CN1819898A - 产生应力脉冲的冲击装置及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种压力流体操作的冲击装置，包括：在纵向以可移动方式安装有工具(3)的框架(2)，控制冲击装置(1)压力流体进给的控制机构(7)。还涉及一种在压力流体操作的冲击装置内产生应力脉冲的方法。上述冲击装置(1)包括工作腔(8)和在其内移动的传动活塞(9)。用于为压力流体蓄能的蓄能机构和控制机构连接得可周期交替地使压力流体流入工作腔(8)，并相应地从工作腔(8)释放压力流体。在上述方法中，压力流体供给工作腔(8)，在工具(3)的方向上产生一个推动传动活塞(9)的力，从而在上述工具(3)上产生应力脉冲。

Description

产生应力脉冲的冲击装置及其方法
技术领域
本发明涉及一种压力流体操作的冲击装置，它包括：可在纵向上以可移动方式安装有工具的框架，控制冲击装置进给的压力流体的控制机构以及在上述工具上通过压力流体的压力产生应力脉冲的机构。本发明还进一步涉及一种在压力流体操作的冲击装置上产生应力脉冲的方法。
背景技术
在现有冲击装置中，通过往复移动冲击活塞产生行程，通常液压或气动驱动，在某些时候，也可以电动驱动或通过燃烧机构驱动。当冲击活塞撞击柄部或工具的冲击面时，在钻杆等工具上就会产生应力脉冲。
现有冲击装置的问题在于：冲击活塞的往复运动会产生动态加速力，使装置的控制复杂化。当冲击活塞在冲击方向上加速时，冲击装置的框架却同时趋于在相反方向上移动，因而就会减小钻头或者工具端部相对于待加工材料的压紧力。为了保持钻头或者工具相对于待加工材料具有足够高的压紧力，必须将冲击装置朝向这些材料牢固地推动。这就需要在冲击装置的支承或其他结构上考虑施加额外的应力，因此上述装置就会变得足够大、笨重且制造成本过高。由于它的质量，冲击活塞动作会很缓慢，所以就会限制冲击活塞的往复频率乃至冲击频率，与此相反，为了提高冲击装置的效率，却应该明显将频率加以增大。但是在目前的解决方案中，这就会导致更低的效率，因此在实践中是不可能增大冲击装置的上述频率的。
发明内容
本发明的目的就是提供一种冲击装置，能够使这些冲击装置操作产生的动力缺陷小于现有方案中的缺陷，并提供一种产生应力脉冲的方法。根据本发明的冲击装置的特征如下：
该冲击装置包括：完全充满压力流体的工作腔，在工作腔内在工具的纵向上可相对框架移动设置的传动活塞，至少在产生应力脉冲时朝向上述工具且直接或间接和上述工具相接触的传动活塞的端部，上述传动活塞可在轴向上在另一侧相对于工具，设置有朝向上述工作腔的压力面。
上述冲击装置包括蓄能机构，用以将压力流体的能量供给上述冲击装置，其对产生应力脉冲是必要的，其中，
上述控制机构连接得可周期交替地使压力高于工作腔内压力流体压力的压力流体流入工作腔，因此使工作腔内的压力突增，所以一个力在工具方向上推动传动活塞，并在纵向上压紧上述工具，从而在工具上产生应力脉冲，基本在作用在上述工具端部上的力终止的同时，结束产生应力脉冲，并从工作腔释放压力流体。
根据本发明的方法，特征在于，压力高于工作腔内压力流体压力的压力流体被供给冲击装置的工作腔，该工作腔完全充满压力流体，因工作腔内的压力突增而在工具的方向上产生一个推动传动活塞的力，并在纵向上压紧上述工具，从而在工具上产生应力脉冲，在结束产生应力脉冲的同时，终止作用在上述工具端部上的力，并从工作腔释放压力流体。
