CN101180162B - 脉冲发生器、液压脉冲工具和用于产生脉冲的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于冲击工具的脉冲发生器(1)，包括用于接收液体体积的腔(3)和脉冲活塞(4)，该脉冲活塞(4)布置成用于传送在液体体积中的压强脉冲成为工具中的应力波脉冲。腔(3)相对于其形状进行调适，使得其为液体体积中的液体形成共振腔，用于在腔内部形成至少一个压强波腹(11、15、17)。本发明也涉及一种方法和一种液压脉冲工具。

Description

脉冲发生器、液压脉冲工具和用于产生脉冲的方法
技术领域
本发明涉及根据本发明的第一方面的脉冲发生器。本发明也涉及一种包括这种脉冲发生器的液压脉冲工具及用于产生脉冲的方法。
背景技术
从WO 2005/002802A1已知一种脉冲发生器，其中压强高于工作腔中压强的压强流体允许流到工作腔中，以便在其内获得压强的突然增加。这里获得在工具方向上影响传动活塞的力，以便在工具中产生应力脉冲。
该在先知道的脉冲发生器需要产生和传送显著的压强以及用于在压强源和工作腔之间传送压强的精确和快速控制机构，这导致昂贵的方案。而且在所述传动中具有不同种类的损失。
发明内容
本发明的目的在于提供如最初陈述的脉冲发生器，其中避免或至少减少现有技术的缺点。
通过本发明的第一方面的特征，根据如上的脉冲发生器获得该目的。在包括这种脉冲发生器的液压脉冲工具及在根据本发明的方法中获得相应的优点。
通过这种方式调适腔，能够影响在腔的一个区域中的液体，使得压强波腹在其第二区域形成。进一步能够使得脉冲活塞经受压强变化或在该压强波腹中提供的液体压强脉冲。作用在脉冲活塞上的液体压强脉冲随后作为工具中压强张力应力脉冲传递，以便为其提供用于碎裂岩石的移动。
当以共振频率激励腔中液体时，从而将形成持续的波。该波的构造由腔的边界条件也即其端壁确定。如果边界条件是使得端壁很刚性的话，流动波节(没有流动变化)和压强波腹(最大边缘压强)将在该位置处产生。如果边界条件相对于液体非刚性，流动波腹(最大变化的流动)和压强波节(没有压强变化)将在该位置处产生。在流动波腹中，液体以最大值移动，这意味着能量约束为动能。在压强波腹，能量约束为弹性能。
因此共振腔的特征在于能量作为动能和弹性能的组合传递。
通过迫使共振腔的一个壁以等于腔的共振频率的频率移动，满足所述非刚性边界条件并且因此将在这个位置处产生流动波腹。
在共振腔的第二端，腔壁基本上是刚性的，这在实践中将为液体形成上述的刚性边界条件，因此形成所述压强波腹。在压强波腹中，压强理想地相对时间以正弦形式变化，也即，围绕平均压强对称。在该位置中的最大压强变化从而能够处于零和两倍平均压强之间。
实践中压强也将在压强波节侧稍微变化。然而，该变化能够如期望那样小或者小到能够由影响共振峰值的高度接受。这能够通过调适钻具带、共振腔和用于送进共振腔的泵的阻力而获得。
影响腔内部共振频率的参数基本上是：腔的长度、边界条件、液体的密度和压缩模数以及某种程度上也有腔的横截面尺寸。
优选液体通过进口/出口送进/出腔，这能够实现经济和实际易操作的方案。
通过分布在腔周围上的多个液体进口/出口，能够均匀地分布液体的输入/输出并且也使用几个液体泵/源，以便获得快速响应和更小损失。
一般，根据本发明的方案对涉及的组件是宽大的，由于在进口侧处产生基本上恒定的满足液体源的反压强，该液体源特别地包括一个或几个泵。因此能够期望每个泵具有相对低程度的载荷并由此具有长寿命时间。
仅仅作为实例能够注意到压强的通常数值能够使得输入处于大约225-275巴，平均压强P0为250巴，并且在脉冲活塞上的压强从而在最简单情况下在约0和500巴之间变化。
特别地，优选调适腔以使得在操作中具有四分之一波共振或者四分之一奇数倍的波共振。腔合适地调适成在大约200和1000Hz之间的频率。然而也能够使用其它频率。
通过具有圆形横截面的腔，简化了制造。该形状对于(共振)腔来说也最有效并且最免于受损失。
将腔成形为具有线性延伸给出细长形状的可能性，这种细长形状在许多应用场合中优选。然而腔成形为具有弯曲延伸使得能够限制其整体长度。
