脈衝發生裝置以及包括該裝置的巖石鑽機的製作方法

2023-09-24 03:36:35

專利名稱：脈衝發生裝置以及包括該裝置的巖石鑽機的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於在鑽入諸如例如巖石這樣的材料中時使用的脈衝發生裝置。更具 體地，本發明涉及根據權利要求1所述的脈衝發生裝置。本發明還涉及根據權利要求16所 述的巖石鑽機。
背景技術：
在巖石鑽孔中，經常使用通過一個或多個鑽杆部件與巖石鑽機相連的鑽孔工具。 可以通過多種不同的方式實施鑽孔，其中，一般存在的方法是衝擊式鑽孔，在該方法中，使 用脈衝發生裝置即衝擊式裝置以在往復運動的活塞的協助下產生衝擊。衝擊式活塞通常通 過鑽柄來撞擊鑽杆，以通過將動能傳遞到鑽杆而產生衝擊波，該衝擊波通過鑽柄傳播到鑽 孔工具，然後從工具向前傳播到巖石，從而釋放衝擊波的能量。一般通過對沿鑽杆的縱向作用於衝擊活塞的驅動表面進行加壓和減壓以驅動衝 擊式活塞，通常在液壓方式工作的器件和/或氣動方式工作的器件的協助下實現所述加壓。然而，這種通過將衝擊活塞的動能傳遞到鑽柄/鑽杆來產生衝擊波的脈衝發生裝 置至少在一定運行條件下會產生不希望的副作用，使得通過衝擊式活塞的往復運動所產生 的動能可能對脈衝發生裝置和/或鑽杆和/或工具產生不希望的負面影響。還有另一種脈衝發生裝置，其中並非如上所述的那樣通過從往復運動的活塞釋放 的動能產生衝擊波能量，而是通過釋放存儲的動能產生衝擊波能量，該存儲的動能從衝擊 器件傳遞到鑽杆和/或從儲能器經由該衝擊器件傳遞到鑽杆，在這種情形下，衝擊器件只 進行非常少量的移動，也就是說，所傳遞的動能基本上低於所傳遞的彈性能。根據現有技術，這些方案產生能量與傳統的衝擊活塞相比較低的衝擊波，其中，為 了保持鑽孔的效率，通過以較高的頻率產生衝擊波來補償較低的衝擊波能量。然而，這種脈衝發生裝置的一個問題在於，取得期望的鑽孔效果所需的基本上更 高的衝擊波頻率接著又對使通向驅動表面的通道打開和關閉的機構提出了要求，在產生所 述衝擊波的過程中驅動表面作用於衝擊器件。在W02004/073933中，示出了這種脈衝發生裝置的示例，其中，使用旋轉控制閥以 實現對通道的快速打開和關閉，通道通向作用於衝擊器件的驅動表面。然而，所示方案具有 這樣的缺點，即，需要驅動馬達以驅動控制閥，並且該驅動馬達使得脈衝發生裝置由於驅動 馬達的直徑而獲得了更大的直徑。此外，以下事實使其更加嚴重，尤其當需要高的旋轉頻率 時，驅動馬達必須具有一定的直徑以防止閥與馬達之間的旋轉速度差異變得過大，因為大 的差異可能導致因設計原因而沒有達到期望的驅動馬達速度(閥速度)。 例如，在隧道挖掘時，期望的鑽機直徑是主要的缺點，因為大的鑽機直徑導致必須 從礦中移出不必要的大量材料以允許在整個隧道中維持恆定的直徑。較大量的移出材料還 意味著例如在鑽孔之後必須用混凝土填充較大的容積。因此，需要用於旨在進行高頻率運行的鑽機的改進的驅動機構。

發明內容
