CN104018778B - 无油雾、节能、低耗气腿式凿岩机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无油雾、节能、低耗气腿式凿岩机。本发明的技术要点是：活塞为三圆柱结构，活塞前部打击杆与导套内孔之间和活塞后部配气杆与阀体内孔之间为支承摩擦副，其间隙比活塞中部大圆与气缸内孔之间的间隙小，活塞中部大圆悬空；在导向体和阀体的空位处分别增设前油室和后油室，前油室和后油室互不联通；活塞的后部配气杆后端尺寸满足：当活塞向前运动到它的中部大圆后端面位于气缸排气口的后边界时，活塞尾部后端面滞后于阀体回程进气口后边界数毫米。本发明提供了一种既节约(省气)，工作效能更高，又实现排气无油雾，对环保生态好，且节约资源，结构也更加合理的无油雾、节能、低耗气腿式凿岩机。

Description

无油雾、节能、低耗气腿式凿岩机

技术领域

本发明属于工程机械设备技术领域，具体涉及一种无油雾、节能、低耗气腿式凿岩机。

背景技术

现有的气腿式凿岩机，由于性能稳定，操作简便，使用可靠，加之它用空气作动力介质，因此，在国内使用十分广泛，被喻为矿山采掘和石方工程中使用的“常规武器”。预计目前全国年产量已近20万台(套)，该产品虽不大，但却是量大面广，直接关系国计民生与环保生态。在国家评定的四种型号的国优产品中，无阀凿岩机(YTP26)是其中之一。过去，我们的认识大都停留在传统力学的观点上，对于现代力学方面的认识、应用比较欠缺，当时，我们对无阀凿岩机的基本评价是：(1)节能、省气、经济性好；(2)凿速快、效率高；(3)结构简单、维修方便；但缺点是冲击频率高，振动大。几十年来随着理论认识水平的提高和实践经验的不断丰富，再运用传统力学与现代力学——波动理论相结合的观点去认识、分析问题，情况便有新的变化和发展，不难发现无阀凿岩机除了上述特点外，还有许多优势以及可供挖掘的潜力，对于它的缺点，经过努力也是可以解决和转化的。研究发现，无阀凿岩机的活塞与液压凿岩机的冲击活塞比较类似，冲击应力波形较好，最大应力值小，钎具受力好，损耗较少；活塞具有多种功能合一，结构简化，便于使用与维修；如果对活塞结构尺寸、配气作进一步改进，就会为产品改进、创新提供更加广阔的空间。对于它的主要问题——振动、后座力较大，通过改进措施，也能得到解决；同时通过数十年的生产实践，并与国内外同类凿岩机对比中，还发现无阀凿岩机隐藏的缺点：冲击背压高、内耗大，直接影响产品优良性能的发挥。如能突破这个薄弱环节，便是新一代产品的莫大潜力。

由此可见，新一代无阀凿岩机具有实现节能(省气)、节油、节资源、无油雾、环保、低碳、低耗等方面的较大潜力，在同类产品中具有十分凸显的优势。

现有的国内外气腿凿岩机的传统润滑方式是采用单独外挂的注油器(俗称油壶)，把油气混合，通过高压气流分布到机器内部各表面，且大部分带矿物油的气体又被当作废气迅即排到大气中，不但油耗很大，更污染环境破坏生态，而且还影响凿岩作业质量、作业人员安全以及劳保用品的缺损等等，因此，长期以来广大矿山职工迫切盼望得到解决。国外，金属矿山对空气中油雾要求比较严格，且有标准规定，不允许超过5毫克/立方米。早在1972年5月辽宁华铜铜矿职工代表就曾向全国凿岩机质量调查组提出了这个问题。

发明内容

本发明的目的是在原有无阀凿岩机的基础上进行改进、创新，针对现有技术中存在的不足，提供一种既节约(省气)，工作效能更高，又实现排气无油雾，对环保生态好，且节约资源，结构也更加合理的无油雾、节能、低耗气腿式凿岩机。

本发明实现上述目的所采取的具体技术方案是：该无油雾、节能、低耗气腿式凿岩机，包括主机、气腿、钎具，主机包括阀体与柄体、气缸与活塞、导向体与导套、棘轮螺旋母、转动套与花键套、钎套、机头；其特征在于：所述活塞为三圆柱结构，即活塞前端为前部打击杆，中部为中部大圆，后端为后部配气杆；气缸前端与导向体后止口固联，导向体内压入导套，导套内孔与活塞前部打击杆适配，活塞中部大圆与气缸内孔适配，活塞后部配气杆与阀体内孔适配，阀体前止口与气缸后部内孔固联；所述棘轮螺旋母通过两对螺旋内齿与活塞前部打击杆上的螺旋槽适配，棘轮螺旋母后端紧靠导向体前止口端面，所述转动套大头后端面紧靠棘轮螺旋母前端面，转动套大头内螺孔与花键套的外螺纹紧固，花键套通过两对直齿与活塞前部打击杆上的花键槽适配，转动套前头内孔与钎套外圆紧固；所述机头后端内孔与导向体前止口固联，所述棘轮螺旋母和转动套安装于机头内；所述活塞在压气作用下作前后往返或螺旋运动；气缸中前部下方设有与气腿活动联接的联接轴套；在导向体和阀体的空位处分别增设前油室和后油室，前油室和后油室互不联通；

所述活塞前部打击杆与导套内孔之间、活塞中部大圆与气缸内孔之间、活塞后部配气杆与阀体内孔之间均为间隙配合，活塞前部打击杆与导套内孔之间和活塞后部配气杆与阀体内孔之间为支承摩擦副，其间隙比活塞中部大圆与气缸内孔之间的间隙小，活塞中部大圆悬空；

