CN111520076B - 一种高压脉冲聚能射流发生***及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高压脉冲聚能射流发生***及其使用方法，该***包括高压脉冲聚能射流发生装置、气体供给***、流体供给***以及液压油供给***，高压脉冲聚能发生装置包括后端盖、压力缸、活塞、滑套、活塞套、聚能喷嘴以及前端盖，该***能够根据不同岩石硬度工况调整气源供给***输送压力，能够在不增加功耗的情况下形成最大压力比岩石强度高几倍的高压脉冲聚能射流，实现对坚硬岩层的高效破碎，提高硬岩巷道掘进效率。
Description
技术领域
本发明涉及高压脉冲聚能射流领域，具体涉及一种高压脉冲聚能射流发生***及其使用方法。
背景技术
中国仍然是世界上最大的能源消费国，占全球能源消费量的24%和全球能源消费增长的34%，煤炭在我国一次能源结构中的占比为58%，在未来很长的一段时间内，煤炭仍然会是我国最主要的基础能源，而随着我国煤炭资源的不断开采，硬岩巷道掘进速度缓慢和采掘比例失调成为限制我国煤炭行业发展的关键难题。
目前，国内岩巷掘进主要采用采用钻爆法和综掘法，钻爆法机械化程度低、围岩破损严重、难以实现巷道连续掘进、作业人员危险系数高，综掘法在硬岩巷道施工中单位比能耗大、刀具磨损严重、机体振动过大、机器可靠性弱，两种传统的施工工艺均无法实现硬岩巷道的高效掘进。
发明内容
针对上述存在的技术不足，本发明的目的是提供一种高压脉冲聚能射流发生***及其使用方法，其能够借助具有面积差的活塞和聚能喷嘴将气体压力能转换为脉冲射流高效率动能，利用高压高速射流的冲击、侵蚀等作用实现硬岩的高效破碎。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
本发明提供一种高压脉冲聚能射流发生***，包括高压脉冲聚能射流发生装置、气体供给***、流体供给***以及液压油供给***；所述高压脉冲聚能射流发生装置包括依次同轴线固定在一起的后端盖、压力缸、活塞套、聚能喷嘴以及前端盖；所述压力缸设有活塞，所述活塞为具有面积差的阶梯形活塞并且其活塞杆端滑动连接在活塞套的水腔内，所述聚能喷嘴、所述前端盖上依次开有连通水腔的指数形孔和中心孔，所述指数形孔的左端最大内径与水腔内径相同，所述指数形孔的右端最小内径与所述中心孔内径相同，所述后端盖、活塞套与活塞之间分别形成有气腔和油腔，所述压力缸上开有用于连通气腔和气体供给***的进气口，所述压力缸上还开有用于连通油腔和液压油供给***的进油口、泄油口，活塞套上设有连通水腔和流体供给***的进水口，所述压力缸内壁上滑动连接有能够启闭泄油口和进油口的的滑套。
优选地，所述气体供给***包括通过管路依次与进气口连通的控制阀、单向阀、气源控制台、储气室以及空气压缩机；
所述流体供给***包括通过管路依次与进水口连通的单向阀、控制阀、泵以及水箱，单向阀与控制阀之间设有压力表；
所述液压油供给***包括从进油口到泄油口通过管路依次连接在一起的单向阀、控制阀、高压泵、液压油箱以及泄压阀，高压泵与控制阀之间设有压力表，液压油箱与控制阀之间设有溢流阀。
优选地，所述后端盖与压力缸之间螺纹连接，所述活塞套与所述聚能喷嘴之间螺纹连接。
优选地，所述压力缸、所述活塞套与所述活塞之间分别通过导向环和格莱圈进行动密封。
优选地，所述滑套与活塞套间隙配合，所述滑套左端设有与泄油口相配合的轴肩。
优选地，所述压力缸与活塞套之间为焊接固定，所述前端盖与所述聚能喷嘴之间为螺钉固定。
本发明还提供一种高压脉冲聚能射流发生***的使用方法，具体包括以下步骤：
a、将载有高压脉冲聚能射流发生***的可移动设备停靠至距离巷道掘进工作面1～1.5m的位置，调整高压脉冲聚能射流发生装置1位置至发生装置喷嘴对准目标区域；