本發明的一個目的是提供解決或至少減輕以上問題的脈衝發生裝置。根據本發明，通過如權利要求1中所限定的裝置來實現這個目的。根據本發明，提供了用於在工具中產生衝擊波的脈衝發生裝置，其中，所述脈衝 發生裝置包括衝擊器件，衝擊器件用於將能量傳遞到與所述工具連接的鑽杆，其中能量傳 遞引起所述衝擊波，其中所述能量主要由存儲在衝擊器件和/或能量存儲器中的彈性能構 成。該脈衝發生裝置包括用於對衝擊器件與鑽杆之間的相互作用進行控制的控制器件，其 中用於對衝擊器件與鑽杆之間的相互作用進行控制的所述控制器件包括馬達，所述馬達被 設計成通過旋轉使通道交替地打開以對作用於所述衝擊器件的至少一個驅動表面進行加 壓和減壓。本發明的特徵在於，所述馬達的旋轉軸線被布置成與鑽杆基本上同軸。這樣所具有的優點在於，由於馬達的旋轉軸線被布置成與鑽杆基本上同軸，因此 可以使用該馬達來驅動相對於馬達軸向偏移的閥，這又意味著脈衝發生裝置的外徑可以與 根據現有技術的方案相比保持基本上較小。這樣還具有優點在於，可以充分利用馬達的旋 轉速度，這對於能量以彈性能形式並因此需要更高衝擊波頻率的脈衝發生裝置的驅動是非 常有利的。本發明對於這樣的脈衝發生裝置尤其有利，其中，該脈衝發生裝置包括在遠離工 具的方向上朝向衝擊器件進行作用的壓力腔室，所述的馬達被設計成通過旋轉使通道交替 地打開和關閉以對所述壓力腔室進行加壓和減壓。由於在該方案中，閥和馬達應該或可能 甚至必須被布置在從衝擊器件的驅動表面觀察的下遊方向，也就是說布置在工具的方向 上，因此在該情況下，根據本發明，可以使用直徑相對較大的馬達而無需偏離鑽機的其他設 計相關的限制的界線，此外還無需為了使鑽機的外徑最小化而進行齒輪減速。因此，本發明 意味著可以通過若干類型的鑽機以高頻率實施鑽孔而不明顯增加所產生的多餘巖石。本發明還涉及巖石鑽機。


圖IA-B示意性地示出了例如隧道挖掘中鑽機直徑對所鑽材料的量的影響。圖2A-B示出了根據本發明的脈衝發生裝置的第一實施方式。圖3A-C示出了用於圖2A-B中所示的實施方式的閥盤、馬達閥和墊圈。圖4示出了本發明的可替換示例性實施方式。
具體實施例方式如上所述，鑽機的直徑構成例如隧道挖掘中的重要參數。在圖IA和圖IB中圖示 了該直徑，其中，圖IA中以後視圖示意性地示出了鑽機100。在隧道挖掘中，距離d是非常 重要的，因為該距離控制進入巖石的方向，必須沿著該方向進行鑽孔以允許獲得具有規則直徑的隧道。在圖IB中對此進行了例示，其中，以α表示期望的隧道直徑，並且實際的鑽孔以 鋸齒圖形101表示，其中距離β實質上由鑽機直徑決定。鑽機直徑越小，相對於可用於鑽 孔中的期望隧道周緣的角度偏差Y越小，這導致減小的距離β並因此還導致較少的剩餘材料部分(以陰影線表示)，該剩餘材料必須移除以例如在襯砌(concrete lining)操作中 進行後續的再填充。圖2A-B出示了脈衝發生裝置200，該脈衝發生裝置200可有利地與鑽孔設備如巖 石鑽機一起使用並允許例如W02004/073933中所示類型的機器中更小的鑽機直徑。在運行 過程中，脈衝發生裝置200通過鑽杆連接到鑽孔工具(未示出)如鑽頭，其中鑽杆包括一個 或多個鑽杆部件並在圖中以202表示。在鑽孔過程中，呈衝擊波形式的能量通過衝擊器件 201傳遞到鑽杆202。在所示裝置200中，衝擊器件201並非用於產生衝擊波的往復活塞， 而是呈脈衝活塞201的形式的可張拉衝擊器件。可以根據多種不同工作原理獲得其中衝擊波能量以彈性能而非主要是來自傳統 衝擊式活塞的動能的形式進行傳遞的裝置，其中，圖2A-B中所示的原理使得通過使脈衝活 塞201向如腔室204的空間張拉而將脈衝活塞201向裝置的遠離工具的端部203張拉，該 空間例如可填充加壓流體，之後，對在腔室204方向上進行作用的驅動表面205進行加壓從 而實現腔室204的內容物的壓縮，然後作用在驅動表面205上的壓力突然下降，使脈衝活塞 201朝向鑽杆202進行少量移動，以因此釋放隨著腔室204中應力增加而儲存的彈性能。可以通過多種不同的方法實現彈性能的儲存。