FI123185B

FI123185B - Pyöritysyksikkö, kallionporausyksikkö ja menetelmä kallionporaukseen

Info

Publication number: FI123185B
Application number: FI20115366A
Authority: FI
Inventors: Jorma Maeki; Pauli Lemmetty; Juha Hedlund; Tapio Ukonjaervi
Original assignee: Sandvik Mining & Constr Oy
Priority date: 2011-04-15
Filing date: 2011-04-15
Publication date: 2012-12-14
Also published as: US20140034387A1; AU2012241674A1; KR20140009490A; ZA201307154B; WO2012140326A1; JP2014510862A; FI20115366A; EP2697469A1; CL2013002912A1; FI20115366A0; CN103477014A; CA2829144A1

Description

Pyöritysyksikkö, kallionporausyksikkö ja menetelmä kallion-poraukseen

Keksinnön tausta

Keksinnön kohteena on pyöritysyksikkö kallionporaukseen, jossa 5 pyöritysyksikössä ei ole lainkaan iskulaitetta. Pyöritysyksikön tarkoituksena on muodostaa tarvittava pyöritys siihen kytkettävälle porauskalustolle, jonka uloimmassa päässä on porakruunu kallion rikkomista varten.

Edelleen keksinnön kohteena on porausyksikkö ja menetelmä kallionporaukseen. Keksinnön alaa on kuvattu tarkemmin hakemuksen itsenäis-10 ten patenttivaatimusten johdannoissa.

Reikiä voidaan porata kallioon erilaisilla kallioporakoneilla. Poraukseen voidaan käyttää iskujen ja pyörityksen yhdistävää menetelmää (percussive drilling) tai poraus voi perustua pelkkään pyöritykseen ilman iskutoimintoa (rotary drilling). Edelleen voidaan jaotella iskevä poraus sen mukaan, onko 15 iskulaite porauksen aikana porareiän ulkopuolella vai porareiässä. Kun iskulai-te on porareiän ulkopuolella, käytetään porauksesta yleensä nimitystä top hammer drilling, ja kun iskulaite on porareiässä, käytetään tyypillisesti nimitystä down-the-hole drilling (DTH). Top hammer -porakoneessa iskulaite ja pyöri-tyslaite ovat yhdistetyt yhdeksi kokonaisuudeksi, kun taas rotary drilling -pora-20 koneessa ja DTH-porakoneessa on pyöritysyksikkö, joka on kokonaan ilman iskulaitetta. Tämä hakemus kohdistuu juuri tällaiseen iskulaitteettomaan pyöri-tysyksikköön ja sen käyttöön.

Pyöritysyksikkö käsittää pääakselin, jota pyöritetään pituusakselinsa ympäri. Pyöritysvoima muodostetaan pyöritysmoottorilla, joka on vaihteiston 25 välityksellä kytketty pääakseliin. Porauksen edistyessä kytketään porauskalus-

CVJ

£ toon lisää porausputkia, jotka vastaavasti puretaan sen jälkeen kun porareikä ^ on valmis ja siirrytään poraamaan uutta porareikää. Porausputket ovat varuste en V tut kierreliitännällä, minkä vuoksi tarvitaan ns. liukukara (Floating Spindel), joka ^ mahdollistaa kierteiden kiinni ja auki kiertämisen ilman samanaikaista tarkkaa | 30 syöttöliikkeen ohjaamista. Liukukara mahdollistaa tarvittavan aksiaalisen liik- keen, joka on seurausta liitoskierteiden noususta. Nykyisin käytettävät liukuka- co rat ovat erillisiä yksiköitä, jotka kytketään pyöritysyksikköön ennen ensimmäis- tä porausputkea. Tällaisten erillisten liukukarayksiköiden on kuitenkin havaittu o ^ aiheuttavan ongelmia laitteistojen kestävyydelle.

2

Keksinnön lyhyt selostus Tämän keksinnön tarkoituksena on saada aikaan uudenlainen ja parannettu pyöritysyksikkö, kallionporausyksikkö ja menetelmä kallionporauk-seen.

