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TECHNISCHES GEBIET:
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Schlagvorrichtung gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1, und daher auf eine Schlagvorrichtung, die eine durch
Magnetostriktion erzeugte Schlagwirkung nutzt.
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STAND DER TECHNIK:
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Vordem
hat bei Schlagmaschinen wie etwa bei einem Spalter zum Zermalmen
von Beton oder eines Felsens mit Schlägen oder bei einem Bohrer zum Bohren
eines Felsens mit Schlägen
die Schlagvorrichtung zur Übermittlung
von Schlägen
an das Schlagübertragungswerkzeug,
beispielsweise einen Meißel
oder einen Stab, Stöße eines
Kolbens genutzt, der durch eine hydraulische oder eine pneumatische
Kraft betrieben wurde.
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In
der Schlagvorrichtung wie dieser tritt jedoch als ein Ergebnis eines
Stoßes
des Kolbens eine Stoßwelle
(eine Spannungswelle, und zwar eine elastische Dehnungswelle) in
dem Schlagübertragungswerkzeug
auf, und diese Stoßwelle
bewegt sich auf einen Gegenstand, der dadurch zermalmt wird, und
folglich sind das Geräusch
eines Stoßes und
der Rückstoß und Schwingung,
die sich aus einer Beschleunigung des Kolbens ergibt, unvermeidbar
gewesen.
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Wenn
eine Stoßwelle
erzeugt wird, ist es erforderlich, einer Reihe von Prozessen zu
folgen: elektrische Energie wird durch einen Motor in mechanische
Energie umgewandelt, die mechanische Energie wird beispielsweise
durch eine hydraulische Pumpe in kinetische Energie des Kolbens
umgewandelt, und die kinetische Energie wird durch einen Stoß des Kolbens
in Dehnungsenergie des Schlagübertragungswerkzeugs
umgewandelt, wodurch folglich eine Stoßwelle erzeugt wird. Der energetische Wirkungsgrad
war nicht sehr hoch.
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Um
den Kolben, der ein großes
Trägheitsmoment
besitzt, bei hoher Geschwindigkeit hin- und herzubewegen, war die
Beschleunigungskraft durch hydraulischen oder pneumatischen Druck
nicht ausreichend, und es gibt eine Grenze bei der Erhöhung der Anzahl
von Stößen, so
dass es nicht einfach gewesen ist, den Ausstoß zu erhöhen.
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Es
ist bekannt, dass es die beste Signalform einer Stoßwelle gibt,
die für
die Zermalmungscharakteristik (Eindringwiderstand) jedes Gegenstands angemessen
ist. Außer
wenn die Signalform der Stoßwelle
angemessen ist, ist das Schlagübertragungswerkzeug
unfähig,
ein ausreichendes Eindringen in den Gegenstand zu erzielen, wodurch
die Zermalmungswirksamkeit verringert und eine Reflexion der Stoßwelle von
dem Gegenstand erhöht
wird, was zum Teil zu einer Erhöhung
des Rückstoßes an die Schlagvorrichtung
beiträgt
und die Haltbarkeit der Schlagmaschine verringert. Um die Signalform
einer Stoßwelle
zu steuern, wurden Maßnahmen
unternommen wie etwa eine Änderung
der Form des Kolbens, damit diese zu einem Gegenstand passt, aber die Änderung
der Kolbenform ist in der Tat mühsam.
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Aus
JP 08 333748 A ist
eine Schlagvorrichtung bekannt, die magnetostriktive Mittel zur
Erzeugung einer vertikal gerichteten Schwingung an ein Pfostenelement
und einen Steuerkreis zur Steuerung einer Ausdehnung und eines Zusammenziehens
der magnetostriktiven Mittel umfasst. Der Steuerkreis umfasst eine
Steuerungsschaltung zum Abstimmen der Schaltzeitdauer des Stroms
für die
magnetostriktiven Mittel, indem eine Anstiegszeitdauer und eine Abfallzeitdauer
des Stroms für
die magnetostriktiven Mittel eingestellt werden.
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US-A-4
671 366 offenbart ein Verfahren einer Optimierung eines Schlagbohrens,
wobei Spannungswellen, die von dem Stein längs des Bohrstabs zurück reflektiert
werden, auf mehrere unterschiedliche Arten gemessen werden. Einstellungen
werden an der Bohrvorrichtung gemäß der gemessenen Signalform
durchgeführt.