例如，除了如上所述那樣對腔室的 內容物進行壓縮以外，還可以通過對驅動表面205增壓而使脈衝活塞壓縮來實現彈性能的 儲存，從而儲存能量，並且當卸除壓力時由於脈衝活塞趨於恢復其原有形狀因此該能量被 釋放。在一個示例性實施方式中，腔室204替代性地由某種彈性材料構成，對驅動表面 205加壓後該腔室204被壓縮以接著當卸除作用於驅動表面205上的壓力時趨於恢復其原 有形狀，從而通過脈衝活塞向工具釋放所儲存的呈脈衝形式的能量。在另一示例性實施方 式中，可以使用以上方法中的兩個或更多的組合。如上所述，與包括傳統的衝擊式活塞的裝置相比，圖2A-B中所示的那種裝置中隨 著每個衝擊波所釋放的能量的量基本上較小，在包括傳統的衝擊式活塞的裝置中所傳遞的 能量主要由動能構成，為此，脈衝活塞201必須以與傳統衝擊式活塞相比基本上相對較高 的頻率工作以實現向工具傳遞的相同的單位時間總能量。例如，可以這麼說，傳統類型的往 復運動衝擊式活塞的通常工作頻率是50-60赫茲，而圖2A-B中所示的那種脈衝活塞應以幾 百赫茲的頻率或者甚至以一千赫茲或多於一千赫茲或者還更高的頻率運行。 這種基本上更高的頻率接著又對使通道打開/關閉的機構提出了要求，該通道用 於對壓力腔室206進行加壓/減壓，壓力腔室206用於對脈衝活塞的驅動表面205進行加 壓/減壓。如W02004/073933中所述，一種實現該目的的方法是使用旋轉閥。然而如屬於 該專利說明書的附圖中所示，這種閥通過馬達驅動，該馬達接著通過齒輪聯軸器驅動旋轉 閥。為了能夠實現期望的脈衝活塞頻率，旋轉閥必須以高頻率旋轉，至少在能夠使用直徑小 於旋轉閥直徑的馬達的情況下，這使得馬達必須還以更高的頻率旋轉。由於存在影響對於 給定載荷所能實現的最大旋轉速度的設計限制，實際上這意味著，驅動馬達必須有一定的 直徑，該直徑的值在較高頻率的情況下可能約為閥直徑的一半或者甚至更大，這樣因而導 致圖IA-B中所示的不期望的效果。根據本發明，可提供的這樣的鑽機，該鑽機具有與現有技術相比實質上較小的直 徑，但是該鑽機仍能以相同或更高的頻率使用於對腔室206進行加壓/減壓的通道打開和關閉。根據本發明，這能夠在與脈衝活塞201同心的馬達的協助下實現，該馬達在圖2A-B中 由軸向活塞馬達207構成。圖2A-B中所示的馬達207包括斜盤208和多個軸向活塞222， 通過經非旋轉馬達閥210 (還在圖3B中詳細示出)進行加壓/減壓以對這些軸向活塞通過 通道211來進行加壓或通過通道212進行減壓，從而以傳統方式產生馬達207的旋轉。 用於軸向活塞馬達207的活塞222的斜盤208沿旋轉方向鎖止於鑽機殼體213。 同樣在這種情況下，馬達閥在旋轉方向上鎖止於壓力傳遞部214，壓力傳遞部214在旋轉方 向上鎖止於機器殼體213但可相對於機器殼體軸向移動。在該實例中，壓力傳輸部214以這樣的方式實現，即，壓力傳輸部214被製成為具 有兩個不同的直徑(見214A、214B)以改善裝置在用於對脈衝活塞201進行加壓和減壓的 通道220、221之間的壓力密封特性。然而，本發明不限於具有多個不同直徑的壓力傳遞部， 還可以在證明是適當的場合使用具有均勻直徑的壓力傳遞部。馬達207(馬達圓筒體)固 定地連接到圍繞脈衝活塞201的空心軸215。空心軸215在其遠離馬達207的端部通過花 鍵聯軸器或其他適當的聯軸器連接到呈閥盤216形式的第一閥部，圖3A中示出了閥盤216 的示例性實施方式。如圖3A所示，閥盤216包括內側孔組217和外側孔組218。