近年来,由于人类社会的迅速发展,使得矿产资源的消耗与日俱增。浅层区域与易进入区域的的露矿和浅层矿大多已开采殆尽,矿产资源的勘探与开采逐渐转向深层矿和复杂地层矿发展。面对矿产资源勘探与开采的新趋势,传统的钻探技术无法满足当前矿产资源勘查与开采的技术需要。气动冲击器凭借其钻进效率高、成孔质量高、所需钻压和转速小、排渣干净、钻头寿命长和对环境无污染等诸多优点,深受国内外钻探行业的重视。现场所用的气动冲击器在展现出独特优点的同时,也暴露出钻机利用率低、活塞断裂严重和钻井成本高等不足。为解决现场所用气动冲击器存在的不足,研究了一种新型高风压无阀式冲击器。其主要研究内容与结论如下:(1)高风压无阀式气动冲击器方案设计:参考气动手册及同尺寸气动冲击器的结构特点,结合高风压无阀式冲击器的应用场所与操作方式,完成高风压无阀式冲击器的参数设计,由此确立主要零部件结构,从而明确工具的整体结构。(2)活塞运动数学模型建立:根据所设计的高风压无阀式冲击器结构参数和工作原理,将活塞返程运动和冲程运动各分成五个阶段,以此描述各气室气体在活塞整个运动过程中所处的不同状态,结合气体流动理论,并联立活塞运动方程、气室气体状态方程以及孔口流量方程,建立活塞非线性动力学数学模型。(3)活塞过渡段结构研究:针对活塞过渡段经常发生断裂失效问题,为减少活塞疲劳失效现象,延长活塞使用寿命。根据活塞与钎头碰撞特性以及材料属性,建立活塞与钎头碰撞仿真模型,采用有限元显示动力学方法,基于最大工作风压2.5MPa,活塞冲击末速度为9.2m/s的工况,利用有限元分析软件Ansys对活塞撞击钎头进行动力学模拟仿真研究。得到活塞过渡段常用连接类型:圆弧连接、直线连接以及圆弧加直线连接的结构参数对活塞过渡段安全因子、最大应力和最大应变的影响规律。最终研究发现圆弧半径为4mm加斜线角度为11°的连接结构类型是8″冲击器的最优结构。研究内容为活塞的结构优化提供方法和设计基础。(4)关键零件结构优化:为得到更优的工作性能,在已有的结构尺寸基础上,分别对气缸和活塞后端的相关结构尺寸进行优化。在最小工作风压1MPa和最大工作风压2.5MPa两种工况下,通过性能计算数学模型对气缸相关性能结构尺寸进行研究。最终研究发现工作风压为1MPa时,改变气缸结构使得后气室进气长度为7mm时,气缸结构尺寸最优;工作风压2.5MPa时,改变气缸结构使得后气室进气长度为13mm时,气缸结构尺寸最优。同样的,采用单因素敏感性分析方法对活塞后端相关结构尺寸进行研究,通过性能计算数学模型得到不同结构尺寸下的冲击功、频率和耗气量影响规律。然后采用多目标优化方法,以冲击功、频率和耗气量为优化目标,对活塞后端相关结构尺寸进行优化分析,最终优化后的结构相较原结构冲击功增加了8.26%,而频率和耗气量变化微小。研究内容为高风压无阀式冲击器的结构设计和优化提供理论基础,为同类型其他工具的设计及优化提供参考。