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OFFENBARUNG
DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung ist in Anspruch 1 definiert. Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen und
in der Beschreibung definiert.
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Die
vorliegende Erfindung wurde gemacht, um die zuvor genannten Probleme
zu lösen
und es ist ihre Aufgabe, eine Schlagvorrichtung zum Zermalmen und
Bohren mit geringem Lärm
und geringer Schwingung zu schaffen, die eine hohe Zermalmungswirksamkeit,
einen verbesserten energetischen Wirkungsgrad, einen hohen Ausstoß und eine verlängerte Haltbarkeit
aufweist.
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Bei
der Schlagvorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung wurden die zuvor genannten Probleme gelöst, indem
ein supermagnetostriktives Material im Zentrum der Erregungsspule
angeordnet ist, an die eine Impulsspannung angelegt wird, wobei
ein Schlagübertragungswerkzeug
in Kontakt mit dem vorderen Ende des supermagnetostriktiven Materials angeordnet
ist, und wobei eine Rückstoßaufnahmeplatte
in Kontakt mit dem anderen Ende des supermagnetostriktiven Materials
angeordnet wird.
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Magnetostriktion
ist ein Phänomen,
bei dem sich die Außendurchmesser-Abmessung eines ferromagnetischen
Körpers
wie etwa Eisen ändert,
wenn er magnetisiert wird. Im Gegensatz zu einer Dehnung von magnetischen
Metallen wie diesem, die nicht mehr als 10–5 bis
10–6 beträgt, weisen
magnetostriktive Materialien eine Dehnung in der Größenordnung von
10–3 durch
Magnetostriktion auf.
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Bei
dieser Schlagvorrichtung wird eine Impulsspannung an eine Erregungsspule
angelegt, und durch einen Erregungsstrom, der in der Erregungsspule
fließt,
wird das supermagnetostriktive Material Änderungen eines Magnetfeldes
ausgesetzt, so dass das supermagnetostriktive Material eine derartige Magnetostriktion
erzeugt, dass es eine gewünschte Schlagsignalform
ermöglicht.
Die Schlagvorrichtung überträgt die Stoßwelle durch
das Schlagübertragungswerkzeug
an einen Gegenstand, der dadurch zermalmt wird.
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Die
Schlagvorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung setzt elektrische Energie direkt in Dehnungsenergie um
und sie hat folglich ein hohes Energieumsetzungsverhältnis. Und,
da sie keine hydraulische Anlage, keine hydraulische Installation
und keine komplizierten mechanischen Vorrichtungen wie etwa einen
hydraulischen Schlagmechanismus benötigt, ermöglicht es diese Schlagvorrichtung,
die Schlagmaschine zu vereinfachen.
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Damit
das Schlagübertragungswerkzeug
in einen Gegenstand wie etwa einen Fels mit der Energie einer Stoßwelle eindringt,
ist es erforderlich, die Verschiebungsgeschwindigkeit höher als
eine bestimmte Geschwindigkeit und länger als eine bestimmte Zeitdauer
aufrecht zu erhalten. Gegenstände
aus Fels und Stein, die zermalmt werden sollen, sind in ihren physikalischen
Eigenschaften unterschiedlich und folglich weisen sie unterschiedliche Höhen eines
Eindringwiderstands auf. Um einen Betrag eines Eindringens sicherzustellen,
der größer als ein
bestimmter Wert ist, und um die erforderliche Leistung auf einen
bestimmten Wert oder weniger zu begrenzen, wird auf der Grundlage
der Tatsachen, dass eine Dehnung durch Magnetostriktion proportional
zu der Stärke
eines Magnetfelds ist, und zwar zu der Höhe eines Erregungsstroms, und
dass die zeitliche Änderungsrate
einer Dehnung gleich einer Verschiebungsgeschwindigkeit ist, eine
Impulsspannung wiederholt an die Erregungsspule angelegt, so dass der
Erregungsstrom der Erregungsspule mit einem Verstreichen einer Zeit,
in der die Spannung angelegt ist, zunimmt, und, nachdem er einen
gewünschten Maximalwert
erreicht hat, plötzlich
auf Null abfällt. Folglich
erreicht das supermagnetostriktive Material eine gewünschte Verschiebung
und Verschiebungsgeschwindigkeit bei seiner Verformung durch Magnetostriktion.
