CN111779734B - 一种实现能量回收利用的液压凿岩机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种实现能量回收利用的液压凿岩机，活塞的端部与缸体之间设有缓冲腔，缸体上沿活塞的轴向依次设置缓冲油槽和加速油槽，活塞的端部设有油道，油道与缓冲腔连通，活塞上设有阻尼孔组，活塞在缸体内运动，通过阻尼孔组实现油道与缓冲油槽或加速油槽连通；缓冲腔与凿岩机低压油路之间设有第一油路，通过第一油路实现活塞冲程阶段对缓冲腔补油，或回程阶段对活塞进行减速；加速油槽与低压油路之间设有第二油路，通过第二油路实现回程起始阶段排出缓冲腔内的液压油；缓冲油槽连接能量回收油路，通过能量回收油路实现将活塞回程阶段的动能和液压能转化为其他部件的驱动力，或对活塞进行减速。

Description

一种实现能量回收利用的液压凿岩机

技术领域

本发明涉及凿岩机技术领域，具体涉及一种实现能量回收利用的液压凿岩机。

背景技术

凿岩机，是用来直接开采石料的工具，它在岩层上钻凿炮眼，以便放入炸药炸开岩石，从而完成开采石料或其他石方工程。液压凿岩机是以高压液压油为动力，驱动冲击活塞高速、高频往复运行，撞击钎杆传递能量到钻头，使钻头冲裂岩石，实现凿岩钻孔功能。它与传统气动凿岩机相比，具有能耗小、效率高、噪音小、凿岩速度快等优点，得到迅速发展。

凿岩机主要由冲击机构与回转机构组成。冲击机构是由缸体、活塞、换向阀、蓄能器等部件组成，通过换向阀的切换，液压油依次进入冲程作用腔与回程作用腔，推动活塞快速、高频往复运行。当冲程过程中，活塞高速撞击钎尾将产生较大冲击力，钎杆将冲击力传递到岩石进行凿孔，冲击结束后，岩石对钎杆、活塞产生反弹力，推动活塞高速返回，在接近返程终点时，其速度降低至零。

目前市场上的凿岩机在回程阶段的动能是通过液压油节流生热的方式，使活塞动能减小并实现制动，这种方式不但严重浪费能量，还带来液压油高温老化和压力波动问题，如能合理利用回程能量，实现能量回收，将使凿岩机的使用成本降低，带来可观的经济效益。

综上所述，急需一种实现能量回收利用的液压凿岩机以解决现有技术中存在的问题。

发明内容

本发明目的在于提供一种实现能量回收利用的液压凿岩机，具体技术方案如下：

一种实现能量回收利用的液压凿岩机，液压凿岩机包括活塞和缸体，活塞的端部与缸体之间设有缓冲腔，所述缸体上沿活塞的轴向依次设置缓冲油槽和加速油槽，所述活塞的端部设有油道，所述油道与缓冲腔连通，所述活塞上设有阻尼孔组，活塞在缸体内运动，通过阻尼孔组实现油道与缓冲油槽或加速油槽连通；

所述缓冲腔与凿岩机低压油路之间设有第一油路，通过第一油路实现活塞冲程阶段对缓冲腔补油，或回程阶段对活塞进行减速；

所述加速油槽与低压油路之间设有第二油路，通过第二油路实现回程起始阶段排出缓冲腔内的液压油；

所述缓冲油槽连接能量回收油路，通过能量回收油路实现将活塞回程阶段的动能和液压能转化为其他部件的驱动力，或对活塞进行减速。

以上技术方案中优选的，所述第一油路包括并联设置的第二单向阀和限压阀，所述第二单向阀和限压阀的两端分别连通缓冲腔和低压油路；通过第二单向阀实现冲程阶段对缓冲腔补油；通过限压阀控制缓冲腔内的油压，通过限压阀和第二单向阀配合实现回程阶段对活塞进行减速。