b、启动气源供给***，通过发生装置进气口向发生装置气腔通入一定体积的预设压力气体后关闭气源控制***控制阀；
c、启动液压油供给***，通过压力缸进油口向压力缸油腔通入液压油，液压油推动滑套快速关闭泄油口；当油腔内的油压达到一定压力后，液压油推动活塞压缩气腔内的气体，气腔内的不断压力升高至活塞端部抵达后端盖；
d、活塞在向气腔移动的过程中开启进水口，启动流体供给***，通过进水口向水腔内通水；
e、开启液压油供给***的泄压阀，滑套在油腔内外压差下快速打开泄油口，油腔内油压快速下降，活塞在气腔和油腔的巨大压差下快速地推动水腔内的水经聚能喷嘴喷出，形成一束最大压力可达到岩石硬度数倍的高压脉冲聚能射流，破碎工作面目标区域岩石；
f、调整高压脉冲聚能射流发生***位置，重复步骤c、d、e破碎新目标区域岩石。
本发明的有益效果在于：本发明提供的高压脉冲聚能射流发生***，借助具有面积差的活塞和聚能喷嘴将气体压力能转换为脉冲射流高效率动能，利用高压高速射流的冲击、侵蚀等作用实现硬岩的破碎；相比现有技术，本发明无需繁琐的钻孔工序，能够实现连续破岩作业的同时提高了作业可控性，使用射流代替传统机械刀具，减小掘进作业单位比能耗和粉尘量，提高施工安全系数和可靠性，利用间隙性产生多个“水锤压力”的脉冲聚能射流代替仅产生单一“滞止压力”的连续高压射流，减小能源消耗的同时可明显提高硬岩破碎能力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种高压脉冲聚能射流发生***的各部件连接图；
图2为本发明实施例提供的高压脉冲聚能射流发生装置结构示意图；
图3a为本发明实施例提供的滑套闭合泄油口工作阶段的状态图；
图3b为本发明实施例提供的滑套移动时的状态图；
图3c为本发明实施例提供的滑套闭合进油口工作阶段的状态图。
附图标记说明：
1、高压脉冲聚能射流发生装置，1-1、后端盖，1-2、气腔，1-3、压力缸，1-4、泄油口，1-5、进油口，1-6、水腔，1-7、聚能喷嘴，1-8、前端盖，1-9、进水口，1-10、活塞套，1-11、滑套，1-12、油腔，1-13、活塞，1-14、进气口；2、气体供给***，2-1、控制阀，2-2、单向阀，2-3、气源控制台，2-4、储气室，2-5、空气压缩机；3、流体供给***，3-1、水箱，3-2、水泵，3-3、控制阀，3-4、单向阀，3-5、压力表；4、液压油供给***，4-1、液压油箱，4-2、泄压阀，4-3、单向阀，4-4、控制阀，4-5、溢流阀，4-6、高压泵。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1至图2所示，一种高压脉冲聚能射流发生***，包括高压脉冲聚能射流发生装置1、气体供给***2、流体供给***3以及液压油供给***4；所述高压脉冲聚能射流发生装置1包括依次同轴线固定在一起的后端盖1-1、压力缸1-3、活塞套1-10、聚能喷嘴1-7以及前端盖1-8；所述压力缸1-3设有活塞1-13，所述活塞1-13为具有面积差的阶梯形活塞并且其活塞杆端滑动连接在活塞套1-10的水腔1-6内，使得位于活塞1-13两端的气腔1-2和水腔1-6产生一定增压比，所述聚能喷嘴1-7、所述前端盖1-8上依次开有连通水腔1-6的指数形孔和中心孔，所述指数形孔的左端最大内径与水腔1-6内径相同，所述指数形孔的右端最小内径与所述中心孔内径相同，本实施例中的指数形孔是指其内径从左到右呈指数级减小的孔，指数形孔能够重新分布射流水柱中较为均匀的能量，使得发射时射流前端小部分水柱基本包含了射流所有的能量，提高射流破岩能力，所述后端盖1-1、活塞套1-10与活塞1-13之间分别形成有气腔1-2和油腔1-12，所述压力缸1-3上开有用于连通气腔1-2和气体供给***2的进气口1-14，所述压力缸1-3上还开有用于连通油腔1-12和液压油供给***4的进油口1-5、泄油口1-4，活塞套1-10上设有连通水腔1-6和流体供给***3的进水口1-9，活塞套1-10内还设有对活塞1-13形成缓冲作用的锥形缓冲腔，所述压力缸1-3内壁上滑动连接有能够启闭泄油口1-4和进油口1-5的的滑套1-11，如图3中所示为滑套1-11开启和闭合泄油口1-4的各个阶段位置图。
