產生應力脈衝的衝擊裝置及其方法
2023-05-03 08:18:56 1
專利名稱：產生應力脈衝的衝擊裝置及其方法
技術領域：
本發明涉及一種壓力流體操作的衝擊裝置，它包括可在縱向上以可移動方式安裝有工具的框架，控制衝擊裝置進給的壓力流體的控制機構以及在上述工具上通過壓力流體的壓力產生應力脈衝的機構。本發明還進一步涉及一種在壓力流體操作的衝擊裝置上產生應力脈衝的方法。
背景技術：
在現有衝擊裝置中，通過往復移動衝擊活塞產生行程，通常液壓或氣動驅動，在某些時候，也可以電動驅動或通過燃燒機構驅動。當衝擊活塞撞擊柄部或工具的衝擊面時，在鑽杆等工具上就會產生應力脈衝。
現有衝擊裝置的問題在於衝擊活塞的往復運動會產生動態加速力，使裝置的控制複雜化。當衝擊活塞在衝擊方向上加速時，衝擊裝置的框架卻同時趨於在相反方向上移動，因而就會減小鑽頭或者工具端部相對於待加工材料的壓緊力。為了保持鑽頭或者工具相對於待加工材料具有足夠高的壓緊力，必須將衝擊裝置朝向這些材料牢固地推動。這就需要在衝擊裝置的支承或其他結構上考慮施加額外的應力，因此上述裝置就會變得足夠大、笨重且製造成本過高。由於它的質量，衝擊活塞動作會很緩慢，所以就會限制衝擊活塞的往復頻率乃至衝擊頻率，與此相反，為了提高衝擊裝置的效率，卻應該明顯將頻率加以增大。但是在目前的解決方案中，這就會導致更低的效率，因此在實踐中是不可能增大衝擊裝置的上述頻率的。
發明內容
本發明的目的就是提供一種衝擊裝置，能夠使這些衝擊裝置操作產生的動力缺陷小於現有方案中的缺陷，並提供一種產生應力脈衝的方法。根據本發明的衝擊裝置的特徵如下該衝擊裝置包括完全充滿壓力流體的工作腔，在工作腔內在工具的縱向上可相對框架移動設置的傳動活塞，至少在產生應力脈衝時朝向上述工具且直接或間接和上述工具相接觸的傳動活塞的端部，上述傳動活塞可在軸向上在另一側相對於工具，設置有朝向上述工作腔的壓力面。
上述衝擊裝置包括蓄能機構，用以將壓力流體的能量供給上述衝擊裝置，其對產生應力脈衝是必要的，其中，上述控制機構連接得可周期交替地使壓力高於工作腔內壓力流體壓力的壓力流體流入工作腔，因此使工作腔內的壓力突增，所以一個力在工具方向上推動傳動活塞，並在縱向上壓緊上述工具，從而在工具上產生應力脈衝，基本在作用在上述工具端部上的力終止的同時，結束產生應力脈衝，並從工作腔釋放壓力流體。
根據本發明的方法，特徵在於，壓力高於工作腔內壓力流體壓力的壓力流體被供給衝擊裝置的工作腔，該工作腔完全充滿壓力流體，因工作腔內的壓力突增而在工具的方向上產生一個推動傳動活塞的力，並在縱向上壓緊上述工具，從而在工具上產生應力脈衝，在結束產生應力脈衝的同時，終止作用在上述工具端部上的力，並從工作腔釋放壓力流體。
本發明的主題在於在壓縮流體時利用流體中的能量產生衝擊，並利用加壓流體突然影響設置在工作腔內的傳動活塞，將能量傳遞到工具中，從而因壓力脈衝的影響而使傳動活塞在軸向壓緊工具，朝向工具產生衝擊即應力脈衝。本發明另一優選實施例的主題在於為了蓄能，衝擊裝置設置了使壓力流體從壓力流體泵流入的蓄能空間，為了產生應力脈衝，壓力流體可周期地從蓄能空間排出，以作用傳動活塞，從而產生應力脈衝。而且第二優選實施例的主題在於，蓄能空間的體積要大於在產生一個應力脈衝過程中供給工作腔的壓力流體量，最好是大到至少大於5-10倍。而且，本發明第三優選實施例的主題在於，在衝擊裝置操作時壓力流體可連續地供給蓄能空間。
