CN107083922A - 一种气动自进式超高压脉冲射流辅助冲击破岩设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种气动自进式超高压脉冲射流辅助冲击破岩设备，前部压水腔体前端设有端盖，前部压水腔体尾端与中部活塞腔体前端相连，中部活塞腔体尾端与冲击活塞加速腔体前端相连，冲击活塞加速腔体尾端设有进水气接头，端盖设有过岩屑槽、合金喷嘴球齿和合金球齿，前部压水腔体设有冲击钎头和弹簧，中部活塞腔体设有中部活塞，冲击活塞加速腔体设有冲击活塞，端盖、前部压水腔体、中部活塞腔体、冲击活塞加速腔体和进水气接头内部水道依次连通，进水气接头通过水气组合管分别连接空气压缩机和低压给水泵。本发明将超高压挤压脉冲射流融入机械冲击破岩过程，克服了普氏硬度系数极高的岩石钻孔和破碎的难题。
Description
技术领域
本发明涉及一种气动自进式超高压脉冲射流辅助冲击破岩设备，最适用于普氏硬度系数高的岩石钻孔或破碎。
背景技术
2015年，《BP世界能源统计年鉴》指出：中国仍然是世界最大的能源消费国，占全球消费量的23％和全球净增长的61％；煤炭资源消耗占消费总量的66.03％，在未来很长一段时期内作为我国主体能源具有无法替代的地位。《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006～2020)》明确指出：亟需大力加强煤炭资源安全高效开采和利用技术研究，明确要求重点研究深层和复杂地层矿体采矿技术。
目前，煤炭开采已经逐渐向深层和复杂地层发展，对深层、复杂地层煤炭资源安全高效开采技术和装备提出了更高的要求和新的挑战。由于地应力的增大，通常深层、复杂地层煤岩的弹性模量、硬度和破坏强度等随之增大，单轴抗压强度往往达到150MPa以上。煤岩钻孔是矿体爆破、卸压开采以及巷道支护等工程高效实施的前提，而坚硬煤岩钻孔效率低、粉尘量大等问题直接制约了深层、复杂地层煤炭等矿体资源的高效开发。井下煤岩钻孔主要采用机械切削和冲击两种方式：机械切削破岩时刀具磨损严重、消耗量大，主要用于切削破碎普氏硬度系数f≤8的煤岩；机械冲击可以破碎大部分煤岩，但在坚硬煤岩(f>15)中工作存在球齿磨损严重和脱落、破岩效率低以及粉尘量大等问题，大大降低了机械冲击破岩能力、效率以及设备使用寿命和可靠性，如何实现坚硬煤岩的安全高效破碎已经成为深层、复杂地层煤炭等矿体资源高效开发的关键问题和难点。
高压水射流辅助作用已经被证实可以提高刀具破岩能力，延长刀具使用寿命，但连续高压水射流耗水量大会导致煤岩破碎机械作业场所产生大面积的积水，造成设备难以正常工作。常见的连续水射流辅助破岩仅产生单一的“水锤压力”，冲击破岩能力有限，而后续的“滞止压力”低难以加剧坚硬煤岩内部损伤和裂纹扩展，导致其未能在坚硬煤岩破碎装备中得到广泛地应用。脉冲射流冲击破碎煤岩能力远强于连续射流，利用脉冲射流的低温冲击和耗水量低特性，可以降低球齿磨损率和消耗量，延长球齿使用寿命，改善机械冲击破岩工作条件。
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，提供一种气动自进式超高压脉冲射流辅助冲击破岩设备，该设备真正意义上将超高压挤压脉冲射流融入机械冲击破岩过程，克服普氏硬度系数极高的岩石钻孔和破碎的难题。
为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：一种气动自进式超高压脉冲射流辅助冲击破岩设备,包括空气压缩机、储气罐、低压给水泵、溢流阀、脉冲电磁阀、球阀、水气组合管、进水气接头、冲击活塞加速腔体、中部活塞腔体、前部压水腔体、单向阀、冲击钎头、弹簧、截止套、中部活塞、冲击活塞和冲击活塞缓冲垫；