以上技术方案中优选的，所述限压阀为溢流阀。

以上技术方案中优选的，所述能量回收油路包括电磁换向阀、动力件和减速油路，所述电磁换向阀一端连通缓冲油槽，电磁换向阀另一端并联设置动力件和减速油路；通过电磁换向阀连通动力件，实现活塞回程阶段的动能和液压能驱动动力件工作，从而驱动其他部件工作；或者通过电磁换向阀连通减速油路对活塞进行减速。

以上技术方案中优选的，所述减速油路包括可调节阻尼，所述可调节阻尼的两端分别连接电磁换向阀和低压油路。

以上技术方案中优选的，所述动力件还连接有动力件驱动油路，所述动力件在动力件驱动油路驱动下旋转，或者动力件由活塞回程阶段的动能和液压能驱动旋转。

以上技术方案中优选的，所述动力件驱动油路包括第一单向阀，实现外部液压油单向输入至动力件。

以上技术方案中优选的，所述动力件为液压马达。

以上技术方案中优选的，所述其他部件为液压凿岩机的钎杆，通过动力件驱动钎杆旋转。

以上技术方案中优选的，所述阻尼孔组包括至少一个阻尼孔，多个阻尼孔沿着活塞的轴向设置，所述阻尼孔越靠近缓冲腔孔径越大。

应用本发明的技术方案，具有以下有益效果：

(1)本发明实现能量回收利用的液压凿岩机，设置能量回收油路可以实现将回程阶段的动能和液压能转化为其他部件的驱动力，即驱动钎杆旋转，可以有效的回收回程阶段的能量，降低了能耗，提高了油泵能源利用率。在冲程过程，缓冲腔容积增大，经第二单向阀向缓冲腔提供油源，防止吸空现象；回程过程，在回程起始阶段，缓冲腔内油液排出到低压油路流回油箱，产生尽可能小阻尼力，便于活塞进行加速或高速运动；在减速缓冲阶段，缓冲腔油液经限压阀溢流后，形成高背压使活塞起到缓冲制动作用，活塞高速返回的动能及推动其返回的液压能被液压马达吸收利用。

(2)本发明实现能量回收利用的液压凿岩机，液压马达可以由回程阶段的动能和液压能驱动工作，或者是由动力件驱动油路驱动进行工作，在动力件驱动油路中设置第一单向阀实现外部液压油只能单向进入到液压马达中，由回程阶段的液压油无法通过第一单向阀流出，实现两种驱动方式互不影响，独立工作；调节电磁换向阀导通方向，可以根据需求选择液压马达的驱动方式，减速油路上设置可调节阻尼同样可以实现对活塞回程进行减速。

(3)本发明实现能量回收利用的液压凿岩机，通过缓冲腔的制动效果，可在保证冲击能量一致的情况下有效缩短冲程距离，使凿岩机结构更紧凑。

(4)本发明实现能量回收利用的液压凿岩机，阻尼孔组包括至少一个阻尼孔，多个阻尼孔沿着活塞的轴向设置，阻尼孔越靠近缓冲腔孔径越大。这样设置的好处在于活塞越往缓冲腔一端运动，阻尼孔组的流通面积就会越小(即阻尼孔组与缓冲油槽或加速油槽的流通面积会逐渐变小)，阻抗将会越大，在活塞回程的过程中实现阻尼力逐渐增大的效果，有效的实现对活塞进行减速。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是现有的液压凿岩机工作原理图；

