专利名称：高水基液压凿岩机的制作方法
技术领域：
本发明涉及凿岩设备，特别涉及一种用于采矿和巷道掘进作业、手持式、带支腿的
液压凿岩设备，具体为一种高水基液压凿岩机。
背景技术：
在煤炭等工程施工中，凿岩设备是不可缺少的主要施工设备之一，目前我国已成 为世界矿业大国之一，世界上几乎所有矿种在我国均有发现。但是凿岩设备仍大量使用气 动凿岩机和部分液压凿岩机，虽然在结构性能上不断改进，产品不断更新换代，但受能源、 结构的限制，仍存在凿岩速度低，能耗大，噪声、振动粉尘和油雾污染严重等问题，对矿工健 康(耳聋、手发颤)危害大，凿岩成本高，影响矿山、煤矿等经济效益，己不适应现代生产和 环境保护要求。 油压驱动的凿岩机具有许多优点，包括动力大、效率高等，其技术的应用己经发展 到相当成热的水平，但由于石油资源的日益枯竭以及人们环保意识的日益增强等原因，使 得人们致力于寻求新的液压驱动工作介质。 在巷道掘进中必须有液压支架，驱动液压支架的介质为乳化油，从驱动液压支架 的液压系统中引出一个管路，将液压能提供给凿岩机，这样无需配备专用的(油)液压工 作站。乳化液为含95% (质量比)水配成的水包油型乳化液(由于含水较高，因此为高水 基)，与传统的液压油相比，该乳化液的润滑、密封性能将显著降低，因此现有油压式凿岩机 的结构、构造、包括材料无法完全适应高水基乳化液。 液压凿岩机，包括油压凿岩机或其它压力介质驱动的凿岩机，它们的工作原理都 基本相同，它们的工作过程中有三个能量转换环节，首先是压力液的液压能转变为冲击活 塞的动能；然后是活塞的动能转变为钎杆的应变能；最后是应变能使岩石破碎转变为岩屑 的表面能。 油压凿岩机是目前液压凿岩机中较成熟的一种。油压凿岩机在结构上包括机头部
分、冲击机构、柄体部分、支腿及回转机构。 机头部分位于冲击机构的前端，主要用于固定钎杆。 冲击机构将高压液体产生的压力能转换为冲击破碎岩石所需的高频冲击能，它是 凿岩机的核心部分。冲击机构包括一个缸体l，缸体上有活塞腔和控制滑阀腔，活塞腔和控 制滑阀腔之间有多个连通孔，控制滑阀腔与设置于缸体上的压力液进液口 2和压力液回流 口 3相通，同时活塞腔上也有与压力液回流口 3相通的连接孔，缸体1还有沟通活塞腔前部 (腔)与后部(腔)的旁路孔27，在控制滑阀腔内置有阀芯4，在活塞腔内设置有杆式活塞 5，杆式活塞5的两端分别套有前支撑套座6、前支撑套7和后支撑套座8、后支撑套9，杆式 活塞5的中部套有缸套10，缸套上开有三个控制信号孔，即第一控制信号孔K1、第二控制信 号孔K2和第三控制信号孔K3。杆式活塞5前端腔为常压腔、后腔为交变压力腔，控制滑阀的 阀芯前腔为常压腔。在凿岩过程中，杆式活塞5和控制滑阀处于一种相互制约的随动状态， 控制滑阀的位置控制着杆式活塞前后腔体的高压液体进出，杆式活塞前后腔高压液体作用
3面积不同产生的压力差使杆式活塞前后运动，而杆式活塞的位置又决定着控制滑阀后腔进 出高压液体的时间，从而控制滑阀阀芯的位置，实现液压凿岩机杆式活塞连续冲击运动。冲 击杆式活塞向前冲击钎尾的过程中，冲击活塞的动能以应力波的形式通过钎杆、钎头传递 给岩石，从而使其破碎。其更具体的工作原理、工作过程为(如图？所示)图中kl、k2、k3
均为缸套10上的控制信号孔，当活塞回程控制边到达kl控制孔时，活塞前腔的高压油通过
kl控制口进入滑阀的右腔(后腔)，因滑阀右端控制面积大于左端，在压力差的作用下，驱
