CN111997641B - 一种方向可控的水力辅助破岩机构及其截割方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种方向可控的水力辅助破岩机构及其截割方法，该机构包括截割主轴，截割主轴内转动安装一密封轴且一端固定一滚刀；截割主轴、密封轴均与一电机连接；密封轴内开设一密封轴轴向流道，密封轴的近刀段开设一密封轴径向流道和一密封轴圆弧形凹槽流道；密封轴轴向流道、密封轴径向流道、密封轴圆弧形凹槽流道依次连通；滚刀开设若干贯穿刀体的滚刀刀体射流流道，滚刀刀体射流流道所在的平面与密封轴圆弧形凹槽流道所在平面重合。本发明中密封轴、截割主轴和滚刀配合以提供旋转的磨料射流，该磨料射流对滚刀和岩石接触的地方进行预先割缝，然后旋转的滚刀沿着预先割的裂缝挤压岩体以完成岩石的高效振动截割破碎，提高了岩体的破碎效率。

Description

一种方向可控的水力辅助破岩机构及其截割方法

技术领域

本发明属于破岩技术领域，尤其涉及一种方向可控的水力辅助破岩机构及其截割方法。

背景技术

能源工业是国民经济的基础产业，也是技术密集型产业。在我国的资源消费中，煤炭资源的消耗一直占消费总量的主体，而且我国的能源特点是多煤少油，所以在未来很长一段时期内作为我国主体能源具有无法替代的地位。近年来我国经济的快速发展，使得对煤炭能源的需求日益增加。如今我国煤炭开采已经逐渐向深层和复杂地层发展，随之带来岩巷掘进困难而导致采掘比例失调的问题，已成为制约我国煤矿开采的主要原因。

传统的机械破岩具有破碎块度大、作业效率高等优点，其已被广泛运用于矿山开采、建筑工程及资源勘探等领域。然而，现有的装备在坚硬岩体掘进施工中，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。

发明内容

本发明的目的在于提供一种方向可控的水力辅助破岩机构及其截割方法，该机构在工作状态时，密封轴、截割主轴和滚刀配合以提供旋转的磨料射流，该磨料射流预先对滚刀和岩石接触的地方进行预先割缝，之后截割主轴带动滚刀旋转，滚刀沿着预先割的裂缝挤压岩体，利用岩体抗压不抗拉特性完成岩石的高效振动截割破碎，由此降低了滚刀的破岩难度，提高了岩体的破碎效率。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种方向可控的水力辅助破岩机构，其特征在于，包括一截割主轴4，所述截割主轴4内转动安装一密封轴10；所述截割主轴4的一端固定一滚刀8；其中：

所述截割主轴4为一中空的阶梯轴，所述截割主轴4的远刀段通过一传动机构与一主轴电机的输出端连接；所述截割主轴4转动安装于一支撑机构；

所述密封轴10的远刀段与一密封轴电机的输出端连接；所述密封轴10的近刀段与所述滚刀8的内径间隙配合；

所述密封轴10内开设一密封轴轴向流道101，所述密封轴10的近刀段沿径向方向开设一所述密封轴径向流道104；所述密封轴10的近刀段表面开设一密封轴圆弧形凹槽流道103；所述密封轴轴向流道101、密封轴径向流道104、密封轴圆弧形凹槽流道103依次连通；

所述滚刀8的刀体上沿径向开设若干贯穿刀体的滚刀刀体射流流道82，所述滚刀刀体射流流道82所在的平面与密封轴圆弧形凹槽流道103所在平面重合。

优选地，所述密封轴10为一阶梯轴，包括依次连接的第一轴、第二轴和第三轴；

所述第一轴、第二轴和第三轴的直径逐渐变小；所述第一轴形成所述密封轴10的近刀段；所述第三轴与一齿轮传动机构的输出端键连接；所述齿轮传动机构的输入端与所述密封轴电机的输出端连接；