图2是本发明的液压凿岩机工作原理图；

其中，1、阀套，2、冲程作用腔，3、阀芯，4、回油腔，5、蓄能器，6、冲程控制腔，7、回程控制腔，8、回程作用腔，9、活塞，10、滑阀高压油腔A，11、滑阀低压油腔B，12、滑阀控制油腔L，13、滑阀低压油腔C，14、滑阀过渡腔D，15、滑阀高压腔E，16、缸体，17、第一单向阀，18、液压马达，19、可调节阻尼，20、电磁换向阀，21、第二单向阀，22、缓冲腔，23、限压阀，24、阻尼孔组，25、缓冲油槽，26、加速油槽，27、油道，Ⅰ、第一活塞台肩锐边，Ⅱ、第二活塞台肩锐边，Ⅲ、第二环形槽锐边，Ⅳ、第一环形槽锐边，P0、低压油路，P1、高压油路，P2、动力件驱动油路。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例1：

参见图1，图1示意的是现有的液压凿岩机工作原理图，所述液压凿岩机为现有技术，在此不对液压凿岩机的具体结构进行描述，图1中P0为低压油路，P1为高压油路，现有液压凿岩机的工作原理如下：

凿岩机正常钻孔时冲击频率高，冲击活塞撞击钎尾属于非弹性碰撞，活塞9撞击钎尾端面后在应力波作用下，活塞9将以一定初始速度朝冲程作用腔2方向返回(即图1中往左运动)，由于回程作用腔8始终为高压液压油，而高压蓄能器5向高压油路提供瞬间紧急油源，在初始速度与回程作用腔8内高压液压油作用下，活塞将加速返回。

活塞在回程结束时，速度聚减，产生瞬时冲击力较大，如果缓冲设计不当，活塞9直接撞击到缸体16，会导致降低结构件使用寿命或直接损坏。通常的缓冲方式是采用零开口滑阀结构，即阀芯3的凸肩宽度L等于阀套1的油槽宽度S，阀芯3移动过程中，存在滑阀过渡腔D14与滑阀低压油腔C13、滑阀高压腔E15通道同时关闭的现象。

在回程阶段(图1中活塞9往左运动)，当活塞9在返回到一定距离，当第一活塞台肩锐边I越过回程控制腔7的第一环形槽锐边Ⅳ时，回程作用腔8与滑阀控制油腔L12连通，高压油进入滑阀控制油腔L12，滑阀高压腔E15有效作用面积A3与滑阀控制油腔L12有效作用面积A2之和大于滑阀高压油腔A10有效作用面积A1，阀芯3移动(图1中左移)；当阀芯3往左移动过程中，滑阀过渡腔D14与滑阀低压油腔C13逐渐关闭，随后，滑阀过渡腔D14与滑阀高压腔E15逐渐打开，液压油经狭小缝隙进行节流，动能转化为热能使液压系统油温升高；由于活塞9惯性力与回程作用腔8中油压推力作用，活塞9继续后退，密闭空间油液压力迅速增加。随后，冲程作用腔2与滑阀高压腔E15通道逐渐打开，冲程作用腔2中油液压力传递到液压高压供油系统中。

在冲程阶段(图1中活塞往右运动)，活塞朝回程作用腔8方向加速前进，当第二活塞台肩锐边II越过冲程控制腔6的第二环形槽锐边Ⅲ时，回油腔4经活塞9上沟槽与冲程控制腔6连通时，滑阀控制油腔L12卸荷，此时，滑阀高压油腔A10有效作用面积A1大于滑阀高压油腔E15有效作用面积A3，在高压油作用下阀芯3朝右向移动；当阀芯移动过程中，滑阀过渡腔D14与滑阀高压腔E15逐渐关闭，随后，滑阀过渡腔D14与滑阀低压油腔C13逐渐打开，液压油经狭小缝隙进行节流，动能转化为热能使液压系统油温升高；由于此时冲程作用腔2变成低压，回程作用腔8始终为高压，在惯性与回程作用腔8高压油液压力作用，活塞9将减速制动继续前进很小一段距离并撞击钎尾，并在应力波作用下反弹并开始回程运动。

