本發(fā)明涉及一種脈沖射流與機(jī)械沖擊聯(lián)合破巖機(jī)構(gòu)，最適用于普氏硬度系數(shù)高的巖石鉆孔或破碎。

背景技術(shù)：

2015年，《BP世界能源統(tǒng)計(jì)年鑒》指出：中國(guó)仍然是世界最大的能源消費(fèi)國(guó)，占全球消費(fèi)量的23％和全球凈增長(zhǎng)的61％；煤炭資源消耗占消費(fèi)總量的66.03％，在未來很長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)作為我國(guó)主體能源具有無法替代的地位?！秶?guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006～2020)》明確指出：亟需大力加強(qiáng)煤炭資源安全高效開采和利用技術(shù)研究，明確要求重點(diǎn)研究深層和復(fù)雜地層礦體采礦技術(shù)。2011年，國(guó)家能源局發(fā)布的《國(guó)家能源科技“十二五”規(guī)劃》明確指出復(fù)雜地質(zhì)條件下煤炭資源的高效開發(fā)是今后的主要攻關(guān)方向，要求研發(fā)符合我國(guó)復(fù)雜地層條件下多模式巖石巷道掘進(jìn)、煤炭開采技術(shù)和裝備。

目前，煤炭開采已經(jīng)逐漸向深層和復(fù)雜地層發(fā)展，對(duì)深層、復(fù)雜地層煤炭資源安全高效開采技術(shù)和裝備提出了更高的要求和新的挑戰(zhàn)。由于地應(yīng)力的增大，通常深層、復(fù)雜地層煤巖的彈性模量、硬度和破壞強(qiáng)度等隨之增大，單軸抗壓強(qiáng)度往往達(dá)到150MPa以上。煤巖鉆孔是礦體爆破、卸壓開采以及巷道支護(hù)等工程高效實(shí)施的前提，而堅(jiān)硬煤巖鉆孔效率低、粉塵量大等問題直接制約了深層、復(fù)雜地層煤炭等礦體資源的高效開發(fā)。目前，井下煤巖鉆孔主要采用機(jī)械切削和沖擊兩種方式：機(jī)械切削破巖時(shí)刀具磨損嚴(yán)重、消耗量大，主要用于切削破碎普氏硬度系數(shù)f≤8的煤巖；機(jī)械沖擊可以破碎大部分煤巖，但在堅(jiān)硬煤巖(f>15)中工作存在球齒磨損嚴(yán)重和脫落、破巖效率低以及粉塵量大等問題，大大降低了機(jī)械沖擊破巖能力、效率以及設(shè)備使用壽命和可靠性，如何實(shí)現(xiàn)堅(jiān)硬煤巖的安全高效破碎已經(jīng)成為深層、復(fù)雜地層煤炭等礦體資源高效開發(fā)的關(guān)鍵問題和難點(diǎn)。

高壓水射流破巖是一項(xiàng)利用高速“水箭”沖擊破碎和侵蝕等作用的煤巖破碎技術(shù)，其輔助作用已經(jīng)被證實(shí)可以提高刀具破巖能力，延長(zhǎng)刀具使用壽命，但連續(xù)高壓水射流耗水量大會(huì)導(dǎo)致煤巖破碎機(jī)械作業(yè)場(chǎng)所產(chǎn)生大面積的積水，造成設(shè)備難以正常工作。常見的連續(xù)水射流輔助破巖僅產(chǎn)生單一的“水錘壓力”，沖擊破巖能力有限，而后續(xù)的“滯止壓力”低難以加劇堅(jiān)硬煤巖內(nèi)部損傷和裂紋擴(kuò)展，導(dǎo)致其未能在堅(jiān)硬煤巖破碎裝備中得到廣泛地應(yīng)用。脈沖射流沖擊破碎煤巖能力遠(yuǎn)強(qiáng)于連續(xù)射流，脈沖射流輔助破巖可以間隙性產(chǎn)生多個(gè)“水錘壓力”，多源壓縮應(yīng)力波在煤巖內(nèi)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(zhǎng)球齒使用壽命，改善機(jī)械沖擊破巖工作條件。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

