CN103341379A - 一种凿岩碎石装置 - Google Patents

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夏志勇
汪朝晖
汤泉军
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王维
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本发明涉及一种凿岩碎石装置。其技术方案是：该装置包括工作缸(4)、壳体(5)和活塞(3)。工作缸(4)内活动地装有带环形槽的活塞(3)，工作缸(4)缸体的上、下部分别设有外环形凸台，半椭圆凹球面内对称地设有正电极(6)和负电极(7)，所述正电极(6)和负电极(7)共轴线，该轴线水平穿过半椭圆凹球面的焦点，工作缸(4)最下端同轴设有顶端为圆锥体的钎杆，工作缸(4)外活动地装有壳体(5)，壳体(5)两端的内壁分别设有内环形凸台，在工作缸(4)的外环形凸台与在壳体(5)的内环形凸台间均匀地设有4~8根弹簧(2)。本发明具有结构简单、能源利用率高、安全可靠、无污染、移动灵活、使用及维护简便、对岩石破碎效果好和适用于大尺寸岩石二次破碎的特点。

Description

一种凿岩碎石装置
技术领域
本发明属于凿岩碎石技术领域，尤其是涉及一种利用电液压脉冲技术的凿岩碎石装置。
技术背景
凿岩碎石装置在地下、矿业、冶金工程及建筑行业得到了广泛应用，目前凿岩碎石方式主要是使用炸药装置和液压破碎锤。“岩石破碎产品”(CN 2011.80017664.3)技术，公开了一种使用推进剂便于二次岩石破碎的装置，该装置能对较大尺寸岩石实现破碎，提高了安全性；“一种新型振击锤”(CN 201210368533.6)技术，通过仅设置单个偏心轮作为振芯的方法减小了马达的动力要求，提高能量了利用率，扩宽了应用范围；“一种液-燃联合破碎锤”(CN 201110280418.9)公开了一种在锤体上设置液压腔和类似二冲程单缸的柴油机气缸，该装置简化了能量转换的过程，提高了能量利用率。上述各种凿岩碎石装置虽对改善岩石的破碎效果和提高能源利用率上具有一定效果，但仍存在着如下问题：
(1)炸药装置的安全性差、控制困难和环境污染大；
(2)液压破碎锤冲击能量小，能量转换过程复杂导致能量损耗大，特别是以柴油机为动力的液压破碎装置在消耗大量资源的同时产生了严重污染；
(3)凿岩碎石效果和效率仍难以满足现在工业生产及设施建设需求，特别是对大尺寸岩石的二次破碎效果差；
(4)设备结构复杂，移动、使用和维护较困难，难以满足不同生产条件的要求。
发明内容
本发明旨在克服现有技术的缺陷，目的是提供一种结构简单、能源利用率高、安全可靠、无污染、移动灵活、使用及维护简便、对岩石破碎效果好和适用于大尺寸岩石二次破碎的凿岩碎石装置。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：该装置包括工作缸、壳体、活塞、弹簧和端盖。工作缸内活动地装有活塞，工作缸外活动地装有壳体，端盖固定安装在工作缸的开口端。
工作缸的形状和构造是：工作缸为如下三段构成的整体，即依次为缸体段、圆锥台段和钎杆段，工作缸的缸体段、圆锥台段和钎杆段同轴线。 
缸体段为空心圆柱形，缸体段的长度为L，距缸体段上端的0.2~0.3L处和距缸体段下端的0.3~0.4L处的圆柱面上分别设有外环形凸台，两个外环形凸台形状相同且均与工作缸为一整体。
圆锥台段为空心圆锥台状，空心圆锥台的内壁形状为半椭圆凹球面，半椭圆凹球面内对称地装有一根正电极和一根负电极，正电极和负电极共轴线，该轴线水平地穿过半椭圆凹球面的焦点，正电极顶端与负电极顶端间的距离为15~45mm，正电极的末端与负电极的末端与空心圆锥台外表面平齐。正电极末端与电源转化控制器的正极连接，负电极末端与电源转化控制器的负极连接。
