空气锤钻井技术以小钻压、低转速、机械钻速高、防斜能力强等技术优势,在钻进硬质、复杂、高陡、易斜地层中取得了良好的经济效益,成为气体钻井的首选。然而作为气体钻井主要破岩工具的空气锤在现场应用中也存在钻头掉落、钻具失效、不能应用于水平井、大位移井、定向井钻井作业等不足,这严重影响了空气锤的钻进效率和应用范围。本文在深入调研国内外空气锤的基础上,应用现代凿岩理论,设计了一种新型自转式空气锤,它依靠高压气体提供的动力实现钻头冲击和旋转两个运动,在工作时,钻杆不旋转,有效的减轻了钻柱的受力情况,同时该空气锤采用一种新的防掉机构,以避免钻头落井等井下事故。开展新型空气锤—自转式空气锤的研究,必将为空气锤在定向井、大位移井、水平井等现代钻井技术的应用方面开辟新的领域,是空气锤未来的主要发展方向。本论文开展的具体工作如下：(1)国内外空气锤的文献调研。收集了国内外有关空气锤的文献资料、专利及在我国油气田的现场应用现状。(2)空气锤结构及工作原理研究。收集了国内外典型的空气锤结构,研究其工作原理,确定自转式空气锤结构设计的原则及方法。(3)自转式空气锤整体结构设计。设计了两种自转式空气锤的设计方案,并对其进行了优选,应用凿岩理论对其工作参数、结构参数及性能参数进行设计计算,利用Pro/e软件建立了自转式空气锤的三维实体模型。(4)主要部件的强度校核。利用理论计算及有限元分析的方法对螺旋棒与螺旋母、活塞与传动套、传动套与钎头等进行强度校核。(5)活塞—钎头冲击动力学分析。利用冲击动力学软件ANSYS/LS-DYNA建立了活塞—钎头的冲击动力学模型,对其强度进行了冲击动力学分析,并在此基础上对钎头和活塞结构进行了优化,研究了冲击过程中的能量转化规律和活塞的冲击末速度与最大Von Mises应力间的关系。(6)针对设计的自转式空气锤加工、组装样机并进行样机室外试验,验证了结构设计的可行性。