專利名稱：用于控制巖石鉆孔設(shè)備中的壓縮機(jī)的方法和系統(tǒng)以及巖石鉆孔設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于控制壓縮機(jī)的方法和系統(tǒng)，并且特別是涉及一種用于控制巖石鉆孔中的壓縮機(jī)的方法。本發(fā)明還涉及一種系統(tǒng)以及一種巖石鉆孔設(shè)備。
背景技術(shù)：
在巖石鉆孔期間通常使用諸如為鉆頭的鉆具，鉆頭通常借助于由一個(gè)或更多個(gè)鉆桿部件組成的鉆柱連接到鉆孔機(jī)器。鉆孔能夠以例如旋轉(zhuǎn)鉆孔的各種方式來(lái)完成，在旋轉(zhuǎn)鉆孔中，鉆具被以高壓力朝向巖石推動(dòng)并隨后壓碎巖石。執(zhí)行鉆孔的另一方式是使用沖擊鉆孔機(jī)器，在該沖擊鉆孔機(jī)器中，鉆柱設(shè)置有鉆削釬尾，活塞擊打到鉆削釬尾上以將沖擊脈沖經(jīng)由鉆柱傳遞到鉆具，并隨后進(jìn)一步傳遞到巖石。沖擊鉆削通常與鉆柱的旋轉(zhuǎn)結(jié)合，以便獲得鉆頭的球齒在每個(gè)行程中撞擊新鮮巖石的鉆削(鉆削的效率可以通過(guò)使鉆頭的球齒避免撞擊已經(jīng)由先前的撞擊產(chǎn)生的孔而得到提高。同時(shí)減小了鉆頭球齒的磨損)。上述鉆孔方法的共同之處在于在鉆孔期間形成的鉆孔殘留物，所謂的鉆屑，必須從孔中排出，使得鉆具總是能夠緊靠新鮮巖石工作并且不會(huì)將能量浪費(fèi)在已經(jīng)壓碎的巖石上。因此，通常使用諸如為壓縮空氣的沖洗介質(zhì)來(lái)沖洗鉆孔以沖洗壓碎的巖石。壓縮空氣從壓縮機(jī)中獲得，該壓縮機(jī)與巖石鉆孔設(shè)備中存在的其他消耗裝置類似，都由諸如為內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)。通常，各種不同的消耗裝置由巖石鉆孔設(shè)備中的同一動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)，這導(dǎo)致動(dòng)力源必須至少以最小速度被全時(shí)驅(qū)動(dòng)，這取決于連接至動(dòng)力源的消耗裝置。動(dòng)力源的速度必須足夠高，以確保此刻具有最高需求的消耗裝置將獲得足夠的動(dòng)力來(lái)確保所需的功能。這種解決方案的優(yōu)點(diǎn)在于能夠?qū)⒁粋€(gè)且同一個(gè)動(dòng)力源用作用于存在于鉆機(jī)中的諸如為壓縮機(jī)、液壓泵/馬達(dá)、沖擊機(jī)構(gòu)等等的所有消耗裝置的動(dòng)力源。然而，該解決方案具有以下缺點(diǎn)即，許多時(shí)候，動(dòng)力源的實(shí)際速度對(duì)所有消耗裝置不是最佳的。例如，壓縮機(jī)的動(dòng)力需求(巖石鉆孔設(shè)備對(duì)壓縮空氣的需求)可能小于沖擊機(jī)構(gòu)的動(dòng)力需求(向沖擊機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力的液壓泵)，這導(dǎo)致在鉆孔期間消耗了比必須的動(dòng)力更多的動(dòng)力，使得消耗了大量的燃料并因而產(chǎn)生了熱量和噪音。因此存在對(duì)一種巖石鉆孔設(shè)備中的消耗裝置的改進(jìn)的控制的需要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種用于控制巖石鉆孔設(shè)備中的壓縮機(jī)的方法，該方法解決了上面所提到的問(wèn)題。該目的通過(guò)根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法而實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明涉及一種用于控制巖石鉆孔設(shè)備中的壓縮機(jī)的方法，所述巖石鉆孔設(shè)備包括用于在巖石鉆孔過(guò)程中驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)的動(dòng)力源，所述壓縮機(jī)設(shè)置成根據(jù)第一模式以及根據(jù)第二模式運(yùn)轉(zhuǎn)，其中，在所述第一模式中，由壓縮機(jī)產(chǎn)生的功設(shè)置成通過(guò)控制所述壓縮機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度來(lái)控制，并且其中，在所述第二模式中，由壓縮機(jī)產(chǎn)生的功設(shè)置成通過(guò)控制壓縮機(jī)進(jìn)氣口處的氣體流量來(lái)控制。該方法包括-確定表示對(duì)來(lái)自所述壓縮機(jī)的功的需求的參數(shù)值，-當(dāng)表示對(duì)來(lái)自所述壓縮機(jī)的功的需求的所述參數(shù)值超過(guò)第一需求時(shí)，根據(jù)所述第一模式來(lái)控制壓縮機(jī)，以及-當(dāng)表示對(duì)來(lái)自所述壓縮機(jī)的功的需求的所述參數(shù)值低于所述第一需求時(shí)，根據(jù)所述第二模式來(lái)控制壓縮機(jī)。這具有以下優(yōu)點(diǎn)總是能夠以使得壓縮機(jī)不消耗比實(shí)際所需動(dòng)力更多的動(dòng)力的方式來(lái)控制壓縮機(jī)，使得能夠減小多余的燃料消耗以及與其有關(guān)的熱量及噪音的產(chǎn)生。根據(jù)本發(fā)明，壓縮機(jī)被控制成使其精確地、或大致精確地產(chǎn)生目前所需的功，例如，所需的沖洗空氣流量。