一种具有定向高速磨料射流超前切缝功能的振动式硬岩截割机构

摘要

本发明公开了一种具有定向高速磨料射流超前切缝功能的振动式硬岩截割机构，工作时，高压磨料射流发生系统出口与截割机构磨料射流入口连接，磨料射流经配流盘、截割主轴、盘型滚刀内的流道进入磨料射流喷嘴形成定向高速磨料射流，截割主轴由轴向永磁电机直接驱动旋转，截割机构在振动电机作用下使盘型滚刀振动，旋转磨料射流在岩体上形成宏观裂缝，摆动截割机构即可将旋转的盘型滚刀振动楔入已形成的裂缝中使其迅速扩展断裂，实现坚硬岩体的高效截割破碎。本发明坚硬岩体截割方法安全高效，可以有效地解决坚硬岩体巷道和隧道施工效率低、成本高、粉尘量大、安全性差等问题。

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有定向高速磨料射流超前切缝功能的振动式硬岩截割机构，适用于坚硬岩石巷道和隧道的掘进。

背景技术

随着各类岩石开挖机械在矿山开采、隧道掘进、油气井钻进等实际工程中的广泛应用，对坚硬岩石破碎技术提出了更高的要求和新的挑战。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，现有装备在坚硬岩体掘进施工中，刀具磨损加大，可靠性和工作效率降低，如何实现硬岩的高效破碎已经成为亟待解决的问题和难题，亟需研究新的岩石破碎方法实现坚硬岩石的高效破碎，对实现矿山高效开采、隧道高效掘进乃至我国能源资源的高效开发具有极其重要的意义。

以往主要通过增大机械驱动功率实现机械破碎坚硬岩石，但机械截齿破岩能力没有发生改变，仅增大功率会导致岩石破碎机构的磨损加剧、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。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种具有定向高速磨料射流超前切缝功能的振动式硬岩截割机构，先采用高压磨料射流在盘型滚刀截割路径上形成裂缝面，以大大降低岩体的截割阻抗，同时盘型滚刀切入岩体裂缝面，盘型滚刀在振动电机联合作用下振动截割破碎岩体，以大大提高机械破岩效率和能力；本发明能够在巷道或隧道施工过程中存在坚硬岩体情况下，解决设备严重磨损、破岩效率低、粉尘量大等问题，实现坚硬岩体巷道的安全、高效、低成本掘进。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种具有定向高速磨料射流超前切缝功能的振动式硬岩截割机构，包括盘型滚刀、截割主轴和配流盘；

所述配流盘外侧设有一个磨料射流入口，配流盘内侧设有一个弧形凹槽流道，通过流道I连通磨料射流入口和弧形凹槽流道；配流盘内侧、弧形凹槽流道的两侧设置有旋转动密封圈凹槽，旋转动密封圈凹槽内安装有O型圈，通过O型圈实现配流盘和截割主轴之间的密封连接；

所述截割主轴内均匀布置有一组流道II，在截割主轴的旋转过程中，始终保持一个以上流道II与弧形凹槽流道连通；

所述盘型滚刀包括刀体和一组合金刀头，在刀体内设置有一组流道III，流道III或流道III的分支延伸至刀体的刀口位置，在对应位置加工切口以镶嵌磨料射流喷嘴，在相邻磨料射流喷嘴之间周向安装合金刀头；刀体通过紧固螺栓I固定在截割主轴前端，确保流道III与流道II连通。

优选的，所述弧形凹槽流道的圆弧角为60°～180°。

优选的，所述刀体与截割主轴的连接位置设置有静密封圈凹槽I，在静密封圈凹槽 I内安装有橡胶O圈。

优选的，所述旋转动密封圈凹槽内安装的O型圈为聚四氟乙烯O型圈。

优选的，所述流道II数量为2～4。

优选的，还包括轴承端盖、主轴壳体、轴向永磁电机和振动电机；所述截割主轴通过径向轴承I、推力轴承和径向轴承II实现相对主轴壳体的转动连接，配流盘和轴承端盖分别通过紧固螺栓II和紧固螺栓III固定在主轴壳体的前后端，通过配流盘和轴承端盖将径向轴承I、推力轴承和径向轴承II密封在截割主轴和主轴壳体形成的密封空间内，同时配合截割主轴的台阶结构、主轴壳体的台阶结构和垫环实现对截割主轴的径向固定；所述轴向永磁电机和振动电机分别通过紧固螺栓IV和紧固螺栓V固定在主轴壳体上，轴向永磁电机的输出轴和截割主轴后端通过花键连接。

