CN110836119A - 一种流体驱动掘进装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种的流体驱动掘进装置，使用流体，如液压油、水或压缩空气为能源，驱动旋转装置运动，其结构简单，扭矩大，转速高，传递效率高，能耗低，且振动小，可很好的满足掘进装置对转矩、转速以及运转平稳性的要求；同时流体动力装置，包括外圈和芯体，芯体的外环面的喷口和排口之间设有至少一阶以上的次冲流道，流体从进流通道进入，通过芯体的喷口及次冲流道的逐阶喷出，作用于外圈周向上的至少二驱动凹部，对这些驱动凹部产生推力推动外圈旋转做功，实现动力输出，最后，流体通过芯体的排口经排流通道排出。

Description

一种流体驱动掘进装置

技术领域

本发明公开一种流体驱动掘进装置，按国际专利分类表(IPC)划分属于矿用机械装置类技术领域。

背景技术

现有的各种各样的掘进装置，尤其是冲击钻孔装置，在建筑施工、矿厂作业中具有广泛的应用。其多采用一发动机以及一旋转装置，由发动机驱动旋转装置转动，以带动旋转装置前端的作业装置作业。

由于作业装置在工作时，需要较大的扭矩，且作业空间限制，发动机体积不能过大，而现有的发动机，多为气压发动机或液压发动机。

发动机中的气压发动机，当今研究方向是发展结构紧凑，高效可靠的小型发动机，大多处于试验即试制阶段，还未有大规模的商业应用。目前，大多数气体发动机设计原型是以活塞发动机或叶片泵的基础，通过热交换器受热实现能量的转化，达到动力输出，但结构复杂、效率低，难以满足续航能力的要求。

而液压发动机，其多为低转速液压马达，工作效率低，且马达自身结构复杂，维护使用较为繁琐，工作稳定性较差。

为进一步改善发动机性能，满足掘进装置工作需求，实现结构紧凑、高效可靠的动力生成以及输出，本发明人经过多年的开发研究，故才有本发明的提出。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种流体驱动掘进装置，通过流体动力装置的芯体上周向设置的多阶流道，流体的能量多次利用，通过芯体驱动旋转外圈，实现动力的输出，具有结构紧凑、扭矩大、转速高、传递效率高、节能环保等优点。

为达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种流体驱动掘进装置，其特征在于：包括一安装基座，该安装基座上设有旋转装置以及驱动该旋转装置的流体动力装置，其特征在于，该流体动力装置包括：

一外圈，其内环面周向上设有多个驱动凹部；

一芯体，其同轴设置在外圈内并能相对外圈转动，芯体的外环面设有至少一喷口、至少一排口、以及位于喷口和排口之间的至少一次冲流道；

至少一进流通道，其连通至少一喷口；以及

至少一排流通道，其连通至少一排口；

流体从进流通道进入，通过芯体的喷口及次冲流道的逐阶喷出，作用于外圈周向上的至少二驱动凹部，对这些驱动凹部产生推力推动外圈旋转做功，实现动力输出，最后，流体通过芯体的排口经排流通道排出。

进一步，至少一进流通道、至少一喷口、至少二驱动凹部、至少一次冲流道、至少一排口和至少一排流通道形成独立做功单元，该流体动力装置中包括至少一个独立做功单元。

进一步，芯体上的喷口及次冲流道，与外圈对应的驱动凹部连通，次冲流道与对应的驱动凹部交错布设依次连通，次冲流道沿芯体或外圈周向设置。

进一步，进流通道和排流通道形成于芯体内。

进一步，芯体上包括：

进流通道，其在芯体周面形成喷口，其走向为由中间往外延伸的弧形线，喷口与外圈对应的驱动凹部连通，形成第1阶流道；

次冲流道，其走向为芯体边缘向内再到边缘弯折延伸的弧形线，每一次冲流道与外圈对应的前后两驱动凹部连通，沿芯体周向形成N阶流道，其中N≥2的自然数；

各阶流道与外圈对应驱动凹部配合形成流体能量递减的多阶冲程结构。

进一步，次冲流道包括回程道和相通的冲程道，回程道与外圈对应的驱动凹部连通，冲程道与另一驱动凹部连通。

进一步，芯体进流通道的走向为由中间往外延伸的对数螺旋线，该对数螺旋线的极点设置在芯体中心轴线上，对数螺旋线走向角15°-45°。

进一步，芯体上设有进流通道，其走向为由中间往外延伸的对数螺旋线，次冲流道的冲程道的走向为对数螺旋线，次冲流道的冲程道对数螺旋线的走向与进流通道对数螺旋线的走向大致相同。