前部压水腔体前端设有端盖，前部压水腔体尾端与中部活塞腔体前端相连，中部活塞腔体尾端与冲击活塞加速腔体前端相连，冲击活塞加速腔体尾端设有进水气接头，端盖中心开设有钎头装配孔，端盖圆周均布有若干过岩屑槽，端盖外侧端面交替布置数个合金喷嘴球齿和合金球齿，端盖内侧端面开设有压水槽，压水槽底部开设有超高压水道，超高压水道与合金喷嘴球齿连通，压水槽侧壁开设有连通水道，前部压水腔体内腔设有冲击钎头和弹簧，冲击钎头头部与钎头装配孔配合，冲击钎头中部与前部压水腔体内腔配合，弹簧设置在冲击钎头尾部，在前部压水腔体上开设有水道IV，水道IV与连通水道通过单向阀连通，中部活塞腔体内腔前端设有凹槽I，凹槽I内嵌入截止套，中部活塞腔体内腔中部设置中部活塞，中部活塞前端穿过截止套并与弹簧相接触，通过截止套防止中部活塞从中部活塞腔体内脱出，在中部活塞腔体上开设有水道III，水道III连通水道IV，冲击活塞加速腔体内腔设有冲击活塞，在冲击活塞加速腔体上开设有水道II，水道II连通水道III，进水气接头外侧端面设有进水口和进气口，进水气接头内侧端面设有凹槽II，凹槽II内嵌入冲击活塞缓冲垫，在进水气接头上开设有水道I和气道，水道I分别连通水道II和进水口，气道分别连通冲击活塞加速腔体内腔和进气口；
水气组合管包括高压水管和气管，高压水管分别连通和进水口和球阀，球阀通过溢流阀与低压给水泵相连，气管分别连通进气口和脉冲电磁阀，脉冲电磁阀通过储气罐与空气压缩机相连。
进一步的，所述冲击钎头头部前端镶嵌有合金头体。
进一步的，所述冲击钎头头部外圆开设有密封圈槽IV，冲击钎头中部外圆开设有密封圈槽V。
进一步的，所述端盖与前部压水腔体通过焊接固定，所述前部压水腔体、中部活塞腔体、冲击活塞加速腔体和进水气接头之间通过磁性螺栓联接。
进一步的，所述冲击活塞加速腔体尾端端面设有密封圈槽I，所述中部活塞腔体尾端端面设有密封圈槽II，所述前部压水腔体尾端端面设有密封圈槽III。
进一步的，所述冲击活塞内部设有深孔，以降低冲击活塞重量，冲击活塞材料为铝合金或铜。
进一步的，所述气管采用钢丝气管，气管的钢丝层数不少于2，在高压水管和气管外部包裹弹性橡胶套。
有益效果：本发明采用气压驱动，整体尺寸小，结构简单紧凑，安装、拆卸方便，动力大，高压水密封简单、可靠，超高压脉冲射流辅助机械冲击可以实现普氏硬度系数极高的岩石钻孔或破碎。超高压脉冲射流可以很大程度地超前损伤岩石，降低岩石强度，最大限度地降低坚硬岩石的抗破碎能力，降低机械冲击破碎坚硬岩石的难度，提高冲击破岩设备钻进坚硬岩石的能力和效率。超高压脉冲射流不仅可以很好地抑制岩石破碎产生的粉尘，还能实现机械球齿破碎坚硬岩石，延长机械球齿的使用寿命，提高了能源资源的安全、高效开发，对我国矿山的可持续发展有重要的社会意义。
附图说明
图1是本发明一种气动自进式超高压脉冲射流辅助冲击破岩设备剖视图；
图2是本发明前部压水腔体主视图；
图3是本发明前部压水腔体左视图；
图4是本发明冲击钎头剖视图。
图5是本发明中部活塞腔体剖视图；
图6是本发明冲击活塞加速腔体剖视图；
图7是本发明进水气接头剖视图；
图8是本发明水气组合管主视图；
图中：1—空气压缩机；2—储气罐；3—低压给水泵；4—溢流阀；5—脉冲电磁阀；6-球阀；7—水气组合管；8—进水气接头；9—冲击活塞加速腔体；10—中部活塞腔体；11—前部压水腔体；12—单向阀；13—冲击钎头；14—弹簧；15—截止套；16—中部活塞；17—磁性螺栓；18—冲击活塞；19—冲击活塞缓冲垫；7-1—高压水管；7-2—弹性橡胶套；7-3—气管；8-1—进水口；8-2—进气口；8-3—水道I；8-4—凹槽II；8-5—气道；8-6—螺纹孔I；9-1—密封圈槽I；9-2—水道II；9-3—螺纹孔II；10-1—密封圈槽II；10-2—水道III；10-3—凹槽I；10-4—螺纹孔III；11-1—密封圈槽III；11-2—水道IV；11-3—孔槽；11-4—连通水道；11-5—螺纹孔IV；11-6—超高压水道；11-7—合金喷嘴球齿；11-8—合金球齿；11-9—过岩屑槽；11-10-端盖；11-11-压水槽；11-12—钎头装配孔；13-1—合金头体；13-2—钎头杆；13-3—密封圈槽IV；13-4—密封圈槽V；18-1—深孔。
