CN103069101B - 控制岩石钻孔设备的压缩机的方法和系统及岩石钻孔设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种控制岩石钻孔设备中的压缩机的方法，所述岩石钻孔设备包括用于在岩石钻孔过程中驱动压缩机的动力源，所述压缩机设置成根据第一模式及根据第二模式运转，其中，在所述第一模式中，由压缩机产生的功设置成通过控制所述压缩机的旋转速度来控制，并且在所述第二模式中，由压缩机产生的功设置成通过控制压缩机进气口处的气流来控制。该方法包括：确定表示对来自所述压缩机的功的需求的参数值；当表示对来自所述压缩机的功的需求的所述参数值超过第一需求时，根据所述第一模式控制压缩机；以及当表示对来自所述压缩机的功的需求的所述参数值低于所述第一需求时，根据所述第二模式控制压缩机。本发明还涉及一种系统及一种岩石钻孔设备。

Description

控制岩石钻孔设备的压缩机的方法和系统及岩石钻孔设备

技术领域

本发明涉及一种用于控制压缩机的方法和系统，并且特别是涉及一种用于控制岩石钻孔中的压缩机的方法。本发明还涉及一种系统以及一种岩石钻孔设备。

背景技术

在岩石钻孔期间通常使用诸如为钻头的钻具，钻头通常借助于由一个或更多个钻杆部件组成的钻柱连接到钻孔机器。钻孔能够以例如旋转钻孔的各种方式来完成，在旋转钻孔中，钻具被以高压力朝向岩石推动并随后压碎岩石。

执行钻孔的另一方式是使用冲击钻孔机器，在该冲击钻孔机器中，钻柱设置有钻削钎尾，活塞击打到钻削钎尾上以将冲击脉冲经由钻柱传递到钻具，并随后进一步传递到岩石。冲击钻削通常与钻柱的旋转结合，以便获得钻头的球齿在每个行程中撞击新鲜岩石的钻削(钻削的效率可以通过使钻头的球齿避免撞击已经由先前的撞击产生的孔而得到提高。同时减小了钻头球齿的磨损)。

上述钻孔方法的共同之处在于：在钻孔期间形成的钻孔残留物，所谓的钻屑，必须从孔中排出，使得钻具总是能够紧靠新鲜岩石工作并且不会将能量浪费在已经压碎的岩石上。

因此，通常使用诸如为压缩空气的冲洗介质来冲洗钻孔以冲洗压碎的岩石。

压缩空气从压缩机中获得，该压缩机与岩石钻孔设备中存在的其他消耗装置类似，都由诸如为内燃机的动力源驱动。

通常，各种不同的消耗装置由岩石钻孔设备中的同一动力源驱动，这导致动力源必须至少以最小速度被全时驱动，这取决于连接至动力源的消耗装置。动力源的速度必须足够高，以确保此刻具有最高需求的消耗装置将获得足够的动力来确保所需的功能。

这种解决方案的优点在于：能够将一个且同一个动力源用作用于存在于钻机中的诸如为压缩机、液压泵/马达、冲击机构等等的所有消耗装置的动力源。

然而，该解决方案具有以下缺点：即，许多时候，动力源的实际速度对所有消耗装置不是最佳的。例如，压缩机的动力需求(岩石钻孔设备对压缩空气的需求)可能小于冲击机构的动力需求(向冲击机构提供动力的液压泵)，这导致在钻孔期间消耗了比必须的动力更多的动力，使得消耗了大量的燃料并因而产生了热量和噪音。因此存在对一种岩石钻孔设备中的消耗装置的改进的控制的需要。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于控制岩石钻孔设备中的压缩机的方法，该方法解决了上面所提到的问题。该目的通过下文描述的方法而实现。

本发明涉及一种用于控制岩石钻孔设备中的压缩机的方法，所述岩石钻孔设备包括用于在岩石钻孔过程中驱动压缩机的动力源，所述压缩机设置成根据第一模式以及根据第二模式运转，其中，在所述第一模式中，由压缩机产生的功设置成通过控制所述压缩机的旋转速度来控制，并且其中，在所述第二模式中，由压缩机产生的功设置成通过控制压缩机进气口处的气体流量来控制。该方法包括：

-确定表示对来自所述压缩机的功的需求的参数值，

-当表示对来自所述压缩机的功的需求的所述参数值超过第一需求时，根据所述第一模式来控制压缩机，以及

–当表示对来自所述压缩机的功的需求的所述参数值低于所述第一需求时，根据所述第二模式来控制压缩机。

这具有以下优点：总是能够以使得压缩机不消耗比实际所需动力更多的动力的方式来控制压缩机，使得能够减小多余的燃料消耗以及与其有关的热量及噪音的产生。

根据本发明，压缩机被控制成使其精确地、或大致精确地产生目前所需的功，例如，所需的冲洗空气流量。根据本发明，这通过分别选择性地速度控制压缩机(动力源)以及控制(节制)压缩机进气口处的进气流量来实现，使得由压缩机产生的功(例如，传送的流量)能够设定在所需的水平。

