CN114482004A - 用于为建筑机器产生冲击脉冲或振动的设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于为建筑机器产生冲击脉冲或振动的设备和方法，所述设备具有：壳体；活塞，所述活塞在壳体中的工作空间中能在第一反转点和第二反转点之间可逆地往复运动；压力流体供应，在每种情况下，压力流体都能通过压力流体供应在第一反转点和第二反转点的区域中被导入和导出工作空间，其中，活塞能够设置成可逆的运动以便产生冲击脉冲或振动；至少一个可控阀，压力流体通过该至少一个可控阀能被导入和/或导出工作空间；以及连接至至少一个可控阀的控制单元，其中通过控制单元能控制和改变活塞在所述工作空间中的运动。根据本发明，规定控制单元被设计成以与包括活塞和压力流体的总体布置的共振频率相对应的频率移动活塞。

Description

用于为建筑机器产生冲击脉冲或振动的设备

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的用于为建筑机器产生冲击脉冲或振动的设备，该设备具有：壳体；活塞，该活塞在壳体中的工作空间中能在第一反转点和第二反转点之间可逆地往复运动；以及压力流体供应，在每种情况下，压力流体都能通过该压力流体供应在第一反转点和第二反转点的区域中被导入和导出工作空间，其中活塞能设置成可逆的运动以便产生冲击脉冲或振动；具有至少一个可控阀，压力流体通过该至少一个可控阀能被导入和/或导出工作空间；以及连接至所述至少一个可控阀的控制单元，其中通过控制单元能控制和改变活塞在工作空间中的运动。

本发明还涉及一种根据权利要求11的前序部分所述的用于为建筑机器产生冲击脉冲或振动的方法，其中使活塞在壳体中的工作空间中在第一反转点和第二反转点之间可逆地往复运动；其中，为了产生冲击脉冲或振动的目的，将活塞设置成借助于压力流体可逆的运动，并且压力流体在第一反转点和第二反转点的区域中被导入和导出工作空间，其中控制单元控制至少一个可控阀，压力流体通过该至少一个可控阀被导入和/或导出工作空间，并且通过控制单元控制活塞的运动。

背景技术

根据EP 3417 951 A1，通用振动发生器为大家所知。在这种已知的振动发生器中，壳体中的工作空间被工作活塞分为两个压力腔室。经由入口和出口，两个压力腔室以交替的方式选择性地供应或排出压力流体，使得工作活塞可逆地移动并产生振动。单独的压力腔室中的压力流体的定时供应和排出经由可控阀和壳体中管道的复杂布置发生。此外，在工作活塞内部布置有测量装置，借助于该测量装置进行工作活塞在工作空间中的位置及因此相对于壳体的位置的精确确定。借助于控制装置，能设置可控阀的打开和/或关闭时间以及用于压力流体供应的另外的参数二者。通过经由该控制装置改变这些参数，尤其可能的是改变壳体中的工作活塞的频率和冲程二者。在程序存储器中，能存储不同的参数，其产生振动发生器的选择性致动，使得针对工作应用选择用于振动发生器的最佳调整的频率和冲程长度。

在已知的振动发生器中，事实上，可能的是在有限的程度上改变频率和冲程，以便设置适合于应用情况的振动参数。然而，对于振动参数的一般确定和对于振动系统的设置，主要利用振动活塞的质量。尤其是基于活塞质量来估计合适的频率。

振动发生器中的另外的机械控制装置例如也能取自GB-A-920158、US-A-4026193或US-A-4031812。所有这些已知设备都具有工作活塞和控制活塞，其根据在壳体中的相应位置打开或关闭某些管道，从而引起两个相对的压力腔室的选择性交替供应以移动工作活塞。

这种类型的设备在生产中耗时且成本高。此外，由于管道布局，活塞的特定振动或冲击行为在预定压力水平处被预先确定。振动频率和冲击能量的变化只可能在非常有限的程度上发生，并且在一些情况下需要费力的机械返工。