根據(jù)本發(fā)明，這通過(guò)分別選擇性地速度控制壓縮機(jī)(動(dòng)力源)以及控制(節(jié)制)壓縮機(jī)進(jìn)氣口處的進(jìn)氣流量來(lái)實(shí)現(xiàn)，使得由壓縮機(jī)產(chǎn)生的功(例如，傳送的流量)能夠設(shè)定在所需的水平。由壓縮機(jī)產(chǎn)生的功因而通過(guò)控制壓縮機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度和/或控制壓縮機(jī)進(jìn)氣口處的氣體流量來(lái)控制。這使得能夠通過(guò)將壓縮機(jī)進(jìn)氣口精確地節(jié)制到產(chǎn)生所需功需要的程度以給定的壓縮機(jī)速度實(shí)現(xiàn)對(duì)所產(chǎn)生的功的精確控制。只要?jiǎng)恿υ吹乃俣犬a(chǎn)生能夠排出至少足夠的壓縮機(jī)流量的壓縮機(jī)速度，對(duì)所產(chǎn)生的功的控制就同樣能夠獨(dú)立于動(dòng)力源的當(dāng)前速度而執(zhí)行。壓縮機(jī)的做功模式能夠在所述第一模式與所述第二模式之間連續(xù)地改變，以確保所需流量獨(dú)立于其他因素被排出。例如，對(duì)沖洗空氣流量的需求可以是基本不變的，而同時(shí)，連接到動(dòng)力源的其他消耗裝置被打開(kāi)或關(guān)閉，由此動(dòng)力源的旋轉(zhuǎn)速度在運(yùn)轉(zhuǎn)期間可以變化，這使得需要控制壓縮機(jī)以保持所需的流量。壓縮機(jī)可被控制成使其在壓縮機(jī)的高壓力側(cè)上產(chǎn)生確定的壓力，在此，由壓縮機(jī)排出的流量通過(guò)設(shè)定的壓力來(lái)控制。然而，壓縮機(jī)的高壓力側(cè)上的流量仍將例如根據(jù)沖洗空氣在鉆孔期間所受的限制而連續(xù)地變化。流量限制(節(jié)制)尤其取決于鉆頭、鉆桿的類型、鉆桿的數(shù)量以及鉆頭中的沖洗空氣孔是否開(kāi)始被堵塞。如果在鉆孔期間產(chǎn)生的鉆屑的量增大，則與所產(chǎn)生的鉆屑的量相對(duì)較小的情況相比，在壓力控制系統(tǒng)中，沖洗空氣回路中的流量將減小。因此，這些系統(tǒng)具有不存在對(duì)流量的控制的缺點(diǎn)。該系統(tǒng)力圖保持恒定的設(shè)定壓力，因此壓縮機(jī)被設(shè)定成連續(xù)地排出的流量將變化。給定第二壓力所需的空氣流量完全取決于隨后系統(tǒng)展現(xiàn)的流量限制。這意味著一個(gè)且同一第二壓力將導(dǎo)致變化量的沖洗空氣。當(dāng)已經(jīng)達(dá)到設(shè)定控制壓力時(shí)，沖洗空氣流量將由于另外的鉆桿被增加到鉆柱上以及孔變深而減小，這能夠?qū)е聣毫υ龃?，這又導(dǎo)致流量減小，使得增大了堵塞的風(fēng)險(xiǎn)。如果鉆頭中的沖洗空氣孔開(kāi)始堵塞，這種節(jié)制，以及由此的流量損失將增大，這導(dǎo)致壓縮機(jī)系統(tǒng)減小流量，并且情況變得甚至更糟。因此，本發(fā)明的另一個(gè)目的是基于壓縮機(jī)之后的主要壓力水平來(lái)直接控制壓縮機(jī)的流量，而不是控制由壓縮機(jī)在巖石鉆孔過(guò)程中排出的流量。這具有以下優(yōu)點(diǎn)壓縮機(jī)可被控制成帶來(lái)對(duì)在鉆孔期間出現(xiàn)在沖洗空氣回路中的壓力變化較不敏感的解決方案。
這通過(guò)基于表示所需流量的信號(hào)控制壓縮機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中所需流量獨(dú)立于壓縮機(jī)之后的壓力。因而，只要沖洗空氣回路中的壓力沒(méi)有超過(guò)最大壓力值，則對(duì)沖洗空氣流量的控制就獨(dú)立于根據(jù)上文的壓力變化，上述最大壓力值例如可以由假定鉆頭已經(jīng)被堵住并且鉆孔因此應(yīng)當(dāng)停止時(shí)的值來(lái)表示。最大壓力也能夠表示不應(yīng)當(dāng)被超過(guò)的最大值，以便避免部件損壞的危險(xiǎn)。通過(guò)分別控制壓縮機(jī)進(jìn)氣口處的空氣流量以及壓縮機(jī)速度，沖洗空氣流量可被獨(dú)立于沖洗回路中占優(yōu)勢(shì)的實(shí)際壓力來(lái)控制。這意味著壓縮機(jī)載荷將根據(jù)壓力而變化，而流量保持在所需水平(至少達(dá)到根據(jù)上文的系統(tǒng)的設(shè)定最大載荷)。這意味著所需的沖洗空氣流量能夠被非常精確地控制并且獨(dú)立于載荷的變化，從而能夠確保始終保持由壓縮機(jī)排出的所需的沖洗空氣流量。與壓力控制系統(tǒng)相反，沖洗控制系統(tǒng)能夠傳送恒定的流量(在系統(tǒng)的壓力限制內(nèi))，上述恒定的流量獨(dú)立于鉆柱部件等等產(chǎn)生的反壓。這意味著沖洗空氣流量將不會(huì)隨著鉆桿的數(shù)量或孔深度而變化(除非需要隨著鉆柱部件的增大的數(shù)量，即，增大的孔深度，而增大沖洗空氣流量，在這種情況下這種增大可被設(shè)定)。因此，壓力能夠隨著流量而變化，而流量不能隨著壓力而變化，這使得可以利用沖洗空氣壓力來(lái)判斷是否出現(xiàn)任何問(wèn)題，例如，鉆頭是否被堵塞。通過(guò)下面對(duì)示例性實(shí)施方式和附圖的詳細(xì)描述，本發(fā)明的另外的特征及其優(yōu)點(diǎn)將
變得明顯。


