CN107313714A - 一种阀套式无气垫高性能气动冲击器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阀套式无气垫高性能气动冲击器，采用中心配气的结构形式，在中心配气杆上套接阀套式配气阀，阀套式配气阀与活塞后端的内孔滑动相配合，所述活塞的内孔上有配流槽，通过配气阀的往复移动，大幅度的减少了活塞冲程阶段前腔的进气行程，使得活塞的冲程阶段的加速运动时间占比大幅增加，冲击器工作活塞工作行程可以缩短，就可以获得足够大的单次冲击功，在气动冲击器同规格，使用相同的气源压力和风量，输出单次冲击功保持不变的条件下，会显著的提高气动冲击器的冲击频率，提高气动冲击器的能量转换率，钻凿效率也会大幅度的提高，能耗将显著的下降。

Description

一种阀套式无气垫高性能气动冲击器

技术领域

本发明涉及冲击器技术领域，特别涉及一种阀套式无气垫高性能气动冲击器。

背景技术

气动冲击器是快速钻凿硬岩的一种有效的钻凿工具，在岩土工程中得到了非常广泛的应用。但在工程使用中，使用气动冲击器钻凿硬岩时，燃料消耗大，施工成本高。最早气动冲击器是采用有阀式结构，由于阀式冲击器，配气时存在气路“短路”问题，耗气量大、能量转换率低，燃料消耗、施工成本问题十分突出，已逐步退出市场，随着技术的进步气动冲击器现已广泛的采用了无阀式的配气结构，无阀气动冲击器与过去阀式气动冲击器相比，克服了阀式气动冲击器的缺陷，同时充分利用了气体膨胀做功，在一定程度上降低了燃料消耗和施工成本，能量转换率也得到了提高，但至今为止气动冲击器的能量转换率一直徘徊在20％-30％左右；最近市场上推出一种气动冲击器，简称“快冲”较其他气动冲击器相比，由于其冲击频率的提高，表现出较高的钻进效率，这种“快冲”是组合优化了冲击器活塞质量，工作行程、上下作用面积等设计的参数，以提高冲击频率为目标，拟定一种更适合提高钻进速度的工况点而设计的一种气动冲击器，仅在结构上去掉了尾管，但这种“快冲”是基于高压气动冲击器基础上，通过适当降低冲击器的单次冲击功，实现提高冲击频率的，虽然其钻凿效率较高，但气动冲击器的能量转换率没有明显的提高。

发明者通过对气动冲击器工作机理的深入研究，认为气动冲击器的前腔的进气行程对气动冲击器的性能有着很大的影响，直接关系着气动冲击器的能量转换率，特别是活塞冲程阶段，当活塞由后止点开始向前做加速运动，经历过后腔进气做功和膨胀做功过程的加速阶段后，冲击器前腔进气，活塞开始做减速运动阶段，活塞运动速度在前腔压力作用下速度不断降低，直至活塞作用在钻头上，完成一次冲击过程，活塞在冲程阶段的运动是先加速后减速，前腔的进气行程越大，对活塞运动的减速影响越大，也就是说冲击器活塞在冲程阶段加速运动后，在活塞还没有撞击钻头上时，由于换向配气的需要，压缩空气已经进入冲击器前腔，形成了一种所谓的“气垫”，为了抵消前腔进气对活塞的减速影响，确保足够大的的单次冲击功，无阀气动冲击器活塞的运动行程设计较长，这样必然导致气动冲击频率相对较低，目前在现有技术上尚无法消除“气垫”对冲击器的性能影响，以提高冲击器的能量转换率，进而提高钻凿的效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种阀套式无气垫高性能气动冲击器，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种阀套式无气垫高性能气动冲击器；包括上接头、第一密封圈、逆止阀相关组件、外管、中心配气杆相关组件、活塞和钻头相关组件，所述外管的后端螺纹连接有上接头，所述外管的前端设置有冲击钻头，所述外管的内腔从后至前依次安装有逆止阀相关组件、中心配气杆相关组件和活塞；

所述逆止阀相关组件包括逆止阀、逆止阀异形密封盖、弹簧和逆止阀座，所述逆止阀座固定设置在外管的内腔后端，所述逆止阀座的后端内孔中具有弹簧、逆止阀和逆止阀异形密封盖；

