專利名稱：控制設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于在鑿巖的控制脈沖發(fā)生設(shè)備的設(shè)備和方法。 本發(fā)明還涉及一種脈沖發(fā)生設(shè)備。
背景技術(shù)：
在鑿巖時(shí)，使用一種鉆具，其通過一個或多個鉆柱組件連接到鑿 巖設(shè)備上。鉆鑿可以幾種方式進(jìn)行， 一種普通的方法是沖擊鉆鑿， 其中，采用脈沖發(fā)生設(shè)備，即撞擊工具，以通過前后運(yùn)動的沖擊活 塞產(chǎn)生沖擊。該沖擊活塞通常經(jīng)過釬尾撞擊鉆柱，以便將沖擊脈沖 經(jīng)過鉆柱傳遞到鉆具，而后傳遞到巖石，以傳送沖擊波的能量。沖 擊活塞靠液壓作用或壓縮空氣驅(qū)動，但也可用其它方式，比如電力 或某種形式的燃燒驅(qū)動。
其中沖擊波由沖擊活塞產(chǎn)生的脈沖發(fā)生設(shè)備具有如下問題沖擊 活塞的前后運(yùn)動導(dǎo)致動態(tài)加速力，該動態(tài)加速力對脈沖發(fā)生設(shè)備(撞 擊工具)具有不利影響，并由此對整個鑿巖設(shè)備具有不利影響。在 沖擊鉆鑿時(shí)，采用進(jìn)給力，以壓緊鑿巖設(shè)備，并由此將鉆柱和鉆具 緊壓在它前面的巖石上，以避免在沖擊時(shí)如果鉆具不與巖石接觸可 能產(chǎn)生的有害反射。在沖擊方向被加速的沖擊活塞仍然會在相反方 向上產(chǎn)生反力，該反力起作用，以在離開巖石的向后方向上移動鑿 巖設(shè)備。這些相反力意味著，需要增大進(jìn)給壓力，并因此使該鑿巖 設(shè)備必須為這些較大的力設(shè)定尺寸，其結(jié)果是得到全部比實(shí)際沖擊 波能量要求更大和更昂貴的設(shè)備。
極力要降低沖擊活塞的加速力問題，已生產(chǎn)出這樣的脈沖發(fā)生設(shè) 備，其中，沖擊波能量不由前后運(yùn)動的活塞傳遞，而是通過利用反 壓力室預(yù)加載沖擊元件來完成，由此，壓力脈沖利用沖擊元件通過
在反壓力室中突然減壓而傳遞到鉆柱。
根據(jù)當(dāng)前已知的技術(shù)，這種解決方案產(chǎn)生具有較低能量的沖擊 波，并且為了保持鉆鑿的效率，每個沖擊波中的較低能量由較高頻 率產(chǎn)生的沖擊波補(bǔ)償。
然而，沒有沖擊活塞的上述撞擊工具的遺留問題是，沖擊能量的 一部分被反射，并作為有害的能量返回到脈沖發(fā)生設(shè)備中。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種用于解決上述問題的脈沖發(fā)生設(shè)備的 控制設(shè)備。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種用于解決上述問題的脈沖發(fā)生 設(shè)備的方法。
這些和其它目的根據(jù)本發(fā)明通過如權(quán)利要求1所述的控制設(shè)備
和如權(quán)利要求16所述的方法實(shí)現(xiàn)。
根據(jù)本發(fā)明，提供一種用于脈沖發(fā)生設(shè)備的控制設(shè)備，該脈沖發(fā) 生設(shè)備用于在工具中引發(fā)沖擊波，所述脈沖發(fā)生設(shè)備包括用于將所 述沖擊波傳送到所述工具的沖擊元件、作用在沖擊元件上的反壓力 室和用于在反壓力室中減壓的設(shè)備?？刂圃O(shè)備包括用于在所述反壓 力室中控制減壓的裝置。這具有如下優(yōu)點(diǎn)可以根據(jù)鉆鑿材料的特 性控制沖擊波的上升時(shí)間和/或持續(xù)時(shí)間，使得沖擊波能量的較大部 分可由鉆鑿材料吸收，達(dá)到降低反射的結(jié)果。
用于減壓的裝置可包括用于連接到所述反壓力室的控制閥，該控 制閥包括至少一個開口 ，用于在操作期間通過釋放在反壓力室中所 裝的壓力介質(zhì)來控制所述減壓。減壓可通過控制該控制閥的開口進(jìn)
