CN108798694A - 一种钎杆和液压破碎锤机构及其掘进方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钎杆和液压破碎锤机构及其掘进方法，属于矿山机械设备技术领域，用以解决现有技术在硬度F8及以上岩层掘进效率低下的技术问题，钎杆包括钎杆本体，其撞击端为棱锥尖部，其每个锥面上均设有用以方便及时排除碎岩的排屑槽。液压破碎锤机构包括底座、液压破碎锤和上述钎杆，液压破碎锤通过设置滑套从而滑动连接在底座上的滑杆上，用以推动液压破碎锤滑动的驱动装置固定端安装在底座上，动力输出端安装在液压破碎锤上，从而以正压力驱使液压破碎锤沿滑杆直线推进，进而使钎杆持续锤击在岩体上，提高巷道掘进效率。一种掘进方法，使用上述钎杆及上述液压破碎锤以直线推进破坏岩体的抗压及抗拉强度，使本方法对硬岩的破岩效率更高。

Description

一种钎杆和液压破碎锤机构及其掘进方法

技术领域

本发明属于矿山机械设备技术领域，特别涉及一种钎杆和液压破碎锤机构及其掘进方法。

背景技术

巷道是在地表与矿体之间钻凿出的各种通路，用来运矿、通风、排水、行人以及为冶金设备采出矿石新开凿的各种必要准备工程等，在巷道掘进作业中，常采用掘进机进行挖掘，掘进机通过旋转类截齿以一定角度挤进岩体中，旋转破岩，在软岩F7以下时效率最高，当岩体硬度逐渐增加，掘进机的效率就不再具有优势，分析得出，掘进机有两关键技术点，一是P(正压)V(线速度)值，二是切削角度，以最常用的EBZ160掘进机为例，掘进机对岩石的压力约为25吨，平均接触截齿约10个，线速度为2m/s，单个截齿的正压力为2.5吨，在软岩石F5时，截齿静压压溃面积为2500公斤/50MPa＝5cm²，这个面积约为截齿挤进岩石3～4cm深，还有线速度脉动产生的冲击力会让岩石再挤进1～2.5cm左右，所以这个时候切削下来的岩石块粒大部分为4-6cm；

在中硬岩F12时，由于P(正压)比软岩高很多，PV值发热导致截齿高温退火，只能降低V线速度，降到1.2米/秒时基本上可以用，不会出现截齿高温失效，同样的正压力2.5吨，静压压溃面积为2500公斤/120MPa＝2cm²，这个面积正好是齿尖磨损钝化的面积，也就是截齿挤进岩石不到0.5cm，线速度脉动产生的冲击力只有之前的(1.2/2)^2＝0.36，挤进去0.3～0.8cm左右，一共截齿挤进岩石也就1cm左右无法切削，全变成研磨，下来的岩石不是块粒，大部分是粉未。

