專利名稱：用于控制撞擊設(shè)備的方法、軟件產(chǎn)品以及撞擊設(shè)備的制作方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及用于控制撞擊設(shè)備的方法，該方法包括在鉆孔過程中通過撞擊設(shè)備將沖擊脈沖提供給可以連接到鉆巖機的工具；以及對該工具產(chǎn)生壓縮應(yīng)力波，以取決于工具材料的傳播速度，與向著該工具的第一端傳播的作為反射波從該工具的第二端反射回來的壓縮應(yīng)力的至少部分一起，從該工具的第一端傳播到第二端；以及在鉆巖機中控制該撞擊設(shè)備及其沖擊頻率。
本發(fā)明還涉及用于控制撞擊鉆巖的軟件產(chǎn)品，在控制單元中控制該鉆巖的軟件產(chǎn)品的執(zhí)行被布置為執(zhí)行至少以下動作在鉆孔過程中控制鉆巖機中的撞擊設(shè)備，以便將沖擊脈沖提供給可以被連接到鉆巖機的工具，由此壓縮應(yīng)力波被布置為在工具中形成，以取決于工具材料的傳播速度，與向該工具的第一端傳播的作為反射波從該工具的第二端反射回的壓縮應(yīng)力中的至少一些一起，從該工具的第一端傳播到該工具的第二端；還要控制該撞擊設(shè)備的沖擊頻率。
本發(fā)明還涉及撞擊設(shè)備，它包括用于向工具產(chǎn)生沖擊脈沖的裝置，由此由沖擊脈沖產(chǎn)生的壓縮應(yīng)力波被布置為從該工具的第一端傳播到第二端，并且該壓縮應(yīng)力中的至少一些從該工具的第二端反射回來作為反射波，并向該工具的第一端傳播；用于控制該撞擊設(shè)備的沖擊頻率的控制單元；以及用于定義至少該撞擊設(shè)備的沖擊頻率的裝置。
本發(fā)明還涉及撞擊設(shè)備，它包括用于向工具產(chǎn)生沖擊脈沖的裝置，由此由沖擊脈沖產(chǎn)生的壓縮應(yīng)力波被布置為從該工具的第一端傳播到第二端，并且該壓縮應(yīng)力中的至少一些從該工具的第二端反射回來作為反射波，并向該工具的第一端傳播；用于控制該撞擊設(shè)備的沖擊頻率的裝置；以及用于定義該撞擊設(shè)備的沖擊頻率的裝置。
撞擊鉆巖使用至少具有撞擊設(shè)備和工具的鉆巖機。該撞擊設(shè)備產(chǎn)生壓縮應(yīng)力波，該壓縮應(yīng)力波通過鉆柄傳播到該工具并且傳播到該工具的最遠端處的鉆頭。該壓縮應(yīng)力波以取決于該工具的材料的速度在工具中傳播。因此，它是傳播波，例如，它在鋼制工具中的速度是5190m/s。當該壓縮應(yīng)力波到達該鉆頭時，它使得該鉆頭穿入該巖石。然而，已經(jīng)檢測出，由該撞擊設(shè)備所產(chǎn)生的壓縮應(yīng)力波的能量的20％至50％都作為反射波從該鉆頭反射回來，該反射波在該工具中在反方向上即向著該撞擊設(shè)備傳播。根據(jù)鉆孔情況，該反射波可以只包括壓縮應(yīng)力波或者拉伸應(yīng)力波。然而，反射波典型地包括拉伸和壓縮應(yīng)力分量?，F(xiàn)今，反射波中的能量不能被有效地用在鉆孔中，這自然就降低了鉆孔的效率。另一方面，眾所周知，反射波會引起例如鉆孔設(shè)備的耐用性的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是提供一種新穎的并且改進的用于控制鉆巖機的撞擊設(shè)備的方法和軟件產(chǎn)品以及撞擊設(shè)備。
本發(fā)明的方法的特征在于將所述撞擊設(shè)備的沖擊頻率設(shè)置為與應(yīng)力波的傳播時間成比例，應(yīng)力波的傳播時間取決于所使用的工具的長度和在該工具材料中波的傳播速度；當來自以前的壓縮應(yīng)力波中的一個的反射波到達該工具的第一端時，利用撞擊設(shè)備對該工具產(chǎn)生新的壓縮應(yīng)力；以及合計該新的壓縮應(yīng)力波和反射波，以便產(chǎn)生在該工具中以該波的傳播速度向該工具的第二端傳播的合計波。
本發(fā)明的軟件產(chǎn)品的特征在于該軟件產(chǎn)品的執(zhí)行被布置為將撞擊設(shè)備的沖擊頻率設(shè)置為與應(yīng)力波的傳播時間成比例。
本發(fā)明的撞擊設(shè)備的特征在于控制單元被布置為將沖擊頻率設(shè)置為與應(yīng)力波的傳播時間成比例，該應(yīng)力波的傳播時間取決于使用工具的長度和在工具材料中波的傳播速度。
本發(fā)明的第二撞擊設(shè)備的特征在于該撞擊設(shè)備包括用于無級地并且分別地控制沖擊頻率和沖擊能量的裝置，并且該撞擊設(shè)備的沖擊頻率被布置為與應(yīng)力波的傳播時間成比例，而該應(yīng)力波的傳播時間取決于使用工具的長度和在工具材料中波的傳播速度。