优选的，还包括支撑壳体，主轴壳体通过紧固螺栓VI固定在支撑壳体上。

上述截割机构工作时，轴向永磁电机通电使轴向永磁电机的内花键轴具有一定的旋转速度和扭矩，轴向永磁电机的内花键与截割主轴后端的外花键连接使截割主轴具有一定的旋转速度和扭矩。截割主轴通过径向轴承I、径向轴承II、推力轴承以及垫环支撑在主轴壳体内，使截割主轴能够同时承受旋转扭矩和轴向推力。截割主轴与盘型滚刀通过紧固螺栓I固定联接，使盘型滚刀具有一定的旋转速度和扭矩。振动电机通过紧固螺栓V固定在主轴壳体，工作时使截割机构振动进而带动盘型滚刀振动。盘型滚刀刀体径向均匀镶嵌多个磨料射流喷嘴和合金刀头，使盘型滚刀同时具有机械和水射流破岩功能。配流盘通过紧固螺栓II固定在主轴壳体前端，配流盘的磨料射流入口、流道I、圆弧形凹槽流道、流道II、流道III以及磨料射流喷嘴依次连接相通。当某一个流道II与圆弧形凹槽流道相通时，与该流道II相连通的流道III和磨料射流喷嘴处于工作状态形成高速磨料射流，其它非连通的磨料射流喷嘴处于非工作状态。各个流道II互不相通，且在截割主轴旋转过程中逐个顺序与圆弧形凹槽流道相通，可以仅在盘型滚刀与岩石接触方向形成高速磨料射流，大大节约了高压磨料射流的水和磨料消耗量。截割机构在接入高压磨料射流时，轴向永磁电机和振动电机启动，旋转的定向磨料射流和合金刀头联合作用完成硬岩振动截割破碎。

有益效果：本发明提供的具有定向高速磨料射流超前切缝功能的振动式硬岩截割机构，工作时由旋转的定向磨料射流对盘型滚刀与岩石接触处预先割缝，然后旋转振动的盘型滚刀沿预先割缝挤压拉伸岩体，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，大大的降低了盘型滚刀的破岩难度，提高了坚硬岩体的破碎效率；该机构及破岩工艺不仅可以降低坚硬岩体破碎难度，提高坚硬岩体破碎效率，还能够避免盘型滚刀过度磨损，对实现坚硬岩石巷道和隧道高效掘进具有重要的意义。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为截割主轴剖视结构示意图；

图3为配流盘剖视结构示意图；

图4为图3中的A-A剖面结构示意图；

图5为盘型滚刀剖视结构示意图；

图6为图5中的B-B剖面结构示意图；

图中包括：1—盘型滚刀；2—紧固螺栓I；3—截割主轴；4—紧固螺栓II；5—配流盘；6—主轴壳体；7—径向轴承I；8—垫环；9—推力轴承；10—径向轴承II；11—轴承端盖；12—紧固螺栓III；13—轴向永磁电机；14—紧固螺栓IV；15—振动电机；16 —支撑壳体；17—紧固螺栓V；18—紧固螺栓VI；19—润滑油；20—高速磨料射流；1-1 —刀体；1-2—磨料射流喷嘴；1-3—切口；1-4—合金刀头；1-5—圆柱形凸台；1-6—静密封圈凹槽I；1-7—沉槽通孔；1-8—流道III；3-1—流道II；3-2—圆柱形凹槽；3-3—内螺纹孔；3-4—外花键；5-1—磨料射流入口；5-2—流道I；5-3—旋转动密封圈凹槽； 5-4—静密封圈凹槽II；5-5—内孔；5-6—圆弧形凹槽流道；5-7—阶梯通孔；13-1—内花键轴。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示为一种具有定向高速磨料射流超前切缝功能的振动式硬岩截割机构，包括盘型滚刀1、截割主轴3、配流盘5、轴承端盖11、主轴壳体6、支撑壳体16、轴向永磁电机13和振动电机15；主轴壳体6作为截割机构其它零部件的纽带，所述轴向永磁电机13和壳体和振动电机15分别通过紧固螺栓IV14和紧固螺栓V17固定在主轴壳体6上；轴向永磁电机13工作时内花键轴13-1输出一定的转速和扭矩，振动电机15 工作时输出激振力作用于主轴壳体6上。

径向轴承I 7和径向轴承II 10的外圈与主轴壳体6的内孔配合，推力轴承9座圈与主轴壳体6内一端面配合，截割主轴3通过径向轴承I 7和径向轴承II 10内圈径向支撑在主轴壳体6内，截割主轴3通过推力轴承9轴圈和垫环8轴向支撑在主轴壳体6内部，使截割主轴3同时承受旋转扭矩和轴向推力。配流盘5和轴承端盖11分别通过紧固螺栓II4(配流盘5前侧面设置有紧固螺栓II4安装用阶梯通孔5-7)和紧固螺栓III12固定在主轴壳体6的前后端，它们组合作用将润滑油19密封在主轴壳体6内，实现径向轴承I 7、径向轴承II 10、推力轴承9的润滑保护。