所述第一轴上开设所述密封轴径向流道104、密封轴圆弧形凹槽流道103；

所述第三轴上套设一对第一轴承12；所述第一轴承12的外圈与所述截割主轴4之间配合；靠近所述第一轴的第一轴承12抵住所述第二轴的轴肩；一对所述第一轴承12之间、远离第一轴的第一轴承12和截割主轴4的远刀端内壁之间均设置一用于定位一对第一轴承12的第一轴承定位架14；所述第一轴承定位架14套设于所述第三轴。

优选地，所述截割主轴4为一阶梯轴，包括依次连接的第四轴、第五轴和第六轴；

所述第四轴、第五轴和第六轴的直径逐渐变大；所述第四轴形成所述截割主轴4的近刀段；所述第六轴形成所述传动机构中的轴涡轮；

所述传动机构还包括与所述第六轴啮合的一对蜗杆；所述蜗杆关于所述第六轴的轴心线对称分布。

优选地，所述支撑机构包括套设于所述第四轴上的一对第二轴承13，所述第二轴承13的外圈与一外筒7的内环面配合；所述外筒7相对于所述截割主轴4固定设置；

靠近所述第六轴的第二轴承13抵住所述第六轴的轴肩；

一对所述第二轴承13之间、远离第六轴的第二轴承13和外筒7的近刀端内壁之间均设置一用于定位一对第二轴承13的第二轴承定位架15；所述第二轴承定位架15套设于所述第四轴。

优选地，所述第四轴和所述外筒7之间形成卡扣结构。

优选地，所述外筒7包括一壳体和一密封盖6；密封盖6固定于所述壳体的远刀端并抵住所述第六轴的轴肩。

优选地，所述滚刀8为一碟形滚刀，所述刀体上设置沿周向分布的滚刀刀刃81；滚刀刀体射流流道82的出口处设置磨料射流喷嘴84。

优选地，所述密封轴10的近刀段沿径向方向还开设一连通密封轴轴向流道101的密封轴径向流道104，一对所述密封轴径向流道104之间呈90度设置。

一种方向可控的水力辅助破岩机构的截割方法，基于所述的方向可控的水力辅助破岩机构，包括以下步骤：

1）主轴电机通电驱动截割主轴4旋转，从而使截割主轴4和滚刀8旋转；磨料射流发生装置产生的高速磨料射流从封轴轴向流道101的端口喷入，磨料射流依次流经密封轴轴向流道101、密封轴径向流道104、密封轴圆弧形凹槽流道103、滚刀刀体射流流道82，最后从刀体上喷出；

2）密封轴电机通电，驱动密封轴10转动使密封轴圆弧形凹槽103对着滚刀8接触岩石的位置，磨料射流预先在滚刀与接触岩石的位置切割，在岩体上形成圆弧形裂缝面；

3）滚刀8楔入预先切割的圆弧形裂缝面中，挤压裂缝面以实现硬岩的截割破碎。

与现有技术相比，本发明的优点为：

（1）密封轴、截割主轴和滚刀配合以提供旋转的磨料射流，该磨料射流预先对滚刀和岩石接触的地方进行预先割缝，然后旋转的滚刀沿着预先割的裂缝挤压岩体，利用坚硬岩体抗压不抗拉特性完成岩石的高效振动截割破碎，降低了碟形滚刀的破岩难度，提高了坚硬岩体的破碎效率，且能够避免滚刀过度磨损。