由压缩机产生的功因而通过控制压缩机的旋转速度和/或控制压缩机进气口处的气体流量来控制。这使得能够通过将压缩机进气口精确地节制到产生所需功需要的程度以给定的压缩机速度实现对所产生的功的精确控制。只要动力源的速度产生能够排出至少足够的压缩机流量的压缩机速度，对所产生的功的控制就同样能够独立于动力源的当前速度而执行。

压缩机的做功模式能够在所述第一模式与所述第二模式之间连续地改变，以确保所需流量独立于其他因素被排出。例如，对冲洗空气流量的需求可以是基本不变的，而同时，连接到动力源的其他消耗装置被打开或关闭，由此动力源的旋转速度在运转期间可以变化，这使得需要控制压缩机以保持所需的流量。

压缩机可被控制成使其在压缩机的高压力侧上产生确定的压力，在此，由压缩机排出的流量通过设定的压力来控制。然而，压缩机的高压力侧上的流量仍将例如根据冲洗空气在钻孔期间所受的限制而连续地变化。流量限制(节制)尤其取决于钻头、钻杆的类型、钻杆的数量以及钻头中的冲洗空气孔是否开始被堵塞。如果在钻孔期间产生的钻屑的量增大，则与所产生的钻屑的量相对较小的情况相比，在压力控制系统中，冲洗空气回路中的流量将减小。

因此，这些系统具有不存在对流量的控制的缺点。该系统力图保持恒定的设定压力，因此压缩机被设定成连续地排出的流量将变化。给定第二压力所需的空气流量完全取决于随后系统展现的流量限制。这意味着一个且同一第二压力将导致变化量的冲洗空气。当已经达到设定控制压力时，冲洗空气流量将由于另外的钻杆被增加到钻柱上以及孔变深而减小，这能够导致压力增大，这又导致流量减小，使得增大了堵塞的风险。如果钻头中的冲洗空气孔开始堵塞，这种节制，以及由此的流量损失将增大，这导致压缩机系统减小流量，并且情况变得甚至更糟。

因此，本发明的另一个目的是基于压缩机之后的主要压力水平来直接控制压缩机的流量，而不是控制由压缩机在岩石钻孔过程中排出的流量。这具有以下优点：压缩机可被控制成带来对在钻孔期间出现在冲洗空气回路中的压力变化较不敏感的解决方案。

这通过基于表示所需流量的信号控制压缩机来实现，其中所需流量独立于压缩机之后的压力。因而，只要冲洗空气回路中的压力没有超过最大压力值，则对冲洗空气流量的控制就独立于根据上文的压力变化，上述最大压力值例如可以由假定钻头已经被堵住并且钻孔因此应当停止时的值来表示。最大压力也能够表示不应当被超过的最大值，以便避免部件损坏的危险。

通过分别控制压缩机进气口处的空气流量以及压缩机速度，冲洗空气流量可被独立于冲洗回路中占优势的实际压力来控制。这意味着压缩机载荷将根据压力而变化，而流量保持在所需水平(至少达到根据上文的系统的设定最大载荷)。这意味着所需的冲洗空气流量能够被非常精确地控制并且独立于载荷的变化，从而能够确保始终保持由压缩机排出的所需的冲洗空气流量。

与压力控制系统相反，冲洗控制系统能够传送恒定的流量(在系统的压力限制内)，上述恒定的流量独立于钻柱部件等等产生的反压。这意味着冲洗空气流量将不会随着钻杆的数量或孔深度而变化(除非需要随着钻柱部件的增大的数量，即，增大的孔深度，而增大冲洗空气流量，在这种情况下这种增大可被设定)。