通过腔相对于其形状可变化并且特别是长度可变化，获得了控制共振频率的可能性，这在不同材料等的加工中是有益的。
通过在脉冲活塞附近布置与(共振)腔分开的脉冲腔，从而通道机构布置在这些腔之间，能够分开共振腔和直接连接到工具自身的部件。
通过布置阀机构用于控制在所述通道机构中的流动，能够有益的调节影响脉冲活塞的脉冲的构造。这里能够控制脉冲使得其形状偏离另外产生的正弦形状，并且例如成形为最小化来自受影响岩石等等的反射效果。
通过使用相互串联连接的多个共振腔，能够例如影响脉冲振幅，特别地升高到大于当使用具有一个共振腔的系统时将另外能够产生的脉冲振幅。
相对于相应的方法权利要求获得相应的优点并且通过其它独立权利要求的特征获得进一步的优点。
附图说明
现在将参照附图比实施例背景技术部分更详细地描述本发明，其中：
图1示意性示出包括根据本发明的脉冲发生器的岩石破坏工具，
图2示意性示出在根据本发明的脉冲发生器的共振腔中获得的压强分布，
图3示意性示出在根据本发明的脉冲发生器中的压强分布的变化，
图4示意性示出在根据本发明的第二脉冲发生器中的压强分布的变化，
图5示意性示出在根据本发明的第三脉冲发生器中的压强分布的变化。
具体实施方式
在图1中，参考数字1总体上指示岩石破坏工具，其包括用于接收腔3中大量液体的壳体2，在腔3的一端布置脉冲活塞4。脉冲活塞4经由杆形部分5直接抵靠在钻杆6上的岩石破坏工具7。
腔3形成为具有长度l和直径d的形状并且由选择的液体填充，由此，当相同液体通过液体进口/出口10从泵吸装置9周期性地送进时，在腔3内部的液体将进入共振状态。特别是以此方式压强波节将出现在进口/出口10的区域并且压强波腹将出现在脉冲活塞4的区域并且作用在其上。
参考数字8指示用于在腔3内提供恒定平均压强的源头，在共振腔内的压强将围绕该平均压强波动。这种布置也将确保可能泄漏的液体在系统内部得到更替。
F指示作用在岩石破坏工具1上的送进力，例如来自布置在钻具的送进梁上的传统送进器。
在图2中示意性示出在操作装置过程中并且通过液体进口/出口10从液体的泵9泵吸的周期性输入，在腔3中液体共振中的压强分布。该压强分布被示出具有上部曲线13，说明在构成的共振腔3的长度上的振幅，并且具有压强波节12和压强波腹11。而且，由于压强源8，从而产生平均压强P0，在共振腔内部压强围绕该平均压强P0改变。
在脉冲活塞4的区域中最大压强振幅从而产生在压强波腹11，在共振腔该端处的压强被传递到该脉冲活塞4上，用于通过其杆形部分并且再通过工具作为压强张力波或者应力波进一步传送。应当指出在腔的轴向、长度方向上活塞4的运动与工具中作为应力波的压强脉冲的传送相联系很小。而且，能够注意到能量直接作为应力波能量并且不是作为动能从脉冲活塞传送到工具。
在图2中也放置了三个图表，其中右边一个说明在压强波节12的区域中的压强变化。如所示，在实践中这里产生某种更小的压强变化，这与理想情况偏离，在该位置中这里压强变化应当是零。然而该微小变化是容许的并且在实践中不会损害脉冲发生器的功能。
在共振腔3的工具端部处的图表说明在压强波腹11产生的压强变化。从而在该情况下这使得围绕具有振幅P0的平均值P0发生正弦形状改变。这样，在该实例中脉冲活塞4受到0到2P0之间的压强影响。应当观察到在振幅和P0之间的其他压强关系处于本发明的范围内。
在最左边的F-t图表示出作为时间的函数传送在脉冲活塞4上的力。该力F在0和某个最大值F之间正弦形状变化。
对于频率f来说，相对于图2下式基本上有效：4·l·f＝c；其中l是腔的长度并且c是声速。
图3说明一种操作实例，其中频率已经增加使得四分之三波共振在共振腔3内部产生。压强变化通过曲线14说明并且在进口/出口10的区域中依旧存在压强波节16。如前面一样，在脉冲活塞4的区域中存在压力波腹15。而且，在该情况下基本上在从输入侧第三部分距离处也存在压力波腹17。
在图3右部的两个图表说明在进口处和在脉冲活塞4处的压强分布。F-t图表示出将会影响工具的力分布。在该情况下，脉冲频率从而将会是根据图2中操作实例的三倍大。
对于频率f来说，相对于图3下式有效：4·l·f＝n·c；其中l是腔的长度，c是声速并且n＝1，3，5，7...。在图3中n＝3.