由此可见，在软岩F5时，EBZ160掘进机效率很高，一小时高达30立方，而到了硬岩F12时降到3立方以下，效率低下，已经不具备商用价值。

于是，一种能在硬度F8及以上岩层高效掘进巷道的钎杆和液压破碎锤机构及其掘进方法亟待出现。

发明内容

本发明提供一种钎杆和液压破碎锤机构及其掘进方法，用以解决现有技术在硬度F8及以上岩层掘进效率低下的技术问题。

本发明通过下述技术方案实现：一种钎杆，包括钎杆本体，所述钎杆本体的撞击端为棱锥尖部，所述棱锥尖部的每个锥面上均设置有排屑槽。

进一步地，为了更好的实现本发明，所述棱锥尖部为四棱锥体，所述棱锥尖部的侧棱与所述钎杆本体轴心线之间夹角的角度取值范围为2°～3°。

进一步地，为了更好的实现本发明，所述棱锥尖部为正四棱锥体或长方形棱锥体，所述棱锥尖部的尖端端面为正方形平面或长方形平面。

进一步地，为了更好地实现本发明，所述排屑槽为长条状半圆形槽或三角槽，每个所述排屑槽的轴心线均与所述棱锥尖部侧棱平行。

一种液压破碎锤机构，包括底座、液压破碎锤以及所述钎杆，所述钎杆可拆卸安装在所述液压破碎锤上，所述液压破碎锤上设置有滑套，所述底座上设置有与所述滑套适配的滑杆，所述液压破碎锤通过所述滑套滑动连接在所述底座上，还包括用于推进所述液压破碎锤在滑杆上滑动的驱动装置，所述驱动装置的固定端安装在所述底座上，所述驱动装置的动力输出端安装在所述液压破碎锤上。

进一步地，为了更好地实现本发明，所述滑杆包括第一滑杆和第二滑杆，所述第一滑杆和所述第二滑杆平行设置，所述滑套包括第一滑套和第二滑套，所述第一滑套套设于所述第一滑杆上，所述第二滑套套设于所述第二滑杆上，所示第一滑套和所述第二滑套均设置在所述液压破碎锤的底部。

进一步地，为了更好地实现本发明，所述底座还安装有翻挖碎岩的挖斗装置和驱动所述挖斗装置的驱动油缸，所述挖斗装置包括第一连杆、第二连杆和挖斗，所述第一连杆一端与所述底座铰接为A铰点，所述第一连杆另一端以及所述第二连杆的一端和所述驱动油缸的动力输出端三点铰接为B铰点，所述第二连杆的另一端铰接于所述挖斗上为C铰点，所述挖斗铰接于所述底座上为D铰点，所述驱动油缸的固定端铰接于所述底座上，所述A铰点和所述D铰点均位于所述B铰点上方。

进一步地，为了更好地实现本发明，所述驱动装置为第一推拉油缸。

进一步地，为了更好地实现本发明，所述驱动油缸为第二推拉油缸。

一种使用所述液压破碎锤机构的掘进方法，包括以下步骤：

步骤1：将所述液压破碎锤整体以40°～60°的水平夹角对齐锤击点；

步骤2：启动所述液压破碎锤驱动所述钎杆的棱锥尖部的尖端锤击岩体；

步骤3：启动所述驱动装置以正压力驱动所述液压破碎锤直线推进；

步骤4：启动所述驱动油缸驱动所述挖斗装置翻挖碎岩。

本发明相较于现有技术具有以下有益效果：

本发明提供一种钎杆，包括撞击端为棱锥尖部的钎杆本体，通过棱锥尖部的每个锥面对岩体进行挤压膨胀，膨胀力数倍于锤击力，从而破坏岩体的抗拉强度，破岩效率远远优于现有的截齿破岩，棱锥尖部的每个锥面均设置排屑槽，使用时有利于排出碎岩，避免碎岩堆积在撞击面无法排除，从而提高破岩效率；

本发明还提供一种液压破碎锤机构，包括液压破碎锤和钎杆，通过在底座上设置滑杆，在液压破碎锤上设置滑套，使用时液压破碎锤通过滑套滑动连接在滑杆上，使液压破碎锤可以沿着滑杆方向直线运动，还包括用于推进液压破碎锤滑动的驱动装置，驱动装置固定端安装在底座上，其动力输出端安装在液压破碎锤上，从而给液压破碎锤提供持续的正压力使钎杆持续锤击在岩体上，提高破岩效率；

本发明另外提供一种掘进方法，包括以下步骤：

步骤1：将所述液压破碎锤整体以40°～60°的水平夹角对齐锤击点；

步骤2：启动所述液压破碎锤驱动所述钎杆的棱锥尖部的尖端锤击岩体；

步骤3：启动所述驱动装置以正压力驱动所述液压破碎锤直线推进；

步骤4：启动所述驱动油缸驱动所述挖斗装置翻挖碎岩。

运用此方法，对于硬度F8以上的硬岩，相比现有技术通过破坏岩体的抗压强度的方法，本方法使用本发明的钎杆及液压破碎锤机构以直线推进来破坏岩体的抗压及抗拉强度，破岩效率更高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明中钎杆的棱锥尖部的结构示意图；