Die Impulsbreite zu diesem Zeitpunkt ist aus einem Bereich von mehreren
Zehn μs
bis zu mehreren Hundert μs
geeignet ausgewählt,
während der
Impulsabstand aus einem Bereich von mehreren ms bis zu mehreren
Hundert ms geeignet ausgewählt wurde.
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Wenn
ein Eindringen des Schlagübertragungswerkzeugs
durchgeführt
wird, ist dessen vorderes Ende vorzugsweise in Kontakt mit einem
Gegenstand. Wenn das vordere Ende des Schlagübertragungswerkzeugs nicht
in Kontakt mit dem Gegenstand ist, kehrt die Stoßwelle als eine Zugspannungswelle
durch das Schlagübertragungswerkzeug
zurück,
wodurch es unmöglich
wird, wirksam Energie an den Gegenstand zu übertragen. Aus diesem Grund
ist es erforderlich, dass das ganze Schlagübertragungswerkzeug statisch
gegen den Gegenstand gedrückt
wird.
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Wenn
eine Impulsspannung an die Erregungsspule angelegt ist, derart,
dass der Erregungsstrom der Erregungsspule mit einem Verstreichen der
Zeit, in der eine Spannung angelegt wird, zunimmt, und, nachdem
er einen gewünschten
Maximalwert erreicht hat, den Maximalwert für eine bestimmte Zeit aufrecht
erhält,
wird, so lange der Erregungsstrom einen festen Wert beibehält, das
supermagnetostriktive Material verlängert, und das Schlagübertragungswerkzeug
kann gegen den Gegenstand gedrückt
werden. Die Zeit zum Aufrechterhalten des Erregungsstroms auf einen
festen Wert ist aus einem Bereich kürzer als einige Zehn ms geeignet
gewählt.
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Um
eine Stoßwelle
wirksam für
eine Eindringarbeit des Schlagübertragungswerkzeugs
in den Gegenstand zu verwenden, ist es wichtig, das Auftreten von
reflektierten Wellen zu minimieren.
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Wenn
eine Impulsspannung an die Erregungsspule angelegt ist, derart,
dass der Erregungsstrom der Erregungsspule proportional zum Quadrat einen
verstrichenen Zeit oder angenähert
als logarithmische Funktion während
eines Verstreichens einer Zeit, in der eine Spannung angelegt wird,
von dem Anfangswert zu dem Maximalwert ansteigt, dann kann das Auftreten
von reflektierten Wellen verringert werden.
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Wenn
eine Erfassungsspule in der Nähe
der Erregungsspule vorgesehen ist und wenn beim Eintreffen einer
reflektierten Weile bei dem supermagnetostriktiven Material von
dem Schlagübertragungswerkzeug Änderungen
in dem Strom oder in der Spannung, die durch Magnetostriktion erzeugt
werden, durch die Erfassungsspule gemessen werden, und wenn die
Signalform der reflektierten Welle durch eine Erfassungseinheit
erfasst wird und die Höhe
einer einfallenden Welle in dem Eindringverfahren des Schlagübertragungswerkzeugs
in den Gegenstand gemäß der reflektierten
Welle angepasst wird, dann kann das Auftreten von reflektierten
Wellen verringert werden, wodurch es möglich wird, die Eindringwirksamkeit
zu verbessern und Schwingung und Rückstoß zu verringern.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine schematische Veranschaulichung eines Spalters, der eine Schlagvorrichtung
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung nutzt;
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2 ist
eine schematische Veranschaulichung eines Spalters mit einer Erfassungseinheit
für reflektierte
Wellen gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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3 ist
eine schematische Veranschaulichung eines Bohrers, der eine Schlagvorrichtung
gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung nutzt;
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4 ist
eine Darstellung, die eine Beziehung zwischen Eindringbetrag und
Eindringkraft zeigt;
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5 ist
eine Darstellung, die eine Signalform einer einfallenden Welle zeigt;
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6 ist
eine Darstellung, die ein Beispiel einer Signalform eines Erregungsstroms
zeigt;
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7 ist
eine Darstellung, die ein weiteres Beispiel einer Signalform eines
Erregungsstroms zeigt;
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8 ist
eine Darstellung, die ein nochmals weiteres Beispiel einer Signalform
eines Erregungsstroms zeigt;
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9 ist
nochmals ein weiteres Beispiel einer Signalform eines Erregungsstroms;
und
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10 ist
ein Blockschaltplan einer Stromversorgungsquelle für ein Ausgangssignal
mit bestimmter Signalform.