进一步，该流体动力装置还包括一轴，外圈与芯体同轴设置于轴上。

进一步，该流体动力装置还包括一轴，外圈与芯体同轴设置于轴上，该轴上开设有进、出流轴道分别连通至芯体的进流通道和排流通道。

轴内进、出流轴道形成进流口和出流口，进、出流轴道为不连通结构。

进一步，外圈通过侧板配合于轴上形成一个封闭空间，芯体设置于封闭空间内并与轴连接固定。

进一步，独立做功单元中进流通道、喷口、驱动凹部、次冲流道、排口和排流通道构成流体流动路径。

进一步，该流体动力装置中包括二个以上独立做功单元形成多级驱动结构，并沿芯体或外圈周向设置。

进一步，外圈的内环面上设置有2个以上驱动凹部，每一驱动凹部具有一轮廓底面以及驱动面，轮廓底面的轮廓线为对数螺旋线，其极点设置在芯体中心。

进一步的，该旋转装置上还设有一钻头，该安装基座设于一移动装置的举升臂上。

进一步的，还包括一作业装置，该作业装置能前后活动地设于该旋转装置上，且该旋转装置与该作业装置之间还设有一减振组件；优选的，该减振组件为减振弹簧。

本发明的流体驱动掘进装置，使用流体，如液压油、水或压缩空气为能源，驱动旋转装置运动，其结构简单，扭矩大，转速高，传递效率高，能耗低，可很好的满足掘进装置对转矩、转速以及运转平稳性的要求。

本发明的流体动力装置，在流体掘进装置上具有如下有益效果：

1、本发明中芯体设置的多阶流道，即进流通道作为第1阶流道，各次冲流道作为第2、3、4……阶流道，流体由第1阶流道作用在外圈的驱动凹部，驱动凹部与第2阶流道相通，然后返回到第2阶流道后又作用在外圈的另一驱动凹部，位次类推，直至流体从排流通道排出，整个过程是沿外圈旋转方向的顺向进行，扭矩大，传递效率高、流体利用率高，输出扭矩随着转速的提高进一步增大；满足旋转装置转动需求。

2、本发明芯体周向布设的各流道，有效减小了整体装置的体积，可灵活配合于各领域动力生成或输出设备，同时，芯体上进流通道设置越多，整体重量反而降低，进一步提高了装置的输出速度和效率；旋转转矩更高，掘进效果更好。

附图说明

图1是本发明第1实施例流体掘进装置局部正图；

图2是本发明第1实施例流体掘进装置安装于履带式移动装置上的侧视图；

图3是本发明第1实施例流体动力装置示意图。

图4是本发明第1实施例流体动力装置轴A向侧视图。

图5是本发明第1实施例流体动力装置轴B向侧视图。

图6是本发明第1实施例流体动力装置一剖视图。

图7是本发明第1实施例流体动力装置另一布局图。

图8是本发明第2实施例流体动力装置示意图。

图9是本发明第2实施例流体动力装置轴C向侧视图。

图10是本发明第2实施例流体动力装置轴D向侧视图。

图11是本发明第2实施例流体动力装置径向剖视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

实施例1：

结合图1和图2所示，该实施例提供了一种流体驱动掘进装置，其包括一安装基座5，该安装基座5上具有一贯通孔，该贯通孔内能转动地设有一旋转装置7，两个流体动力装置9设于该安装基座5上，且分别与该旋转装置7传动连接。

该旋转装置的前端，设有一作业装置8，在该实施例中，该作业装置8是钻头，以用于对矿岩进行钻孔掘进。该安装基座5设于一履带式移动装置6的举升臂上，且能调整倾斜角度，该举升臂上还具有一下拉油缸71，该下拉油缸71作用于旋转装置7的上端部72，以用于下压作业装置8。

请参阅图3至图6，该实施例的流体动力装置，其包括一外圈1，其内环面周向上设有多个驱动凹部11，该外圈1与该传动机构8传动连接；一芯体3，其同轴设置在外圈1内并能相对外圈转动，芯体3的外环面设有至少一喷口301、至少一排口302、以及位于喷口和排口之间的至少一次冲流道300；该流体动力装置内所用流体通常为牛顿流体或非牛顿流体，通常选用牛顿流体，包括有气体流体或液体流体，输入至该动力装置的流体压力可以是压缩机(如液压泵或气压泵)产生、压缩流体的容器(如高压气瓶)产生、或源自环境(如水流、风流)、等等。