外側孔組 218在周向上相對於內側孔組217角度偏移。在操作過程中旋轉的閥盤216與固定地連接 到機器殼體的諸如例如相應的閥盤或墊圈219那樣的第二閥部的反向運行，但是其中在墊 圈219中，外側孔組被布置為與內側孔組徑向對準，也就是說在周向上沒有所述的角度偏 移(見圖3C)。這樣，閥盤216和墊圈219的內側孔組和外側孔組在操作過程中交替地相遇，也就 是說，通向腔室206的通道要麼通過外側孔組218要麼可替換地通過內側孔組217打開。在 該實施方式中作為內側孔組217的一個孔組用於通過通道220來對腔室206加壓，而外側 孔組在該示例中用於通過通道221對所述腔室206進行排洩減壓。因此對於由馬達產生的每次旋轉，所示裝置對腔室206進行4次加壓和減壓，使得 脈衝活塞201的脈衝頻率為馬達207的旋轉頻率的4倍。所示裝置所具有的主要優點在於， 與TO2004/073933中所示的裝置相比，鑽機(衝擊裝置)的外徑可保持基本上更小，同時， 可以使用直徑相對較大的馬達而不偏離鑽機的其他設計相關限制的界線，如脈衝活塞直徑 等。而且，可以充分利用馬達的旋轉速度，也就是說，無需為了使鑽機的外徑而最小化而進 行任何齒輪減速。這樣所具有的優點例如在於，在隧道挖掘中，與傳統的衝擊式活塞方案相 比，可以通過高頻率實施鑽孔而不明顯增加所產生的移出多餘巖石。圖2A-B中所示的實施方式還有其它優點。其中一個實施方式在圖2B中例示，其 中馬達活塞222的回流通道212通向腔室206的回流通道，因此允許衝擊式裝置被製成為 具有單一的共有回流通道221。所示實施方式還具有的優點在於，在旋轉部件與非旋轉部件 之間不存在任何徑向的流體流動，因為壓力傳遞部214在旋轉方向上鎖止於機器殼體。圖2A-B中所示的實施方式還具有其它重要優點。壓力傳遞部214可以相對於機器 殼體213軸向移動，因此馬達閥210可以相對於機器殼體213軸向移動，並且馬達外殼207 可以相對於機器殼體213軸向移動，因此空心軸215和閥盤216可以相對於機器殼體213 軸向移動，這意味著分別在用於馬達驅動的液壓或脈衝活塞的驅動壓力(通過通道220)的 協助下可以方便地實現旋轉表面與非旋轉表面之間的適當密封，如在馬達殼體207與馬達 閥210之間，或者在閥盤216與壓力傳遞部214或墊圈219之間的適當密封。這就是說，密封作用取決於不同部件之間彼此壓靠所產生的壓力並可通過這種壓力受到控制，而這種壓 力接著又受控於用於各自壓力供給的壓力水平。因此通過優選地在製造過程中將壓力調節為適當水平，可以通過對壓靠表面處發 生的洩露進行控制以在這些表面處分別獲得期望的潤滑。因此，圖2A-B中所示的實施方式 構成了非常有利的驅動機構，該驅動機構尤其適合在驅動機構必須布置在脈衝活塞的驅動 表面與工具之間的脈衝發生裝置中使用。在圖4中示出了本發明的可替換實施方式，如同圖2中所示的實施方式那樣，該實 施方式包括相應工作的脈衝活塞301和用於脈衝活塞的驅動機構，該脈衝活塞在該情況下 還由軸向活塞馬達307驅動，如上所述，軸向活塞馬達307被設置為通過斜盤308的協助旋 轉。然而，根據該實施的裝置300與圖2中所示實施方式的不同之處在於，在該情況 下，壓力傳遞部314還被設計成在操作過程中旋轉。也就是說，在該示例中，不僅空心軸被 馬達307驅動旋轉，還有壓力傳遞部314整體也被馬達307驅動旋轉。這還意味著，在該施 方式中，圖IA-B中所示的閥盤構成了壓力傳遞部314的一體的部分。