轴向永磁电机13的内花键轴13-1与截割主轴3后端的外花键3-4相配合，盘型滚刀1通过紧固螺栓I 2固定在截割主轴3前端，轴向永磁电机13工作时依次将输出的旋转运动和扭矩传递至截割主轴3和盘型滚刀1。外部的高压磨料射流系统通过配流盘5 的磨料射流入口5-1、流道I 5-2和圆弧形凹槽流道5-6、截割主轴3的流道II 3-1、盘型滚刀1的流道III 1-8和磨料射流喷嘴1-2形成高速磨料射流20。轴向永磁电机13、振动电机15以及外部的高压磨料射流系统同时工作时，即可实现高速磨料射流20联合盘型滚刀1破岩。

如图2～4所示，所述的截割主轴3和配流盘5，截割主轴3加工有独立的直角流道 II 3-1。配流盘5上加工有磨料射流入口5-1、流道I 5-2、多道旋转动密封圈凹槽5-3、静密封圈凹槽II 5-4，配流盘5的内孔5-5上加工有圆弧形凹槽流道5-6，且流道I 5-2 与圆弧形凹槽流道5-6相互连通，圆弧形凹槽流道5-6的圆弧角宜取60°～180°。工作时，截割主轴3的直角流道II 3-1间隙性与圆弧形凹槽流道5-6连通，它们之间的磨料射流通过安装在多道旋转动密封圈凹槽5-3内聚四氟乙烯O型圈密封。截割主轴3每旋转一周分别向独立的直角流道II 3-1引入磨料射流一次。

如图5～6所示，所示的盘型滚刀1，盘型滚刀1刀体1-1径向均匀镶嵌多个磨料射流喷嘴1-2，镶嵌磨料射流喷嘴1-2位置处分别加工有切口1-3，刀体1-1径向离散镶嵌多个合金刀头1-4，刀体1-1设有圆柱形凸台1-5与截割主轴3圆柱形凹槽3-2配合，圆柱形凸台1-5端面加工的静密封圈凹槽I 1-6，刀体1-1轴向设有紧固螺栓I 2用沉槽通孔1-7。刀体1-1内部加工有与截割主轴3流道II 3-1对应连通的流道III 1-8，它们之间由安装在静密封圈凹槽I 1-6的橡胶O型圈密封，由截割主轴3流道II 3-1周期性引入至流道III 1-8的磨料射流通过磨料射流喷嘴1-2形成定向高速磨料射流20。

如图1至图6，上述截割机构工作时，首先外部的高压磨料射流系统经配流盘5、截割主轴3、盘型滚刀1组合作用形成的定向高速磨料射流20，并在盘型滚刀1截割岩石路径上切割出圆弧形裂缝面；同时在轴向永磁电机13和振动电机15联合驱动下，盘型滚刀1镶嵌的多个合金刀头1-4旋转振动切入由高速磨料射流20截割形成的裂缝面，进而挤压裂缝面使岩体破碎。

本发明具有定向高速磨料射流超前切缝功能的振动式硬岩截割机构原理：截割机构工作时，由工作面电力系统向轴向永磁电机13和振动电机15供电，得电后的轴向永磁电机13形成旋转运动和扭矩由内花键轴13-1输出，内花键轴13-1与截割主轴3后端的外花键3-4配合，将旋转运动和扭矩传递至截割主轴3，截割主轴3前端通过紧固螺栓 I 2固定盘型滚刀1使其具有一定的旋转速度和扭矩，即可实现盘型滚刀1的旋转截割破岩。由于振动电机15通过紧固螺栓V固定在主轴壳体6上，得电后的振动电机15 输出激振力依次传递至主轴壳体6、径向轴承I 7、径向轴承II 10、推力轴承9、截割主轴3直至盘型滚刀1，使盘型滚刀1能够旋转振动截割岩石。外部的高压磨料射流系统工作后，将高压磨料射流通过配流盘5的磨料射流入口5-1、流道I 5-2、圆弧形凹槽流道5-6、截割主轴3流道II 3-1、盘型滚刀1流道III 1-8、磨料射流喷嘴1-2形成高速磨料射流20。由于圆弧形凹槽流道5-6的圆弧角宜取60°～180°，工作时旋转的截割主轴3的直角流道II 3-1间隙性与圆弧形凹槽流道5-6连通，仅圆弧形凹槽流道5-6、截割主轴3直角流道II 3-1、盘型滚刀1流道III 1-8、磨料射流喷嘴1-2连续导通才可以形成定向高速射流20，经设计任意时刻形成的定向高速射流20均处于盘型滚刀1于岩体的接触路径上。当轴向永磁电机13、振动电机15和外部的高压磨料射流系统同时工作，形成的定向高速射流20超前在盘型滚刀1与岩体接触路径上切割出圆弧形裂缝，然后盘型滚刀1旋转振动楔入圆弧形裂缝，充分运用坚硬岩体容易拉断特性，大大提高盘型滚刀1的破岩能力和效率。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。