5 Keksinnön mukaiselle pyöritysyksikölle on tunnusomaista se, että syöttölaippa ja liukutila sijaitsevat pääakselin etupäässä; että pääakselin etu-pään ympärillä liukutilassa on etulaakeri; että etulaakeri sijaitsee syöttölaipan ja liukutilan takapäädyn välisellä osuudella; ja että etulaakeri on liukulaakeri ja se on sovitettu aksiaalisuunnassa liukuvasti liukutilaan.

10 Keksinnön mukaiselle kallionporausyksikölle on tunnusomaista se, että pyöritysyksikkö on vaatimuksen 1 mukainen.

Keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista se, että sallitaan pyöritysyksikön pääakselille aksiaalinen liike suhteessa pyöritysyksikön runkoon kytkettäessä porauskalusto ja porauskaluston komponentteja sekä 15 purettaessa niitä.

Ajatuksena on se, että pyöritysyksikön pääakseli on laakeroitu runkoon siten, että se voi liukua ennalta määritellyn suuruisen sallitun aksiaalisen liikematkan rungon suhteen.

Tällöin eräänä etuna on, että pääakselin aksiaaliliike mahdollistaa 20 porauskaluston liitoskierteiden kiertämisen auki ja kiinni ilman, että porauskalustoon on tarvetta sovittaa mitään erillistä liukukarayksikköä. Kun liukuominai-suus järjestetään pyöritysyksikköön, voi rakenne olla aiempaa tukevampi ja kestävämpi.

Erään sovellutusmuodon ajatuksena on se, että pääakseli on tuettu 25 radiaalisuunnassa runkoon etupään osuudelta etulaakerilla ja takapään osuu-^ delta takalaakerilla. Kummatkin laakerit ovat liukulaakereita, jotka voivat olla δ esimerkiksi jotakin sopivaa liukulaakerimetallia. Rakenne mahdollistaa sen, ό että laakerien välinen aksiaalinen etäisyys voidaan järjestää suhteellisen pit- ^ käksi. Sen ansiosta porauksen aikana porauskalustosta pääakselille välittyvät 30 poikkisuuntaiset voimat saadaan otettua hyvin vastaan pyöritysyksikön tuke- £ vaan runkoon. Edelleen rakenteen kestävyyttä parantaa se, että etu- ja taka- g laakeri voidaan sovittaa öljyvoideltuihin tiloihin.

En Erään sovellutusmuodon ajatuksena on se, että pääakseli on laake- 5 roitu runkoon etulaakerilla ja takalaakerilla, joiden välinen aksiaalinen etäisyys

CVJ

35 toisistaan on suuri suhteessa pääakselin halkaisijaan. Laakereilla on aksiaali nen laakerointietäisyys ja pääakselilla on laakerointihalkaisijat laakereiden 3 kohdalla. Havaintojen mukaan pääakselin laakerointi on erityisen tukeva kun laakerointietäisyyden suhde laakerointihalkaisijoista suurimpaan on ainakin 3:1. Laakerointihalkaisijat voivat olla samansuuruiset tai erisuuruiset etu- ja takalaakerin kohdalla. Laakerointietäisyys on etu- ja takalaakerin toiminnallis-5 ten keskikohtien välinen mitta.

Erään sovellutusmuodon ajatuksena on se, että voimansiirtoelimet vaihteiston ja pääakselin välillä käsittävät liukuelimet, jotka sallivat pääakselin aksiaalisen liikkeen ilman aksiaalisuuntaisten voimien välittymistä vaihteistolle. Kun vaihteistoon ja pyöritysmoottorille ei kohdistu aksiaalisia kuormituksia 10 pääakselilta, on pyöritysyksikön kestävyys hyvä.

Erään sovellutusmuodon ajatuksena on se, että pyöritysvoima välitetään pääakselille sen takapään osuudelta. Pääakselin takapäässä on enemmän tilaa voimansiirtoelimille, jolloin niiden mitoitus ja sijoittelu voidaan tehdä vapaammin kuin ratkaisussa, jossa pyöritysvoima välitetään pääakselin 15 etupään osuudelta.