至少一进流通道31，其连通至少一喷口301，该进流通道31管路连通至履带式行走装置6的高压气源或液压源，以用于通入流体；

以及至少一排流通道310，其连通至少一排口302；

流体从进流通道31进入，通过芯体3的喷口301及次冲流道300的逐阶喷出，作用于外圈1周向上的至少二驱动凹部11，对这些驱动凹部11产生推力推动外圈1旋转做功，实现动力连续输出，最后，流体通过芯体3的排口经排流通道排出。该流体动力装置还包括一轴2，外圈1与芯体3同轴设置于轴2上。

如图6所示，进流通道31和排流通道310形成于芯体3内，芯体3上的喷口301及次冲流道300，与外圈1对应的驱动凹部11连通，其中次冲流道300与对应的驱动凹部11交错布设依次连通，次冲流道300沿芯体或外圈周向设置。

如图6，芯体3上包括：进流通道31，其在芯体周面形成喷口31，其走向为由中间往外延伸的弧形线，喷口301与外圈对应的驱动凹部11连通，形成第1阶流道；

次冲流道300，其走向为芯体3边缘向内再到边缘弯折延伸的弧形线，每一次冲流道300与外圈1对应的前后两驱动凹部11连通，沿芯体周向形成N阶流道，其中N≥2的自然数。需要说明的是：这里如果是2阶流道则包括第1阶流道(进流通道)和第2阶流道(一次冲流道)；如果是3阶流道包括第1阶流道(进流通道)、第2阶流道(一次冲流道)、第3阶流道(另一次冲流道)，……

各阶流道与外圈对应驱动凹部配合形成流体能量递减的多阶冲程结构。

根据负载的要求，可以对流体动力装置进行设计，其中的芯体3设置可以是2阶流道、3阶流道、或更多阶进流通道，每阶循环做功，能量充分利用，最大程度地提高使用效率，以满足输出扭矩和转速的需求。

如图7是4阶流道示意图，压缩流体从第1阶流道311进入后，经第2、3、4阶流道312、313、314，并喷出作用在对应的驱动凹部11，最后体通过排流通道310输出；图6是5阶进流通道示意图，工作过程同图7示意类似。如图7，次冲流道300包括回程道和相通的冲程道，如图7中的第3阶流道中的回程道3131和相通的冲程道3132，回程道3131与外圈对应的驱动凹部连通，冲程道3132与另一驱动凹部连通。

请参阅图3，该流体动力装置还包括一轴2，外圈1与芯体3同轴设置于轴2上，该轴2上开设有进、出流轴道21、210分别连通至芯体3的进流通道31和排流通道310。轴内进、出流轴道形成进口和出口，进、出流轴道为不连通结构。外圈1通过侧板41、42配合于轴2上形成一个封闭空间，芯体3设置于封闭空间内并与轴2连接固定。本发明中芯体3设有至少2阶流道，每一阶流道与外圈对应的驱动凹部连通，最后由排流通道排出流体。

请参阅图3，本发明中芯体3可以是由左、右芯体配合而成，左、右芯体配合面设有进流通道31和排流通道310，芯体3也可以是整体铸造而成。

请参阅图3、图6，本实施例是一级驱动结构，芯体3上沿周向设置1条流体通道形成一级驱动结构，流体通道也称为独立做功单元，芯体3和外圈1上一进流通道31、一喷口301、至少二驱动凹部11、至少一次冲流道300、一排口302和一排流通道310形成独立做功单元，该流体动力装置中包括至少一个独立做功单元。独立做功单元中进流通道31、喷口301、驱动凹部11、次冲流道300、排口302和排流通道310构成流体流动路径。

请参阅图3、图6或图7，本发明中外圈1的内环面上设置有2个以上驱动凹部11，每一驱动凹部具有一轮廓底面111以及驱动面112，轮廓底面111的轮廓线可以是普通弧形线或螺旋线，当轮廓底面的轮廓线为对数螺旋线，其极点设置在轴上，每一驱动凹部11同时与相邻阶流道相通以使前一阶流道进入的流体由下一阶流道输出。