圖1公開(kāi)了一種能夠有利地利用本發(fā)明的巖石鉆孔設(shè)備。

圖2a至圖2b公開(kāi)了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施方式的用于控制圖1的巖石鉆孔設(shè)備中的空氣壓縮機(jī)的裝置。圖3示出了壓縮機(jī)分別在被速度控制時(shí)以及在被通過(guò)控制壓縮機(jī)進(jìn)氣口處的氣體流量來(lái)控制時(shí)的效率。圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式圖1示出根據(jù)本發(fā)明的第一示例性實(shí)施方式的巖石鉆孔設(shè)備，將對(duì)用于該巖石鉆孔設(shè)備的壓縮機(jī)的創(chuàng)造性控制進(jìn)行描述。圖1中所示的巖石鉆孔設(shè)備包括鉆機(jī)1，在該示例中，為承載頂錘式鉆孔機(jī)器11形式的鉆孔機(jī)器的地面鉆機(jī)。鉆機(jī)I被示出正用于在巖石中鉆削孔2，這開(kāi)始于地面并且目前鉆孔處于深度α處。該孔旨在成為具有深度β的孔，深度β根據(jù)使用區(qū)域可以從孔至孔和/或從使用區(qū)域至使用區(qū)域地進(jìn)行較大程度的變化。完成的孔由虛線表示。(所示出的鉆機(jī)高度與孔深度之間的關(guān)系并非旨在以任何方式成比例。鉆機(jī)的總高度Y可以例如為10米，而孔深度β可以小于10米以及遠(yuǎn)大于10米,例如20米、30米、40米或更大)。頂錘式鉆孔機(jī)器11通過(guò)鉆架13安裝在進(jìn)給梁5上。進(jìn)給梁5又通過(guò)進(jìn)給梁保持器12附接到懸臂19。頂錘式鉆孔機(jī)器11通過(guò)由鉆柱支架14支承的鉆柱6向鉆頭3形式的鉆具上提供沖擊。通常，鉆頭包括由硬金屬、金剛石或類似材料制成的刀具或刀頭/球齒，鉆頭將沖擊波能從頂錘式鉆孔機(jī)器11傳遞到巖石上。出于實(shí)際原因(除了可能用于非常短的孔)，鉆柱6并非由單件鉆桿組成，而是通常由多個(gè)鉆桿組成。當(dāng)鉆削已經(jīng)行進(jìn)至與鉆桿長(zhǎng)度相對(duì)應(yīng)的距離時(shí)，新鉆桿與已經(jīng)螺紋連接在一起的一個(gè)或更多個(gè)鉆桿螺紋連接在一起，由此鉆削能夠在將新鉆桿與現(xiàn)有鉆桿螺紋連接在一起之前行進(jìn)另一個(gè)鉆桿長(zhǎng)度。頂錘式鉆孔機(jī)器11為液壓類型的，在此其由液壓泵10供給動(dòng)力，液壓泵10又由內(nèi)燃機(jī)9 (例如柴油機(jī))形式的動(dòng)力源通過(guò)管(未示出)以常規(guī)方式驅(qū)動(dòng)。可替代地，動(dòng)力源9可以例如包括例如電動(dòng)馬達(dá)。通常，上述類型的鉆機(jī)包括諸如為內(nèi)燃機(jī)9的主動(dòng)力源，主動(dòng)力源向存在于鉆機(jī)中的各個(gè)或全部消耗裝置提供動(dòng)力，消耗裝置例如為壓縮機(jī)、液壓泵以及由例如沖擊機(jī)構(gòu)、液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的消耗裝置。在鉆孔期間，巖石被壓碎，并且壓碎的巖石形成鉆孔殘留物，鉆孔殘留物必須從鉆孔中排出以便以有效的方式執(zhí)行鉆孔。因此，使用根據(jù)本示例為壓縮空氣、沖洗空氣的沖洗介質(zhì)來(lái)將鉆孔期間產(chǎn)生的也稱為鉆屑的鉆孔殘留物從鉆孔沖洗干凈(也能夠使用例如具有或沒(méi)有添加劑的水的其他沖洗介質(zhì)來(lái)替代壓縮空氣)。在公開(kāi)的巖石鉆孔設(shè)備中，沖洗空氣被導(dǎo)引穿過(guò)鉆桿，鉆桿包括例如由鋼制成的厚壁管。穿過(guò)鉆柱沿縱向方向在桿壁中或穿過(guò)桿壁形成的通道用于從鉆機(jī)I穿過(guò)鉆柱6供給沖洗空氣以穿過(guò)鉆頭中的沖洗空氣孔釋放，從而隨后使鉆屑穿過(guò)該孔向上。如由圖1中向上指向的箭頭所示的，沖洗空氣向上沖洗鉆屑穿過(guò)并離開(kāi)位于鉆桿與鉆壁之間的空間中的孔2 (在可替代的實(shí)施方式中，鉆屑從孔穿過(guò)鉆柱中的通道沖洗出，從而沖洗介質(zhì)被導(dǎo)引穿過(guò)位于形成在鉆桿與鉆壁之間的空間中的孔，可替代地，穿過(guò)形成在鉆柱中的第二通道)。不考慮流動(dòng)路徑，為了使鉆屑隨沖洗空氣向上穿過(guò)孔，需要沖洗空氣達(dá)到至少一定的速度。鉆屑隨沖洗空氣向上穿過(guò)孔并且不因堵塞問(wèn)題保持在孔中所需的最小速度主要取決于鉆屑的大小、形狀以及密度。重要的是，使鉆屑隨氣流到達(dá)地面的氣流足夠高。過(guò)低的氣流會(huì)使鉆孔性能惡化，并且最壞導(dǎo)致鉆孔被堵。同時(shí)，重要的是，氣流不必太高，因?yàn)檫^(guò)高的氣流會(huì)導(dǎo)致能耗增大，并且還會(huì)由于鉆柱受到由穿過(guò)孔向上的沖洗空氣承載的鉆屑造成的沖擊波效應(yīng)而增大例如鉆柱鑄件的磨損。為了使空氣向下到達(dá)鉆頭，使用了壓縮機(jī)8，在本示例中為螺桿壓縮機(jī)，壓縮機(jī)將沖洗空氣迫壓穿過(guò)鉆桿中的通道向下到達(dá)鉆頭。壓縮空氣從壓縮機(jī)8直接或通過(guò)箱(未圖示)，或通過(guò)軟管7供給到鉆柱6。如所提到的，壓縮機(jī)8由內(nèi)燃機(jī)9驅(qū)動(dòng)，并且下面將結(jié)合圖2a至圖2b更詳細(xì)地描述壓縮機(jī)8的功能。內(nèi)燃機(jī)9是鉆機(jī)的主動(dòng)力供應(yīng)裝置，并且因此應(yīng)當(dāng)具有足夠的動(dòng)力來(lái)同時(shí)向壓縮機(jī)8以及連接到內(nèi)燃機(jī)的其他消耗裝置提供動(dòng)力，其他消耗裝置例如為全速狀態(tài)的液壓泵
