CN101500762B - 冲击装置及其控制方法和包括该冲击装置的钻机 - Google Patents

冲击装置及其控制方法和包括该冲击装置的钻机 Download PDF

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Abstract

一种冲击装置，其包括位于机器外壳(3)内部的可往复运动的冲击活塞(2)，通过控制阀(5)控制冲击活塞(2)的运动，所述控制阀(5)布置成根据描述冲击活塞的轴向位置的信号，将一腔室交替连接于压力源和低压，其中，阀装置(16)布置成，通过相应打开和阻断一个或多个所述控制通路(10，11，12，13)与控制阀之间的连接而传递所述信号，从而调整冲击活塞所处的轴向位置。本发明还涉及一种钻岩机及方法。

Description

冲击装置及其控制方法和包括该冲击装置的钻机
技术领域
本发明涉及一种冲击装置。本发明还涉及包括这样的冲击装置的钻岩机。 
背景技术
EP-0 080 446(Atlas Copco AB)公开了一种钻岩机，其中，进给力从外壳传递至钻柱或通过阻尼器传递至钻柱适配器。阻尼器在反射的压缩冲击波的作用下屈服，检测该屈服，并将其用于控制一控制销，所述控制销调节冲击活塞的冲程长度，这样使反射的冲击波能量最小化。 
尤其是，控制销是一种调节装置，其用于调节冲击活塞在什么轴向位置时，将压力信号传递给往复运动的阀体，其中，该装置布置成响应于压力信号控制该控制销，以便为减小反射的冲击波而改变冲击装置的运行。在一替换实施例中，在分析与钻柱有关的钻凿参数之后，控制该控制销。 
已知的钻机能够起到很好的功能，但是不大可能容易地控制冲击活塞的轴向转动位置。 
发明内容
本发明的目的是提供一种如上所述类型的冲击装置，其是已知冲击装置的改进。尤其是，本发明的目的是提供一种可以更简单、更可靠地调整冲击活塞的运动的冲击装置。 
依照本发明，这些目的是通过下述技术方案来实现的。 
一种冲击装置，包括位于机器外壳内部的能够往复运动的冲击活 塞，冲击活塞的运动通过控制阀进行控制，所述控制阀布置成根据描述冲击活塞的轴向位置的信号，将一腔室交替连接于压力源和低压，其中，所述腔室内部接收冲击活塞上的驱动面，其中多个轴向分开的用于传递所述信号的控制通路在冲击活塞的缸筒空间内具有开口，以便与冲击活塞上的控制边缘相互协作，以及，该冲击装置布置阀装置，以通过相应打开和阻断一个或多个所述控制通路与控制阀之间的连接而传递所述信号，从而允许调整冲击活塞所处的轴向位置，其中，所述阀装置包括第一阀元件，所述第一阀元件能够在该第一阀元件的第一位置和第二位置之间被控制，在该第一阀元件的第一位置，所述第一阀元件布置成阻断所述控制通路中的第一组与控制阀之间的相应连接的第一部分，在该第一阀元件的第二位置，所述第一阀元件布置成打开所述第一部分，所述阀装置还包括第二阀元件，所述第二阀元件能够在该第二阀元件的第一位置和第二位置之间被控制，在该第二阀元件的第一位置，所述第二阀元件布置成阻断控制通路中的第二组与控制阀之间的相应连接的第二部分，在该第二阀元件的第二位置，所述第二阀元件布置成打开所述第二部分。 
借此实现了可能以可靠的方式显著地调节冲击活塞的冲程长度。这是一个很大的优点，因为这提供了如下可能性，即，通过向阀元件发送简单的、不复杂的在线(和有可能，离线)信号，就可以简单地控制冲程长度，以便响应于特定运行情形时存在的要求，改变冲击装置发出的冲击能量。这与背景技术形成对比，其中，阀体在几个不同轴向位置之间移动，用于相应打开几个轴向分开的控制通路。 
如果希望改变冲击装置的冲击位置，则用于高压的设定通路(控制通路)可以向后移动，即在远离钻柄的方向上移动，这导致各个冲程的冲程长度变长，能量更大。当冲程长度较长时，则在同样的压力下加速活塞需要花费较长的时间，这导致钻凿频率较低。 
通常希望根据岩石的硬度变化来改变冲击装置的冲击能量。在这方面特别希望在岩石实际部分存在的要求之后控制冲击装置。通过本发明，利用简单的手段，可以朝着优化钻凿和减少冲击波反射的方向 控制冲击装置，该钻凿过程不受益于此冲击波反射。 