钎杆的主体部分为圆柱体，圆柱体的直径小于空心圆锥台的小直径，钎杆的端部为圆锥体。
活塞的形状和构造是：活塞为圆柱体，活塞的外径与工作缸缸体的内径名义尺寸相同，活塞的长度为L1，距活塞下端的0.2~0.5L1处设有环形槽。
壳体由两个半空心圆柱体通过螺栓连接成空心圆柱体，两个半空心圆柱体的形状和尺寸相同的。壳体内壁的两端分别设有内环形凸台，壳体的内环形凸台的内径比工作缸缸体的外径大1~5mm，壳体 内壁的直径比工作缸的外环形凸台直径大1~5mm，在壳体的内环形凸台和工作缸的外环形凸台间均匀地设有4~8根弹簧。
所述工作缸、壳体、活塞和端盖同轴线。
所述的正电极的直径为5~22mm，顶端形状为圆锥体，锥角为25~45o；负电极 的形状尺寸与正电极相同。
所述活塞的环形槽深度为5~20mm，宽度为10~60mm。
所述端盖中心设有通孔，通孔直径与工作缸(4)内壁直径比为1：(2~4)。
所述电源转化控制器的输出电流为高压脉冲电流，输出电压为25~90KV，脉冲频率为80~150Hz，单周期脉冲放电持续时间为1×10-3~3×10-3 s；电源转化控制器的输入电压为220V或380V。
本发明的工作循环分为两个阶段，第一阶段为正电极和负电极在工作缸空心圆锥台的半椭圆凹球面与活塞端部形成的空腔内瞬间放电，激发空腔内的液体介质产生电液压脉冲，此时空腔内具有巨大的能量和高压力，该压力推动活塞沿工作缸内壁迅速向上运动，与钎杆为一整体的工作缸在反冲力作用下快速向下运动，完成对岩石的冲击；第二阶段是空行程，活塞向下运动回到原来的位置。两个阶段往复循环，实现对岩石的破碎。
由于采用上述技术方案，本发明和现有技术相比，具有如下积极效果：
1)本发明凿岩碎石的动力由正电极和负电极脉冲放电产生的电液压脉冲提供，由于放电时间短，瞬间能量大，活塞与空心圆锥台的半椭圆凹球面形成的空腔内压力骤升至1500~2500MPa，故对岩石的冲击力大、凿岩碎石效果好、对环境无污染和安全可靠。
2)电源转换控制器将普通220V或380V交流电转化为高压脉冲电流，控制正电极和负电极脉冲放电，使装置的钎杆对岩石的冲击频率达200~900次/min，因而明显提高了凿岩碎石效率，通过调节电源转换控制器易于实现对装置的控制。
3)本发明中的钎杆与工作缸为一整体，电液压脉冲的能量推动活塞运动的巨大反冲力能直接传递给工作缸下端的钎杆，简化了装置的结构，移动灵活，使用和维护方便，亦减少了能量的损耗；另外，正电极和负电极轴线过空心圆锥台的半椭圆凹球面焦点，能充分利用椭圆凹球面的聚能效应，提高了能量利用率，也增加了钎杆的冲击力，能对大体积的岩石进行破碎和二次破碎。
4)本发明的活塞设置有环形槽，将活塞分为上下两段，活塞下段将活塞与半椭圆凹球面形成的空腔内的液体介质与外界隔离，避免了能量损耗和液体介质过度损耗，也避免了液体表面张力阻碍活塞向上运动。
5)本发明的端盖中心设置有通孔，保证了活塞外的气压与工作缸外一致，避免活塞的外气压过高阻碍活塞运动，也避免活塞溢出工作缸。本发明设置的弹簧能促使空行程工作缸及钎杆快速回位，便于形成连续的脉冲冲击力，同时也减小了壳体的振动。
因此，本发明具有结构简单、能源利用率高、安全可靠、无污染、移动灵活、使用及维护简便、对岩石破碎效果好和适用于大尺寸岩石二次破碎的特点。
附图说明
图1为本发明的一种结构示意图；
图2为图1的A-A剖面示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述，并非对其保护范围的限制。
实施例1
一种凿岩碎石装置。该装置如图1和图2所示，包括工作缸4、壳体5、活塞3、弹簧2和端盖1。工作缸4的内部活动地装有活塞3，工作缸4的外部活动地装有壳体5，端盖1固定安装在工作缸4的开口端。
工作缸4的形状和构造如图1所示：工作缸4为如下三段构成的整体，即依次为缸体段、圆锥台段和钎杆段，工作缸4的缸体段、圆锥台段和钎杆段同轴线。