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所示，本发明的一种气动自进式超高压脉冲射流辅助冲击破岩设备,包括空气压缩机1、储气罐2、低压给水泵3、溢流阀4、脉冲电磁阀5、球阀6、水气组合管7、进水气接头8、冲击活塞加速腔体9、中部活塞腔体10、前部压水腔体11、单向阀12、冲击钎头13、弹簧14、截止套15、中部活塞16、冲击活塞18、冲击活塞缓冲垫19。前部压水腔体11前端设有端盖11-10，前部压水腔体11尾端与中部活塞腔体10前端相连，中部活塞腔体10尾端与冲击活塞加速腔体9前端相连，冲击活塞加速腔体9尾端设有进水气接头8。
如图1、2、5、6、7所示，所述端盖11-10与前部压水腔体11通过焊接固定。在前部压水腔体11尾端端面开设有螺纹孔IV11-5，在中部活塞腔体10前端及尾端端面开设有螺纹孔III10-4，在冲击活塞加速腔体9前端及尾端端面开设有螺纹孔II9-3，在进水气接头8前端端面开设有螺纹孔I8-6，进而将前部压水腔体11、中部活塞腔体10、冲击活塞加速腔体9和进水气接头8之间通过磁性螺栓17固定。为了保证前部压水腔体11、中部活塞腔体10、冲击活塞加速腔体9和进水气接头8之间连接处的密封性，所述冲击活塞加速腔体9尾端端面设有密封圈槽I9-1，所述中部活塞腔体10尾端端面设有密封圈槽II10-1，所述前部压水腔体尾端端面设有密封圈槽III11-1，在上述密封圈槽内安装有密封圈。
如图1至4所示，端盖11-10中心开设有钎头装配孔11-12，端盖11-10圆周均布有若干过岩屑槽11-9，端盖11-10外侧端面交替布置数个合金喷嘴球齿11-7和合金球齿11-8，端盖11-10内侧端面开设有压水槽11-11，压水槽11-11底部开设有超高压水道11-6，超高压水道11-6与合金喷嘴球齿11-7连通，压水槽11-11侧壁开设有连通水道11-4，前部压水腔体11内腔设有冲击钎头13和弹簧14，冲击钎头13头部与钎头装配孔11-12配合，冲击钎头13头部前端镶嵌有合金头体13-1，冲击钎头13中部与前部压水腔体11内腔配合，弹簧14设置在冲击钎头13尾部，为保证冲击钎头13与端盖11-10以及前部压水腔体11之间的密封性，冲击钎头13头部外圆开设有密封圈槽IV13-3，冲击钎头13中部外圆开设有密封圈槽V13-4，在上述密封密封圈槽内安装有密封圈。在前部压水腔体11上开设有水道IV11-2，水道IV11-2与连通水道11-4通过单向阀12连通，单向阀12安装在水道IV11-2端部的孔槽11-3内，用于防止前部压水腔体11内部水流回流。
如图1和5所示，中部活塞腔体10内腔前端设有凹槽I10-3，凹槽I10-3内嵌入截止套15，中部活塞腔体10内腔中部设置中部活塞16，中部活塞16前端穿过截止套15并与弹簧14相接触，通过截止套15防止中部活塞16从中部活塞腔体10内脱出，在中部活塞腔体10上开设有水道III10-2，水道III10-2连通水道IV11-2。本实施例中，所述凹槽I10-3断面为非圆形，这样可以防止截止套15与水道III10-2发生干涉，便于截止套15的安装，而且可以减少水道密封件的数量。
如图1和6所示，冲击活塞加速腔体9内腔设有冲击活塞18，所述冲击活塞18内部设有深孔18-1，以降低冲击活塞18重量，冲击活塞18材料为铝合金或铜。在冲击活塞加速腔体9上开设有水道II9-2，水道II9-2连通水道III10-2和水道I8-3。
如图1和7所示，进水气接头8外侧端面设有进水口8-1和进气口8-2，进水气接头8内侧端面设有凹槽II8-4，凹槽II8-4内嵌入冲击活塞缓冲垫19，在进水气接头8上开设有水道I8-3和气道8-5，水道I8-3分别连通水道II9-2和进水口8-1，气道8-5分别连通冲击活塞加速腔体9内腔和进气口8-2。