本發(fā)明的基本思想是，撞擊設(shè)備的沖擊頻率以這樣一種方式布置，使得每次在該工具中產(chǎn)生新的壓縮應(yīng)力波，則來自較早壓縮應(yīng)力波的反射波就應(yīng)當位于該工具的撞擊設(shè)備上。調(diào)整該沖擊頻率必須使得與該應(yīng)力波的傳播時間成比例。所用工具的長度和在工具材料中該應(yīng)力波的傳播速度影響該應(yīng)力波的傳播時間。
本發(fā)明提供了這樣的優(yōu)點在反射波中的能量現(xiàn)在能更好地用在鉆孔中。當反射波已經(jīng)到達該工具的撞擊設(shè)備端時，反射波中的拉伸應(yīng)力分量作為壓縮應(yīng)力波向該鉆頭反射回來。利用該撞擊設(shè)備產(chǎn)生的新的主(primary)壓縮應(yīng)力波被合計到這個反射的壓縮應(yīng)力波，由此由被反射的和主壓縮應(yīng)力波形成的合計波比只利用該撞擊設(shè)備產(chǎn)生的壓縮應(yīng)力波具有更高的能含量(energy content)。此外，本發(fā)明的解決方案確保了在鉆頭和巖石之間總是有良好接觸。這是由于只有壓縮應(yīng)力波向該工具的鉆頭傳播的事實。當在該工具的第一端上由該撞擊設(shè)備產(chǎn)生的新的壓縮應(yīng)力波被合計到被反射的應(yīng)力波時，合計波總是壓縮應(yīng)力波。因此，沒有拉伸應(yīng)力波向該工具的鉆頭傳播，而拉伸應(yīng)力波可能減弱鉆頭和巖石之間的接觸。還有，當應(yīng)用本發(fā)明的解決方案時，進給力(feed force)可以比以前的更低，因為在不必需利用高進給力來補償拉伸應(yīng)力波的作用的情況下，也能保持該鉆頭和巖石之間的良好接觸。
本發(fā)明的實施例的基本思想是，通過細調(diào)沖擊頻率，使得在工具中從撞擊設(shè)備向鉆頭傳播的合計波的形狀成為所希望的。該細調(diào)影響從工具的第一端反射的壓縮應(yīng)力波和利用撞擊設(shè)備產(chǎn)生的主壓縮應(yīng)力波的合計，并且因此也影響合計波的形狀。通過將沖擊頻率設(shè)置為高于基于鉆孔設(shè)備的長度定義的設(shè)置，獲得漸進(progressive)的合計波。通過使得沖擊頻率較低，又因此可以加長該合計波，在實際中這加長了壓縮應(yīng)力的作用時間。自然地還可以通過足夠地增加沖擊頻率來加長合計波，從而將反射波附加到產(chǎn)生的主壓縮應(yīng)力波的尾部。
本發(fā)明的實施例的基本思想是在延長桿鉆孔(extension roddrilling)中，將撞擊設(shè)備的沖擊頻率設(shè)置為相應(yīng)于應(yīng)力波在一個延長桿內(nèi)的傳播時間。從工具的一端向著撞擊設(shè)備傳播的反射波與從相反方向傳播的主壓縮應(yīng)力波基本同時地傳播到延長桿之間的連接點。當基本同時地到達連接點時，將壓縮應(yīng)力波和反射波相加，從而抵消反射波內(nèi)的拉伸應(yīng)力分量，并且因此沒有拉伸應(yīng)力被引導(dǎo)到該連接。以這種方法，可以提高延長桿之間的連接的耐久性。
本發(fā)明的實施例的基本思想是將新的主壓縮應(yīng)力波與已經(jīng)從該工具的一端向另一端傳播了幾次的由以前的壓縮應(yīng)力波即反射波所產(chǎn)生的多個反射波相加。這個實施例可以專門用在使用短工具的時候。
本發(fā)明的實施例的基本思想是該撞擊設(shè)備包括用于存儲在反射波內(nèi)的壓縮應(yīng)力分量中的能量并且用于在形成新的沖擊脈沖過程中使用該能量的裝置。在包括往復(fù)撞擊活塞的撞擊設(shè)備中，被反射的壓縮應(yīng)力分量中的能量可以在撞擊活塞在返回的方向上移動的時候使用。被反射的壓縮應(yīng)力分量可以提供撞擊活塞返回移動的初始速度。在返回移動結(jié)束時，撞擊活塞的動能可以被存儲在壓力貯存器中，并且被用在新的撞擊移動過程中。還已知這樣的撞擊設(shè)備，其中壓縮應(yīng)力波直接從液壓能量產(chǎn)生，而不使用撞擊活塞。在這種類型的撞擊設(shè)備中，當沖擊頻率如本發(fā)明中所述設(shè)置時，沖擊脈沖可以由較低輸入能量來產(chǎn)生。
本發(fā)明的實施例的基本思想是撞擊設(shè)備可以無級并且分別地調(diào)整沖擊頻率和沖擊能量。例如，在直接從液壓能量而不使用撞擊活塞產(chǎn)生壓縮應(yīng)力波的撞擊設(shè)備中，可以通過調(diào)整控制閥的旋轉(zhuǎn)速度或操作頻率來調(diào)整沖擊頻率。在這種類型的撞擊設(shè)備中，可以通過調(diào)整液壓的大小來調(diào)整沖擊能量。在電子撞擊設(shè)備中，例如，可以通過例如調(diào)整交流電的頻率來調(diào)整沖擊頻率，并且可以通過改變所使用的電壓來調(diào)整沖擊能量。
本發(fā)明的實施例的基本思想是使用至少100Hz的沖擊頻率。
本發(fā)明的實施例的基本思想是使用至少200Hz的沖擊頻率。在實際操作中，證明高于200Hz的沖擊頻率是有利的。