缸体段为空心圆柱形，缸体段的长度为L，距缸体段上端的0.2~0.3L处和距缸体段下端的0.3~0.4L处的圆柱面上分别设有外环形凸台，两个外环形凸台形状相同且均与工作缸4为一整体。
圆锥台段为空心圆锥台状，空心圆锥台的内壁形状为半椭圆凹球面。空心圆锥台的半椭圆凹球面对称地装有一根正电极6和一根负电极7，正电极6和负电极7共轴线，该轴线水平地穿过半椭圆凹球面的焦点，正电极6顶端与负电极7顶端间的距离为15~30mm，正电极6的末端与负电极7的末端与空心圆锥台外表面平齐。正电极6末端与电源转化控制器8的正极连接，负电极7末端与电源转化控制器8的负极连接。
钎杆的主体部分为圆柱体，圆柱体的直径小于空心圆锥台的小直径，钎杆的端部为圆锥体。活塞3的形状和构造如图1所示：活塞3为圆柱体，活塞3的外径与工作缸4缸体的内径名义尺寸相同，活塞3的长度为L1，距活塞3下端的0.2~0.5L1处设有环形槽。
壳体5如图2所示，由两个半空心圆柱体通过螺栓连接成空心圆柱体，两个半空心圆柱体的形状和尺寸相同的。壳体5内壁的两端分别设有如图1所示的内环形凸台，壳体5的内环形凸台的内径比工作缸4缸体的外径大1~5mm，壳体5 内壁的直径比工作缸4的外环形凸台直径大1~5mm，在壳体5的内环形凸台和工作缸4的外环形凸台间均匀地设有4~8根弹簧2。
如图1和图2所示，所述工作缸4、壳体5、活塞3和端盖1同轴线设置。
所述的正电极6如图1所示，其直径为5~15mm，顶端形状为圆锥体，锥角为25~30o；负电极7 的形状尺寸与正电极6相同。
所述活塞3如图1所示，环形槽深度为5~15mm，宽度为10~35mm。
所述端盖1 如图1所示，中心设有通孔，通孔直径与工作缸4内壁直径比为1：(2~3)。
所述电源转化控制器8的输出电流为高压脉冲电流，输出电压为25~60KV，脉冲频率为80~120Hz，单周期脉冲放电持续时间为1×10-3~2×10-3 s；电源转化控制器8的输入电压为220V。
实施例2
一种凿岩碎石装置。该装置除下述技术参数外，其余同实施例1。
正电极6顶端与负电极7顶端间的距离为25~45mm。
所述的正电极6的直径为15~22mm，顶端形状为圆锥体，锥角为30~45o；负电极7 的形状尺寸与正电极6相同。
所述活塞3的环形槽深度为10~20mm，宽度为35~60mm。
所述端盖1中心设有通孔，通孔直径与工作缸4内壁直径比为1：(3~4)。
所述电源转化控制器8的输出电流为高压脉冲电流，输出电压为60~90KV，脉冲频率为120~150Hz，单周期脉冲放电持续时间为2×10-3~3×10-3 s；电源转化控制器8的输入电压为380V。
本具体实施方式的工作循环分为两个阶段，第一阶段为正电极6和负电极7在工作缸4的半椭圆凹球面与活塞3的端部形成的空腔内瞬间放电，激发空腔内的液体介质产生电液压脉冲，此时空腔内具有巨大的能量和高压力，该压力推动活塞3沿工作缸4的内壁迅速向上运动，与钎杆为一整体的工作缸4在反冲力作用下快速向下运动，完成对岩石的冲击；第二阶段是空行程，活塞3向下运动回到原来的位置。两个阶段往复循环，实现对岩石的破碎。
由于采用上述技术方案，本具体实施方式和现有技术相比，具有如下积极效果：
1)本具体实施方式凿岩碎石的动力由正电极6和负电极7脉冲放电产生的电液压脉冲提供，由于放电时间短，瞬间能量大，活塞3与半椭圆凹球面形成的空腔内压力骤升至1500~2500MPa，故对岩石的冲击力大、凿岩碎石效果好、对环境无污染和安全可靠。
2)电源转换控制器8将220V或380V交流电转化为高压脉冲电流，控制正电极6和负电极7脉冲放电，使装置的钎杆对岩石的冲击频率达200~900次/min，因而明显提高了凿岩碎石效率，通过调节电源转换控制器8易于实现对装置的控制。
