一種脈沖射流與機械沖擊聯合破巖機構的制作方法

本發明涉及一種脈沖射流與機械沖擊聯合破巖機構，最適用于普氏硬度系數高的巖石鉆孔或破碎。

背景技術：

2015年，《BP世界能源統計年鑒》指出：中國仍然是世界最大的能源消費國，占全球消費量的23％和全球凈增長的61％；煤炭資源消耗占消費總量的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采和利用技術研究，明確要求重點研究深層和復雜地層礦體采礦技術。2011年，國家能源局發布的《國家能源科技“十二五”規劃》明確指出復雜地質條件下煤炭資源的高效開發是今后的主要攻關方向，要求研發符合我國復雜地層條件下多模式巖石巷道掘進、煤炭開采技術和裝備。

目前，煤炭開采已經逐漸向深層和復雜地層發展，對深層、復雜地層煤炭資源安全高效開采技術和裝備提出了更高的要求和新的挑戰。由于地應力的增大，通常深層、復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。煤巖鉆孔是礦體爆破、卸壓開采以及巷道支護等工程高效實施的前提，而堅硬煤巖鉆孔效率低、粉塵量大等問題直接制約了深層、復雜地層煤炭等礦體資源的高效開發。目前，井下煤巖鉆孔主要采用機械切削和沖擊兩種方式：機械切削破巖時刀具磨損嚴重、消耗量大，主要用于切削破碎普氏硬度系數f≤8的煤巖；機械沖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，大大降低了機械沖擊破巖能力、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、復雜地層煤炭等礦體資源高效開發的關鍵問題和難點。

高壓水射流破巖是一項利用高速“水箭”沖擊破碎和侵蝕等作用的煤巖破碎技術，其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”，沖擊破巖能力有限，而后續的“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。脈沖射流沖擊破碎煤巖能力遠強于連續射流，脈沖射流輔助破巖可以間隙性產生多個“水錘壓力”，多源壓縮應力波在煤巖內部疊加、反射等作用造成煤巖體積破碎和疲勞破壞。此外，利用脈沖射流的低溫沖擊和耗水量低特性，可以降低球齒磨損率和消耗量，延長球齒使用壽命，改善機械沖擊破巖工作條件。

技術實現要素：

本發明的目的是克服已有技術存在的不足，提供一種脈沖射流與機械沖擊聯合破巖，能夠高效的實現普氏硬度系數極高的巖石鉆孔或破碎，降低了機械沖擊破巖難度和巖石破碎的粉塵濃度，延長了機械球齒的使用壽命。

本發明采用的技術方案為：一種脈沖射流與機械沖擊聯合破巖機構，包括導軌、推進油缸、液壓沖擊動力頭、鉆桿、鉆頭、動密封組合套、靜密封過渡套、彈性擋圈、靜密封圈、動密封圈和鉆桿支撐座，所述鉆桿支撐座固定在導軌上，推進油缸的缸體與導軌鉸接，推進油缸的活塞桿與液壓沖擊動力頭的殼體鉸接，液壓沖擊動力頭滑動安裝在導軌上，液壓沖擊動力頭輸出軸通過螺紋與鉆桿一端相連接，鉆桿的另一端通過螺紋與鉆頭相連接，鉆桿穿過鉆桿支撐座上的孔，動密封組合套通過螺釘固定在液壓沖擊動力頭殼體上，動密封組合套的高壓水入水口、液壓沖擊動力頭輸出軸內部水道、鉆桿內部水道、鉆頭內部水道、自激振蕩射流球齒的射流球齒振蕩腔依次相連接，鉆桿與液壓沖擊動力頭輸出軸、鉆頭連接端內部均通過彈性擋圈固定安裝靜密封過渡套。