因此，压力能够随着流量而变化，而流量不能随着压力而变化，这使得可以利用冲洗空气压力来判断是否出现任何问题，例如，钻头是否被堵塞。

通过下面对示例性实施方式和附图的详细描述，本发明的另外的特征及其优点将变得明显。

附图说明

图1公开了一种能够有利地利用本发明的岩石钻孔设备。

图2a至图2b公开了根据本发明的一个示例性实施方式的用于控制图1的岩石钻孔设备中的空气压缩机的装置。

图3示出了压缩机分别在被速度控制时以及在被通过控制压缩机进气口处的气体流量来控制时的效率。

图4示出了根据本发明的示例性方法的流程图。

具体实施方式

图1示出根据本发明的第一示例性实施方式的岩石钻孔设备，将对用于该岩石钻孔设备的压缩机的创造性控制进行描述。

图1中所示的岩石钻孔设备包括钻机1，在该示例中，为承载顶锤式钻孔机器11形式的钻孔机器的地面钻机。

钻机1被示出正用于在岩石中钻削孔2，这开始于地面并且目前钻孔处于深度α处。该孔旨在成为具有深度β的孔，深度β根据使用区域可以从孔至孔和/或从使用区域至使用区域地进行较大程度的变化。完成的孔由虚线表示。(所示出的钻机高度与孔深度之间的关系并非旨在以任何方式成比例。钻机的总高度γ可以例如为10米，而孔深度β可以小于10米以及远大于10米，例如20米、30米、40米或更大)。

顶锤式钻孔机器11通过钻架13安装在进给梁5上。进给梁5又通过进给梁保持器12附接到悬臂19。顶锤式钻孔机器11通过由钻柱支架14支承的钻柱6向钻头3形式的钻具上提供冲击。通常，钻头包括由硬金属、金刚石或类似材料制成的刀具或刀头/球齿，钻头将冲击波能从顶锤式钻孔机器11传递到岩石上。出于实际原因(除了可能用于非常短的孔)，钻柱6并非由单件钻杆组成，而是通常由多个钻杆组成。当钻削已经行进至与钻杆长度相对应的距离时，新钻杆与已经螺纹连接在一起的一个或更多个钻杆螺纹连接在一起，由此钻削能够在将新钻杆与现有钻杆螺纹连接在一起之前行进另一个钻杆长度。

顶锤式钻孔机器11为液压类型的，在此其由液压泵10供给动力，液压泵10又由内燃机9(例如柴油机)形式的动力源通过管(未示出)以常规方式驱动。可替代地，动力源9可以例如包括例如电动马达。

通常，上述类型的钻机包括诸如为内燃机9的主动力源，主动力源向存在于钻机中的各个或全部消耗装置提供动力，消耗装置例如为压缩机、液压泵以及由例如冲击机构、液压马达驱动的消耗装置。

在钻孔期间，岩石被压碎，并且压碎的岩石形成钻孔残留物，钻孔残留物必须从钻孔中排出以便以有效的方式执行钻孔。

因此，使用根据本示例为压缩空气、冲洗空气的冲洗介质来将钻孔期间产生的也称为钻屑的钻孔残留物从钻孔冲洗干净(也能够使用例如具有或没有添加剂的水的其他冲洗介质来替代压缩空气)。

在公开的岩石钻孔设备中，冲洗空气被导引穿过钻杆，钻杆包括例如由钢制成的厚壁管。穿过钻柱沿纵向方向在杆壁中或穿过杆壁形成的通道用于从钻机1穿过钻柱6供给冲洗空气以穿过钻头中的冲洗空气孔释放，从而随后使钻屑穿过该孔向上。

如由图1中向上指向的箭头所示的，冲洗空气向上冲洗钻屑穿过并离开位于钻杆与钻壁之间的空间中的孔2(在可替代的实施方式中，钻屑从孔穿过钻柱中的通道冲洗出，从而冲洗介质被导引穿过位于形成在钻杆与钻壁之间的空间中的孔，可替代地，穿过形成在钻柱中的第二通道)。

不考虑流动路径，为了使钻屑随冲洗空气向上穿过孔，需要冲洗空气达到至少一定的速度。钻屑随冲洗空气向上穿过孔并且不因堵塞问题保持在孔中所需的最小速度主要取决于钻屑的大小、形状以及密度。重要的是，使钻屑随气流到达地面的气流足够高。过低的气流会使钻孔性能恶化，并且最坏导致钻孔被堵。同时，重要的是，气流不必太高，因为过高的气流会导致能耗增大，并且还会由于钻柱受到由穿过孔向上的冲洗空气承载的钻屑造成的冲击波效应而增大例如钻柱铸件的磨损。

为了使空气向下到达钻头，使用了压缩机8，在本示例中为螺杆压缩机，压缩机将冲洗空气迫压穿过钻杆中的通道向下到达钻头。压缩空气从压缩机8直接或通过箱(未图示)，或通过软管7供给到钻柱6。如所提到的，压缩机8由内燃机9驱动，并且下面将结合图2a至图2b更详细地描述压缩机8的功能。

内燃机9是钻机的主动力供应装置，并且因此应当具有足够的动力来同时向压缩机8以及连接到内燃机的其他消耗装置提供动力，其他消耗装置例如为全速状态的液压泵10、15以及冷却风扇和其他消耗装置。这些其他消耗装置可以例如包括另外的液压泵，另外的液压泵用于向在需要最大动力输出的钻孔情况期间运转的岩石钻孔设备的其他液压控制功能提供动力。