动滑阀阀芯向左运行，而开通旁路孔27，使活塞前、后两腔都通高压油，活塞后腔面积大于 前腔，活塞在压力差的作用下向左运行(冲击)。当活塞冲程控制边越过k2控制孔时，滑阀 右腔(后腔)高压油通过k2、k3进入压力液回流口 3，滑阀右腔(后腔)失压，阀芯右移， 活塞在压力液的作用下右移(即回程)，活塞又进入下一个循环。即滑阀的左腔(前腔)为 常压腔，右腔(后腔)为交变腔；活塞的前腔为常压腔，后腔为交变腔。液压凿岩机的冲击 机构的工作原理、结构、工作过程基本上是相同的。在油压凿岩机的冲击机构中，杆式活塞 的后端与后支撑套之间为活动密封配合，无法做到完全密封，由于压力油的润滑、密封性能 相对较好，现有油压凿岩机在杆式活塞与后支撑套之间只有少量压力油泄漏，还不足以影 响油压凿岩机的正常运行。当压力介质变为高水基乳化液时，由于乳化液的润滑、密封性能 将显著降低，在现有结构下，杆式活塞与后支撑套之间的压力液泄漏将会变得非常严重，造 成凿岩机冲击不平稳、甚至出现卡死现象。 油压凿岩机的柄体部分是压力油(介质)的控制部件，柄体部分与冲击机构的后 端对接。柄体部分包括柄体ll，柄体11上开有与冲击机构的缸体上的压力液进液口 2和压 力液回流口 3相对应的进液口 12和回流口 13，并在回流口 13内设有压力油(介质)的控 制阀，以控制压力油(介质)的通、断及流量，从而控制冲击机构是否工作及冲击力的大小； 柄体上还开有通向支腿的压力油(介质)进液口 28和回流通道29(现有油压凿岩机柄体 上的回流通道与回流口 13相通)，并设有支腿压力油(介质)的控制阀。
支腿是一个液压驱动部件，是凿岩机正常工作所需的辅助部件。支腿上设有分别 与柄体上的通向支腿的压力油进液口和回流通道相通的进液口和回流口，随着凿岩机的运 行支腿在液压驱动下实现推进和退回。在液压支腿的辅助下，凿岩机运行时就无需人为在 凿岩机后部施加向前的顶力，使操作省力。 凿岩过程中为防止钎头被岩石卡紧，钎头在回转机构的驱动下实现边冲击边回转 的运动方式。现有油压凿岩机上的回转机构设在杆式活塞的后部，其结构复杂，运行不可罪。
发明内容
本发明为了解决现有油压凿岩机的回转机构结构复杂以及现有油压式凿岩机的
结构、构造无法完全适应高水基乳化液的问题，提供一种高水基液压凿岩机。
本发明是采用如下技术方案实现的高水基液压凿岩机，包括冲击机构、连接于冲
击机构前端的机头部分、对接于冲击机构后端的柄体部分、与冲击机构连接的支腿；冲击机
构包括一个缸体，缸体上有活塞腔和控制滑阀腔，缸体上设置有压力液进液口和压力液回
流口，在控制滑阀腔内置有阀芯，在活塞腔内设置有杆式活塞，杆式活塞的两端分别套有前
支撑套座、前支撑套和后支撑套座、后支撑套；支腿上设有进液口和回流口 ；柄体部分包括
4柄体，柄体上开有与支腿上的进液口相通的压力液进液口和与支腿上的回流口相通的回流 通道；机头部分包括机头外壳，机头外壳内从前向后依次套有其外圆表面开有棘齿的转动 套和棘轮，机头外壳内壁上分别固定有与转动套外圆表面上的棘齿和棘轮外圆表面上的棘 齿配合的棘爪，转动套内固定有其内壁设有直键的键套(所谓直键即键的方向与键套的轴 线同向)，棘轮内固定有其内壁设有斜键的螺旋母(所谓斜键即键的方向与螺旋母的轴线 成角度)，杆式活塞的前端开有与键套上的直键和螺旋母上的斜键相配合的直键槽和斜键 槽，并伸入键套和螺旋母内。由于转动套、棘轮与机头外壳之间为棘齿_棘爪结构，因此转 动套和棘轮只能相对机头外壳单向转动，不能逆转。在活塞冲程运动的过程中，由于活塞端 部与螺旋母之间斜健的作用，棘轮作逆时针的转动，活塞及转动套不作旋转运动。而在活塞 回程运动的过程中，同样由于斜键的作用，在棘轮作顺时针运动受阻的情况下，迫使活塞作 逆时针旋转运动，并带动与活塞直齿相配合的键套及转动套一起逆时针旋转，由于转动套 内装有钎杆，从而完成钎杆的回转动作。