所述气体供给***2包括通过管路依次与进气口1-14连通的控制阀2-1、单向阀2-2、气源控制台2-3、储气室2-4以及空气压缩机2-5；
所述流体供给***3包括通过管路依次与进水口1-9连通的单向阀3-4、控制阀3-3、泵3-2以及水箱3-1，单向阀3-4与控制阀3-3之间设有压力表3-5；
所述液压油供给***4包括从进油口1-5到泄油口1-4通过管路依次连接在一起的单向阀4-3、控制阀4-4、高压泵4-6、液压油箱4-1以及泄压阀4-2，高压泵4-6与控制阀4-4之间设有压力表3-5，液压油箱4-1与控制阀4-4之间设有溢流阀4-5；
所述后端盖1-1与压力缸1-3之间螺纹连接，所述活塞套1-10与所述聚能喷嘴1-7之间螺纹连接。
所述压力缸1-3、所述活塞套1-10与所述活塞1-13之间分别通过导向环和格莱圈进行动密封；使得活塞1-13可在压力缸1-3和活塞套1-10内移动。
所述滑套1-11与活塞套1-10间隙配合，所述滑套1-11左端设有与泄油口1-4相配合的轴肩。
所述压力缸1-3与活塞套1-10之间为焊接固定，所述前端盖1-8与所述聚能喷嘴1-7之间为螺钉固定。
本实施例还提供一种高压脉冲聚能射流发生***的使用方法，具体包括以下步骤：
a、将载有高压脉冲聚能射流发生***的可移动设备停靠至巷道掘进工作面1～1.5m的位置，调整高压脉冲聚能射流发生装置1位置至发生装置喷嘴对准目标区域；
b、启动气源供给***2，通过发生装置进气口1-14向发生装置气腔1-2通入一定体积的预设压力气体后关闭气源控制***控制阀2-1；
c、启动液压油供给***4，通过压力缸进油口1-5向压力缸油腔1-12通入液压油，液压油推动滑套1-11快速关闭泄油口1-4；当油腔1-12内的油压达到一定压力后，液压油推动活塞1-13压缩气腔1-2内的气体，气腔1-2内的不断压力升高至活塞1-13端部抵达后端盖1-1；
d、活塞1-13在向气腔移动的过程中开启进水口1-9，启动流体供给***4，通过进水口1-9向水腔1-6内通水；
e、开启液压油供给***4的泄压阀4-2，滑套1-11在油腔1-12内外压差下快速打开泄油口1-4，油腔1-12内油压快速下降，活塞1-3在气腔1-2和油腔1-12的巨大压差下快速地推动水腔1-9内的水经聚能喷嘴1-7喷出，形成一束最大压力可达到岩石硬度数倍的高压脉冲聚能射流，破碎工作面目标区域岩石；
f、调整高压脉冲聚能射流发生***位置，重复步骤c、d、e破碎新目标区域岩石。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (7)
1.一种高压脉冲聚能射流发生***，其特征在于，包括高压脉冲聚能射流发生装置（1）、气体供给***（2）、流体供给***（3）以及液压油供给***（4）；所述高压脉冲聚能射流发生装置（1）包括依次同轴线固定在一起的后端盖（1-1）、压力缸（1-3）、活塞套（1-10）、聚能喷嘴（1-7）以及前端盖（1-8）；所述压力缸（1-3）设有活塞（1-13），所述活塞（1-13）为具有面积差的阶梯形活塞并且其活塞杆端滑动连接在活塞套（1-10）的环形水腔（1-6）内，所述聚能喷嘴（1-7）、所述前端盖（1-8）上依次开有连通水腔（1-6）的指数形孔和中心孔，所述指数形孔是指其内径从左到右呈指数级减小的孔，所述指数形孔的左端最大内径与水腔（1-6）内径相同，所述指数形孔的右端最小内径与所述中心孔内径相同；