10、15以及冷卻風(fēng)扇和其他消耗裝置。這些其他消耗裝置可以例如包括另外的液壓泵，另外的液壓泵用于向在需要最大動(dòng)力輸出的鉆孔情況期間運(yùn)轉(zhuǎn)的巖石鉆孔設(shè)備的其他液壓控制功能提供動(dòng)力。鉆機(jī)還包括控制單元18，控制單元18構(gòu)成鉆機(jī)控制系統(tǒng)的一部分，并且控制單元18可以用于控制各種功能，例如，控制根據(jù)本發(fā)明的壓縮機(jī)8和內(nèi)燃機(jī)9的速度，這將在下文中進(jìn)行描述。如上文所提到的，壓縮機(jī)8包括螺桿壓縮機(jī)，即具有固定排量的壓縮機(jī)。在圖2中，壓縮機(jī)8示出為直接連接到內(nèi)燃機(jī)9，即內(nèi)燃機(jī)速度的變化直接由壓縮機(jī)8的旋轉(zhuǎn)速度的相應(yīng)的變化反映。原理上，來(lái)自具有固定排量的壓縮機(jī)的流量可以根據(jù)兩個(gè)不同的原理來(lái)控制，其中，一個(gè)原理包括控制壓縮機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。來(lái)自具有固定排量的壓縮機(jī)的流量與壓縮機(jī)速度成正比，并且在壓縮機(jī)的動(dòng)力源能夠被自由地速度控制的情況中，也能夠通過(guò)控制速度而將由壓縮機(jī)傳送的流量控制到介于壓縮機(jī)的容量的O與100%之間的任意水平。然而，壓縮機(jī)和/或動(dòng)力源可以具有最小速度，因此對(duì)于速度控制的可能的下限實(shí)際上通常包括最小速度，最小速度還在壓縮機(jī)通過(guò)控制速度可以傳送的最小流量方面施加限制。很多時(shí)候，完全自由的速度控制是不可能的，例如，由于內(nèi)燃機(jī)形式的動(dòng)力源必須保持至少最小(空轉(zhuǎn))速度以便運(yùn)轉(zhuǎn)。至于根據(jù)上文的巖石鉆孔設(shè)備，還存在連接到動(dòng)力源的其他消耗裝置，例如所述液壓泵10、15，為了獲得足夠的動(dòng)力，其他消耗裝置可以請(qǐng)求比壓縮機(jī)目前所需的速度更高的內(nèi)燃機(jī)速度。因此，內(nèi)燃機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度η由控制單元18通過(guò)控制信號(hào)24來(lái)控制，控制信號(hào)24由控制單元18基于來(lái)自例如其他消耗裝置或存在于巖石鉆孔設(shè)備中的另一個(gè)控制單元的信號(hào)21-23來(lái)確定，并且其中控制信號(hào)可以代表壓縮機(jī)和/或一個(gè)或更多個(gè)其他消耗裝置的動(dòng)力需求。內(nèi)燃機(jī)9也可以設(shè)置成以適于不同運(yùn)行狀態(tài)的多個(gè)不同的、大致恒定的速度中的任意速度來(lái)驅(qū)動(dòng)。因此，只要速度沒(méi)有降到其他消耗裝置所需的最小速度以下，而且控制至多個(gè)預(yù)定速度中的任一個(gè)，則根據(jù)本發(fā)明的速度控制就可以包括對(duì)壓縮機(jī)(動(dòng)力源)的完全自由的速度控制。 然而，根據(jù)本發(fā)明，不僅僅使用了對(duì)壓縮機(jī)的速度控制。作為替代，使用了壓縮機(jī)控制方法，在壓縮機(jī)控制方法中，交替地使用兩種不同的原理來(lái)控制壓縮機(jī)以便獲得從壓縮機(jī)的傳送的功，例如與所需流量/流量需求對(duì)應(yīng)的流量。除了根據(jù)上文控制內(nèi)燃機(jī)9的速度之外，還控制供給到壓縮機(jī)的空氣的量。這通過(guò)進(jìn)氣閥25在圖2a中示意性地示出，進(jìn)氣閥25的打開(kāi)/關(guān)閉通過(guò)來(lái)自控制單元18的控制信號(hào)26來(lái)控制。圖2b中更詳細(xì)地示出用于控制由壓縮機(jī)8借助于進(jìn)氣閥25排出的流量的原理。進(jìn)氣閥25包括電控進(jìn)氣閥?？梢岳斫獾氖?，通常，對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)氣口的控制可以以各種方式以及通過(guò)不同類型的進(jìn)氣閥來(lái)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)所示出的示例性實(shí)施方式，閥由位于壓縮機(jī)的進(jìn)氣口中的電控比例閥來(lái)例示。根據(jù)圖2b中示出的實(shí)施方式，該閥為具有閥盤30的圓盤閥，閥盤30通過(guò)氣動(dòng)控制的控制活塞31來(lái)操縱。朝向壓縮機(jī)進(jìn)氣口 32的開(kāi)口區(qū)域Λ A通過(guò)借助于控制活塞上下操縱閥盤30來(lái)改變，并因此也改變了允許從周圍環(huán)境傳到壓縮機(jī)進(jìn)氣口 32的空氣的量。背離閥盤30的進(jìn)氣口的側(cè)部30a (B卩，圖2b中的上側(cè))克服通常為大氣壓力Patm的環(huán)境的壓力，而相對(duì)(下)側(cè)受到壓縮機(jī)進(jìn)氣口 32中的主要壓力Pin的影響。閥盤30起到節(jié)流的作用，在此壓縮機(jī)進(jìn)氣口中的壓力至多將對(duì)應(yīng)于Patm,但只要空氣不能自由流動(dòng)到壓縮機(jī)進(jìn)氣口內(nèi)，貝1J在壓縮機(jī)進(jìn)氣口 32中負(fù)壓(subpressure) pin〈patm將占優(yōu)勢(shì)。