作為優選，所述動密封組合套外套通過緊固螺釘固定在液壓沖擊動力頭的殼體上，動密封組合套內套通過緊固螺釘固定在動密封組合套外套上，動密封組合套外套和內套對應位置設有高壓水入水口，動密封組合套外套和內套通過端面靜密封圈完成高壓水靜密封，動密封組合套內套的內表面采用鍍硬鉻工藝處理。

作為優選，所述液壓沖擊動力頭輸出軸內部設有直角形水道和多個輸出軸動密封圈凹槽。

作為優選，所述鉆桿上加工有軸肩I和軸肩II，軸肩I和軸肩II的外徑分別與液壓沖擊動力頭輸出軸連接外螺紋毗鄰處、鉆頭連接內螺紋處端面外經相匹配。

作為優選，所述鉆頭上有規律的鑲嵌多個機械球齒和自激振蕩射流球齒，自激振蕩射流球齒的頂端滯后于機械球齒頂端一定距離，鉆頭體周向加工有多個導屑槽。

作為優選，所述自激振蕩射流球齒的射流球齒合金頭鑲嵌在射流球齒齒體上，射流球齒合金頭內部加工有細小水道I，射流球齒齒體底部加工細小水道II，射流球齒合金頭和射流球齒齒體內部構成射流球齒振蕩腔，細小水道I和細小水道II的直徑約1mm～2mm，細小水道I與射流球齒合金頭中心線之間夾角的優選值范圍10^o～15^o。

作為優選，所述的液壓沖擊動力頭輸出軸、動密封組合套外套和內套、鉆桿、靜密封過渡套，液壓沖擊動力頭輸出軸、動密封組合套外套和內套、鉆桿、靜密封過渡套的連接位置密封件均采用O型密封圈，其中靜密封圈和端面靜密封圈優選丁晴橡膠材料，動密封圈優選聚四氟乙烯材料。

作為優選，所述的靜密封過渡套內表面采用鍍硬鉻工藝處理。

本發明高壓水泵輸出的高壓水經過動密封組合套外套和內套的入水口引入至液壓沖擊動力頭輸出軸的內部水道，進而經過靜密封過渡套引入至鉆桿內部水道、鉆頭內部水道以及自激振蕩射流球齒振蕩腔。液壓沖擊動力頭工作時，鉆桿和鉆頭同時具有旋轉扭力以及間隙性沖擊力，推進油缸推動液壓沖擊動力頭、鉆桿和鉆頭向前運動且提供一定的推進力和直線速度，進而鉆頭頻繁沖擊旋轉破碎巖石。推進油缸活塞桿伸出推進液壓沖擊動力頭、鉆桿以及鉆頭一個鉆桿長度完成一次鉆進，松開液壓沖擊動力頭輸出軸與鉆桿之間的螺紋連接，推進油缸活塞桿縮回使液壓沖擊動力頭退回初始位置，接入另外一根結構和尺寸完全相同的鉆桿，推進油缸活塞桿再次伸出推進液壓沖擊動力頭、鉆桿以及鉆頭完成一次鉆進，巖石鉆孔完成后鉆桿的回收工序剛好相反。采用液壓沖擊動力頭是利用機械沖擊破巖比機械切削破巖能力強的特性，采用自激振蕩射流球齒是利用高壓脈沖射流沖擊破巖能力比連續射流好的特點，進而能夠最大限度地發揮機械和水射流破巖特性。高壓水泵輸出的高壓水經動密封組合套入水口、液壓沖擊動力頭輸出軸內部水道、鉆桿內部水道、鉆頭內部水道以及自激振蕩射流球齒形成的高壓脈沖射流能夠超前沖擊巖石，巖石內部發生損傷而強度下降，使鉆頭上機械球齒破巖難度大大降低，延長了機械球齒使用壽命，提高了機械球齒沖擊破巖效率和能力，實現了堅硬巖石的高效破碎。