所述活塞的后部配气杆后端尺寸满足：当活塞向前运动到它的中部大圆后端面位于气缸排气口的后边界时，活塞尾部后端面滞后于阀体回程进气口后边界数毫米。

为实现结构优化、性能更好，进一步措施是：

所述活塞中部大圆直径为￠90mm，凹槽为￠82mm，深度为19mm；活塞后部配气杆直径为￠30f6mm；活塞尾端离活塞中部大圆后端长度为110-116mm；活塞前部打击杆直径为￠40f6mm，活塞前部打击杆长度为183-187mm。

所述活塞前部打击杆上的螺旋槽的槽尾尺寸满足：螺旋槽的槽尾后端与活塞中部大圆的前端距离为A＝53.5-57.5mm，且螺旋槽用直径14mm的立铣刀收尾，并与前段有效的螺旋槽相接合，即满足外排气尺寸Lwp-内排气尺寸Lnp为0-2mm。

所述活塞后部配气杆与阀体内孔之间的平均单边间隙为0.019mm，活塞前部打击杆与导套内孔之间的平均单边间隙为0.023mm，活塞中部大圆与气缸内孔之间的平均单边间隙为0.032mm。

所述前油室设在导向体上，从后往前看，在导向体的左上方设有加油嘴，导向体的正前下方设有过油孔，该过油孔与导套正前下方的出油口联通；后油室设在阀体上，阀体顶部设有加油口，后油室底部设有出油口，该出油口联通到活塞后部配气杆与阀体内孔之间的间隙。

上述前油室和后油室的出油口为超小孔，其直径均为0.15-0.25mm。

为调控油量，采取另一种方案：在所述后油室底部，加装一个控油咀即调控油阀片，后油室底部的出油口直径为0.2-0.3mm，调控油阀片的出油口直径为0.15-0.25mm；在所述导套正前下方的出油口的截面上，从后往前看，逆时针旋转90度的位置加工另一个出油口，该出油口的直径为0.20-0.30mm，导套正前下方的出油口的直径为0.15-0.25mm。

所述套装在活塞螺旋槽上的棘轮螺旋母中，螺旋母与棘轮加工为二合一的整体结构。或者，所述套装在活塞螺旋槽上的棘轮螺旋母中，螺旋母与棘轮为单独构件，两者之间通过部分螺纹联接，即螺旋母的右边大头部分与棘轮之间为螺纹联接，左边小头部分端部与棘轮之间为90度锥面联接。

气腿的铝气缸与钢质联接体之间通过一个外螺纹钢套联接，即在铝气缸靠近钢质联接体的一端通过螺纹联接一个外螺纹钢套，同时上胶固紧，外螺纹钢套外部再与钢质联接体通过螺纹联接，形成一个具有钢接头的复合硬铝管零件。

下面对本发明工作原理及性能作进一步说明。

针对国内外现有传统的无阀凿岩机，在对待配气中互相关联、制约的关系上有所不足，所带来冲击背压高、内耗大(削弱冲击能)的问题(负面影响)，本发明在满足回程充气的条件下，适当推迟冲程制动的启始点(也即提前回程充气的终结点)，相应的修改、创新了无阀凿岩机的数学模型。具体是把原有的活塞受压气作用运动(从回程充气开始为第一阶段)的第九阶段(冲程的第四阶段)的受力状态及运动的数学描述，由原来“前室进(高压)气-后室膨胀”改变为“前室压缩(余气)-后室排气”，由于配气上的互相关联制约的关系相应把对第二阶段受力状态及运动的数学描述也作改变：由原“前室充气-后室压缩”改变为“前室膨胀-后室排空”。它们的改变是通过改变活塞的配气结构实施的，这样处理比较合理，既满足了回程充气的充分性，又能达到减小冲击背压，减少内耗的目的，加上调整合理的打击点，还可以降低排气压(或叫反排压)，从而提高冲击能，耗气量减少，凿岩经济性更好，使之达到节能更好，效率更高的成效。

基于上述构思，本发明活塞中部大圆与气缸内孔适配处为无油润滑区，活塞中部大圆直径为￠90mm，凹槽为￠82mm，深度19mm；活塞后部配气杆直径为￠30f6mm；活塞尾端离活塞中部大圆后端长度为110-116mm；活塞前部打击杆直径为￠40f6mm，活塞前部打击杆长度183-187mm，活塞前部打击杆上两对(四条)螺旋槽槽尾与活塞中部大圆前端距离为53.5-57.5mm，保证满足活塞回程配气中，外排气尺寸LWP＝内排气尺寸LNP+(0-2)mm；活塞质量为2.3-2.6kg。

本发明无阀凿岩机的活塞与现有的大多数凿岩机不同，它由前部打击杆(￠40),后部配气杆(￠30)和中部大圆(￠90)三个圆柱体构成(一般凿岩机T形活塞由两个圆柱体构成)，它的支承摩擦副转移在两端，加之，对活塞三圆柱尺寸上的控制，使活塞中部大圆悬空使之与气缸内孔的配合间隙大，在运动中活塞与气缸内孔表面不直接接触，因此不存在相互摩擦与磨损，为润滑油不进气缸提供了条件，也为油气分开打下了基础，油不进气缸，便实现了气缸排气无油雾，而且润滑油大大节省，从理论计算和实际使用都可以证实其耗油量只需原来传统凿岩机的1/3-1/4。

本发明采用在阀体和导向体的空位处增设储油室，代替了传统的外挂式注油器。前、后油室与前期无阀凿岩机YT26W的结构也有差别：本发明的前、后两个油室彼此是不联通的，同时对供油量的调控结构原理也是不同的。本发明在结构上更简化，加油操作更方便，使用更可靠。前、后油室设计容积共约100ml，正常情况可供一个小班作业，班中作业时一般不必再加油，即使万一需要补充加油，比原来的也要简便，省时省事。