來(lái)自處于給定壓縮機(jī)速度的壓縮機(jī)的氣流與進(jìn)氣口中的絕對(duì)壓力至少大致線性地相關(guān)。在壓縮機(jī)對(duì)著大氣壓力工作的情況下，即，當(dāng)進(jìn)氣壓力Pin=Patm時(shí)，獲得處于當(dāng)前環(huán)境和當(dāng)前速度的壓縮機(jī)的最大流量的100%。另一方面，只要負(fù)(低(under))壓在壓縮機(jī)進(jìn)氣口處占優(yōu)勢(shì)，壓縮機(jī)排出的流量就將構(gòu)成最大流量的部分流量。由壓縮機(jī)排出的流量可以通過(guò)借助于到達(dá)進(jìn)氣閥的電控制信號(hào)以控制的和所需的方式控制壓縮機(jī)進(jìn)氣口中的負(fù)壓而精確地控制到所需的壓力。根據(jù)上文，閥盤受到的壓力差產(chǎn)生了與進(jìn)氣口中的負(fù)壓線性相關(guān)的力(圖2b中向下指向)。為了控制閥盤，在公開(kāi)的實(shí)施方式中使用了機(jī)械地連接到閥盤的控制活塞31?？刂苹钊?1被壓力控制，并且從壓力角度看，只要解除對(duì)控制活塞的壓力控制，壓縮機(jī)的進(jìn)氣口就會(huì)借助于彈簧33保持敞開(kāi)。如果通過(guò)通道34向控制活塞31施加力，并因此向閥盤30施加力，則閥盤30將以使流動(dòng)力、彈簧力(該彈簧力相對(duì)于其他主要力可以是小的，從而至少在某些情況下能夠被忽略)和由控制活塞31施加的力之間的力平衡的方式定位自身。因此，閥盤產(chǎn)生的負(fù)壓將取決于控制壓力。通過(guò)例如能夠從彈簧制造商測(cè)量或獲得的彈簧33的彈簧特性的知識(shí)，負(fù)壓能夠通過(guò)為控制活塞加壓而以簡(jiǎn)單的方式控制到所需的水平，其中在控制期間考慮彈簧特性。對(duì)進(jìn)氣閥的控制可以以任何合適的方式完成，并且在文中例示的解決方案中，電控的氣動(dòng)彈簧加載的控制活塞因此被用于控制閥盤，但可以設(shè)想控制閥盤的完全地電或液壓的解決方案?？刂苹钊麎毫νㄟ^(guò)諸如為電控閥的致動(dòng)器來(lái)控制，因而，來(lái)自控制單元18的控制信號(hào)26控制電控閥25，并由此控制根據(jù)圖2a至圖2b的控制活塞。因此，可以根據(jù)兩種不同的原理來(lái)控制壓縮機(jī)的流量。即使這兩種原理產(chǎn)生相同的功能，即，可能將由壓縮機(jī)排出的流量以`想要的方式控制到所需的流量，速度控制以及對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)氣口處的壓力(流量)的控制仍分別展現(xiàn)了部分負(fù)荷時(shí)的效率的大的差異。這例示在圖3中。圖3公開(kāi)了有關(guān)兩種控制原理在壓縮機(jī)的0-100%載荷處的動(dòng)力需求的圖表。100%的流量代表第一速度nx。速度nx可以但未必是壓縮機(jī)的最大速度。因此，借助于速度控制的控制意味著對(duì)壓縮機(jī)速度從O (0%流量)至nx (100%流量)的控制。另一方面，對(duì)進(jìn)氣的控制包括以導(dǎo)致100%流量的速度的控制，S卩，圖3中代表對(duì)進(jìn)氣閥的控制的曲線包括壓縮機(jī)速度為恒定的nx的控制。所公開(kāi)的關(guān)系總是有效的，SP，與控制壓縮機(jī)以通過(guò)控制壓縮機(jī)進(jìn)氣口處的進(jìn)氣來(lái)傳送一定流量相比，在控制壓縮機(jī)以通過(guò)速度控制來(lái)傳送一定流量時(shí)的效率總是更高。因此，理想的是在壓縮機(jī)于運(yùn)轉(zhuǎn)期間通常工作的全部(工作)范圍總是速度控制壓縮機(jī)。然而，根據(jù)上文，這在巖石鉆孔設(shè)備中通常是不可能的，因?yàn)樵趬嚎s機(jī)的全部工作范圍的速度控制僅在以下情況中是可能的即，沒(méi)有連接至壓縮機(jī)動(dòng)力源(內(nèi)燃機(jī)8)的其他消耗裝置依賴于連續(xù)地保持至少一定速度的動(dòng)力源。根據(jù)本發(fā)明，因此，壓縮機(jī)根據(jù)第一模式或第二模式來(lái)控制，在第一模式中，壓縮機(jī)是速度控制的，在第二模式中，控制壓縮機(jī)進(jìn)氣口中的氣體流量。圖4中公開(kāi)了根據(jù)本發(fā)明的示例性方法400。該方法以確定壓縮機(jī)流量需求qd的步驟401開(kāi)始。對(duì)壓縮機(jī)流量的需求qd可以較大程度地變化，并且以不同的方式確定。該需求可以例如基于壓縮機(jī)之后的所需的壓力來(lái)控制，在這種情況下，可以利用壓縮機(jī)下游的壓力傳感器來(lái)確定由壓縮機(jī)排出的流量是否需增大或者減小以保持所需壓力。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，對(duì)壓縮機(jī)8的控制是完全地流量控制。在這種情況下，確定壓縮機(jī)要排出的流量，然后以獲得所需流量的方式控制壓縮機(jī)。壓縮機(jī)的流量控制具有不需要來(lái)自壓縮機(jī)下游的流路的反饋的優(yōu)點(diǎn)，即，由于壓縮機(jī)將始終以一定的旋轉(zhuǎn)速度和一定的閥位置來(lái)傳送一定的流量，因此能夠一直確保排出所需的流量。