（2）磨料射流方向可以通过密封轴电机来控制，使得形成的高速磨料射流方向与滚刀与岩石接触的方向保持一致，降低了高速磨料射流的水和磨料消耗量。

（3）由于高速磨料射流方向可控，因此该机构可满足各个方向的破岩需求，避免了破岩方向固定的磨料射流装置的使用限制。

附图说明

图1为本发明一实施例的方向可控的水力辅助破岩机构的剖视图；

图2为图1中密封轴的结构示意图；

图3为图1中截割主轴的结构示意图；

图4为图1中蝶形滚刀的剖视图；

图5为图1中外筒的结构示意图；

图6为图1中密封盖的结构示意图；

图7为图1中蜗杆的结构示意图；

图8为图1中第二轴承定位架的结构示意图；

图9为图1中第二轴承的剖视图；

图10为图1中主动齿轮的结构示意图；

图11为图1中从动齿轮的结构示意图。

其中，1-主动齿轮，2-从动齿轮，3-键，4-截割主轴，41-轴涡轮，42-主轴圆弧形凹槽，43-主轴圆柱形凹槽，5-蜗杆，51-蜗杆键槽，52-蜗杆齿，6-密封盖，61-密封盖沉头螺钉孔，7-外筒，71-外壳圆弧形密封凹槽，8-碟形滚刀，81-滚刀刀刃，82-滚刀刀体射流流道，83-滚刀沉头螺钉孔，84-磨料射流喷嘴，9-紧固螺钉Ⅰ，10-密封轴，101-密封轴轴向流道，102-密封轴键槽，103-密封轴圆弧形凹槽流道，104-密封轴径向流道，11-密封圈，12-第一轴承，13-第二轴承，14-第一轴承定位架，15-第二轴承定位架，16-紧固螺钉Ⅱ。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。

如图1所示，一种方向可控的水力辅助破岩机构，包括一截割主轴4，截割主轴4内转动安装一密封轴10；截割主轴4的一端通过紧固螺钉Ⅰ 9固定一滚刀8；外加磨料射流发生装置产生的高速磨料射流从密封轴10的密封轴射流入口喷入至密封轴10内，高速磨料射流经密封轴10流入滚刀8内，经滚刀8喷出。

密封轴10的远刀段与一密封轴电机的输出端连接，如图1所示，密封轴电机用于驱动密封轴10转动；密封轴10的近刀段与滚刀8的内径间隙配合。

密封轴10的结构如图1~2所示，内开设一密封轴轴向流道101，密封轴10的近刀段沿径向方向开设一密封轴径向流道104；密封轴10的近刀段表面开设一密封轴圆弧形凹槽流道103；密封轴轴向流道101、密封轴径向流道104、密封轴圆弧形凹槽流道103依次连通。优选地，密封轴10的近刀段沿径向方向还开设一连通密封轴轴向流道101的密封轴径向流道104，一对密封轴径向流道104之间呈90度设置。

具体的，密封轴10为一阶梯轴，包括依次连接的第一轴、第二轴和第三轴；第一轴、第二轴和第三轴的直径逐渐变小。

第一轴形成密封轴10的近刀段；第三轴与一齿轮传动机构的输出端键连接；齿轮传动机构的输入端与密封轴电机的输出端连接，如图10~11所示，齿轮传动机构包括一主动轮、与主动轮啮合的从动轮；第一轴上开设密封轴径向流道104、密封轴圆弧形凹槽流道103；第三轴上套设一对第一轴承12；第一轴承12的外圈与截割主轴4之间配合；靠近第一轴的第一轴承12抵住第二轴的轴肩；一对第一轴承12之间、远离第一轴的第一轴承12和截割主轴4的远刀端内壁之间均设置一用于定位一对第一轴承12的第一轴承定位架14；第一轴承定位架14套设于第三轴。

截割主轴4为一中空的阶梯轴，如图1所示，截割主轴4的远刀段通过一传动机构与一主轴电机的输出端连接，主轴电机用于驱动截割主轴4转动，截割主轴4的转动速度由主轴电机控制；截割主轴4带动滚刀8旋转；截割主轴4转动安装于一支撑机构。

具体的，截割主轴4为一阶梯轴，如图3所示，包括依次连接的第四轴、第五轴和第六轴；第四轴、第五轴和第六轴的直径逐渐变大；第四轴形成截割主轴4的近刀段，第四轴的近刀端的端面上加工有4个用于安装滚刀8的主轴圆柱形凹槽43；第六轴形成传动机构中的轴涡轮；传动机构还包括与第六轴啮合的一对蜗杆5；蜗杆5关于第六轴的轴心线对称分布，蜗杆的结构如图7所示，蜗杆5包括-蜗杆键槽51和蜗杆齿52。