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AUSFÜHRUNGSFORM
DER ERFINDUNG
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1 ist
eine schematische Veranschaulichung eines Spalters, der eine Schlagvorrichtung
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung nutzt. 2 ist eine
schematische Veranschaulichung eines Spalters mit einer Erfassungseinheit
für reflektierte
Wellen gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. 3 ist eine schematische
Veranschaulichung eines Bohrers, der eine Schlagvorrichtung gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung nutzt.
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Bei
einem Spalter B in 1 ist ein supermagnetostriktives
Material 1 in dem Zentrum einer Erregungsspule 4 angeordnet,
die in einem Gehäuse 5 vorgesehen
ist, ein Meißel 2 als
ein Schlagübertragungswerkzeug
ist in Kontakt mit dem vorderen Ende des supermagnetostriktiven
Materials 1 angeordnet, und eine Rückstoßaufnahmeplatte 3 ist
in Kontakt mit dem anderen Ende des supermagnetostriktiven Materials 1 angeordnet.
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Bei
einer Zermalmungsarbeit wird dem Spalter B ein Axialdruck T durch
eine Axialdruck-Einheit (nicht gezeigt) gegeben, wobei die Spitze
des Meißels 3 gegen
einen Gegenstand 7 gedrückt
wird, und eine Stromversorgungseinheit 6 liefert eine Impulsspannung
an das supermagnetostriktive Material 1.
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Wenn
eine Impulsspannung an die Erregungsspule 4 angelegt ist,
erfährt
das supermagnetostriktive Material 1 Änderungen im Magnetfeld durch
einen Erregungsstrom, der durch die Erregungsspule 4 fließt, und
folglich tritt Magnetostriktion auf und erzeugt eine gewünschte Schlag-Signalform. Die
Stoßwelle
wird durch den Meißel 2,
der in Kontakt mit dem vorderen Ende des supermagnetostriktiven Materials 1 angeordnet
ist, an den Gegenstand 7 übertragen, und der Gegenstand
wird durch die Stoßwelle
zermalmt.
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Als
die Axialdruck-Einheit kann irgendeine jener Typen verwendet werden,
die bei der herkömmlichen
Schlagmaschine verwendet werden, wie etwa ein Schwerkraft-, ein
hydraulischer, ein pneumatischer, ein mechanischer oder ein manueller
Typ. Um das supermagnetostriktive Material 1 zu schützen, ist es
vorzuziehen, Mittel zur Verhinderung eines Schlags bei Nichtkontakt
einzubauen, die die Stromversorgungseinheit 6 durch Erfassen
des Axialdrucks der Axialdruckeinheit ein- oder ausschalten.
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Bei
einem Spalter B in 2 ist eine Erfassungsspule 8 zwischen
dem supermagnetostriktiven Material 1 und der Erregungsspule 4 vorgesehen, und
die Erfassungseinheit 9 erfasst die Signalform einer reflektierten
Welle durch Messung von Änderungen
in einem Strom oder einer Spannung, die durch Magnetostriktion erzeugt
werden, mit der Erfassungsspule 8, wenn die reflektierte
Welle, die von dem Meißel 2 kommt,
bei dem supermagnetostriktiven Material 1 ankommt. Die
anderen Bestandteile dieses Spalters sind die gleichen wie jene
des Spalters in 1.
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Bei
einem Bohrer D in 3 ist ein supermagnetostriktives
Material 1 in dem Zentrum einer Erregungsspule 4 angeordnet,
die in einem Gehäuse 5 vorgesehen
ist, und ein Stab 12 als das Schlagübertragungswerkzeug ist in
Kontakt mit dem vorderen Ende des supermagnetostriktiven Materials 1 angeordnet.
Ein Bohrmeißel 13 ist
an dem vorderen Ende des Stabs 12 befestigt. Der Bohrer
D ist mit einer Dreheinheit 11 und einer Spüleinheit 15 ausgestattet, wobei
der Stab 12 durch die Dreheinheit 11 gedreht wird
und die Spüleinheit 15 ein
Fluid zum Auswerten von Abfällen
zuführt.
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Der
Betrieb der Schlagvorrichtung wird anhand des Bohrers D in 3 beschrieben.