本发明将凿岩机的回转机构设置于机头部分与冲 击机构的相互连接处，其结构紧凑、合理，运行更加可靠。 为了使凿岩机更加适应高水基乳化液压力介质，在后支撑套座与活塞腔配合的外 圆表面上开有一个位于后支撑套后部的环状凹槽，从而使后支撑套座与活塞腔内壁之间形 成一个环状腔，后支撑套座的内圆表面(即与杆式活塞配合的面)上开有位于后支撑套后 部的、与外圆表面上的环状凹槽相通的通孔，在缸体上开有沟通后支撑套座与活塞腔内壁 之间的环状腔与缸体上的压力液回流口的连通孔(即在缸体上开有一个连通孔，该连通孔 将后支撑套座与活塞腔内壁之间的环状腔和缸体上的压力液回流口连通)，在缸体上还开 有一个与后支撑套座和活塞腔内壁之间的环状腔相通的沟通孔，柄体部分的柄体上开有与 沟通孔对应的对接孔(冲击机构的缸体与柄体部分的柄体对接时，沟通孔与对接孔沟通)， 对接孔与柄体部分的柄体上的回流通道相通。通过上述的结构设计，可使支腿流出的压力 液经支腿的回流口、柄体上的回流通道、柄体上的对接孔、缸体上的沟通孔、后支撑套座与 活塞腔内壁之间的环状腔、连通孔、缸体上的压力液回流口而实现支腿压力液的回流。由于 通孔的存在，在支腿压力液回流的同时，后支撑套座与活塞腔内壁之间的环状腔内的支腿 回流压力液的液体压力施加于后支撑套的后部，以阻止后支撑套前端(即活塞后腔)的压 力液沿杆式活塞与后支撑套之间的间隙外泄，从而减少压力液的泄漏，提高凿岩机的运行 平稳性。 本发明所述的高水基液压凿岩机在现有油压凿岩机的结构基础上，对回转机构及 局部密封结构进行了改进。本发明将凿岩机的回转机构设置于机头部分与冲击机构的相互 连接处，其结构紧凑、合理，运行更加可靠。局部密封结构的改进使凿岩机的密封性能更加 适应高水基乳化液压力介质，使高水基液压凿岩机运行、冲击更平稳，运行更可靠。本发明 所述的高水基液压凿岩机在设计过程中，综合考虑流体力学、材料力学、润滑理论、摩擦学、 控制理论及机械振动等相关学科，在液压滑阀、活塞、缸体等关键液压件的材料选取、制造 精度及密封件的结构等方面采取了相关措施以解决因采用高水基压力介质带来的润滑、密 封等问题。该高水基液压凿岩机配用标准的炮钎，适用于煤矸石及硬、中、软各类岩层等工 程作业。
图1为本发明所述的高水基液压凿岩机的整体结构示意图；
图2为机头部分的结构示意图；
图3为图2的剖视图；
图4为图3的右视图；
图5为转动套的结构示意图；
图6为图5的剖视图；
图7为图6的左视图；
图8为键套的结构图；
图9为图8的剖面图；
图10为螺旋母的结构图；
图11为图10的剖面图；
图12为棘轮的结构图；
图13为图12的右视图；
图14为冲击机构的整体结构图；
图15为图14的剖面图；
图16为冲击机构缸体的结构图；
图17为图16的仰视图；
图18为图16的俯视图；
图19为图16的B-B剖面图；
图20为图16的A-A剖面图;
图21为图20的右视图；
图22为图20的左视图；
图23为图20的C-C剖面图；
图24为图21的D-D剖面图；
图25为后支撑套座的结构图；
图26为图25的剖面图； 图27为柄体部分的柄体与冲击机构的缸体对接的端面视图；
图中1-缸体，2-缸体上的压力液进液口，3-缸体上的压力液回流口，4-5_杆式活塞，6-前支撑套座，7-前支撑套，8-后支撑套座，9-后支撑套，10-缸套，ll-lZ- 柄体上的进液口 ， 13-柄体上的回流口 ， 14-支腿，15-机头外壳，16-转动套，17-18-棘爪，19-键套，20-螺旋母，21-环状凹槽，23-通孔，24-连通孔，25-沟通孔，26-孔，27-旁路孔，28-柄体上的压力液进液口 ， 29-柄体上的回流通道；Kl-第一控制信号孔， K2-第二控制信号孔，K3-第三控制信号孔。