行控制。例如，控制閥可設(shè)計(jì)具有用于控制減壓的減壓凹口。這樣 具有以簡單方式可以控制減壓的優(yōu)點(diǎn)。
反壓力室可包括多個出口 ，這些所述出口可以控制方式開啟。出
口可具有不同的直徑。正因?yàn)槿绱耍ㄟ^適當(dāng)出口的開啟和關(guān)閉可 以簡單方式控制減壓。
所述出口通過一個或多個流動路徑可連接到一個或多個儲器上， 這些所述儲器在操作期間可被加壓到不同壓力，由此通過開啟所述
出口可在反壓力室中得到分級和/或持續(xù)減壓。這具有如下優(yōu)點(diǎn)可 實(shí)現(xiàn)減壓，且無與節(jié)流閥控制有關(guān)的能量損失。
本發(fā)明還涉及一種根據(jù)權(quán)利要求12所述的脈沖發(fā)生設(shè)備。


圖1表示本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例用于脈沖發(fā)生設(shè)備的控制設(shè)備的示 意橫截面。
圖2a-2e表示沖擊波和反射波的形狀的示例。
圖3a-c表示本發(fā)明控制設(shè)備的示例。
圖4a-b表示本發(fā)明控制設(shè)備的另一示例。
圖5表示本發(fā)明控制設(shè)備的另外示例。
圖6表示本發(fā)明控制設(shè)備的又一個示例。
圖7a-d表示可與本發(fā)明 一起使用的不同脈沖發(fā)生設(shè)備的示例。
具體實(shí)施例方式
圖1表示一種用于有利地與本發(fā)明一起使用的鑿巖設(shè)備的脈沖 發(fā)生設(shè)備IO。在操作期間，設(shè)備10通過由一個或多個鉆柱組件12a、 12b組成的鉆柱12連接到諸如鉆頭ll之類的鉆具上。在鉆鑿期間， 呈沖擊波形式的能量被傳遞到鉆柱12，而后從鉆柱組件12a、 12b傳 遞到鉆柱組件12a、 12b,最后通過鉆頭11傳遞到巖石14,用于將 巖石14破碎。
然而，在所示的設(shè)備10中，不采用前后運(yùn)動的活塞來產(chǎn)生沖擊 波，而是使用呈沖擊活塞15形式的可加載沖擊元件，該沖擊活塞15 通過作用在壓力區(qū)16上的壓力介質(zhì)的有效作用被推向與鉆柱12相 對的殼體17的端部。在操作期間，室18通過控制閥20加壓，使得 室18中的壓力作用在壓力區(qū)16上，并由此向殼體17的后端19推動 沖擊活塞15。室18從而起反壓力室的作用。
在已知技術(shù)中，控制閥20然后突然開啟，以在反壓力室18中立 即產(chǎn)生減壓，因此沖擊活塞15膨脹到其原始長度，并將勢能以沖擊 波的形式傳送到鉆柱12。這種突然減壓產(chǎn)生與由正常沖擊活塞產(chǎn)生 的沖擊波的形狀基本相同的沖擊波，該沖擊波主要是矩形形狀，參 見圖2a，該沖擊波通過鉆柱向鉆頭ll傳播，以便傳送到巖石14上。 然而，由于巖石14的特性，沖擊波的所有能量因?yàn)闆_擊波上升時(shí)間 短(參見圖2a中的t;在該圖中，為清楚起見，t被放大；t可能4艮短， 也就是邊緣可能很陡)而不能由巖石吸收，而是提供能量的一部分 被反射并通過鉆柱12返回到脈沖發(fā)生設(shè)備10，這對鑿巖設(shè)備具有不 利影響，并且可能引起各種組件磨損和嚴(yán)重?fù)p壞的后果。
圖2b表示隨典型巖石的穿透深度而變的穿透力的示例。從該圖 中可以看到，鉆頭可傳送到巖石的穿透力在沖擊時(shí)刻基本上是零 (d=0)，而后隨穿透深度按指數(shù)律地增加，直到?jīng)_擊波到達(dá)其端部， 且穿透度達(dá)到其最大值(d=dmax)，并因此不再有任何能量進(jìn)一步穿 透，此后穿透力迅速下降到零，并在圖中可以看到，鉆頭由于巖石 的彈性和/或反射作用稍微向后運(yùn)動。