参见图2，本实施例在现有技术的技术上增加了液压凿岩机能量回收功能，研发出了一种实现能量回收利用的液压凿岩机。凿岩机活塞9的端部与缸体16之间设有缓冲腔22(缓冲腔具体是设置在活塞远离钎尾的一端)，所述缸体16上沿活塞9的轴向依次设置缓冲油槽25和加速油槽26(所述缓冲油槽靠近缓冲腔设置)，所述活塞9的端部设有油道27(参见图2，油道设置于活塞靠近缓冲腔的一端)，所述油道27与缓冲腔22连通，所述活塞9上设有阻尼孔组24，活塞9在缸体16内运动，通过阻尼孔组24实现油道27与缓冲油槽25或加速油槽26连通；

所述阻尼孔组24包括至少一个阻尼孔，多个阻尼孔沿着活塞9的轴向设置(图2中示意多个阻尼孔是沿着活塞的轴向并列设置的)，所述阻尼孔越靠近缓冲腔22孔径越大。图2中示意了三个阻尼孔，这样设置的好处在于活塞越往缓冲腔22一端运动，阻尼孔组的流通面积就会越小(即阻尼孔组24与缓冲油槽25或加速油槽26的流通面积会逐渐变小)，阻抗将会越大，在活塞回程的过程中实现阻尼力逐渐增大的效果，有效的实现对活塞进行减速。

所述缓冲腔22与凿岩机低压油路P0之间设有第一油路，通过第一油路实现活塞9冲程阶段对缓冲腔22补油，或回程阶段对活塞9进行减速；

所述第一油路包括并联设置的第二单向阀21和限压阀23，所述第二单向阀21和限压阀23的两端分别连通缓冲腔22和低压油路P0，通过第二单向阀21实现冲程阶段对缓冲腔22补油，由于第二单向阀具有单向导通的特性，因此在冲程阶段时低压油路P0中的油液会补充至缓冲腔内防止出现空吸现象；通过限压阀23控制缓冲腔22内的油压，通过限压阀23和第二单向阀21配合实现回程阶段对活塞9进行减速，活塞9往做运动，冲程作用腔2内的油压不断升高，实现对活塞进行减速，最终通过限压阀23卸压实现将缓冲腔内的液压排出到低压油路P0。

优选的，所述限压阀23为溢流阀。

所述加速油槽26与低压油路P0之间设有第二油路，通过第二油路实现回程起始阶段排出缓冲腔22内的液压油；活塞在应力波作用下反弹并开始回程运动并加速，回程起始阶段中缓冲腔22中的液压油由加速油槽经第二油路流入低压油路P0，此时对活塞的阻尼力很小，活塞回程加速。

所述缓冲油槽25连接能量回收油路，通过能量回收油路实现将活塞9回程阶段的动能和液压能转化为其他部件的驱动力，或对活塞9进行减速。本实施例中，所述其他部件为钎杆，回程阶段的动能和液压能转化为钎杆旋转的驱动力。

所述能量回收油路包括电磁换向阀20、动力件和减速油路，所述电磁换向阀20一端连通缓冲油槽25，电磁换向阀20另一端并联设置动力件和减速油路；通过电磁换向阀20连通动力件，实现活塞回程阶段的动能和液压能驱动动力件工作，从而驱动钎杆旋转；或者通过电磁换向阀20连通减速油路对活塞9进行减速。通过电磁换向阀20实现切换缓冲油槽25与动力件或减速油路导通。优选的，电磁换向阀为二位三通电磁换向阀。

所述减速油路包括可调节阻尼19，所述可调节阻尼19的两端分别连接电磁换向阀20和低压油路P0。电磁换向阀换向导通缓冲油槽25和减速油路，通过可调节阻尼实现调节减速油路中的阻尼力，阻尼孔组24与缓冲油槽25连通时实现对活塞进行减速。

所述动力件还连接有动力件驱动油路P2，所述动力件在动力件驱动油路驱动下旋转，所述驱动油路外接高压油，此时动力件可以持续工作；或者动力件由活塞回程阶段的动能和液压能驱动旋转，此时动力件只在活塞回程阶段下工作。