如图1和8所示，水气组合管7包括高压水管7-1和气管7-3，高压水管7-1分别连通进水口8-1和球阀6，球阀6通过溢流阀4与低压给水泵3相连，气管7-3分别连通进气口8-2和脉冲电磁阀5，脉冲电磁阀5通过储气罐2与空气压缩机1相连。本实施例中，所述气管7-3采用钢丝气管，气管7-3的钢丝层数不少于2，在高压水管7-1和气管7-3外部包裹弹性橡胶套7-2。
空气压缩机1工作时，空气压缩机1形成压缩空气注入储气罐2形成压力稳定的压缩空气，压力稳定的压缩空气通过脉冲电磁阀5形成断续的压缩空气通入水气组合管7的气管7-3、进水气接头8的气道8-5，进而注入冲击活塞加速腔体9内作用于冲击活塞18，冲击活塞18受到压缩空气作用运动而冲击中部活塞16，中部活塞16冲击弹簧14和冲击钎头13，而使冲击钎头13破岩。低压给水泵3工作时，具有一定压力的水依次通入溢流阀4、球阀6、水气组合管7的高压水管7-1、进水气接头8的水道I8-3、冲击活塞加速腔体9的水道II9-2、中部活塞腔体10的水道III10-2、前部压水腔体11的水道IV11-2、单向阀12、连通水道11-4，进而引入端盖11-10的压水槽11-11内。空气压缩机1和低压给水泵3同时工作时，冲击钎头13受到冲击力的同时对压水槽11-11内的水瞬时增压通过合金喷嘴球齿11-7形成超高压脉冲射流冲击破岩。压水槽11-11内的水被瞬时增压的同时，相互联接的端盖11-10、前部压水腔体11、中部活塞腔体10、冲击活塞加速腔体9等受到向前的作用力而具有进给速度，使安装在端盖11-10的合金喷嘴球齿11-7和合金球齿11-8冲击破岩。
利用本发明气动自进式超高压脉冲射流辅助冲击破岩设备岩石钻孔时，在压缩空气作用下，冲击活塞18瞬时加速而具有直线速度，冲击活塞18冲击中部活塞16使其具有一定的冲击力和速度。中部活塞16冲击弹簧14和冲击钎头13，进而使冲击钎头13破岩。低压给水泵3形成一定压力的水，通过水气组合管7的高压水管7-1、进水气接头8的水道I8-3、冲击活塞加速腔体9的水道II9-2、中部活塞腔体10的水道III10-2、前部压水腔体11的水道IV11-2、单向阀12，进而引入端盖11-10的压水槽11-11内。机械冲击破岩时，中部活塞16冲击弹簧14和冲击钎头13同时，冲击钎头13受到冲击力的同时对压水槽11-11内的水瞬时增压通过超高压水道11-6，利用合金喷嘴球齿11-7形成瞬时超高压脉冲射流，超高压脉冲射流能够超前损伤冲击钎头13作用范围外的岩石。冲击钎头13对压水槽11-11内的水瞬时增压时，相互联接的端盖11-10、前部压水腔体11、中部活塞腔体10、冲击活塞加速腔体9等具有向前的作用力，使合金喷嘴球齿11-7和合金球齿11-8冲击破岩。
利用弹簧14释放压缩弹性势能反向作用中部活塞16、冲击活塞18，当脉冲电磁阀5切断压缩空气供给时，冲击活塞18反向运动。当脉冲电磁阀5打开压缩空气供给时，冲击活塞18再一次作正向冲击运动，进而实现连续的超高压脉冲射流辅助冲击钎头13、合金喷嘴球齿11-7和合金球齿11-8冲击破岩。
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 (7)
1.一种气动自进式超高压脉冲射流辅助冲击破岩设备,其特征在于：包括空气压缩机(1)、储气罐(2)、低压给水泵(3)、溢流阀(4)、脉冲电磁阀(5)、球阀(6)、水气组合管(7)、进水气接头(8)、冲击活塞加速腔体(9)、中部活塞腔体(10)、前部压水腔体(11)、单向阀(12)、冲击钎头(13)、弹簧(14)、截止套(15)、中部活塞(16)、冲击活塞(18)和冲击活塞缓冲垫(19)；