发明内容

本发明基于提供一种用于产生冲击脉冲或振动的设备和方法的目的，利用该设备和方法能实现尤其有效的冲击或振动行为。

该目的一方面通过具有权利要求1的特征的设备实现，并且另一方面通过具有权利要求11的特征的方法实现。本发明的优选实施例在从属权利要求中陈述。

根据本发明的设备的特征在于，控制单元被设计成以与包括活塞和压力流体的总体布置（overall arrangement）的共振频率相对应的频率移动活塞。本发明的发现是用于产生冲击脉冲和/或振动的设备的总体布置不仅取决于活塞的特性，诸如其直径和其质量，而且在决定性程度上还取决于影响压力流体的另外的参数，优选为产生的压力、管线横截面、管线长度、管线形状和表面以及在其控制边缘（control edges）和阀滑动件布置在控制阀的壳体中的情况下阀滑动件的切换时间和形状。这些另外的参数能对共振频率和相关活塞冲程具有决定性影响，并且因此对通过根据本发明的设备传递的力或传递的冲击脉冲有决定性影响。

本发明的基本设想在于以下事实：活塞（即振动和/或冲击脉冲发生器）现在可能的可变致动以如此的方式被改进，使得使用适应于系统和所期望的应用的参数用压力流体进行其加压，以便使例如附接至振动和冲击脉冲发生器的工具能够改进的插入到例如不同的土地中。通过确定包括活塞和压力流体的总体布置的共振参数，可能的是一方面确定合适的共振频率和共振冲程，以及，另一方面，由于振动发生器的可能的可变致动，所以在操作期间也能发生参数的动态调整以便适应过程中的变化。例如，在土壤钻孔方法中，这些变化可能是由待被插入的土壤或岩石层的交替引起的。此外，各种辅助条件也能对共振频率产生影响，诸如磨损和撕裂、老化、压力流体的温度和粘度的变化等。

因此，在根据本发明的设备中，参数的现在可能的动态调整能在操作期间实时发生，并且由于实际振动的持续检测，所以能在控制回路中基本上优化共振频率，以便实现活塞的改进的振动，并且因此实现增加的力和/或脉冲产生。因此，可能的是创建多功能的振动回路，其允许该设备在建筑机器中的非常广泛应用。

对于根据本发明的设备，基本上能采用所有合适的可控阀。根据本发明的另外的发展，该阀尤其适宜为电磁阀。阀体能通过在打开和关闭位置之间的电磁布置进行调整。还可能的是设置中间位置，使得能设置供应至工作空间的压力流体的量。基本上，能提供任何类型的压力流体，在这种情况下，优选使用液压油。

本发明的优选实施例变型在于以下事实：提供了用于确定活塞在工作空间中的位置的测量装置。关于测量装置，能采用用于长度或位置测量的所有可使用的传感器，其尤其光学地、电容性地、感应地、磁性地或以其他方式操作。

根据本发明的实施例，测量装置具有线性传感器尤其有利。如果活塞在壳体中在两个反转点之间线性移动，这尤其合适。

基本上，活塞能在壳体中可逆地移动，使得活塞不会用其两个前表面接触壳体的壁。这样，该设备能用作所谓的振动发生器。本发明的有利实施例在于以下事实：在至少一个反转点上布置有冲击表面，活塞特意撞击在该冲击表面上专门以便产生冲击脉冲。基本上，冲击表面能布置在壳体上活塞的两个相对的前表面上。然而，优选地，仅存在单个冲击表面，使得为了例如冲击钻孔，能根据需要产生特定的冲击脉冲。

根据另一优选变型，总体布置包括壳体。这样，能体现影响振动回路的另外的因素和参数，诸如用于将压力流体导入和导出工作空间的管道的横截面和粗糙度、以及壳体中的这些管道的可能的肘管损失（elbow losses）。