本发明采用超小孔节流，实现其供油量的调控，在后油室底部加工出￠0.15mm-￠0.25mm的超小孔出油口；在导套上离小头端14.5mm的截面上加工2个超小孔出油口：第一个在导套大孔的垂直轴线下方，打孔￠0.15-￠0.25mm，孔深约2mm(与导向体上过油孔￠3相对应)；第二个超小孔￠0.20-0.3mm在逆时针方向(从后往前看)旋转90°的位置上。出油量调节：产品出厂时，油量一般都已调节好，万一确需增大时，可通过拆卸重装导套，更换位置(将导套顺时针转过90°)，按件端划线压装到位即可。后油室内只担负活塞尾部配气杆(摩擦副)的润滑。需油量很小，一般不需调节；万一需要调节时，可采用通过更换具有不同超小孔节流量的控油咀的方案，实现油量调节。

本发明的气腿铝气缸与钢质联接体之间，跟前期无阀凿岩机相比也有不同，通过加装一个外螺纹钢套进行联接，即在铝气缸靠近钢质联接体的一端用螺纹联接装上一个外螺纹钢套，同时上胶紧固，外螺纹钢套外部车有丝扣与钢质联接体联接，使铝气缸形成一个具有钢接头的复合硬铝管零件，提高其耐振抗磨的能力。

由此可见，本发明与现有传统的无阀气腿凿岩机相比，取得了比较明显的进步，具体如下：

(1)改进完善了无阀配气凿岩机的数学模型，提出“在满足回程进气的条件下，推迟活塞冲程制动起点(也即提前回程充气终止点)”的论点，并完善了新的数学模型，改变了活塞运动过程中部分受力状态与运动，降低了冲击背压及后室排气压，减少了内耗，提高了冲击能，使凿岩机的性能得到了改善，节能(省气)增效的效果更为显著。

(2)转移活塞的支承、导向摩擦副位置，即两端支承导向，中间悬空，实现油气分开，气缸不进油，排气无油雾，环保生态好，而且耗油量大大节省，仅为原凿岩机耗油量的1/3-1/4。

(3)取消注油器，利用阀体，导向体零件空位增设储油室，代替外挂油壶，既节省空间减轻质量，更节约资源，变集中润滑为分部(局部)分层次(主要、次要、不需要)润滑。

(4)供油工作原理上的差别：现有传统的注油器，是通过高压管道，串联在气源与凿岩机中间，如不关闭气源，则经常处于高气压作用下，调节后的油液是通过高压气流动(波动)传递到各润滑表面的，班中加油，不但要关闭凿岩机，还要截断气源，即既停机、又关气(俗叫“双停”)；本发明的前、后油室，是设置在凿岩机启、闭气的操纵阀之后，而且是与凿岩机气室相并联，经调控的出油量，是随气室的气压脉动循环(时高、时低或零)进行传递到润滑表面的，作用更显著。班中加油时，只要关闭操纵阀凿岩机停止运转(俗叫“单停”)，即可加油，比较简便。

(5)采取超小孔节流调控出油量，结构简单、可靠。

(6)针对机具比较突出的减振问题，采取四项综合措施解决：(1)适当减小气缸(活塞)直径(现为￠90mm)，减小后座力；(2)增加行程，适当降低冲击频率(现为36.7-40Hz)；(3)主机操作手把，采用减振纤维制造(结合国内实际暂用微孔耐油橡胶替代)；(4)调整气缸上与气腿联接的支点位置。对第(3)点，若有可能采用减振纤维，本机减振水平将可能接近达到国际先进或比较先进的水平。

(7)采用多功能合一的结构。如活塞配气杆既起配气，又起支承导向作用；活塞打击杆，既起冲击的作用，又是螺旋棒；导套既是支承、导向体又是润滑油流量分配器；棘轮螺旋母原是分开2件，不但经济成本高，使用维修也比较麻烦，现方案之一是合二而一，解决了多个问题。三圆柱结构的活塞，从波动力学的观点分析，形状较好，具有较好的冲击应力波形，最大冲击应力小，钎具受力改善，损耗较少。

(8)针对现有传统的气腿铝气缸螺纹联接强度低，容易坏丝的薄弱环节，采用铝管加钢接头，形成复合硬铝管零件，提高螺纹联接强度，耐磨抗振、不坏扣，解决了气腿的薄弱环节。

本发明综合起来，具有“三节、二无、二低、一高”的特色，所谓“三节”是：节能省气、节油、节约资源；“二无”是：无油雾、无油壶；“二低”是：低碳环保、低耗；“一高”是：高效。