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

本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種脈沖射流與機(jī)械沖擊聯(lián)合破巖機(jī)構(gòu)，包括導(dǎo)軌、推進(jìn)油缸、液壓沖擊動(dòng)力頭、鉆桿、鉆頭、動(dòng)密封組合套、靜密封過渡套、彈性擋圈、靜密封圈、動(dòng)密封圈和鉆桿支撐座，所述鉆桿支撐座固定在導(dǎo)軌上，推進(jìn)油缸的缸體與導(dǎo)軌鉸接，推進(jìn)油缸的活塞桿與液壓沖擊動(dòng)力頭的殼體鉸接，液壓沖擊動(dòng)力頭滑動(dòng)安裝在導(dǎo)軌上，液壓沖擊動(dòng)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(dòng)密封組合套通過螺釘固定在液壓沖擊動(dòng)力頭殼體上，動(dòng)密封組合套的高壓水入水口、液壓沖擊動(dòng)力頭輸出軸內(nèi)部水道、鉆桿內(nèi)部水道、鉆頭內(nèi)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(dòng)力頭輸出軸、鉆頭連接端內(nèi)部均通過彈性擋圈固定安裝靜密封過渡套。

作為優(yōu)選，所述動(dòng)密封組合套外套通過緊固螺釘固定在液壓沖擊動(dòng)力頭的殼體上，動(dòng)密封組合套內(nèi)套通過緊固螺釘固定在動(dòng)密封組合套外套上，動(dòng)密封組合套外套和內(nèi)套對(duì)應(yīng)位置設(shè)有高壓水入水口，動(dòng)密封組合套外套和內(nèi)套通過端面靜密封圈完成高壓水靜密封，動(dòng)密封組合套內(nèi)套的內(nèi)表面采用鍍硬鉻工藝處理。

作為優(yōu)選，所述液壓沖擊動(dòng)力頭輸出軸內(nèi)部設(shè)有直角形水道和多個(gè)輸出軸動(dòng)密封圈凹槽。

作為優(yōu)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(dòng)力頭輸出軸連接外螺紋毗鄰處、鉆頭連接內(nèi)螺紋處端面外經(jīng)相匹配。

作為優(yōu)選，所述鉆頭上有規(guī)律的鑲嵌多個(gè)機(jī)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(jī)械球齒頂端一定距離，鉆頭體周向加工有多個(gè)導(dǎo)屑槽。

作為優(yōu)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(nèi)部加工有細(xì)小水道I，射流球齒齒體底部加工細(xì)小水道II，射流球齒合金頭和射流球齒齒體內(nèi)部構(gòu)成射流球齒振蕩腔，細(xì)小水道I和細(xì)小水道II的直徑約1mm～2mm，細(xì)小水道I與射流球齒合金頭中心線之間夾角的優(yōu)選值范圍10^o～15^o。

作為優(yōu)選，所述的液壓沖擊動(dòng)力頭輸出軸、動(dòng)密封組合套外套和內(nèi)套、鉆桿、靜密封過渡套，液壓沖擊動(dòng)力頭輸出軸、動(dòng)密封組合套外套和內(nèi)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(yōu)選丁晴橡膠材料，動(dòng)密封圈優(yōu)選聚四氟乙烯材料。

作為優(yōu)選，所述的靜密封過渡套內(nèi)表面采用鍍硬鉻工藝處理。

本發(fā)明高壓水泵輸出的高壓水經(jīng)過動(dòng)密封組合套外套和內(nèi)套的入水口引入至液壓沖擊動(dòng)力頭輸出軸的內(nèi)部水道，進(jìn)而經(jīng)過靜密封過渡套引入至鉆桿內(nèi)部水道、鉆頭內(nèi)部水道以及自激振蕩射流球齒振蕩腔。液壓沖擊動(dòng)力頭工作時(shí)，鉆桿和鉆頭同時(shí)具有旋轉(zhuǎn)扭力以及間隙性沖擊力，推進(jìn)油缸推動(dòng)液壓沖擊動(dòng)力頭、鉆桿和鉆頭向前運(yùn)動(dòng)且提供一定的推進(jìn)力和直線速度，進(jìn)而鉆頭頻繁沖擊旋轉(zhuǎn)破碎巖石。推進(jìn)油缸活塞桿伸出推進(jìn)液壓沖擊動(dòng)力頭、鉆桿以及鉆頭一個(gè)鉆桿長(zhǎng)度完成一次鉆進(jìn)，松開液壓沖擊動(dòng)力頭輸出軸與鉆桿之間的螺紋連接，推進(jìn)油缸活塞桿縮回使液壓沖擊動(dòng)力頭退回初始位置，接入另外一根結(jié)構(gòu)和尺寸完全相同的鉆桿，推進(jìn)油缸活塞桿再次伸出推進(jìn)液壓沖擊動(dòng)力頭、鉆桿以及鉆頭完成一次鉆進(jìn)，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(dòng)力頭是利用機(jī)械沖擊破巖比機(jī)械切削破巖能力強(qiáng)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(xù)射流好的特點(diǎn)，進(jìn)而能夠最大限度地發(fā)揮機(jī)械和水射流破巖特性。高壓水泵輸出的高壓水經(jīng)動(dòng)密封組合套入水口、液壓沖擊動(dòng)力頭輸出軸內(nèi)部水道、鉆桿內(nèi)部水道、鉆頭內(nèi)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(nèi)部發(fā)生損傷而強(qiáng)度下降，使鉆頭上機(jī)械球齒破巖難度大大降低，延長(zhǎng)了機(jī)械球齒使用壽命，提高了機(jī)械球齒沖擊破巖效率和能力，實(shí)現(xiàn)了堅(jiān)硬巖石的高效破碎。