通過以簡單方式從沖擊波曲線減去穿透曲線可得到反射波的曲 線。圖2c表示已知技術(shù)的設(shè)備的反射曲線的外形。由于鉆頭的穿透 力在沖擊時(shí)刻是零或基本上是零，所以在該時(shí)刻反射波的振幅基本 上將與沖擊波的振幅相對應(yīng)。如果沖擊波的邊緣非常陡，如圖2a中
那樣，因而這意味著，反射波將具有非常高并因此有害的初始振幅。 然而，通過本發(fā)明在圖1中所示的控制閥20，可以顯著減少這 些有害反射波。不使其突然發(fā)生減壓，可以控制所示設(shè)備IO中控制 閥20的開啟，也就是使控制閥20可以控制反壓力室18中的減壓。 通過控制該控制閥20的開啟，可控制在鉆柱中并因而在鉆頭中引發(fā) 的沖擊波的上升時(shí)間。這是非常有利的，因?yàn)殂@頭可傳送到巖石的 力隨著鉆頭的穿透深度而改變，如以上所示那樣。圖2d表示本發(fā)明 沖擊波的示例。如圖中所示那樣，沖擊波的邊緣與圖2a中的沖擊波 相比陡度顯著較小，為此，如圖2e中所示，反射波的振幅與已知技術(shù)相比顯著較低，并因此對鑿巖設(shè)備的損害較小。在理想的情況下， 邊緣的上升時(shí)間準(zhǔn)確地與鉆頭實(shí)現(xiàn)最大穿透度所占用的時(shí)間 一樣 長。這個時(shí)間根據(jù)正在鉆鑿的巖石的類型自然地變化，但是如果知 道巖石的類型，則可運(yùn)用上述經(jīng)驗(yàn)來選擇邊緣的上升時(shí)間?？刂崎y
20的開啟和關(guān)閉優(yōu)選地由計(jì)算機(jī)控制，并且操作數(shù)據(jù)的選擇例如可 通過操作人員將適當(dāng)數(shù)據(jù)輸入到鉆機(jī)的控制系統(tǒng)中進(jìn)行。另一種作 法是，鉆機(jī)可設(shè)有這種裝置，用來自動測量/計(jì)算鉆速和計(jì)算穿透時(shí) 間并由此根據(jù)這些值來計(jì)算邊緣上升時(shí)間的所需值。
在典型的實(shí)施例中，控制閥20可起到節(jié)流閥的作用，并且可布 置成通過控制節(jié)流直接控制開口。在圖3a-c中示意所示的實(shí)施例中， 控制閥30設(shè)計(jì)成節(jié)流閥，其中，在主通道31中的開口面積可自由地 控制。圖3a從側(cè)面表示處于部分開啟狀態(tài)的閥，其中，主通道31 的左側(cè)連接到反壓力室18上，而主通道31的右側(cè)連接到儲器(未示 出)上。通過控制節(jié)流滑板32，可得到所需開啟面積，并由此通過 調(diào)節(jié)流量可調(diào)節(jié)反壓力室18中的減壓。圖3b和3c表示可怎樣設(shè)計(jì) 節(jié)流滑板的開啟面積的示例。在兩個圖中，主通道31的面積是圓形 的，而在圖3b中，節(jié)流滑板的開口 33也是圓形的，并且在圖3c中， 節(jié)流滑板開口 34的大約一半是圓形的，還有大約一半是三角形的。 這種設(shè)計(jì)使能精密調(diào)節(jié)甚至非常小的流量。通過調(diào)節(jié)節(jié)流滑板的運(yùn) 動，可使沖擊波的邊緣按要求精確地成形。通過在反壓力室18中特 定剩余壓力下關(guān)閉閥，利用產(chǎn)生具有較低振幅的沖擊波同樣可控制 沖擊波的長度(也就是說，將該室中的壓力保持在恒定狀態(tài)，例如 初始壓力的四分之一或一半)。
在圖4a-4b示意所示的另一實(shí)施例中，控制閥40設(shè)有減壓凹口 41，以便得到壓力的平穩(wěn)調(diào)節(jié)。圖4a從側(cè)面表示控制閥40，而圖4b 從下面表示凹口。控制閥40具有用于連接到減壓室18的進(jìn)口 42和 引到儲器(未示出)的出口 43。另外，該閥設(shè)有用于開啟和關(guān)閉閥 40的閥滑板45。在圖4a中，表示閥處于其關(guān)閉位置，并且當(dāng)閥為產(chǎn) 生沖擊波要被開啟時(shí)，滑板45便運(yùn)動到圖中的右邊。