附图说明

图1是本发明气腿式凿岩机的结构示意图。

图2是本发明气腿式凿岩机主机的剖视图。

图3是图2的左视图。

图4是本发明气腿式凿岩机主机机头的剖视图。

图5是图4的A-A剖视图。

图6是图5的B-B剖视图。

图7是传统无阀凿岩机主机配气原理示意图。

图8是本发明气腿式凿岩机主机配气原理示意图。

图9是本发明气腿式凿岩机主机的前、后油室与气缸、活塞配气部分结构及尺寸剖视图。

图10是本发明气腿式凿岩机主机后油室安装控油咀时的结构及冲程排气开始时的剖视图。

图11是原无阀凿岩机主机尾部配气与气缸排气关系剖视图。

图12是本发明气腿式凿岩机主机油室供油原理示意图。

图13是本发明气腿式凿岩机主机活塞的剖视图。

图14是本发明气腿式凿岩机主机导套的剖视图。

图15是图14的B-B剖视图。

图16是本发明气腿式凿岩机主机棘轮螺旋母二合一时的轴向视图。

图17是图16的A-A剖视图。

图18是本发明气腿式凿岩机主机棘轮螺旋母为单独构件联接时的剖视图。

图19是图18中棘轮的剖视图。

图20是图18中螺旋母的剖视图。

图21是本发明带外螺纹钢套的气腿的剖视图。

图22是图21中带外螺纹钢套的气腿铝气缸所形成的复合硬铝管零件的剖视图。

图23是图22中外螺纹钢套的剖视图。

图24是图22中气腿铝气缸管的剖视图。

图25是本发明的具体电算模拟程序框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述。

参见图1，本发明实施例的气腿式凿岩机包括主机1、气腿2、钎具3，4是岩体。参见图2，主机1包括阀体11与柄体31、气缸13与活塞12、导向体15与导套16、棘轮螺旋母22、转动套24与花键套23、钎套25、机头21。参见图2和图13，活塞12为三圆柱结构，即活塞前端是前部打击杆12A(图中右端为前部)，中部是中部大圆12A1，后端是后部配气杆12A2。从图2可见，气缸13前端与导向体15后止口固联，导向体15内压入导套16，导套16内孔与活塞前部打击杆12A适配，活塞中部大圆12A1与气缸13内孔适配，活塞后部配气杆12A2与阀体11内孔适配，阀体11前止口与气缸13后部内孔固联。棘轮螺旋母22通过两对螺旋内齿22A与活塞前部打击杆12A上的螺旋槽适配，棘轮螺旋母22后端紧靠导向体15前止口端面，转动套24大头后端面(即左端面)紧靠棘轮螺旋母22前端面，转动套24大头内螺孔与花键套23的外螺纹紧固，花键套23通过两对直齿23A与活塞前部打击杆12A上的花键槽适配，转动套24前头(即右端)内孔与钎套25外圆紧固；机头21后端(即左端)内孔与导向体15前止口固联，棘轮螺旋母22和转动套24安装于机头21内。气缸13中前部下方设有与气腿2活动联接的联接轴套72。在导向体15和阀体11的空位处分别增设前油室15A和后油室11A1，前油室15A和后油室11A1互不联通。图2中，11A是阀体回程进气口，11A2是阀体中孔，11A3是阀体空腔，11A4是阀体回程进气孔，11A5是冲程开闭线，12A3是冲程配气线，13A是气缸排气口，14是排气消声罩，18是油堵，31A是柄体空腔，35是操纵阀。

参见图9和图13，本实施例中，活塞中部大圆12A1直径为￠90mm，凹槽为￠82mm，深度为19mm；活塞后部配气杆12A2直径为￠30f6mm；活塞尾端离活塞中部大圆后端长度为110-116mm；活塞前部打击杆12A直径为￠40f6mm，活塞前部打击杆12A长度为183-187mm。活塞前部打击杆12A上的螺旋槽的槽尾尺寸满足：螺旋槽的槽尾后端与活塞中部大圆的前端距离为A＝53.5-57.5mm，且螺旋槽用直径14mm的立铣刀收尾，并与前段有效的螺旋槽相接合，即满足外排气尺寸Lwp-内排气尺寸Lnp为0-2mm。活塞的后部配气杆12A2后端尺寸满足：当活塞12向前运动到它的中部大圆12A1后端面(即左端面)位于气缸排气口13A的后边界(即左边界)时，活塞12的尾部后端面(即左端面)滞后于阀体回程进气口11A后边界(即左边界)的距离H＝1-4mm，如图10所示。

本实施例中，活塞后部配气杆12A2与阀体11内孔之间的平均单边间隙为0.019mm，活塞前部打击杆12A与导套16内孔之间的平均单边间隙为0.023mm，活塞中部大圆12A1与气缸13内孔之间的平均单边间隙为0.032mm。因此，活塞前部打击杆12A与导套16内孔之间和活塞后部配气杆12A2与阀体11内孔之间为支承摩擦副，其间隙比活塞中部大圆12A1与气缸13内孔之间的间隙小，活塞中部大圆12A1悬空。

参见图9，前油室15A设在导向体15上，从后往前看(即图中从左往右看)，在导向体15的左上方设有加油嘴，导向体15的正前下方设有过油孔15A1，过油孔15A1与导套16正前下方的出油口16A联通；后油室11A1设在阀体11上，阀体11顶部设有加油口，后油室11A1底部设有出油口11A6，出油口11A6联通到活塞后部配气杆与阀体内孔之间的间隙。前油室15A和后油室11A1的出油口16A、11A6均为超小孔，其直径为0.15-0.25mm。

参见图10，为了调控后油室11A1的供油量，采用另一种方案，在后油室11A1的底部，加装一个控油咀即调控油阀片11A7，这时，后油室11A1底部的出油口11A6直径为0.2-0.3mm，调控油阀片11A7的出油口直径为0.15-0.25mm。参见图9、图14、图15，为调控前油室15A的供油量，也可采用另一种方案，在导套16正前下方的出油口16A的截面上，从后往前看(图14中即从左往右看)，逆时针旋转90度的位置加工另一个出油口16A1，出油口16A1的直径为0.20-0.30mm，出油口16A的直径为0.15-0.25mm。

套装在活塞螺旋槽上的棘轮螺旋母22中，有两种结构形式，第一种是，螺旋母与棘轮加工为二合一的整体结构，如图16、图17所示；第二种是，螺旋母与棘轮为单独构件，两者之间通过部分螺纹联接，即螺旋母的右边大头部分与棘轮之间为螺纹联接，左边小头部分端部与棘轮之间为90度锥面联接，如图18、图19、图20所示。

气腿的铝气缸73与钢质联接体74之间通过一个外螺纹钢套75联接，即在铝气缸73靠近钢质联接体74的一端通过螺纹联接一个外螺纹钢套75，同时上粘胶76固紧，外螺纹钢套75外部再与钢质联接体74通过螺纹联接，形成一个具有钢接头的复合硬铝管零件，如图21、图22、图23、图24所示。