一般来说，钻凿过程是用新钻头钻凿利用过高的冲击能量预先执行的。这是因为对于新的钻头来说，钻头致动单元仅有一少部分会与岩石实际接合。但是，在钻头一定磨损之后，冲击能量将逐渐自动调节至钻头接合部分的稍微磨损的形状，从而提高钻凿过程的效率。然而，随着钻头的继续磨损，效率又降低，这是因为冲击能量对钻头实际外形的适应不好。 
本发明使考虑这种现象成为可能，冲击能量被控制，以便更好地适应钻头的磨损状态。这给出了实现相同冲击效果下增加的钻速、钻钢中减少的应力和来自岩石的较小的反射的可能性，这又反过来可以使得较小的阻尼单元成为必要。通过本发明，使钻机可以容易地适应改变的钻头磨损、岩石强度和钻头尺寸。由此，在钻凿期间，钻机可以根据所需和所检测的参数预先设定某些已知的或受控制的参数。 
在本发明的一优选实施例中，可以响应描述钻凿过程的参数例如钻速或阻尼腔内压力或者通过冲击波测量装置测量的冲击波幅度来进行控制。 
其他优点可从本发明的其他方面得到，这从下面实施例的描述中是显而易见的。 
附图说明
现在参考附图，并通过实施例更详细地描述本发明，其中： 
图1显示了包括依照本发明的冲击装置的钻机的一部分的轴向截面图， 
图2显示了冲击装置中的依照本发明的阀装置的轴向截面图， 
图3a-d显示了图2中阀装置在不同位置时的截面图， 
图4a-d显示了依照本发明的另一个阀装置在不同设定时的截面图，和 
图5显示了本发明使用的方法的方框图。 
具体实施方式
图1显示了包括冲击装置的钻岩机1的一部分，所述冲击装置带有冲击活塞2。附图标记5表示用于转换压力介质而用以驱动冲击活塞的阀。还包括中心定位单元6和在图1中未示出的旋转单元、阻尼单元等等。冲击活塞2在机器外壳3内部往复运动。 
在机器外壳3中，在冲击活塞台肩8的区域内设有若干控制通路10-13，所述控制通路10-13布置成使它们的通路开口与冲击活塞台肩8的第一边缘14相互协作。在附图标记14′处的虚线表示当冲击活塞在冲程之后缩回以致通向控制通路10的开口被打开时第一边缘14的位置。 
能够增压的腔室4以已有技术中已知的方式接收冲击活塞上采用冲击活塞台肩的驱动侧面形式的驱动面。 
为了选择不同控制通路与信号管道15之间的连通，该连通使阀5得以转换冲击活塞的运动方向，布置有一阀装置16，其功能在下面进行解释。 
冲击活塞2被腔室4中的高流体压力朝冲击位置驱动，以便如图所示，以先有技术中已知的方式抵靠钻柄，在向右的方向启动冲程。在接收冲击活塞台肩的侧面的回流腔9中，该侧面的表面小于在腔室4中的侧面的表面，在运行期间，回流腔9在冲击活塞的返回驱动过程中，以先有技术中已知的方式处于高压下。 
当用于驱动的腔室4通过阀5的转换而向油箱排放从而引起冲击活塞2的返回驱动时，举例来说，如图1所示，其不久便向左方向移动至一位置，在该位置，控制边缘14位于示出的位置14′。由此，回流腔9中的高压经由所选择的控制通路10-13中的一个输送至信号管道15，用以向左转换阀5，如附图所示，以便向腔室4输送高压，从而启动新的冲程。
图2显示了依照第一实施例的阀装置16，其中两个同心阀元件控制所述控制通路10-13如何与信号管道15连通。 
阀装置16包括第一阀元件17和同心地布置在第一阀元件17内部 的第二阀元件18。两个阀元件都具有圆柱形的总体外形，并可根据需要轴向移动。接收所述阀元件的阀外壳19在它的右侧端具有一恒压腔20，在恒压腔20内具有压力Pd，其不变地作用于两个阀元件，因此两个阀元件在该压力的作用下压向左边，如图2所示。 
第一阀元件17在其相对的左侧具有第一控制室21，所述第一控制室21选择供给第一压力P1，并使得第一压力P1具有这样的大小，即第一控制室21的增压使第一阀元件克服压力Pd的作用，从所示的位置移动至向右的位置。一第二控制室22被布置成选择增压至第二压力P2，第二压力P2能够克服压力Pd的作用，向右压第二阀元件18。在这个实施例中，该装置搁靠在第一阀元件17的向内肩部23上。带有完全独立的第一和第二阀元件的其他解决方案也在本发明的范围之内。