當(dāng)閥到達(dá)位置 A (用虛線表示)時(shí)，在反壓力室18中的壓力介質(zhì)開始通過閥殼體 46中的減壓凹口 41被釋放到儲器中。在圖4b中可以看到，最初得 到非常小的開口面積，然后該開口面積隨滑板進(jìn)一步向右邊運(yùn)動變 得越來越大。通道打開得多快可通過凹口 41的使用以簡單方式控制。 通過修改凹口的形狀，可以簡單方式得到所需的開口。凹口還使通 過輕微運(yùn)動能實(shí)現(xiàn)非常好的控制。通過調(diào)節(jié)滑板的運(yùn)動，可使沖擊 波的邊緣按照要求準(zhǔn)確地成形。這時(shí)還有可能以反壓力室中的特定 剩余壓力關(guān)閉閥，以便控制沖擊波的長度。
4戈替4吏用單個減壓凹口 41，當(dāng)然也可以j吏用幾個減壓凹口 。本 領(lǐng)域的技術(shù)人員將會認(rèn)識到， 一個或多個凹口可交替地布置在閥滑 板45上。作為又一個選擇方案，滑板45和閥殼體46都可設(shè)有凹口。
即使上述的節(jié)流意味著能量由于節(jié)流而浪費(fèi)，但這種浪費(fèi)的能量 主要是"有害能量，，，為此，隨著正確的節(jié)流，對鑿巖裝置的性能的 不利影響只是非常小的程度，或者根本沒有影響。
圖5表示本發(fā)明控制裝置50的又一個替換實(shí)施例。如上所述， 反壓力室以上述方式加壓，但通過不同類型的節(jié)流閥調(diào)節(jié)減壓。反 壓力室51包括具有較小直徑的多個出口 52-56 (在所示實(shí)施例中為 五個，但這個數(shù)量當(dāng)然可從兩個以上自由變化)。出口 52-56的開啟 可以控制，因此，通過開啟和關(guān)閉適當(dāng)?shù)某隹?52-56可調(diào)節(jié)所述減壓。 在所示的示例中，所有出口均具有相同直徑，但出口當(dāng)然可具有不 同直徑。不同的出口 52-56連接到基本上不加壓的儲器57上，并通 過直徑的適當(dāng)選擇，出口 52-56起到節(jié)流閥的作用，由此，通過順序 開啟出口或通過組合順序開啟和并聯(lián)開啟，可得到壓力的不連續(xù)調(diào) 節(jié)。
圖6表示本發(fā)明的再一個替換實(shí)施例。
如圖5中精確地示出的那樣，反壓力室61設(shè)有多個出口 62-64， 但不是連接到不加壓的儲器上，而是這些出口的每個分別連接到加 壓的儲器65-67上，使每個儲器65-67被加壓到不同的壓力，并且所 有壓力均低于加壓的反壓力室中的對應(yīng)壓力。通過分階段地開啟出
口 62-64，使具有最高壓力的室65的出口首先開啟，得到階梯形沖 擊波邊緣。根據(jù)出口和儲器數(shù)量和出口直徑的選擇，同樣可得到連 續(xù)或?qū)嶋H上連續(xù)的上升邊緣。這種解決方案具有如下優(yōu)點(diǎn)沒有在 節(jié)流過程中轉(zhuǎn)換成熱量的能量消耗，因?yàn)檫@種能量基本上沒有損失 地被傳遞到加壓的儲器65-67中。
圖7a-7d表示有利地與本發(fā)明一起使用的脈沖發(fā)生設(shè)備的替換 實(shí)施例。
圖7a表示基本上具有與圖1中設(shè)備10相同功能的脈沖發(fā)生設(shè)備 70，但其中，有可能調(diào)節(jié)沖擊活塞的長度將要加載到多大。這通過 設(shè)有法蘭71-73的沖擊活塞來實(shí)現(xiàn)，在該法蘭71-73后面可檸緊夾具 74-76，以便加載沖擊活塞長度L1-L4的選擇長度。除本發(fā)明提供的 調(diào)節(jié)能力之外，這個實(shí)施例由此也使其有可能以不影響浪費(fèi)能量比 例的方式設(shè)定沖擊波的長度。