這例如可以通過以 下方式實現，即壓力傳遞部314在其遠離馬達307的端部被配置成具有通道以例如獲得類 似圖3A中所示閥盤216的剖面，在這種情況下，當壓力傳遞部通過旋轉以與上述第一閥部 (閥盤216)相對應的方式與鎖止於機器殼體的第二閥體相互作用時，可以獲得與圖2A-B中 所示的相對應的工作過程，其中第二閥體諸如為與上述閥盤219相對應的閥盤。圖4中所示的實施方式並不具有通過圖2A-B中的方案所獲得的如下優點沿徑向 的壓力傳遞產生於在旋轉方向上鎖止在一起的部件之間，也就是說，在圖2A-B中，壓力傳 遞部214在旋轉方向上鎖止於機器殼體。相比之下，在圖4中，壓力傳遞通過旋轉壓力傳遞 部與機器殼體之間的徑向聯接產生。然而，在圖4中所示的實施方式中，繼續在各自閥部之 間產生軸向壓力傳遞。本發明可與這樣的脈衝發生裝置一起使用，該脈衝發生裝置包括用於對所述壓力 腔室中的壓力下降過程進行調節的控制器件。可以通過例如藉助回流通道221上的節流閥 對壓力下降過程進行控制來控制衝擊波的形態。在專利說明書W02006/126932中示出了這 種控制系統的示例。本發明還可用於這樣的方案，在這些方案中，至少部分地基於在工具/巖石處所 反射的能量對衝擊器件與工具之間的相互作用進行控制，該能量通過鑽杆返回到鑽機。在 專利說明書W02006/126933中示出了這些方案的示例。在以上描述中，通過結合具體類型的脈衝發生裝置對本發明進行了描述，在這種 脈衝發生裝置中，使用在遠離工具的方向上進行作用的壓力腔室以通過加壓來實現彈性能 的存儲並通過減壓來釋放該彈性能。然而，本發明也適用於對主要呈彈性能形式的衝擊波 進行傳遞的其他類型的脈衝發生裝置，諸如例如上述專利說明書中所示的脈衝發生裝置。
權利要求
一種用於在工具中產生衝擊波的脈衝發生裝置(200；300)，其中，所述脈衝發生裝置(200；300)包括衝擊器件(201；301)，所述衝擊器件(201；301)用於將能量傳遞到與所述工具連接的鑽杆(202)；能量傳遞引起所述衝擊波，其中所述能量主要由存儲的彈性能構成；所述脈衝發生裝置(200；300)包括用於對所述衝擊器件(201；301)與所述鑽杆(202)之間的相互作用進行控制的控制器件；且用於對所述衝擊器件(201；301)與所述鑽杆(202)之間的相互作用進行控制的所述控制器件包括馬達(207；307)，其中所述馬達(207；307)被設計成通過旋轉使通道交替地打開以對作用於所述衝擊器件(201；301)的至少一個驅動表面(205)進行加壓和減壓，其特徵在於，所述馬達(207；307)的旋轉軸線被布置成與所述鑽杆(202)基本上同軸。
2.根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述馬達(207；307)被設計成通過液壓 工作器件和/或氣動工作器件來旋轉。
3.根據權利要求1或2所述的裝置，其特徵在於，將所述馬達(207；307)布置成相對 於作用於所述衝擊器件(201 ；301)的至少一個驅動表面(205)更靠近所述脈衝發生裝置 (200 ；300)面向所述工具的端部。
4.根據權利要求1中所述的裝置，其中，在所述能量傳遞中，所述衝擊器件(201；301) 沿所述工具的方向進行少量移動。
5.根據前述權利要求中的任一項所述的裝置，其特徵在於，所述馬達(207;307)被設 計成使第一閥部(216)旋轉，其中所述第一閥部(216)相對於第二閥部(219)的旋轉使通 道交替地打開以至少對作用於所述衝擊器件(201 ；301)的所述驅動表面(205)分別進行加 壓和減壓。
