纯水清洁无毒、使用安全、价格低廉,是一种绿色环保的传动介质。水压传动技术已经成功地应用于食品、采煤、采石、冶金、海洋开发、制药等行业。近年来,随着水压传动系统关键元件——水压柱塞泵和水压控制阀的研究取得长足进步,水压传动的实用范围也迅速扩大。在采矿业,随着开采深度的不断增加,尤其是在硬岩金属矿深井采掘中,需从地面或高中段引入清洁水去为作业面降尘降温。如能充分兼用这部分水因落差产生的水力势能去驱动凿岩机及其它作业机械,则可大幅度降低生产成本,节省能量消耗。而水压凿岩机及其核心部件——水压冲击机构则为此项技术发展的关键。水压凿岩机冲击机构承受高频冲击载荷,不仅要解决与水压柱塞泵等同样面临的因水粘性低带来的泄漏与润滑性极差的问题,还要研究能承受冲击载荷作用、耐腐蚀、耐摩擦磨损的冲击活塞—缸体(套)及密封部件等材料。本文选定水压冲击机构两个最主要的关键技术——冲击摩擦副的材料配对及泄漏控制开展了研究工作。在分析了水压冲击机构运动和受力状况的基础上,提出了摩擦副材料的选择及配对原则,引入聚合物材料与不锈钢配对作为水压冲击机构摩擦副新的配对方案。根据水压冲击机构工作条件,研制了3种配方的碳纤维增强聚四氟乙烯(PTFE)复合材料,利用环块摩擦试验机、金相和扫描电子显微镜以及散能分光计等设备对3种复合材料与不锈钢在水润滑条件下的摩擦学特性进行了试验研究,分析了载荷、对磨时间、碳纤维含量、二硫化钼含量、铜粉含量等对摩擦系数和PTFE磨损量的影响。研究发现,在水润滑下,碳纤维含量为15%的PTFE复合材料与高温氮化处理的0Cr17Ni4Cu4Nb在载荷200N、滑动速度5m/s下的摩擦系数仅为0.011,居国内同类材料已见报道之最低位。试验前15min摩擦系数随载荷的增加有所下降,15min后其摩擦系数基本稳定在0.011-0.014,说明15分钟后在不锈钢表面上已经覆盖了碳纤维,两者之间的摩擦基本变成了碳—碳之间的摩擦,因而摩擦系数相当低。碳纤维PTFE复合材料的主要磨损机理是疲劳磨损,碳纤维含量越高,摩擦系数就越低；载荷从100N到250N,磨损量随载荷的增加而降低,从250N开始磨损量随载荷的增加而增加。采用线性极化法,对3种不锈钢材料经热处理或高温氮化处理后的防锈性能进行了研究,并和未经处理的不锈钢进行了电化学腐蚀对比试验。结果表明,不锈钢经热处理或高温氮化处理后防锈性能有所下降；经热处理或固溶化处理后的不锈钢材料中,316L和2205的防锈性能要好于17-4PH。试验了零件表面盐浴复合氮处理、热喷涂纳米陶瓷、镀硬铬等表面防锈方法。试验结果表明：盐浴复合氮化处理技术可以满足凿岩机缸体、连接体、机头等非直接摩擦件的防腐蚀要求,但不能作为承受强烈冲击载荷作用的冲击活塞及配对零件的表面防锈处理方法；通过采取某些改进措施保证镀铬层的结合力和致密性,表面镀硬铬防锈可以满足中低冲击能(≤120J)凿岩机冲击活塞的处理要求。压力水在环形间隙中流动的理论分析和试验研究以及基于AMESim软件进行的仿真分析表明：工程流体力学中提出的环形缝隙中的层流流量计算公式并不是任何条件下都适用,只有配合间隙小于0.01mm,或配合间隙小于0.03 mm而流体压力小于6.3MPa,才是完全的层流流动。超出此范围即为层流与紊流的混合流动,其流量要小于层流流量,间隙越大,压力越高,越接近紊流。压力大于10.0MPa,或间隙大于0.05 mm时基本接近于紊流。在工程实际中,大部分的工作状态都为混合流或紊流。间隙值在0.02 mm左右、密封长度大于20mm是水压元件及凿岩机冲击机构摩擦副配合的最佳间隙值,此时泄漏流量较小,既保证了容积效率,又兼顾了机械加工精度和加工成本。适当增加密封长度可以进一步增大间隙值。在此基础上,分析了影响冲击机构内部能量损失的主要因素,建立了层流和紊流状态下配合间隙中泄漏引起的能量损失基本方程；分析了由于能量损失转变为热量对流体温度和粘度变化的影响；提出了按密封段分段法计算活塞一个冲击运动周期内内部能量损失的新方法,并分别建立了前腔常压、后腔交变压力的单面回油型冲击机构在层流和紊流状况下各密封段的总能量损失方程。提出了最小允许间隙的确定准则,建立了最大间隙与合理密封长度的计算公式和控制范围。应用上述研究成果,研制成功了国际上第一台SYYG65型导轨式水压凿岩机。该机采用前腔常压、后腔交变压力的单面回油型冲击机构和内回转转钎机构,最高工作压力10MPa,使用按分段法建立的基于紊流流动理论的内部能量损失方程对活塞与前后支承套、缸套之间的配合间隙大小和密封长度进行了设计计算,对活塞、缸体、缸套、前后支承套、密封件及配流滑阀等主要零部件的结构、材料选用及配对和防锈处理方法等进行了分析和设计。在运用等加速模型对凿岩机冲击性能进行计算的基础上,首次运用点变换方法对循环中的水压力作功简便地进行了计算,并对冲击机构的动力过程采用计算机模拟程序作出了更加精确的描述。利用自行研制的国内首套水力凿岩实验系统开展了导轨式水压凿岩机的性能测试工作。试验结果表明：在水压为9.12 MPa,流量为73.90L／min时,凿岩机冲击能达到85.616J,能量利用率为20.99%,和主要性能参数的计算结果基本一致,达到了设计要求。该水压凿岩机在9.124MPa时的最大钻进速度449mm／min,超过了加拿大水压凿岩机试验时13MPa压力时的钻进速度(420mm／min).