CN105156107A - 一种超高压旋转脉冲水射流破岩机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超高压旋转脉冲水射流破岩机构，包括水射流截割头、破岩机构壳体和截割主轴，截割主轴置于破岩机构壳体内部，截割主轴前端连接水射流截割头，截割主轴后端连接驱动装置，截割主轴内部加工有中心水道，驱动装置包括减速器和液压马达，中心水道后端设有增压腔，增压腔内设有增压活塞杆，增压活塞杆大径端与增压腔相匹配，增压活塞杆的杆部与中心水道相匹配，增压活塞杆的杆部外圆与增压腔内壁之间形成环形腔，截割主轴后端设有入水通道和出水通道，截割主轴后端与破岩机构壳体之间设有高压旋转密封导套，高压旋转密封导套开设有入水凹槽和出水凹槽，破岩机构壳体设有高频电磁换向阀。本发明结构紧凑、耗水量低、破岩能力强。

Description

一种超高压旋转脉冲水射流破岩机构

技术领域

本发明涉及煤层巷道掘进设备，尤其是一种适用于难开采煤层巷道掘进施工的超高压旋转脉冲水射流破岩机构。

背景技术

我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，随着经济的增长，煤炭的需求越来越大。难开采煤层分布广、储量大，探明储量占煤炭总储量的20％之多，但开采量仅占总产量的8％左右，远低于其储量所占比例。各煤矿企业都面临着难开采煤层的开采问题，特别是中厚煤层储量的日益减少，难开采煤层开采技术的发展格外重要，其开采已经是一个全局性的亟待解决的问题。难开采煤层通常厚度小、地质构造复杂、断层多、硬包裹体多、普氏硬度系数高。由于受到掘进机机身高度和宽度的限制，在难开采煤层地质条件下进行巷道施工往往需要截割煤层的顶底板，导致掘进机可靠性低、效率低，巷道断面利用率低，巷道掘进成本增大。虽然爆破掘进法具有灵活、方便、成本低、适应性强以及不受地质条件变化影响的特点，但其存在工序多、安全性低、掘进效率低等缺点。因此，目前的巷道掘进方法或设备用于难开采煤层巷道掘进施工工程都存在很大的局限性。为了使掘进机能够适用于难开采煤层巷道施工工程，在保证掘进机截割能力和效率的前提下，减小普通掘进机的体积和重量，其对难开采煤层巷道工程的高效施工以及煤炭资源回收有极其重要的意义。

由于难开采煤层巷道高效、安全掘进存在困难，我国于上世纪70年代研究将水射流技术应用到滚筒式采煤机、刨煤机及钻机，其较普通采掘设备在岩石截割中具有显著的优点：减小了采掘设备的体积，改善了工作面环境、提高了采掘设备截割煤岩的能力，取得了一定的社会经济效益；但目前的采掘设备均采用连续的辅助射流，其对坚硬岩石的冲击破碎能力不足，且单位时间内耗水量过大容易引起采掘工作面的水患，造成工作面无法正常施工。

发明内容

发明目的：本发明的目的是克服已有技术存在的不足，提供一种结构紧凑、耗水量低、破岩能力强的超高压旋转脉冲水射流破岩机构。

为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：一种超高压旋转脉冲水射流破岩机构，包括水射流截割头、破岩机构壳体和截割主轴，截割主轴置于破岩机构壳体内部，截割主轴中部与破岩机构壳体之间通过轴承组件连接，截割主轴前端连接水射流截割头，截割主轴后端连接驱动装置，截割主轴内部开设有中心水道，所述驱动装置包括减速器和液压马达，液压马达输出轴与减速器输入轴连接，减速器输出轴与截割主轴后端连接；所述中心水道后端设有增压腔，增压腔内设有增压活塞杆，增压活塞杆包括大径端和杆部，增压活塞杆的大径端与增压腔相匹配，增压活塞杆的杆部与中心水道相匹配，增压活塞杆的杆部外圆与增压腔内壁之间形成环形腔，所述截割主轴后端设有入水通道和出水通道，截割主轴后端与破岩机构壳体之间设有高压旋转密封导套，高压旋转密封导套开设有入水凹槽和出水凹槽，所述破岩机构壳体设有高频电磁换向阀，高频电磁换向阀的进水口、入水凹槽、入水通道和增压腔依次连通，高频电磁换向阀的出水口、出水凹槽、出水通道和环形腔依次连通，高频电磁换向阀换向后，高频电磁换向阀的进水口和出水口对调。

进一步的，所述截割主轴开设球体水道I，所述高压旋转密封导套内设有球体水道II，中心水道、球体水道I、球体水道II和出水通道依次连通，球体水道II内设有锥形结构面，锥形结构面大直径端设有堵塞，堵塞上设有多个小孔，锥形结构面与堵塞(之间设置球体。