本發明的優點在於脈衝狀衝擊運動並不需要往復移動衝擊活塞，因而在衝擊方向上就不會來回移動較大的質量，和已知方案的往復笨重衝擊活塞相比，動態應力很小。這種結構的另一種優點就是它非常簡單，因而易於實施。
附圖簡要說明根據附圖，可以更詳細地敘述本發明，其中
圖1簡要示出了本發明中衝擊裝置的操作原理。
圖2簡要示出了本發明中衝擊裝置的一個實施例。
圖3簡要示出了本發明中衝擊裝置的第二實施例。
圖4a、4b簡要示出了本發明中衝擊裝置實施例所獲得的應力脈衝。
圖5a、5b簡要示出了圖4a、4b中衝擊裝置實施例的脈衝能量和能量損失。
圖6a、6b簡要示出了本發明中衝擊裝置的第三實施例。
圖7簡要示出了本發明中衝擊裝置的第四實施例。
具體實施例方式
圖1簡要示出了本發明中衝擊裝置的操作原理。在圖1中示出了衝擊裝置1及其框架2，在縱向方向上相對衝擊裝置1，在框架2的一端以可移動的方式安裝著工具。衝擊裝置進一步包括設置在框架2內的蓄能空間4，或者它還可以是與框架2相連的單個壓力流體罐。此外，這可替換地由虛線2a所敘述，指示出單個框架和壓力流體罐之間的一個可能連接點。蓄能空間4還可包括一個或多個蓄液器。蓄能空間4完全由壓力流體所填充。當衝擊裝置在操作時，壓力流體通過壓力流體泵5經由進入管道6連續地供給蓄能空間4。通過進給通道4a，蓄能空間4進一步和控制供給工作腔8的壓力流體的控制閥7相連。在工作腔8中，在工作腔和工具3之間設置著傳動活塞9，該活塞能夠在工具3的軸向上相對框架2移動。工作腔8還可以完全由壓力流體所填充。在蓄能空間4內影響壓力流體的壓力可擠壓著壓力流體。
當使用時，衝擊裝置向前推，以便於至少在應力脈衝產生過程中，工具3的端部可直接或經由柄部等單獨的連接件牢固地壓靠在上述傳動活塞9上。因此只要在應力脈衝開始產生時它就立即作用在工具上，該傳動活塞就和工具幾乎不接觸。當通過控制閥7，壓力流體突然從蓄能空間4流入工作腔8時，它會使傳動活塞的壓力面9a在軸向上遠離上述工具。加壓流體向工作腔8的這種突然流動會產生一種壓力脈衝，因此產生一個作用在傳動活塞9的應力，朝向工具3推動傳動活塞9，因而在縱向上推壓該工具。所以在鑽杆或其他工具上產生一個應力脈衝，作為一種波動在工具端部上傳遞。如同現有衝擊裝置一樣，上述應力脈衝在待加工材料中產生一種衝擊。在產生應力脈衝之後，蓄能空間4和工作腔8之間的連通被控制閥7切斷，從而停止應力脈衝產生，通過將工作腔8經由返回通道10連接到壓力流體罐11處，釋放工作腔8的壓力。
傳動活塞9在工具3中產生的應力還可以通過其他方式停止，而不只是停止壓力流體向工作腔8的供給。這可以是傳動活塞9運動到停靠在凸臺2』上，其中傳動活塞9之後的壓力不會再將它相對框架2朝向工具3推動。在該實施例中，壓力流體還可以從工作腔8經由返回通道10流入壓力流體罐11中，以便於活塞9能夠返回到原始位置。
因作用在工作腔8中的壓力脈衝所產生的應力而使在工具3上產生的應力脈衝幾乎和工具端部的應力影響同時結束，所以儘管其間可能產生延遲，但也無關重要。
為了使足夠的能量傳遞到工作腔8中，並傳遞到傳動活塞9中，在一個應力脈衝產生期間，蓄能空間4的體積基本上大於供給到工作腔8的壓力流體的體積。而且蓄能空間4和工作腔8之間的距離相對比較短，因此進給通道4a的截面面積應該相對較大，從而使流量損失儘可能的小。
圖2簡要示出了本發明中衝擊裝置的實施例。在該實施例中，壓力流體經由進入通道6供給到蓄能空間4。在該實施例中，控制閥7是一種旋轉閥，包括環繞工作腔8和活塞9的套筒狀控制元件7a。控制元件7a設置有一或多個開口，可以周期交替地使壓力流體從蓄能空間4經由進給通道4a流入到工作腔內，並且，類似的，流出工作腔。
