CN107386957A - 一种活阀式无气垫高性能气动冲击器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种活阀式无气垫高性能气动冲击器，该气动冲击器采用中心配气的结构形式，在中心配气的位置上设置有活动配气阀，所述活动配气阀有中心进气通道和周向均布的进气长圆孔，其后端装配在上保持套中，前端与活塞后侧的内孔滑动配合，所述活塞的内孔上有配流槽，通过活动配气阀的往复移动，能大幅度的减少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，有利于活塞在达到相同单次冲击功的前提下，减少活塞的工作行程，提高冲击器的冲击频率，提高冲击器的能量转换率，进而提高钻凿的效率。

Description

一种活阀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，特别涉及一种活阀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。其原因之一在于气动冲击器的能量转换率一直徘徊在 20％-30％左右，处于较低水平，最近市场上推出一种快速的气动冲击器，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。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，虽然其钻凿效率有一定的提高，但气动冲击器的能量转换率没有明显的提高，气动冲击器的钻凿效率将有待于进一步的提高。

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 (冲击器活塞靠近钻头端)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(冲击器活塞远离钻头端)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，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。目前在现有的气动冲击器的结构上，尚缺少技术手段，大幅度减少前腔的进气行程，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活阀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：一种活阀式无气垫高性能气动冲击器，依次是由上接头，逆止阀异性密封盖，逆止阀，第一密封圈，弹簧，逆止阀座，外管，第二密封圈，第三密封圈，挡圈，漏斗套，上保持套，活动配气阀，活塞，尾管，挡簧，保持套，半圆卡，密封圈，花键套和钻头组成，所述外管前端螺文连接有上接头，所述外管的内腔固定连接有逆止阀座，所述逆止阀座的中部套接有逆止阀，弹簧，所述逆止阀座的前端设有上保持套，所述上保持套的外侧壁的前端套接有挡圈，所述挡圈与外管相互卡接，所述上保持套的后端固定连接有漏斗套，所述上保持套的中部套接有活动配气阀，所述活动配气阀其后端装配在上保持套中，前端与活塞后侧的内孔滑动配合，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挡簧，所述保持套的前端和花键套后端间设有半圆卡，所述半圆卡上套有密封圈；

所述活动配气阀为一细长圆套型结构，开有中心进气通道和周向均布的进气长圆孔，外圆周后端一体成型有后端面、后台面，所述活动配气阀的外圆周的中部一体成型有台阶控制面，所述活动配气阀的前端一体成型有中心控制端面，所述活动配气阀的外圆周的前端一体成型有前端控制面；

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；

所述逆止阀的后端固定连接有逆止阀异性密封盖；

所述上接头与外管连接处设有第一密封圈；

所述上保持套与外管连接处设有第二密封圈；

所述第二密封圈的前侧设有第三密封圈；

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的前止点，活动配气阀也在其最前端前止点的位置，冲击器后腔与后腔排气斜向通道相连，此时活塞的配气槽的前台阶面与活动配气阀的前端控制面相互错开少许，冲击器的进气经由活动配气阀中心通道，通过其均布的周向长圆孔，进入活塞配气槽，再进入到活塞的活塞中心腔，经由活塞的前腔进气斜向孔道进入前腔，进入活塞中心腔和进入前腔的压缩空气分别作用在活动配气阀的前端控制面和活塞的下端面，由于活动配气阀质量轻，所以先于活塞向右运动，直至移动至其最后端的后止点，这时活塞的配气槽的前台阶面与活动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活动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，但依然是高压的压缩气体，活塞在气体压力的作用下继续向后运动，直至前腔连通排气通道，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，活动配气阀的前端控制面一直存在着压缩气体，所以一直位于活动配气阀的最后边的后止点位置。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设置的排气环槽相连，活塞中心腔压力变低，这时活动配气阀由于始终有高压气体作用在中心控制端面，活动配气阀便迅速的由后止点向前止点运动，活塞继续上行运动，活塞前端内孔与尾管的配合连接脱离，前腔连通低压，活塞在惯性力的作用下继续向后运动，当活塞配气槽的后阶面越过活动配气阀的台阶控制面时，压缩气体开始进入活塞的后腔，活塞在上腔压力的作用下开始减速运动，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，活塞的配气槽的后阶面随活塞向前运动越过活动配气阀的台阶控制面，活塞后腔与进气切断，但活塞在上腔压缩气体的作用下继续向下运动，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，内部的低压空气被压缩，当活塞完成膨胀做功时，活塞后腔与外管上部排气环槽相通，后腔的工作压力变低，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冲击钻头端面时，活塞的配气槽的前台阶面，越过活动配气阀的前端控制面，相互之间错开一缝隙，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，与此同时活塞撞击冲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，通过活动配气阀的作用，当活塞即将撞击冲击钻头端面时，压缩气体才开始进入活塞前腔，而在活塞的回程阶段，由于活动配气阀先于活塞运动至后止点，配气槽的前台阶面与活动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：