结合附图，对本发明的工作原理再详细说明如下：

参见图2，活塞后部配气杆12A2的前台阶是冲程配气线12A3，控制冲程进气的启闭，冲程的充气是经过阀体空腔11A3进行的，现有传统的国内外无阀凿岩机开启(充气)的位置，即当活塞尾端正处于阀体回程进气口11A后边界上时，活塞中部大圆12A1后端部滞后于气缸排气口13A后边线数毫米(1-4mm)，俗称：冲程运动中活塞打开排气口之前“回程已超前进气”，如图11所示。由于无阀配气，回程与冲程之间具有互相关联与制约性，因此上述情况，对于冲程来说，实质上又是“冲程超前制动”，其目的是，让回程充气过程长些，进气的时间比较充分。这就意味着活塞在冲击钎尾前正当高速向前运动时，突然受到高压气反向制动(犹如急刹车)，遂使活塞动能骤减，削弱了活塞的冲击能量，这便是无阀凿岩机冲击背压高的原因，参见图7、图8，图7、图8中，L1表示回程第一阶段，L2表示回程第二阶段，L3表示回程第三阶段，L4表示回程第四阶段，L5表示回程第五阶段，L6表示冲程第一(即行程第六)阶段，L7表示冲程第二(即行程第七)阶段，L8表示冲程第三(即行程第八)阶段，L9表示冲程第四(即行程第九)阶段，L10表示冲程第五(即行程第十)阶段，L表示活塞行程，Lq表示前气垫长度，Lh表后气垫长度。本发明针对原无阀凿岩机的这个问题，在配气上提出了“在满足回程充气的条件下，推迟冲程制动(回程启动)的起始位置(具体数值由流体力学原理计算确定)”的论点，并按此修改了活塞运动的电算模拟模型，既保证回气进气充分，又使冲击背压减小，排气压降低，冲击能量提高(大于15％)。终于突破了传统模型冲击背压高，内耗大的簿弱环节。

例如：活塞(冲击前)第九阶段的受力状况与运动方程，由原“前室制动(充气)-后室膨胀”改变为“前室压缩(余气)-后室排气”(参见图7、图8)，活塞运动方程由原式(1)改变为式(2)：

Md²X/dt²＝[P8H(L8H/L9H)^k-1]Au+Pw-P1·AD......(1)

Md²X/dt²＝P0·Au+Pw-[P8q(L8q/L9q)^k-1]AD......(2)

其中，M—活塞质量，X—活塞位移，t—时间，K—空气绝热指数，Au、AD—活塞后腔、前腔的有效面积，Pw—活塞尾部推力，P1、P0—压气的进、排气压力，P8H、P8q—活塞运动第8阶段末后腔、前腔气室的压力，L9H、L9q—活塞运动第9阶段末后腔、前腔气室的折算长度，L8H、L8q—活塞运动第8阶段末后腔、前腔折合长度。

具体电算模拟程序如图25所示。

当工作气压P1＝0.5Mpa，气缸后室排气压P0＝0.04MPa，电算结果：凿岩冲击频率Fy＝37.129Hz，冲击能E＝76.841J，耗气量Q0＝49.35L/S，打击点活塞速度V＝7.84m/s，制动行程L5＝0.0106m，活塞实际行程L＝0.0476m。

按修改后数学模型计算本发明可提高冲击能量15％以上，而耗气量却减少10％左右，不但凿岩效率提高而且省气、节能效果更好。

现以节能、节油以及节约资源为例简述如下：A、根据行业检测中心测试，在P＝0.49MPa的常用气压下各主要机型的凿岩经济指标是，YT24型、7655型、YTP26型之比为1.32:1.53:1，即该三种国优产品中，YT24型和7655型的耗气量比YTP26型无阀凿岩机多耗32％-53％。而本发明比原来的无阀机(YTP26)耗气、节能的效果更好，凿岩速度更快，生产作业效率高，按省气40％计算，每日每台可节电10-15kwh，全国每天平均最低估计有5万台投入使用，则全年可节电2.3亿Kwh以上；B、节油：每天平均每台节油0.8kg，全国每天平均可节油4万kg，全国每年可节约润滑油1.46万吨以上。

本发明除如上所述技术性能好(节能、高效、经济性更优等)之外，对原来无阀凿岩机的振动较大的主要问题，进行了突破，采取了减小缸径(活塞大圆柱直径)，降低后座力，增大活塞行程，适当降低冲击频率，操作不麻手；调整主机与气腿联接的位置(铰接点设置在气缸上)；主机操作手把用减振纤维制造(当前暂用微孔耐油橡胶替代)，由于采取了四个方面的综合措施取得了比较显著的成效，经长沙矿冶院与航天工业部702所测试主机手把振动加速度达到国内较好水平(YTP26：19.98g，YT25DY：17.7g，YT28：18.6g)，与用户使用意见吻合，振动及后座力明显减小，减小了工人的劳动强度。

为了突破传统的润滑方式，实现油气分开，气缸不进油，排气无油雾，首先要为此创造一定的条件，使活塞中部大圆12A1与气缸13内孔适配处设为无油润滑区，为实现支承磨擦副转移，让活塞中部大圆与气缸孔之间悬空，必须提高活塞两头的配合精度，活塞后部配气杆直径为￠30f6mm，平均配合间隙(单边)为0.021mm(相应配合阀孔为￠30H7mm)；活塞前部打击杆直径为￠40f6mm，(相应配合导套孔为￠40mm)，平均配合间隙为0.023mm；而活塞中部大圆直径为￠90mm(相应配合的气缸孔为￠90H7mm)，平均配合间隙单边为0.032mm，在生产装配时，注意实际控制中部大圆配合间隙，比活塞前部打击杆间隙单边大0.010-0.015mm，便可达到此目的，使活塞中部大圆不与气缸表面接触，在活塞运动中，不发生摩擦与磨损，为润滑油不进入气缸创造了条件，油既不进入气缸，气缸排出的气体自然不含油雾了。