在附圖中將更詳細地描述本發(fā)明，其中圖1是鉆巖車的示意性側(cè)視圖；圖2a是在鉆孔狀態(tài)中的鉆巖機和連接到其上的工具的示意性側(cè)視圖；圖2b是工具的第一端即撞擊設(shè)備端和反射應(yīng)力波的傳播的示意圖；圖2c和2d是特殊鉆孔狀態(tài)和從工具的最遠端即第二端回來的應(yīng)力波的反射的示意圖；圖2e是一些合計波形狀的示意視圖，通過細調(diào)沖擊頻率來影響該合計波的產(chǎn)生；圖3到6是主壓縮應(yīng)力波和從工具的最遠端反射的波在包含若干延長桿的工具內(nèi)的傳播的不同時間的示意視圖；圖7是本發(fā)明的撞擊設(shè)備和其操作控制的示意截面圖；圖8是本發(fā)明的第二撞擊設(shè)備和其操作控制的示意截面圖；圖9是本發(fā)明的第三撞擊設(shè)備和其操作控制的示意截面圖；和圖10是具有用于不同長度的工具的一些沖擊頻率設(shè)置和沖擊頻率設(shè)置倍數(shù)(multiple)的表。
在附圖中，為了清楚起見簡化地示出了本發(fā)明。在附圖中類似的部分以相同的參考號標記。
具體實施例方式
圖1中示出的鉆巖車1包括承載車2和至少一個進給梁3，在進給梁3上布置有可移動的鉆巖機4。利用進給設(shè)備5，鉆巖機4可以被推向要鉆的巖石，并且相應(yīng)地從其上離開。進給設(shè)備5可以具有一個或多個液壓缸，例如，其可以布置為借助于適當?shù)哪芰總魉筒考硪苿鱼@巖機4。進給梁3典型地布置到可以相對于承載車2移動的懸臂6上。鉆巖機4包括用于對連接到鉆巖機4的工具8提供沖擊脈沖的撞擊設(shè)備7。工具8可以包括一個或多個鉆桿和鉆頭10。鉆巖機4還可以包括用于繞著工具8的縱軸旋轉(zhuǎn)工具8的旋轉(zhuǎn)設(shè)備11。在鉆孔的過程中，可以利用撞擊設(shè)備7給工具8提供沖擊脈沖，同時該工具8利用旋轉(zhuǎn)設(shè)備11旋轉(zhuǎn)。另外，在鉆孔過程中，鉆巖機4可以被推動緊靠巖石，從而鉆頭10可以鉆破巖石?？梢酝ㄟ^一個或多個控制單元12來控制鉆巖。控制單元12可以包括計算機等?？刂茊卧?2可以對控制鉆巖機4和進給設(shè)備5的操作的激勵器給出控制命令，該激勵器例如控制壓力介質(zhì)的閥。鉆巖機4的撞擊設(shè)備7、旋轉(zhuǎn)設(shè)備11和進給設(shè)備5可以是操作壓力介質(zhì)(pressure-medium-operated)的或電子激勵器。
圖2a示出了具有連接到其鉆柄13的工具8的鉆巖機4。鉆巖機4的撞擊設(shè)備7可以包括撞擊元件14，諸如布置為可以來回移動的撞擊活塞，其被布置為撞擊鉆柄13上的撞擊面15以產(chǎn)生沖擊脈沖，該沖擊脈沖以取決于材料的速度作為壓縮壓力波通過鉆柄13和工具8傳播到鉆頭10。圖2c中示出了鉆巖的一個特定情況，其中壓縮壓力波p不能使得鉆頭10穿入巖石16。這可能是由于例如非常硬的巖石材料16’。在該情況下，原始壓力波p作為壓縮壓力波h從鉆頭10向撞擊設(shè)備7反射回來。圖2d中示出了第二個特定情況。其中，鉆頭10可以自由地向前移動而沒有阻力。例如，當鉆入巖石內(nèi)的空洞時，穿入阻力最小。然后，原始壓縮壓力波p作為拉伸反射波從鉆頭10向撞擊設(shè)備7反射回來。在實際鉆孔時，如圖2a中所示，鉆頭10遇到阻力，但是由于壓縮壓力波p仍然可以向前移動。一個力阻擋鉆頭10的向前移動，并且該力的大小取決于鉆頭10已經(jīng)穿入巖石16多遠鉆頭10穿入得越遠，該阻力越大，反之亦然。因此在實際中，從鉆頭10反射包括拉伸和壓縮反射分量的反射波h。在附圖中，以(+)標記拉伸應(yīng)力，并且以(-)標記壓縮應(yīng)力。在反射波h中總是首先是拉伸反射分量(+)，并且其次是壓縮應(yīng)力分量(-)。這是因為在初始壓縮應(yīng)力波p的作用的初始階段，鉆頭10的穿入和穿入阻力是小的，從而形成拉伸反射分量(+)。因此，初始情況類似于上述的特殊情況，其中鉆頭10可以向前移動而沒有顯著的阻力。然而，在初始壓縮應(yīng)力波p的作用的最終階段，鉆頭10已經(jīng)較深地穿入巖石16，在該情況下穿入阻力較大，并且原始壓縮應(yīng)力波p不再能夠充分地向前推動鉆頭10更深入巖石16。該情況類似于上述的第二種特殊情況，其中，鉆頭10在巖石16中的前進被妨礙。因此這產(chǎn)生反射壓縮應(yīng)力波(-)，其緊跟在首先從鉆頭10反射的拉伸應(yīng)力波(+)之后。
因此，利用撞擊設(shè)備7對工具8產(chǎn)生的傳播應(yīng)力波從第一端8a即工具的撞擊設(shè)備端傳播向第二端8b即工具的鉆頭端，并且再回到工具的第一端8a。應(yīng)力波然后傳播工具8的長度的兩倍的距離。根據(jù)本發(fā)明的思想，安排撞擊設(shè)備7的沖擊頻率，使得撞擊設(shè)備7基本上在早期應(yīng)力波的反射波之一到達工具8的第一端8a的時刻提供新的沖擊脈沖。