3)本具体实施方式中的钎杆与工作缸4为一整体，电液压脉冲的能量推动活塞3运动的巨大反冲力能直接传递给工作缸4下端的钎杆，简化了装置的结构，移动灵活，使用和维护方便，亦减少了能量的损耗；另外，正电极6和负电极7轴线过半椭圆凹球面焦点，能充分利用椭圆凹球面的聚能效应，提高了能量利用率，也增加了钎杆的冲击力，能对大体积的岩石进行破碎和二次破碎。
4)本具体实施方式的活塞3设置有环形槽，将活塞3分为上下两段，活塞3下段将活塞3与半椭圆凹球面形成的空腔内的液体介质与外界隔离，避免了能量损耗和液体介质过度损耗，也避免了液体表面张力阻碍活塞3向上运动。
5)本具体实施方式的端盖1中心设置有通孔，保证了活塞3外的气压与工作缸4外一致，避免活塞3的外气压过高阻碍活塞3运动，也避免活塞3溢出工作缸4。本具体实施方式设置的弹簧2能促使空行程工作缸4及其钎杆快速回位，便于形成连续的脉冲冲击力，同时也减小了壳体5的振动。
因此，本具体实施方式具有结构简单、能源利用率高、安全可靠、无污染、移动灵活、使用及维护简便、对岩石破碎效果好和适用于大尺寸岩石二次破碎的特点。

Claims (5)

1.一种凿岩碎石装置，其特征在于该装置包括工作缸(4)、壳体(5)、活塞(3)、弹簧(2)和端盖(1)；工作缸(4)内活动地装有活塞(3)，工作缸(4)外活动地装有壳体(5)，端盖(1)固定安装在工作缸(4)的开口端； 
工作缸(4)的形状和构造是：工作缸(4)为如下三段构成的整体，即依次为缸体段、圆锥台段和钎杆段，工作缸(4)的缸体段、圆锥台段和钎杆段同轴线；
缸体段为空心圆柱形，缸体段的长度为L，距缸体段上端的0.2~0.3L处和距缸体段下端的0.3~0.4L处的圆柱面上分别设有外环形凸台，两个外环形凸台形状相同且均与工作缸(4)为一整体； 
圆锥台段为空心圆锥台状，空心圆锥台的内壁形状为半椭圆凹球面；半椭圆凹球面内对称地装有一根正电极(6)和一根负电极(7)，正电极(6)和负电极(7)共轴线，该轴线水平地穿过半椭圆凹球面的焦点，正电极(6)顶端与负电极(7)顶端间的距离为15~45mm，正电极(6)的末端与负电极(7)的末端与空心圆锥台外表面平齐；正电极(6)末端与电源转化控制器(8)的正极连接，负电极(7)末端与电源转化控制器(8)的负极连接；
钎杆的主体部分为圆柱体，圆柱体的直径小于空心圆锥台的小直径，钎杆的端部为圆锥体；
活塞(3)的形状和构造是：活塞(3)为圆柱体，活塞(3)的外径与工作缸(4)缸体的内径名义尺寸相同，活塞(3)的长度为L1，距活塞(3)下端的0.2~0.5L1处设有环形槽；
壳体(5)由两个半空心圆柱体通过螺栓连接成空心圆柱体，两个半空心圆柱体的形状和尺寸相同的；壳体(5)内壁的两端分别设有内环形凸台，壳体(5)的内环形凸台的内径比工作缸(4)缸体的外径大1~5mm，壳体(5) 内壁的直径比工作缸(4)的外环形凸台直径大1~5mm，在壳体(5)的内环形凸台和工作缸(4)的外环形凸台间均匀地设有4~8根弹簧(2)；
所述工作缸(4)、壳体(5)、活塞(3)和端盖(1)同轴线。
2.根据权利要求1所述的凿岩碎石装置，其特征在于所述的正电极(6)的直
径为5~22mm，顶端形状为圆锥体，锥角为25~45o；负电极(7)的形状尺寸与正电极(6)相同。
3.根据权利要求1所述的凿岩碎石装置，其特征在于所述活塞(3)的环形槽深度为5~20mm，宽度为10~60mm。
4.根据权利要求1所述的凿岩碎石装置，其特征在于所述端盖(1)中心设有通孔，通孔直径与工作缸(4)内壁直径比为1：(2~4)。
5.根据权利要求1所述的凿岩碎石装置，其特征在于所述电源转化控制器(8)的输出电流为高压脉冲电流，输出电压为25~90KV，脉冲频率为80~150Hz，单周期脉冲放电持续时间为1×10-3~3×10-3 s；电源转化控制器的输入电压为220V或380V。
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