油不进入气缸，耗油量便大为减少，实际油耗只需原来的1/3-1/4，比原来可节约2/3-3/4，这样又为取消注油器打下了基础，怎样才能使润滑油不进入气缸？必须突破传统的油气混合的方式，变为油气分开。油气分开后，还须结合机具零件实际运动的状况及其需要润滑的程度，对它们区分润滑层次，为简化结构，把零件润滑分为：“主要”、“次要(稍许)”、“无需”润滑三个层次。对它们的对策是用“局部重点润滑”、“无需润滑”解决之。在气缸之后，阀体设置后油室，只供给活塞后部配气杆与阀孔的润滑；气缸之前是导向体(内孔装导套)设置前油室(容积比后油室大一倍)供配导套、棘轮螺旋母、花键套与活塞适配的磨擦表面的润滑，同时还为机头与转动套外圆、棘轮螺旋母外圆与端面以及钎套内六方孔表面等提供润滑。总之，凡是与活塞适配的磨擦副表面，由于活塞往复运动速度高达7-8m/s，因此理应是保证润滑的重点。同时，实践还证明对于那些运动速度很低的零件，如操纵阀、调压阀、换向阀、连接轴等摩擦副，虽然运动不多，但完全无油还不行，便采取班前装接气管时往进气弯管中一次性注入少许的(约20毫升)润滑油来解决润滑问题。这样不但使机具开始运转时当油壶传递的润滑油尚未到达前，可先对各表面润滑，又可克服某些润滑盲点。实际上，这个“预润滑”是正常润滑中的一个不可或缺的程序(或工序)，这样便把正常的“预润滑”加油，同我们上述讲的解决润滑的第二个层次(“稍许”需要)紧密结合起来，把问题都解决了，生产实践证明一次性的润滑方案还是可行的。

现结合图12，以前油室为例，说明加油操作与油室供油润滑的工作原理：当拧开油堵，往前油室注满油后，再将油堵拧紧，加油即告完成。前油室中的油液面高于出油口，油便自动往出油口流动，到液面平出油口为止；与此同时，油室中的油由于气缸前气室的压气脉动也是处在流动中，油与气究竟是怎样的关系，它们的运动原理与规律如何？后面，将结合当油室中的油液面低于出油口时，能否继续供油润滑的问题说明润滑的基本原理：该油室是并联在气缸前气室上，若设前气室正处于回程中，气缸前室充有高压气，其中部分高压气经活塞打击杆与导套配合间隙，一部分流入出油口，经过导向体上的过油孔直到油室上部，当活塞回程往后运动到前室开始排气，压力逐渐下降直到为0，与此同时，间隙处的气压与前室同步逐渐下降直至为0，由于流速快，出油口甚至出现负压，此时油室内的气压比出油口高，自会对油不断施压，这样便保证了出油口的不断供油，同时导套中孔后部保持了一小股常吹气，把油传送到前方各摩擦副表面，当活塞继续运动，尾杆配气又恢复对气缸前室充气，气缸前气室压力又从0上升到工作气压，压气经间隙、出油口、过油孔又对油室内通气，油室中气压又逐渐升高，对油液施压……。随着活塞运动的往复循环，气缸前室气压的充、排，前油室内的气压也随之高、低反复循环变化，把油室中的油通过出油口(超小孔)定量的排向前方，供各摩擦副润滑(包括与活塞适配的各摩擦表面，与机头适配的各摩擦表面及钎尾、钎套表面等)。

由此可见，本发明在润滑供油工作原理上，与传统的注油器是不同的：(1)传统的注油器是串联在高压气体的管路上，并处于气源与凿岩机操纵阀(相当于凿岩机的压气开关)的中间，因此想要加油时，必须先满足两个准备条件：一是要关闭操纵阀(停机)，二是要截断气源，不然油就不能加进去。而本发明的储油室是设在凿岩机的操纵阀之后，与气缸气室并联，只要关闭操纵阀便可做好停机加油的准备。(2)在输送油的方式上，传统的注油器出来的油是通过管路的高压气(常高压)流动(波动)进行传输的；而本发明则是通过气缸气室的气压周期性的充、排脉动(由高压到低压或0)反复地进行的，从微观上看实际是间歇性的，不过由于活塞运动循环周期短，宏观上仍然感觉似连续的；(3)由于本发明压气排油时脉动变化幅度比传统的波动大，因此预计对油室的排油作用比较显著，促使排油效果更加良好。

本发明在阀体上、导向体上设置后油室与前油室，代替了外挂的油壶，而其结构原理与上一轮无油雾凿岩机(YT26W型)也是有差别的。上一轮产品也设了两个(前、后)油室，并且两者之间还设了一个过油孔，把前后两油室连通，同时还设置了附加的排废气机构等。不难发现，该结构比较复杂，操作烦琐，而且加油费时，总之具有诸多不便，问题的实质就出在加设的连接两油室的过油孔上。吸取上一轮的经验教训，本发明设置的前后两个油室是彼此独立的，互不相联，且加油口是M18的螺孔，截面比较大，加油时可以一边进油一边自行排气，加油迅速方便，省时省事。

油室的容积是按凿岩作业一个小班(2个小时左右)设计的，前油室约60多ml，后油室约30多ml，合计约100ml。正常情况下，班前加满油一次，可完成一个小班凿岩作业。万一，班中要加油，操作也比以前简便多了。

油量的调控，经试验已基本确定，一般油量是不需再作调整的。极少数出现特殊情况，非调节不可时，如须增大前油室出油口，可更换导套位置，并按规定装入即可；如须增大后油室出油口，只需更换控油咀，也可实现。

有人担心，采用超小孔节流，调控油量的方法，固虽简单实用，但会不会在使用中发生堵塞？本发明人以为这种可能性较小。理由是：(1)出油口的通流压气与气缸的气室是联通的，经常处于压力高低交变的反复循环中，这本身就是一个不断冲洗的过程；(2)气缸气室的充排气过程，根据流体力学原理，空气流动的临界点为0.528，因此在充排气过程中压气大部分时间是在超声速或亚声速下流动的，有不少时间还是以超声速流动(波动)的，这种流动更具有很好的冲洗作用(如超声波清洗一样)；(3)本发明比传统的注油器中小孔的冲洗作用更为显著，而传统注油器中的小孔在长期(数十年)使用中，从未听说过发生堵塞。因此本发明发生堵塞的概率是很小的。