圖7b表示基本上也具有與圖1中設(shè)備10相同功能的脈沖發(fā)生設(shè) 備80，但其中，沖擊活塞81受到抗張應(yīng)力，而不是壓縮應(yīng)力。沖擊 活塞81的運(yùn)動由法蘭82限制，并且通過室83的加壓而加載。室83 準(zhǔn)確地起到圖1中反壓力室18的作用，并且通過室中減壓的調(diào)節(jié)， 可以如上所述那樣調(diào)節(jié)沖擊波的形狀。
圖7c表示完全按照圖l起作用的脈沖發(fā)生設(shè)備90,但其中，沖 擊活塞91上的壓力區(qū)92用來壓縮可壓縮材料93，而不是加載沖擊 活塞91。
圖7d表示與圖7b中設(shè)備相類似的脈沖發(fā)生設(shè)備100，但其中， 可壓縮材料101被壓縮，而不是沖擊活塞102受到抗張應(yīng)力。
上述設(shè)備也可設(shè)有這種裝置，用于在室的加壓已經(jīng)終止之后更進(jìn) 一步增大相應(yīng)反壓力室中的壓力。
這可例如通過利用增壓活塞減小反壓力室的體積來實(shí)現(xiàn)，這種體 積的減小增大了反壓力室中的壓力。增壓活塞也可用來更進(jìn)一步增 大圖7c和7d中可壓縮材料中的壓力。在圖7c中所示的設(shè)備中，螺 旋裝置還可用來更進(jìn)一步增大可壓縮材料的壓力，其作法是通過利
用螺旋裝置減小由可壓縮材料占據(jù)的體積，由此也增大了反壓力室 中的壓力。
更進(jìn)一步增大反壓力室中的壓力的這些方法具有如下優(yōu)點(diǎn)可以 得到較大的沖擊波振幅，并由此得到?jīng)_擊波形狀選擇的更大自由度。
備的示例，但是，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將要認(rèn)識到，本發(fā)明當(dāng)然可以 與任何脈沖發(fā)生設(shè)備一起作用，其中在一個(或多個)反壓力室中 減壓用來產(chǎn)生沖擊波。
在以上說明書中僅提到了沖擊鉆鑿。然而，這種沖擊鉆鑿當(dāng)然可 與以通常方式用于實(shí)現(xiàn)鉆鑿的鉆柱相結(jié)合，其中，鉆頭的鉆件每一 沖程都遇到新巖石(也就是說，不在以前沖擊已鉆成的眼中接觸)。 這提高了鉆鑿的效率。
權(quán)利要求
1.一種用于脈沖發(fā)生設(shè)備的控制設(shè)備，該脈沖發(fā)生設(shè)備用于在工具中引發(fā)沖擊波，其中，所述脈沖發(fā)生設(shè)備包括用于將所述沖擊波傳送到所述工具的沖擊元件、作用在沖擊元件上的反壓力室和用于在反壓力室中減壓的設(shè)備，其特征在于，所述控制設(shè)備包括用于在所述反壓力室中調(diào)節(jié)減壓的控制裝置。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，用于減壓的裝置 包括用于連接到所述反壓力室的控制閥，該控制閥包括至少一個開 口 ，該開口用于在操作期間通過釋放在反壓力室中所裝的壓力介質(zhì) 來控制所述減壓。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其中，所述控制裝置包括用于 通過控制該控制閥的開口而控制所述減壓的裝置。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其中，所述裝置包括控制所述 控制閥的開口面積。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2-4中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其中，控制閥設(shè)成 具有用于調(diào)節(jié)所述減壓的減壓凹口 。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2-5中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，控制 閥包括多個開口。