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Magnetostriktion
ist ein Phänomen,
bei dem sich die Aussendruchmesser-Abmessung eines ferromagnetischen Körpers wie
etwa Eisen ändert, wenn
er magnetisiert wird. Im Gegensatz zu magnetischen Metallen wie
dieses, das eine Dehnung von nicht mehr als 10–5 bis
10–6 zeigt,
weisen magnetostriktive Materialien eine Dehnung in der Größenordnung
von 10–3 durch
Magnetostriktion auf.
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Das
supermagnetostriktive Material 1 erfährt eine Magnetostriktion und
dient als ein Kolben, um auf den Stab 12 zu schlagen, und
erzeugt eine Stoßwelle.
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Wenn
der Stab 12 ausreichend länger als der Kolben ist, wird
die kinetische Gesamtenergie des Kolbens als eine Stoßwelle an
den Stab 12 übertragen.
Die Größe σ (Spannung)
einer Stoßwelle,
die zu diesem Zeitpunkt erzeugt wird, ist durch σ = (E/C)v gegeben, wobei der
E-Modul des Materials des Stabs 12 mit E bezeichnet wird,
die Geschwindigkeit einer Stoßwelle,
die sich in dem Stab bewegt, und zwar die Schallgeschwindigkeit,
mit C bezeichnet wird, und die Geschwindigkeit einer Verschiebung
der Stirnfläche
des Stabs durch einen Stoß mit
v bezeichnet wird.
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Mit
gewöhnlichen
Bohrern beträgt
die Größe von σ aufgrund
der Dauerfestigkeit des Stabes etwa 200 MPa, während eine Dehnung etwa 10–3 beträgt.
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Wenn
die Schnittfläche
des Stabs 12 mit A bezeichnet wird, wird die Belastung
f des Stabes 12 durch diese Stoßspannung σ durch f = σA = (AE/C)v ausgedrückt. (AE/C)
wird spezifische Impedanz des Stabs genannt, und wenn diese spezifische
Impedanz als Z bezeichnet wird, kann f als f = Zv ausgedrückt werden.
Mit anderen Worten ist die Belastung f des Stabs 12 das
Produkt der spezifischen Impedanz Z, die für den Stab intrinsisch ist,
und der Verschiebungsgeschwindigkeit v des Stabes. Die Stoßenergie,
die an den Stab 12 übertragen
werden soll, wird nicht vollständig
an den Stab übermittelt,
sondern ein Teil der Stoßenergie
geht durch Reflexion verloren, die immer auftritt, wenn sich die
spezifische Impedanz Z ändert.
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Der
Reflexionsgrad dieser Reflexion wird durch R = ΔZ/ΣZ ausgedrückt, indem eine Differenz ΔZ und eine
Summe ΣZ
der spezifischen Impedanzen Z vor und hinter der Reflexionsebene
verwendet werden. Das Verhalten der Stoßwelle, die an dem vorderen
Ende des Stabs 12 angekommen ist, ist wie folgt. Wenn der
Bohrmeißel 13 nicht
irgendetwas berührt
und ein freies Ende bleibt, ist die Belastung an dem vorderen Ende 0,
und R = (0 – Z)/(0
+ Z) = –1, da
die spezifische Impedanz Z des Gegenstands 0 beträgt. Die
Stoßenergie
wird überhaupt
nicht an den Gegenstand übertragen.
Wenn die Stoßwelle
eine Druckspannungswelle ist, beträgt R = –1 und das Vorzeichen wird
geändert
und die Stoßenergie
wird zu 100% als eine Zugspannungswelle reflektiert.
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Andererseits
beträgt,
wenn der Bohrmeißel 13 in
Kontakt mit einem Gegenstand ohne jegliche Verformung ist und ein
festes Ende bildet, der Reflexionsgrad R = (∞ – Z)/(∞ + Z) = +1. Da die Verschiebung
des vorderen Endes des Bohrmeißels 13 Null (0)
beträgt,
wird überhaupt
keine Energie an den Gegenstand übertragen,
und die Belastung bei dem vorderen Ende ist durch wechselseitige Überlagerung einer
einfallenden Welle und einer reflektierten Welle doppelt so groß wie f,
und zwar 2f. Da zu diesem Zeitpunkt R = +1 beträgt, wird eine Druckspannungswelle zu
100% als eine Druckspannungswelle reflektiert.