在图4中，示出区别于图2中示出的实例的变体，区别在于刚性中间壁19已经放在图2中脉冲活塞4的位置。如图中看到的，该脉冲活塞4已经相反移动到左部，并且在脉冲活塞4和中间壁之间已经布置了脉冲腔20，其在选定位置与最靠近中间壁19的共振腔3的部分相连。
这样，传送到脉冲腔20的压强脉冲的形状能够控制成使得它们相应于在工具中期望的应力波传播。在共振腔3和脉冲腔20之间具有阀装置21，其布置在通道机构中并且可控用于在这些腔之间的连接或者用于切断它们之间的连接。而且，阀装置21能够抽空脉冲腔20。
在所示实例中，共振腔3在压强曲线的上升部分过程中连接到脉冲腔20并且稍微在振幅峰值之后切断。这导致在随着时间看时曲线形状具有延伸的升高部分但是具有突然的切断，这能够在工具中给出很合适的力分布，以便例如抵制来自加工岩石的反射。应当指出这样的脉冲形状能够控制成所有种类的构造。特别地通常期望优化形状用于最小化工具中的反射。这里，上升以及下降边缘能够适于接近该目的。另一方面在于为了调节不同工作状态具有低于该共振频率的脉冲频率的可能性。
右边的两个图表相应于在图2中的图表。在这些图表上部的虚线示出当阀21使得腔之间的连接打开时的状态。
靠近阀21的更小的图表示出这种方式形成的曲线形状的实例。F-t图表示出产生的应力波的形状。
图5示出两个共振腔3’和3”，它们由壁19’分开并且串连，并且相互由具有阀21’的通道互连，并且每个均具有泵吸装置9’和9”。细节19”和20’分别相应于在图3中的细节19和20。在腔3’和3”之间的通道通常根据对于以上的阀21成立的那样而由阀21’可控。对于阀21”来说也是同样。在该情况下，作为实例，并且在F-t图表中示出，获得更陡峭的脉冲。在前面所讲述图表的说明基础上容易理解这些图表的意思。
通过合适控制对应于21、21’和21”的阀，能够获得合适的脉冲形状和应力波形状。例如，阀能够控制成使得它们分别具有受控打开和闭合特征地工作，以便由此获得期望的形状。这样可能获得工具中最小化的反射。作为替换或者补充，在诸如图4和5中的共振腔和脉冲腔之间的连接能够包括具有不同长度和/或面积的多个通道。通过将会建立连接的通道或多个通道的选择，能够控制在脉冲腔中压强增加的渐进，并由此控制工具中应力波的形状，使得其得到期望的渐进侧面形状。这给出增加装置效率的可能性。实践中例如这能够通过在图4的腔3和20之间布置平行导管而获得，由此这些通道适应于上面指示的那样。在相应于图24中的阀21的阀的帮助下能够打开/闭合通道。作为进一步的替换，通道能够可调节它们的长度。这能够以不同方式获得，例如在腔3和/或4中通过伸缩可移位的U形管、可移位的套等等。
本发明能够在权利要求的范围内进行修改。从而能够进一步修改装置的构造。例如，能够以其它方式而不是通过示出方式影响液体。一种实例是替换泵吸布置而具有以某种频率移动的物理可移动壁。其它类型的泵和阀也能够有可能性。压强波节能够布置得离开腔的壁。不排除共振腔同时由不同频率送进/影响，以便以不同频率获得同步共振，以便在工具上获得期望的效果。
腔能够相对于其形状可改变，使得共振频率可控。以最简单的方式，通过使得后壁在形成腔的圆柱管道内部可移位而使得长度可改变。
能够使用不同液体，特别优选取自下面组的液体：水、硅油、液压油、矿物油。

Claims (33)

1.一种用于冲击工具的脉冲发生器(1)，包括液体影响机构和用于接收液体体积的腔(3)和脉冲活塞(4)，该脉冲活塞(4)布置成用于传送在液体体积中的压强脉冲成为工具中的应力波脉冲，其特征在于，
液体影响机构布置成周期性地影响腔中的液体，使得液体体积中的液体以在腔内形成至少一个压强波腹的方式共振设定，
腔(3)的形状进行调适，使得其为液体体积中的液体形成共振腔，用于在腔内部形成至少一个压强波腹(11、15、17)。
2.如权利要求1所述的脉冲发生器(1)，其特征在于，距离脉冲活塞(4)一定距离的腔提供有至少一个液体进口/出口(10)，用于以一定频率周期性地相对腔输入和输出液体。
3.如权利要求2所述的脉冲发生器，其特征在于，多个液体进口/出口(10)分布在腔(3)的周围。
