CN101842194B - 脉冲发生装置以及包括该装置的岩石钻机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于在工具中产生冲击波的脉冲发生装置，其中，所述脉冲发生装置包括用于将能量传递到与所述工具连接的钻杆(202)的冲击器件(201；301)，其中能量传递引起所述冲击波，其中所述能量主要由存储在冲击器件(201；301)和/或能量存储器中的弹性能构成。所述脉冲发生装置包括用于对冲击器件(201；301)与钻杆(202)之间的相互作用进行控制的控制器件，其中用于对冲击器件(201；301)与钻杆(202)之间的相互作用进行控制的所述控制器件包括马达(207；307)，所述马达(207；307)被设计成通过旋转使通道交替地打开以对作用于所述冲击器件(201；301)的至少一个驱动表面(205)进行加压和减压。本发明的特征在于，所述马达(207；307)的旋转轴线被布置成与钻杆(202)基本上同轴。

Description

脉冲发生装置以及包括该装置的岩石钻机
技术领域
本发明涉及用于在钻入诸如例如岩石这样的材料中时使用的脉冲发生装置。更具体地，本发明涉及根据权利要求1所述的脉冲发生装置。本发明还涉及根据权利要求16所述的岩石钻机。 
背景技术
在岩石钻孔中，经常使用通过一个或多个钻杆部件与岩石钻机相连的钻孔工具。可以通过多种不同的方式实施钻孔，其中，一般存在的方法是冲击式钻孔，在该方法中，使用脉冲发生装置即冲击式装置以在往复运动的活塞的协助下产生冲击。冲击式活塞通常通过钻柄来撞击钻杆，以通过将动能传递到钻杆而产生冲击波，该冲击波通过钻柄传播到钻孔工具，然后从工具向前传播到岩石，从而释放冲击波的能量。 
一般通过对沿钻杆的纵向作用于冲击活塞的驱动表面进行加压和减压以驱动冲击式活塞，通常在液压方式工作的器件和/或气动方式工作的器件的协助下实现所述加压。 
然而，这种通过将冲击活塞的动能传递到钻柄/钻杆来产生冲击波的脉冲发生装置至少在一定运行条件下会产生不希望的副作用，使得通过冲击式活塞的往复运动所产生的动能可能对脉冲发生装置和/或钻杆和/或工具产生不希望的负面影响。 
还有另一种脉冲发生装置，其中并非如上所述的那样通过从往复运动的活塞释放的动能产生冲击波能量，而是通过释放存储的动能产生冲击波能量，该存储的动能从冲击器件传递到钻杆和/或从储能器经由该冲击器件传递到钻杆，在这种情形下，冲击器件只进行非常少量的移动，也就是说，所传递的动能基本上低于所传递的弹性能。 
根据现有技术，这些方案产生能量与传统的冲击活塞相比较低的冲击波，其中，为了保持钻孔的效率，通过以较高的频率产生冲击波来补偿较低的冲击波能量。 
然而，这种脉冲发生装置的一个问题在于，取得期望的钻孔效果所需的基本上更高的冲击波频率接着又对使通向驱动表面的通道打开和关闭的机构提出了要求，在产生所述冲击波的过程中驱动表面作用于冲击器件。 
在WO2004/073933中，示出了这种脉冲发生装置的示例，其中，使用旋转控制阀以实现对通道的快速打开和关闭，通道通向作用于冲击器件的驱动表面。然而，所示方案具有这样的缺点，即，需要驱动马达以驱动控制阀，并且该驱动马达使得脉冲发生装置由于驱动马达的直径而获得了更大的直径。此外，以下事实使其更加严重，尤其当需要高的旋转频率时，驱动马达必须具有一定的直径以防止阀与马达之间的旋转速度差异变得过大，因为大的差异可能导致因设计原因而没有达到期望的驱动马达速度(阀速度)。 
例如，在隧道挖掘时，期望的钻机直径是主要的缺点，因为大的钻机直径导致必须从矿中移出不必要的大量材料以允许在整个隧道中维持恒定的直径。较大量的移出材料还意味着例如在钻孔之后必须用混凝土填充较大的容积。 
因此，需要用于旨在进行高频率运行的钻机的改进的驱动机构。 
发明内容
本发明的一个目的是提供解决或至少减轻以上问题的脉冲发生装置。 
根据本发明，通过如权利要求1中所限定的装置来实现这个目的。 
根据本发明，提供了用于在工具中产生冲击波的脉冲发生装置，其中，所述脉冲发生装置包括冲击器件，冲击器件用于将能量传递到与所述工具连接的钻杆，其中能量传递引起所述冲击波，其中所述能量主要由存储在冲击器件和/或能量存储器中的弹性能构成。该脉冲发生装置包括用于对冲击器件与钻杆之间的相互作用进行控制的控制器件，其中用于对冲击器件与钻杆之间的相互作用进行控制的所述控制器件包括马达，所述马达被设计成通过旋转使通道交替地打开以对作用于所述冲击器件的至少一个驱动表面进行加压和减压。本发明的特征在于，所述马达的旋转轴线被布置成与钻杆基本上同轴。 