本发明的主题在于在压缩流体时利用流体中的能量产生冲击，并利用加压流体突然影响设置在工作腔内的传动活塞，将能量传递到工具中，从而因压力脉冲的影响而使传动活塞在轴向压紧工具，朝向工具产生冲击即应力脉冲。本发明另一优选实施例的主题在于为了蓄能，冲击装置设置了使压力流体从压力流体泵流入的蓄能空间，为了产生应力脉冲，压力流体可周期地从蓄能空间排出，以作用传动活塞，从而产生应力脉冲。而且第二优选实施例的主题在于，蓄能空间的体积要大于在产生一个应力脉冲过程中供给工作腔的压力流体量，最好是大到至少大于5-10倍。而且，本发明第三优选实施例的主题在于，在冲击装置操作时压力流体可连续地供给蓄能空间。
本发明的优点在于脉冲状冲击运动并不需要往复移动冲击活塞，因而在冲击方向上就不会来回移动较大的质量，和已知方案的往复笨重冲击活塞相比，动态应力很小。这种结构的另一种优点就是它非常简单，因而易于实施。
附图简要说明
根据附图，可以更详细地叙述本发明，其中：
图1简要示出了本发明中冲击装置的操作原理。
图2简要示出了本发明中冲击装置的一个实施例。
图3简要示出了本发明中冲击装置的第二实施例。
图4a、4b简要示出了本发明中冲击装置实施例所获得的应力脉冲。
图5a、5b简要示出了图4a、4b中冲击装置实施例的脉冲能量和能量损失。
图6a、6b简要示出了本发明中冲击装置的第三实施例。
图7简要示出了本发明中冲击装置的第四实施例。
具体实施方式
图1简要示出了本发明中冲击装置的操作原理。在图1中示出了冲击装置1及其框架2，在纵向方向上相对冲击装置1，在框架2的一端以可移动的方式安装着工具。冲击装置进一步包括设置在框架2内的蓄能空间4，或者它还可以是与框架2相连的单个压力流体罐。此外，这可替换地由虚线2a所叙述，指示出单个框架和压力流体罐之间的一个可能连接点。蓄能空间4还可包括一个或多个蓄液器。蓄能空间4完全由压力流体所填充。当冲击装置在操作时，压力流体通过压力流体泵5经由进入管道6连续地供给蓄能空间4。通过进给通道4a，蓄能空间4进一步和控制供给工作腔8的压力流体的控制阀7相连。在工作腔8中，在工作腔和工具3之间设置着传动活塞9，该活塞能够在工具3的轴向上相对框架2移动。工作腔8还可以完全由压力流体所填充。在蓄能空间4内影响压力流体的压力可挤压着压力流体。
当使用时，冲击装置向前推，以便于至少在应力脉冲产生过程中，工具3的端部可直接或经由柄部等单独的连接件牢固地压靠在上述传动活塞9上。因此只要在应力脉冲开始产生时它就立即作用在工具上，该传动活塞就和工具几乎不接触。当通过控制阀7，压力流体突然从蓄能空间4流入工作腔8时，它会使传动活塞的压力面9a在轴向上远离上述工具。加压流体向工作腔8的这种突然流动会产生一种压力脉冲，因此产生一个作用在传动活塞9的应力，朝向工具3推动传动活塞9，因而在纵向上推压该工具。所以在钻杆或其他工具上产生一个应力脉冲，作为一种波动在工具端部上传递。如同现有冲击装置一样，上述应力脉冲在待加工材料中产生一种冲击。在产生应力脉冲之后，蓄能空间4和工作腔8之间的连通被控制阀7切断，从而停止应力脉冲产生，通过将工作腔8经由返回通道10连接到压力流体罐11处，释放工作腔8的压力。
传动活塞9在工具3中产生的应力还可以通过其他方式停止，而不只是停止压力流体向工作腔8的供给。这可以是传动活塞9运动到停靠在凸台2’上，其中传动活塞9之后的压力不会再将它相对框架2朝向工具3推动。在该实施例中，压力流体还可以从工作腔8经由返回通道10流入压力流体罐11中，以便于活塞9能够返回到原始位置。