综合效果，实行上述技术改进后，将更进一步推出我国第三代新型的无阀(无油雾)气腿式凿岩机。它不但保留了原来无阀凿岩机的基本特点，凿速快、效率高，节能、省气，经济性好，结构简单，维修方便，用途广泛等。除此之外，它还具有如下特点：

(1)性能更优：凿岩速度更快，耗气量小，节能效果好，经济性更好。

(2)操作适应性改善：机具无油壶了，机重也轻一些，振动、后座力较小，噪声较小。

(3)环保，低碳，生态条件好：工作面无油雾、干净，减少了环境污染，不但对人身健康有利，而且有利于凿岩作业安全，保证质量和改善劳保条件(不损坏劳保用品等)。

(4)冲击应力波形好：冲击最大应力值小，对冲击零件和被冲击钎具受力情况改善，钎具以及零件的损耗较少。根据发明人对波动力学在凿岩机上的应用研究发现，并已予证实：本发明的无阀凿岩机三圆柱活塞与现有传统的凿岩机双圆柱(T形)活塞一样，它的冲击应力波是一阶梯波，且其二阶应力波具有最大应力值σR2，通过在活塞的设计计算中对活塞的冲击应力波的二阶应力值(即最大应力值σR2)进行核算，国内外同类气腿式凿岩机σR2计算与实测(长沙矿冶所测试)结果列于表一：

表一

由表一可看出，无阀气腿凿岩机具有活塞冲击应力波形好，最大应力值小，(本发明最大应力值是最小之一)，它与液压凿岩机冲击活塞比较接近。国外，COP900(无阀)气动凿岩机已证实，该活塞设计为细长杆，可向钎杆传递较佳的能量，并减少了钎杆损耗，改善了钎杆的受力情况。国内在1972年全国气腿式凿岩机在北京大安山煤矿举行的2千米大比武中，无阀凿岩机钎具损坏最少。

(5)耗油少：耗油量可比原来节省2/3-3/4。

(6)结构简单：取消了注油器，使用维修都比较方便。

(7)采用表面改性复合处理技术部分零件(三件中已有两件试验成功)，实现以钢代青铜取得成效：钢质二合一整体棘轮，由于结构简单，使用维修都很方便，现仍在继续试验中；另一结构方案棘轮与螺旋母之间联接的方式现采用部分螺纹联接，即螺旋母的右边大头部分与棘轮之间为螺纹联接目的在于减少联接长度，便于拆卸，左边小头部分与棘轮之间用90°锥面联接，其目的则在于有利于定位对中，同时在联接成一体后，使加载受力分布情况有所改善(轴向力减小)。这样的结构比原来大头圆台阶定位，所需青铜圆毛坯直径减小，有利于降低成本，节约材料。在保证质量的前提下，既降低了经济成本，又为国家节约了稀缺的有色金属资源。

(8)气腿采用加钢套的复合硬铝管，强度好，抗振耐磨，不坏扣，终于突破了气腿的薄弱环节。

本发明的基本工作原理是：

参见图3，从空压机出来的高压气体(简称压气)经传输管道到胶管，胶管与气管接头32联通，气管接头32与接合螺母34连接，接合螺母34又与进气弯管37相连，并通过气管螺母将进气弯管37联接到柄体31(图2中所示)上，柄体31上装着控制凿岩机各部运动的启闭开关——操纵阀35(图2、图3中所示)，用操纵手柄打开操纵阀35，压气便从气管接头32经进气弯管37，再到操纵阀35，由操纵阀孔流入柄体空腔31A(图2中所示)，然后一部分进入阀体中孔11A2(图2中所示)，另一部分流入到阀体空腔11A3(图2中所示)，活塞运动循环开始：当第一路进入阀体中孔11A2的压气作用于活塞尾部推动活塞向前运动，当尾端打开阀体中孔11A2上的阀体回程进气口11A后，压气通过回程进气孔11A4流入气缸13的前室，令前冲的活塞减速(制动)，直到返回，并开始下一回程运动，到阀体回程进气口11A被活塞尾部关闭，回程充气完结，活塞依靠充入气缸前室的压气膨胀做功，推动活塞向后(左)运动，当活塞中部大圆12A1前边通过气缸排气口13A时，前室的压气从排气口逸出，活塞依靠惯性继续往后运动，当活塞后部配气杆12A2的冲程配气线12A3经过阀体冲程进气口11A的开闭线11A5时，充满阀体空腔11A3的第二路压气经冲程进气口注入气缸后室，使活塞回退减速，制动，至回程终结。同时，由于气缸后室已经充气，因此冲程紧接回程终结而立即开始，活塞开始(反向)向前(右)运动，当活塞后部配气杆12A2的冲程配气线12A3经过冲程开闭线11A5时，冲程充气终止，活塞依靠充满气缸后室的压气膨胀做功向前运动。当活塞中部大圆12A1后边经过气缸排气口13A后边时，气缸后室的压气从排气口逸出，活塞依靠惯性继续向前运动，同时压缩前室气体，直至冲击钎尾及回弹，紧接着又开始下一循环的回程运动。不难看出，在冲程、回程中充气的过程是较短的，膨胀作功的过程长，所以节能、省气效果特别好。图3中，33为蝶形螺母，36为调压阀。