根据本发明的另外的变型，优选的是通过控制单元能设置和调整活塞的频率和/或冲程。为了改变频率，能通过控制单元设置尤其是打开和关闭时间，并在适当情况下设置液压能量的供应。此外，通过可控阀的相应的打开和关闭来改变两个反转点的位置能实现活塞的冲程。为此目的，控制单元优选具有输入界面，诸如输入区域。此外，控制单元能通过操作员直接通过来自操作单元的常规机器控制来模拟地操作。

根据本发明的另外的优选实施例，能通过安装或移除调整配重来改变活塞和/或壳体的质量。特别地，当在设备中产生振动或冲击脉冲时，活塞和/或气缸质量的变化引起共振频率的重大变化。正是通过设置活塞反转点实现的压力流体的可变致动及活塞或匹配至活塞的壳体的质量的结合使得能够利用此系统覆盖广泛的应用。

本发明的另一优选实施例变型能从以下事实中看出：控制单元具有程序存储器，其中能存储用于控制活塞的不同控制程序。例如，特定的控制程序能为了具体的应用目的而被存储。例如，在程序开始时，能提供带有小活塞冲程的高频率，而在程序序列中，活塞冲程然后随时间增加并且频率随时间降低。能提供几乎任意数量的不同程序序列，以关于频率和冲程控制活塞。例如，能提供用于快速行进或特别徐缓的驱动过程的程序。此外，能存储针对特定类型的土壤的程序。控制单元能优选地包括用于确定共振频率的自动程序。在这种情况下，在活塞致动时，遍历从起始频率到目标频率的频带，并且在这样做时，经由振动传感器检测设备的相应的响应频率。响应频率的最大值构成共振频率。

本发明还包括一种建筑机器，其特征在于，前面描述的用于产生冲击脉冲或振动的设备布置在建筑机器上。尤其，该建筑机器能被提供用于地基工程。然而，该设备也能用于带有其他工具的其他建筑机器，其中通过借助于振荡质量施加振动，有助于工作刃或将要引入的材料到土地中的插入。例如，这可能是挖掘机的挖掘铲以及用于挖掘机的附接凿具。

根据本发明的实施例，尤其有利的是，该建筑机器是土壤钻孔装备。如果提供该设备以用于产生冲击脉冲，则能进行冲击钻孔。这在插入较硬岩层时尤其有利。可替代地或者另外地，该设备也能设计为免于用于产生振动的冲击接触。在带有以旋转方式驱动的钻孔工具的土壤钻孔装备中，因此尤其能进行所谓的覆盖层钻孔（overburden drilling）。在这种情况下，钻孔工具的旋转运动叠加振动或振荡运动。通过叠加的振动，至少在与钻孔工具的接触区域中能实现土地的准液化，这促使改进的钻孔进度。

本发明的另一实施例能在以下事实中看出：建筑机器是打桩机或振动器。此类打桩机或振动器能用于例如钢梁、桩或板桩的引导，这些钢梁、桩或板桩通过冲击脉冲或振动被驱动到土地中。

根据本发明的方法的特征在于至少一个阀由控制单元控制，使得活塞以与包括活塞和压力流体的总体布置的共振频率相对应的频率移动。

用于产生冲击脉冲和/或振动的设备的此总体布置不仅体现活塞的特性，诸如其直径和其质量，而且还包括影响振动回路的参数，诸如施加的压力、现有管线横截面、管线长度、管线形状和表面以及在其控制边缘和阀滑动件布置在控制阀的壳体中的情况下阀滑动件的切换时间和形状。这些另外的参数能对共振频率和导致的活塞冲程具有决定性影响，并且因此对由根据本发明的方法传递的力或由此传递的冲击脉冲产生决定性影响。