蓄能空間4和控制閥7之間進給通道4a的長度為Lk。在控制元件7a的開口打開進給通道4a到工作腔8的連通之前，蓄能空間4和進給通道4a內的壓力是相同的，即均為pi。相應地，工作腔內的壓力為「罐壓」，即工作腔內的壓力接近為零。當旋轉過程中，控制閥7達到這樣一個位置，即在該位置處，控制元件7a的開口打開進給通道4a通向工作腔8的連通，壓力流體就流向工作腔。在控制閥之外，進給通道4a內的壓力下降，而工作腔內的壓力卻增加，從而使它們的壓力大小相等。同時，產生負壓波動，在進給通道4a內朝向蓄能空間4傳遞。到達蓄能空間4的負壓波動時間為tk。可通過下列公式確定延遲時間tk＝Lk/Coil其中Coil為壓力流體中的聲速。當壓力波動到達蓄能空間4時，進給通道4a的壓力開始下降，同時壓力流體從大致恆壓的蓄能空間流入到進給通道4a內。這就產生一個正壓波動，經由進給通道4a朝向工作腔8傳遞。如果進給通道4a經由控制閥的控制元件7a開口的連通仍然打開，則正壓波動進入到工作腔內。如果工作腔8內的壓力再次低於蓄能空間4內的壓力，則會產生新的負壓波動，再次朝向蓄能空間4傳遞，並再次會作為正壓波動反射回來(reflected back)。在工作腔8和蓄能空間4之間的壓力變得平穩或者控制閥7切斷它們之間的連通之前，都一直會重複這種現象。當進給通道4a和工作腔8之間的連通打開，選擇進給通道的長度Lk，使壓力波動具有足夠的時間來經歷至少來回一次距離Lk時，就會在工作腔8內產生一個漸進的增壓。因此，在工具3內產生的應力脈衝也會在形狀上是漸進的。
圖3簡要示出了本發明中衝擊裝置的第二實施例。它示出了壓力流體從蓄能空間4經由兩個單個進給通道4a1、4a2供給到工作腔8內。為了簡潔起見，如圖所示，上述蓄能空間隔開成兩個單個的裝置。
在該實施例中，長度為Lk1且截面面積為Ak1的進給通道4a1從蓄能空間4延伸到控制閥7。而這些長度和截面面積均大於第二進給通道4a2的長度Lk2和截面面積Ak2。在該實施例中，應力脈衝以大致和圖2中所述的相同方式產生。但是，由於進給通道4a1、4a2的尺寸不同，所以壓力波動在進給通道中行進的時間卻不同。因此由於進給通道4a1、4a2的截面面積不同，所以壓力波動在進給通道4a1、4a2中對工作腔8內增壓的影響也不同。由於壓力波動的相關體積變化也比較小，所以在較小進給通道4a2中的壓力波動進入工作腔8所產生的增壓比較小。與僅僅是利用一個進給通道的情況相比，通過合適地選擇進給通道4ai(i＝1-n)的長度和截面面積，就可以更有效地調節工作腔8的增壓。儘管數目為三個的進給通道的合適長度就足以使應力脈衝的形狀和強度能夠在所需方式下進行有效調節，但是如有需要，進給通道的數量也可以是一個，兩個或多個。
圖4a、4b簡要示出了圖2、3中分別示出的實施例所產生的應力脈衝的形狀和強度。圖4a示出了根據圖2所示實施例的應力脈衝，首先示出了如何打開控制閥，使應力脈衝從零上升到大致40Mpa，隨後反映出應力脈衝進行第二次增大，應力的最終峰值為大致90Mpa。圖4b的坐標圖利用了具有不同尺寸的三個進給通道。圖4b示出了根據圖3中實施例產生的應力脈衝。首先，因兩個進給通道4a1、4a2中的壓力脈衝影響而使應力增加，總體上增加到120Mpa。因此，在蓄能空間內的壓力相同，使應力脈衝產生更希望的形狀，同時相比圖2所示的實施例，應力脈衝的最大值增加大約30％。類似地，這還可以應用到很多實施例中。使用多個不同進給通道還可以提高衝擊裝置的效率。由於上述閥在某種程度上總是作為油嘴(choke)操作，所以總是會損失能量，這可以由下列公式計算出Eh=lqpdt,]]>其中q是流經油嘴的流量，Δp是油嘴上的壓差。通過利用適當長度的壓力流體進給通道，控制閥上的壓差就會非常快速地平穩，而不需要蓄能空間4和工作腔8內的壓力相同。因此，控制閥引起的能量損失就會很小。