图2是本发明中液压破碎锤机构的结构示意图；

图3是本发明中挖斗装置处于打开状态时的示意图；

图4是本发明中挖斗装置处于关闭状态时的示意图；

图5是本发明中液压破碎锤与底座滑动连接的示意图。

图中：

100-棱锥尖部；101-排屑槽；200-液压破碎锤机构；201-底座；202-液压破碎锤；203-滑套；2031-第一滑套；2032-第二滑套；204-滑杆；2041-第一滑杆；第二滑杆-2042；205-驱动装置；206-挖斗装置；2061-第一连杆；2062-第二连杆；2063-挖斗；2064-A铰点；2065-B铰点；2066-C铰点；2067-D铰点；207-驱动油缸；208-第一固定块；209-第二固定块。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

实施例1：

本实施例中，一种钎杆，如图1所示，包括钎杆本体，具体的，上述钎杆本体的撞击端为棱锥尖部100，上述棱锥尖部100的每个锥面上设置有排屑槽101，采用该结构，使用时，上述棱锥尖部100直接作用在岩体某一定点位置上，通过上述棱锥尖部100的每个锥面对岩体进行挤压膨胀，迎锤面的岩石在锤击力作用下会被压溃，从而在岩体表面产生放射状微裂纹，再一锤又产生微裂纹，多锤打击下，一层层的微裂纹碎岩被剥离，碎岩经上述排屑槽101及时排出上述棱锥尖部100的锤击面，避免碎岩来不及排出而在锤击面又被压实聚集，影响破岩效率，相比于现有技术使用截齿破岩，本发明中的钎杆对硬度F8以上岩体的掘进，破岩效率更高，降低了成本，具有更好的商业价值。

作为本实施例的一种具体实施方式，上述棱锥尖部100为四棱锥体，作为优化，上述棱锥尖部100的侧棱与上述钎杆本体轴心线之间夹角的角度取值范围为2°～3°，从而使锤击力其中一个分力作用在每个锥面处的岩体上。

作为本实施例的一种更优实施方式，上述棱锥尖部100为正四棱锥体，使锤击力在上下左右四个方向上对岩体的作用力均匀发散，提高本钎杆的破岩效率，上述棱锥尖部100端部为正方形平面，便于压溃岩体，保护钎头，提高钎杆的使用寿命，当然，上述棱锥尖部100也可以设置成长方形棱锥体，其尖端端面此时为长方形平面，其长方形平面两短边对岩体的作用力更大，定向破岩效果明显。

作为本实施例的一种更优实施方式，上述排屑槽101为长条状半圆形槽，每个排屑槽101的轴心线均与上述棱锥尖部100的侧棱平行，从而使上述排屑槽101沿着上述棱锥尖部100的锥面设置，有利于排出碎岩，半圆形的槽底可防止碎岩堆积在槽底，作为优选，上述排屑槽101设置在上述棱锥尖部100锥面沿钎杆长度方向的中心位置上，当然，上述排屑槽101也可以设置成三角槽、矩形槽等其他形状的槽，同样可以实现排出岩屑的功能。

实施例2：

本实施例中，一种包括底座201、液压破碎锤202和上述钎杆的液压破碎锤机构200，如图2所示，具体的，上述液压破碎锤202上设置有滑套203，上述底座201上设置有与上述滑套203适配的滑杆204，从而将上述液压破碎锤202通过上述滑套203滑动连接在底座201上，使液压破碎锤202可以沿上述滑杆204在底座201上直线滑动。

进一步的，上述底座201上还设置有用于推进上述液压破碎锤202滑动的驱动装置205，作为优选，上述驱动装置205为第一推拉油缸，上述驱动装置205的固定端安装在底座201上，其动力输出端安装在上述液压破碎锤202上，作为优化，其动力输出端与上述滑杆204的长度方向平行设置，从而对上述液压破碎锤202施加正压力，推动上述液压破碎锤202使上述钎杆持续的高频锤击在岩体上，以增强上述液压破碎锤202的破岩掘进效率。