所述中心配气杆相关组件包括中心配气杆、第二密封圈、挡簧、固定销、配气阀、半圆卡键、固定套、弹性挡圈，所述中心配气杆的后端外表面通过挡簧与外管相固定，所述中心配气杆的后端定位外表面嵌入安装有第二密封圈，所述中心配气杆的前端配气杆安装有固定销，所述中心配气杆的前端配气杆卡接有半圆卡键和弹性挡圈，固定套套接在半圆卡键上，弹性挡圈位于固定套的前侧，分别通过固定销、半圆卡键、固定套和弹性挡圈，将配气阀活动设置在中心配气杆前端的配气杆上，并置入活塞后端的内孔中；

所述钻头相关组件包括尾管、第二挡簧、保持套、半圆卡、第三密封圈、花键套和冲击钻头；所述冲击钻头的外侧壁套接有花键套，所述花键套的外侧壁与外管的前端螺纹固定连接，所述活塞与冲击钻头接触处设有尾管，所述冲击钻头的外侧壁的后端套接有保持套，所述保持套的外侧壁的后端套接有第二挡簧，所述保持套的前端和花键套后端间设有半圆卡键，所述半圆卡键上套有第三密封圈；

所述的中心配气杆的中心开有中心进气通道，后端有后端外表面与后端定位外表面，前端为前端配气杆，前端配气杆处沿圆周布置有若干进气长圆孔；

所述活动配气阀为一套筒类结构，开设有周向均布的进气长圆孔，外圆周后端为配气阀的后端控制面，中部有一内台阶控制面，所述活动配气阀的外圆周的前端为配气阀的前端控制面；

所述活塞的内腔后端开设有配气槽，所述配气槽的后端一体成型有后台阶面，所述配气槽的前端一体成型有前台阶面，所述活塞的中部开设有前腔进气斜向通道和后腔排气斜向通道；

本发明其工作压力不仅适用于低压0.5Mpa-0.7Mpa，也适用于中高压冲击器0.7Mpa-3.5Mpa；

本发明的的结构不仅适用于有尾管的冲击器，也适用于无尾管的冲击器。

本发明的工作原理和过程：

冲击器活塞回程阶段：

冲击器启动时，活塞的初始位置位于最前端前止点，配气阀也在其最前端前止点的位置，冲击器后腔与冲击器排气通道相连，此时活塞的配气槽的前台阶面与配气阀的前端控制面相互错开少许，冲击器的进气经由中心配气杆，配气阀、配气槽进入到活塞的中心腔，再经由活塞的前腔进气斜向通道进入前腔，进入活塞中心腔和进入前腔的压缩空气分别作用在配气阀前端控制面和活塞的前端面，由于配气阀质量轻，所以先于活塞向后运动，直至移动至其最后端后止点，这时活塞的配气槽的前台阶面与配气阀的前端控制面错开的距离加大，冲击器的前腔进气行程便由此错开的距离决定，在此行程范围内活塞在压缩空气的作用下，向后运动，完成了前腔进气的做功过程；

活塞在该行程内运动至行程末端时，活塞的配气槽的前台阶面与配气阀的前端控制面相互错开距离越来越小直至关闭，这时活塞中心腔、冲击器前腔的压缩气体与冲击器进气隔离，但依然是高压压缩气体，活塞在气体压力的作用下继续向后运动，直至前腔与排气通道连通，这个过程是冲击器回程阶段的膨胀做功行程，在这个行程里，配气阀的前端控制面一直存在着压缩气体，所以一直位于配气阀的后止点边的位置，随着活塞继续向后运动，活塞中心腔通过前腔进气斜向通道与外管内孔设置的排气环槽相连，活塞中心腔压力变低，作用在配气阀前端控制面的作用力消失，这时配气阀由于有高压气体始终作用在中间控制端面，配气阀便迅速的由后止点向前止点运动，活塞继续后行运动，活塞前腔内孔与尾管的配合连接脱离，前腔连通低压端，活塞在惯性力的作用下继续向后运动，当活塞配气槽的后台阶面越过配气阀的后端控制面时，压缩气体开始进入活塞的后腔，活塞在后腔压力的作用下减速运动，直至后止点，速度降为零；