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Es
ist bekannt, dass, wenn der ganze Bohrmeißel 13 in einen zu
zermalmenden Gegenstand wie etwa einen Fels mit einer statischen
Axialkraft eindringen soll, eine feste Beziehung F = Φ(u) zwischen
einem Eindringbetrag u und einer Eindringkraft F aufrechterhalten
wird, wie es in 4 gezeigt ist, und dass, auch
wenn eine dynamische Axialkraft genutzt wird, diese Beziehung im Wesentlichen
intakt bleibt. In dieser Beziehung wird die Eindringkraft pro Einheit
des Eindringbetrags, d. h. dF/du als Eindringwiderstand bezeichnet.
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Wenn
der Eindringwiderstand des Gegenstands 7 für den Bohrmeißel 13 in
der Größe der spezifischen
Impedanz Z des Stabs 12 gleicht, R = (Z – Z)/(Z
+ Z) = 0, ist mit anderen Worten die Reflexion 0. Genauer
wird die gesamte Energie an den Gegenstand 7 übertragen,
und die Belastung an dem vorderen Ende des Bohrmeißels 13 ist
zu diesem Zeitpunkt gleich f. Noch genauer wird bei dem vorderen
Ende des Bohrmeißels 13 nur
wenn der Eindringwiderstand gleich dem Widerstand ist, während eine
Stoßwelle
durch den Stab 12 übertragen
wird, 100% der Energie an den Gegenstand 7 übertragen.
Oder es werden andernfalls 100% der Energie nicht an den Gegenstand übertragen.
Wenn der Eindringwiderstand kleiner als die zuvor erwähnte reflexionslose Impedanz
ist, wird der Restbetrag der Energie als eine Zugspannungswelle
reflektiert, und wenn der Eindringwiderstand größer als die reflexionslose
Impedanz ist, wird der Restbetrag der Energie als eine Druckspannungswelle übertragen.
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Wenn
die Stoßwelle
das vordere Ende des Bohrmeißels 13 erreicht,
das sich in Kontakt mit dem Gegenstand 7 mit einem Eindringwiderstand
befindet, finden das Eindringen des Bohrmeißels 13 und das Auftreten
einer reflektierten Welle von der Stoßwelle statt. Wie es in 5 gezeigt
ist, scheint mit einer Stoßwelle
einer beliebigen Signalform die Belastung f für eine sehr kurze Zeit Δt (beispielsweise
einige μs)
konstant zu sein. Es wird angenommen, dass sich der eindringende
Bohrmeißel 13 wie
es in 4 gezeigt ist, bei der Position a in der Beziehung
zwischen dem Eindringbetrag u und der Eindringkraft F befindet und
dass die Eindringkraft zu diesem Zeitpunkt F0 = Φ(u0) beträgt.
Wenn die Zeit Δt
klein ist, kann die Größe r einer
reflektierten Welle, die an dem Bohrmeißel 13 erzeugt wird,
angenähert
als r = F0 –f betrachtet werden. Das vordere
Ende des Bohrmeißels 13 dringt
durch wechselseitige Überlagerung
einer einfallenden Welle und einer reflektierten Welle vor. Die
Vordringgeschwindigkeit des Bohrmeißels 13 in dieser
Zeit Δt
beträgt
v = (r – f)/Z
von r – f
= Zv, und folglich wird der Vordringbetrag des Bohrmeißels 13,
d. h. eine Zunahme Δu
in dem Eindringbetrag durch Δu
= (r – f)Δt/Z erhalten.
Bei Vollendung dieses Eindringens hat die Größe der Eindringkraft von F0 = Φ(u0) auf F1 = Φ(u0 + Δu)
zugenommen.
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Durch
wiederholtes Durchführen
des zuvor beschriebenen Verfahrens ist es in Bezug auf eine beliebige
einfallende Welle möglich
zu wissen, wie sich der Eindringbetrag und die Eindringenergie bei einem
zu zermalmenden Gegenstand 7, der einen Eindringwiderstand
aufweist, mit einem Verstreichen der Zeit ändern. Aufgrund der vorhergehenden
Beobachtung kann gesehen werden, dass es für ein Eindringen des Bohrmeißels 13 in
einen Gegenstand 7 wie einen Felsen mit Energie wie etwa
einer Stoßwelle
erforderlich ist, dass die Verschiebungsgeschwindigkeit v höher als
eine bestimmte Geschwindigkeit ist, die für eine bestimmte Zeitdauer
aus den zuvor erwähnten
Beziehungen, wie etwa f = Zv, Δu
= vΔt, fortgesetzt
werden muss.