當定義應(yīng)力波經(jīng)過的來回距離時，可以忽略鉆頭10的長度，因為鉆頭10的軸向長度與工具8的總長度相比非常小。鉆柄13典型地較長，所以可以將其長度考慮在內(nèi)。
下面，使用公式(1)、(2)和(3)描述本發(fā)明。
可以使用下面的公式計算應(yīng)力波從工具的第一端到第二端并且返回的傳播時間tk=2(Lshank+nLRod)c=2Ltotc---(1)]]>在該公式中，LShank是鉆柄的長度，并且LRod是一個鉆桿的長度。當n是鉆桿的數(shù)目時，工具的總長是Ltot。C是工具中應(yīng)力波的傳播速度。因此應(yīng)力波的傳播時間tk取決于工具的總長Ltot以及應(yīng)力波在工具的材料內(nèi)的傳播速度C。
另外，通過使用下面的公式，可以基于應(yīng)力波的傳播時間tk計算頻率fk=c2(Lshank+nLRod)---(2)]]>要注意，頻率fk不是鉆桿的軸向固有頻率，而是頻率fk僅取決于工具的總長和應(yīng)力波的傳播速度。
根據(jù)本發(fā)明的思想，可以將撞擊設(shè)備的沖擊頻率fD設(shè)置為與應(yīng)力波的傳播時間成比例。然后沖擊頻率遵從下面的公式fD=mc2(Lshank+nLRod),e.g.m=...,1/4,1/3,1/2,1,2,3,4,....---(3)]]>在公式(3)中，m是頻率系數(shù)，它是兩個整數(shù)的商或積。
當頻率系數(shù)m是兩個整數(shù)的商時，應(yīng)當注意，分子還可以不是1。分母的值指示直到新的初始壓縮應(yīng)力波被加到其上為止，應(yīng)力波在工具中來回傳播了多少次。在實際中，分母的最大值是4。
因此，在實際中，公式(3)意味著，在鉆孔中，使用與應(yīng)力波在工具內(nèi)的傳播時間成比例的沖擊頻率。這樣一來，可以對工具產(chǎn)生新的壓縮應(yīng)力波，從而它與反射波的拉伸應(yīng)力分量相加。如圖2b所示，當反射的應(yīng)力波h到達工具的第一端8a時，拉伸應(yīng)力分量(+)不能被傳遞到撞擊設(shè)備，因為工具的第一端8a是自由的。因此，拉伸應(yīng)力分量(+)從工具的第一端8a反射回來作為向著鉆頭10的壓縮應(yīng)力分量(-)。通過撞擊設(shè)備，新的壓縮應(yīng)力波p被加到從工具的第一端8a反射的壓縮應(yīng)力分量。壓縮應(yīng)力的產(chǎn)生的合計波Ptot具有比僅僅是壓縮應(yīng)力波p更高的能含量。另外，反射壓縮應(yīng)力分量的能含量如此的低，以至于它不能單獨破裂巖石?？偠灾且粋€相對于反射的拉伸應(yīng)力分量(+)校正撞擊設(shè)備7產(chǎn)生的沖擊脈沖的定時的問題。
圖2e示出了合計波ptot的形狀的幾個例子。通過相對于拉伸反射分量的到達提前或延遲新壓縮應(yīng)力波的產(chǎn)生，可以影響合波ptot的形狀。在實際中，通過細調(diào)沖擊頻率來影響合計波ptot的形狀。如果將沖擊頻率設(shè)置為比基于鉆孔設(shè)備定義的設(shè)置高，則獲得圖2e的最左邊的形狀為漸進的合計波ptot1。如果將沖擊頻率設(shè)置為低于定義的設(shè)置，則獲得圖2e的右面示出的較長的合計波ptot2。在后面的情況中，利用撞擊設(shè)備產(chǎn)生的壓縮應(yīng)力波被附加到反射壓縮應(yīng)力分量的尾部。圖2b也示出了相應(yīng)于該設(shè)置的合計波ptot的形狀。
圖3到6示出了延長桿鉆孔的原理。在這種情況下，工具8包括以連接器18a、18b結(jié)合在一起的兩個或多個延長桿17a到17c。連接器18一般具有連接螺紋，延長桿17連接在該螺紋上。連接器18可以是延長桿17的部分。連接的延長桿17典型地在長度上基本相同。延長桿鉆孔的一個問題是從工具8的第二端8b反射的拉伸應(yīng)力分量(+)可能破壞連接器18尤其是它的連接螺紋。借助于本發(fā)明，可以這樣設(shè)置撞擊設(shè)備7的沖擊頻率，從而初始壓縮應(yīng)力波p與反射的拉伸應(yīng)力分量(+)總是基本上同時在連接器18處。然后初始壓縮應(yīng)力波p和拉伸應(yīng)力分量(+)的作用在連接器18處相加，這確保沒有拉伸應(yīng)力被引向連接器18。因此，連接器18和延長桿17的耐用性可以比以前更好。因為初始壓縮應(yīng)力波P可能相當長，壓縮應(yīng)力波P和反射波h不必精確地在相同時刻位于聯(lián)結(jié)器18，而是當反射波h的拉伸應(yīng)力分量(+)到達連接點時，壓縮應(yīng)力波P仍然影響著連接點就足夠了。
在延長桿鉆孔中，通過使用下面的公式，可以將撞擊設(shè)備7的沖擊頻率設(shè)置為與應(yīng)力波的傳播時間成比例fD=c2LRod---(4)]]>因此，將沖擊頻率設(shè)置為相應(yīng)于一個延長桿17的長度LRod。另外，可以忽略鉆柄13的長度，因為鉆柄13的長度與延長桿17的長度相比是小的。