冲击器活塞冲程阶段：

活塞运动至后止点后，活塞在后腔压缩气体压力作用下，活塞开始向前做加速运动，这时活塞完成的是进气做功过程；当活塞继续向前运动时，活塞的配气槽的后台阶面随活塞向前运动越过配气阀的后端控制面，活塞后腔与进气通道切断，但活塞在后腔高压压缩气体的作用下继续向前运动，完成膨胀做功过程，而前腔由于活塞的向前运动，活塞前部内孔与尾管重新结合，前腔被封闭起来，随着活塞的向前运动，前腔内部的低压空气被压缩，当活塞完成膨胀做功时，活塞后腔与外管后部排气环槽相通，后腔的工作压力变成低压，活塞在惯性力的作用下依然向前运动，压缩前腔的低压气体，当活塞运动将撞击至钻头端面时，活塞配气槽的前台阶面，越过配气阀的前端控制面，相互之间错开一条缝隙，冲击器进气通过该缝隙进入活塞中心腔，再通过前腔进气斜向通道进入前腔，与此同时活塞撞击钻头端面完成一次冲击，周而复始，往复循环；

在活塞的冲程阶段，通过配气阀的作用，当活塞即将撞击钻头端面时，压缩气体才开始进入活塞前腔；而在活塞的回程阶段，由于配气阀先于活塞运动至后止点，活塞配气槽的前台阶面与配气阀的前端控制面错开，该错开的距离构成了活塞回程阶段的前腔进气行程，确保了前腔的进气要求。

本发明的有益效果：

本发明设计了一种阀套式无气垫高性能气动冲击器，在气动冲击器中心配气杆处设置一配气阀，通过控制配气阀的开启和往复运动，大幅度的减少如上所述的前腔进气行程，也就是实现，在活塞向下运动冲程的阶段，大幅度的减少前腔进气导致的减速过程，而在活塞回程阶段，活塞前腔又能有足够的压缩气体进入；实质上，就是让配气阀使得活塞的前腔进气行程是变化的，即活塞冲程阶段变小，回程阶段变大，由于大幅度的减少了活塞冲程阶段前腔的进气行程，使得活塞的冲程阶段的加速运动时间占比大幅增加，冲击器工作活塞工作行程可以缩短，就可以获得足够大的单次冲击功，在气动冲击器同规格，使用相同的气源压力和风量，输出单次冲击功保持不变的条件下，会显著的提高气动冲击器的冲击频率，提高气动冲击器的能量转换率，钻凿效率也会大幅度的提高，能耗将显著的下降。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2被本发明结构部分结构放大示意图。

图3为本发明中中心配气杆结构示意图。

图4为本发明中配气阀结构示意图。

图5为本发明中活塞剖视结构示意图。

具体实施方式

请参阅图1、图2、图3、图4和图5所示，本发明提供一种技术方案；一种阀套式无气垫高性能气动冲击器，包括上接头1、第一密封圈4、逆止阀组件、外管7、中心配气杆相关组件、活塞16和钻头相关组件，所述外管7的后端螺纹连接有上接头1，所述外管7的前端设置有钻头23，所述外管7的内腔从后至前依次安装有逆止阀相关组件、中心配气杆相关组件和活塞16；

所述逆止阀相关组件包括逆止阀3、逆止阀异形密封盖2、弹簧5和逆止阀座6，所述逆止阀座6固定设置在外管7的内腔后端，所述逆止阀座6的后端内孔中具有弹簧5、逆止阀3和逆止阀异形密封盖2；

所述中心配气杆相关组件包括中心配气杆10、第二密封圈8、挡簧9、固定销12、配气阀11、半圆卡键13、固定套14、弹性挡圈15，所述中心配气杆10的后端外表面102通过挡簧9与外管7相固定，所述中心配气杆10的后端定位外表面101嵌入安装有第二密封圈8，所述中心配气杆10的前端配气杆104安装有固定销12，所述中心配气杆10的前端配气杆104卡接有半圆卡键13和弹性挡圈15，固定套14套接在半圆卡键13上，弹性挡圈15位于固定套14的前侧，分别通过固定销12、半圆卡键13、固定套14和弹性挡圈15，将配气阀11活动设置在中心配气杆10前端的配气杆上，并置入活塞16后端的内孔中；