图3a-3d更加详细地解释了图2中阀的功能。 
当处于″最高″的控制通路13单独永久连通地与信号管道15相连时，阀装置16处于图3a中所示的位置。其他控制通路10-12被阻断。 
这里应当强调的是，在该连接中的术语″打开″指的是控制通路与相应控制通路之间的连接的通路部分被打开，以便输送流体。但是，不排除具有通路部分开口的控制通路可以包括在沿着其延伸部完全在阻断第二通路部分的第二阀元件的影响下被阻断的连接中。 
在图3a中，所示的第一阀元件17在其第一位置，在该位置，控制通路的第一组10、12与控制阀5之间的连接的第一部分F1被第一阀元件17阻断。在每一个控制室21和22中不存在控制压力(或存在较低的控制压力)。所示的第二阀元件18在其第一位置，在该位置，控制通路的第二组10(/11)与控制阀5之间的连接的第二部分F2被阻断。 
在图3a所示的实施例中，第一阀元件被构造成打开控制阀与第二组的控制通路11之间的连接部分F3。但是，根据上文，第二阀的位置阻断了与控制阀5的进一步连接。因此只有控制通路13与控制阀5相连，而第二控制通路10、11和12的连接被阻断。 
控制通路10-13轴向间隔相同的距离，第一阀元件中的通路部分24和25之间的距离(大约)相当于距离2xL，其中，在该实施例中，L是两个相邻控制通路中心之间的距离。应该注意，不同构造的实施例可以设计成不同开口之间的距离是变化的，以便实现所希望的冲击装置的特征。 
参考标记24′和25′表示以先有技术中已知的方式用于类似阀体的、在第一阀元件的圆柱形外壁上的环绕转出(turned out)凹槽。转出凹槽25′具有轴向延伸部，所述轴向延伸部(大约)相当于L，原因将在下面解释。 
第二阀元件18具有密封第一阀元件17的内圆柱形空间的两个活塞部分27和28，中间的转出凹槽26具有超过2xL的宽度。应当注意，控制通路的路径可以布置成，使得阀装置17中的开口之间的相互距离偏离冲击活塞缸中的开口之间的距离。 
在图3b中，控制室21中具有控制压力P1，而控制室22中没有控制压力(或者具有较低的控制压力)。第一阀元件17转换至第二位置，在该位置，通路部分24和25分别与控制通路10和12开路连接。然而，控制通路11被阻断，转出凹槽25′通过与控制通路12和13中的每个控制通路的开路连接传递流体连接。部分F1打开。 
第二阀元件18仍然位于其第一位置，并通过其活塞部分27阻断通路部分24。第二部分F2被阻断。在所示位置，两个控制通路12和13，而不是控制通路10和11，与信号管道15流体连接。 
在图3c中，控制室21内没有控制压力(或具有较低的控制压力)，但是控制室22内具有控制压力P2。第一阀元件17位于第一位置，这与图3a相同，而第二阀元件18位于第二位置，该第二阀元件18的朝向未示出的钻柄的轴向端靠在第一阀元件的指向内的肩部23上。所述第二部分F2打开。由第二阀元件18中的转出空腔形成的通路26和第一阀元件17的内表面与通路部分24和25的上部分一起构成所述第二部分F2上的开路连接。结果，在通路部分24的控制通路11处，转出空腔26和通路部分25与控制通路13流体连接，从而与信号管道 15流体连接。控制通路10的延伸被阻断。 
在图3d中，控制室21中具有控制压力P1，控制室22中具有控制压力P2。第一阀元件17位于第二位置，这与图3b相同，而第二阀元件也位于第二位置，靠在指向内的肩部23上。结果，控制通路10与控制通路13流体连接，从而通过通路部分24、25和转出空腔26、25′而与信号管道15流体连接。所述部分F1和F2打开。第二阀元件18中的转出空腔26和第一阀元件17的内表面与阀部分24、25的上部分一起构成如上所述的开路连接。 
图4a-4d显示了本发明的替换实施例，其中在阀装置16′中，与相应阀座相互作用的三个阀主体30-32布置成分别控制每个控制通路的打开和阻断。并且在这个实施例中，为了致动，只需要两个控制压力。 