本發明的有益效果在于：本發明采用全液壓驅動，整體尺寸小，結構簡單緊湊，安裝、拆卸方便，推進油缸和液壓沖擊動力頭體積小、動力大，高壓水密封簡單、可靠，脈沖射流輔助作用下可以實現普氏硬度系數高的巖石高效破碎。自激振蕩射流球齒產生的脈沖射流可以預先對巖石進行沖擊破壞或損傷，最大限度地降低堅硬巖石的抗沖擊破碎能力，降低了機械球齒沖擊破碎堅硬巖石的難度，提高了破巖機構沖擊鉆進堅硬巖石的能力和效率。此外，脈沖射流不僅可以很好地抑制巖石破碎產生的粉塵，還能夠降低機械球齒沖擊破碎堅硬巖石的難度，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1a是本發明脈沖射流與機械沖擊聯合破巖機構結構示意圖；

圖1b是圖1a的俯視圖；

圖1c是圖1a中A處放大圖；

圖2是本發明鉆桿剖視圖；

圖3a是本發明鉆頭結構示意圖；

圖3b是圖3a的側視圖；

圖4是本發明動密封組合套剖視圖；

圖5是本發明液壓沖擊動力頭輸出軸剖視圖；

圖6是本發明自激振蕩射流截齒剖視圖。

圖中：1—導軌；2—推進油缸；3—液壓沖擊動力頭；4—鉆桿；5—鉆頭；6—動密封組合套；7—靜密封過渡套；8—彈性擋圈；9—靜密封圈；10—動密封圈；11—鉆桿支撐座；3-1—液壓沖擊動力頭輸出軸；4-1—鉆桿軸肩I；4-2—鉆桿連接內螺紋；4-3—鉆桿彈性擋圈槽；4-4—鉆桿內部水道；4-5—鉆桿軸肩II；4-6—鉆桿連接外螺紋；4-7—鉆桿靜密封圈凹槽；5-1—機械球齒；5-2—導屑槽；5-3—自激振蕩射流球齒；5-4—鉆頭連接內螺紋；5-5—鉆頭內部水道；5-6—鉆頭彈性擋圈槽；6-1—動密封組合套外套；6-2—動密封組合套內套；6-3—端面靜密封圈；6-4—高壓水入水口；6-5—緊固螺釘；3-1-1—輸出軸動密封圈凹槽；3-1-2—輸出軸內部水道；3-1-3—輸出軸連接外螺紋；3-1-4—輸出軸靜密封圈凹槽；5-3-1—射流球齒合金頭；5-3-2—射流球齒齒體；5-3-3—射流球齒振蕩腔；5-3-4—細小水道I；5-3-5—細小水道II。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本發明做進一步說明。