流量控制還具有以下優(yōu)點(diǎn)即，通過(guò)僅控制由壓縮機(jī)8傳送的流量，能夠獨(dú)立于實(shí)際載荷(實(shí)際載荷例如取決于鉆柱部件的當(dāng)前數(shù)量以及當(dāng)前在鉆孔期間產(chǎn)生的鉆屑的量)以及為了獲得所需的流量而實(shí)際需要的壓力來(lái)保持所需的流量。當(dāng)沖洗空氣回路的載荷例如由于增大的鉆屑的量而增大時(shí)，或者當(dāng)越來(lái)越多的鉆柱部件隨著鉆孔進(jìn)度而增加到鉆柱上時(shí)，壓縮機(jī)將更難工作，即，根據(jù)上文，只要沒(méi)有超過(guò)最大允許的壓力，就仍會(huì)排出由控制信號(hào)確定的流量，但卻是以更大的壓力排出。因此，能夠獨(dú)立于在沖洗空氣回路中占優(yōu)勢(shì)的實(shí)際沖洗氣壓來(lái)執(zhí)行對(duì)壓縮機(jī)流量的控制，在此也不需要在流量控制期間控制沖洗氣壓。然而，例如通過(guò)壓力傳感器來(lái)監(jiān)控沖洗空氣回路中的壓力仍然是有利的，使得如果載荷變得太高以至于超過(guò)壓縮機(jī)或沖洗空氣回路的預(yù)定最大壓力，則壓縮機(jī)流量可被停止或降到減小的流量。在這種情況下，鉆孔也被停止或減小，因?yàn)閴毫υ龃罂赡苁怯捎跊_洗空氣通道被堵塞或即將被堵塞。當(dāng)已經(jīng)在步驟401中確定了合適的壓縮機(jī)流量時(shí)，該方法繼續(xù)至步驟402，在步驟402中，判定所需壓縮機(jī)流量qd是否超過(guò)參數(shù)值qdl，以確定壓縮機(jī)的工作模式。在一個(gè)實(shí)施方式中，這種判定通過(guò)確定所需流量qd是否超過(guò)第一值——例如壓縮機(jī)能夠傳送的最大流量的40%、50%、60%、70%或75%——來(lái)執(zhí)行(可以理解的是，由此指的是壓縮機(jī)在目前安裝中能夠傳送的最大流量。如果壓縮機(jī)被例如為能夠以更高的速度驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)的動(dòng)力源的另一個(gè)動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)，則壓縮機(jī)自身可以設(shè)計(jì)成傳送更大的流量)。如果是這種情況的話，該方法繼續(xù)至步驟403，在步驟403中，壓縮機(jī)根據(jù)所述第一模式——即旋轉(zhuǎn)速度控制——來(lái)控制并且設(shè)定成傳送流量qd。如果內(nèi)燃機(jī)能夠被設(shè)定至多個(gè)固定速度，并因此不被自由地速度控制，則壓縮機(jī)可被設(shè)定為排出以超過(guò)傳送流量qd所需的速度的最接近的固定速度獲得的流量。另一方面，如果所需流量qd小于所述第一值，則該方法繼續(xù)至用于根據(jù)所述第二模式一即，控制壓縮機(jī)進(jìn)氣口處的流量一來(lái)控制的步驟404，在步驟404中，進(jìn)氣閥設(shè)定成排出所需流量qd?？梢岳斫獾氖?，壓縮機(jī)的控制可以是連續(xù)的，以及所述第一模式與所述第二模式之間的改變可被經(jīng)常執(zhí)行。可以例如每秒、每5秒、每10秒或以任何其他合適的間隔來(lái)執(zhí)行所需流量的確定。因此，該方法例如在根據(jù)上文的一定時(shí)間已經(jīng)消逝之后從步驟403、404返回到步驟401以進(jìn)行流量需求的新的確定。還可以理解的是，旋轉(zhuǎn)速度控制與對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)氣口處流量的控制之間的轉(zhuǎn)變邊界能夠由例如動(dòng)力源許多時(shí)候必須保持最小速度的事實(shí)的限制因素限制，在此，該最小速度相應(yīng)地控制用于在壓縮機(jī)進(jìn)氣口處的流量控制與旋轉(zhuǎn)速度控制之間的變化的邊界。旋轉(zhuǎn)速度可以例如處于導(dǎo)致壓縮機(jī)排出最大流量的40%-95%的旋轉(zhuǎn)速度間隔中的任何位置。除了在根據(jù)上文分別在所述第一模式與所述第二模式之間選擇時(shí)利用用于所述參數(shù)值qdl的固定邊界之外，還可以根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施方式利用qdl的可變值。根據(jù)該實(shí)施方式，壓縮機(jī)根據(jù)以下情況來(lái)控制當(dāng)所需的沖洗空氣流量qd (用壓縮機(jī)能夠排出的最大流量的百分比(％)表示)等于或超過(guò)第一值qdl (用壓縮機(jī)的最大流量的百分比(％)表示)時(shí)，壓縮機(jī)將根據(jù)所述第一模式運(yùn)轉(zhuǎn)，其中
權(quán)利要求
