一种电机驱动超高压脉冲射流辅助机械冲击破岩设备制造技术

一种电机驱动超高压脉冲射流辅助机械冲击破岩设备，包括设备壳体、其前端的钻头和其外部的电机驱动装置、供水装置，设备壳体内从前到后依次设有钻头连接管、活塞腔和曲轴连杆活塞机构，钻头与钻头连接管相连且二者内部具有相连通的射流水道，钻头射流水道前端连通多个射流出口，射流水道与供水装置连通，活塞腔内钎杆一端安装在钻头连接管的活塞腔端口内，另一端与冲击活塞间隔布置在活塞腔的后端，曲轴通过轴承安装在设备壳体上并与电机驱动装置相连，钻头连接管和钎杆与设备壳体之间分别设有弹簧。本发明专利技术不需要外部提供高压泵与增压器，成本低，使用方便，并将超高压脉冲射流融入到机械冲击破岩过程中，可有效破碎普氏硬度极高的岩石。

【技术实现步骤摘要】
一种电机驱动超高压脉冲射流辅助机械冲击破岩设备
本专利技术涉及一种电机驱动超高压脉冲射流辅助机械冲击破岩设备，最适用于普式硬度系数高的坚硬岩石冲击破碎或冲击钻孔。
技术介绍
目前，煤炭开采已经逐渐向深层和复杂地层发展，对深层、复杂地层煤炭资源安全高效绿色开采技术和装备提出了更高的要求和新的挑战。由于地应力的增大，通常深层、复杂地层煤岩的弹性模量、硬度和破坏强度等随之增大，单轴抗压强度往往达到150MPa以上，岩层深度增加，地层非均质性越严重、研磨性变强及可钻进性能差。井下煤岩破碎主要采用机械切削和冲击两种方式：机械切削破岩时刀具磨损严重、消耗量大，主要用于切削破碎普氏硬度系数f≤8的煤岩；机械冲击可以破碎大部分煤岩，但在坚硬煤岩(f>15)中工作存在球齿磨损严重和脱落、破岩效率低以及粉尘量大等问题，大大降低了机械冲击破岩能力、效率以及设备使用寿命和可靠性，如何实现坚硬煤岩的安全高效破碎已经成为深层、复杂地层煤炭等矿体资源高效开发的关键问题和难点。以往主要通过增大机械驱动功率实现机械破碎坚硬岩石，但机械破岩能力没有发生改变，仅增大功率会导致机械磨损加剧、工作面粉尘量增大，难以有效提升机械的破岩效率，且安全隐患增大。高压脉冲射流辅助作用已被证实可以提高机械破岩能力，延长使用寿命，较连续射流辅助作用效果好，利用连续射流的低温和耗水量低特性，可以降低球齿磨损率和消耗量，改善机械冲击破岩条件。现有的超高压辅助破岩设备大都通过设计增压器产生高压射流，而增压器的设计繁杂，其零部件加工难度大、成本高，所产生的高压射流冲击能不稳定。此外，有部分高压射流辅助破岩装备通过外部供应高压气体或内部气体燃烧产生的高压气体推动钎杆运动产生高压射流，但密封性要求高，能耗大，脉冲频率不易控制。
技术实现思路
为了克服现有技术的上述不足，本专利技术提供一种电机驱动超高压脉冲射流辅助机械冲击破岩设备，无需外部高压泵和增压器，结构简单紧凑，安装、拆卸方便，动力大，产生的冲击能稳定，可实现普氏硬度系数高的岩石钻孔或破碎。本专利技术解决其技术问题采用的技术方案是：包括设备壳体和安装在设备壳体前端的钻头，在所述的设备壳体外部还设有电机驱动装置和供水装置，在设备壳体内从前到后依次设有钻头连接管、活塞腔和曲轴连杆活塞机构，钻头与钻头连接管相连并且二者内部具有相连通的射流水道，钻头的射流水道前端还连通设有多个射流分水道，每个射流分水道在钻头端面形成有射流出口，钻头连接管是射流水道与供水装置连通，活塞腔内设有钎杆，钎杆的一端安装在钻头连接管的活塞腔端口内，另一端与曲轴连杆活塞机构的冲击活塞间隔布置在活塞腔的后端，曲轴连杆活塞机构的曲轴通过轴承安装在设备壳体上并与电机驱动装置相连，钻头连接管和钎杆与设备壳体之间分别设有弹簧。相比现有技术，本专利技术的一种电机驱动超高压脉冲射流辅助机械冲击破岩设备，的采用电机驱动曲轴连杆机构获得所需的冲击能，无需外部高压泵和增压器，结构简单紧凑，安装、拆卸方便，动力大，可实现普氏硬度系数高的岩石钻孔或破碎。超高压脉冲水射流发生装置的动力源来自于电机驱动曲轴连杆机构所产生的冲击能，较气体驱动钎杆所产生的冲击能稳定；可得到精确的脉冲频率并能通过调节电机转速得到所需的脉冲频率；辅助冲击破岩设备的射流水道有收缩段可增加射流冲击破岩能力，降低岩石强度，提高冲击破岩设备钻进坚硬岩石的能力和效率，对能源资源的安全、高效、绿色开发以及我国能源的可持续发展有重要意义。