4.如权利要求1所述的脉冲发生器，其特征在于，其包括至少一个泵吸装置(9)，该泵吸装置(9)布置成用于以一定频率送进液体到腔内，所述液体影响机构为所述至少一个泵吸装置。
5.如权利要求4所述的脉冲发生器，其特征在于，每个泵吸装置(9)均包括活塞-汽缸装置。
6.如权利要求4或5所述的脉冲发生器，其特征在于，泵吸装置(9)布置成可旋转地被驱动。
7.如权利要求6所述的脉冲发生器，其特征在于，泵吸装置(9)布置成通过凸轮-从动轮布置进行驱动。
8.如权利要求1、2或3所述的脉冲发生器，其特征在于，腔具有圆形横截面。
9.如权利要求1、2或3所述的脉冲发生器，其特征在于，腔线性地延伸。
10.如权利要求1、2或3所述的脉冲发生器，其特征在于，腔以弯曲的形式延伸。
11.如权利要求1、2或3所述的脉冲发生器，其特征在于，腔的形状可变化，使得共振频率可控。
12.如权利要求11所述的脉冲发生器，其特征在于，腔的长度可变化。
13.如前面权利要求1、2或3所述的脉冲发生器，其特征在于，位于脉冲活塞(4)处的脉冲腔(20)与腔(3)分开，其中通道机构布置在腔(3)和脉冲腔(20)之间。
14.如权利要求13所述的脉冲发生器，其特征在于，用于控制流动的阀机构(21)布置在所述通道机构中。
15.如权利要求13所述的脉冲发生器，其特征在于，机构布置成用于调节所述通道机构的长度和/或面积。
16.如权利要求1、2或3所述的脉冲发生器，其特征在于，具有多个相互串连的腔(3’、3”)。
17.如权利要求1、2或3所述的脉冲发生器，其特征在于，腔调适成具有选自如下组的液体：液体体积中的水、液压油。
18.如权利要求17所述的脉冲发生器，其特征在于，所述液压油为硅油或矿物油。19.液压脉冲工具，其特征在于，其包括根据权利要求1-18中任一项所述的脉冲发生器。
20.用于为冲击工具产生脉冲的方法，其特征在于，用于产生脉冲的脉冲发生器包括用于接收液体体积的腔和脉冲活塞，该脉冲活塞布置成用于传送在液体体积中的压强脉冲成为工具中的应力波脉冲，其特征在于，腔中的液体周期性地受影响，使得液体体积中的液体以在腔内形成至少一个压强波腹的方式共振设定。
21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，由以一定频率对于腔输入和输出液体而周期性地影响腔中的液体。
22.如权利要求20所述的方法，其特征在于，液体通过分布在腔周围的的多个液体进口/出口送进到腔中和从腔中送出。
23.如权利要求20、21或22所述的方法，其特征在于，压强波节布置成在所述液体进口/出口区域中形成，并且具有最大压强振幅的压强波腹在脉冲活塞区域中形成。
24.如权利要求20、21或22所述的方法，其特征在于，产生共振以使得在操作中产生四分之一波共振或奇数倍四分之一波共振。
25.如权利要求21所述的方法，其特征在于，频率控制成处于200和1000Hz之间。
26.如权利要求20、21或22所述的方法，其特征在于，液体被送进并分布在腔周围。
27.如权利要求20、21或22所述的方法，其特征在于，改变腔的形状以便控制共振频率。
28.如权利要求27所述的方法，其特征在于，腔的长度变化。
29.如权利要求20、21或22所述的方法，其特征在于，压强脉冲通过布置在腔和脉冲腔之间的通道机构传送到位于脉冲活塞处并且与腔分开的脉冲腔。
30.如权利要求29所述的方法，其特征在于，在所述通道机构中的流动受到控制。
31.如权利要求29所述的方法，其特征在于，调节所述通道机构的长度和/或面积用于控制所述应力波脉冲的形状。
32.如权利要求20、21或22所述的方法，其特征在于，压强脉冲在多个相互串连的腔之间传送。
33.如权利要求20、21或22所述的方法，其特征在于，使用选自如下组的液体：水、液压油。
34.如权利要求33所述的方法，其特征在于，所述液压油为硅油或矿物油。
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