在本实施例中，支撑机构如图1所示，包括套设于第四轴上的一对第二轴承13，第二轴承13的外圈与一外筒7的内环面配合；外筒7固定相对于截割主轴4固定设置以支撑截割主轴4在外筒7内转动；同时外筒7可带动滚刀8移动，以使得滚刀8楔入预先割好的圆弧形裂缝面中；靠近第六轴的第二轴承13抵住第六轴的轴肩；一对第二轴承13之间、远离第六轴的第二轴承13和外筒7的近刀端内壁之间均设置一用于定位一对第二轴承13的第二轴承定位架15；第二轴承定位架15套设于第四轴。第二轴承定位架15的结构如图8所示，第二轴承13的结构如图9所示。

在本实施例中，第四轴和外筒7之间形成卡扣结构。如图1和图5所示，外筒7包括一壳体和一密封盖6；密封盖6固定于壳体的远刀端并抵住第六轴的轴肩。如图6所示，密封盖6呈阶梯状，密封盖6内径与截割主轴4中间段，第五轴配合，密封盖6粗径上布置有4个与外壳圆柱形凹槽相配合的密封盖沉头螺钉孔61，紧固螺钉Ⅱ16安装在密封盖沉头螺钉孔6-1和外壳圆柱形凹槽7-2中，使得外筒7和密封盖6固连为一体，密封盖细径只起定位作用，保证外壳7和密封盖6不会滑动。

滚刀8为一碟形滚刀，如图4所示，刀体上设置沿周向分布的滚刀刀刃81；滚刀8的刀体上沿径向开设若干贯穿刀体的滚刀刀体射流流道82；滚刀刀体射流流道82所在的平面与密封轴圆弧形凹槽流道103所在平面重合；滚刀刀体射流流道82的出口处设置磨料射流喷嘴84。

具体的，滚刀8的刀体呈凸台形，凸台的轴心部位为空心，刀体径向均布有12条滚刀刀体射流流道82，在滚刀刀体射流流道82的出口处安装有磨料射流喷嘴84。滚刀8远离截割主轴4的端面上开设滚刀沉头螺钉孔83，滚刀沉头螺钉孔83内与紧固螺钉Ⅰ 9配合，即滚刀8通过紧固螺钉Ⅰ 9安装在截割主轴4近刀段第四轴的近刀端端面，以使得使滚刀8和截割主轴4固连为一个整体。

由上述可知，滚刀8和截割主轴4内部安装有密封轴10，密封轴10近刀端的第一轴与碟形滚刀的刀体内径配合连接，密封轴10远刀端的第三轴与截割主轴4的内径通过第一轴承12连接，为对第二轴承12定位，密封轴10上还安装了第一轴承定位架14；从动齿轮2通过键3连接安装在密封轴10远刀端的密封轴键槽102上，主动齿轮1安装在密封轴电机的输出轴上，且主动齿轮1和从动齿轮2相互啮合，因此密封轴10的转动由密封轴电机控制。

截割主轴4的外部是外筒7，截割主轴4近刀端的第四轴与外筒7近刀端的内径直接过盈配合，外筒7远刀端的内径通过第二轴承13与截割主轴4相连接。

截割主轴4和外筒7两者之间卡扣结构，该卡扣结构包括截割4主轴上处第四轴上的主轴圆弧形凹槽42和外筒7上的外壳圆弧形凹槽71，主轴圆弧形凹槽42和外壳圆弧形凹槽71配合构成的密封槽内安装密封圈11；为了固定第二轴承13，防止在工作时滑动，在截割主轴4的第四轴上还布置有第二轴承定位架15；密封盖6通过紧固螺钉Ⅱ 16安装在外筒7远刀端的端面上，以对第二轴承13密封。

工作状态时，该机构的密封轴轴向流道101的端口、密封轴轴向流道101、密封轴径向流道104、密封轴圆弧形凹槽流道103、滚刀刀体射流流道82、磨料射流喷嘴84依次连接相通。