所述钻头相关组件包括尾管17、第二挡簧18、保持套19、半圆卡20、第三密封圈21、花键套22和冲击钻头23；所述冲击钻头23的外侧壁套接有花键套22，所述花键套22的外侧壁与外管7的前端螺纹固定连接，所述活塞16与冲击钻头23接触处设有尾管17，所述冲击钻头23的外侧壁的后端套接有保持套19，所述保持套19的外侧壁的后端套接有第二挡簧18，所述保持套19的前端和花键套22后端间设有半圆卡键20，所述半圆卡键20上套有第三密封圈21；

所述的中心配气杆10的中心开有中心进气通道103，后端有后端外表面102与后端定位外表面101，前端为前端配气杆104，前端配气杆处沿圆周布置有若干进气长圆孔105；

所述活动配气阀11为一套筒类结构，开设有周向均布的进气长圆孔，外圆周后端为配气阀的后端控制面111，中部有一内台阶控制面112，所述活动配气阀的外圆周的前端为配气阀的前端控制面113；

所述活塞16的内腔后端开设有配气槽162，所述配气槽的后端一体成型有后台阶面163，所述配气槽的前端一体成型有前台阶面164，所述活塞的中部开设有前腔进气斜向通道165和后腔排气斜向通道166。

本发明的工作原理和过程：

请参阅图1、图2、图3、图4和图5所示

冲击器活塞16回程阶段：

冲击器启动时，活塞16的初始位置位于最前端前止点，配气阀11也在其最前端前止点的位置，冲击器后腔a与冲击器排气通道相连，此时活塞16的配气槽162的前台阶面164与配气阀11的前端控制面113相互错开少许，冲击器的进气经由中心配气杆10，配气阀11、配气槽162进入到活塞16的中心腔b，再经由活塞16的前腔进气斜向通道165进入前腔c，进入中心腔b和进入前腔c的压缩空气分别作用在配气阀11前端控制面113和活塞16的前端面，由于配气阀11质量轻，所以先于活塞16向后运动，直至移动至其最后端后止点，这时活塞16的配气槽162的前台阶面164与配气阀11的前端控制面113错开的距离加大，冲击器的前腔c进气行程便由此错开的距离决定，在此行程范围内活塞16在压缩空气的作用下，向后运动，完成了前腔c进气的做功过程；

活塞16在该行程内运动至行程末端时，活塞16的配气槽162的前台阶面164与配气阀11的前端控制面113相互错开距离越来越小直至关闭，这时活塞16中心腔b、冲击器前腔c的压缩气体与冲击器进气隔离，但依然是高压的压缩气体，活塞16在气体压力的作用下继续向后运动，直至前腔c与排气通道连通，这个过程是冲击器回程阶段的膨胀做功行程，在这个行程里，配气阀11的前端控制面113一直存在着压缩气体，所以一直位于配气阀11的后止点的位置，随着活塞16继续向后运动，活塞16中心腔b通过前腔进气斜向通道165与外管7内孔缸设置的排气环槽相连，活塞16中心腔b压力变低，作用在配气阀11前端控制面113的作用力消失，这时配气阀11由于始终有高压气体作用在中间控制端面112，配气阀11便迅速的由后止点向前止点运动，活塞16继续向后运动，活塞16前腔c内孔与尾管17的配合连接脱离，前腔c连通低压端，活塞16在惯性力的作用下继续向后运动，当活塞16配气槽162的后阶台面163越过配气阀11的后端控制面111时，压缩气体开始进入活塞的后腔a，活塞16在后腔a压力的作用下减速运动，直至后止点，速度降为零；

冲击器活塞冲程阶段：

活塞16运动至后止点后，活塞16在后腔a压缩气体压力作用下，活塞16开始向前做加速运动，这时活塞16完成的是进气做功过程，当活塞16继续向前运动时，活塞16的配气槽162的后台阶面163随活塞16向前运动越过配气阀11的后端控制面111，活塞16后腔与进气通道切断，但活塞16在后腔高压压缩气体的作用下继续向前运动，完成膨胀做功过程，而前腔c由于活塞16的向前运动，活塞16前部内孔与尾管17重新结合，前腔c被封闭起来，随着活塞16的向前运动，前腔c内部的低压空气被压缩，当活塞16完成膨胀做功时，活塞16后腔与外管7后部的排气环槽相通，后腔a的工作压力变成低压，活塞16在惯性力的作用下依然向前运动，压缩前腔c的低压气体，当活塞16运动将撞击至钻头23端面时，活塞16的配气槽162的前台阶面164越过配气阀11的前端控制面113，相互之间错开一条缝隙，冲击器进气通过该缝隙进入活塞16中心腔b，再通过后腔进气斜向通道165进入前腔c，与此同时活塞16撞击钻头23端面完成一次冲击，周而复始，往复循环；