接著，更詳細地并且參考圖3到6描述延長桿鉆孔中的應(yīng)力波的傳播。在圖3中，剛剛開始鉆孔，并且利用撞擊設(shè)備7產(chǎn)生的第一個壓縮應(yīng)力波p1已經(jīng)到達了第三延長桿17c。根據(jù)公式(4)產(chǎn)生第二應(yīng)力波p2、第三應(yīng)力波p3和它們之后的應(yīng)力波，即，將撞擊設(shè)備7的沖擊頻率布置為與應(yīng)力波的傳播時間成比例。第一反射波h1從工具8的第二端8b反射，然后與第二壓縮應(yīng)力波p2基本同時地傳播到第二連接器18b。這在圖4中示出。另外，在圖5的情形中，當?shù)谌龎嚎s應(yīng)力波p3從相反方向傳播時，第一反射波h1已經(jīng)到達了第一連接器18a。在圖6中，第二反射波h2已經(jīng)與第三壓縮應(yīng)力波p3基本同時地傳播到第二連接器18b。每次包括拉伸應(yīng)力分量(+)的反射波h傳播到連接，從相反方向傳播的壓縮應(yīng)力波p也作用于該連接點，其結(jié)果是壓縮應(yīng)力波p抵消了拉伸應(yīng)力分量(+)。
圖7到9示出了一些撞擊設(shè)備7，其中通過調(diào)節(jié)繞著控制閥19的軸調(diào)整控制閥19的旋轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)動，可以影響沖擊頻率。利用圖7到9中的撞擊設(shè)備，可以實現(xiàn)非常高的沖擊頻率。沖擊頻率可以高于450Hz，甚至高于1kHz。
圖7的撞擊設(shè)備7具有框架20，框架20內(nèi)具有應(yīng)力部件21。該撞擊設(shè)備還具有控制閥19，控制閥19利用適合的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)繞著其軸旋轉(zhuǎn)，或相對于其軸來回轉(zhuǎn)動。控制閥19可以具有交替(alternate)開口22和23，它們打開和關(guān)閉到供給通道24和相應(yīng)的排出通道25的連接。撞擊設(shè)備的框架20還具有第一壓力液體空間26。撞擊設(shè)備還具有傳遞部件，諸如傳遞活塞27。該撞擊設(shè)備7的基本原理是使用控制閥19控制應(yīng)力部件21的拉緊和放松，從而產(chǎn)生沖擊脈沖。為了拉緊應(yīng)力部件21，壓力液體供給通道24可以從泵28被引導(dǎo)到閥19內(nèi)的開口22。當控制閥19旋轉(zhuǎn)時，開口22一次一個地到達壓力液體的供給通道24，并且允許壓力液體流過到壓力液體空間26。結(jié)果，傳遞活塞27可以推動緊靠應(yīng)力部件21，從而應(yīng)力部件21壓縮。作為壓縮的結(jié)果，能量存儲在傳遞活塞27內(nèi)，這些能量盡力向工具8推動傳遞活塞27。當控制閥19在箭頭A指示的方向上轉(zhuǎn)動時，從壓力液體空間26通過開口23打開到流出通道25的連接，從而壓力液體空間26內(nèi)的壓力液體可以快速地流到壓力槽29內(nèi)。當壓力液體離開液體空間26時，釋放應(yīng)力部件21，并且通過應(yīng)力產(chǎn)生力來壓縮工具8。存儲在應(yīng)力部件21內(nèi)的能量作為應(yīng)力脈沖傳遞到工具8內(nèi)。應(yīng)力部件21和傳遞活塞27可以是分離的部件，在該情況中，應(yīng)力部件21可由固體材料制成，或它可由第二壓力液體空間30內(nèi)的壓力液體形成。如果由固體材料制成應(yīng)力部件21，則它可以集成到傳遞活塞27。
圖8示出了圖7的撞擊設(shè)備7的一個實施例，其中從泵28沿著供給通道24向第一壓力液體空間26直接供給壓力液體，而不用控制控制閥19。在該情況下，控制閥19具有用于允許壓力液體從壓力液體空間26到流出通道25的開口23就足夠了。因此，該解決方案僅以適合的頻率控制來自第一壓力液體空間26的壓力液體的壓力釋放，以便對工具8產(chǎn)生應(yīng)力脈沖。
圖9示出了具有第二壓力液體空間30的撞擊設(shè)備，第二壓力液體空間30可以通過通道31連接到壓力源32，從而可以將壓力液體送到壓力液體空間30。在該解決方案中，第二壓力液體空間30內(nèi)的壓力液體可以用作應(yīng)力部件21。傳遞活塞27或類似物可以將第一壓力液體空間26和第二壓力液體空間30彼此分隔開。泵28可以通過控制閥19將壓力液體送到第一壓力液體空間26?？梢赃@樣布置控制閥19，以便打開或關(guān)閉從第一壓力液體空間26到供給通道24的連接，并且在另一方面，到流出通道25的連接。泵28和32還可以彼此連接。當壓力液體由控制閥19控制，被送入第一壓力液體空間26時，傳遞活塞27在箭頭B指示的方向上移動到其最后位置，從而壓力液體離開第二壓力液體空間30。