具体实施例方式
高水基液压凿岩机，包括冲击机构、连接于冲击机构前端的机头部分、对接于冲击 机构后端的柄体部分、与冲击机构连接的支腿14 ;冲击机构包括一个缸体l，缸体1上有活 塞腔和控制滑阀腔，缸体1上设置有压力液进液口 2和压力液回流口 3，在控制滑阀腔内置
芯体轮
阀柄棘
接
对有阀芯4，在活塞腔内设置有杆式活塞5，杆式活塞5的两端分别套有前支撑套座6、前支撑 套7和后支撑套座8、后支撑套9 ;支腿14上设有进液口和回流口 ；柄体部分包括柄体11， 柄体ll上开有与支腿上的进液口相通的压力液进液口 28和与支腿上的回流口相通的回流 通道29 ;机头部分包括机头外壳15，机头外壳15内从前向后依次套有其外圆表面开有棘齿 的转动套16和棘轮17，机头外壳内壁上分别固定有与转动套16外圆表面上的棘齿和棘轮 17外圆表面上的棘齿配合的棘爪18，转动套16内固定有其内壁设有直键的键套19(所谓 直键即键的方向与键套19的轴线同向)，棘轮17内固定有其内壁设有斜键的螺旋母20(所 谓斜键即键的方向与螺旋母的轴线成角度)，杆式活塞5的前端开有与键套19上的直键和 螺旋母20上的斜键相配合的直键槽和斜键槽，并伸入键套19和螺旋母20内。具体制造时， 转动套16与键套19之间为螺纹连接固定，棘轮17与螺旋母20之间也是螺纹连接固定。
为了使凿岩机更加适应高水基乳化液压力介质，在后支撑套座8与活塞腔配合的 外圆表面上开有一个位于后支撑套9后部的环状凹槽21，从而使后支撑套座8与活塞腔内 壁之间形成一个环状腔，后支撑套座8的内圆表面(即与杆式活塞配合的面)上开有位于 后支撑套9后部的、与外圆表面上的环状凹槽21相通的通孔23，在缸体1上开有沟通后支 撑套座8与活塞腔内壁之间的环状腔与缸体上的压力液回流口 3的连通孔24，在缸体1上 还开有一个与后支撑套座8和活塞腔内壁之间的环状腔相通的沟通孔25，柄体部分的柄体 11上开有与沟通孔25对应的对接孔26(冲击机构的缸体与柄体部分的柄体对接时，沟通 孔25与对接孔26沟通)，对接孔26与柄体部分的柄体11上的回流通道相通。通过上述的 结构设计，可使支腿流出的压力液经支腿的回流口、柄体11上的回流通道29、柄体上的对 接孔26、缸体上的沟通孔25、后支撑套座8与活塞腔内壁之间的环状腔、连通孔24、缸体上 的压力液回流口 3而实现支腿压力液的回流。由于通孔23的存在，在支腿压力液回流的同 时，后支撑套座8与活塞腔内壁之间的环状腔内的支腿回流压力液的液体压力施加于后支 撑套9的后部，以阻止后支撑套9前端(即活塞后腔)的压力液沿杆式活塞5与后支撑套 9之间的间隙外泄，从而减少压力液的泄漏，提高凿岩机的运行平稳性和可靠性。
具体制造时，控制滑阀的阀芯4采用40Cr或不锈钢，冲击机构的缸体1采用40Cr， 杆式活塞5采用20CrMnTi，通过上述材料的优选，更好地适应高水基的压力介质。
控制滑阀的阀芯4与控制滑阀腔的配合间隙为0. 03-0. 04mm，杆式活塞5与 活塞腔的配合间隙为0. 05-0. 06mm，杆式活塞5与前、后支撑套7、9之间的配合间隙为 0. 02-0. 03mm。通过上述的配合间隙的尺寸优选，可更好地适应高水基压力介质。
权利要求