所述动力件驱动油路包括第一单向阀17，实现外部液压油单向输入至动力件。

优选的，所述动力件为液压马达18。

本实施例中，活塞9在回程过程中根据回程位置的不同，压力油会依次从加速油槽26、缓冲油槽25和第一油路流出，活塞越靠近回程结束位置流体节流的阻抗越大，最终实现对活塞进行减速。

参见图2，以下对本实施例实现能量回收利用的液压凿岩机的工作原理进行说明：

冲程阶段：

如图2所示，阀芯3的端面A1贴合在阀套1的端面上(左侧)，高压油经节流面A3进行到冲程作用腔2，此时，冲程作用腔2与回程作用腔8的作用相同，但由于冲程作用腔2内高压油作用于活塞9的环形面积>回程作用腔8内高压油作用于活塞9的环形面积，此时，作用于活塞上的合力使活塞9朝回程作用腔8方向加速前进(即图2中活塞往右运动)。此时，低压油路P0经过第二单向阀21向缓冲腔22提供油源，防止出现吸空现象。当活塞9第二活塞台肩锐边II越过缸体16上的冲程控制腔6的第二环形槽锐边III时，回油腔4经活塞9上沟槽与冲程控制腔6连通，滑阀控制油腔L12卸荷，此时，滑阀高压油腔A10有效作用面积A1大于滑阀高压油腔E15有效作用面积A3，在高压油作用下阀芯3运动到使端面A3紧贴于阀套1的端面上(右侧)，由于此时冲程作用腔2变成低压，回程作用腔8始终为高压，在惯性与回程作用腔8高压油液压力作用，活塞9将减速制动继续前进很小一段距离并撞击钎尾，并在应力波作用下反弹并开始回程运动。

回程阶段：

当活塞9开始向冲程作用腔2方向加速返回运动时(即图2中活塞往左运动)，电磁阀20处于带电状态，缓冲腔22内的液压油经过活塞9上的阻尼孔组24、加速油槽26直接回油箱，缓冲腔22内的压力较低，对活塞9的回程制动力小；当活塞9运动到使活塞9上的阻尼孔组24与油槽25接通时，缓冲腔22内的压力油通过电磁阀20进入液压马达的压力输入腔，驱动马达回转；当活塞9加速返回运动到一定距离后，即当第一活塞台肩锐边I越过回程控制腔7的第一环形槽锐边IV时，回程作用腔8与滑阀控制油腔L12连通时，高压油进入滑阀控制油腔L12，滑阀高压腔E15有效作用面积A3与滑阀控制油腔L12有效作用面积A2之和大于滑阀高压油腔A10有效作用面积A1，阀芯3的端面A1向阀套1的左侧运动(最终紧贴在阀套1的左侧端面上)，使高压油经节流面A3进入到冲程作用腔2，此时，冲击作用腔2与回程作用腔8的油液压力相同，但由于冲程作用腔2内高压油作用于活塞9的环形面积>回程作用腔8内高压油作用于活塞9的环形面积，作用于活塞上的合力使活塞9减速前进。此时，缓冲腔22内的压力油随着活塞9向左侧运动过程中节流面积不断变小，使压力逐渐升高，最终使缓冲腔22内的油液压力值达到限压阀23设定的最大值，限压阀打开进行油液溢流，活塞9惯性力与回程作用腔8中油压推力作用，活塞9继续后退，随后，冲程作用腔2与滑阀高压腔E15通道瞬间迅速打开，冲程作用腔2中油液压力传递到液压高压供油系统中，冲击活塞减速至速度为零，并开始下一个冲击阶段运动。