Erään sovellutusmuodon ajatuksena on se, että pyöritysmoottori ja vaihteisto ovat pääakselin takapään jatkeena. Pyöritysmoottori, vaihteisto ja pääakseli ovat tällöin peräkkäin samalla aksiaalisella linjalla. Tällöin pyöri-tysyksikkö voi olla leveyssuunnassa tarkasteltuna varsin kapea. Vaikka pituus 20 lisääntyykin pyöritysyksikön takapään puolella, ei siitä ole havaittu olevan haittaa rakenteelle eikä käytölle. Edelleen voivat pyöritysmoottori ja vaihteisto olla moduuleja, jotka voidaan helposti ja nopeasti irrottaa ja vaihtaa uuteen ilman tarvetta purkaa pyöritysyksikön muuta rakennetta. Moduulien käsittelyyn on pyöritysyksikön takapäässä hyvin tilaa. On myös mahdollista vaihtaa pyöri-25 tysyksikön takapäähän teholtaan tai muilta ominaisuuksiltaan erilaisia moduu-leja, mikäli halutaan vaikuttaa pyöritysyksikön ominaisuuksiin.

5 Erään sovellutusmuodon ajatuksena on se, että pääakselin ulkoke-

CNJ

^ hällä on ainakin yksi syöttölaippa, joka on sovitettu välittämään aksiaalista T syöttövoimaa rungon ja pääakselin välillä. Syöttölaipassa on aksiaaliset tuki en 30 pinnat, jotka osallistuvat aksiaalivoimien välittämiseen. Edelleen on rungossa | liukutila syöttölaipan kohdalla. Liukutila on pitkänomainen rengasmainen tila cd pääakselin ympärillä ja sillä on päädyt, jotka rajaavat liukutilaa aksiaalisuun-

CO

nassa. Etupääty ja takapääty käsittävät tukipinnat, jotka voivat osallistua aksi- ^ aalivoimien välittämiseen, o 00 35 Erään sovellutusmuodon ajatuksena on se, että syöttölaippa ja sen kohdalla oleva liukutila sijaitsevat pääakselin etupään osuudella. Tällöin aksi- 4 aalivoimia välitetään pääakselin ja rungon välillä mahdollisimman lähellä pyöri-tysyksikön etupäätä ja porauskalustoa. Aksiaalivoimat eivät siten rasita pääakselin takaosaa ja takaosassa sijaitsevia pyöritysyksikön komponentteja. Nämäkin seikat ovat edullisia pyöritysyksikön kestävyyden kannalta.

5 Erään sovellutusmuodon ajatuksena on se, että syöttölaippa on pääakselia tukevan etulaakerin etupuolella liukutilassa. Tällöin etulaakeri välittää aksiaalisuuntaisia voimia syöttölaipan ja liukutilan takapäädyn välillä silloin kun syöttö on poraussuuntaan päin. Etulaakeri toimii pääakselin radiaalilaake-rina ja aksiaalilaakerina. Etulaakeri on liukulaakeri, joka kykenee erittäin hyvin 10 ottamaan vastaa suuria aksiaalivoimia porauksen aikana. Etulaakeri voi olla sovitettu liukutilaan aksiaalisuunnassa liukuvasti, jolloin se voi olla sovitettu liikkumaan yhdessä pääakselin kanssa. Lisäksi liukutila voi olla öljyvoideltu, mikä parantaa etulaakerin kestävyyttä entisestään.

Erään sovellutusmuodon ajatuksena on se, että pyöritysyksikön ra-15 kenne käsittää aksiaalivaimentimen. Aksiaalivaimennin on siis integroitu osaksi pyöritysyksikköä. Aksiaalivaimentimella voidaan vaimentaa pääakselissa vaikuttavaa tärinää, iskuja, iskuaaltoja ja muita aksiaalisia jännityksiä, jotka välittyvät pääakselille porauskalustolta. Tällainen aksiaalivaimennin vähentää merkittävästi porauskalustolta pääakselin kautta runkoon ja runko-osiin kohdistu-20 vaa tärinää ja jännitysaaltoja, jolloin aksiaalivaimentimen takana oleviin komponentteihin kohdistuu vähemmän rasituksia. Edelleen voi aksiaalivaimennin vähentää myös vaimentimen etupuolella, eli porauskaluston puolella, oleviin komponentteihin kohdistuvia rasituksia, ainakin jossain määrin.