之后，控制閥19相對于其軸轉(zhuǎn)動到一個位置，其中壓力液體可以快速地從第一壓力液體空間26流到流出通道25。則作用于第二壓力液體空間30內(nèi)的壓力和由泵32產(chǎn)生的壓力可以作用在傳遞活塞27上，并且產(chǎn)生力，作為其結(jié)果，傳遞活塞27向工具8推動。傳遞活塞27壓縮工具8，作為其結(jié)果，對工具8產(chǎn)生沖擊脈沖，以便作為壓縮應(yīng)力波p傳播通過工具8。來自被鉆的巖石的反射脈沖h傳播通過工具8向撞擊設(shè)備7返回。該反射脈沖盡力在箭頭B指示的方向上推傳遞活塞27，從而將反射脈沖的能量傳遞到第二壓力液體空間30內(nèi)的壓力液體。然后送入第二壓力液體空間30的壓力液體的量可以是小的，在該情況中，使用小數(shù)量的供入能量即可產(chǎn)生沖擊脈沖。
在圖7到9的解決方案中，可以借助于旋轉(zhuǎn)馬達33繞著控制閥19的軸旋轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)動控制閥19，旋轉(zhuǎn)馬達33例如可以是壓力介質(zhì)操作的或是電子設(shè)備，并且通過適合的傳遞元件諸如齒輪其可以被連接以便作用于控制閥19。不同于圖7到9中所示的解決方案，旋轉(zhuǎn)馬達33可以集成到控制閥19。借助于旋轉(zhuǎn)馬達33可以相對精確地控制控制閥19的運動，從而對撞擊設(shè)備7的沖擊頻率的調(diào)整也是精確的。因此，通過精確地使用取決于所使用的鉆孔設(shè)備的長度的恰當?shù)臎_擊頻率，根據(jù)本發(fā)明可以產(chǎn)生沖擊脈沖。對沖擊頻率的精確調(diào)整還使得細調(diào)沖擊頻率，并且從而使得影響合計波的形狀成為可能。另外，對沖擊頻率和沖擊能量的調(diào)整可以是無級的。對沖擊頻率和沖擊能量的調(diào)整可以分開進行。這意味著可以將沖擊頻率和沖擊能量的大小兩者分別設(shè)置為所希望的值。
可以用多種不同方法測量鉆孔中使用的沖擊頻率。圖7示出了一種可能，即，可以通過適當?shù)木€圈34檢測在工具8或鉆柄13內(nèi)傳播的應(yīng)力波。圖8和9依次描述了通過適合的傳感器35測量撞擊設(shè)備的至少一個壓力液體通道或壓力液體空間處的壓力或壓力流，并且描述了將測量信息傳遞到撞擊設(shè)備的控制單元12，該控制單元12具有用于處理測量結(jié)果的裝置?；跍y量結(jié)果中的脈沖，控制單元12可以分析撞擊設(shè)備7的沖擊頻率。還可以測量圖7到9中所示的控制閥19的轉(zhuǎn)動或旋轉(zhuǎn)運動，并且基于以上確定使用的沖擊頻率。除了上述的解決方案外，還可以通過指示來自撞擊設(shè)備或?qū)儆谒难b置測量的沖擊脈沖的形成的其它物理現(xiàn)象來確定沖擊頻率。因此，在測量沖擊頻率時還可以使用例如壓電傳感器、加速度傳感器和聲音檢測器。
借助工具8的長度和應(yīng)力波的傳播速度，還可以用除了上述數(shù)學(xué)方法之外的方式來確定應(yīng)力波的傳播時間。撞擊設(shè)備7可以包括一個或多個傳感器或測量工具，用于測量從工具的第二端8b返回的反射波h?；谠摐y量結(jié)果，控制單元12可以確定工具中的波的傳播時間，并且調(diào)整沖擊頻率。
本發(fā)明的控制策略還進一步設(shè)置在撞擊設(shè)備的控制單元12內(nèi)，以便考慮測量的沖擊頻率和使用的鉆孔設(shè)備，以及根據(jù)本發(fā)明的思想自動調(diào)整沖擊頻率。還可以手動進行沖擊頻率的調(diào)整，從而撞擊設(shè)備的控制單元12將使用的沖擊頻率通知給操作者，并且操作者從而以本發(fā)明的方式手動調(diào)整沖擊頻率，該方式取決于使用的鉆孔設(shè)備。操作者可以具有指示使用不同長度的工具鉆孔時將使用的沖擊頻率的表格或其他輔助裝置。另外，可將關(guān)于精確的沖擊頻率的信息存儲在控制單元12內(nèi)，操作者可以從控制單元12獲取它們。在調(diào)整恰當?shù)臎_擊頻率時，控制單元12還可以指導(dǎo)操作者。還可以布置延長桿的操縱器以便檢測延長桿內(nèi)的標識符，并且將每次使用的工具的總長和每個個延長桿的長度指示給控制單元。
要注意，為了清楚起見，圖9未示出用于旋轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)動控制閥19的裝置，控制單元，或用于測量沖擊頻率的裝置。
本發(fā)明可應(yīng)用于壓力液體操作的和電子操作的撞擊設(shè)備。對于本發(fā)明的執(zhí)行，什么類型的撞擊設(shè)備產(chǎn)生在工具內(nèi)傳播的壓力應(yīng)力波不是重要的。沖擊脈沖是由撞擊設(shè)備提供的短時間力作用，以便對工具產(chǎn)生壓縮壓力波。