进一步的，所述增压腔横截面积为增压活塞杆的杆部横截面积的3～5倍。

进一步的，所述增压活塞杆的大径端外圆设有动密封III、增压活塞杆的杆部外圆设有动密封II、高压旋转密封导套的内圆设有动密封I，高压旋转密封导套的外圆设有静密封。

进一步的，所述动密封I、动密封II及动密封III均为组合密封圈，静密封为O型密封圈。

进一步的，所述增压活塞杆大径端端面镶嵌橡胶块。

有益效果：本发明采用液压驱动，液压马达体积小，动力大，破岩机构的结构简单紧凑，便于安装、拆卸，减小破岩机构的整体尺寸，提高采掘设备对难开采煤层地质条件的适应性；采用高频电磁换向阀实现增压活塞杆在截割主轴中心水道中高频往复运动，形成高频脉冲射流，冲击破碎坚硬的煤岩，提高采掘设备的破岩能力和效率，超高压脉冲水射流不仅可以很好的抑制工作面的截割粉尘，还能满足井下难开采煤层坚硬岩巷的掘进要求，提高了井下难开采煤层的开采效率和资源回收率，对我国煤炭工业的可持续发展有重要的社会意义。

附图说明

图1是本发明超高压旋转脉冲水射流破岩机构的剖视示意图；

图2是本发明超高压旋转脉冲水射流破岩机构的截割主轴剖视图；

图3是本发明超高压旋转脉冲水射流破岩机构的高压旋转密封导套剖视图；

图中：1—水射流截割头；2—破岩机构壳体；3—截割主轴；4—调心滚子轴承I；5—推力轴承；6—调心滚子轴承II；7—高压旋转密封导套；8—减速器；9—液压马达；10—高频电磁换向阀；11—增压活塞杆；12—球体；1-1—喷嘴；3-1—入水通道；3-2—出水通道；3-3—球体水道I；3-4-中心水道；3-5-增压腔；3-6-环形腔；7-1—入水凹槽；7-2—出水凹槽；7-3—动密封I；7-4—静密封；7-5—球体水道II，7-6-锥形结构面，7-7-堵塞；11-1-橡胶块；11-2-动密封II；11-3-动密封III。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图1至3所示，本发明的超高压旋转脉冲水射流破岩机构包括水射流截割头1、破岩机构壳体2和截割主轴3。

截割主轴3置于破岩机构壳体2内部，截割主轴3中部与破岩机构壳体2之间通过轴承组件连接，所述轴承组件包括推力轴承5，推力轴承5两端对称设置调心滚子轴承I4和调心滚子轴承II6，三个轴承分别在三个点支撑截割主轴3，调心滚子轴承I4和调心滚子轴承II6保证截割主轴3的同轴度，推力轴承5承受来自水射流截割头1的轴向推力。

截割主轴3前端通过花键连接水射流截割头1，截割主轴3后端连接驱动装置，所述驱动装置包括减速器8和液压马达9，减速器8为二级行星齿轮减速器，液压马达9输出轴与二级行星齿轮减速器输入轴通过花键连接，二级行星齿轮减速器输出轴与截割主轴3后端通过花键连接。液压马达9输出轴、二级行星齿轮减速器输入、输出轴、截割主轴3和水射流截割头1位于同一轴线。

截割主轴3内部开设有中心水道3-4，所述中心水道3-4后端设有增压腔3-5，增压腔3-5内设有增压活塞杆11，增压活塞杆11包括大径端和杆部，增压活塞杆11大径端与增压腔3-5相匹配，增压活塞杆11大径端端面镶嵌橡胶块11-1，橡胶块11-1减缓增压活塞杆11与截割主轴3后端的冲击，增压活塞杆11杆部与中心水道3-4相匹配，增压活塞杆11杆部外圆与增压腔3-5内壁之间形成环形腔3-6，所述增压腔3-5横截面积为增压活塞杆11杆部横截面积的3～5倍。所述截割主轴3后端设有入水通道3-1和出水通道3-2，截割主轴3后端与破岩机构壳体2之间设有高压旋转密封导套7，高压旋转密封导套7开设有入水凹槽7-1和出水凹槽7-2，所述破岩机构壳体2设有高频电磁换向阀10，频电磁换向阀10的进水口、入水凹槽7-1、入水通道3-1和增压腔3-5依次连通，频电磁换向阀10的出水口、出水凹槽7-2、出水通道3-2和环形腔3-6依次连通，高频电磁换向阀10换向后，高频电磁换向阀10的进水口和出水后对调。所述增压活塞杆11大径端外圆设有动密封III11-3、增压活塞杆11杆部外圆设有动密封II11-2、高压旋转密封导套7内圆设有动密封I7-3，高压旋转密封导套7外圆设有静密封7-4，所述动密封I7-3、动密封II11-2及动密封III11-3均为组合密封圈，静密封7-4为O型密封圈。

所述截割主轴3开设球体水道I3-3，所述高压旋转密封导套7内设有球体水道II7-5，中心水道3-4、球体水道I3-3、球体水道II7-5和出水通道3-2依次连通，球体水道II7-5内设有锥形结构面7-6，锥形结构面7-6大直径端设有堵塞7-7，堵塞7-7上设有多个小孔，锥形结构面7-6与堵塞7-7之间设置球体12。