需要说明的是，上述钎杆可拆卸安装在上述液压破碎锤202上，上述液压破碎锤202属于现有技术，其内设有液压动力源和活塞，活塞与上述钎杆连接，使用时，液压动力源将液压势能转换成活塞的冲击动能，活塞的冲击动能再转换成上述钎杆的瞬间冲击力，进而高频率的锤击岩体，在此不再进行重复的赘述。

作为本实施例的一种具体实施方式，如图5所示，上述滑杆204包括平行设置的第一滑杆2041和第二滑杆2042，上述滑套203包括第一滑套2031和第二滑套2032，上述第一滑套2031套设于上述第一滑杆2041上，上述第二滑套2032套设于上述第二滑杆2042上，具体的，上述第一滑套2031和第二滑套2032均可拆卸固接在液压破碎锤202的下部，可拆卸固接方式可以为螺接、焊接、卡接等，作为另一种实施方式，如图5所示，上述第一滑套2031和第二滑套2032也可以与液压破碎锤202的底部一体成形设计，通过设置平行安装的第一滑杆2041和第二滑杆2042分别与第一滑套2031和第二滑套2032套接，使液压破碎锤202的滑动连接更加稳定，不会发生晃动，结构稳定。

值得注意的是，如图2所示，上述底座201上还设有第一固定块208和第二固定块209，上述第一滑杆2041和第二滑杆2042的两端均分别固接在上述第一固定块208和第二固定块209上，固接方式可以为螺接、焊接、卡接等，从而限制上述滑套203在滑杆204上的移动终止位置，防止上述滑套203脱离出去导致事故。

实施例3：

本实施例在实施例2的基础上作进一步优化，本实施例中，上述底座201上安装有挖斗装置206和驱动上述挖斗装置206做翻挖动作的驱动油缸207，上述挖斗装置206用以翻挖巷道内挤压的碎岩，作为优选，上述驱动油缸207为第二推拉油缸，具体的，上述挖斗装置206包括第一连杆2061、第二连杆2062和挖斗2063，上述第一连杆2061一端铰接于上述底座201上，第一连杆2061另一端、第二连杆2062一端和上述驱动油缸207的动力输出端三点铰接，上述第二连杆2062另一端铰接于上述挖斗2063上，挖斗2063铰接于底座201上，上述驱动油缸207的固定端铰接于底座201上，于是，上述驱动油缸207、第一连杆2061、第二连杆2062和挖斗2063形成物理学上的摇杆滑块机构，其中上述驱动油缸207相当于驱动的滑块，上述第一连杆2061和挖斗2063相当于摇杆，上述第二连杆2062为传动杆。

本实施例中，以上述第一连杆2061与底座201铰接端为A铰点2064，以上述第一连杆2061、第二连杆2062和驱动油缸207动力输出端三点铰接端为B铰点2065，以第二连杆2062与挖斗2063铰接端为C铰点2066，以挖斗2063与底座201铰接端为D铰点2067，上述A铰点2064、D铰点2067均位于上述B铰点2065上方，从而使上述驱动油缸207的动力输出端的运动轨迹始终处于上述A铰点2064与D铰点2067下方，以实现上述摇杆滑块机构的运行，上述B铰点2065在驱动油缸207的推拉驱动下以A铰点2064为圆心做往复运动，即上述第一连杆2061在驱动油缸207的驱动下以A铰点2064与圆心做摇杆往复运动，此过程中，上述第一连杆2061对驱动油缸207起着支撑的作用，同时，上述第二连杆2062连接于B铰点2065与C铰点2066之间，从而当第一连杆2061往复运动时，上述第二连杆2062随之带动C铰点2066处的挖斗2063以D铰点2067为圆心做旋转，当驱动油缸207的动力输出端推进到最大距离，四连杆机构推动上述挖斗2063逆时针旋转至远端，如图3所示，即上述挖斗2063处于打开状态，当驱动油缸207的动力输出端拉回到最小距离，滑块摇杆机构拉动上述挖斗2063顺时针旋转至近端，如图4所示，即上述挖斗2063处于关闭状态。从而通过上述驱动油缸207的反复推拉驱动滑块摇杆机构带动上述挖斗2063完成翻挖动作，在掘进的过程中不断清理巷道内的碎岩，避免堆积的碎岩阻碍上述液压破碎锤机构200推进。