滚刀8的刀体上的12个滚刀刀体射流流道82相互独立，且所在的平面与密封轴圆弧形凹槽流道103所在平面重合。当刀体的某几个滚刀刀体射流流道82与密封轴圆弧形凹槽流道103相通时，这几个滚刀刀体射流流道82内就会有磨料射流通过，与这几个滚刀刀体射流流道82相通的磨料射流喷嘴84就会处于工作状态形成高速磨料射流，其它非连通的滚刀刀体射流流道82及磨料射流喷嘴84处于非工作状态。

通过密封轴10的转动来实现磨料射流的方向可控的原理为：当截割主轴4旋转时，上述处于工作状态的磨料射流喷嘴84所喷出的高压射流柱就会随着滚刀8的旋转而旋转，当滚刀8快速旋转时，滚刀8的射流不是呈柱状而是呈扇形，扇形最大的弧度即为密封轴圆弧形凹槽流道103的弧度，方向也为密封轴圆弧形凹槽流道103的方向，因此可以通过控制密封轴10的转动来实现磨料射流的方向可控，使形成高速磨料射流方向为碟形滚刀8与岩石接触方向，这样大大节约了高压磨料射流的水和磨料消耗量。此外由于磨料射流的方向可控，该机构可以实现任意方向的破岩，提高了该机构的灵活性。

综上，基于该方向可控的水力辅助破岩机构的截割方法，具体为：

（1）主轴电机通电驱动蜗杆5旋转，从而使截割主轴4和滚刀8具有一定的旋转速度；同时磨料射流发生装置产生的高速磨料射流从密封轴轴向流道101的右端口喷入，磨料射流依次流经密封轴轴向流道101、密封轴径向流道104、密封轴圆弧形凹槽流道103、滚刀刀体射流流道82，最后从刀体上的磨料射流喷嘴84喷出。由于滚刀8具有一定的旋转速度，磨料射流也会随着滚刀8转动而转动，最终的转动弧度与密封轴圆弧形凹槽103所对应的弧度重合。

（2）密封轴电机通电，驱动密封轴10转动使密封轴圆弧形凹槽103对着滚刀8将要接触岩石的位置，这样产生的磨料射流会预先在滚刀与接触岩石的位置切割，在岩体上形成圆弧形裂缝面；

（3）滚刀8楔入预先割好的圆弧形裂缝面中，挤压裂缝面以实现硬岩的截割破碎。由于碟形滚刀的由刀刃到刀体逐渐变厚，所以当碟形滚刀沿着裂缝不断切入岩体内部时，滚刀会挤压裂缝面，使岩石扩展断裂，形成大块度的岩块。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种方向可控的水力辅助破岩机构，其特征在于，包括一截割主轴（4），所述截割主轴（4）内转动安装一密封轴（10）；所述截割主轴（4）的一端固定一滚刀（8）；其中：

所述截割主轴（4）为一中空的阶梯轴，所述截割主轴（4）的远刀段通过一传动机构与一主轴电机的输出端连接；所述截割主轴（4）转动安装于一支撑机构；

所述密封轴（10）的远刀段与一密封轴电机的输出端连接；所述密封轴（10）的近刀段与所述滚刀（8）的内径间隙配合；

所述密封轴（10）内开设一密封轴轴向流道（101），所述密封轴（10）的近刀段沿径向方向开设一所述密封轴径向流道（104）；所述密封轴（10）的近刀段表面开设一密封轴圆弧形凹槽流道（103）；所述密封轴轴向流道（101）、密封轴径向流道（104）、密封轴圆弧形凹槽流道（103）依次连通；

所述滚刀（8）的刀体上沿径向开设若干贯穿刀体的滚刀刀体射流流道（82），所述滚刀刀体射流流道（82）所在的平面与密封轴圆弧形凹槽流道（103）所在平面重合；

所述密封轴（10）为一阶梯轴，包括依次连接的第一轴、第二轴和第三轴；

所述第一轴、第二轴和第三轴的直径逐渐变小；所述第一轴形成所述密封轴（10）的近刀段；所述第三轴与一齿轮传动机构的输出端键连接；所述齿轮传动机构的输入端与所述密封轴电机的输出端连接；

