Nguyên lý thiết kế của dụng cụ khoan đá dựa trên sự hiểu biết sâu sắc về cơ chế phá đá. Thông qua cấu hình phối hợp giữa kết cấu cơ khí và hệ thống điện, năng lượng đầu vào được chuyển đổi một cách hiệu quả thành lực phá hủy tác động lên đá ở đáy hố, nhờ đó hình thành hố nhanh chóng và vận hành ổn định. Về cơ bản, nó sử dụng tác động, chuyển động quay và các tác động kết hợp để tạo ra các vết nứt và nứt vỡ trong đá dưới sự tập trung ứng suất và lực cắt. Toàn bộ thiết kế xoay quanh việc truyền năng lượng, điều chỉnh ứng suất và thích ứng với điều kiện làm việc.
Từ góc độ cơ chế phá đá, cường độ nén của đá cao hơn nhiều so với cường độ kéo và cường độ cắt của nó. Đặc điểm này thường được sử dụng trong thiết kế. Tác động tạo ra các sóng ứng suất áp suất cao-nhanh chóng ở đáy lỗ, hình thành các vết nứt hướng tâm và chu vi trong đá. Sau đó, sự quay hoặc tác động liên tục làm cho các vết nứt mở rộng và xuyên qua, cuối cùng đẩy các mảnh đá ra khỏi lỗ dưới lực đẩy dọc trục. Dựa trên sự khác biệt về thạch học, các công cụ có thể được chia thành loại tác động-chiếm ưu thế, xoay-cắt-chiếm ưu thế và loại tác động-xoay kết hợp-chiếm ưu thế, tương ứng với các chế độ tác động ứng suất và phương pháp loại bỏ xỉ khác nhau.
Cấu trúc truyền tải điện là yếu tố cốt lõi của thiết kế. Dụng cụ khoan đá bằng khí nén sử dụng khí nén làm nguồn năng lượng. Luồng khí được điều khiển bằng van phân phối để lần lượt đi vào hai khoang của xi lanh, dẫn động pít-tông theo chuyển động tịnh tiến có tần số-cao, chuyển đổi năng lượng áp suất không khí thành năng lượng va chạm. Mặt khác, các công cụ khoan đá thủy lực sử dụng bơm thủy lực để tạo ra dầu có áp suất-cao, dẫn động pít-tông tác động và động cơ quay, kết hợp ưu điểm của mô-men xoắn cao và tần số tác động có thể kiểm soát được. Cả hai loại nguồn điện đều yêu cầu các giải pháp về hiệu suất chuyển đổi năng lượng, sự phù hợp giữa năng lượng và tần số va chạm cũng như độ ma sát thấp và độ tin cậy cao của các bộ phận chuyển động.
Thiết kế bộ truyền động phải xem xét sự phối hợp giữa đầu tác động và đầu quay. Cặp tiếp xúc giữa piston và mũi khoan ở đầu va đập phải có khả năng chống mài mòn, chống mỏi cao; hành trình và khối lượng xác định độ lớn của năng lượng va chạm đơn lẻ. Đầu quay truyền chuyển động quay đến cần khoan thông qua các bánh răng hoặc trục xoay, đảm bảo truyền động ổn định ngay cả khi chịu các lực phản lực va chạm. Việc thiết kế cơ cấu đẩy và dẫn hướng phải đảm bảo trục cần khoan thẳng hàng với trục lỗ tránh bị lệch dẫn đến kẹt mũi khoan hoặc hình dạng lỗ không đều. Kiểm soát lực dọc trục có thể điều chỉnh đảm bảo sự phù hợp tối ưu giữa tác động và chuyển động quay.
Thiết kế hệ thống phụ trợ phản ánh việc xem xét khả năng thích ứng với điều kiện làm việc. Hệ thống cấp nước bơm nước sạch vào đáy lỗ khoan để làm mát mũi khoan và ngăn bụi, đá vụn. Tốc độ dòng chảy và áp suất của nó phải phù hợp với tần số tác động. Hệ thống bôi trơn liên tục cung cấp sương dầu hoặc dầu thủy lực cho các bộ phận chuyển động để giảm mài mòn và duy trì độ kín. Cấu trúc giảm tiếng ồn và giảm rung làm giảm tác động bất lợi của tiếng ồn và độ rung đối với người vận hành và bản thân thiết bị.
Trong thiết kế hiện đại, việc giới thiệu các cảm biến và bộ điều khiển đã mở rộng nguyên tắc từ đầu ra năng lượng cơ học đơn giản đến điều chỉnh thông minh. Bằng cách giám sát các thông số như tần số va chạm, mô men quay, lực đẩy và nhiệt độ trong thời gian thực, hệ thống điều khiển có thể tự động điều chỉnh công suất đầu ra và các thông số vận hành để thích ứng với các loại đá và điều kiện làm việc khác nhau, duy trì hoạt động phá đá hiệu quả và-tổn thất thấp.
Nhìn chung, nguyên tắc thiết kế của dụng cụ khoan đá dựa trên cơ học đá. Thông qua chuyển đổi năng lượng, phối hợp tác động và xoay, hướng dẫn động cơ đẩy và tích hợp hệ thống phụ trợ, nó đạt được mức sử dụng năng lượng hiệu quả và điều kiện làm việc thích ứng, cung cấp phương tiện phá đá và hình thành lỗ khoan đáng tin cậy cho khai thác mỏ và kỹ thuật địa kỹ thuật.