一种高水基液压凿岩机，包括冲击机构、连接于冲击机构前端的机头部分、对接于冲击机构后端的柄体部分、与冲击机构连接的支腿(14)；冲击机构包括一个缸体(1)，缸体(1)上有活塞腔和控制滑阀腔，缸体(1)上设置有压力液进液口(2)和压力液回流口(3)，在控制滑阀腔内置有阀芯(4)，在活塞腔内设置有杆式活塞(5)，杆式活塞(5)的两端分别套有前支撑套座(6)、前支撑套(7)和后支撑套座(8)、后支撑套(9)；支腿(14)上设有进液口和回流口；柄体部分包括柄体(11)，柄体(11)上开有与支腿上的进液口相通的压力液进液口(28)和与支腿上的回流口相通的回流通道(29)；其特征为机头部分包括机头外壳(15)，机头外壳(15)内从前向后依次套有其外圆表面开有棘齿的转动套(16)和棘轮(17)，机头外壳内壁上分别固定有与转动套(16)外圆表面上的棘齿和棘轮(17)外圆表面上的棘齿配合的棘爪(18)，转动套(16)内固定有其内壁设有直键的键套(19)，棘轮(17)内固定有其内壁设有斜键的螺旋母(20)，杆式活塞(5)的前端开有与键套(19)上的直键和螺旋母(20)上的斜键相配合的直键槽和斜键槽，并伸入键套(19)和螺旋母(20)内。
2. 根据权利要求1所述的高水基液压凿岩机，其特征为在后支撑套座(8)与活塞腔 配合的外圆表面上开有一个位于后支撑套(9)后部的环状凹槽(21)，从而使后支撑套座(8) 与活塞腔内壁之间形成一个环状腔，后支撑套座(8)的内圆表面上开有位于后支撑套(9) 后部的、与外圆表面上的环状凹槽(21)相通的通孔(23)，在缸体(1)上开有沟通后支 撑套座(8)与活塞腔内壁之间的环状腔与缸体上的压力液回流口 (3)的连通孔(24)，在缸 体(1)上还开有一个与后支撑套座(8)和活塞腔内壁之间的环状腔相通的沟通孔(25)，柄 体部分的柄体(11)上开有与沟通孔(25)对应的对接孔(26)，对接孔(26)与柄体部分的柄 体(11)上的回流通道(29)相通。
3. 根据权利要求1或2所述的高水基液压凿岩机，其特征为控制滑阀的阀芯(4)采 用40Cr或不锈钢，冲击机构的缸体(1)采用40Cr，杆式活塞(5)采用20CrMnTi。
4. 根据权利要求1或2所述的高水基液压凿岩机，其特征为控制滑阀的阀芯(4)与控 制滑阀腔的配合间隙为0. 03-0. 04mm，杆式活塞(5)与活塞腔的配合间隙为0. 05-0. 06mm， 杆式活塞(5)与前、后支撑套(7、9)之间的配合间隙为0.02-0.03mm。
5. 根据权利要求3所述的高水基液压凿岩机，其特征为控制滑阀的阀芯(4)与控制 滑阀腔的配合间隙为0. 03-0. 04mm，杆式活塞(5)与活塞腔的配合间隙为0. 05-0. 06mm，杆 式活塞(5)与前、后支撑套(7、9)之间的配合间隙为0.02-0.03mm。
全文摘要
本发明涉及凿岩设备，具体为一种高水基液压凿岩机。解决现有油压凿岩机的回转机构结构复杂以及现有油压式凿岩机的结构、构造无法完全适应高水基乳化液的问题。包括冲击机构、连接于冲击机构前端的机头部分、对接于冲击机构后端的柄体部分、与冲击机构连接的支腿；机头部分包括机头外壳，机头外壳内从前向后依次套有其外圆表面开有棘齿的转动套和棘轮，机头外壳内壁上固定有棘爪，转动套内固定有其内壁设有直键的键套，棘轮内固定有其内壁设有斜键的螺旋母，杆式活塞的前端开有与键套上的直键和螺旋母上的斜键相配合的直键槽和斜键槽。对冲击机构的局部密封结构进行了改进。该凿岩机配用炮钎，适用于煤矸石及各类岩层等工程作业。
文档编号E21B1/26GK101694147SQ20091007575
公开日2010年4月14日 申请日期2009年10月17日 优先权日2009年10月17日
发明者于大国, 李耀明, 沈兴全, 翟宁, 辛志杰 申请人:中北大学;