所述第一轴上开设所述密封轴径向流道（104）、密封轴圆弧形凹槽流道（103）；

所述第三轴上套设一对第一轴承（12）； 所述第一轴承（12）的外圈与所述截割主轴（4）之间配合；靠近所述第一轴的第一轴承（12）抵住所述第二轴的轴肩；一对所述第一轴承（12）之间、远离第一轴的第一轴承（12）和截割主轴（4）的远刀端内壁之间均设置一用于定位一对第一轴承（12）的第一轴承定位架（14）；所述第一轴承定位架（14）套设于所述第三轴。

2.根据权利要求1所述的方向可控的水力辅助破岩机构，其特征在于，所述截割主轴（4）为一阶梯轴，包括依次连接的第四轴、第五轴和第六轴；

所述第四轴、第五轴和第六轴的直径逐渐变大；所述第四轴形成所述截割主轴（4）的近刀段；所述第六轴形成所述传动机构中的轴涡轮；

所述传动机构还包括与所述第六轴啮合的一对蜗杆；所述蜗杆关于所述第六轴的轴心线对称分布。

3.根据权利要求2所述的方向可控的水力辅助破岩机构，其特征在于，所述支撑机构包括套设于所述第四轴上的一对第二轴承（13），所述第二轴承（13）的外圈与一外筒（7）的内环面配合；所述外筒（7）相对于所述截割主轴（4）固定设置；

靠近所述第六轴的第二轴承（13）抵住所述第六轴的轴肩；

一对所述第二轴承（13）之间、远离第六轴的第二轴承（13）和外筒（7）的近刀端内壁之间均设置一用于定位一对第二轴承（13）的第二轴承定位架（15）；所述第二轴承定位架（15）套设于所述第四轴。

4.根据权利要求3所述的方向可控的水力辅助破岩机构，其特征在于，所述第四轴和所述外筒（7）之间形成卡扣结构。

5.根据权利要求3所述的方向可控的水力辅助破岩机构，其特征在于，所述外筒（7）包括一壳体和一密封盖（6）；密封盖（6）固定于所述壳体的远刀端并抵住所述第六轴的轴肩。

6.根据权利要求1所述的方向可控的水力辅助破岩机构，其特征在于，所述滚刀（8）为一碟形滚刀，所述刀体上设置沿周向分布的滚刀刀刃（81）；滚刀刀体射流流道（82）的出口处设置磨料射流喷嘴（84）。

7.根据权利要求1所述的方向可控的水力辅助破岩机构，其特征在于，所述密封轴（10）的近刀段沿径向方向还开设一对连通密封轴轴向流道（101）的密封轴径向流道（104），一对所述密封轴径向流道（104）之间呈90度设置。

8.一种方向可控的水力辅助破岩机构的截割方法，基于权利要求1~7之任一项所述的方向可控的水力辅助破岩机构，其特征在于，包括以下步骤：

（1）主轴电机通电驱动截割主轴（4）旋转，从而使截割主轴（4）和滚刀（8）旋转；磨料射流发生装置产生的高速磨料射流从密封轴轴向流道（101）的端口喷入，磨料射流依次流经密封轴轴向流道（101）、密封轴径向流道（104）、密封轴圆弧形凹槽流道（103）、滚刀刀体射流流道（82），最后从刀体上喷出；

（2）密封轴电机通电，驱动密封轴（10）转动使密封轴圆弧形凹槽流道（103）对着滚刀（8）接触岩石的位置，磨料射流预先在滚刀与接触岩石的位置切割，在岩体上形成圆弧形裂缝面；

（3）滚刀（8）楔入预先切割的圆弧形裂缝面中，挤压裂缝面以实现硬岩的截割破碎。

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