这样所具有的优点在于，由于马达的旋转轴线被布置成与钻杆基本上 同轴，因此可以使用该马达来驱动相对于马达轴向偏移的阀，这又意味着脉冲发生装置的外径可以与根据现有技术的方案相比保持基本上较小。这样还具有优点在于，可以充分利用马达的旋转速度，这对于能量以弹性能形式并因此需要更高冲击波频率的脉冲发生装置的驱动是非常有利的。 
本发明对于这样的脉冲发生装置尤其有利，其中，该脉冲发生装置包括在远离工具的方向上朝向冲击器件进行作用的压力腔室，所述的马达被设计成通过旋转使通道交替地打开和关闭以对所述压力腔室进行加压和减压。由于在该方案中，阀和马达应该或可能甚至必须被布置在从冲击器件的驱动表面观察的下游方向，也就是说布置在工具的方向上，因此在该情况下，根据本发明，可以使用直径相对较大的马达而无需偏离钻机的其他设计相关的限制的界线，此外还无需为了使钻机的外径最小化而进行齿轮减速。因此，本发明意味着可以通过若干类型的钻机以高频率实施钻孔而不明显增加所产生的多余岩石。 
本发明还涉及岩石钻机。 
附图说明
图1A-B示意性地示出了例如隧道挖掘中钻机直径对所钻材料的量的影响。 
图2A-B示出了根据本发明的脉冲发生装置的第一实施方式。 
图3A-C示出了用于图2A-B中所示的实施方式的阀盘、马达阀和垫圈。 
图4示出了本发明的可替换示例性实施方式。 
具体实施方式
如上所述，钻机的直径构成例如隧道挖掘中的重要参数。在图1A和图1B中图示了该直径，其中，图1A中以后视图示意性地示出了钻机100。在隧道挖掘中，距离d是非常重要的，因为该距离控制进入岩石的方向，必须沿着该方向进行钻孔以允许获得具有规则直径的隧道。 
在图1B中对此进行了例示，其中，以α表示期望的隧道直径，并且实际的钻孔以锯齿图形101表示，其中距离β实质上由钻机直径决定。 钻机直径越小，相对于可用于钻孔中的期望隧道周缘的角度偏差γ越小，这导致减小的距离β并因此还导致较少的剩余材料部分(以阴影线表示)，该剩余材料必须移除以例如在衬砌(concrete lining)操作中进行后续的再填充。 
图2A-B出示了脉冲发生装置200，该脉冲发生装置200可有利地与钻孔设备如岩石钻机一起使用并允许例如WO2004/073933中所示类型的机器中更小的钻机直径。在运行过程中，脉冲发生装置200通过钻杆连接到钻孔工具(未示出)如钻头，其中钻杆包括一个或多个钻杆部件并在图中以202表示。在钻孔过程中，呈冲击波形式的能量通过冲击器件201传递到钻杆202。在所示装置200中，冲击器件201并非用于产生冲击波的往复活塞，而是呈脉冲活塞201的形式的可张拉冲击器件。 
可以根据多种不同工作原理获得其中冲击波能量以弹性能而非主要是来自传统冲击式活塞的动能的形式进行传递的装置，其中，图2A-B中所示的原理使得通过使脉冲活塞201向如腔室204的空间张拉而将脉冲活塞201向装置的远离工具的端部203张拉，该空间例如可填充加压流体，之后，对在腔室204方向上进行作用的驱动表面205进行加压从而实现腔室204的内容物的压缩，然后作用在驱动表面205上的压力突然下降，使脉冲活塞201朝向钻杆202进行少量移动，以因此释放随着腔室204中应力增加而储存的弹性能。 
可以通过多种不同的方法实现弹性能的储存。例如，除了如上所述那样对腔室的内容物进行压缩以外，还可以通过对驱动表面205增压而使脉冲活塞压缩来实现弹性能的储存，从而储存能量，并且当卸除压力时由于脉冲活塞趋于恢复其原有形状因此该能量被释放。 
在一个示例性实施方式中，腔室204替代性地由某种弹性材料构成，对驱动表面205加压后该腔室204被压缩以接着当卸除作用于驱动表面205上的压力时趋于恢复其原有形状，从而通过脉冲活塞向工具释放所储存的呈脉冲形式的能量。在另一示例性实施方式中，可以使用以上方法中的两个或更多的组合。 
