一種氣動自進式超高壓脈衝射流輔助衝擊破巖設備的製作方法

2023-09-15 16:02:05

本發明涉及一種氣動自進式超高壓脈衝射流輔助衝擊破巖設備，最適用於普氏硬度係數高的巖石鑽孔或破碎。

背景技術：

2015年，《bp世界能源統計年鑑》指出：中國仍然是世界最大的能源消費國，佔全球消費量的23％和全球淨增長的61％；煤炭資源消耗佔消費總量的66.03％，在未來很長一段時期內作為我國主體能源具有無法替代的地位。《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006～2020)》明確指出：亟需大力加強煤炭資源安全高效開採和利用技術研究，明確要求重點研究深層和複雜地層礦體採礦技術。

目前，煤炭開採已經逐漸向深層和複雜地層發展，對深層、複雜地層煤炭資源安全高效開採技術和裝備提出了更高的要求和新的挑戰。由於地應力的增大，通常深層、複雜地層煤巖的彈性模量、硬度和破壞強度等隨之增大，單軸抗壓強度往往達到150mpa以上。煤巖鑽孔是礦體爆破、卸壓開採以及巷道支護等工程高效實施的前提，而堅硬煤巖鑽孔效率低、粉塵量大等問題直接制約了深層、複雜地層煤炭等礦體資源的高效開發。井下煤巖鑽孔主要採用機械切削和衝擊兩種方式：機械切削破巖時刀具磨損嚴重、消耗量大，主要用於切削破碎普氏硬度係數f≤8的煤巖；機械衝擊可以破碎大部分煤巖，但在堅硬煤巖(f>15)中工作存在球齒磨損嚴重和脫落、破巖效率低以及粉塵量大等問題，大大降低了機械衝擊破巖能力、效率以及設備使用壽命和可靠性，如何實現堅硬煤巖的安全高效破碎已經成為深層、複雜地層煤炭等礦體資源高效開發的關鍵問題和難點。

高壓水射流輔助作用已經被證實可以提高刀具破巖能力，延長刀具使用壽命，但連續高壓水射流耗水量大會導致煤巖破碎機械作業場所產生大面積的積水，造成設備難以正常工作。常見的連續水射流輔助破巖僅產生單一的「水錘壓力」，衝擊破巖能力有限，而後續的「滯止壓力」低難以加劇堅硬煤巖內部損傷和裂紋擴展，導致其未能在堅硬煤巖破碎裝備中得到廣泛地應用。脈衝射流衝擊破碎煤巖能力遠強於連續射流，利用脈衝射流的低溫衝擊和耗水量低特性，可以降低球齒磨損率和消耗量，延長球齒使用壽命，改善機械衝擊破巖工作條件。

技術實現要素：

發明目的：本發明的目的是克服已有技術存在的不足，提供一種氣動自進式超高壓脈衝射流輔助衝擊破巖設備，該設備真正意義上將超高壓擠壓脈衝射流融入機械衝擊破巖過程，克服普氏硬度係數極高的巖石鑽孔和破碎的難題。

為了實現上述目的，本發明採用了如下的技術方案：一種氣動自進式超高壓脈衝射流輔助衝擊破巖設備,包括空氣壓縮機、儲氣罐、低壓給水泵、溢流閥、脈衝電磁閥、球閥、水氣組合管、進水氣接頭、衝擊活塞加速腔體、中部活塞腔體、前部壓水腔體、單向閥、衝擊釺頭、彈簧、截止套、中部活塞、衝擊活塞和衝擊活塞緩衝墊；

前部壓水腔體前端設有端蓋，前部壓水腔體尾端與中部活塞腔體前端相連，中部活塞腔體尾端與衝擊活塞加速腔體前端相連，衝擊活塞加速腔體尾端設有進水氣接頭，端蓋中心開設有釺頭裝配孔，端蓋圓周均布有若干過巖屑槽，端蓋外側端面交替布置數個合金噴嘴球齒和合金球齒，端蓋內側端面開設有壓水槽，壓水槽底部開設有超高壓水道，超高壓水道與合金噴嘴球齒連通，壓水槽側壁開設有連通水道，前部壓水腔體內腔設有衝擊釺頭和彈簧，衝擊釺頭頭部與釺頭裝配孔配合，衝擊釺頭中部與前部壓水腔體內腔配合，彈簧設置在衝擊釺頭尾部，在前部壓水腔體上開設有水道iv，水道iv與連通水道通過單向閥連通，中部活塞腔體內腔前端設有凹槽i，凹槽i內嵌入截止套，中部活塞腔體內腔中部設置中部活塞，中部活塞前端穿過截止套並與彈簧相接觸，通過截止套防止中部活塞從中部活塞腔體內脫出，在中部活塞腔體上開設有水道iii，水道iii連通水道iv，衝擊活塞加速腔體內腔設有衝擊活塞，在衝擊活塞加速腔體上開設有水道ii，水道ii連通水道iii，進水氣接頭外側端面設有進水口和進氣口，進水氣接頭內側端面設有凹槽ii，凹槽ii內嵌入衝擊活塞緩衝墊，在進水氣接頭上開設有水道i和氣道，水道i分別連通水道ii和進水口，氣道分別連通衝擊活塞加速腔體內腔和進氣口；