实施例4：

本实施例中，一种使用上述液压破碎锤机构200的掘进方法，包括以下步骤：

步骤1：将上述液压破碎锤202整体以40°～60°的水平夹角对齐锤击点；

步骤2：启动上述液压破碎锤202驱动上述钎杆的棱锥尖部100的尖端锤击岩体；

步骤3：启动上述驱动装置205以正压力驱动上述液压破碎锤202直线推进；

步骤4：启动上述驱动油缸207驱动上述挖斗装置206翻挖碎岩。

本发明的掘进方法，用于在高硬度的岩体开掘巷道，在岩体上确定锤击点，将上述液压破碎锤202整体以40°～60°的水平夹角对齐锤击点，启动上述液压破碎锤202驱动上述钎杆开始锤击岩体，上述液压破碎锤202内的液压动力源驱动活塞，给上述钎杆施加锤击力，钎杆上的棱锥尖部100的正方形端面在岩体上形成瞬间的打击力，根据压强公式P＝F/S，该打击力除以钎杆端部与岩体的接触面积，即为每一锤击作用在岩体上的压力强度，这个压力强度大于岩石的抗压强度，则岩石会被压溃，从而在锤击点周围产生放射状微裂纹，再一锤又产生微裂纹，多锤打击下，一层层的微裂纹岩体被剥离并从上述钎杆上的排放槽排出。

与此同时，在液压破碎锤202锤击岩体的过程中，启动上述驱动装置205以正压力驱动液压破碎锤202直线推进，使每一锤击中上述棱锥尖部100都完全击打在岩体上，伴随着层层岩体剥落并排出，在岩体的锤击点逐渐形成凹坑，上述液压破碎锤202在驱动装置205的作用下沿上述滑杆204做直线推进，从而使钎杆的棱锥尖部100一点点伸入到岩体内部，此过程中，由于上述钎杆不是直杆，其锤击部为锥形的正四棱锥体，使得棱锥尖部100的锥面与岩体的侧面接触时，可对岩体的上下左右四个侧方向产生推力(若钎杆为直杆，则锤击力只会在钎杆的端面对岩体产生推力以破坏岩体，而不能在侧方向产生推力)，根据混凝土抗拉强度测试规范可知，此过程实质即为克服岩体的抗拉强度的过程，通过破坏岩体的抗拉强度来破岩掘进，提高掘进巷道的效率。

随着上述钎杆的一点点深入，锥体从四个方向强行挤压，胀开岩体，以硬度为F12硬岩为例，F12硬岩的抗压强度P1＝120MPa，抗拉强度P2＝1.2MPa，钎杆的打击力为F1，以破坏岩体抗压强度来计算，钎杆与岩体接触面积S1的临界值为S1＝F1/P1，变换后即为F1＝P1×S1，以破坏岩体抗拉强度来计算，被剥落岩体面积S2的临界值为S2＝F1/P2，变换后即为F1＝P2×S2，从而得出P1×S1＝P2×S2，进而S2/S1＝P1/P2＝100，说明当被剥落岩体的面积S2达到钎杆与岩体接触面积S1的100倍时，岩体才不能被剥离，实际操作中，液压破碎锤202的活塞重约280kg，行程120mm，与之相配的液压动力源为300L/min，压力22MPa，总功率110KW，锤击时，液压压差作用在活塞上的推力为8.2吨，氮气推力约6吨，推动280Kg的活塞，加速行程为120mm，再撞击在前面的钎杆上，可产生瞬间最大500吨以上的打击力，以前方岩体硬度F12设计(抗压强度140MPa)，一锤可掘进5mm，100锤可以打进500mm，用时22秒左右，而最大500吨以上的瞬间打击力通过钎杆棱锥尖部100的压强放大作用，这个力度可以轻松胀开岩体，在钎杆打进500mm时，以50度夹角打进岩体，胀开的岩块体积超过0.3立方米，打进700mm深时，胀开的岩块体积超过0.6立方米，打进1000mm，胀开的岩体超过1.6立方米。