所述后端盖（1-1）、活塞套（1-10）与活塞（1-13）之间分别形成有气腔（1-2）和油腔（1-12），所述压力缸（1-3）上开有用于连通气腔（1-2）和气体供给***（2）的进气口（1-14），所述压力缸（1-3）上还开有用于连通油腔（1-12）和液压油供给***（4）的进油口（1-5）、泄油口（1-4），所述活塞套（1-10）上设有连通水腔（1-6）和流体供给***（3）的进水口（1-9），所述压力缸（1-3）内壁上滑动连接有能够启闭泄油口（1-4）和进油口（1-5）的滑套（1-11）。
2.如权利要求1所述的一种高压脉冲聚能射流发生***，其特征在于，所述气体供给***（2）包括通过管路依次与进气口（1-14）连通的控制阀（2-1）、单向阀（2-2）、气源控制台（2-3）、储气室（2-4）以及空气压缩机（2-5）；
所述流体供给***（3）包括通过管路依次与进水口（1-9）连通的单向阀（3-4）、控制阀（3-3）、泵（3-2）以及水箱（3-1），单向阀（3-4）与控制阀（3-3）之间设有压力表（3-5）；
所述液压油供给***（4）包括从进油口（1-5）到泄油口（1-4）通过管路依次连接在一起的单向阀（4-3）、控制阀（4-4）、高压泵（4-6）、液压油箱（4-1）以及泄压阀（4-2），高压泵（4-6）与控制阀（4-4）之间设有压力表（3-5），液压油箱（4-1）与控制阀（4-4）之间设有溢流阀（4-5）。
3.如权利要求1所述的一种高压脉冲聚能射流发生***，其特征在于，所述后端盖（1-1）与压力缸（1-3）之间螺纹连接，所述活塞套（1-10）与所述聚能喷嘴（1-7）之间螺纹连接。
4.如权利要求1所述的一种高压脉冲聚能射流发生***，其特征在于，所述压力缸（1-3）、所述活塞套（1-10）与所述活塞（1-13）之间分别通过导向环和格莱圈进行动密封。
5.如权利要求1所述的一种高压脉冲聚能射流发生***，其特征在于，所述滑套（1-11）与活塞套（1-10）间隙配合，所述滑套（1-11）左端设有与泄油口（1-4）相配合的轴肩。
6.如权利要求1所述的一种高压脉冲聚能射流发生***，其特征在于，所述压力缸（1-3）与活塞套（1-10）之间为焊接固定，所述前端盖（1-8）与所述聚能喷嘴（1-7）之间为螺钉固定。
7.一种如权利要求2所述的高压脉冲聚能射流发生***的使用方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
将载有高压脉冲聚能射流发生***的可移动设备停靠至距离巷道掘进工作面1～1.5m的位置，调整高压脉冲聚能射流发生装置（1）位置至发生装置喷嘴对准目标区域；
b、启动气源供给***（2），通过发生装置进气口（1-14）向发生装置气腔（1-2）通入一定体积的预设压力气体，然后关闭气源控制***控制阀（2-1）；
c、启动液压油供给***（4），通过压力缸进油口（1-5）向压力缸油腔（1-12）通入液压油，液压油推动滑套（1-11）快速关闭泄油口（1-4）；当油腔（1-12）内的油压达到一定压力后，液压油推动活塞（1-13）压缩气腔（1-2）内的气体，气腔（1-2）内的不断压力升高至活塞（1-13）端部抵达后端盖（1-1）；
d、活塞（1-13）在向气腔移动的过程中开启进水口（1-9），启动流体供给***（4），通过进水口（1-9）向水腔（1-6）内通水；
e、开启液压油供给***（4）的泄压阀（4-2），滑套（1-11）在油腔（1-12）内外压差下快速打开泄油口（1-4），油腔（1-12）内油压快速下降，活塞（1-3）在气腔（1-2）和油腔（1-12）的巨大压差下快速地推动水腔（1-9）内的水经聚能喷嘴（1-7）喷出，形成一束最大压力可达到岩石硬度数倍的高压脉冲聚能射流，破碎工作面目标区域岩石；
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