针对回程阶段，若电磁阀20处于失电状态，电磁换向阀换向导通缓冲油槽25和减速油路，压力油通过阻尼孔组24、缓冲油槽25、减速油路流入低压油路P0，实现对活塞进行减速，可调节阻尼19在实际应用过程中可以将阻尼力调节为一个定值。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种实现能量回收利用的液压凿岩机，液压凿岩机包括活塞(9)和缸体(16)，其特征在于，活塞(9)的端部与缸体(16)之间设有缓冲腔(22)，所述缸体(16)上沿活塞(9)的轴向依次设置缓冲油槽(25)和加速油槽(26)，所述活塞(9)的端部设有油道(27)，所述油道(27)与缓冲腔(22)连通，所述活塞(9)上设有阻尼孔组(24)，活塞(9)在缸体(16)内运动，通过阻尼孔组(24)实现油道(27)与缓冲油槽(25)或加速油槽(26)连通；

所述缓冲腔(22)与凿岩机低压油路(P0)之间设有第一油路，通过第一油路实现活塞(9)冲程阶段对缓冲腔(22)补油，或回程阶段对活塞(9)进行减速；

所述加速油槽(26)与低压油路(P0)之间设有第二油路，通过第二油路实现回程起始阶段排出缓冲腔(22)内的液压油；

所述缓冲油槽(25)连接能量回收油路，通过能量回收油路实现将活塞(9)回程阶段的动能和液压能转化为其他部件的驱动力，或对活塞(9)进行减速；

活塞(9)在回程阶段中根据回程位置的不同，压力油会依次从加速油槽(26)、缓冲油槽(25)和第一油路流出；

所述能量回收油路包括电磁换向阀(20)、动力件和减速油路，所述电磁换向阀(20)一端连通缓冲油槽(25)，电磁换向阀(20)另一端并联设置动力件和减速油路；通过电磁换向阀(20)连通动力件，实现活塞回程阶段的动能和液压能驱动动力件工作，从而驱动其他部件工作；或者通过电磁换向阀(20)连通减速油路对活塞(9)进行减速。

2.根据权利要求1所述的实现能量回收利用的液压凿岩机，其特征在于，所述第一油路包括并联设置的第二单向阀(21)和限压阀(23)，所述第二单向阀(21)和限压阀(23)的两端分别连通缓冲腔(22)和低压油路(P0)；通过第二单向阀(21)实现冲程阶段对缓冲腔(22)补油；通过限压阀(23)控制缓冲腔(22)内的油压，通过限压阀(23)和第二单向阀(21)配合实现回程阶段对活塞(9)进行减速。

3.根据权利要求2所述的实现能量回收利用的液压凿岩机，其特征在于，所述限压阀(23)为溢流阀。

4.根据权利要求1所述的实现能量回收利用的液压凿岩机，其特征在于，所述减速油路包括可调节阻尼(19)，所述可调节阻尼(19)的两端分别连接电磁换向阀(20)和低压油路(P0)。

5.根据权利要求1所述的实现能量回收利用的液压凿岩机，其特征在于，所述动力件还连接有动力件驱动油路(P2)，所述动力件在动力件驱动油路驱动下旋转，或者动力件由活塞回程阶段的动能和液压能驱动旋转。

6.根据权利要求5所述的实现能量回收利用的液压凿岩机，其特征在于，所述动力件驱动油路(P2)包括第一单向阀(17)，实现外部液压油单向输入至动力件。

7.根据权利要求6所述的实现能量回收利用的液压凿岩机，其特征在于，所述动力件为液压马达(18)。

8.根据权利要求1所述的实现能量回收利用的液压凿岩机，其特征在于，所述其他部件为液压凿岩机的钎杆，通过动力件驱动钎杆旋转。

9.根据权利要求1-8中任意一项所述的实现能量回收利用的液压凿岩机，其特征在于，所述阻尼孔组(24)包括至少一个阻尼孔，多个阻尼孔沿着活塞(9)的轴向设置，所述阻尼孔越靠近缓冲腔(22)孔径越大。

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