通過運行屬于控制單元12的一個或多個計算機處理器內(nèi)的計算機程序，可以執(zhí)行本發(fā)明的方法。執(zhí)行本發(fā)明的方法的軟件產(chǎn)品可以被存儲在控制單元12的存儲器內(nèi)，或可以將該軟件產(chǎn)品從存儲器裝置諸如CD-ROM盤載入計算機。另外，可以通過信息網(wǎng)絡(luò)從其他計算機將該軟件產(chǎn)品載入到例如屬于采掘車的控制系統(tǒng)的設(shè)備。
圖10的表示出了用于一些工具長度的某些沖擊頻率設(shè)置及其的一些典型的倍數(shù)。作為例子，可以提及的是如果撞擊設(shè)備的沖擊頻率范圍是350到650Hz，可以從表中選擇適合的頻率，它們在表10中被加框示出。頻率系數(shù)的分母的值指示直到新的主壓縮應(yīng)力波被合計到其上為止，應(yīng)力波在工具中來回傳播了多少次。分母值越小，載入工具的反射應(yīng)力波越少。因此，在選擇頻率系數(shù)時，應(yīng)當優(yōu)先選擇商的分母具有盡可能小的值的值。
要注意，當使用本發(fā)明時，可以使用本申請中描述的特征的各種組合和變化。
本發(fā)明的撞擊設(shè)備不僅可以用于鉆孔，而且可用于利用沖擊脈沖的其他設(shè)備，諸如破碎錘和其他用于巖石材料或其他堅硬材料的破碎設(shè)備，以及例如打樁設(shè)備。
附圖和相關(guān)的描述僅僅旨在說明本發(fā)明的思想?？梢栽跈?quán)利要求的范圍內(nèi)改變本發(fā)明的細節(jié)。
權(quán)利要求
1.一種用于控制撞擊設(shè)備的方法，該方法包括在鉆孔過程中利用撞擊設(shè)備(7)對可連接到鉆巖機(4)的工具(8)提供沖擊脈沖；并且對工具(8)產(chǎn)生壓縮應(yīng)力波(p)，以便以取決于工具(8)的材料的波傳播速度與向著所述工具的第一端(8a)傳播的從所述工具的第二端(8b)作為反射波(h)反射回來的壓力應(yīng)力(p)的至少部分一起，從所述工具的第一端(8a)傳播到第二端(8b)；和控制鉆巖機(4)內(nèi)的撞擊設(shè)備(7)以及其沖擊頻率；其特征在于與取決于所使用的工具(8)的長度和所述應(yīng)力波在所述工具材料內(nèi)的傳播速度的所述應(yīng)力波的傳播時間成比例地設(shè)置撞擊設(shè)備(7)的沖擊頻率；當來自以前壓縮應(yīng)力波的一個的反射波(h)到達所述工具的第一端(8a)時，利用撞擊設(shè)備(7)對工具(8)產(chǎn)生新的壓縮壓力波(p)；和將所述新的壓縮壓力波(p)和所述反射波(h)相加，以便產(chǎn)生合計波(ptot)1，其在工具(8)中以該波的傳播速度(c)向著所述工具的第二端(8b)傳播。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于通過細調(diào)所述沖擊頻率，調(diào)整所述合計波(ptot)的形狀，和在所述細調(diào)中，根據(jù)與所述應(yīng)力波的傳播時間成比例地定義的所述沖擊頻率的設(shè)置，提前或延遲新沖擊脈沖的產(chǎn)生，從而所述細調(diào)影響所述新的壓縮壓力波(p)和所述反射波(h)的合計，并且因此也影響所述合計波(ptot)的形狀。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于在鉆孔中，使用工具(8)，其包括以連接器(18a，18b)彼此連接的至少兩個延長桿(17a到17c)，將撞擊設(shè)備(7)的沖擊頻率設(shè)置為對應(yīng)于應(yīng)力波從所述延長桿(17a到17c)的一端到另一端并且返回的傳播時間，借助沖擊頻率，將向所述工具的第二端(8b)傳播的壓縮應(yīng)力波和在相反方向內(nèi)傳播的反射波定時為基本上同時到達所述延長桿(17a到17c)的連接點，和在所述連接點處將所述壓縮應(yīng)力波和反射波相加，從而以所述壓縮應(yīng)力波抵消所述反射波內(nèi)的拉伸應(yīng)力分量(+)。
4.如前面任意一個權(quán)利要求所述的方法，其特征在于使用至少為100Hz的沖擊頻率。
5.一種用于控制撞擊鉆巖的軟件產(chǎn)品，控制單元(12)內(nèi)的控制鉆巖的的軟件產(chǎn)品的執(zhí)行被安排為執(zhí)行至少下面的活動在鉆孔過程中控制鉆巖機(4)內(nèi)的撞擊設(shè)備(7)，以便對可連接到鉆巖機(4)的工具(8)提供沖擊脈沖，從而將壓縮應(yīng)力波(p)布置為在工具(8)中形成，以便以取決于所述工具(8)的材料的傳播速度，與向著所述工具的第一端(8a)傳播的從所述工具的第二端(8b)作為反射波(h)反射回來的壓力應(yīng)力(p)的至少一些一起，從所述工具的第一端(8a)傳播到第二端(8b)；和控制撞擊設(shè)備(7)的沖擊頻率，其特征在于該軟件產(chǎn)品的執(zhí)行被布置為與所述應(yīng)力波的傳播時間成比例地設(shè)置撞擊設(shè)備(7)的沖擊頻率。