如上所述，与包括传统的冲击式活塞的装置相比，图2A-B中所示的那种装置中随着每个冲击波所释放的能量的量基本上较小，在包括传统的冲击式活塞的装置中所传递的能量主要由动能构成，为此，脉冲活塞 201必须以与传统冲击式活塞相比基本上相对较高的频率工作以实现向工具传递的相同的单位时间总能量。例如，可以这么说，传统类型的往复运动冲击式活塞的通常工作频率是50-60赫兹，而图2A-B中所示的那种脉冲活塞应以几百赫兹的频率或者甚至以一千赫兹或多于一千赫兹或者还更高的频率运行。 
这种基本上更高的频率接着又对使通道打开/关闭的机构提出了要求，该通道用于对压力腔室206进行加压/减压，压力腔室206用于对脉冲活塞的驱动表面205进行加压/减压。如WO2004/073933中所述，一种实现该目的的方法是使用旋转阀。然而如属于该专利说明书的附图中所示，这种阀通过马达驱动，该马达接着通过齿轮联轴器驱动旋转阀。为了能够实现期望的脉冲活塞频率，旋转阀必须以高频率旋转，至少在能够使用直径小于旋转阀直径的马达的情况下，这使得马达必须还以更高的频率旋转。由于存在影响对于给定载荷所能实现的最大旋转速度的设计限制，实际上这意味着，驱动马达必须有一定的直径，该直径的值在较高频率的情况下可能约为阀直径的一半或者甚至更大，这样因而导致图1A-B中所示的不期望的效果。 
根据本发明，可提供的这样的钻机，该钻机具有与现有技术相比实质上较小的直径，但是该钻机仍能以相同或更高的频率使用于对腔室206进行加压/减压的通道打开和关闭。根据本发明，这能够在与脉冲活塞201同心的马达的协助下实现，该马达在图2A-B中由轴向活塞马达207构成。图2A-B中所示的马达207包括斜盘208和多个轴向活塞222，通过经非旋转马达阀210(还在图3B中详细示出)进行加压/减压以对这些轴向活塞通过通道211来进行加压或通过通道212进行减压，从而以传统方式产生马达207的旋转。 
用于轴向活塞马达207的活塞222的斜盘208沿旋转方向锁止于钻机壳体213。同样在这种情况下，马达阀在旋转方向上锁止于压力传递部214，压力传递部214在旋转方向上锁止于机器壳体213但可相对于机器壳体轴向移动。 
在该实例中，压力传输部214以这样的方式实现，即，压力传输部214被制成为具有两个不同的直径(见214A、214B)以改善装置在用于对脉冲活塞201进行加压和减压的通道220、221之间的压力密封特性。然而，本发明不限于具有多个不同直径的压力传递部，还可以在证明是 适当的场合使用具有均匀直径的压力传递部。马达207(马达圆筒体)固定地连接到围绕脉冲活塞201的空心轴215。空心轴215在其远离马达207的端部通过花键联轴器或其他适当的联轴器连接到呈阀盘216形式的第一阀部，图3A中示出了阀盘216的示例性实施方式。如图3A所示，阀盘216包括内侧孔组217和外侧孔组218。外侧孔组218在周向上相对于内侧孔组217角度偏移。在操作过程中旋转的阀盘216与固定地连接到机器壳体的诸如例如相应的阀盘或垫圈219那样的第二阀部的反向运行，但是其中在垫圈219中，外侧孔组被布置为与内侧孔组径向对准，也就是说在周向上没有所述的角度偏移(见图3C)。 
这样，阀盘216和垫圈219的内侧孔组和外侧孔组在操作过程中交替地相遇，也就是说，通向腔室206的通道要么通过外侧孔组218要么可替换地通过内侧孔组217打开。在该实施方式中作为内侧孔组217的一个孔组用于通过通道220来对腔室206加压，而外侧孔组在该示例中用于通过通道221对所述腔室206进行排泄减压。 
因此对于由马达产生的每次旋转，所示装置对腔室206进行4次加压和减压，使得脉冲活塞201的脉冲频率为马达207的旋转频率的4倍。所示装置所具有的主要优点在于，与WO2004/073933中所示的装置相比，钻机(冲击装置)的外径可保持基本上更小，同时，可以使用直径相对较大的马达而不偏离钻机的其他设计相关限制的界线，如脉冲活塞直径等。而且，可以充分利用马达的旋转速度，也就是说，无需为了使钻机的外径而最小化而进行任何齿轮减速。这样所具有的优点例如在于，在隧道挖掘中，与传统的冲击式活塞方案相比，可以通过高频率实施钻孔而不明显增加所产生的移出多余岩石。 
图2A-B中所示的实施方式还有其它优点。其中一个实施方式在图2B中例示，其中马达活塞222的回流通道212通向腔室206的回流通道，因此允许冲击式装置被制成为具有单一的共有回流通道221。所示实施方式还具有的优点在于，在旋转部件与非旋转部件之间不存在任何径向的流体流动，因为压力传递部214在旋转方向上锁止于机器壳体。 
