CN116220540A

CN116220540A - 一种冲击零件及冲击机构

Info

Publication number: CN116220540A
Application number: CN202310207897.4A
Authority: CN
Inventors: 丁河江; 姜鑫; 马建乐; 郭建飞; 扶原放; 周忠尚
Original assignee: Xuzhou XCMG Foundation Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Xuzhou XCMG Foundation Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2023-03-06
Filing date: 2023-03-06
Publication date: 2023-06-06

Abstract

本发明涉及凿岩机技术领域，特别是涉及一种冲击零件及冲击机构，所述冲击零件包括花冲击活塞和钎尾，所述冲击活塞的端面为冲击面，所述钎尾的端面为受冲面；所述钎尾包括花键；所述冲击面和受冲面均为球形形状；所述冲击面和受冲面的球形表面曲度相同；所述冲击面为凸起球面，所述受冲面为凹陷球面；所述冲击面与冲击活塞侧面设置有第一过渡圆角；所述受冲面与钎尾侧面设置有第二过渡圆角。本发明所述冲击零件可以解决现有液压凿岩机活塞与钎尾结构使用过程中应力高、受力复杂、故障率高、能量效率低、寿命短的问题。

Description

一种冲击零件及冲击机构

技术领域

本发明涉及凿岩机技术领域，特别是涉及一种冲击零件及冲击机构。

背景技术

凿岩机是凿岩设备的核心，凿岩机是按沖击破碎原理进行工作的。工作时活塞做高频往复运动，不断地冲击钎尾,在冲击力的作用下，呈尖楔状的钎头将岩石压碎并凿入一定的深度,形成一道凹痕，活塞退回后，钎子转过一定角度，活塞向前运动,再次冲击钎尾时，又形成一道新的凹痕。两道凹痕之间的扇形岩块被由钎头上产生的水平分力剪碎。活塞不断地冲击钎尾，并从钎子的中心孔连续地输入压缩空气或压力水，将岩渣排出孔外，即形成一定深度的圆形钻孔。

活塞与钎尾结构作为液压凿岩机重要部件，其中活塞通过液压驱动产生动能，活塞高速冲击活塞产生冲击力，依其钎尾部件传递凿岩机活塞的冲击力，同时传递转钎结构的扭矩。

在现有液压凿岩机中，通过活塞高频的往复运动撞击钎尾产生冲击振动进行破岩，因此，在活塞与钎尾的打击面会产生较高的应力集中现象，往往活塞与钎尾的破坏形式为高周疲劳破坏，在实际使用中，80％的破坏发生在活塞与钎尾端部，其结构寿命决定着整台凿岩机的使用寿命。碰撞所产生的端部应力影响着结构的疲劳寿命。各类凿岩机配套的活塞与钎尾结构，概括起来有两种：其一是打击面为带中心孔的水平端面活塞与水平端面钎尾，其二是打击面为带中心孔的弧形端面活塞与水平端面钎尾。这两种活塞结构均带有中心孔，中心孔的存在会减小打击面的接触面积，造成打击面应力过高，从而使得结构易损坏，使用寿命短等问题。

对于打击面为带中心孔的水平端面活塞与水平端面钎尾在进行碰撞时所产生的应力幅值会相对较小，但在实际工作中，活塞与钎尾的撞击并非是绝对垂直的碰撞，钎尾与支撑套存在微量间隙，且在工作中产生磨损导致间隙增大，因此，会发生活塞与钎尾的偏置碰撞。在偏置碰撞的情形下，水平端面活塞与水平端面钎尾在进行碰撞时会产生较大的应力集中现象，且随着偏执角度的增大，应力幅值增长较为明显。

为减小偏置碰撞对活塞与钎尾结构的影响，市面上一些凿岩机活塞采用弧形端面。采用打击面为带中心孔的弧形端面活塞与水平端面钎尾碰撞会减小偏置碰撞对结构的影响，但弧形端面会减少打击面的接触面积，因此碰撞后活塞结构的应力波在向钎尾传递受阻，一部分应力波留存在活塞内部，造成能量的损失。

发明内容

本发明提供一种无中心孔高寿命活塞与钎尾结构的冲击零件，解决现有液压凿岩机活塞与钎尾结构使用过程中应力高、受力复杂、故障率高、能量效率低、寿命短的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种冲击零件，包括花键、冲击活塞和钎尾，所述冲击活塞的端面为冲击面，所述钎尾的端面为受冲面；所述花键与钎尾连接，所述冲击面和受冲面均为球形形状；所述冲击面和受冲面的球形表面曲度相同；所述冲击面为凸起球面，所述受冲面为凹陷球面；所述冲击面与冲击活塞侧面设置有第一过渡圆角；所述受冲面与钎尾侧面设置有第二过渡圆角。