一种无气垫高性能气动冲击器，将气动冲击器中心配气杆设置为活动配气阀，通过活动配气阀的往复运动，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，就是通过活动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为图2为本发明部分结构放大图；

图3为本发明活动配气阀结构示意图；

图4为本发明活塞剖视结构示意图。

具体实施方式

请参阅图1、图2、图3和图4所示，本发明提供一种活阀式无气垫高性能气动冲击器，依次是由上接头1，逆止阀异性密封盖2，逆止阀3，第一密封圈4，弹簧5，逆止阀座6，外管7，第二密封圈8，第三密封圈9，挡圈10，漏斗套11，上保持套12，活动配气阀13，活塞14，尾管15，挡簧16，保持套17，半圆卡18，密封圈19，花键套20和钻头21组成，所述外管7前端螺文连接有上接头1，所述外管7的内腔固定连接有逆止阀座6，所述逆止阀座 6的中部套接有逆止阀3，弹簧5，所述逆止阀座6的前端设有上保持套12，所述上保持套12的外侧壁的前端套接有挡圈10，所述挡圈10与外管7相互卡接，所述上保持套12的后端固定连接有漏斗套11，所述上保持套12的中部套接有活动配气阀13，所述活动配气阀13其后端装配在上保持套中，前端与活塞14后侧的内孔滑动配合，所述冲击钻头21的外侧壁套接有花键套20，所述花键套20的外侧壁与外管7的前端螺纹固定连接，所述活塞14与冲击钻头21接触处设有尾管15，所述冲击钻头21的外侧壁的后端套接有保持套 17，所述保持套17的外侧壁的后端套接有挡簧16，所述保持套17的前端和花键套20后端间设有半圆卡18，所述半圆卡18上套有密封圈19；

所述活动配气阀13为一细长圆套型结构，开有中心进气通道和周向均布的进气长圆孔，外圆周后端一体成型有后端面131和后台面132，所述活动配气阀13的外圆周的中部一体成型有台阶控制面133，所述活动配气阀13的前端一体成型有中心控制端面134，所述活动配气阀13的外圆周的前端一体成型有前端控制面135；

所述活塞14的内腔后端开设有配气槽142，所述配气槽142的后端一体成型有后台阶面141，所述配气槽142的前端一体成型有前台阶面143，所述活塞14的中部开设有前腔进气斜向通道144和后腔排气斜向通道145；

由于大幅度的减少了活塞14冲程阶段前腔的进气行程，使得活塞14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；

所述逆止阀3的后端固定连接有逆止阀异性密封盖2增加逆止阀3与上接头1接触的密封效果；

所述上接头1与外管7连接处设有第一密封圈4，防止上接头1与外管7 连接处漏气；

所述上保持套12与外管7连接处设有第二密封圈8，所述第二密封圈8 的前侧设有第三密封圈9，防止上保持套12与外管7连接处漏气。

本发明的工作原理和过程：

请参阅图1、图2、图3和图4所示，

冲击器活塞回程阶段：

冲击器启动时，活塞14的初始位置位于最前端的前止点，活动配气阀13 也在其最前端前止点的位置，冲击器后腔a与后腔排气斜向通道145相连，此时活塞14的配气槽142的前台阶面143与活动配气阀13的前端控制面135 相互错开少许，冲击器的进气经由活动配气阀13中心通道，通过其均布的周向长圆孔，进入活塞配气槽142，再进入到活塞14的活塞中心腔b，经由活塞14的前腔进气斜向孔道144进入前腔c，进入活塞14中心腔b和进入前腔c的压缩空气分别作用在活动配气阀13前端控制面135和活塞14的下端面，由于活动配气阀13质量轻，所以先于活塞14向后运动，直至移动至其最后端的后止点，这时活塞14的配气槽142的前台阶面143与活动配气阀13的前端控制135面错开的距离加大，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14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14在该行程内运动至行程末端时，活塞14的配气槽142的前台阶面143与活动配气阀13的前端控制面135相互错开距离越来越小直至关闭，这时活塞中心腔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14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，活动配气阀13的前端控制面135一直存在着压缩气体，所以一直位于活动配气阀13的最后边的后止点位置，随着活塞14继续向后运动，活塞14中心腔 b通过前腔进气斜向通道144与外管设置的排气环槽相连，活塞14中心腔b 压力变低，这时活动配气阀13由于始终有高压气体作用在中心控制端面134，活动配气阀13便迅速的由后止点向前止点运动，活塞14继续上行运动，活塞14前端内孔与尾管15的配合连接脱离，前腔c连通低压，活塞14在惯性力的作用下继续向后运动，当活塞配气槽142的后阶面141越过活动配气阀 13的台阶控制面133时，压缩气体开始进入活塞14的后腔a，活塞14在上腔a压力的作用下开始减速运动，直至后止点，速度降为零；