6.如權(quán)利要求5所述的軟件產(chǎn)品，其特征在于該軟件產(chǎn)品的執(zhí)行被布置為響應(yīng)關(guān)于工具(8)的長度和材料信息，數(shù)學(xué)地(mathematically)確定應(yīng)力波在工具(8)內(nèi)的傳播時間。
7.一種撞擊設(shè)備，包括用于對工具(8)產(chǎn)生沖擊脈沖的裝置，從而由該沖擊脈沖引起的壓縮應(yīng)力波被布置為從該工具的第一端(8a)傳播到第二端(8b)，并且所述壓縮應(yīng)力波中的至少一些作為反射波從該工具的第二端(8b)反射回來，并且向著該工具的第一端(8a)傳播；用于控制撞擊設(shè)備(7)的沖擊頻率的控制單元(12)；和用于至少定義控制撞擊設(shè)備(7)的沖擊頻率的裝置，其特征在于控制單元(12)被布置為與取決于所使用的工具(8)的長度和所述波在所述工具材料內(nèi)的傳播速度的所述應(yīng)力波的傳播時間成比例地設(shè)置所述沖擊頻率。
8.如權(quán)利要求7所述的撞擊設(shè)備，其特征在于控制單元(12)被布置為在已經(jīng)對控制單元(12)給出關(guān)于工具(8)的長度和材料信息之后，數(shù)學(xué)地確定所述應(yīng)力波在工具(8)內(nèi)的傳播時間。
9.如權(quán)利要求7或8所述的撞擊設(shè)備，其特征在于至少具有以連接器(18a，18b)彼此連接的至少兩個延長桿(17a到17c)的工具(8)被連接到撞擊設(shè)備(7)，控制單元(12)被布置為將撞擊設(shè)備(7)的沖擊頻率設(shè)置為對應(yīng)于應(yīng)力波從所述延長桿(17a到17c)的一端到另一端的傳播時間，從而向所述工具的第二端(8b)傳播的壓縮應(yīng)力波和在相反方向內(nèi)傳播的反射波被布置為基本上同時地到達所述延長桿(17a到17c)的連接點。
10.如權(quán)利要求7到9中任意一個所述的撞擊設(shè)備，其特征在于撞擊設(shè)備(7)具有用于在產(chǎn)生新的沖擊脈沖時利用所述反射波(h)的壓縮應(yīng)力分量(一)內(nèi)的能量的裝置。
11.如權(quán)利要求7到10中任意一個所述的撞擊設(shè)備，其特征在于控制單元(12)被布置為細調(diào)所述沖擊頻率，以便影響向所述工具的第二端(8b)傳播的應(yīng)力波的形狀，和在所述細調(diào)中，控制單元(12)被布置為根據(jù)與所述應(yīng)力波的傳播時間成比例定義的所述設(shè)置，來提前或延遲所述沖擊頻率。
12.如權(quán)利要求7到11中任意一個所述的撞擊設(shè)備，其特征在于所述沖擊脈沖被布置為在所述撞擊設(shè)備(7)內(nèi)直接從液壓能量產(chǎn)生，而不用撞擊活塞。
13.一種撞擊設(shè)備，包括用于對工具(8)產(chǎn)生沖擊脈沖的裝置，從而由所述沖擊脈沖引起的壓縮應(yīng)力波被布置為從所述工具的第一端(8a)傳播到第二端(8b)，并且所述應(yīng)力波的至少一些作為反射波從所述工具的第二端(8b)反射回來，并且向著所述工具的第一端(8a)傳播；用于控制所述撞擊設(shè)備(7)的沖擊頻率的裝置；和用于定義所述撞擊設(shè)備(7)的沖擊頻率的裝置，其特征在于所述撞擊設(shè)備(7)包括用于無級地并且分別地控制所述沖擊頻率和沖擊能量的裝置，和所述撞擊設(shè)備(7)的沖擊頻率被布置為與取決于所使用的工具(8)的長度和所述波在所述工具材料內(nèi)的傳播速度的所述應(yīng)力波的傳播時間成比例。
14.如權(quán)利要求13所述的撞擊設(shè)備，其特征在于所述沖擊脈沖被布置為在所述撞擊設(shè)備(7)內(nèi)直接從液壓能量產(chǎn)生，而不用撞擊活塞。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于控制屬于鉆巖機的撞擊設(shè)備的方法和軟件產(chǎn)品，并且涉及撞擊設(shè)備。設(shè)置撞擊設(shè)備(7)的沖擊頻率，從而撞擊設(shè)備(7)總是在來自以前的壓縮應(yīng)力波的反射波(h)到達工具的第一端(8a)時形成新的壓縮應(yīng)力波(p)。這需要與應(yīng)力波的傳播時間成比例地設(shè)置沖擊頻率，從而將注意所使用的工具(8)的長度和應(yīng)力波在該工具材料內(nèi)的傳播速度。
文檔編號E21B1/00GK1984755SQ200580021984
公開日2007年6月20日 申請日期2005年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月2日
發(fā)明者馬爾庫·凱斯基尼瓦, 約爾馬·梅基, 艾莫·海林, 毛里·埃斯科, 埃爾基·阿霍拉 申請人:山特維克礦山工程機械有限公司