进一步的，所述冲击面的直径与受冲面的直径相同。

进一步的，所述冲击活塞和钎尾的横截面均为圆形，所述冲击活塞和钎尾设置于外壳刚体内部，通过支撑座套控制仅允许纵向运动。

进一步的，所述钎尾与马达连接，通过花键施加旋转运动，然后将冲击波传递到钻杆，再由钻杆传递给钻头。

进一步的，所述花键内槽面上端设置有润滑油槽，使润滑油进入到钎尾与外置旋转装置之间的间隙进行润滑，

进一步的，所述花键为梯形花键，花键齿数不少于6个。

进一步的，所述花键的外侧设置有支撑座套。

进一步的，所述冲击活塞上设置有两个凸台，分别为第一凸台和第二凸台；第一凸台和第二凸台将活塞工作的液压腔体分为三个腔室，分别为变压油腔、信号油腔、高压油腔。

进一步的，所述变压油腔为高低压油来回切换，由换向阀来控制，当为高压油时推动活塞向前运动，信号油腔为换向阀提供位置信息，当活塞向前运动到指定位置，信号油腔内的油路与高压油腔的油相连，转变为高压油，同时信号油腔与换向阀相连，换向阀接收到高压油信号，将进行换向，会使得变压油腔内的高压油变为低压油，此时，活塞将失去向前的液压推力，而高压油腔内一直为高压油，推动活塞向后返程运动。

本发明还提供一种冲击机构，包括上述的冲击零件。

进一步的，所述冲击机构为凿岩机。

有益效果

本发明通过对活塞结构前端的改进设计，以及钎尾后端的改进设计，以最大限度减少应力集中与能量损失，从而增加活塞与钎尾结构使用寿命，提高经济效益。

活塞在工作时进行往复运动，其前端面不断冲击钎尾后端面，通过活塞前端表面的打击区域将动能传递给钎尾。在进行垂直碰撞时，根据对本发明所设计的端面进行仿真计算表明，活塞与钎尾的端面应力均得到了极大地改善，应力幅值降低至少20％，因此，可以提高活塞冲击速度，例如10m/s增加到12m/s以上，提高凿岩速率，且不会影响活塞寿命。或者以如今通常使用的撞击速度来冲击本发明的活塞与钎尾，可以获得更长的使用寿命。

在进行钎尾存在偏置碰撞的试验中，本发明所设计的活塞与钎尾结构依然有着较好的力学性能表现，采用本发明所设计的活塞与钎尾端面形状，能够减小应力集中的现象。由于均采用球形的端面，接触面积增大，使得应力分布更加均匀，应力值更小。相较于传统水平端面形式，由于活塞导套在使用一段时间后产生磨损，使得活塞每次冲击钎尾都会呈一定的偏置角度，因此，本发明的球形端面在应对这种工况时，不会受到偏置角度的影响。

附图说明

图1为本发明的冲击零件示意图；

图2为已知传统的活塞与钎尾结构端部示意图；

图3为本发明的活塞与钎尾结构端部示意图；

图4为本发明的活塞结构示意图；

图5为本发明的钎尾结构示意图；

图6为本发明的仿真计算结果。

附图标记：1、润滑油槽；2、第一凸台；3、第二凸台；4、变压油腔、5、信号油腔、6、高压油腔；7、支撑座套；8、冲击活塞；9、冲击面；10、受冲面；11、花键；12、钎尾；13、冲击活塞侧面；14、第一过渡圆角；15、钎尾侧面；16、第二过渡圆角；17、连接管；18、螺纹；19、泄压槽；20、水孔；21、弧形连接槽。

具体实施方式

如图1所示，一种冲击零件，包括冲击活塞8和钎尾12，所述冲击活塞8和钎尾12无中心孔；所述冲击活塞8的端面为冲击面9，所述钎尾的端面为受冲面10；所述钎尾包括花键11，所述花键11的外侧设置有支撑座套7；

如图3所示，所述冲击面9和受冲面10均为球形形状；所述冲击面9和受冲面10的球形表面曲度相同；优选地，所述冲击面9为凸起球面，所述受冲面10为凹陷球面；所述冲击面9与冲击活塞侧面13设置有第一过渡圆角14；所述受冲面10与钎尾侧面15设置有第二过渡圆角16；所述冲击面9的直径与受冲面10的直径相同；

所述冲击活塞8和钎尾12的横截面均为圆形，所述冲击活塞8和钎尾12设置于外壳刚体内部，通过支撑座套7控制仅允许纵向运动。所述钎尾12与马达连接，通过花键11施加旋转运动，然后将冲击波传递到钻杆，再由钻杆传递给钻头进行破岩等操作。

所述花键11内槽面上端设置有润滑油槽1，能够帮助润滑油汽更好的进入到钎尾与外置旋转装置之间的间隙进行润滑，所述花键11为梯形花键，花键齿数不少于6个，螺纹18下端设置有泄压槽19。所述花键11依次连接有连接管17、螺纹18和泄压槽19；所述连接管17上设置有水孔20；所述连接管17与花键11之间设置有弧形连接槽21。

如图1所示，冲击活塞8进行如图1中双箭头所示的往复运动。冲击活塞8能够将动能以冲击波的形式传递到钎尾12，冲击波是在冲击活塞的冲击面9和钎尾的受冲面10之间接触的时刻产生。

