于大幅度提高活塞冲锤冲击末
速度的结构形式和参数组合。(5)研制开发冲击末速度非接触测定
系统，提高测试的精度和可靠性；引进新的冲击频率精确测定工
具。(6)开展射流式液动锤前后腔增设蓄能器的试验研究。
基 于 新 构 建 的 无 蓄 能 装 置 的 射 流 式 液 动 锤 “ 类 冲 击 式 水 轮
1
机”模型，预言的各参数对射流式液动锤性能影响规律与前人经
反复确认的试验结果在变化趋势上完全一致。受冲击式水轮机的
原理及其力学模型启发，作者在国内外首次构建了将射流元件包
含在内的射流式液动锤模型，推导得到了物理含义清晰的射流式
液动锤前后腔液体压力的明确数学表达式，依据大量计算数据描
绘 的 前 后 腔 液 体 压 力 随 时 间 变 化 的 曲 线 与 实 测 曲 线 在 形 状 上 很
相似，清楚地反映了行程终了时水击压力及每个活塞冲锤运动周
期内前后腔压力的变化过程。依据数值分析结果描绘的前后腔压
力变化曲线各点的数值与实测数据有一定差距，原因在于：一是
测试系统有误差；更重要的是随机干扰因素（如活塞冲锤加工装
置精度不高导致活塞冲锤受到附加的摩擦力。）实际上普遍存在，
但难以描述和预测，模型中为简化起见未加考虑。
基于无储能装置的射流式液动锤“类冲击式水轮机”模型，
结合理想气体绝热过程方程等，扩展建立了有储能装置的系列数
学模型，可以用来分析预测前后腔液体压力、蓄能器内气体体积
和压力随时间的变化过程。
在 Visual Basic 6.0 开发平台上开发的仿真分析软件包含了作
者建立的系列数学模型，功能较强、界面简单清晰、交互性好。
该 数 值 分 析 软 件 可 以 计 算 分 析 给 定 参 数 条 件 下 的 无 储 能 装 置 和
有储能装置射流式液动锤的性能参数，每隔 10 个时间步长自动
将过程数据输出到 Excel 文件，以绘出前后腔压力、活塞冲锤运
动的加速度、速度和位移、蓄能器容积和压力等随时间变化曲线；
计算分析 15 个参数对射流式夜动锤性能影响的规律。
数值分析结果表明，前后腔连接蓄能器对活塞冲锤冲击末速
度和单次冲击功、冲击频率等影响很小；弹簧缓冲储能对活塞冲
锤冲击末速度和单次冲击功、冲击频率等影响也很小；后端设蓄
能器缓冲储能对单次冲击功、冲击频率等影响显著。后端缓冲蓄
能器的充气压力、初始容积的变化并不引起射流式液动锤性能的
显著变化，但与无储能装置时相比，活塞冲击末速度可提高 46%～
62%，频率可提高 10%～ 15%。活塞杆缓冲段直径和缓冲行程的变
化可以引起冲击功和冲击频率的很显著变化。在其它条件一定的
情况下，活塞杆缓冲段直径从Φ42mm 减小到Φ10mm,冲击末速度
从 4.23m/s 增加到 8.22m/s，与无储能装置时相比，冲击末速度
和 冲 击 ?
Elaborately designed mathematical model of liquid jet
hammer and simulation software upon the model are important
to the optimization of its performance. In the model developed
by other researchers the fluidic amplifier— the core component
of the hammer was ignored, which resulted in great difference
between the simulated P— T curves and the observed. The old
model predicts that the increase of mass of the piston-block
unit will result in the increase of impact energy and blow
frequency, while the results of repeated experiments show that
impact energy increases and blow frequency decreases.
Besides, the impact of the energy-saving mechanism isn’t
considered in the old model.
In this work new mathematical models were elaborately
built and discussed in detail. These models include the model
without energy-saving mechanism and models with
energy-saving mechanism. Based upon the new models, a
new simulation software was developed. With the help of the
software the impacts of 15 parameters on the performance of
liquid jet hammer were numerically analyzed.
The new model of the liquid jet hammer without
energy-saving mechanism was similar to that of an impulse
water turbine. In the new model, the fluidic amplifier is
considered, and the pressures of liquid in the fore and rear
working chamber were expressed clearly in mathematical
forms. The figures of P— T curves predicted by the model are
basically similar to the observed. The magnitudes of pressure
pulses produced at the end of each stroke can be predicted
relatively precisely according to the new model and simulation
software. The predicted impacts of parameters upon the
performance of the liquid jet hammer are consistent with the
4
results of previous repeated experiments. But there exist
errors caused by some random factors such as additional
friction forces between the piston-block unit and the outer tube.
Such factors are not taken into account because of their
complexity but their impacts are usually great.
On the basis of the model of liquid jet hammer without
energy-saving mechanism, models of liquid jet hammer with
energy-saving mechanism were set up. According to the
models, the performance of liquid jet hammer with
energy-saving mechanism, the pressures of the liquid in the
fore and rear chamber and the volumes and pressures of the
accumulators can be predicted.
The results of numerical analysis show that: (1) the
impacts of accumulators connected to the fore and rear
chamber on impact energy and blow frequency are very little.
(2) the impacts of energy-saving mechanism of spring on the
performance of liquid jet hammer are also little. (3) the impacts
of energy-saving mechanism of buffering accumulator fixed at
the rear end of the inner cylinder are great.
According to the results of numerical analysis, the
performance of liquid jet hammer is not sensible to change of
initial volume and charge pressure of the buffering accumulator,
but the impact velocity of the piston-block unit and blow
frequency will increase by 46% ～ 62% and 10% ～ 15%
respectively when buffering accumulator is connected. Change
of the diameter of the buffering section of the piston could
cause great changes of impact velocity and blow frequency.
Under a definite condition, when the diameter of the buffering
section of the piston varies from Φ 42mm to Φ 10mm, the
impact velocity will increase from 4.23m/s to 8.22m/s.
Compared with the liquid jet hammer without energy-saving
mechanism, impact velocities and impact energy increase by
77% ～ 244% and 213% ～ 1083% respectively, and blow
frequency increase by 28.4% ～ 46.6%. Under definite
conditions change of the buffering stroke (defined as the
distance between the rear end and the inlet of the buffering
5
cavity in the inner cylinder when the piston-block unit at the
lowest positio
引文
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