本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明采用全液壓驅(qū)動(dòng)，整體尺寸小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，安裝、拆卸方便，推進(jìn)油缸和液壓沖擊動(dòng)力頭體積小、動(dòng)力大，高壓水密封簡(jiǎn)單、可靠，脈沖射流輔助作用下可以實(shí)現(xiàn)普氏硬度系數(shù)高的巖石高效破碎。自激振蕩射流球齒產(chǎn)生的脈沖射流可以預(yù)先對(duì)巖石進(jìn)行沖擊破壞或損傷，最大限度地降低堅(jiān)硬巖石的抗沖擊破碎能力，降低了機(jī)械球齒沖擊破碎堅(jiān)硬巖石的難度，提高了破巖機(jī)構(gòu)沖擊鉆進(jìn)堅(jiān)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(chǎn)生的粉塵，還能夠降低機(jī)械球齒沖擊破碎堅(jiān)硬巖石的難度，延長(zhǎng)機(jī)械球齒的使用壽命，提高了能源資源的安全、高效開發(fā)，對(duì)我國(guó)礦山的可持續(xù)發(fā)展有重要的社會(huì)意義。

附圖說明

圖1a是本發(fā)明脈沖射流與機(jī)械沖擊聯(lián)合破巖機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)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(fā)明鉆桿剖視圖；

圖3a是本發(fā)明鉆頭結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3b是圖3a的側(cè)視圖；

圖4是本發(fā)明動(dòng)密封組合套剖視圖；

圖5是本發(fā)明液壓沖擊動(dòng)力頭輸出軸剖視圖；

圖6是本發(fā)明自激振蕩射流截齒剖視圖。

圖中：1—導(dǎo)軌；2—推進(jìn)油缸；3—液壓沖擊動(dòng)力頭；4—鉆桿；5—鉆頭；6—?jiǎng)用芊饨M合套；7—靜密封過渡套；8—彈性擋圈；9—靜密封圈；10—?jiǎng)用芊馊Γ?1—鉆桿支撐座；3-1—液壓沖擊動(dòng)力頭輸出軸；4-1—鉆桿軸肩I；4-2—鉆桿連接內(nèi)螺紋；4-3—鉆桿彈性擋圈槽；4-4—鉆桿內(nèi)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(jī)械球齒；5-2—導(dǎo)屑槽；5-3—自激振蕩射流球齒；5-4—鉆頭連接內(nèi)螺紋；5-5—鉆頭內(nèi)部水道；5-6—鉆頭彈性擋圈槽；6-1—?jiǎng)用芊饨M合套外套；6-2—?jiǎng)用芊饨M合套內(nèi)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(dòng)密封圈凹槽；3-1-2—輸出軸內(nèi)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(xì)小水道I；5-3-5—細(xì)小水道II。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。