Erään sovellutusmuodon ajatuksena on se, että aksiaalivaimennin 25 käsittää ainakin yhden päätyvaimentimen, joka on sovitettu liukutilan päätyyn. Aksiaalivaimennin voi käsittää takapäätyvaimentimen, joka vaimentaa poraus-5 suunnassa ja etupäätyvaimentimen, joka vaimentaa paluusuunnassa. Joissain

CNJ

^ tapauksissa voi vaimentimessa olla vain takapäätyvaimennin. Päätyvaimenti- v men etuna on sen yksinkertainen rakenne, halpa hinta sekä vähäinen huollon O) ^ 30 tarve.

| Erään sovellutusmuodon ajatuksena on se, että päätyvaimennin on cd rengasmainen kappale, joka on kokoonpuristuvaa elastista materiaalia. Pääty-

CO

vaimennin voi olla polymeerimateriaalia, kuten esimerkiksi sopivaa polyuretaa-^ nia. Tällaisten vaimentimien on todettu kestävän kulutusta yllättävän hyvin.

00 35 Erään sovellutusmuodon ajatuksena on se, että aksiaalivaimennin käsittää ainakin yhden paineväliainetoimisen vaimenninelementin. Tällaisessa 5 aksiaalivaimentimessa voi olla työpainetilat, joihin voidaan johtaa painevä-liainetta, kuten esimerkiksi hydraulinestettä, joka vaikuttaa työpainetiloissa oleviin työpainepintoihin. Edelleen on mahdollista se, että aksiaalivaimennin käsittää yhden tai useamman vaimenninmännän, joka on sovitettu vaikuttamaan 5 aksiaalisuunnassa pääakseliin joko suoraan tai sopivien välityskappaleiden avulla. Vaimenninmännille voidaan johtaa vaikuttamaan paineväliaineen paine halutun vaimennuksen aikaansaamiseksi pääakselin liukuliikkeen ääriasennoissa.

Erään sovellutusmuodon ajatuksena on se, että pyöritysyksikön 10 pääakselin etupäässä on kytkentäelimet aksiaalisuunnassa jäykkää kiinnitystä varten. Tällöin porauskalusto kiinnitetään pääakseliin ilman mitään aksiaa-lisuuntaista liukuvaa kytkentää. Kytkentäelimet voivat käsittää liitoskierteet, joihin porausputki, adapterikappale tai vastaava komponentti voidaan kiinnittää. Tämän sovellutus vähentää pääakselin ja porauskaluston väliseen kytken-15 tään kohdistuvia kuormituksia.

Erään sovellutusmuodon ajatuksena on se, että pääakselin taka-pään ulkokehällä on aksiaalinen uritus pyöritysvoiman välittämiseksi. Edelleen on pääakselin takapään ympärillä pyöritysholkki, jonka sisäkehällä on vastaava aksiaalinen uritus. Tällöin pääakselin takapään ulkopinnan ja pyöritysholkin 20 sisäpinnan välillä on voimansiirtoyhteys, joka sallii pääakselin aksiaalisen liikkeen. Pyöritysholkki on laakeroitu runkoon aksiaalilaakereilla, jolloin aksiaali-voimia ei välity pääakselilta voimansiirtoelimien kautta vaihteistolle. Nämä piirteet ovat edullisia rakenteen kestävyyden kannalta.

Erään sovellutusmuodon ajatuksena on se, että vaihteisto on pla-25 neettavaihde. Planeettavaihde voi olla fyysisesti varsin pienikokoinen ja myös aksiaalisuunnassa lyhyt, jolloin se on helppo sovittaa pääakselin takapäähän.

5 Erään sovellutusmuodon ajatuksena on se, että pääakseli käsittää

CNJ

^ ensimmäisen pääakseliosan ja toisen pääakseliosan, jotka ovat sovitetut sa- v malle aksiaaliselle linjalle ja ovat kytketyt toisiinsa. Pääakseliosien välinen kyt- cn 30 kentä on aksiaalisesti jäykkä. Ensimmäisen pääakseliosan takapään ulkoke-| hällä on uritus, jonka avulla voidaan välittää pyöritysvoima pääakselille. Toisen cd pääakseliosan etupäässä on puolestaan liitoskierre porauskaluston kiinnittä-