因作用在工作腔8中的压力脉冲所产生的应力而使在工具3上产生的应力脉冲几乎和工具端部的应力影响同时结束，所以尽管其间可能产生延迟，但也无关重要。
为了使足够的能量传递到工作腔8中，并传递到传动活塞9中，在一个应力脉冲产生期间，蓄能空间4的体积基本上大于供给到工作腔8的压力流体的体积。而且蓄能空间4和工作腔8之间的距离相对比较短，因此进给通道4a的截面面积应该相对较大，从而使流量损失尽可能的小。
图2简要示出了本发明中冲击装置的实施例。在该实施例中，压力流体经由进入通道6供给到蓄能空间4。在该实施例中，控制阀7是一种旋转阀，包括环绕工作腔8和活塞9的套筒状控制元件7a。控制元件7a设置有一或多个开口，可以周期交替地使压力流体从蓄能空间4经由进给通道4a流入到工作腔内，并且，类似的，流出工作腔。
蓄能空间4和控制阀7之间进给通道4a的长度为Lk。在控制元件7a的开口打开进给通道4a到工作腔8的连通之前，蓄能空间4和进给通道4a内的压力是相同的，即均为pi。相应地，工作腔内的压力为“罐压”，即工作腔内的压力接近为零。当旋转过程中，控制阀7达到这样一个位置，即在该位置处，控制元件7a的开口打开进给通道4a通向工作腔8的连通，压力流体就流向工作腔。在控制阀之外，进给通道4a内的压力下降，而工作腔内的压力却增加，从而使它们的压力大小相等。同时，产生负压波动，在进给通道4a内朝向蓄能空间4传递。到达蓄能空间4的负压波动时间为tk。可通过下列公式确定延迟时间：
tk＝Lk/Coil
其中Coil为压力流体中的声速。当压力波动到达蓄能空间4时，进给通道4a的压力开始下降，同时压力流体从大致恒压的蓄能空间流入到进给通道4a内。这就产生一个正压波动，经由进给通道4a朝向工作腔8传递。如果进给通道4a经由控制阀的控制元件7a开口的连通仍然打开，则正压波动进入到工作腔内。如果工作腔8内的压力再次低于蓄能空间4内的压力，则会产生新的负压波动，再次朝向蓄能空间4传递，并再次会作为正压波动反射回来(reflected back)。在工作腔8和蓄能空间4之间的压力变得平稳或者控制阀7切断它们之间的连通之前，都一直会重复这种现象。当进给通道4a和工作腔8之间的连通打开，选择进给通道的长度Lk，使压力波动具有足够的时间来经历至少来回一次距离Lk时，就会在工作腔8内产生一个渐进的增压。因此，在工具3内产生的应力脉冲也会在形状上是渐进的。
图3简要示出了本发明中冲击装置的第二实施例。它示出了压力流体从蓄能空间4经由两个单个进给通道4a1、4a2供给到工作腔8内。为了简洁起见，如图所示，上述蓄能空间隔开成两个单个的装置。
在该实施例中，长度为Lk1且截面面积为Ak1的进给通道4a1从蓄能空间4延伸到控制阀7。而这些长度和截面面积均大于第二进给通道4a2的长度Lk2和截面面积Ak2。在该实施例中，应力脉冲以大致和图2中所述的相同方式产生。但是，由于进给通道4a1、4a2的尺寸不同，所以压力波动在进给通道中行进的时间却不同。因此由于进给通道4a1、4a2的截面面积不同，所以压力波动在进给通道4a1、4a2中对工作腔8内增压的影响也不同。由于压力波动的相关体积变化也比较小，所以在较小进给通道4a2中的压力波动进入工作腔8所产生的增压比较小。与仅仅是利用一个进给通道的情况相比，通过合适地选择进给通道4ai(i＝1-n)的长度和截面面积，就可以更有效地调节工作腔8的增压。尽管数目为三个的进给通道的合适长度就足以使应力脉冲的形状和强度能够在所需方式下进行有效调节，但是如有需要，进给通道的数量也可以是一个，两个或多个。