在活塞16的冲程阶段，通过配气阀11的作用，当活塞16即将撞击钻头23端面时，高压压缩气体才开始进入活塞16前腔c；而在活塞16的回程阶段，由于配气阀11先于活塞16运动至后止点，活塞16配气槽162的前台阶面与配气阀11的前端控制面113错开，该错开的距离构成了活塞16回程阶段的前腔进气行程，确保了前腔c的进气要求。

Claims (4)

1.一种阀套式无气垫高性能气动冲击器；包括上接头(1)、第一密封圈(4)、逆止阀相关组件、外管(7)、中心配气杆相关组件、活塞(16)和钻头相关组件，所述外管(7)的后端螺纹连接有上接头(1)，所述外管(7)的前端设置有冲击钻头(23)，所述外管(7)的内腔从后至前依次安装有逆止阀相关组件、中心配气杆相关组件和活塞(16)；

所述逆止阀相关组件包括逆止阀(3)、逆止阀异形密封盖(2)、弹簧(5)和逆止阀座(6)，所述逆止阀座(6)固定设置在外管(7)的内腔后端，所述逆止阀座(6)的后端内孔中具有弹簧(5)、逆止阀(3)和逆止阀异形密封盖(2)；

所述中心配气杆相关组件包括中心配气杆(10)、第二密封圈(8)、挡簧(9)、固定销(12)、配气阀(11)、半圆卡键(13)、固定套(14)、弹性挡圈(15)，所述中心配气杆(10)的后端外表面(102)通过挡簧(9)与外管(7)相固定，所述中心配气杆(10)的后端定位外表面(101)嵌入安装有第二密封圈(8)，所述中心配气杆(10)的前端配气杆(104)安装有固定销(12)，所述中心配气杆(10)的前端配气杆(104)卡接有半圆卡键(13)和弹性挡圈(15)，固定套(14)套接在半圆卡键(13)上，弹性挡圈(15)位于固定套(14)的前侧，分别通过固定销(12)、半圆卡键(13)、固定套(14)和弹性挡圈(15)，将配气阀(11)活动设置在中心配气杆(10)前端配气杆(104)上，并置入活塞(16)后端的内孔中；

所述钻头相关组件包括尾管(17)、第二挡簧(18)、保持套(19)、半圆卡(20)、第三密封圈(21)、花键套(22)和冲击钻头(23)；

所述冲击钻头(23)的外侧壁套接有花键套(22)，所述花键套(22)的外侧壁与外管(7)的前端螺纹固定连接，所述活塞(16)与冲击钻头(23)接触处设有尾管(17)，所述冲击钻头(23)的外侧壁的后端套接有保持套(19)，所述保持套(19)的外侧壁的后端套接有第二挡簧(18)，所述保持套(19)的前端和花键套(22)后端间设有半圆卡键(20)，所述半圆卡键(20)上套有第三密封圈(21)。

2.根据权利要求1所述的一种阀套式无气垫高性能气动冲器击，其特征在于：所述的中心配气杆(10)的中心开有中心进气通道(103)，后端有后端外表面(102)与后端定位外表面(101)，前端为前端配气杆(104)，前端配气杆处沿圆周布置有若干进气长圆孔(105)。

3.根据权利要求1所述的一种阀套式无气垫高性能气动冲器击，其特征在于：所述配气阀(11)为一套筒类结构，开设有周向均布的进气长圆孔，外圆周后端为配气阀的后端控制面(111)，中部有一内台阶控制面(112)，所述活动配气阀的外圆周的前端为配气阀的前端控制面(113)。

4.根据权利要求1所述的一种阀套式无气垫高性能气动冲器击，其特征在于：所述活塞(16)的内腔后端开设有配气槽(162)，所述配气槽的后端一体成型有后台阶面(163)，所述配气槽的前端一体成型有前台阶面(164)，所述活塞的中部开设有前腔进气斜向通道(165)和后腔排气斜向通道(166)。