本發明的一種脈沖射流與機械沖擊聯合破巖機構，主要包括導軌1、推進油缸2、液壓沖擊動力頭3、鉆桿4、鉆頭5、動密封組合套6、靜密封過渡套7、彈性擋圈8、靜密封圈9、動密封圈10、鉆桿支撐座11。推進油缸2的缸體與導軌1鉸接，推進油缸2的活塞桿與液壓沖擊動力頭3的殼體鉸接，液壓沖擊動力頭3的殼體滑動安裝在導軌1上，鉆桿4的一端通過鉆桿連接內螺紋4-2、輸出軸連接外螺紋3-1-3與液壓沖擊動力頭輸出軸3-1(以下簡稱輸出軸)連接，鉆桿4的另一端通過鉆桿連接外螺紋4-6、鉆頭連接內螺紋5-4與鉆頭5連接。動密封組合套外套6-1通過螺釘安裝在液壓沖擊動力頭3的殼體上，動密封組合套內套6-2通過緊固螺釘6-5安裝在動密封組合套外套6-1上，動密封組合套外套6-1和動密封組合套內套6-2對應位置設有高壓水入水口6-4，動密封組合套外套6-1和動密封組合套內套6-2之間通過端面靜密封圈6-3完成高壓水靜密封，動密封組合套6的高壓水入水口6-4與輸出軸3-1的輸出軸內部水道3-1-2通過安裝在輸出軸動密封圈凹槽3-1-1內的動密封圈10與動密封組合套內套6-2的內表面動態接觸完成高壓水動態密封。鉆桿4與輸出軸3-1連接處、鉆頭5與鉆桿4連接處分別通過安裝在鉆桿彈性擋圈槽4-3、鉆頭彈性擋圈槽5-6的彈性擋圈8固定安裝靜密封過渡套7。液壓沖擊動力頭3輸出軸3-1的輸出軸內部水道3-1-2、鉆桿內部水道4-4、鉆頭內部水道5-5均通過安裝在輸出軸3-1靜密封圈凹槽3-1-4、鉆桿靜密封圈凹槽4-7上的靜密封圈9與靜密封過渡套7內表面靜態接觸完成高壓水靜密封，進而將高壓水引入至鉆頭5上的自激振蕩射流球齒5-3的射流球齒振蕩腔5-3-3形成脈沖射流。當一定壓力液壓油接入推進油缸2和液壓沖擊動力頭3時，推進油缸2整體推進液壓沖擊動力頭3、鉆桿4以及鉆頭5，實現安裝在鉆頭5上的機械球齒5-1沖擊旋轉破碎巖石，且巖石碎屑通過導屑槽5-2排出。當一定壓力的高壓水接入動密封組合套6，高壓水經輸出軸3-1的輸出軸內部水道3-1-2、鉆桿內部水道4-4、鉆頭內部水道5-5、自激振蕩射流球齒5-3形成脈沖射流，進而實現高壓脈沖射流與機械球齒5-1聯合沖擊破巖，提高機械沖擊破巖能力，延長機械球齒5-1使用壽命。完成一節鉆桿4的推進后，松開液壓沖擊動力頭3的輸出軸3-1與鉆桿4之間的螺紋連接，推進油缸2活塞桿縮回使液壓沖擊動力頭3退回初始位置，接入另外一根結構和尺寸完全相同的鉆桿4，推進油缸2活塞桿再次伸出推進液壓沖擊動力頭3、鉆桿4以及鉆頭5完成一次鉆進，巖石鉆孔完成后鉆桿4的回收工序剛好相反。

工作原理：利用脈沖射流與機械沖擊聯合破巖機構破巖時，巷道內液壓泵系統給推進油缸2和液壓沖擊動力頭3提供具有一定壓力的油，使推進油缸2活塞桿具有推進力和直線速度，液壓沖擊動力頭3輸出軸3-1具有旋轉扭矩和間隙性沖擊力。推進油缸2活塞桿的推進力和直線速度經液壓沖擊動力頭3殼體、輸出軸3-1、鉆桿4傳遞至鉆頭5，使鉆頭上機械球齒5-1接觸擠壓巖石。液壓沖擊動力頭3輸出軸3-1的旋轉扭矩和間隙性沖擊力經鉆桿4傳遞至鉆頭5，使鉆頭5上機械球齒5-1旋轉沖擊破碎巖石。高壓水泵提供的高壓水經動密封組合套6的高壓水入水口6-4依次經過液壓沖擊動力頭3輸出軸3-1內部的直角形水道、鉆桿內部水道4-4、鉆頭內部水道5-5、自激振蕩射流球齒5-3的射流球齒振蕩腔5-3-3形成高速脈沖射流。當破巖機構同時接入一定壓力的油和高壓水，給定適當的參數即可實現鉆頭5上機械球齒5-1和自激振蕩射流球齒5-3形成的脈沖射流聯合破巖，提高機械球齒5-1沖擊破巖能力，延長機械球齒5-1使用壽命，降低巖石破碎的粉塵濃度，提高破巖機構鉆進巖石的效率。

應當指出，對于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范圍。本實施例中未明確的各組成部分均可用現有技術加以實現。