Princip konstrukce nástrojů pro vrtání hornin je založen na hlubokém pochopení mechanismu rozbíjení hornin. Prostřednictvím koordinované konfigurace mechanické struktury a energetického systému je vstupní energie účinně přeměněna na destruktivní sílu působící na horninu na dně díry, čímž je dosaženo rychlého vytvoření díry a stabilního provozu. V podstatě využívá náraz, rotaci a kombinované akce k vyvolání trhlin a odlupování v hornině při koncentraci napětí a střihu. Celý design se točí kolem přenosu energie, přizpůsobení zátěži a přizpůsobení pracovním podmínkám.
Z hlediska mechanismu lámání hornin je pevnost horniny v tlaku mnohem vyšší než její pevnost v tahu a ve smyku. Tato vlastnost je často využívána v designu. Náraz generuje přechodné vlny vysokého tlaku- na dně díry a vytváří radiální a obvodové trhliny ve skále. Následně rotace nebo nepřetržitý náraz způsobí, že se trhliny rozšíří a proniknou, což nakonec vytlačí úlomky horniny z otvoru pod axiálním tlakem. Na základě litologických rozdílů lze nástroje rozdělit na dominantní typy nárazové{5}}dominantní, rotační{6}}řezání-dominantní a nárazové-kombinované rotační-typy, které odpovídají různým režimům působení napětí a metodám odstraňování strusky.
Struktura přenosu energie je základním prvkem designu. Pneumatické nástroje pro vrtání hornin používají jako zdroj energie stlačený vzduch. Proud vzduchu je řízen distribučním ventilem, který střídavě vstupuje do dvou komor válce a pohání píst vysokofrekvenčním vratným pohybem, který přeměňuje energii tlaku vzduchu na energii nárazu. Hydraulické nástroje pro vrtání hornin naproti tomu využívají hydraulické čerpadlo k výstupu vysokotlakého- oleje, který pohání nárazový píst a rotační motor, přičemž kombinuje výhody vysokého točivého momentu a řiditelné frekvence úderů. Oba typy napájení vyžadují řešení pro účinnost přeměny energie, přizpůsobení nárazové energie a frekvence a nízké tření a vysokou spolehlivost pohyblivých částí.
Návrh pohonu musí vzít v úvahu koordinaci mezi nárazovým koncem a otočným koncem. Kontaktní pár mezi pístem a vrtákem na rázovém konci musí mít vysokou odolnost proti opotřebení a odolnost proti únavě; zdvih a hmotnost určují velikost energie jednotlivého nárazu. Rotující konec přenáší rotační pohyb na vrtací tyč přes ozubená kola nebo drážkování, což zajišťuje stabilní přenos i při silách reakce nárazu. Konstrukce pohonných a vodicích mechanismů musí zajistit, aby osa vrtací tyče byla vyrovnána s osou otvoru, aby se zabránilo nesouososti vedoucí k zaseknutí vrtáku nebo nepravidelnému tvaru otvoru. Nastavitelná regulace axiální síly zajišťuje optimální přizpůsobení nárazu a rotace.
Návrh pomocného systému odráží zohlednění adaptability na pracovní podmínky. Systém přívodu vody vstřikuje čistou vodu do dna vrtu, aby chladila vrták a potlačila prach a kamenné odřezky. Jeho průtok a tlak musí být přizpůsobeny frekvenci nárazů. Mazací systém nepřetržitě dodává olejovou mlhu nebo hydraulický olej do pohyblivých částí, aby se snížilo opotřebení a zachovalo těsnění. Konstrukce pro snížení hluku a tlumení vibrací snižují nepříznivé účinky hluku a vibrací na obsluhu a samotné zařízení.
Zavedení senzorů a řídicích jednotek v moderním designu rozšiřuje princip od jednoduchého mechanického výdeje energie k inteligentní regulaci. Sledováním parametrů, jako je frekvence nárazu, rotační moment, síla pohonu a teplota v reálném čase, může řídicí systém dynamicky upravovat výstupní výkon a provozní parametry tak, aby se přizpůsobily různým typům hornin a pracovním podmínkám, a udrží tak efektivní lámání hornin a provoz s nízkými{1}}ztrátami.
Celkově je princip konstrukce nástrojů pro vrtání hornin založen na mechanice hornin. Prostřednictvím přeměny energie, koordinace nárazu a rotace, navádění pohonu a integrace pomocného systému dosahuje efektivního využití energie a adaptivních pracovních podmínek, čímž poskytuje spolehlivé prostředky pro lámání hornin a vytváření vrtů pro důlní a geotechnické inženýrství.
