El principi de disseny de les eines de perforació de roques es basa en una comprensió profunda del mecanisme de trencament de roques. Mitjançant la configuració coordinada de l'estructura mecànica i el sistema de potència, l'energia d'entrada es converteix de manera eficient en força destructiva que actua sobre la roca a la part inferior del forat, aconseguint així una ràpida formació de forats i un funcionament estable. Essencialment, utilitza l'impacte, la rotació i les accions combinades per induir esquerdes i esquerdes a la roca sota concentració de tensió i cisalla. Tot el disseny gira al voltant de la transferència d'energia, la concordança de l'estrès i l'adaptació a les condicions de treball.
Des de la perspectiva del mecanisme de trencament de la roca, la resistència a la compressió de la roca és molt superior a la seva resistència a la tracció i al tall. Aquesta característica s'utilitza sovint en el disseny. L'impacte genera ones transitòries de tensió d'alta pressió-a la part inferior del forat, formant esquerdes radials i circumferencials dins de la roca. Posteriorment, la rotació o l'impacte continu fa que les esquerdes s'expandeixin i penetrin, expulsant finalment els fragments de roca del forat sota una empenta axial. D'acord amb les diferències litològiques, les eines es poden dividir en tipus d'impacte-dominant, rotació-tall-dominant i impacte-rotació combinada-tipus dominants, corresponents a diferents modes d'acció de tensió i mètodes d'eliminació d'escòries.
L'estructura de transmissió de potència és l'element central del disseny. Les eines pneumàtiques de perforació de roques utilitzen aire comprimit com a font d'energia. El flux d'aire està controlat per una vàlvula de distribució per entrar alternativament a les dues cambres del cilindre, impulsant el pistó en un moviment alternatiu d'alta-freqüència, convertint l'energia de la pressió de l'aire en energia d'impacte. Les eines de perforació de roques hidràuliques, d'altra banda, utilitzen una bomba hidràulica per produir oli d'alta pressió -, impulsant el pistó d'impacte i el motor rotatiu, combinant els avantatges d'un parell elevat i una freqüència d'impacte controlable. Tots dos tipus de potència requereixen solucions per a l'eficiència de conversió d'energia, la combinació d'energia i freqüència d'impacte, i la baixa fricció i alta fiabilitat de les parts mòbils.
El disseny de l'actuador ha de tenir en compte la coordinació entre l'extrem d'impacte i l'extrem giratori. El parell de contacte entre el pistó i la broca a l'extrem de l'impacte ha de tenir una alta resistència al desgast i resistència a la fatiga; la carrera i la massa determinen la magnitud de l'energia d'impacte única. L'extrem giratori transmet el moviment de rotació a la vareta de perforació a través d'engranatges o estriades, assegurant una transmissió estable fins i tot sota les forces de reacció d'impacte. El disseny dels mecanismes de propulsió i guia ha d'assegurar que l'eix de la vareta de perforació estigui alineat amb l'eix del forat per evitar la desalineació que condueixi a l'encallament del trepant o la forma irregular del forat. El control de força axial ajustable garanteix una combinació òptima de les accions d'impacte i rotació.
El disseny del sistema auxiliar reflecteix la consideració de l'adaptabilitat a les condicions de treball. El sistema de subministrament d'aigua injecta aigua neta a la part inferior del forat per refredar la broca i suprimir la pols i els talls de roca. El seu cabal i pressió s'han d'ajustar a la freqüència d'impacte. El sistema de lubricació subministra contínuament boira d'oli o oli hidràulic a les peces mòbils per reduir el desgast i mantenir el segellat. Les estructures de reducció de soroll i d'amortiment de vibracions redueixen els efectes adversos del soroll i la vibració sobre els operadors i el propi equip.
En el disseny modern, la introducció de sensors i unitats de control amplia el principi des de la simple sortida d'energia mecànica fins a la regulació intel·ligent. Mitjançant el seguiment de paràmetres com ara la freqüència d'impacte, el parell de rotació, la força de propulsió i la temperatura en temps real, el sistema de control pot ajustar dinàmicament la potència de sortida i els paràmetres de funcionament per adaptar-se a diferents tipus de roques i condicions de treball, mantenint una ruptura eficient de les roques i un funcionament amb baixes -pèrdues.
En general, el principi de disseny de les eines de perforació de roques es basa en la mecànica de les roques. Mitjançant la conversió de potència, la coordinació d'impacte i rotació, la guia de propulsió i la integració del sistema auxiliar, aconsegueix una utilització eficient de l'energia i condicions de treball adaptatives, proporcionant un mitjà fiable de trencament de roques i formació de forats per a la mineria i l'enginyeria geotècnica.