CO

[g mistä varten. Pääakseli on laakeroitu runkoon vain ensimmäisen pääakse- ^ liosan etulaakerin ja takalaakerin avulla. Laakerit on järjestetty mahdollisimman 00 35 suuren aksiaalisen etäisyyden päähän toisistaan, jolloin ne ottavat hyvin vas taan poikittaiset kuormitukset. Edelleen voi syöttölaippa olla järjestetty kiinte- 6 äksi osaksi toista pääakseliosaa. Vaihtoehtoisesti voi syöttölaippa olla erillinen kappale, esimerkiksi rengasmainen laippa, joka on sovitettu pääakseliosien väliin.

Erään sovellutusmuodon ajatuksena on se, että etulaakerin ja taka-5 laakerin välisellä osuudella on paineväliainetila, joka ympäröi pääakselia ja joka on yhteydessä paineilman tai vastaavan paineväliaineen syöttökanavaan. Pääakselissa on yksi tai useampi kanava paineväliaineen johtamiseksi paineti-lasta pääakselissa olevaan keskikanavaan ja edelleen sitä pitkin pääakseliin kytkettävälle porauskalustolle. Pääakselin ympärillä oleva paineilla voi olla 10 eristetty akselitiivisteillä laakeritiloista. Tällöin paineväliaine pysyy erillään laa-keritilojen voiteluöljystä.

Erään sovellutusmuodon ajatuksena on se, että kallionporausyksik-kö käsittää kelkan, jota liikutellaan syöttöpalkilla syöttölaitteen avulla. Pyöri-tysyksikön runko on kiinnitetty liikkumattomasti kelkkaan. Tällöin pyöritysyksik-15 kö ja sen runko liikkuvat aina kelkan mukana, eikä pyöritysyksikössä ole liukuvasti sovitettuja runko-osia.

Erään sovellutusmuodon ajatuksena on se, että pyöritysyksikkö on tarkoitettu pyöritysporaukseen, jossa poraaminen tapahtuu pelkän pyörityksen ja syöttövoiman vaikutuksesta ilman mitään iskulaitetta.

20 Erään sovellutusmuodon ajatuksena on se, että pyöritysyksikkö on tarkoitettu DTH-poraukseen, jossa pyöritysyksikkö ja iskulaite ovat porauskaluston vastakkaisten päiden osuuksilla. Pyöritysyksikössä ei siis ole iskulaitetta, vaan se on porauskaluston yhteydessä. Porakruunu on tyypillisesti kiinnitetty suoraan iskulaitteeseen.

25 Erään sovellutusmuodon ajatuksena on se, että pääakselin aksiaa- lista asemaa tarkkaillaan ja tämä tieto voidaan välittää ohjausyksikölle, joka 5 ohjaa kallionporausyksikössä olevaa porausputkien käsittelylaitetta. Edelleen

CNJ

^ pääakselin asematietoa voidaan hyödyntää kierteiden kiinni- ja aukiruuvauk- v sen ohjaamisessa. Pääakselin asemaa voidaan valvoa yhden tai useamman O) ^ 30 anturin tai mittauslaitteen avulla.

| Erään sovellutusmuodon ajatuksena on se, että tarkkaillaan pääak- cd selin aksiaalista asemaa ja käytetään tätä asematietoa syöttövoiman säätämi-

CO

sen apuna porauksen aikana.

^ Erään sovellutusmuodon ajatuksena on se, että pyöritysyksikkö kä- 00 35 sittää ainakin yhden aksiaalivaimentimen sekä välineet pääakselin aksiaalisen aseman tarkkailemiseksi. Pääakselin asematietoa voidaan käyttää aksiaali- 7 vaimentimen kunnonvalvontaan. Ohjausyksikössä voi olla ohjausstrategia kunnonvalvontaa varten. Aksiaalivaimentimeen voi kuulua yksi tai useampi kokoonpuristuvaa materiaalia oleva vaimenninelementti, jolla on suunniteltu toiminnallinen kokoonpuristuma-alue, esimerkiksi 10 %. Asematiedon avulla 5 voidaan havaita, jos tämä suunniteltu sallittu kokoonpuristuma ylitetään esimerkiksi tilanteissa, joissa vaimenninelementti on menettänyt pysyvästi elastisuutensa ja palautumiskykynsä, tai on vioittunut muutoin. Tämän sovellutuksen ansiosta aksiaalivaimentimen vikaantuminen voidaan havaita ajoissa.