钻机还包括控制单元18，控制单元18构成钻机控制系统的一部分，并且控制单元18可以用于控制各种功能，例如，控制根据本发明的压缩机8和内燃机9的速度，这将在下文中进行描述。

如上文所提到的，压缩机8包括螺杆压缩机，即具有固定排量的压缩机。在图2中，压缩机8示出为直接连接到内燃机9，即内燃机速度的变化直接由压缩机8的旋转速度的相应的变化反映。

原理上，来自具有固定排量的压缩机的流量可以根据两个不同的原理来控制，其中，一个原理包括控制压缩机的旋转速度。来自具有固定排量的压缩机的流量与压缩机速度成正比，并且在压缩机的动力源能够被自由地速度控制的情况中，也能够通过控制速度而将由压缩机传送的流量控制到介于压缩机的容量的0与100％之间的任意水平。然而，压缩机和/或动力源可以具有最小速度，因此对于速度控制的可能的下限实际上通常包括最小速度，最小速度还在压缩机通过控制速度可以传送的最小流量方面施加限制。

很多时候，完全自由的速度控制是不可能的，例如，由于内燃机形式的动力源必须保持至少最小(空转)速度以便运转。至于根据上文的岩石钻孔设备，还存在连接到动力源的其他消耗装置，例如所述液压泵10、15，为了获得足够的动力，其他消耗装置可以请求比压缩机目前所需的速度更高的内燃机速度。

因此，内燃机的旋转速度n由控制单元18通过控制信号24来控制，控制信号24由控制单元18基于来自例如其他消耗装置或存在于岩石钻孔设备中的另一个控制单元的信号21-23来确定，并且其中控制信号可以代表压缩机和/或一个或更多个其他消耗装置的动力需求。

内燃机9也可以设置成以适于不同运行状态的多个不同的、大致恒定的速度中的任意速度来驱动。因此，只要速度没有降到其他消耗装置所需的最小速度以下，而且控制至多个预定速度中的任一个，则根据本发明的速度控制就可以包括对压缩机(动力源)的完全自由的速度控制。

然而，根据本发明，不仅仅使用了对压缩机的速度控制。作为替代，使用了压缩机控制方法，在压缩机控制方法中，交替地使用两种不同的原理来控制压缩机以便获得从压缩机的传送的功，例如与所需流量/流量需求对应的流量。除了根据上文控制内燃机9的速度之外，还控制供给到压缩机的空气的量。这通过进气阀25在图2a中示意性地示出，进气阀25的打开/关闭通过来自控制单元18的控制信号26来控制。

图2b中更详细地示出用于控制由压缩机8借助于进气阀25排出的流量的原理。

进气阀25包括电控进气阀。可以理解的是，通常，对压缩机进气口的控制可以以各种方式以及通过不同类型的进气阀来实现。根据所示出的示例性实施方式，阀由位于压缩机的进气口中的电控比例阀来例示。

根据图2b中示出的实施方式，该阀为具有阀盘30的圆盘阀，阀盘30通过气动控制的控制活塞31来操纵。朝向压缩机进气口32的开口区域ΔA通过借助于控制活塞上下操纵阀盘30来改变，并因此也改变了允许从周围环境传到压缩机进气口32的空气的量。

背离阀盘30的进气口的侧部30a(即，图2b中的上侧)克服通常为大气压力p_atm的环境的压力，而相对(下)侧受到压缩机进气口32中的主要压力p_in的影响。阀盘30起到节流的作用，在此压缩机进气口中的压力至多将对应于p_atm，但只要空气不能自由流动到压缩机进气口内，则在压缩机进气口32中负压(subpressure)p_in<p_atm将占优势。

来自处于给定压缩机速度的压缩机的气流与进气口中的绝对压力至少大致线性地相关。在压缩机对着大气压力工作的情况下，即，当进气压力p_in＝p_atm时，获得处于当前环境和当前速度的压缩机的最大流量的100％。另一方面，只要负(低(under))压在压缩机进气口处占优势，压缩机排出的流量就将构成最大流量的部分流量。由压缩机排出的流量可以通过借助于到达进气阀的电控制信号以控制的和所需的方式控制压缩机进气口中的负压而精确地控制到所需的压力。