圖5a、5b示出了圖4a、4b中實施例產生的脈衝能量以及控制閥的油嘴中的能量損失。如圖所示，在設有一個進給通道的實施例中，脈衝能量的最大值大約為35J，而能量損失大約為10J。在利用三個進給通道的實施例中，脈衝能量大約為55J，而能量損失大約為13J，其中根據圖5a的淨收益大約為25J，根據圖5b的淨收益為42J。
圖6a、6b示出了在調節應力脈衝的形狀和特性時調節進給通道長度的方法。該實施例採用了這樣一種方案，其中進給通道4a的連通長度Lki可通過設置在蓄能空間4內的調節套4b來進行調節。通過移動調節套4b的位置，使進給通道4a和工作腔8之間的連接靠近或遠離蓄能空間4，以便於壓力流體流和其對應力脈衝的影響都能夠相應地變化。圖6b示出了根據圖6a沿線A-A切開的實施例。
圖7簡要示出了本發明中衝擊裝置的進給通道長度調節的另一實施例。該實施例採用了設置在一個或多個進給通道內的調節套4b1、4b2，在圖7所示的實施例中為兩個進給通道4a、4a2，這些調節套可以沿著進給通道的縱向朝向工作腔8移動，類似地，還可以遠離工作腔移動。因此就可以再次使進給通道從蓄能空間4延伸到工作腔8內，從而調節應力脈衝的形狀和其他特性。
在上述敘述和附圖中，通過示例公開了本發明，但是並不限定於此。所公開的實施例僅僅是簡要示出了本發明；類似地，涉及壓力流體進給的上述閥和連接件都僅僅是簡要地示出。本發明還可以利用任何合適的閥。關鍵在於，為了在工具上產生應力脈衝以及為了提供所需的衝擊頻率，在適當間隔內使用作為壓力脈衝進行輸送且作用到傳動活塞壓力面上的壓力流體，從而在工具上產生應力脈衝，該應力脈衝經由上述工具傳遞到待加工材料中。上述傳動活塞可以是和工具相分開的裝置，但是在某些情況下，也可以和工具形成一體。
權利要求
1.一種壓力流體操作的衝擊裝置包括在縱向以可移動方式安裝有工具(3)的框架(2)，控制衝擊裝置(1)進給壓力流體的控制機構(7)以及通過壓力流體的壓力在工具內產生應力脈衝的機構，其特徵在於，上述衝擊裝置(1)包括完全充滿壓力流體的工作腔(8)，在工作腔(8)內在工具(3)的縱向上相對框架(2)以可移動方式設置的傳動活塞(9)，至少在產生應力脈衝時朝向上述工具(3)且直接或間接和上述工具(3)相接觸的傳動活塞端部，上述傳動活塞在其軸向上的另一側相對於工具(3)，設置有朝向上述工作腔(8)的壓力面(9a)；上述衝擊裝置(1)包括蓄能機構，用以將對產生應力脈衝所必要的壓力流體的能量供給上述衝擊裝置，其中，上述控制機構連接得能夠周期交替地使壓力高於工作腔(8)內壓力流體壓力的壓力流體流入工作腔(8)，因此使工作腔(8)內的壓力突增，進而產生一個力，所述力在工具(3)方向上推動傳動活塞(9)，並在縱向上壓緊上述工具(3)，從而在工具(3)上產生應力脈衝，幾乎在作用在上述工具(3)端部上的力終止的同時，結束產生應力脈衝，並因此從工作腔(8)釋放壓力流體，以使傳動活塞(9)返回到它的原始位置。
2.如權利要求1所述的衝擊裝置，其特徵在於，為了停止上述力的作用，上述控制機構連接得以防壓力流體進入工作腔(8)。