在控制室30′和32′中的第一控制压力P1的作用下，两个阀元件30和32都位于第一位置，在第一位置，连接部分F1(通过阀元件30)被阻断，从而控制通路10和12之间的连接以及控制阀被阻断。在控制室31′中的第二控制压力P2的作用下，阀元件31位于其第一位置，由此，相应控制通路与控制阀之间的连接部分F2被阻断，从而控制通路11(以及控制通路10)被阻断，这在图4a中有显示。 
通过转换控制压力，使得控制室30′具有较低压力P0，与控制通路10以及12建立开路连接。连接部分F1打开，但由于控制室31内具有第二控制压力P2，连接部分F2被阻断，从而控制阀与控制通路11(以及控制通路10)之间的连接被阻断，这在图4b中有显示。 
因为控制室30′和32′内具有第一控制压力P1，控制室10以及控制室12被阻断，并在控制室31′中的较低压力P0的作用下，与控制通路11建立开路连接，这在图4c中有显示。连接部分F2打开。 
因为所有的控制室30′、31′和32′内都具有较低压力P0，所以连接部分F1和F2打开。此外，控制通路10的上部与所述部分F2之间的连接部分F4也打开。因而与所有控制通路10-12都建立了开路连接，这在图4d中有显示。 
为实现所希望的功能，也可以构思其他不同阀的实施例。 
总而言之，如果所有控制通路10、11和12都被阻断而只有控制通路13与信号管道15连通，由此阀5在冲击活塞的返回运动后期进行转换，则冲击活塞可以实现最长的冲程长度。如果控制通路10与信号管道15连通，由此阀5在冲击活塞的返回运动初期进行转换，则可以实现最短冲程长度。 
在图5中示出了实现冲击装置的冲程的方法流程，其中： 
位置40表示流程的开始。 
位置41表示在冲击装置中产生一冲程。 
位置42表示获得与描述钻凿过程的参数、例如阻尼腔中的压力有关的参数信号。 
位置43表示分析在位置42获得的信号并生成与之相应的用于转换阀元件的信号，用以改变冲击活塞的冲程长度。 
位置44表示用改变的冲程长度在冲击装置中产生冲程。 
位置45表示流程的结束。 
在下列权利要求书的范围之内可以进一步修改本发明。冲击装置可以依照除图1所示之外的不同原理工作，可以在冲击活塞的冲击方向施加不变的压力，而对返回冲程交替增压，反之亦然。 
本发明适用于控制冲击活塞的上转动位置以及下转动位置。本发明也适用于没有旋转单元和阻尼器的应用，例如所谓的破碎机。 

Claims (16)

1.一种冲击装置，包括位于机器外壳(3)内部的能够往复运动的冲击活塞(2)，冲击活塞(2)的运动通过控制阀(5)进行控制，所述控制阀(5)布置成根据描述冲击活塞的轴向位置的信号，将一腔室交替连接于压力源和低压，其中，所述腔室内部接收冲击活塞(2)上的驱动面，其中多个轴向分开的用于传递所述信号的控制通路在冲击活塞(2)的缸筒空间内具有开口，以便与冲击活塞上的控制边缘(14)相互协作，以及，该冲击装置布置阀装置(16)，以通过相应打开和阻断一个或多个所述控制通路与控制阀之间的连接而传递所述信号，从而允许调整冲击活塞所处的轴向位置，其特征在于，
所述阀装置(16)包括第一阀元件，所述第一阀元件能够在该第一阀元件的第一位置和第二位置之间被控制，在该第一阀元件的第一位置，所述第一阀元件布置成阻断所述控制通路中的第一组与控制阀(5)之间的相应连接的第一部分，在该第一阀元件的第二位置，所述第一阀元件布置成打开所述第一部分，和
所述阀装置(16)还包括第二阀元件，所述第二阀元件能够在该第二阀元件的第一位置和第二位置之间被控制，在该第二阀元件的第一位置，所述第二阀元件布置成阻断控制通路中的第二组与控制阀(5)之间的相应连接的第二部分，在该第二阀元件的第二位置，所述第二阀元件布置成打开所述第二部分。
2.如权利要求1所述的冲击装置，其特征在于，所述控制通路中的第一组包括一个控制通路或两个控制通路。
3.如权利要求1或2所述的冲击装置，其特征在于，所述控制通路中的第二组包括一个控制通路或两个控制通路。