工作原理：利用超高压旋转脉冲水射流破岩机构进行岩石破碎时时，巷道内液压泵组系统给液压马达9提供具有一定压力的压力油使其运转将液动力转化为机械扭矩和转速。液压马达9输出的扭矩和转速经二级行星齿轮减速器传递至截割主轴3，截割主轴3与水射流截割头1通过花键连接，带动水射流截割头1旋转。液压马达9提供的动力扭矩和转速经二级行星齿轮减速器分别增大和减小，使水射流截割头1机械旋转破岩。高压水经高频电磁换向阀10和高压旋转密封导套7接入截割主轴3的入水通道3-1和出水通道3-2，增压活塞杆11在截割主轴3中心水道3-4的尾端增压腔3-5中往复运动，实现高压水的周期增压，进而经过水射流截割头1上细小的喷嘴1-1形成超高压脉冲射流，用于辅助截割头破岩。高压旋转密封导套7在实现高压水动态密封时，还与阀球12组合形成单向阀。当增压活塞杆11未处于增压运动时，压力水经高频电磁换向阀10进入截割主轴3的环形腔3-6和高压旋转密封导套7的球体水道7-5，将球体12顶至堵塞7-7，球体水道II7-5和球体水道I3-3导通，向截割主轴3中心水道3-4供入一定压力的水，以保证水射流截割头1上喷嘴1-1不被堵塞；当增压活塞杆11处于增压状态时，截割主轴3中心水道3-4内水被增压，压力水进入球体水道II7-5将球体12顶至锥形结构面7-6并紧密贴合，使球体水道II7-5和球体水道I3-3之间被断开。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种超高压旋转脉冲水射流破岩机构，包括水射流截割头(1)、破岩机构壳体(2)和截割主轴(3)，截割主轴(3)置于破岩机构壳体(2)内部，截割主轴(3)中部与破岩机构壳体(2)之间通过轴承组件连接，截割主轴(3)前端连接水射流截割头(1)，截割主轴(3)后端连接驱动装置，截割主轴(3)内部开设有中心水道(3-4)，其特征在于：所述驱动装置包括减速器(8)和液压马达(9)，液压马达(9)输出轴与减速器(8)输入轴连接，减速器(8)输出轴与截割主轴(3)后端连接；所述中心水道(3-4)后端设有增压腔(3-5)，增压腔(3-5)内设有增压活塞杆(11)，增压活塞杆(11)包括大径端和杆部，增压活塞杆(11)的大径端与增压腔(3-5)相匹配，增压活塞杆(11)的杆部与中心水道(3-4)相匹配，增压活塞杆(11)的杆部外圆与增压腔(3-5)内壁之间形成环形腔(3-6)，所述截割主轴(3)后端设有入水通道(3-1)和出水通道(3-2)，截割主轴(3)后端与破岩机构壳体(2)之间设有高压旋转密封导套(7)，高压旋转密封导套(7)开设有入水凹槽(7-1)和出水凹槽(7-2)，所述破岩机构壳体(2)设有高频电磁换向阀(10)，高频电磁换向阀(10)的进水口、入水凹槽(7-1)、入水通道(3-1)和增压腔(3-5)依次连通，高频电磁换向阀(10)的出水口、出水凹槽(7-2)、出水通道(3-2)和环形腔(3-6)依次连通，高频电磁换向阀(10)换向后，高频电磁换向阀(10)的进水口和出水口对调。

2.根据权利要求1所述的一种超高压旋转脉冲水射流破岩机构，其特征在于：所述截割主轴(3)开设球体水道I(3-3)，所述高压旋转密封导套(7)内设有球体水道II(7-5)，中心水道(3-4)、球体水道I(3-3)、球体水道II(7-5)和出水通道(3-2)依次连通，球体水道II(7-5)内设有锥形结构面(7-6)，锥形结构面(7-6)大直径端设有堵塞(7-7)，堵塞(7-7)上设有多个小孔，锥形结构面(7-6)与堵塞(7-7)之间设置球体(12)。

3.根据权利要求1或2所述的一种超高压旋转脉冲水射流破岩机构，其特征在于：所述增压腔(3-5)横截面积为增压活塞杆(11)的杆部横截面积的3～5倍。

4.根据权利要求3所述的一种超高压旋转脉冲水射流破岩机构，其特征在于：所述增压活塞杆(11)的大径端外圆设有动密封III(11-3)、增压活塞杆(11)的杆部外圆设有动密封II(11-2)、高压旋转密封导套(7)的内圆设有动密封I(7-3)，高压旋转密封导套(7)的外圆设有静密封(7-4)。

5.根据权利要求4所述的一种超高压旋转脉冲水射流破岩机构，其特征在于：所述动密封I(7-3)、动密封II(11-2)及动密封III(11-3)均为组合密封圈，静密封(7-4)为O型密封圈。

6.根据权利要求5所述的一种超高压旋转脉冲水射流破岩机构，其特征在于：所述增压活塞杆(11)大径端端面镶嵌橡胶块(11-1)。