最后，掘进过程中，随着碎岩剥离并掉落在巷道中，启动上述驱动油缸207以驱动上述挖斗装置206翻挖碎岩，清理巷道，保证上述液压破碎锤机构200的正常工作。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种钎杆，包括钎杆本体，其特征在于：所述钎杆本体的撞击端为棱锥尖部，所述棱锥尖部的每个锥面上均设置有排屑槽。

2.根据权利要求1所述的钎杆，其特征在于：所述棱锥尖部为四棱锥体，所述棱锥尖部的侧棱与所述钎杆本体轴心线之间夹角的角度取值范围为2°～3°。

3.根据权利要求2所述的钎杆，其特征在于：所述棱锥尖部为正四棱锥体或长方形棱锥体，所述棱锥尖部的尖端端面为正方形平面或长方形平面。

4.根据权利要求3所述的钎杆，其特征在于：所述排屑槽为长条状半圆形槽或三角槽，每个所述排屑槽的轴心线均与所述棱锥尖部侧棱平行。

5.一种液压破碎锤机构，其特征在于：包括底座、液压破碎锤以及如权利要求1—4中任一项所述的钎杆，所述钎杆可拆卸安装在所述液压破碎锤上，所述液压破碎锤上设置有滑套，所述底座上设置有与所述滑套适配的滑杆，所述液压破碎锤通过所述滑套滑动连接在所述底座上，还包括用于推进所述液压破碎锤在滑杆上滑动的驱动装置，所述驱动装置的固定端安装在所述底座上，所述驱动装置的动力输出端安装在所述液压破碎锤上。

6.根据权利要求5所述的一种液压破碎锤机构，其特征在于：所述滑杆包括第一滑杆和第二滑杆，所述第一滑杆和所述第二滑杆平行设置，所述滑套包括第一滑套和第二滑套，所述第一滑套套设于所述第一滑杆上，所述第二滑套套设于所述第二滑杆上，所示第一滑套和所述第二滑套均设置在所述液压破碎锤的底部。

7.根据权利要求6所述的一种液压破碎锤机构，其特征在于：所述底座还安装有翻挖碎岩的挖斗装置和驱动所述挖斗装置的驱动油缸，所述挖斗装置包括第一连杆、第二连杆和挖斗，所述第一连杆一端与所述底座铰接为A铰点，所述第一连杆另一端以及所述第二连杆的一端和所述驱动油缸的动力输出端三点铰接为B铰点，所述第二连杆的另一端铰接于所述挖斗上为C铰点，所述挖斗铰接于所述底座上为D铰点，所述驱动油缸的固定端铰接于所述底座上，所述A铰点和所述D铰点均位于所述B铰点上方。

8.根据权利要求7所述的一种液压破碎锤机构，其特征在于：所述驱动装置为第一推拉油缸。

9.根据权利要求8所述的一种液压破碎锤机构，其特征在于：所述驱动油缸为第二推拉油缸。

10.一种使用权利要求7所述液压破碎锤机构的掘进方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：将所述液压破碎锤整体以40°～60°的水平夹角对齐锤击点；

步骤2：启动所述液压破碎锤驱动所述钎杆的棱锥尖部的尖端锤击岩体；

步骤3：启动所述驱动装置以正压力驱动所述液压破碎锤直线推进；

步骤4：启动所述驱动油缸驱动所述挖斗装置翻挖碎岩。