1.一種用于控制巖石鉆孔設(shè)備中的壓縮機(jī)(8)的方法,所述巖石鉆孔設(shè)備包括用于在巖石鉆孔過(guò)程中驅(qū)動(dòng)第一消耗裝置的動(dòng)力源(9)，所述第一消耗裝置為壓縮機(jī)(8)并且所述壓縮機(jī)(8)設(shè)置成根據(jù)第一模式以及根據(jù)第二模式運(yùn)轉(zhuǎn)，其中，在所述第一模式中，由所述壓縮機(jī)(8)產(chǎn)生的功設(shè)置成通過(guò)控制所述壓縮機(jī)(8)的旋轉(zhuǎn)速度來(lái)控制，并且其中，在所述第二模式中，由所述壓縮機(jī)產(chǎn)生的功設(shè)置成通過(guò)控制壓縮機(jī)(8)進(jìn)氣口(32)處的氣體流量來(lái)控制，所述方法包括 -確定表示對(duì)來(lái)自所述壓縮機(jī)的功的需求的參數(shù)值， -當(dāng)表示對(duì)來(lái)自所述壓縮機(jī)(8)的功的需求的所述參數(shù)值超過(guò)第一需求時(shí)，根據(jù)所述第一模式來(lái)控制所述壓縮機(jī)(8)，以及 -當(dāng)表示對(duì)來(lái)自所述壓縮機(jī)(8)的功的需求的所述參數(shù)值低于所述第一需求時(shí)，根據(jù)所述第二模式來(lái)控制所述壓縮機(jī)(8 )。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述第一參數(shù)值表示壓力或流量需求。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述第一參數(shù)值表示流量需求，所述流量需求獨(dú)立于壓縮機(jī)(8)之后的流路中的主要壓力而確定。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，當(dāng)所述壓縮機(jī)(8)之后的所述流路中的所述壓力低于第一壓力時(shí)，所述流量需求獨(dú)立于所述壓縮機(jī)(8)之后的所述流路中的所述主要壓力而確定。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述巖石鉆孔設(shè)備包括由所述動(dòng)力源(9)驅(qū)動(dòng)的至少第二消耗裝置(10、15)，其中，所述方法還包括確定用于所述至少一個(gè)第二消耗裝置(10、15)的運(yùn)轉(zhuǎn)所需的所述動(dòng)力源(9)的最低速度，其中，當(dāng)所述第一參數(shù)值低于所述壓縮機(jī)(8)以所述動(dòng)力源(9)的所述確定的最低速度傳送的功時(shí)，執(zhí)行根據(jù)所述第二模式的控制。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述巖石鉆孔設(shè)備包括由所述動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)的至少第二消耗裝置(10、15)，其中，所述方法還包括確定用于所述至少一個(gè)第二消耗裝置(10、15)的運(yùn)轉(zhuǎn)所需的所述動(dòng)力源(9)的最低速度，其中，當(dāng)所述第一參數(shù)值等于或超過(guò)所述壓縮機(jī)(8)以所述動(dòng)力源(9)的所述確定的最低速度傳送的功時(shí)，執(zhí)行根據(jù)所述第一模式的控制。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述方法還包括在運(yùn)轉(zhuǎn)期間改變所述第一功需求。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述巖石鉆孔過(guò)程包括至少子過(guò)程沖洗以及沖擊和旋轉(zhuǎn)中的至少一個(gè)。
9.一種用于控制巖石鉆孔設(shè)備中的壓縮機(jī)(8)的系統(tǒng)，所述巖石鉆孔設(shè)備包括用于在巖石鉆孔過(guò)程中驅(qū)動(dòng)第一消耗裝置的動(dòng)力源(9)，所述第一消耗裝置為壓縮機(jī)(8)，所述系統(tǒng)的特征在于，所述系統(tǒng)包括 -控制裝置，所述控制裝置用于根據(jù)第一模式以及根據(jù)第二模式來(lái)控制所述壓縮機(jī)(8)，其中，在所述第一模式中，由所述壓縮機(jī)(8)產(chǎn)生的功設(shè)置成通過(guò)控制所述壓縮機(jī)(8)的旋轉(zhuǎn)速度來(lái)控制，并且其中，在所述第二模式中，由所述壓縮機(jī)產(chǎn)生的功設(shè)置成通過(guò)控制壓縮機(jī)(8)進(jìn)氣口(32)處的氣體流量來(lái)控制，以及 -確定裝置，所述確定裝置用于確定表示對(duì)來(lái)自所述壓縮機(jī)的功的需求的參數(shù)值，-用于在表示對(duì)來(lái)自所述壓縮機(jī)(8)的功的需求的所述參數(shù)值超過(guò)第一需求時(shí)根據(jù)所述第一模式來(lái)控制所述壓縮機(jī)(8)的裝置，以及 -用于在表示對(duì)來(lái)自所述壓縮機(jī)(8)的功的需求的所述參數(shù)值低于所述第一需求時(shí)根據(jù)所述第二模式來(lái)控制所述壓縮機(jī)(8)的裝置。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中，所述巖石鉆孔設(shè)備包括由所述動(dòng)力源(9)驅(qū)動(dòng)的至少第二消耗裝置(10、15)。
11.根據(jù)權(quán)利要求9至10中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，還包括用于在根據(jù)所述第二模式進(jìn)行控制時(shí)控制所述壓縮機(jī)(8)進(jìn)氣口(32)處的空氣流量的裝置。