水氣組合管包括高壓水管和氣管，高壓水管分別連通和進水口和球閥，球閥通過溢流閥與低壓給水泵相連，氣管分別連通進氣口和脈衝電磁閥，脈衝電磁閥通過儲氣罐與空氣壓縮機相連。

進一步的，所述衝擊釺頭頭部前端鑲嵌有合金頭體。

進一步的，所述衝擊釺頭頭部外圓開設有密封圈槽iv，衝擊釺頭中部外圓開設有密封圈槽v。

進一步的，所述端蓋與前部壓水腔體通過焊接固定，所述前部壓水腔體、中部活塞腔體、衝擊活塞加速腔體和進水氣接頭之間通過磁性螺栓聯接。

進一步的，所述衝擊活塞加速腔體尾端端面設有密封圈槽i，所述中部活塞腔體尾端端面設有密封圈槽ii，所述前部壓水腔體尾端端面設有密封圈槽iii。

進一步的，所述衝擊活塞內部設有深孔，以降低衝擊活塞重量，衝擊活塞材料為鋁合金或銅。

進一步的，所述氣管採用鋼絲氣管，氣管的鋼絲層數不少於2，在高壓水管和氣管外部包裹彈性橡膠套。

有益效果：本發明採用氣壓驅動，整體尺寸小，結構簡單緊湊，安裝、拆卸方便，動力大，高壓水密封簡單、可靠，超高壓脈衝射流輔助機械衝擊可以實現普氏硬度係數極高的巖石鑽孔或破碎。超高壓脈衝射流可以很大程度地超前損傷巖石，降低巖石強度，最大限度地降低堅硬巖石的抗破碎能力，降低機械衝擊破碎堅硬巖石的難度，提高衝擊破巖設備鑽進堅硬巖石的能力和效率。超高壓脈衝射流不僅可以很好地抑制巖石破碎產生的粉塵，還能實現機械球齒破碎堅硬巖石，延長機械球齒的使用壽命，提高了能源資源的安全、高效開發，對我國礦山的可持續發展有重要的社會意義。

附圖說明

圖1是本發明一種氣動自進式超高壓脈衝射流輔助衝擊破巖設備剖視圖；

圖2是本發明前部壓水腔體主視圖；

圖3是本發明前部壓水腔體左視圖；

圖4是本發明衝擊釺頭剖視圖。

圖5是本發明中部活塞腔體剖視圖；

圖6是本發明衝擊活塞加速腔體剖視圖；

圖7是本發明進水氣接頭剖視圖；

圖8是本發明水氣組合管主視圖；

圖中：1—空氣壓縮機；2—儲氣罐；3—低壓給水泵；4—溢流閥；5—脈衝電磁閥；6-球閥；7—水氣組合管；8—進水氣接頭；9—衝擊活塞加速腔體；10—中部活塞腔體；11—前部壓水腔體；12—單向閥；13—衝擊釺頭；14—彈簧；15—截止套；16—中部活塞；17—磁性螺栓；18—衝擊活塞；19—衝擊活塞緩衝墊；7-1—高壓水管；7-2—彈性橡膠套；7-3—氣管；8-1—進水口；8-2—進氣口；8-3—水道i；8-4—凹槽ii；8-5—氣道；8-6—螺紋孔i；9-1—密封圈槽i；9-2—水道ii；9-3—螺紋孔ii；10-1—密封圈槽ii；10-2—水道iii；10-3—凹槽i；10-4—螺紋孔iii；11-1—密封圈槽iii；11-2—水道iv；11-3—孔槽；11-4—連通水道；11-5—螺紋孔iv；11-6—超高壓水道；11-7—合金噴嘴球齒；11-8—合金球齒；11-9—過巖屑槽；11-10-端蓋；11-11-壓水槽；11-12—釺頭裝配孔；13-1—合金頭體；13-2—釺頭杆；13-3—密封圈槽iv；13-4—密封圈槽v；18-1—深孔。