冲击器活塞冲程阶段：

活塞14运动至后止点后，活塞14在后腔a压缩气体压力作用下，活塞 14开始向前做加速运动，这时活塞14完成的是进气做功过程，当活塞14继续向前运动时，活塞14的配气槽142的后台阶面141随活塞14向前运动越过活动配气阀13的台阶控制面133，活塞14后腔a与进气切断，但活塞144 在后腔a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14的向前运动，活塞14前部内孔与尾管15重新结合，前腔c被封闭起来，随着活塞14的向前运动，内部的低压空气被压缩，当活塞14完成膨胀做功时，活塞14后腔a与外管上部排气环槽相通，后腔a的工作压力变低，活塞14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14 运动将撞击至冲击钻头21端面时，活塞14的配气槽142的前台阶面143，越过活动配气阀13的前端控制面135，相互之间错开一缝隙，冲击器进气通过该缝隙进入活塞14中心腔b，再通过前腔进气斜向通道144，进入前腔c，与此同时活塞14撞击冲击钻头21端面完成一次冲击。周而复始，往复循环；

在活塞14的冲程阶段，通过活动配气阀13的作用，当活塞14即将撞击冲击钻头21端面时，压缩气体才开始进入活塞14前腔c，而在活塞14的回程阶段，由于活动配气阀13先于活塞14运动至后止点，配气槽142的前阶面143与活动配气阀13的前端控制面135错开，该错开的距离构成了活塞14 回程阶段的前腔c进气行程，确保了前腔c的进气要求。

Claims (3)

1.一种活阀式无气垫高性能气动冲击器，依次是由上接头(1)，逆止阀异性密封盖(2)，逆止阀(3)，第一密封圈(4)，弹簧(5)，逆止阀座(6)，外管(7)，第二密封圈(8)，第三密封圈(9)，挡圈(10)，漏斗套(11)，上保持套(12)，活动配气阀(13)，活塞(14)，尾管(15)，挡簧(16)，保持套(17)，半圆卡(18)，密封圈(19)，花键套(20)和钻头(21)组成；所述外管(7)前端螺文连接有上接头(1)，所述外管(7)的内腔固定连接有逆止阀座(6)，所述逆止阀座(6)的中部套接有逆止阀(3)，弹簧(5)，所述逆止阀座(6)的前端设有上保持套(12)，所述上保持套(12)的外侧壁的前端套接有挡圈(10)，所述挡圈(10)与外管(7)相互卡接，所述上保持套(12)的后端固定连接有漏斗套(11)，所述上保持套(12)的中部套接有活动配气阀(13)，所述活动配气阀(13)其后端装配在上保持套中，前端与活塞(14)后侧的内孔滑动配合，所述冲击钻头(21)的外侧壁套接有花键套(20)，所述花键套(20)的外侧壁与外管(7)的前端螺纹固定连接，所述活塞(14)与冲击钻头(21)接触处设有尾管(15)，所述冲击钻头(21)的外侧壁的后端套接有保持套(17)，所述保持套(17)的外侧壁的后端套接有挡簧(16)，所述保持套(17)的前端和花键套(20)后端间设有半圆卡(18)，所述半圆卡(18)上套有密封圈(19)；所述逆止阀(3)的后端固定连接有逆止阀异性密封盖(2)；

所述上接头(1)与外管(7)连接处设有第一密封圈(4)；

所述上保持套(12)与外管(7)连接处设有第二密封圈(8)；

所述第二密封圈(8)的前侧设有第三密封圈(9)。

2.根据权利要求1所述的一种活阀式无气垫高性能气动冲击器，其特征在于：所述活动配气阀(13)为一细长圆套型结构，开有中心进气通道和周向均布的进气长圆孔，外圆周后端一体成型有后端面(131)、后台面(132)，所述活动配气阀(13)的外圆周的中部一体成型有台阶控制面(133)，所述活动配气阀(13)的前端一体成型有中心控制端面(134)，所述活动配气阀(13)的外圆周的前端一体成型有前端控制面(135)。

3.根据权利要求1所述的一种活阀式无气垫高性能气动冲击器，其特征在于：所述活塞(14)的内腔后端开设有配气槽(142)，所述配气槽(142)的后端一体成型有后台阶面(141)，所述配气槽(142)的前端一体成型有前台阶面(143)，所述活塞(14)的中部开设有前腔进气斜向通道(144)和后腔排气斜向通道(145)。