图2A-B中所示的实施方式还具有其它重要优点。压力传递部214可以相对于机器壳体213轴向移动，因此马达阀210可以相对于机器壳体213轴向移动，并且马达外壳207可以相对于机器壳体213轴向移动，因此空心轴215和阀盘216可以相对于机器壳体213轴向移动，这意味着分别在用于马达驱动的液压或脉冲活塞的驱动压力(通过通道220)的协助下可以方便地实现旋转表面与非旋转表面之间的适当密封，如在马达壳体207与马达阀210之间，或者在阀盘216与压力传递部214或垫圈219之间的适当密封。这就是说，密封作用取决于不同部件之间彼此压靠所产生的压力并可通过这种压力受到控制，而这种压力接着又受控于用于各自压力供给的压力水平。 
因此通过优选地在制造过程中将压力调节为适当水平，可以通过对压靠表面处发生的泄露进行控制以在这些表面处分别获得期望的润滑。因此，图2A-B中所示的实施方式构成了非常有利的驱动机构，该驱动机构尤其适合在驱动机构必须布置在脉冲活塞的驱动表面与工具之间的脉冲发生装置中使用。 
在图4中示出了本发明的可替换实施方式，如同图2中所示的实施方式那样，该实施方式包括相应工作的脉冲活塞301和用于脉冲活塞的驱动机构，该脉冲活塞在该情况下还由轴向活塞马达307驱动，如上所述，轴向活塞马达307被设置为通过斜盘308的协助旋转。 
然而，根据该实施的装置300与图2中所示实施方式的不同之处在于，在该情况下，压力传递部314还被设计成在操作过程中旋转。也就是说，在该示例中，不仅空心轴被马达307驱动旋转，还有压力传递部314整体也被马达307驱动旋转。这还意味着，在该施方式中，图1A-B中所示的阀盘构成了压力传递部314的一体的部分。这例如可以通过以下方式实现，即压力传递部314在其远离马达307的端部被配置成具有通道以例如获得类似图3A中所示阀盘216的剖面，在这种情况下，当压力传递部通过旋转以与上述第一阀部(阀盘216)相对应的方式与锁止于机器壳体的第二阀部相互作用时，可以获得与图2A-B中所示的相对应的工作过程，其中第二阀部诸如为与上述阀盘219相对应的阀盘。 
图4中所示的实施方式并不具有通过图2A-B中的方案所获得的如下优点：沿径向的压力传递产生于在旋转方向上锁止在一起的部件之间，也就是说，在图2A-B中，压力传递部214在旋转方向上锁止于机器壳体。相比之下，在图4中，压力传递通过旋转压力传递部与机器壳体之间的径向联接产生。然而，在图4中所示的实施方式中，继续在各自阀部之间产生轴向压力传递。 
本发明可与这样的脉冲发生装置一起使用，该脉冲发生装置包括用于对所述压力腔室中的压力下降过程进行调节的控制器件。可以通过例如借助回流通道221上的节流阀对压力下降过程进行控制来控制冲击波的形态。在专利说明书WO2006/126932中示出了这种控制系统的示例。 
本发明还可用于这样的方案，在这些方案中，至少部分地基于在工具/岩石处所反射的能量对冲击器件与工具之间的相互作用进行控制，该能量通过钻杆返回到钻机。在专利说明书WO2006/126933中示出了这些方案的示例。 
在以上描述中，通过结合具体类型的脉冲发生装置对本发明进行了描述，在这种脉冲发生装置中，使用在远离工具的方向上进行作用的压力腔室以通过加压来实现弹性能的存储并通过减压来释放该弹性能。然而，本发明也适用于对主要呈弹性能形式的冲击波进行传递的其他类型的脉冲发生装置，诸如例如上述专利说明书中所示的脉冲发生装置。 

Claims (16)

1.一种用于在工具中产生冲击波的脉冲发生装置(200；300)，其中，所述脉冲发生装置(200；300)包括冲击器件(201；301)，所述冲击器件(201；301)用于将能量传递到与所述工具连接的钻杆(202)；能量传递引起所述冲击波，其中所述能量主要由存储的弹性能构成；所述脉冲发生装置(200；300)包括用于对所述冲击器件(201；301)与所述钻杆(202)之间的相互作用进行控制的控制器件；且用于对所述冲击器件(201；301)与所述钻杆(202)之间的相互作用进行控制的所述控制器件包括马达(207；307)，其中所述马达(207；307)被设计成通过旋转使通道交替地打开以对作用于所述冲击器件(201；301)的至少一个驱动表面(205)进行加压和减压，