具體實施方式：

下面結合附圖對本發明做更進一步的解釋。

如圖1所示，本發明的一種氣動自進式超高壓脈衝射流輔助衝擊破巖設備,包括空氣壓縮機1、儲氣罐2、低壓給水泵3、溢流閥4、脈衝電磁閥5、球閥6、水氣組合管7、進水氣接頭8、衝擊活塞加速腔體9、中部活塞腔體10、前部壓水腔體11、單向閥12、衝擊釺頭13、彈簧14、截止套15、中部活塞16、衝擊活塞18、衝擊活塞緩衝墊19。前部壓水腔體11前端設有端蓋11-10，前部壓水腔體11尾端與中部活塞腔體10前端相連，中部活塞腔體10尾端與衝擊活塞加速腔體9前端相連，衝擊活塞加速腔體9尾端設有進水氣接頭8。

如圖1、2、5、6、7所示，所述端蓋11-10與前部壓水腔體11通過焊接固定。在前部壓水腔體11尾端端面開設有螺紋孔iv11-5，在中部活塞腔體10前端及尾端端面開設有螺紋孔iii10-4，在衝擊活塞加速腔體9前端及尾端端面開設有螺紋孔ii9-3，在進水氣接頭8前端端面開設有螺紋孔i8-6，進而將前部壓水腔體11、中部活塞腔體10、衝擊活塞加速腔體9和進水氣接頭8之間通過磁性螺栓17固定。為了保證前部壓水腔體11、中部活塞腔體10、衝擊活塞加速腔體9和進水氣接頭8之間連接處的密封性，所述衝擊活塞加速腔體9尾端端面設有密封圈槽i9-1，所述中部活塞腔體10尾端端面設有密封圈槽ii10-1，所述前部壓水腔體尾端端面設有密封圈槽iii11-1，在上述密封圈槽內安裝有密封圈。

如圖1至4所示，端蓋11-10中心開設有釺頭裝配孔11-12，端蓋11-10圓周均布有若干過巖屑槽11-9，端蓋11-10外側端面交替布置數個合金噴嘴球齒11-7和合金球齒11-8，端蓋11-10內側端面開設有壓水槽11-11，壓水槽11-11底部開設有超高壓水道11-6，超高壓水道11-6與合金噴嘴球齒11-7連通，壓水槽11-11側壁開設有連通水道11-4，前部壓水腔體11內腔設有衝擊釺頭13和彈簧14，衝擊釺頭13頭部與釺頭裝配孔11-12配合，衝擊釺頭13頭部前端鑲嵌有合金頭體13-1，衝擊釺頭13中部與前部壓水腔體11內腔配合，彈簧14設置在衝擊釺頭13尾部，為保證衝擊釺頭13與端蓋11-10以及前部壓水腔體11之間的密封性，衝擊釺頭13頭部外圓開設有密封圈槽iv13-3，衝擊釺頭13中部外圓開設有密封圈槽v13-4，在上述密封密封圈槽內安裝有密封圈。在前部壓水腔體11上開設有水道iv11-2，水道iv11-2與連通水道11-4通過單向閥12連通，單向閥12安裝在水道iv11-2端部的孔槽11-3內，用於防止前部壓水腔體11內部水流回流。

如圖1和5所示，中部活塞腔體10內腔前端設有凹槽i10-3，凹槽i10-3內嵌入截止套15，中部活塞腔體10內腔中部設置中部活塞16，中部活塞16前端穿過截止套15並與彈簧14相接觸，通過截止套15防止中部活塞16從中部活塞腔體10內脫出，在中部活塞腔體10上開設有水道iii10-2，水道iii10-2連通水道iv11-2。本實施例中，所述凹槽i10-3斷面為非圓形，這樣可以防止截止套15與水道iii10-2發生幹涉，便於截止套15的安裝，而且可以減少水道密封件的數量。

如圖1和6所示，衝擊活塞加速腔體9內腔設有衝擊活塞18，所述衝擊活塞18內部設有深孔18-1，以降低衝擊活塞18重量，衝擊活塞18材料為鋁合金或銅。在衝擊活塞加速腔體9上開設有水道ii9-2，水道ii9-2連通水道iii10-2和水道i8-3。