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Die
physikalischen Eigenschaften von zu zermalmenden Gegenständen 7,
wie etwa einem Felsen, sind vielfältig und folglich weisen sie
verschiedene Höhen
eines Eindringwiderstands auf. Um einen Eindringbetrag über einen
bestimmten Betrag sicherzustellen und um eine erforderliche Leistung auf
einen bestimmten Wert oder weniger zu begrenzen, wird, da Dehnung
durch Magnetostriktion zu der Stärke
eines Magnetfeldes, mit anderen Worten zu der Höhe eines Erregungsstroms proportional
ist, und da die zeitliche Änderungsrate
einer Dehnung gleich einer Verschiebungsgeschwindigkeit v ist, wie es
in 6 gezeigt ist, eine Impulsspannung wiederholt
an die Erregungsspule 4 von einer Stromversorgungseinheit 6 angelegt,
so dass der Erregungsstrom der Erregungsspule mit einem Verstreichen
einer Zeit, in der die Spannung angelegt wird, zunimmt, und, nachdem
er einen gewünschten
Maximalwert erreicht hat, plötzlich
auf Null abfällt.
Durch diese Anordnung können
eine gewünschte
Verschiebung und eine gewünschte
Verschiebungsgeschwindigkeit bei einer Verformung eines supermagnetostriktiven
Materials 1 durch Magnetostriktion erzielt werden. Die Impulsbreite
zu diesem Zeitpunkt wird aus einem Bereich von mehreren Zehn μs bis zu
mehreren Hundert μs
geeignet gewählt,
und der Impulsabstand wird aus einem Bereich von mehreren ms bis
zu mehreren Hundert ms geeignet gewählt.
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Wenn
ein Eindringen des Bohrmeißels 13 durchgeführt wird,
befindet sich das vordere Ende des Bohrmeißels 13 vorzugsweise
mit dem Gegenstand 7 in Kontakt. Wenn sich das vordere
Ende des Bohrmeißels 13 nicht
in Kontakt mit dem Gegenstand 7 befindet, kehrt eine Stoßwelle,
die bei dem vorderen Ende des Bohrmeißels 13 einfällt, als
eine Zugspannungswelle in den Stab 12 zurück, so dass
die Energie nicht wirksam an den Gegenstand 7 übertragen
werden kann. Aus diesem Grund ist es erforderlich, dass der ganze
Stab 12 statisch gegen den Gegenstand 7 gedrückt wird.
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Wie
es in 7 gezeigt ist, wird sich das supermagnetostriktive
Material 1 verlängern,
wenn eine Impulsspannung an die Erregungsspule 4 angelegt wird, derart,
dass der Erregungsstrom der Erregungsspule 4, wenn er in
einer Impulssignalform ansteigt, mit einem Verstreichen einer Zeit,
in der die Spannung angelegt wird, zunimmt, und nachdem er einen
gewünschten
Maximalwert erreicht hat, während
der Erregungsstrom den Maximalwert für eine feste Zeitdauer aufrecht
erhält,
wodurch es möglich wird,
dass der Stab 12 gegen den Gegenstand 7 gedrückt wird,
so dass ein unmittelbares Fehlen eines Axialdrucks, das die Axialdruckeinheit
nicht bewältigen
kann, kompensiert werden kann. Die Zeit, in der ein fester Wert
aufrechterhalten wird, kann aus einem Bereich von mehreren Zehn
ms geeignet ausgewählt werden.
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Für eine wirksame
Nutzung einer Stoßwelle zur
Eindringarbeit in den Gegenstand 7 ist es wichtig, das
Auftreten einer reflektierten Welle zu minimieren. Um die Größe r einer
reflektierten Welle auf Null zu verringern, ist es insbesondere
erforderlich, f = –F (das "–"-Zeichen gibt eine Druckspannungswelle
an) von r = –F – f = 0
zu halten.