根据上文，阀盘受到的压力差产生了与进气口中的负压线性相关的力(图2b中向下指向)。为了控制阀盘，在公开的实施方式中使用了机械地连接到阀盘的控制活塞31。

控制活塞31被压力控制，并且从压力角度看，只要解除对控制活塞的压力控制，压缩机的进气口就会借助于弹簧33保持敞开。如果通过通道34向控制活塞31施加力，并因此向阀盘30施加力，则阀盘30将以使流动力、弹簧力(该弹簧力相对于其他主要力可以是小的，从而至少在某些情况下能够被忽略)和由控制活塞31施加的力之间的力平衡的方式定位自身。因此，阀盘产生的负压将取决于控制压力。通过例如能够从弹簧制造商测量或获得的弹簧33的弹簧特性的知识，负压能够通过为控制活塞加压而以简单的方式控制到所需的水平，其中在控制期间考虑弹簧特性。

对进气阀的控制可以以任何合适的方式完成，并且在文中例示的解决方案中，电控的气动弹簧加载的控制活塞因此被用于控制阀盘，但可以设想控制阀盘的完全地电或液压的解决方案。

控制活塞压力通过诸如为电控阀的致动器来控制，因而，来自控制单元18的控制信号26控制电控阀25，并由此控制根据图2a至图2b的控制活塞。

因此，可以根据两种不同的原理来控制压缩机的流量。即使这两种原理产生相同的功能，即，可能将由压缩机排出的流量以想要的方式控制到所需的流量，速度控制以及对压缩机进气口处的压力(流量)的控制仍分别展现了部分负荷时的效率的大的差异。

这例示在图3中。图3公开了有关两种控制原理在压缩机的0-100％载荷处的动力需求的图表。100％的流量代表第一速度n_x。速度n_x可以但未必是压缩机的最大速度。

因此，借助于速度控制的控制意味着对压缩机速度从0(0％流量)至n_x(100％流量)的控制。另一方面，对进气的控制包括以导致100％流量的速度的控制，即，图3中代表对进气阀的控制的曲线包括压缩机速度为恒定的n_x的控制。所公开的关系总是有效的，即，与控制压缩机以通过控制压缩机进气口处的进气来传送一定流量相比，在控制压缩机以通过速度控制来传送一定流量时的效率总是更高。

因此，理想的是在压缩机于运转期间通常工作的全部(工作)范围总是速度控制压缩机。然而，根据上文，这在岩石钻孔设备中通常是不可能的，因为在压缩机的全部工作范围的速度控制仅在以下情况中是可能的：即，没有连接至压缩机动力源(内燃机9)的其他消耗装置依赖于连续地保持至少一定速度的动力源。

根据本发明，因此，压缩机根据第一模式或第二模式来控制，在第一模式中，压缩机是速度控制的，在第二模式中，控制压缩机进气口中的气体流量。

图4中公开了根据本发明的示例性方法400。

该方法以确定压缩机流量需求q_d的步骤401开始。对压缩机流量的需求q_d可以较大程度地变化，并且以不同的方式确定。该需求可以例如基于压缩机之后的所需的压力来控制，在这种情况下，可以利用压缩机下游的压力传感器来确定由压缩机排出的流量是否需增大或者减小以保持所需压力。

根据本发明的一个实施方式，对压缩机8的控制是完全地流量控制。在这种情况下，确定压缩机要排出的流量，然后以获得所需流量的方式控制压缩机。压缩机的流量控制具有不需要来自压缩机下游的流路的反馈的优点，即，由于压缩机将始终以一定的旋转速度和一定的阀位置来传送一定的流量，因此能够一直确保排出所需的流量。

流量控制还具有以下优点：即，通过仅控制由压缩机8传送的流量，能够独立于实际载荷(实际载荷例如取决于钻柱部件的当前数量以及当前在钻孔期间产生的钻屑的量)以及为了获得所需的流量而实际需要的压力来保持所需的流量。当冲洗空气回路的载荷例如由于增大的钻屑的量而增大时，或者当越来越多的钻柱部件随着钻孔进度而增加到钻柱上时，压缩机将更难工作，即，根据上文，只要没有超过最大允许的压力，就仍会排出由控制信号确定的流量，但却是以更大的压力排出。

因此，能够独立于在冲洗空气回路中占优势的实际冲洗气压来执行对压缩机流量的控制，在此也不需要在流量控制期间控制冲洗气压。然而，例如通过压力传感器来监控冲洗空气回路中的压力仍然是有利的，使得如果载荷变得太高以至于超过压缩机或冲洗空气回路的预定最大压力，则压缩机流量可被停止或降到减小的流量。在这种情况下，钻孔也被停止或减小，因为压力增大可能是由于冲洗空气通道被堵塞或即将被堵塞。