12.根據(jù)權(quán)利要求9至11中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，還包括用于在根據(jù)所述第二模式進(jìn)行控制時(shí)通過(guò)控制所述壓縮機(jī)進(jìn)氣口( 32)的朝向周圍環(huán)境的開(kāi)口區(qū)域來(lái)控制所述壓縮機(jī)(8)進(jìn)氣口(32)處的流量的裝置。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中，所述壓縮機(jī)(8)的所述進(jìn)氣口中的壓力設(shè)置成通過(guò)借助于電控閥(25)控制所述壓縮機(jī)進(jìn)氣口的朝向周圍環(huán)境的開(kāi)口區(qū)域來(lái)控制。
14.根據(jù)權(quán)利要求9至13中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，還包括用于在根據(jù)所述第一模式進(jìn)行控制時(shí)通過(guò)控制所述動(dòng)力源(9)的旋轉(zhuǎn)速度來(lái)控制所述壓縮機(jī)(8)的旋轉(zhuǎn)速度的裝置。
15.根據(jù)權(quán)利要求9至14中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，還包括控制裝置，所述控制裝置用于基于第一電控制信號(hào)根據(jù)所述第一模式或所述第二模式來(lái)控制所述壓縮機(jī)(8 )，其中，所述第一控制信號(hào)包括由所述壓縮機(jī)(8)傳送的所需的功的表示。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中，所述控制裝置包括控制單元，所述控制單元設(shè)置成將第二電控制信號(hào)傳送到用于控制所述壓縮機(jī)進(jìn)氣口(32)和/或所述動(dòng)力源(9)的速度的控制裝置。
17.根據(jù)權(quán)利要求15或16所述的系統(tǒng)，其中，對(duì)所述第一控制信號(hào)的確定設(shè)置成至少部分地基于下組中的一個(gè)或更多個(gè)來(lái)執(zhí)行流路中的壓力、當(dāng)前的孔深度、對(duì)工具的旋轉(zhuǎn)速度的表不、對(duì)沖擊機(jī)構(gòu)動(dòng)力的表不、孔直徑、鉆柱直徑、巖石的性質(zhì)。
18.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中，由所述動(dòng)力源(9)驅(qū)動(dòng)的所述至少一個(gè)第二消耗裝置(10、15)設(shè)定成使得能夠由所述至少一個(gè)第二消耗裝置傳送的動(dòng)力對(duì)于超過(guò)旋轉(zhuǎn)速度的旋轉(zhuǎn)速度而獨(dú)立于所述動(dòng)力源(9)的旋轉(zhuǎn)速度，其中《"^為比所述壓縮機(jī)(8)排出最大流量時(shí)的速度ω—χ更低的旋轉(zhuǎn)速度。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其中，所述可傳送動(dòng)力包括所述系統(tǒng)中的所述至少一個(gè)第二消耗裝置的最大所需的可傳送動(dòng)力。
20.根據(jù)權(quán)利要求18或19所述的系統(tǒng)，其中，所述速度包括處于所述速度_的40%-95%的范圍內(nèi)的速度，其中所述壓縮機(jī)(8)以所述速度Gje max排出最大流量。
21.根據(jù)權(quán)利要求9至20中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中，所述壓縮機(jī)(8)包括具有固定排量的壓縮機(jī)(8)。
22.—種巖石鉆孔設(shè)備，其特征在于，所述巖石鉆孔設(shè)備包括根據(jù)權(quán)利要求9至21中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種控制巖石鉆孔設(shè)備中的壓縮機(jī)(8)的方法，所述巖石鉆孔設(shè)備包括用于在巖石鉆孔過(guò)程中驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)(8)的動(dòng)力源，所述壓縮機(jī)(8)設(shè)置成根據(jù)第一模式以及根據(jù)第二模式運(yùn)轉(zhuǎn)，其中，在所述第一模式中，由壓縮機(jī)(8)產(chǎn)生的功設(shè)置成通過(guò)控制所述壓縮機(jī)(8)的旋轉(zhuǎn)速度來(lái)控制，并且其中，在所述第二模式中，由壓縮機(jī)(8)產(chǎn)生的功設(shè)置成通過(guò)控制壓縮機(jī)進(jìn)氣口處的氣流來(lái)控制。該方法包括確定表示對(duì)來(lái)自所述壓縮機(jī)(8)的功的需求的參數(shù)值；當(dāng)表示對(duì)來(lái)自所述壓縮機(jī)(8)的功的需求的所述參數(shù)值超過(guò)第一需求時(shí)，根據(jù)所述第一模式控制壓縮機(jī)(8)；以及當(dāng)表示對(duì)來(lái)自所述壓縮機(jī)的功的需求的所述參數(shù)值低于所述第一需求時(shí)，根據(jù)所述第二模式控制壓縮機(jī)(8)。本發(fā)明還涉及一種系統(tǒng)以及一種巖石鉆孔設(shè)備。
文檔編號(hào)E21B44/00GK103069101SQ201180041455
公開(kāi)日2013年4月24日 申請(qǐng)日期2011年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月26日
發(fā)明者埃里克·阿爾登, 埃里克·阿爾斯特倫 申請(qǐng)人:阿特拉斯·科普柯鑿巖設(shè)備有限公司