进一步地，所述的设备壳体包括依次密封连接的动力箱体、钎杆套筒和钻头套筒，两个相同的动力箱体通过螺栓连接构成密闭的箱体腔，钎杆套筒一端与动力箱体通过法兰相连接，钎杆套筒另一端与钻头套筒通过螺纹方式连接，动力箱体和钎杆套筒内部具有活塞腔I和活塞腔II，钻头套筒内部是钻头腔，钻头连接管安装在钻头腔内，活塞腔I、活塞腔II、射流水道I及射流水道II依次连通。进一步地，所述曲轴连杆活塞机构的冲击活塞安装在动力箱体的活塞腔I内，钎杆安装于动力箱体、钎杆套筒及钻头连接管的活塞腔I、活塞腔II和活塞腔Ⅲ内，钎杆与设备壳体之间的弹簧I安装在活塞腔I和活塞腔II内并与钎杆和钎杆套筒相接触，设备壳体与钻头连接管之间的弹簧II安装在钻头腔内的钻头连接管和钻头之间。优选地，所述动力箱体的法兰I和内周圈分别设有静密封槽I和静密封槽II安装静密封圈进行密封；冲击活塞设为阶梯形，并在其大径上设有动密封槽I安装动密封圈进行与活塞腔I之间的动密封。进一步地，所述的电机驱动装置包括电动机和减速器，电动机通过联轴器I与减速器相连接，减速器通过联轴器II与曲轴连杆活塞机构的曲轴的输入轴相连接。进一步地，所述供水装置包括给水泵，给水泵依次通过管路、钻头套筒和钻头连接管外壁内的入水孔进入射流水道I。进一步地，所述的钎杆两端分别为一级活塞和二级活塞，一级活塞安装在动力箱体的活塞腔I内，二级活塞安装于钻头连接管的活塞腔III内，一级活塞传递来自于冲击活塞的冲击能，二级活塞将接受的冲击能向下传递，推动钻头连接管运动以及由此产生超高压脉冲射流，在二级活塞上设计有动密封槽II安装动密封圈进行动密封；钎杆套筒的前端设有与钻头套筒相连接的外连接螺纹I，其中部设有约束弹簧I轴向运动的弹簧挡圈I，在弹簧挡圈I上开有动密封槽III安装有动密封圈，其后端是用于安装钎杆和弹簧I的活塞腔II。优选地，所述钻头连接管的端部设有钻头连接管端盖，钻头连接管端盖上开有螺栓安装孔I通过螺栓与钻头连接管相连接，钻头连接管端盖的内台阶处安装有约束钎杆轴向运动的活塞挡圈，在钻头连接管端盖前端小径上开有静密封槽III安装静密封圈。优选地，所述钻头套筒的钻头腔前端设有约束弹簧II轴向运动的弹簧挡圈II，后端设有内连接螺纹I，在内连接螺纹I内侧设有静密封槽IV安装静密封圈，侧壁上具有入水孔I；钻头连接管外部为阶梯形，后端为与钻头连接管连接的连接螺纹孔，前端为与钻头相连接的外连接螺纹II；前后轴上分别开有动密封槽V和动密封槽IV并安装动密封圈；后端内部为活塞腔III，活塞腔III的前端是与其连通的射流水道I；射流水道I周向布置多个入水孔II，入水孔II两端分别连通入水孔I和射流水道I；在外连接螺纹II后侧设有约束弹簧II轴向运动的轴肩。优选地，钻头的后端为用于连接的内连接螺纹II，在内连接螺纹II底端设有静密封槽V安装静密封圈进行静密封，内连接螺纹II前侧为射流水道II，与射流水道II连通的每个射流出口前端安装有合金球齿，射流出口输出脉冲射流，合金球齿用以进行冲击破岩，钻头的前端侧面还设有过岩屑槽。附图说明下面结合附图和实施例对本专利技术进一步说明。图1是本专利技术实施例的剖视图。图2是图1局部的俯视图。图3是本专利技术实施例中曲轴的结构示意图。图4a和图4b分别是本专利技术实施例中动力箱体的主视图和右视图。图5是本专利技术实施例中冲击活塞的剖视图。图6是本专利技术实施例中钎杆的结构示意图。图7是本专利技术实施例中钎杆套筒的剖视图。图8是本专利技术实施例中钻头连接管端盖的剖视图。图9是本专利技术实施例中钻头套筒的剖视图。图10是本专利技术实施例中钻头连接管的剖视图。图11是本专利技术实施例中钻头的局部剖视图。