根据另外的发展，有利的是通过测量装置检测活塞的位置，并且根据活塞的检测到的位置，控制单元控制至少一个可控阀，压力流体通过该至少一个可控阀被导入和/或被导出工作空间，其中，通过控制单元控制活塞的运动。

根据本发明的方法尤其能使用前面描述的设备来进行。由此实现了前面描述的优点。

附图说明

下文通过附图中示意性地图示的优选实施例进一步描述本发明，其中示出：

图1：根据本发明的设备的示意性横截面视图；

图2：根据本发明的设备的回路图；以及

图3：根据本发明的设备的频率图。

具体实施方式

图1示出了配备有根据本发明的振动或冲击脉冲发生器的钻具驱动器（drilldrive）的原理图。此处所图示为包括所有功能部件的壳体1。从此壳体伸出有钻杆2，该钻杆2在其远端处承载钻头3。借助于液压马达4，钻杆2经由行星齿轮5设置成绕钻杆2的轴线旋转运动。钻头3上布置有钻孔工具。通过钻头3的旋转运动，钻孔工具的切削刃能够剥离钻孔中的切屑。切屑的厚度取决于沿轴向方向施加的力。为了产生交替轴向振动力，将与根据本发明的振动或冲击脉冲发生器基本对应的振动发生器6安装在行星齿轮5上。振动发生器6被支撑在橡胶弹簧7中，橡胶弹簧7将产生的振动与壳体分离。除振荡/振动发生器6外，钻具驱动器的振动和因此移动的质量还包括钻头3、钻杆2、行星齿轮5和液压马达4，它们因此被支撑在轴向导向件11中。可替代地，也能操作齿轮5，使其与振动单元或振动发生器6分离。在这种情况下，通过示例的方式，产生的振动能经由轴（该轴被引导穿过设计为空心轴的输出轴）直接传递到钻杆并且因此传递到钻头。在这种情况下，齿轮产生的旋转运动能经由齿连接部或任何齿廓从空心轴传递到钻杆中并且因此传递到钻头，所述齿连接部或任何齿廓将产生的轴向振动与齿轮分离。可替代地，也可能的是该轴传递旋转运动，并且空心轴传递产生的振动。

为了在振动发生器6中产生振动，此振动发生器6包括振动气缸或更确切地说是振动活塞8，其在位于振动活塞8的两侧上的压力腔室中以交替的方式由压力流体加压。压力流体在压力流体管线P中提供，并借助于换向阀9以交替的方式施加到振动活塞8的两侧上的工作腔室。例如，换向阀能是电磁操作的2/4方向控制阀。但是，也能使用所有其他合适的阀，例如带有旋转的阀滑动件、比例阀和/或伺服阀。经由换向阀9，振动活塞8上的腔室（在每种情况下均为非加压的）交替地连接至无压容器管线T。由于振动活塞8的这种交替加压，所以振动活塞8被设置成振动，并产生钻头3的行进所需的轴向力。由PLC（=可编程逻辑控制器）致动换向阀9所用的频率传递至振动发生器6的振动活塞8。经由象征地指示的测量传感器10，振动活塞8的当前位置能被检测并传递至PLC。作为由此导出的变量，还能确定振动活塞8的实际冲程和频率。通过此测量值检测，例如，如果换向阀9的频率发生变化，则能检测包括振荡的振动活塞8和加压的压力流体二者的整体布置的当前响应。这样，获得控制回路，通过该控制回路，能动态操作振动发生器6。实时进行振动活塞的位置的检测以及由其导出的变量（诸如活塞冲程和频率）的检测，以便能够实现控制回路。振动活塞8的期望反转点能以几乎任何选择的方式进行调整，以实现在所示的钻具驱动器中改进的行进。

在图2中，图示了液压振动驱动器的简化回路图。在这种情况下，也能通过施加工作压力P_max将具有质量m且位于壳体中的活塞设置成振动。这里象征性地示出了用于交替加压的电磁控制的3/4方向控制阀。压力流体供应经由带有压力控制阀的固定排量泵进行。在此，通过活塞的质量m和直径D以及通过压力流体的供应管线的长度l和直径d_N示意性地图示了根据本发明的总体布置的参数。