4.如权利要求1所述的冲击装置，其特征在于，在第二阀元件位于该第二阀元件的第二位置时，第一阀元件在该第一阀元件的第一位置布置成打开一个控制通路与控制阀(5)之间的连接部分，以及第一阀元件在该第一阀元件的第二位置布置成打开另一个控制通路与控制阀(5)之间的连接部分。
5.如权利要求1所述的冲击装置，其特征在于，所述第一阀元件和第二阀元件为圆柱形。
6.如权利要求1所述的冲击装置，其特征在于，该冲击装置包括第三阀元件，所述第三阀元件能够在该第三阀元件的第一位置和第二位置之间与第一阀元件同时被控制，在该第三阀元件的第一位置，所述第三阀元件布置成阻断控制阀与一组控制通路之间的连接部分，在该第三阀元件的第二位置，所述第三阀元件布置成打开所述控制阀与所述一组控制通路之间的所述连接部分。
7.如权利要求1所述的冲击装置，其特征在于，轴向位于距离冲击方向最远的方向的上控制通路与控制阀永久连接。
8.如权利要求6所述的冲击装置，其特征在于，所述第一阀元件、第二阀元件和第三阀元件能够通过压力流体致动转换。
9.如权利要求6所述的冲击装置，其特征在于，所述第一阀元件、第二阀元件和第三阀元件能够响应于描述钻凿过程的参数进行转换。
10.如权利要求9所述的冲击装置，其特征在于，所述参数是下列组中的任何一个：钻速、阻尼腔内压力、所检测的冲击波幅度。
11.一种钻岩机，其包括如权利要求1-10任一所述的冲击装置。
12.一种用于控制冲击装置的方法，所述冲击装置包括位于机器外壳(3)内部的可往复运动的冲击活塞(2)，冲击活塞(2)的运动通过控制阀(5)控制，所述控制阀(5)布置成根据传送冲击活塞的轴向位置的信号，将一腔室交替连接于压力源和低压，其中，在所述腔室内部，设有冲击活塞(2)的驱动面，其中多个轴向分开的用于传递所述信号的控制通路在接收冲击活塞(2)的缸筒空间内具有开口，以便与冲击活塞上的控制边缘(14)相互协作，以及该冲击装置布置有阀装置(16)，该阀装置(16)布置成，通过相应打开和阻断一个或多个所述控制通路与控制阀之间的连接而传递所述信号，从而调整冲击活塞所处的轴向位置，其特征在于：
所述阀装置(16)包括第一阀元件，所述第一阀元件被控制在该第一阀元件的第一位置和第二位置之间，在第一阀元件的第一位置，所述第一阀元件阻断所述控制通路中的第一组与控制阀(5)之间的相应连接的第一部分，在第二位置，所述第一阀元件打开所述第一部分，和
所述阀装置(16)还包括第二阀元件，所述第二阀元件被控制在该第二阀元件的第一位置和第二位置之间，在该第二阀元件的第一位置，该第二阀元件阻断所述控制通路中的第二组与控制阀(5)之间的相应连接的第二部分，在该第二阀元件的第二位置，该第二阀元件打开所述第二部分。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，在所述第二阀元件位于该第二阀元件的第二位置时，第一阀元件在该第一阀元件的第一位置打开一个控制通路与控制阀(5)之间的连接部分，以及第一阀元件在该第一阀元件的第二位置打开另一个控制通路与控制阀(5)之间的连接部分。
14.如权利要求12所述的方法，其特征在于，冲击装置包括第三阀元件，所述第三阀元件在该第三阀元件的第一位置和第二位置之间与第一阀元件同时被控制，在该第三阀元件的第一位置，所述第三阀元件阻断控制阀与一组控制通路之间的连接部分，在该第三阀元件的第二位置，所述第三阀元件打开所述控制阀与所述一组控制通路之间的所述连接部分。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述第一阀元件、第二阀元件和第三阀元件响应于描述钻凿过程的参数通过压力流体致动转换。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述参数是下列组中的任何一个：钻速、阻尼腔内压力、所检测的冲击波幅度。
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