参见图2、图4、图5、图6，活塞作回程运动时，棘轮螺旋母22中的棘轮被回转爪28(又叫棘爪)顶住，不能转动，棘轮螺旋母成一体，其上四个螺旋内齿22A与活塞上四条螺旋槽适配，由于活塞受到螺旋内齿22A的约束，只能作螺旋运动，若将此运动分解便是：向后的直线运动+旋转运动，亦即是活塞在回程时，产生了局部的回转(一个角度)。与此同时，活塞前部打击杆上四条花键槽与花键套23适配，并通过与之联接的转动套24，将旋转运动传递到钎套，钎套带动与之适配的钎尾便使钎杆同钎头一起做相应转动。当活塞回程作螺旋运动(回转一角度)时，钎具亦相应回转一角度，在活塞作连续冲击运动下，与活塞直齿花键槽配合的转动套便带动钎杆回转完成转钎运动，从而在岩石上凿出炮孔。图5中，22A1为棘轮外齿。

Claims (10)

1.一种无油雾、节能、低耗气腿式凿岩机，包括主机、气腿、钎具，主机包括阀体与柄体、气缸与活塞、导向体与导套、棘轮螺旋母、转动套与花键套、钎套、机头；其特征在于：所述活塞为三圆柱结构，即活塞前端为前部打击杆，中部为中部大圆，后端为后部配气杆；气缸前端与导向体后止口固联，导向体内压入导套，导套内孔与活塞前部打击杆适配，活塞中部大圆与气缸内孔适配，活塞后部配气杆与阀体内孔适配，阀体前止口与气缸后部内孔固联；所述棘轮螺旋母通过两对螺旋内齿与活塞前部打击杆上的螺旋槽适配，棘轮螺旋母后端紧靠导向体前止口端面，所述转动套大头后端面紧靠棘轮螺旋母前端面，转动套大头内螺孔与花键套的外螺纹紧固，花键套通过两对直齿与活塞前部打击杆上的花键槽适配，转动套前头内孔与钎套外圆紧固；所述机头后端内孔与导向体前止口固联，所述棘轮螺旋母和转动套安装于机头内；所述活塞在压气作用下作前后往返或螺旋运动；气缸中前部下方设有与气腿活动联接的联接轴套；在导向体和阀体的空位处分别增设前油室和后油室，前油室和后油室互不联通；

所述活塞前部打击杆与导套内孔之间、活塞中部大圆与气缸内孔之间、活塞后部配气杆与阀体内孔之间均为间隙配合，活塞前部打击杆与导套内孔之间和活塞后部配气杆与阀体内孔之间为支承摩擦副，其间隙比活塞中部大圆与气缸内孔之间的间隙小，活塞中部大圆悬空；

所述活塞的后部配气杆后端尺寸满足：当活塞向前运动到它的中部大圆后端面位于气缸排气口的后边界时，活塞尾部后端面滞后于阀体回程进气口后边界数毫米。

2.根据权利要求1所述无油雾、节能、低耗气腿式凿岩机，其特征在于：所述活塞中部大圆直径为90mm，凹槽直径为82mm，深度为19mm；活塞后部配气杆直径为30f6mm；活塞尾端离活塞中部大圆后端长度为110-116mm；活塞前部打击杆直径为40f6mm，活塞前部打击杆长度为183-187mm。

3.根据权利要求2所述无油雾、节能、低耗气腿式凿岩机，其特征在于：所述活塞前部打击杆上的螺旋槽的槽尾尺寸满足：螺旋槽的槽尾后端与活塞中部大圆的前端距离A为53.5-57.5mm，且螺旋槽用直径14mm的立铣刀收尾，并与前段有效的螺旋槽相接合，即满足外排气尺寸Lwp-内排气尺寸Lnp为0-2mm。

4.根据权利要求3所述无油雾、节能、低耗气腿式凿岩机，其特征在于：所述活塞后部配气杆与阀体内孔之间的平均单边间隙为0.019mm，活塞前部打击杆与导套内孔之间的平均单边间隙为0.023mm，活塞中部大圆与气缸内孔之间的平均单边间隙为0.032mm。

5.根据权利要求1所述无油雾、节能、低耗气腿式凿岩机，其特征在于：所述前油室设在导向体上，从后往前看，即往凿岩机的机头方向看，在导向体的左上方设有加油嘴，导向体的正前下方设有过油孔，该过油孔与导套正前下方的出油口联通；后油室设在阀体上，阀体顶部设有加油口，后油室底部设有出油口，该出油口联通到活塞后部配气杆与阀体内孔之间的间隙。

6.根据权利要求5所述无油雾、节能、低耗气腿式凿岩机，其特征在于：所述的前油室和后油室的出油口为超小孔，其直径均为0.15-0.25mm。

7.根据权利要求5所述无油雾、节能、低耗气腿式凿岩机，其特征在于：在所述后油室底部，加装一个控油咀即调控油阀片，后油室底部的出油口直径为0.2-0.3mm，调控油阀片的出油口直径为0.15-0.25mm；在所述导套正前下方的出油口的截面上，从后往前看，即往凿岩机的机头方向看，逆时针旋转90度的位置加工另一个出油口，该出油口的直径为0.20-0.30mm，导套正前下方的出油口的直径为0.15-0.25mm。

8.根据权利要求1所述无油雾、节能、低耗气腿式凿岩机，其特征在于：所述棘轮螺旋母套装在活塞前部打击杆上的螺旋槽上，螺旋母与棘轮加工为二合一的整体结构。

9.根据权利要求1所述无油雾、节能、低耗气腿式凿岩机，其特征在于：所述棘轮螺旋母套装在活塞前部打击杆上的螺旋槽上，螺旋母与棘轮为单独构件，两者之间通过部分螺纹联接，即螺旋母的右边大头部分与棘轮之间为螺纹联接，左边小头部分端部与棘轮之间为90度锥面联接。

10.根据权利要求1所述无油雾、节能、低耗气腿式凿岩机，其特征在于：气腿的铝气缸与钢质联接体之间通过一个外螺纹钢套联接，即在铝气缸靠近钢质联接体的一端通过螺纹联接一个外螺纹钢套，同时上胶固紧，外螺纹钢套外部再与钢质联接体通过螺纹联接，形成一个具有钢接头的复合硬铝管零件。