如图2所示，在图2中列出的现有市场上常见的活塞与钎尾端面结构，图2中左侧活塞端面凸起，而钎尾端面为平面，因此，在活塞冲击钎尾时活塞端面凸起部分会先于钎尾端面接触，因此会产生较高的应力。图2右侧为常用活塞与钎尾端面形式，均为平面，在活塞冲击钎尾发生偏置时，活塞的端面会呈现一定角度撞击钎尾，水平端面倾斜后，会有边缘部分的棱角冲击到钎尾端面，造成高应力与结构破坏。

本发明所述活塞与钎尾结构用于凿岩机、破碎锤、冲击钻等含有冲击与受冲结构的设备中。活塞内的动能传递给受冲部件钎尾，在图3中，冲击活塞8直径为d，受冲部件钎尾12的直径为D。冲击活塞通过冲击面的球形形状的表面将动能传递给受冲部件钎尾12，球形表面相对于冲击活塞的横截面是同心。受冲部件钎尾适用于通过受冲面的球形形状的表面接受来自冲击部件(活塞)的动能，球形表面相对于冲击部件(活塞)的横截面是同心的，直径为D。其中冲击波是在冲击部件和受冲部件的球形表面之间产生的。

所述冲击活塞上设置有两个凸台，分别为第一凸台2和第二凸台3；第一凸台2和第二凸台3将活塞工作的液压腔体分为三个腔室，分别为变压油腔4、信号油腔5、高压油腔6，其中，变压油腔4为高低压油来回切换，由换向阀来控制，当为高压油时推动活塞向前运动，信号油腔5为换向阀提供位置信息，当活塞向前运动到指定位置，信号油腔5内的油路与高压油腔4的油相连，转变为高压油，同时信号油腔5与换向阀相连，换向阀接收到高压油信号，将进行换向，会使得变压油腔4内的高压油变为低压油，此时，活塞将失去向前的液压推力，而高压油腔6内一直为高压油，因此，会推动活塞向后返程运动。如此循环，活塞将进行往复运动。

如图6所示，根据现有水平端面模型以及球形端面模型分别建立有限元模型，在活塞与钎尾支撑轴套位置处，约束其只能做垂向运动。偏置角度为0.19°，计算采用三维实体单元进行划分，活塞与钎杆在对称边界上施加对称约束，活塞与钎杆之间的接触采用*contact_surface_to_surface算法，采用mm-t-s建模。材料主要参数为：弹性模量E＝206000MPa，密度ρ＝7.85g/cm³，泊松比μ＝0.3，设定冲击速度为10.5m/s。水平端面模型以及球形端面模型最大应力值分别为656.7MPa、500MPa。

实施例2

将冲击活塞部件的冲击面改为凹陷球面以及受冲钎尾部件的受冲面改为凸起球面，增大或者减小活塞与钎尾球形冲击表面的半径，去除过度圆角，以及在本发明的基础上活塞与钎尾表面添加中心孔。

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

Claims

1.一种冲击零件，其特征在于，包括冲击活塞和钎尾，所述冲击活塞的端面为冲击面，所述钎尾的端面为受冲面；所述钎尾包括花键；所述冲击面和受冲面均为球形形状；所述冲击面和受冲面的球形表面曲度相同；所述冲击面为凸起球面，所述受冲面为凹陷球面；所述冲击面与冲击活塞侧面设置有第一过渡圆角；所述受冲面与钎尾侧面设置有第二过渡圆角。

2.根据权利要求1所述的冲击零件，其特征在于，所述冲击面的直径与受冲面的直径相同。

3.根据权利要求1所述的冲击零件，其特征在于，所述冲击活塞和钎尾的横截面均为圆形，所述冲击活塞和钎尾设置于外壳刚体内部，通过支撑座套控制仅允许纵向运动。

4.根据权利要求1所述的冲击零件，其特征在于，所述钎尾与马达连接，通过花键施加旋转运动，然后将冲击波传递到钻杆，再由钻杆传递给钻头。

5.根据权利要求1所述的冲击零件，其特征在于，所述花键内槽面上端设置有润滑油槽，使润滑油进入到钎尾与外置旋转装置之间的间隙进行润滑。

6.根据权利要求1所述的冲击零件，其特征在于，所述花键为梯形花键，花键齿数不少于6个。

7.根据权利要求1所述的冲击零件，其特征在于，所述花键的外侧设置有支撑座套。

8.根据权利要求1所述的冲击零件，其特征在于，所述冲击活塞上设置有两个凸台，分别为第一凸台和第二凸台；第一凸台和第二凸台将活塞工作的液压腔体分为三个腔室，分别为变压油腔、信号油腔、高压油腔。

9.根据权利要求8所述的冲击零件，其特征在于，所述变压油腔为高低压油来回切换，由换向阀来控制，当为高压油时推动活塞向前运动，信号油腔为换向阀提供位置信息，当活塞向前运动到指定位置，信号油腔内的油路与高压油腔的油相连，转变为高压油，同时信号油腔与换向阀相连，换向阀接收到高压油信号，将进行换向，会使得变压油腔内的高压油变为低压油，此时，活塞将失去向前的液压推力，而高压油腔内一直为高压油，推动活塞向后返程运动。

10.一种冲击机构，其特征在于，包括权利要求1～9任一项所述的冲击零件。