如圖1和7所示，進水氣接頭8外側端面設有進水口8-1和進氣口8-2，進水氣接頭8內側端面設有凹槽ii8-4，凹槽ii8-4內嵌入衝擊活塞緩衝墊19，在進水氣接頭8上開設有水道i8-3和氣道8-5，水道i8-3分別連通水道ii9-2和進水口8-1，氣道8-5分別連通衝擊活塞加速腔體9內腔和進氣口8-2。

如圖1和8所示，水氣組合管7包括高壓水管7-1和氣管7-3，高壓水管7-1分別連通進水口8-1和球閥6，球閥6通過溢流閥4與低壓給水泵3相連，氣管7-3分別連通進氣口8-2和脈衝電磁閥5，脈衝電磁閥5通過儲氣罐2與空氣壓縮機1相連。本實施例中，所述氣管7-3採用鋼絲氣管，氣管7-3的鋼絲層數不少於2，在高壓水管7-1和氣管7-3外部包裹彈性橡膠套7-2。

空氣壓縮機1工作時，空氣壓縮機1形成壓縮空氣注入儲氣罐2形成壓力穩定的壓縮空氣，壓力穩定的壓縮空氣通過脈衝電磁閥5形成斷續的壓縮空氣通入水氣組合管7的氣管7-3、進水氣接頭8的氣道8-5，進而注入衝擊活塞加速腔體9內作用於衝擊活塞18，衝擊活塞18受到壓縮空氣作用運動而衝擊中部活塞16，中部活塞16衝擊彈簧14和衝擊釺頭13，而使衝擊釺頭13破巖。低壓給水泵3工作時，具有一定壓力的水依次通入溢流閥4、球閥6、水氣組合管7的高壓水管7-1、進水氣接頭8的水道i8-3、衝擊活塞加速腔體9的水道ii9-2、中部活塞腔體10的水道iii10-2、前部壓水腔體11的水道iv11-2、單向閥12、連通水道11-4，進而引入端蓋11-10的壓水槽11-11內。空氣壓縮機1和低壓給水泵3同時工作時，衝擊釺頭13受到衝擊力的同時對壓水槽11-11內的水瞬時增壓通過合金噴嘴球齒11-7形成超高壓脈衝射流衝擊破巖。壓水槽11-11內的水被瞬時增壓的同時，相互聯接的端蓋11-10、前部壓水腔體11、中部活塞腔體10、衝擊活塞加速腔體9等受到向前的作用力而具有進給速度，使安裝在端蓋11-10的合金噴嘴球齒11-7和合金球齒11-8衝擊破巖。

利用本發明氣動自進式超高壓脈衝射流輔助衝擊破巖設備巖石鑽孔時，在壓縮空氣作用下，衝擊活塞18瞬時加速而具有直線速度，衝擊活塞18衝擊中部活塞16使其具有一定的衝擊力和速度。中部活塞16衝擊彈簧14和衝擊釺頭13，進而使衝擊釺頭13破巖。低壓給水泵3形成一定壓力的水，通過水氣組合管7的高壓水管7-1、進水氣接頭8的水道i8-3、衝擊活塞加速腔體9的水道ii9-2、中部活塞腔體10的水道iii10-2、前部壓水腔體11的水道iv11-2、單向閥12，進而引入端蓋11-10的壓水槽11-11內。機械衝擊破巖時，中部活塞16衝擊彈簧14和衝擊釺頭13同時，衝擊釺頭13受到衝擊力的同時對壓水槽11-11內的水瞬時增壓通過超高壓水道11-6，利用合金噴嘴球齒11-7形成瞬時超高壓脈衝射流，超高壓脈衝射流能夠超前損傷衝擊釺頭13作用範圍外的巖石。衝擊釺頭13對壓水槽11-11內的水瞬時增壓時，相互聯接的端蓋11-10、前部壓水腔體11、中部活塞腔體10、衝擊活塞加速腔體9等具有向前的作用力，使合金噴嘴球齒11-7和合金球齒11-8衝擊破巖。

利用彈簧14釋放壓縮彈性勢能反向作用中部活塞16、衝擊活塞18，當脈衝電磁閥5切斷壓縮空氣供給時，衝擊活塞18反向運動。當脈衝電磁閥5打開壓縮空氣供給時，衝擊活塞18再一次作正向衝擊運動，進而實現連續的超高壓脈衝射流輔助衝擊釺頭13、合金噴嘴球齒11-7和合金球齒11-8衝擊破巖。

以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。