图4a、4b简要示出了图2、3中分别示出的实施例所产生的应力脉冲的形状和强度。图4a示出了根据图2所示实施例的应力脉冲，首先示出了如何打开控制阀，使应力脉冲从零上升到大致40Mpa，随后反映出应力脉冲进行第二次增大，应力的最终峰值为大致90Mpa。图4b的坐标图利用了具有不同尺寸的三个进给通道。图4b示出了根据图3中实施例产生的应力脉冲。首先，因两个进给通道4a1、4a2中的压力脉冲影响而使应力增加，总体上增加到120Mpa。因此，在蓄能空间内的压力相同，使应力脉冲产生更希望的形状，同时相比图2所示的实施例，应力脉冲的最大值增加大约30％。类似地，这还可以应用到很多实施例中。使用多个不同进给通道还可以提高冲击装置的效率。由于上述阀在某种程度上总是作为油嘴(choke)操作，所以总是会损失能量，这可以由下列公式计算出：
E h = ∫ l qΔpdt ,
其中q是流经油嘴的流量，Δp是油嘴上的压差。通过利用适当长度的压力流体进给通道，控制阀上的压差就会非常快速地平稳，而不需要蓄能空间4和工作腔8内的压力相同。因此，控制阀引起的能量损失就会很小。
图5a、5b示出了图4a、4b中实施例产生的脉冲能量以及控制阀的油嘴中的能量损失。如图所示，在设有一个进给通道的实施例中，脉冲能量的最大值大约为35J，而能量损失大约为10J。在利用三个进给通道的实施例中，脉冲能量大约为55J，而能量损失大约为13J，其中根据图5a的净收益大约为25J，根据图5b的净收益为42J。
图6a、6b示出了在调节应力脉冲的形状和特性时调节进给通道长度的方法。该实施例采用了这样一种方案，其中进给通道4a的连通长度Lki可通过设置在蓄能空间4内的调节套4b来进行调节。通过移动调节套4b的位置，使进给通道4a和工作腔8之间的连接靠近或远离蓄能空间4，以便于压力流体流和其对应力脉冲的影响都能够相应地变化。图6b示出了根据图6a沿线A-A切开的实施例。
图7简要示出了本发明中冲击装置的进给通道长度调节的另一实施例。该实施例采用了设置在一个或多个进给通道内的调节套4b1、4b2，在图7所示的实施例中为两个进给通道4a、4a2，这些调节套可以沿着进给通道的纵向朝向工作腔8移动，类似地，还可以远离工作腔移动。因此就可以再次使进给通道从蓄能空间4延伸到工作腔8内，从而调节应力脉冲的形状和其他特性。
在上述叙述和附图中，通过示例公开了本发明，但是并不限定于此。所公开的实施例仅仅是简要示出了本发明；类似地，涉及压力流体进给的上述阀和连接件都仅仅是简要地示出。本发明还可以利用任何合适的阀。关键在于，为了在工具上产生应力脉冲以及为了提供所需的冲击频率，在适当间隔内使用作为压力脉冲进行输送且作用到传动活塞压力面上的压力流体，从而在工具上产生应力脉冲，该应力脉冲经由上述工具传递到待加工材料中。上述传动活塞可以是和工具相分开的装置，但是在某些情况下，也可以和工具形成一体。

Claims (33)

1.一种压力流体操作的冲击装置包括：在纵向以可移动方式安装有工具(3)的框架(2)，控制冲击装置(1)进给压力流体的控制机构(7)以及通过压力流体的压力在工具内产生应力脉冲的机构，其特征在于，
上述冲击装置(1)包括完全充满压力流体的工作腔(8)，在工作腔(8)内在工具(3)的纵向上相对框架(2)以可移动方式设置的传动活塞(9)，至少在产生应力脉冲时朝向上述工具(3)且直接或间接和上述工具(3)相接触的传动活塞端部，上述传动活塞在其轴向上的另一侧相对于工具(3)，设置有朝向上述工作腔(8)的压力面(9a)；