其特征在于，
所述马达(207；307)的旋转轴线被布置成与所述钻杆(202)基本上同轴。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述马达(207；307)被设计成通过液压工作器件和/或气动工作器件来旋转。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，将所述马达(207；307)布置成相对于作用于所述冲击器件(201；301)的至少一个驱动表面(205)更靠近所述脉冲发生装置(200；300)面向所述工具的端部。
4.根据权利要求1中所述的装置，其中，在所述能量传递中，所述冲击器件(201；301)沿所述工具的方向进行少量移动。
5.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述马达(207；307)被设计成使第一阀部(216)旋转，其中所述第一阀部(216)相对于第二阀部(219)的旋转使通道交替地打开以至少对作用于所述冲击器件(201；301)的所述驱动表面(205)分别进行加压和减压，其中所述第二阀部(219)锁止于所述脉冲发生装置(200；300)的壳体。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述马达(207；307)被设计成使空心轴(215)绕着所述钻杆(202)和/或钻杆部件的至少一部分周向旋转，所述空心轴(215)被设计成在操作过程期间使所述第一阀部旋转。
7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述第一阀部由阀盘(216)构成。
8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述第一阀部(216)相对于所述第二阀部(219)的旋转使通道在基本上为轴向的方向上交替地打开，以至少对作用于所述冲击器件(201；301)的所述驱动表面(205)分别进行加压和减压。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述脉冲发生装置(200；300)包括压力腔室(206)，所述压力腔室(206)在远离所述工具的方向上朝着所述冲击器件(201；301)进行作用，所述马达(207；307)被设计成通过旋转使通道交替地打开和关闭以对所述压力腔室(206)分别进行加压和减压。
10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述马达(207；307)由轴向活塞马达(207；307)构成。
11.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述脉冲发生装置(200；300)包括用于对所述压力腔室(206)中的压力下降过程进行调节的另一控制器件。
12.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述脉冲发生装置(200；300)还包括压力传递部(214；314)，所述压力传递部(214；314)用于将加压的流体传递到所述第一阀部(216)。
13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述压力传递部(214；314)相对于围绕的壳体在旋转方向上被锁止。
14.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述压力传递部(214；314)能够相对于围绕的壳体轴向移动。
15.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述存储的弹性能主要由存储在冲击器件(201；301)和/或储能器(204)中的弹性能构成。
16.一种岩石钻机，其特征在于，所述岩石钻机包括根据权利要求1-15中的任一项所述的脉冲发生装置(200；300)。
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