最后，在图3中，示出了总体布置关于根据本发明的振动驱动器的激振（excitation）的频率响应。具有95 mm的活塞直径D的20 kg的示例性活塞质量由流体压力p_max激振。在这种情况下，振动驱动器的激振以示例的方式在0到1000 Hz的频率范围内实现。显而易见的是在对应于包括振动活塞和压力流体的总体布置的固有频率的近似180 Hz的共振频率下的力最大值ΔF（在近似95 kN的水平）。由于控制回路中的动态且可变的交替加压，所以用于根据本发明的振动和脉冲发生器的优选参数能以简单的方式确定，并且这些参数能在改变辅助条件的情况下迅速被调整。因此，根据本发明的振动或脉冲发生器实现了例如联接至所述发生器的建筑机器工具（诸如钻具、凿具、松土齿具（ripper teeth）等）到土地中的改进插入。

Claims (11)

1.一种用于为建筑机器产生冲击脉冲或振动的设备，所述设备具有

-壳体（6）；

-活塞（8），所述活塞（8）在所述壳体（6）中的工作空间中能在第一反转点和第二反转点之间可逆地往复运动；

-压力流体供应（P），在每种情况下，压力流体都能通过所述压力流体供应（P）在所述第一反转点和所述第二反转点的区域中被导入和导出所述工作空间，其中，所述活塞（8）能被设置成可逆的运动以便产生所述冲击脉冲或振动；

-至少一个可控阀（9），所述压力流体通过所述至少一个可控阀（9）能被导入和/或导出所述工作空间，以及

-连接至所述至少一个可控阀（9）的控制单元（PLC），其中，通过所述控制单元（PLC）能控制和改变所述活塞（8）在所述工作空间中的运动，

其特征在于，

-所述控制单元（PLC）被设计成以与包括所述活塞和所述压力流体的总体布置的共振频率相对应的频率移动所述活塞（8）。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述阀（9）是电磁阀。

3.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，设置有用于确定所述活塞（8）在所述工作空间中的位置的测量装置（10）。

4.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，所述测量装置（10）具有线性传感器。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，其特征在于，在至少一个反转点上布置有冲击表面，所述活塞（8）特意撞击至所述冲击表面上以产生冲击脉冲。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的设备，其特征在于，所述总体布置还包括所述壳体。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的设备，其特征在于，所述活塞（8）和/或所述壳体的质量能通过安装或移除调整配重被改变。

8.一种建筑机器，其特征在于，布置有根据权利要求1至7中任一项所述的用于产生冲击脉冲或振动的设备。

9.根据权利要求8所述的建筑机器，其特征在于，该建筑机器是土壤钻孔装备。

10.根据权利要求8所述的建筑机器，其特征在于，该建筑机器是打桩机或振动器。

11.一种用于为建筑机器产生冲击脉冲或振动的方法，尤其是利用根据权利要求1至6中任一项所述的设备，其中，

-使活塞（8）在壳体中的工作空间中在第一反转点和第二反转点之间可逆地往复运动；

-其中，为了产生所述冲击脉冲或振动的目的，将所述活塞（8）设置成借助于压力流体可逆的运动，并且所述压力流体在所述第一反转点和所述第二反转点的区域中被导入和导出所述工作空间，

-其中，控制单元（PLC）控制至少一个可控阀（9），压力流体通过所述至少一个可控阀（9）被导入和/或导出所述工作空间，并且

-通过所述控制单元（PLC）控制所述活塞（8）的运动，

其特征在于，

-所述至少一个阀（9）由所述控制单元（PLC）控制，使得所述活塞（8）以与包括所述活塞（8）和所述压力流体的总体布置的共振频率相对应的频率移动。

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