当已经在步骤401中确定了合适的压缩机流量时，该方法继续至步骤402，在步骤402中，判定所需压缩机流量q_d是否超过参数值q_d1，以确定压缩机的工作模式。在一个实施方式中，这种判定通过确定所需流量q_d是否超过第一值——例如压缩机能够传送的最大流量的40％、50％、60％、70％或75％——来执行(可以理解的是，由此指的是压缩机在目前安装中能够传送的最大流量。如果压缩机被例如为能够以更高的速度驱动压缩机的动力源的另一个动力源驱动，则压缩机自身可以设计成传送更大的流量)。

如果是这种情况的话，该方法继续至步骤403，在步骤403中，压缩机根据所述第一模式——即旋转速度控制——来控制并且设定成传送流量q_d。如果内燃机能够被设定至多个固定速度，并因此不被自由地速度控制，则压缩机可被设定为排出以超过传送流量q_d所需的速度的最接近的固定速度获得的流量。

另一方面，如果所需流量q_d小于所述第一值，则该方法继续至用于根据所述第二模式——即，控制压缩机进气口处的流量——来控制的步骤404，在步骤404中，进气阀设定成排出所需流量q_d。

可以理解的是，压缩机的控制可以是连续的，以及所述第一模式与所述第二模式之间的改变可被经常执行。可以例如每秒、每5秒、每10秒或以任何其他合适的间隔来执行所需流量的确定。因此，该方法例如在根据上文的一定时间已经消逝之后从步骤403、404返回到步骤401以进行流量需求的新的确定。

还可以理解的是，旋转速度控制与对压缩机进气口处流量的控制之间的转变边界能够由例如动力源许多时候必须保持最小速度的事实的限制因素限制，在此，该最小速度相应地控制用于在压缩机进气口处的流量控制与旋转速度控制之间的变化的边界。旋转速度可以例如处于导致压缩机排出最大流量的40％-95％的旋转速度间隔中的任何位置。

除了在根据上文分别在所述第一模式与所述第二模式之间选择时利用用于所述参数值q_d1的固定边界之外，还可以根据本发明的一个示例性实施方式利用q_d1的可变值。根据该实施方式，压缩机根据以下情况来控制：

当所需的冲洗空气流量q_d(用压缩机能够排出的最大流量的百分比(％)表示)等于或超过第一值q_d1(用压缩机的最大流量的百分比(％)表示)时，压缩机将根据所述第一模式运转，其中：

$q_{d1}=\frac{{\mathrm{\&omega;}}_{e\_\min }}{{\mathrm{\&omega;}}_{e\_max}}*100---\left(1\right),$

并且其中：

ω_{e_max}＝最大马达(压缩机)速度，

ω_{e_min}＝最小马达(压缩机)速度，即，其他消耗装置所需的最小旋转速度，或者允许压缩机运转的最低内燃机旋转速度。该速度并且由此q_d1可以因此在运转期间变化。

因此，这意味着，只要q_d1超过根据上述等式(1)的边界，内燃机就将以比ω_{e_min}更高的速度运转。

然后，内燃机的旋转速度ω_e在将压缩机进气口中的流量设定成q_i＝100——即，完全打开进气口——的同时根据来控制。

另一方面，如果则在穿过进气阀(最大值的百分比)的流量q_i被根据所述第二模式控制的同时内燃机被控制成使得ω_e＝ω_{e_min}，即，以动力源的最小可能的旋转速度(考虑了其他消耗装置)，使得压缩机流量变成：

$q_i=\frac{q_d}{{\mathrm{\&omega;}}_{e\_min}/{\mathrm{\&omega;}}_{e\_\max }}---\left(2\right)$

因此，能够通过控制q_i而获得来自压缩机的所需的流量。根据例如由动力源驱动的其他载荷/消耗装置的接合/分离，动力源的旋转速度ω_{e_min}可以变化。动力源可被设置成以多个预定的大致固定的旋转速度中的任一个运转，其中不同的速度适于将足够的动力传送到与目前主要需求有关的连接的消耗装置。冲击机构以及钻柱的旋转构成消耗装置的示例，消耗装置的动力供应不应当受到压缩机的速度控制的影响。

然而，根据一个实施方式，上面的ω_{e_min}可以包括速度ω_{e_ober}，其中，能够确保只要动力源的速度不降到ω_{e_ober}以下，动力源的速度就能够在不影响钻机功能的情况下进行改变。