图中：1、动力箱体；1-1、法兰I；1-2、静密封槽I；1-3、轴承孔；1-4、静密封槽II；1-5、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电机驱动超高压脉冲射流辅助机械冲击破岩设备，包括设备壳体和安装在设备壳体前端的钻头(16)，其特征是：在所述的设备壳体外部还设有电机驱动装置和供水装置，在设备壳体内从前到后依次设有钻头连接管(12)、活塞腔和曲轴连杆活塞机构，钻头(16)与钻头连接管(12)相连并且二者内部具有相连通的射流水道，钻头(16)的射流水道II(16‑3)前端还连通设有多个射流分水道(16‑4)，每个射流分水道(16‑4)在钻头端面形成有射流出口(16‑6)，钻头连接管(12)的射流水道I(12‑6)与供水装置连通，活塞腔内设有钎杆(7)，钎杆(7)的一端安装在钻头连接管(12)的活塞腔端口内，另一端与曲轴连杆活塞机构的冲击活塞(6)间隔布置在活塞腔的后端，曲轴连杆活塞机构的曲轴(2)通过轴承(18)安装在设备壳体上并与电机驱动装置相连，钻头连接管(12)和钎杆(7)与设备壳体之间分别设有弹簧。

【技术特征摘要】
1.一种电机驱动超高压脉冲射流辅助机械冲击破岩设备，包括设备壳体和安装在设备壳体前端的钻头(16)，其特征是：在所述的设备壳体外部还设有电机驱动装置和供水装置，在设备壳体内从前到后依次设有钻头连接管(12)、活塞腔和曲轴连杆活塞机构，钻头(16)与钻头连接管(12)相连并且二者内部具有相连通的射流水道，钻头(16)的射流水道II(16-3)前端还连通设有多个射流分水道(16-4)，每个射流分水道(16-4)在钻头端面形成有射流出口(16-6)，钻头连接管(12)的射流水道I(12-6)与供水装置连通，活塞腔内设有钎杆(7)，钎杆(7)的一端安装在钻头连接管(12)的活塞腔端口内，另一端与曲轴连杆活塞机构的冲击活塞(6)间隔布置在活塞腔的后端，曲轴连杆活塞机构的曲轴(2)通过轴承(18)安装在设备壳体上并与电机驱动装置相连，钻头连接管(12)和钎杆(7)与设备壳体之间分别设有弹簧。2.根据权利要求1所述的一种电机驱动超高压脉冲射流辅助机械冲击破岩设备，其特征是：所述的设备壳体包括依次密封连接的动力箱体(1)、钎杆套筒(9)和钻头套筒(11)，两个相同的动力箱体(1)通过螺栓连接构成密闭的箱体腔，钎杆套筒(9)一端与动力箱体(1)通过法兰相连接，钎杆套筒(9)另一端与钻头套筒(11)通过螺纹方式连接，动力箱体(1)和钎杆套筒(9)内部分别具有活塞腔I(1-5)和活塞腔Ⅱ(9-5)，钻头套筒(11)内部是钻头腔(11-5)，钻头连接管(12)安装在钻头腔(11-5)内，活塞腔I(1-5)、活塞腔Ⅱ(9-5)、射流水道I(12-6)及射流水道II(16-3)依次连通。3.根据权利要求2所述的一种电机驱动超高压脉冲射流辅助机械冲击破岩设备，其特征是：所述曲轴连杆活塞机构的冲击活塞(6)安装在动力箱体(1)的活塞腔I(1-5)内，钎杆(7)安装于动力箱体(1)、钎杆套筒及钻头连接管(12)的活塞腔I(1-5)、活塞腔Ⅱ(9-5)和活塞腔III(12-7)内，钎杆与设备壳体之间的弹簧I(8)安装在活塞腔I(1-5)和活塞腔Ⅱ(9-5)内并与钎杆(7)和钎杆套筒(9)相接触，设备壳体与钻头连接管(12)之间的弹簧II(15)安装在钻头腔(11-5)内的钻头连接管(12)和钻头(16)之间。4.根据权利要求1或2或3所述的一种电机驱动超高压脉冲射流辅助机械冲击破岩设备，其特征是：所述动力箱体(1)的法兰I(1-1)和内周圈分别设有静密封槽I(1-2)和静密封槽II(1-4)均安装静密封圈进行密封；冲击活塞(6)设为阶梯形，并在其大径上设有动密封槽I(6-2)安装动密封圈进行与活塞腔I(1-5)之间动密封。5.根据权利要求1或2或3所述的一种电机驱动超高压脉冲射流辅助机械冲击破岩设备，其特征是：所述的电机驱动装置包括电动机(19)和减速器(21)，电动机(19)通过联轴器I(20)与减速器(21)相连接，减速器(21)通过联轴器II(22)与曲轴连杆活塞机构的曲轴(2)的输入轴(2-1)相连接。...

【专利技术属性】
技术研发人员：江红祥，孟德光，刘送永，周达，贾新庆，田超，李洪盛，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32