本发明中芯体3进流通道即第1阶流道走向可以是普通弧形线或螺旋线，各次冲流道即第N阶流道中冲程道的走向也可以是普通弧形线或螺旋线。

如图6及图7，本发明芯体3上设有进流通道31，其走向为由中间往外延伸的对数螺旋线，次冲流道300的冲程道的走向为对数螺旋线，次冲流道的冲程道对数螺旋线的走向与进流通道对数螺旋线的走向大致相同。芯体3进流通道的走向为由中间往外延伸的对数螺旋线，该对数螺旋线的极点设置在芯体中心轴线上，对数螺旋线走向角15°-45°，角度越小，流道越长，损耗越多；角度越大，驱动外圈的切向分力越小。

请参阅图3、图4及图5，本发明轴2内进、出流轴道21、210形成进口和出口，进、出流轴道为不连通结构。轴的进口和出口可以设置在轴一端或轴两端，进流轴道21与芯体的进流通道31相通，轴的出流口轴向延伸形成出流轴道210，出流轴道与芯体的排流通道310相通。

本申请案所涉流体动力装置是指能够将流体能转换成机械转动的装置，其中该装置除必要的外圈、芯体及其相应凹部结构或流道结构设计外，还可以额外包括其他部件；例如，可以额外包括有提供外保护的壳体和密封结构等，又如可以额外包括有提供转矩传递的联轴器等。其中，外圈可以根据机械转动输出方式的不同而具体表现形式有所变化，例如外圈外侧形成外齿形结构，以利于通过齿轮传动的方式输出动能；又例如外圈具有皮带槽，以通过皮带传动的方式输出动能；再例如外圈具有安装法兰盘，可以方便地安装联轴器以输出动能；等等。芯体和外圈的材质为硬质材料制成，不限于金属、金属合金、塑料、复合材质，芯体和外圈的凹部结构或流道结构的加工方式可以采用一切已知的生产手段实现，包括而不限于压铸、锻造、挤压、3D打印等等。输入至该动力装置的流体压力可以是压缩机(如液压泵或气压泵)产生、压缩流体的容器(如高压气瓶)产生、或源自环境(如水流、风流)、等等。

图3和图6中需要说明的是，芯体的进流通道31和排流通道310及进流轴道21、出流轴道210，按制图规则虽然不对应，但为了形象说明，图3中芯体的进流通道和排流通道就是指进流通道和排流通道，实施例2中图8和图11与此类似的示意图示。

实施例2：

该实施例的流体驱动掘进装置与实施例1基本相同，其主要区别为：

请参阅图8至图11，流体动力装置中包括2独立做功单元形成二级驱动结构，即芯体3上沿周向设置2条流体通道，每条流体通道包括1阶以上的进流通道31和次冲流道300并沿芯体3周向布设及排流通道。流体动力装置包括外圈1，其内环面周向上设有多个驱动凹部11；一芯体3，其同轴设置在外圈1内并能相对外圈转动，芯体的外环面设有2组喷口、排口、以及每组喷口和排口之间设有至少一次冲流道；芯体上设有2进流通道31、32，其对应连通喷口；以及2排流通道310、320，其对应连通排口；两股流体从分别从芯体的2进流通道进入，通过芯体3的喷口及次冲流道300的逐阶喷出，作用于外圈周向上相应的驱动凹部11，对这些驱动凹部产生推力推动外圈1旋转做功，实现动力输出，最后，流体通过芯体的排口经排流通道排出。上述的一进流通道、一喷口、相应数量的驱动凹部及对应的次冲流道、排口和一排流通道形成独立做功单元。

该流体动力装置还包括一轴2，外圈1与芯体3同轴设置于轴上，该轴2上开设有进流轴道21、22及出流轴道210、220分别连通至芯体的进流通道31、32和排流通道310、320。轴2上设有与流体通道对应的两进流口和两出流口；压缩流体从轴2的两进流口进入，通过芯体3进流通道喷出作用在外圈1的驱动凹部11，产生推力推动外圈1旋转做功，最后压缩流体通过芯体3的排流通道回到相应的出流口，实现动力的连续输出。其他结构与实施例1中结构相同，不再赘述。