这可以通过设定(dimensioning)连接到主动力源的其他消耗装置而实现，使得其他消耗装置对于超过ω_{e_ober}的速度而变得独立于旋转速度。液压系统在所选择的速度范围中的旋转速度独立性可以通过设定以及适应液压系统的泵和泵控制来获得。这意味着，连接到动力源的其他消耗装置能够以全功率或者需要消耗装置传送的至少最大功率——即，已经处于ω_{e_ober}的当前系统(例如，当前钻机)中的消耗装置至多所需的功率——运行。其他消耗装置可以例如被设定成使其在动力源速度ω_{e_ober}——例如，所述压缩机排出最大流量时的速度ω_{e_max}的70％-75％——处能够传送全功率或消耗装置需要传送的至少最大功率。消耗装置能够传送的功率很多时候取决于旋转速度，但通过以合适的方式设定消耗装置，则能够确保已能够在速度ω_{e_ober}时传送最大的所需动力。因此，对压缩机的速度控制能够在不影响其他消耗装置的情况下从大约70％-75％的流量至100％的流量来执行。ω_{e_ober}还可以包括其他速度，并且例如可以是处于所述速度ω_{e_max}的40％-95％的范围内的速度。

在一个实施方式中，ω_{e_ober}是固定的，但如上文已经示出的，速度范围可以通过当前需求来控制。如果所有子系统都在低于最大工作点的工作点中运转，则控制系统能够连续地使发动机速度适应目前具有最大需求——即，上文的ω_{e_min}——的子系统，由此，构成速度控制与流量控制之间的限制的速度限制可以根据以上同样在其他消耗装置对于一定的速度ω_{e_ober}是速度独立的实施方式中已经描述的内容而变化。

当根据所述第二模式进行控制时，控制单元18在等式2中将动力源(内燃机)的速度考虑在内，从而，能够独立于动力源的旋转速度的变化来确保所需的流量。动力源的旋转速度可以例如通过设置在动力源的输出轴处或设置在压缩机的输入轴处的速度传感器来获得。

根据上文，可以基于一个或更多个不同的参数来确定压缩机传送的流量。

例如，可以基于钻孔的当前深度来确定冲洗空气的流量(随着增加的孔深度来增大流量是有利的，但要理解的是，在钻孔时也可以使用一个且同一流量)。

压缩机的流量还可以完全或部分地基于钻孔机器的冲击机构动力(冲击压力和/或冲击频率)，使得不论冲击机构动力如何，都能够一直确保流量适于在钻孔期间产生的钻屑，因为更困难的钻削(更高的冲击频率)通常导致大量钻屑的产生。

冲洗空气流量当然也可以独立于冲击压力来控制。岩石的性质也可被考虑在内，从而，冲洗空气流量可以至少部分地根据其中执行钻孔的岩石的性质来控制。

对由压缩机传送的流量的控制也可以基于上述控制参数或诸如为对钻具的旋转速度、孔直径和/或钻柱直径的表示的另外的控制参数的任意组合。

在对上述压缩机的自动控制期间，还借助于控制单元基于各种参数来执行所需冲洗空气流量的自动确定。所需冲洗空气流量可以替代性地通过岩石钻孔设备的操作者来确定，从而，所需流量可以从诸如为驾驶室的操作者位置例如通过人机界面输入，在此，输入值可以基于操作者的经验。

上文中，已经结合承载有顶锤式钻孔机器形式的钻孔机器的地面钻机对本发明进行了描述。然而，本发明还适用于压缩机控制，例如DTH(潜孔式(Down-The-Hole))钻孔机器。至于DTH钻孔机器，由于压缩机流量为孔中的空气驱动的冲击机构提供动力，因此控制排出压力而非流量是有利的，并且在孔中，期望无论如何仍通过根据上文控制流量来保持冲击机构的所需的工作压力。

还存在图1中所示的类型的地面解决方案，在该方案中，顶锤式钻孔机器为气体驱动的，由此出于类似的原因，压力控制可以是优选的。

Claims (22)

1.一种用于控制岩石钻孔设备中的压缩机(8)的方法，所述岩石钻孔设备包括用于在岩石钻孔过程中驱动第一消耗装置的动力源(9)，所述第一消耗装置为压缩机(8)并且所述压缩机(8)设置成根据第一模式以及根据第二模式运转，其中，在所述第一模式中，由所述压缩机(8)产生的功设置成通过控制所述压缩机(8)的旋转速度来控制，并且其中，在所述第二模式中，由所述压缩机产生的功设置成通过控制压缩机(8)进气口(32)处的气体流量来控制，所述方法包括：