本發(fā)明的一種脈沖射流與機(jī)械沖擊聯(lián)合破巖機(jī)構(gòu)，主要包括導(dǎo)軌1、推進(jìn)油缸2、液壓沖擊動(dòng)力頭3、鉆桿4、鉆頭5、動(dòng)密封組合套6、靜密封過渡套7、彈性擋圈8、靜密封圈9、動(dòng)密封圈10、鉆桿支撐座11。推進(jìn)油缸2的缸體與導(dǎo)軌1鉸接，推進(jìn)油缸2的活塞桿與液壓沖擊動(dòng)力頭3的殼體鉸接，液壓沖擊動(dòng)力頭3的殼體滑動(dòng)安裝在導(dǎo)軌1上，鉆桿4的一端通過鉆桿連接內(nèi)螺紋4-2、輸出軸連接外螺紋3-1-3與液壓沖擊動(dòng)力頭輸出軸3-1(以下簡(jiǎn)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(nèi)螺紋5-4與鉆頭5連接。動(dòng)密封組合套外套6-1通過螺釘安裝在液壓沖擊動(dòng)力頭3的殼體上，動(dòng)密封組合套內(nèi)套6-2通過緊固螺釘6-5安裝在動(dòng)密封組合套外套6-1上，動(dòng)密封組合套外套6-1和動(dòng)密封組合套內(nèi)套6-2對(duì)應(yīng)位置設(shè)有高壓水入水口6-4，動(dòng)密封組合套外套6-1和動(dòng)密封組合套內(nèi)套6-2之間通過端面靜密封圈6-3完成高壓水靜密封，動(dòng)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(nèi)部水道3-1-2通過安裝在輸出軸動(dòng)密封圈凹槽3-1-1內(nèi)的動(dòng)密封圈10與動(dòng)密封組合套內(nèi)套6-2的內(nèi)表面動(dòng)態(tài)接觸完成高壓水動(dòng)態(tài)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(dòng)力頭3輸出軸3-1的輸出軸內(nèi)部水道3-1-2、鉆桿內(nèi)部水道4-4、鉆頭內(nèi)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(nèi)表面靜態(tài)接觸完成高壓水靜密封，進(jìn)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(dāng)一定壓力液壓油接入推進(jìn)油缸2和液壓沖擊動(dòng)力頭3時(shí)，推進(jìn)油缸2整體推進(jìn)液壓沖擊動(dòng)力頭3、鉆桿4以及鉆頭5，實(shí)現(xiàn)安裝在鉆頭5上的機(jī)械球齒5-1沖擊旋轉(zhuǎn)破碎巖石，且?guī)r石碎屑通過導(dǎo)屑槽5-2排出。當(dāng)一定壓力的高壓水接入動(dòng)密封組合套6，高壓水經(jīng)輸出軸3-1的輸出軸內(nèi)部水道3-1-2、鉆桿內(nèi)部水道4-4、鉆頭內(nèi)部水道5-5、自激振蕩射流球齒5-3形成脈沖射流，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高壓脈沖射流與機(jī)械球齒5-1聯(lián)合沖擊破巖，提高機(jī)械沖擊破巖能力，延長(zhǎng)機(jī)械球齒5-1使用壽命。完成一節(jié)鉆桿4的推進(jìn)后，松開液壓沖擊動(dòng)力頭3的輸出軸3-1與鉆桿4之間的螺紋連接，推進(jìn)油缸2活塞桿縮回使液壓沖擊動(dòng)力頭3退回初始位置，接入另外一根結(jié)構(gòu)和尺寸完全相同的鉆桿4，推進(jìn)油缸2活塞桿再次伸出推進(jìn)液壓沖擊動(dòng)力頭3、鉆桿4以及鉆頭5完成一次鉆進(jìn)，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(jī)械沖擊聯(lián)合破巖機(jī)構(gòu)破巖時(shí)，巷道內(nèi)液壓泵系統(tǒng)給推進(jìn)油缸2和液壓沖擊動(dòng)力頭3提供具有一定壓力的油，使推進(jìn)油缸2活塞桿具有推進(jìn)力和直線速度，液壓沖擊動(dòng)力頭3輸出軸3-1具有旋轉(zhuǎn)扭矩和間隙性沖擊力。推進(jìn)油缸2活塞桿的推進(jìn)力和直線速度經(jīng)液壓沖擊動(dòng)力頭3殼體、輸出軸3-1、鉆桿4傳遞至鉆頭5，使鉆頭上機(jī)械球齒5-1接觸擠壓巖石。液壓沖擊動(dòng)力頭3輸出軸3-1的旋轉(zhuǎn)扭矩和間隙性沖擊力經(jīng)鉆桿4傳遞至鉆頭5，使鉆頭5上機(jī)械球齒5-1旋轉(zhuǎn)沖擊破碎巖石。高壓水泵提供的高壓水經(jīng)動(dòng)密封組合套6的高壓水入水口6-4依次經(jīng)過液壓沖擊動(dòng)力頭3輸出軸3-1內(nèi)部的直角形水道、鉆桿內(nèi)部水道4-4、鉆頭內(nèi)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(dāng)破巖機(jī)構(gòu)同時(shí)接入一定壓力的油和高壓水，給定適當(dāng)?shù)膮?shù)即可實(shí)現(xiàn)鉆頭5上機(jī)械球齒5-1和自激振蕩射流球齒5-3形成的脈沖射流聯(lián)合破巖，提高機(jī)械球齒5-1沖擊破巖能力，延長(zhǎng)機(jī)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(jī)構(gòu)鉆進(jìn)巖石的效率。

應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。本實(shí)施例中未明確的各組成部分均可用現(xiàn)有技術(shù)加以實(shí)現(xiàn)。