6.根據權利要求5所述的裝置，其特徵在於，所述馬達(207;307)被設計成使空心軸(215)繞著所述鑽杆(202)和/或鑽杆部件的至少一部分周向旋轉，所述空心軸(215)被設 計成在操作過程期間使所述第一閥部旋轉。
7.根據權利要求5所述的裝置，其特徵在於，所述第一閥部由閥盤(216)構成。
8.根據權利要求5所述的裝置，其特徵在於，所述第一閥部(216)相對於所述第二閥 體(219)的旋轉使通道在基本上為軸向的方向上交替地打開，以至少對作用於所述衝擊器 件(201 ；301)的所述驅動表面(205)分別進行加壓和減壓。
9.根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述脈衝發生裝置(200；300)包括壓力 腔室(206)，所述壓力腔室(206)在遠離所述工具的方向上朝著所述衝擊器件(201 ；301) 進行作用，所述馬達(207 ；307)被設計成通過旋轉使通道交替地打開和關閉以對所述壓力 腔室(206)分別進行加壓和減壓。
10.根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述馬達(207;307)由軸向活塞馬達 (207 ；307)構成。
11.根據權利要求9所述的裝置，其特徵在於，所述脈衝發生裝置(200；300)包括用於 對所述壓力腔室(206)中的壓力下降過程進行調節的控制器件。
12.根據權利要求5所述的裝置，其特徵在於，所述脈衝發生裝置(200；300)還包括壓 力傳遞部(214;314)，所述壓力傳遞部(214;314)用於將加壓的流體傳遞到所述第一閥部(216)。
13.根據權利要求12所述的裝置，其特徵在於，所述壓力傳遞部(214;314)相對於圍 繞的殼體在旋轉方向上被鎖止。
14.根據權利要求12所述的裝置，其特徵在於，所述壓力傳遞部(214;314)能夠相對 於圍繞的殼體軸向移動。
15.根據前述權利要求中的任一項所述的裝置，其特徵在於，所述存儲的彈性能主要由 存儲在衝擊器件(201 ；301)和/或儲能器(204)中的彈性能構成。
16.一種巖石鑽機，其特徵在於，所述巖石鑽機包括根據權利要求1-15中的任一項所 述的脈衝發生裝置(200;300)。
全文摘要
本發明涉及一種用於在工具中產生衝擊波的脈衝發生裝置，其中，所述脈衝發生裝置包括用於將能量傳遞到與所述工具連接的鑽杆(202)的衝擊器件(201；301)，其中能量傳遞引起所述衝擊波，其中所述能量主要由存儲在衝擊器件(201；301)和/或能量存儲器中的彈性能構成。所述脈衝發生裝置包括用於對衝擊器件(201；301)與鑽杆(202)之間的相互作用進行控制的控制器件，其中用於對衝擊器件(201；301)與鑽杆(202)之間的相互作用進行控制的所述控制器件包括馬達(207；307)，所述馬達(207；307)被設計成通過旋轉使通道交替地打開以對作用於所述衝擊器件(201；301)的至少一個驅動表面(205)進行加壓和減壓。本發明的特徵在於，所述馬達(207；307)的旋轉軸線被布置成與鑽杆(202)基本上同軸。
文檔編號B25D17/24GK101842194SQ200880114201
公開日2010年9月22日 申請日期2008年12月17日 優先權日2007年12月21日
發明者弗雷德裡克·薩夫 申請人:阿特拉斯·科普柯鑿巖設備有限公司