上述冲击装置(1)包括蓄能机构，用以将对产生应力脉冲所必要的压力流体的能量供给上述冲击装置，其中，
上述控制机构连接得能够周期交替地使压力高于工作腔(8)内压力流体压力的压力流体流入工作腔(8)，因此使工作腔(8)内的压力突增，进而产生一个力，所述力在工具(3)方向上推动传动活塞(9)，并在纵向上压紧上述工具(3)，从而在工具(3)上产生应力脉冲，几乎在作用在上述工具(3)端部上的力终止的同时，结束产生应力脉冲，并因此从工作腔(8)释放压力流体，以使传动活塞(9)返回到它的原始位置。
2.如权利要求1所述的冲击装置，其特征在于，为了停止上述力的作用，上述控制机构连接得以防压力流体进入工作腔(8)。
3.如权利要求1所述的冲击装置，其特征在于，上述控制机构连接得使通过压力流体从工作腔(8)排出，来停止力的影响。
4.如权利要求1所述的冲击装置，其特征在于，包括止挡件，用于在工具(3)的方向上止挡传动活塞(9)的运动，以便于力作用在工具端部。
5.如前述任一项权利要求所述的冲击装置，其特征在于，上述冲击装置(1)包括一个作为蓄能机构的、完全充满加压流体的蓄能空间(4)，与在产生一个应力脉冲时流入工作腔(8)的压力流体量的体积相比，所述蓄能空间(4)的体积更大。
6.如权利要求5所述的冲击装置，其特征在于，当冲击装置操作时，压力流体供给到蓄能空间(4)，以便于在蓄能空间(4)内保持预定的压力，上述控制机构连接得能够周期交替地使压力流体从蓄能空间(4)流入到工作腔(8)内，从而关闭蓄能空间(4)和工作腔(8)之间的连通。
7.如权利要求1或2所述的冲击装置，其特征在于，上述控制机构包括一个旋转控制阀(7)，该阀在旋转方向上包括多个连续的开口，从而将压力流体从蓄能空间(4)经由多个进给通道(4a)同时供给到工作腔(8)。
8.如权利要求7所述的冲击装置，其特征在于，每一进给通道(4a)的长度和截面彼此相同。
9.如权利要求1-7任一项所述的冲击装置，其特征在于，包括至少两个进给通道(4a1、4a2)，所述进给通道的长度和/或截面面积不同，且从蓄能空间延伸到工作腔(8)。
10.如权利要求9所述的冲击装置，其特征在于，包括至少一个阀，用以启动和关闭上述长度和/或截面面积不同的进给通道(4a1、4a2)。
11.如前述任一项权利要求所述的冲击装置，其特征在于，至少一个进给通道(4a、4a1、4a2)从蓄能空间(4)到工作腔(8)的长度是可以调节的。
12.如权利要求5-11任一项所述的冲击装置，其特征在于，上述蓄能空间(4)为罐，它的侧壁因压力影响而屈服，从而使蓄能空间的体积能够随压力增加而增大。
13.如权利要求5-12任一项所述的冲击装置，其特征在于，上述蓄能空间(4)为和框架(2)相隔开的罐。
14.如权利要求5-13任一项所述的冲击装置，其特征在于，至少一个蓄能空间(4)为蓄液器。
15.如前述任一项权利要求所述的冲击装置，其特征在于，上述传动活塞(9)为薄膜式活塞。
16.如前述任一项权利要求所述的冲击装置，其特征在于，上述冲击装置的进给力用于将传动活塞(9)推回到其预定应力脉冲位置。
17.如前述任一项权利要求所述的冲击装置，其特征在于，包括用于使传动活塞(9)复位的机构，通过使作用在冲击装置(1)和传动活塞(9)之间的单个力传递到传动活塞(9)上、从而相对上述冲击装置在它的预定应力脉冲位置上施加冲击之后所述机构将传动活塞(9)复位，上述力朝向工作腔(8)推动上述传动活塞(9)。
18.如前述任一项权利要求所述的冲击装置，其特征在于，在工作腔(8)内的传动活塞(9)的运动长度为若干毫米。