前部压水腔体(11)前端设有端盖(11-10)，前部压水腔体(11)尾端与中部活塞腔体(10)前端相连，中部活塞腔体(10)尾端与冲击活塞加速腔体(9)前端相连，冲击活塞加速腔体(9)尾端设有进水气接头(8)，端盖(11-10)中心开设有钎头装配孔(11-12)，端盖(11-10)圆周均布有若干过岩屑槽(11-9)，端盖(11-10)外侧端面交替布置数个合金喷嘴球齿(11-7)和合金球齿(11-8)，端盖(11-10)内侧端面开设有压水槽(11-11)，压水槽(11-11)底部开设有超高压水道(11-6)，超高压水道(11-6)与合金喷嘴球齿(11-7)连通，压水槽(11-11)侧壁开设有连通水道(11-4)，前部压水腔体(11)内腔设有冲击钎头(13)和弹簧(14)，冲击钎头(13)头部与钎头装配孔(11-12)配合，冲击钎头(13)中部与前部压水腔体(11)内腔配合，弹簧(14)设置在冲击钎头(13)尾部，在前部压水腔体(11)上开设有水道IV(11-2)，水道IV(11-2)与连通水道(11-4)通过单向阀(12)连通，中部活塞腔体(10)内腔前端设有凹槽I(10-3)，凹槽I(10-3)内嵌入截止套(15)，中部活塞腔体(10)内腔中部设置中部活塞(16)，中部活塞(16)前端穿过截止套(15)并与弹簧(14)相接触，通过截止套(15)防止中部活塞(16)从中部活塞腔体(10)内脱出，在中部活塞腔体(10)上开设有水道III(10-2)，水道III(10-2)连通水道IV(11-2)，冲击活塞加速腔体(9)内腔设有冲击活塞(18)，在冲击活塞加速腔体(9)上开设有水道II(9-2)，水道II(9-2)连通水道III(10-2)，进水气接头(8)外侧端面设有进水口(8-1)和进气口(8-2)，进水气接头(8)内侧端面设有凹槽II(8-4)，凹槽II(8-4)内嵌入冲击活塞缓冲垫(19)，在进水气接头(8)上开设有水道I(8-3)和气道(8-5)，水道I(8-3)分别连通水道II(9-2)和进水口(8-1)，气道(8-5)分别连通冲击活塞加速腔体(9)内腔和进气口(8-2)；
水气组合管(7)包括高压水管(7-1)和气管(7-3)，高压水管(7-1)分别连通和进水口(8-1)和球阀(6)，球阀(6)通过溢流阀(4)与低压给水泵(3)相连，气管(7-3)分别连通进气口(8-2)和脉冲电磁阀(5)，脉冲电磁阀(5)通过储气罐(2)与空气压缩机(1)相连。
2.根据权利要求1所述的一种气动自进式超高压脉冲射流辅助冲击破岩设备,其特征在于：所述冲击钎头(13)头部前端镶嵌有合金头体(13-1)。
3.根据权利要求2所述的一种气动自进式超高压脉冲射流辅助冲击破岩设备,其特征在于：所述冲击钎头(13)头部外圆开设有密封圈槽IV(13-3)，冲击钎头(13)中部外圆开设有密封圈槽V(13-4)。
4.根据权利要求1所述的一种气动自进式超高压脉冲射流辅助冲击破岩设备,其特征在于：所述端盖(11-10)与前部压水腔体(11)通过焊接固定，所述前部压水腔体(11)、中部活塞腔体(10)、冲击活塞加速腔体(9)和进水气接头(8)之间通过磁性螺栓(17)联接。
5.根据权利要求4所述的一种气动自进式超高压脉冲射流辅助冲击破岩设备,其特征在于：所述冲击活塞加速腔体(9)尾端端面设有密封圈槽I(9-1)，所述中部活塞腔体(10)尾端端面设有密封圈槽II(10-1)，所述前部压水腔体(11)尾端端面设有密封圈槽III(11-1)。
6.根据权利要求1所述的一种气动自进式超高压脉冲射流辅助冲击破岩设备,其特征在于：所述冲击活塞(18)内部设有深孔(18-1)，以降低冲击活塞(18)重量，冲击活塞(18)材料为铝合金或铜。
7.根据权利要求1所述的一种气动自进式超高压脉冲射流辅助冲击破岩设备,其特征在于：所述气管(7-3)采用钢丝气管，气管(7-3)的钢丝层数不少于2，在高压水管(7-1)和气管(7-3)外部包裹弹性橡胶套(7-2)。
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