冲击式凿岩是应用最广的凿岩方式，但存在能量传递不连续的缺点，因而在向岩石传递能量的瞬间能量密度很高。近十五年来，由于采用了液压凿岩机以及大大提高了潜孔钻机的工作介质压力，冲击式凿岩的能量密度也随之显著增大，使冲击式凿岩系统中的各个部件必定要承受较高的动载荷。控制部件承受的应力，迄今为止无非是采用新的结构设计和不断地研究新材料，其目的在于使各部件在高负荷状态下有较长的使用寿命，从而保证设备正常运转，同时也使备件、易损件和钻具等项开支保持在较低的水

目前，通过采取有效措施，冲击式凿岩设备部件在其寿命范围内一般可冲击2x10⁶~4x10⁷次左右。部件损坏的主要原因是:动载荷造成了材料疲劳；个别情况下过载引起了强制性断裂；由于磨损造成断裂或报废；磨损后尺寸不足；钎头硬质合金部分磨损、断裂及脱落等。

当然，人们不可能同时排除以上这些损坏原因，往往只能找到一些折衷方案，其中应当注意的是部件的疲劳断裂。它发生得十分突然，因而危害也最大。

就材料特性而言，在那些经过次数不太高的冲击后就会出现断裂的所谓"低循环疲劳"载荷下用高韧性材料，在大于10⁵次冲击后才产生断裂的所谓"高循环疲劳"载荷下用高强度材料有利于延缓疲劳裂纹的生成。裂纹扩展在低循环疲劳中对部件的总寿命影响较大。内部缺陷(如浇铸缩孔、熔渣、夹杂物等)及外部缺陷(如淬火裂纹、刮痕、刀痕、磨损腐蚀等)都可能大大缩短裂纹生成的时间。在开槽部件中，采用表面硬化处理可以延长部件寿命。由于外部损伤不能完全避免，因此，在高循环疲劳范围内选择材质应当遵循"强度按需要、韧性按可能"的原则。

冲击式凿岩设备中特别容易断裂的是参与直接传递冲击能的那些部件，如活塞、钎尾、钎杆和钎头。对上述部件起导向或夹持作用的一些部件以及那些由于自身的运动同样也置于剧烈的交变载荷之下的部件，也有断裂的可能。为了探讨提高部件使用寿命的技术措施，现以直径为85~95毫米的深孔钻头和风动凿岩机的配气阀为例分述如下。

直径85~95毫米的潜孔钻头

这种钻头可用于LH78S型潜孔钻机。近十年来，该种凿岩机械的工作介质压力已从原来的7~8巴提高到目前的11巴左右，有的则更高些。这一发展以及采用柱齿钻头引起了有关厂家对不同的热处理方法和不同的硬化及强化过程对钻头持续强度的影响进行了深入的研究。

图1为这种潜孔钻头用三种不同的加工方案(A、B、C)时的表面硬度分布。图2为根据线弹性冲击理论算出的轴向 应力分布，主应力峰值出现在直径变化最大的部位。此处还有一个开槽(R=4毫米，α_k=2.2)，也是对持续强度不利的。同时这也是由于孔底不对称的冲击条件而产生剧烈弯曲应力的部位。

如图1所示，采用A加工方案表面硬度约为60HRC，C加工方案约为52HRC。B加工方案也为60HRC，但是由于加工方式的变化，在硬度过渡区内，表面硬度可能降至50HRC左右。

根据断裂强度R_m，对不同的加工方案所算出的临界位置上直到生成裂纹时载荷循环次数N_i为:

若将这些载荷循环次数与实际凿岩试验取得的数据进行比较(图3)，两者的吻合程度是合适的。ÜW₅₀为有50%超寿命几率的载荷交变次数。故障特性曲线的陡度是寿命值数据分散的一个量度，它受钻头加工制造的稳定性和由于岩石及凿岩参数条件所决定的载荷变化影响。

曲线A的ÜW₅₀。值不表示疲劳问题，因为该值反映的是其它损坏原因(钻头磨损引起的硬质合金柱齿脱落)。在该种岩石条件下，它相当于5x10⁶次载荷交变，但反映疲劳问题它可超过10⁷次载荷交变(计算值:N_i=1.4x10⁷)。由于一次也没有出现疲劳断裂的情况，而且部件的寿命也是令人满意的，A加工方案相应于这一应力值的高循环疲劳问题就算解决了。

C加工方案的ÜW₅₀值为1.7x10⁶，与计算值1.6x10⁶基本一致。这表示对当时所承受的载荷来说，有断裂危险部位表面的硬度和强度太低，以致不能达到令人满意的寿命。此外，C加工方案在断裂位置2上(图2)也出现了疲劳断裂。前盖花键轴正好到这个位置。由于C加工方案表面硬度较低，那里就出现了磨损，这是日后的疲劳断裂的原因。

在B加工方案中突出的是损坏曲线上升较平缓。数据较为分散的原因在于硬度过渡区的位置不定。按槽底的硬度，钻头相当于A型或C型的。

总之，开槽部位必须有足够的"局部"疲劳强度。这种情况下要求硬度大于58HRC。要进一步提高凿岩设备的工作介质压力就要重新设计钻头，才能使其寿命保持在高水平上。

风动凿岩机配气阀

在对一种新型手持式风动凿岩机进行试验时，样机的配气阀存在着严重的使用寿命问题。当时的寿命只有50个工作小时左右。

为此，进行了深入的分析研究。配气阀采用的材料为100MnCrW₄。经热处理,硬度为53HRC左右。

配气阀在每个运动循环中都有冲击制动过程发生，于是在滑阀中就产生了脉冲应力波。由于功能方面的要求，配气阀的几何形状呈现突变的断面，因此，在这些断面变化最大部位产生了很高的应力载荷。此外，这些承受高载荷部位的过渡半径很小，由于与此相关的应力集中系数所致又进一步显著地加大了此处实际出现的载荷。这是在相当短的时间内就出现了疲劳断裂的原因所在。此外，对断裂面的研究还表明，2微米深的加工刀痕是引起裂纹生成的原因。

材料的选择和热处理工艺也很重要。因为尽管气阀承受很高的持续动载荷，但关键参数不是材料的韧性而是它的强度。根据研究分析结果采取了如下有效措施:在临界部位采用校为有利的过渡半径减小应力集中；在危险部位通过改进表面质量防止过早生成裂纹；通过提高材料强度(将硬度从53HRC提高到57HRC)增强抗裂纹形成能力。这样，成批生产的配气阀承受载荷交变次数可超过3x10 次，相当于原来的30倍。研究计算表明，在结构上采取降低25%冲击应力(σ_α)的措施,寿命提高约11倍，而在材料方面再采取提高15%强度(R_m)的措施，寿命还可提高约4倍。总合起来可提高寿命40倍。

此外，整体钎杆钎尾和接汗钎开的尾杆也很容易发生疲劳断裂，只要加工或选材不注意，就会出现这类危险。因此，必须对过渡半径的硬化和强度问题给予充分的重视。而对于一些高强度材料的部件而言，重要的是防止在加工过程中出观擦伤现象。比如象液压凿岩机的钎尾螺纹件，只要螺纹加工不适当，整个部件在很短时间内就可能报废。可采取的相应措施是:通过选择适宜的螺纹以减少螺纹面之间的相对运动;选择适合的工作压力和扭矩，创造良好的热传递及润滑条件等。