3.如權利要求1所述的衝擊裝置，其特徵在於，上述控制機構連接得使通過壓力流體從工作腔(8)排出，來停止力的影響。
4.如權利要求1所述的衝擊裝置，其特徵在於，包括止擋件，用於在工具(3)的方向上止擋傳動活塞(9)的運動，以便於力作用在工具端部。
5.如前述任一項權利要求所述的衝擊裝置，其特徵在於，上述衝擊裝置(1)包括一個作為蓄能機構的、完全充滿加壓流體的蓄能空間(4)，與在產生一個應力脈衝時流入工作腔(8)的壓力流體量的體積相比，所述蓄能空間(4)的體積更大。
6.如權利要求5所述的衝擊裝置，其特徵在於，當衝擊裝置操作時，壓力流體供給到蓄能空間(4)，以便於在蓄能空間(4)內保持預定的壓力，上述控制機構連接得能夠周期交替地使壓力流體從蓄能空間(4)流入到工作腔(8)內，從而關閉蓄能空間(4)和工作腔(8)之間的連通。
7.如權利要求1或2所述的衝擊裝置，其特徵在於，上述控制機構包括一個旋轉控制閥(7)，該閥在旋轉方向上包括多個連續的開口，從而將壓力流體從蓄能空間(4)經由多個進給通道(4a)同時供給到工作腔(8)。
8.如權利要求7所述的衝擊裝置，其特徵在於，每一進給通道(4a)的長度和截面彼此相同。
9.如權利要求1-7任一項所述的衝擊裝置，其特徵在於，包括至少兩個進給通道(4a1、4a2)，所述進給通道的長度和/或截面面積不同，且從蓄能空間延伸到工作腔(8)。
10.如權利要求9所述的衝擊裝置，其特徵在於，包括至少一個閥，用以啟動和關閉上述長度和/或截面面積不同的進給通道(4a1、4a2)。
11.如前述任一項權利要求所述的衝擊裝置，其特徵在於，至少一個進給通道(4a、4a1、4a2)從蓄能空間(4)到工作腔(8)的長度是可以調節的。
12.如權利要求5-11任一項所述的衝擊裝置，其特徵在於，上述蓄能空間(4)為罐，它的側壁因壓力影響而屈服，從而使蓄能空間的體積能夠隨壓力增加而增大。
13.如權利要求5-12任一項所述的衝擊裝置，其特徵在於，上述蓄能空間(4)為和框架(2)相隔開的罐。
14.如權利要求5-13任一項所述的衝擊裝置，其特徵在於，至少一個蓄能空間(4)為蓄液器。
15.如前述任一項權利要求所述的衝擊裝置，其特徵在於，上述傳動活塞(9)為薄膜式活塞。
16.如前述任一項權利要求所述的衝擊裝置，其特徵在於，上述衝擊裝置的進給力用於將傳動活塞(9)推回到其預定應力脈衝位置。
17.如前述任一項權利要求所述的衝擊裝置，其特徵在於，包括用於使傳動活塞(9)復位的機構，通過使作用在衝擊裝置(1)和傳動活塞(9)之間的單個力傳遞到傳動活塞(9)上、從而相對上述衝擊裝置在它的預定應力脈衝位置上施加衝擊之後所述機構將傳動活塞(9)復位，上述力朝向工作腔(8)推動上述傳動活塞(9)。
18.如前述任一項權利要求所述的衝擊裝置，其特徵在於，在工作腔(8)內的傳動活塞(9)的運動長度為若干毫米。
19.一種在如權利要求1所述的壓力流體操作的衝擊裝置內產生應力脈衝的方法，其特徵在於，壓力高於工作腔(8)內壓力流體壓力的壓力流體被供給衝擊裝置(1)的工作腔(8)，該工作腔完全充滿壓力流體，因工作腔(8)內的壓力突增而在工具(3)的方向上產生一個推動傳動活塞(9)的力，所述力並在縱向上壓緊上述工具(3)，從而在工具(3)上產生應力脈衝，幾乎在作用在上述工具(3)端部的力終止的同時，結束產生應力脈衝，並因此從工作腔(8)釋放壓力流體，以便於使傳動活塞(9)返回到它的原始位置。