19.一种在如权利要求1所述的压力流体操作的冲击装置内产生应力脉冲的方法，其特征在于，压力高于工作腔(8)内压力流体压力的压力流体被供给冲击装置(1)的工作腔(8)，该工作腔完全充满压力流体，因工作腔(8)内的压力突增而在工具(3)的方向上产生一个推动传动活塞(9)的力，所述力并在纵向上压紧上述工具(3)，从而在工具(3)上产生应力脉冲，几乎在作用在上述工具(3)端部的力终止的同时，结束产生应力脉冲，并因此从工作腔(8)释放压力流体，以便于使传动活塞(9)返回到它的原始位置。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，作为蓄能机构，完全充满加压流体的蓄能空间(4)，与在产生一个应力脉冲时流入工作腔(8)的压力流体量的体积相比，所述蓄能空间(4)的体积更大。
21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，当冲击装置(1)操作时，压力流体供给到蓄能空间(4)，以便于在蓄能空间(4)内保持预定的压力，上述控制机构连接得能够周期交替地使压力流体从蓄能空间(4)流入到工作腔(8)内，从而关闭蓄能空间(4)和工作腔(8)之间的连通。
22.如权利要求19-21任一项所述的方法，其特征在于，使用旋转控制阀(7)作为控制机构，其包括多个在旋转方向上的连续开口，从而将压力流体从蓄能空间(4)经由多个进给通道(4a)同时供给到工作腔(8)。
23.如权利要求19-22任一项所述的方法，其特征在于，压力流体从蓄能空间(4)经由长度和/或截面面积相同的至少两个进给通道(4a)供给到工作腔(8)。
24.如权利要求19-23任一项所述的方法，其特征在于，压力流体从蓄能空间(4)经由长度和/或截面面积不同的至少两个进给通道(4a)供给到工作腔(8)。
25.如权利要求24所述的方法，其特征在于，启动和关闭在长度和/或截面面积不同的进给通道(4a1、4a2)，从而对应力信号特性进行调节。
26.如权利要求19-25任一项所述的方法，其特征在于，至少一个进给通道(4a、4a1、4a2)从蓄能空间(4)到工作腔(8)的长度是能够调节的。
27.如权利要求19-26任一项所述的方法，其特征在于，使用罐作为蓄能空间(4)，它的侧壁因压力影响而屈服，从而使蓄能空间的体积能够随压力增加而增大。
28.如权利要求19-27任一项所述的方法，其特征在于，使用和框架(2)相隔开的罐作为上述蓄能空间(4)。
29.如权利要求19-28任一项所述的方法，其特征在于，使用蓄液器作为至少一个蓄能空间(4)。
30.如权利要求19-29任一项所述的方法，其特征在于，使用薄膜式活塞作为上述传动活塞(9)。
31.如权利要求19-30任一项所述的方法，其特征在于，利用上述冲击装置(1)的进给力将传动活塞(9)推回到其预定应力脉冲位置。
32.如权利要求19-30任一项所述的方法，其特征在于，将作用在冲击装置(1)和传动活塞(9)之间的单个力传递到传动活塞(9)上，从而相对上述冲击装置在它的预定应力脉冲位置上施加冲击，此后将传动活塞(9)复位，上述力朝向工作腔(8)推动上述传动活塞(9)。
33.如权利要求19-32任一项所述的方法，其特征在于，在产生应力脉冲时，传动活塞(9)在工作腔(8)内移动若干毫米。
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