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述壓力室包括多個出 口，這些所述出口以控制方式可被開啟，通過開啟和關(guān)閉適當(dāng)出口 可調(diào)節(jié)所述減壓。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其中，所述出口具有不同的直徑。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的設(shè)備，其特征在于，所述出口通 過一個或多個流動路徑連接到一個或多個儲器上，這些所述儲器在 操作期間能夠被加壓到不同壓力，由此通過開啟所述出口可在反壓 力室中得到分級和/或持續(xù)減壓。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其特征在于，所述流動路徑的 長度可被調(diào)節(jié)。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述控制設(shè)備包 括通過調(diào)節(jié)用于連接到反壓力室上的節(jié)流閥來控制所述減壓的裝 置。
12. —種用于在工具中引發(fā)沖擊波的脈沖發(fā)生設(shè)備，該所述脈沖 發(fā)生設(shè)備包括用于將所述沖擊波傳送到所述工具的沖擊元件，所述 沖擊波通過作用在沖擊元件上的反壓力室中的減壓被發(fā)射出來，其 特征在于，該設(shè)備包括根據(jù)權(quán)利要求1至11中任一項(xiàng)所述的控制設(shè) 備。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的設(shè)備，該設(shè)備另外包括用于將沖擊 元件置于加載狀態(tài)的裝置，由此，在反壓力室中的減壓將沖擊元件 從加載狀態(tài)中釋放，因此，在沖擊元件中儲存的勢能在朝向工具的 方向上以沖擊波形式被發(fā)射。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的設(shè)備，其中，用于將沖擊元件置于 加載狀態(tài)的所述裝置包括可被加壓的壓力室。
15. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的設(shè)備，其中，所述壓力室包括所述 反壓力室。
16. —種鉆機(jī)，其特征在于，該鉆機(jī)包括根據(jù)權(quán)利要求1至11 中任一項(xiàng)所述的控制設(shè)備。
17. —種用于脈沖發(fā)生設(shè)備的方法，該脈沖發(fā)生設(shè)備用于在工具 中引發(fā)沖擊波；所述脈沖發(fā)生設(shè)備包括用于將所述沖擊波傳送到所 述工具的沖擊元件、作用在沖擊元件上的反壓力室、和用于在反壓 力室中減壓的裝置，該方法包括步驟在所述反壓力室中調(diào)節(jié)減壓。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于在工具中引發(fā)沖擊波的脈沖發(fā)生設(shè)備的控制設(shè)備，其中，所述脈沖發(fā)生設(shè)備包括用于將所述沖擊波傳送到所述工具的沖擊元件、作用在沖擊元件上的反壓力室、和用于在反壓力室中減壓的設(shè)備?？刂圃O(shè)備包括用于在所述反壓力室中調(diào)節(jié)減壓的控制裝置。本發(fā)明還涉及一種脈沖發(fā)生設(shè)備。
文檔編號E21B44/06GK101180451SQ200680018034
公開日2008年5月14日 申請日期2006年5月19日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月23日
發(fā)明者K·韋德菲爾特 申請人:阿特拉斯科普科鑿巖機(jī)股份公司