20.如權利要求19所述的方法，其特徵在於，作為蓄能機構，完全充滿加壓流體的蓄能空間(4)，與在產生一個應力脈衝時流入工作腔(8)的壓力流體量的體積相比，所述蓄能空間(4)的體積更大。
21.如權利要求20所述的方法，其特徵在於，當衝擊裝置(1)操作時，壓力流體供給到蓄能空間(4)，以便於在蓄能空間(4)內保持預定的壓力，上述控制機構連接得能夠周期交替地使壓力流體從蓄能空間(4)流入到工作腔(8)內，從而關閉蓄能空間(4)和工作腔(8)之間的連通。
22.如權利要求19-21任一項所述的方法，其特徵在於，使用旋轉控制閥(7)作為控制機構，其包括多個在旋轉方向上的連續開口，從而將壓力流體從蓄能空間(4)經由多個進給通道(4a)同時供給到工作腔(8)。
23.如權利要求19-22任一項所述的方法，其特徵在於，壓力流體從蓄能空間(4)經由長度和/或截面面積相同的至少兩個進給通道(4a)供給到工作腔(8)。
24.如權利要求19-23任一項所述的方法，其特徵在於，壓力流體從蓄能空間(4)經由長度和/或截面面積不同的至少兩個進給通道(4a)供給到工作腔(8)。
25.如權利要求24所述的方法，其特徵在於，啟動和關閉在長度和/或截面面積不同的進給通道(4a1、4a2)，從而對應力信號特性進行調節。
26.如權利要求19-25任一項所述的方法，其特徵在於，至少一個進給通道(4a、4a1、4a2)從蓄能空間(4)到工作腔(8)的長度是能夠調節的。
27.如權利要求19-26任一項所述的方法，其特徵在於，使用罐作為蓄能空間(4)，它的側壁因壓力影響而屈服，從而使蓄能空間的體積能夠隨壓力增加而增大。
28.如權利要求19-27任一項所述的方法，其特徵在於，使用和框架(2)相隔開的罐作為上述蓄能空間(4)。
29.如權利要求19-28任一項所述的方法，其特徵在於，使用蓄液器作為至少一個蓄能空間(4)。
30.如權利要求19-29任一項所述的方法，其特徵在於，使用薄膜式活塞作為上述傳動活塞(9)。
31.如權利要求19-30任一項所述的方法，其特徵在於，利用上述衝擊裝置(1)的進給力將傳動活塞(9)推回到其預定應力脈衝位置。
32.如權利要求19-30任一項所述的方法，其特徵在於，將作用在衝擊裝置(1)和傳動活塞(9)之間的單個力傳遞到傳動活塞(9)上，從而相對上述衝擊裝置在它的預定應力脈衝位置上施加衝擊，此後將傳動活塞(9)復位，上述力朝向工作腔(8)推動上述傳動活塞(9)。
33.如權利要求19-32任一項所述的方法，其特徵在於，在產生應力脈衝時，傳動活塞(9)在工作腔(8)內移動若干毫米。
全文摘要
本發明涉及一種壓力流體操作的衝擊裝置，包括在縱向以可移動方式安裝有工具(3)的框架(2)，控制衝擊裝置(1)壓力流體進給的控制機構(7)。還涉及一種在壓力流體操作的衝擊裝置內產生應力脈衝的方法。上述衝擊裝置(1)包括工作腔(8)和在其內移動的傳動活塞(9)。用於為壓力流體蓄能的蓄能機構和控制機構連接得可周期交替地使壓力流體流入工作腔(8)，並相應地從工作腔(8)釋放壓力流體。在上述方法中，壓力流體供給工作腔(8)，在工具(3)的方向上產生一個推動傳動活塞(9)的力，從而在上述工具(3)上產生應力脈衝。
文檔編號B25D9/12GK1819898SQ200480019659
公開日2006年8月16日 申請日期2004年7月6日 優先權日2003年7月7日
發明者馬爾庫·克斯基尼瓦, 約爾馬·梅基, 毛裡·埃斯科, 埃爾基·阿霍拉, 艾莫·海林, 蒂莫·穆託寧 申請人:山特維克坦羅克有限公司