实施例3：

该实施例与实施例1基本相同，其主要区别为：本发明流体动力装置中包括4或更多的独立做功单元形成多级驱动结构，芯体上沿周向设置3条或更多条流体通道，每条流体通道包括1阶以上的进流通道和次冲流道并沿芯体周向布设及排流通道，进流通道和排流通道设置在左、右芯体的配合面。轴上设有与流体通道对应数量的进流轴道和出流轴道，压缩流体从轴的进流轴道进入，通过芯体进流通道喷出作用在外圈的驱动凹部，推动外圈旋转做功，实现动力的连续输出，最后压缩流体通过芯体的各排流通道回到相应的出流轴道。其他结构与实施例1中结构相同。

当然，该实施例中的流体驱动掘进装置，其流体动力装置与旋转装置是通过传动机构传动连接的，本领域的技术人员应当明白，在其它的具体实施方式中，该旋转装置还可以一体成型于该流体动力装置的外圈上，或者该旋转装置直接连接在该流体动力装置的外圈上，均可实现该实施例技术效果；在其他的实时方式中，作业装置可沿旋转装置轴向前后活动地设于该旋转装置上，而后，该旋转装置与该作业装置之间还设有一减振组件，以用于以冲击的方式掘进作业。

以上所记载，仅为利用本创作技术内容的实施例，任何熟悉本项技艺者运用本创作所做的修饰、变化，皆属本创作主张的专利范围，而不限于实施例所揭示者。

Claims (10)

1.一种流体驱动掘进装置，其特征在于：

包括安装基座，该安装基座上设有旋转装置以及驱动该旋转装置的流体动力装置，该流体动力装置包括：

一外圈，其内环面周向上设有多个驱动凹部；

一芯体，其同轴设置在外圈内并能相对外圈转动，芯体的外环面设有至少一喷口、至少一排口、以及位于喷口和排口之间的至少一次冲流道；

至少一进流通道，其连通至少一喷口；以及

至少一排流通道，其连通至少一排口；

流体从进流通道进入，通过芯体的喷口及次冲流道的逐阶喷出，作用于外圈周向上的至少二驱动凹部，对这些驱动凹部产生推力推动外圈旋转做功，实现动力输出，最后，流体通过芯体的排口经排流通道排出。

2.根据权利要求1所述的流体驱动掘进装置，其特征在于：至少一进流通道、至少一喷口、至少二驱动凹部、至少一次冲流道、至少一排口和至少一排流通道形成独立做功单元，该流体动力装置中包括至少一个独立做功单元。

3.根据权利要求1所述的流体驱动掘进装置，其特征在于：进流通道和排流通道形成于芯体内，芯体上的喷口及次冲流道，与外圈对应的驱动凹部连通，次冲流道沿芯体或外圈周向设置。

4.根据权利要求3所述的流体驱动掘进装置，其特征在于：芯体上包括

进流通道，其在芯体周面形成喷口，其走向为由中间往外延伸的弧形线，喷口与外圈对应的驱动凹部连通，形成第1阶流道；

次冲流道，其走向为芯体边缘向内再到边缘弯折延伸的弧形线，每一次冲流道与外圈对应的前后两驱动凹部连通，沿芯体周向形成N阶流道，其中N≥2的自然数；

各阶流道与外圈对应驱动凹部配合形成流体能量递减的多阶冲程结构。

5.根据权利要求3所述的流体驱动掘进装置，其特征在于：芯体进流通道的走向为由中间往外延伸的对数螺旋线，该对数螺旋线的极点设置在芯体中心轴线上，对数螺旋线走向角15°-45°。

6.根据权利要求1所述的流体驱动掘进装置，其特征在于：该流体动力装置还包括一轴，外圈与芯体同轴设置于轴上，该轴上开设有进、出流轴道分别连通至芯体的进流通道和排流通道。

7.根据权利要求2所述的流体驱动掘进装置，其特征在于：该流体动力装置中包括二个以上独立做功单元形成多级驱动结构，并沿芯体或外圈周向设置。

8.根据权利要求1至7之一所述的流体驱动掘进装置，其特征在于：外圈的内环面上设置有2个以上驱动凹部，每一驱动凹部具有一轮廓底面以及驱动面，轮廓底面的轮廓线为对数螺旋线，其极点设置在芯体中心。

9.根据权利要求1至7之一所述的流体驱动掘进装置，其特征在于：该旋转装置上还设有一钻头，该安装基座设于一移动装置的举升臂上。

10.根据权利要求1至7之一所述的流体驱动掘进装置，其特征在于：还包括一作业装置，该作业装置活动地设于该旋转装置上，且该旋转装置与该作业装置之间还设有一减振组件。

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