-确定表示对来自所述压缩机的功的需求的参数值，

-当表示对来自所述压缩机(8)的功的需求的所述参数值超过第一需求时，根据所述第一模式来控制所述压缩机(8)，以及

-当表示对来自所述压缩机(8)的功的需求的所述参数值低于所述第一需求时，根据所述第二模式来控制所述压缩机(8)。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述参数值表示压力或流量需求。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述参数值表示流量需求，所述流量需求独立于压缩机(8)之后的流路中的主要压力而确定。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，当所述压缩机(8)之后的所述流路中的所述压力低于第一压力时，所述流量需求独立于所述压缩机(8)之后的所述流路中的所述主要压力而确定。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述岩石钻孔设备包括由所述动力源(9)驱动的至少一个第二消耗装置(10、15)，其中，所述方法还包括确定用于所述至少一个第二消耗装置(10、15)的运转所需的所述动力源(9)的最低速度，其中，当所述参数值低于所述压缩机(8)以所述动力源(9)的所述确定的最低速度传送的功时，执行根据所述第二模式的控制。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述岩石钻孔设备包括由所述动力源驱动的至少一个第二消耗装置(10、15)，其中，所述方法还包括确定用于所述至少一个第二消耗装置(10、15)的运转所需的所述动力源(9)的最低速度，其中，当所述参数值等于或超过所述压缩机(8)以所述动力源(9)的所述确定的最低速度传送的功时，执行根据所述第一模式的控制。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述方法还包括在运转期间改变所述第一需求。

8.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述岩石钻孔过程包括至少子过程冲洗以及冲击和旋转中的至少一个。

9.一种用于控制岩石钻孔设备中的压缩机(8)的系统，所述岩石钻孔设备包括用于在岩石钻孔过程中驱动第一消耗装置的动力源(9)，所述第一消耗装置为压缩机(8)，所述系统的特征在于，所述系统包括：

-控制装置，所述控制装置用于根据第一模式以及根据第二模式来控制所述压缩机(8)，其中，在所述第一模式中，由所述压缩机(8)产生的功设置成通过控制所述压缩机(8)的旋转速度来控制，并且其中，在所述第二模式中，由所述压缩机产生的功设置成通过控制压缩机(8)进气口(32)处的气体流量来控制，以及

-确定装置，所述确定装置用于确定表示对来自所述压缩机的功的需求的参数值，

-用于在表示对来自所述压缩机(8)的功的需求的所述参数值超过第一需求时根据所述第一模式来控制所述压缩机(8)的装置，以及

-用于在表示对来自所述压缩机(8)的功的需求的所述参数值低于所述第一需求时根据所述第二模式来控制所述压缩机(8)的装置。

10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述岩石钻孔设备包括由所述动力源(9)驱动的至少一个第二消耗装置(10、15)。

11.根据权利要求9至10中任一项所述的系统，还包括用于在根据所述第二模式进行控制时控制所述压缩机(8)进气口(32)处的空气流量的装置。

12.根据权利要求9或10所述的系统，还包括用于在根据所述第二模式进行控制时通过控制所述压缩机进气口(32)的朝向周围环境的开口区域来控制所述压缩机(8)进气口(32)处的流量的装置。

13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述压缩机(8)的所述进气口中的压力设置成通过借助于电控阀(25)控制所述压缩机进气口的朝向周围环境的开口区域来控制。

14.根据权利要求9或10所述的系统，还包括用于在根据所述第一模式进行控制时通过控制所述动力源(9)的旋转速度来控制所述压缩机(8)的旋转速度的装置。

15.根据权利要求9或10所述的系统，其中，所述控制装置设置成基于第一电控制信号根据所述第一模式或所述第二模式来控制所述压缩机(8)，其中，所述第一电控制信号包括由所述压缩机(8)传送的所需的功的表示。

16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述控制装置包括控制单元，所述控制单元设置成将第二电控制信号传送到用于控制所述压缩机进气口(32)和/或所述动力源(9)的速度的控制装置。

17.根据权利要求15所述的系统，其中，对所述第一电控制信号的确定设置成至少部分地基于下组中的一个或更多个来执行：流路中的压力、当前的孔深度、对工具的旋转速度的表示、对冲击机构动力的表示、孔直径、钻柱直径、岩石的性质。

18.根据权利要求10所述的系统，其中，由所述动力源(9)驱动的所述至少一个第二消耗装置(10、15)设定成使得能够由所述至少一个第二消耗装置传送的动力对于超过旋转速度ω_{e_ober}的旋转速度而独立于所述动力源(9)的旋转速度，其中ω_{e_ober}为比所述压缩机(8)排出最大流量时的速度ω_{e_max}更低的旋转速度。

19.根据权利要求18所述的系统，其中，能够由所述至少一个第二消耗装置传送的所述动力包括所述系统中的所述至少一个第二消耗装置的最大所需的可传送动力。

20.根据权利要求18或19所述的系统，其中，所述速度ω_{e_ober}包括处于所述速度ω_{e_max}的40％-95％的范围内的速度，其中所述压缩机(8)以所述速度ω_{e_max}排出最大流量。

21.根据权利要求9或10所述的系统，其中，所述压缩机(8)包括具有固定排量的压缩机(8)。

22.一种岩石钻孔设备，其特征在于，所述岩石钻孔设备包括根据权利要求9至21中任一项所述的系统。