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Mit
einem Gegenstand 7, für
den angenommen werden kann, das F = Φ(u) = ku, kann dF = –df = kdu
= (k/Z)fdt von v = du/dt = –f/Z
abgeleitet werden. Wenn f = f0e(k/Z)t,
tritt keine reflektierte Welle auf. Wenn die Tatsache, dass das
anfängliche
f0, das für das anfängliche Eindringen erforderlich
ist, und der Eindringwiderstand des zu zermalmenden Gegenstands 7 nicht
unbedingt korrekt als F = ku ausgedrückt werden, berücksichtigt
wird, kann das Auftreten einer reflektierten Welle minimiert werden,
wenn eine Impulsspannung an die Erregungsspule angelegt wird, so
dass der Erregungsstrom der Erregungsspule proportional zu dem Quadrat
einer verstrichenen Zeit (i = α t2), oder angenähert als logarithmische Funktion
einer verstrichenen Zeit (i ≅ αekt) während
eines Verstreichens einer Zeit, in der die Spannung angelegt wird,
von dem anfänglichen Stromwert
beim Anstieg einer Impulssignalform bis zu dem in 8 und 9 gezeigten
Maximalwert zunimmt.
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Wenn
eine Erfassungsspule 8 in der Nähe der Erregungsspule 4 vorgesehen
ist, können,
wenn eine reflektierte Welle von dem Stab 12 zu dem supermagnetostriktiven
Material 1 zurückkehrt,
durch Messen von Änderungen
im Strom oder in der Spannung, die durch Magnetostriktion erzeugt
wurden, mit der Erfassungsspule 8, um eine Signalform der
reflektierten Welle mit einer Erfassungseinheit 9 zu erfassen,
und durch ein Erhöhen
oder Verringern der Höhe
einer einfallenden Welle in dem Eindringverfahren des Bohrmeißels 13 in
den Gegenstand 7 entsprechend der reflektierten Welle reflektierte
Wellen verringert werden, wodurch es möglich wird, die Eindringwirksamkeit
zu verbessern und Schwingungen oder Rückstöße zu verringern.
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Um
die Erregungsspule 4 mit einer Impulsspannung wie zuvor
erwähnt
zu versorgen, wird eine Stromversorgungseinheit 36 für ein Ausgangssignal mit
bestimmter Signalform einschließlich
eines Transformators 32, eines Diodengleichrichters 33,
eines Hochfrequenzinverters 34 und eines in 10 gezeigten
Filters 35, die ein Wechselspannungs-Eingangssignal 31 in
die Form eines Impulses mit einer bestimmten Signalform umsetzen
kann, als die Stromversorgungseinheit 6 verwendet. Die
Stromversorgungseinheit 36 für ein Ausgangssignal mit bestimmter
Signalform steuert eine angelegte Spannung so, dass ein Impulsstrom
einer gewünschten
Signalform gemäß einer
Induktivität
der elektrischen Schaltungen und Erfassungsergebnisse durch die Erfassungseinheit 9 in
Bezug auf die Signalform einer reflektierten Stoßwelle erzielt wird.
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INDUSTRIELLE
ANWENDBARKEIT
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Wie
es aus der vorhergehenden Beschreibung ersichtlich wird, setzt die
Schlagvorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung elektrische Energie direkt in Dehnungsenergie um und sie
hat folglich einen hohen energetischen Wirkungsgrad und sie benötigt keine
hydraulische Anlage, keine hydraulische Installation und keine komplizierten
mechanischen Vorrichtungen wie etwa einen hydraulischen Schlagmechanismus,
so dass diese Schlagvorrichtung die Schlagmaschine vereinfachen
kann.
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Es
wird möglich,
die Schlagmaschine durch einen elektrischen Impuls bei hoher Geschwindigkeit zu
betätigen
und einfacher einen großen
Ausstoß zu erzeugen,
als bei dem Schlagbetrieb mit mechanischem Kolben. Dadurch, dass
eine gewünschte Schlagsignalform
einfach erzeugt werden kann, verbessert diese Schlagvorrichtung
eine Eindringwirksamkeit und eine Zermalmungswirksamkeit.
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Diese
Schlagmaschine misst eine reflektierte Welle durch Verformung des
supermagnetostriktiven Materials, und sie reflektiert Erfassungsergebnisse
in der Ausgangssignalform, wodurch es möglich wird, reflektierte Wellen
zu verringern, eine Eindringwirksamkeit zu verbessern und Schwingungen
sowie Rückstöße zu verringern.
Darüber
hinaus ist es möglich,
eine ruhige, hoch dauerhafte Schlagmaschine zu schaffen, da ein
Schlaggeräusch
beseitigt wurde.