Erään sovellutusmuodon ajatuksena on se, että pääakseli on yksi 10 yhtenäinen akselikappale. Syöttölaippa voi olla yhtenäinen irrottamaton osa pääakselia. Vaihtoehtoisesti syöttölaippa voi olla erikseen muodostettu kappale, esimerkiksi rengaslaippa, joka voidaan kiinnittää liikkumattomasti akseli-kappaleeseen.

Erään sovellutusmuodon ajatuksena on se, että pyöritysmoottori on 15 hydraulimoottori.

Erään sovellutusmuodon ajatuksena on se, että pyöritysmoottori on sähkömoottori.

Erään sovellutusmuodon ajatuksena on se, että pyöritysyksikkö ei käsitä lainkaan vaihteistoa, vaan pyöritysvoima välitetään muilla voimansiir-20 toelimillä pääakselille. Pyöritysmoottorin pyörimisnopeutta ja momenttia voidaan säätää monipuolisesti ja tarkasti. Pyöritysmoottori on ns. suoravetotyyp-pinen moottori (direct drive). Tämäntyyppisiä moottoreita on tarjolla hydrauli-ja sähkökäyttöisenä. Kun vaihteisto voidaan jättää pois pyöritysyksiköstä, on siinä vähemmän huollettavia ja vikaantuvia komponentteja. Lisäksi pyöritysyksi-25 köstä saadaan pienempi.

Erään sovellutusmuodon ajatuksena on se, että voimansiirtoelimet o ovat varustetut elimillä voiteluöljyn liikkumisen edistämiseksi voiteluainetilassa.

CM

^ Tällöin voi esimerkiksi pyöritysnapa tai pyöritysholkki olla varustettu ruuvimai- ^ silla elimillä, jotka saavat pyörimisliikkeen vaikutuksesta aikaan voiteluöljyn <J) ^ 30 virtauksen. Tällä tavoin voidaan parantaa voimansiirtopintojen, voimansiirto- | komponenttien ja laakereiden kestävyyttä.

<x» g Kuvioiden lyhyt selostus

LO

Keksinnön eräitä sovellutusmuotoja selitetään tarkemmin oheisissa o ^ piirustuksissa, joissa 8 kuvio 1 esittää kaavamaisesti erästä kallionporauslaitetta, joka on varustettu pyöritysyksiköllä porauskaluston pyörittämiseksi pituusakselinsa ympäri, kuvio 2 esittää kaavamaisesti DTH-porauksen periaatetta ja pyöri-5 tysyksikön käyttöä siinä, kuvio 3 esittää kaavamaisesti ja voimakkaasti yksinkertaistettuna keksinnön mukaisen erään pyöritysyksikön periaatetta, kuviot 4 ja 5 esittävät kaavamaisesti, ylhäältä päin nähtyinä ja osittain aukileikattuina keksinnön mukaista erästä toista pyöritysyksikköä pääakse-10 Iin kahdessa eri aksiaalisessa ääriasemassa.

kuvio 6 esittää kaavamaisesti ja ylhäältä päin nähtynä vielä erästä pyöritysyksikköä, jossa pääakseli on yhtenäinen kappale ja sitä pyöritetään suoravetomoottorilla.

Kuvioissa keksinnön eräitä suoritusmuotoja on esitetty selvyyden 15 vuoksi yksinkertaistettuna. Samankaltaiset osat on merkitty kuvioissa samoilla viitenumeroilla.

Keksinnön eräiden sovellutusmuotojen yksityiskohtainen selostus

Kuviossa 1 on esitetty eräs kallionporauslaite 1, joka voi käsittää liikuteltavan alustan 2, johon on sovitettu porauspuomi 3. Puomi 3 on varustettu 20 kallionporausyksiköllä 4, joka käsittää syöttöpalkin 5, syöttölaitteen 6 ja pyöritysyksikön 7. Pyöritysyksikkö 7 voi olla tuettu kelkkaan 8 tai vaihtoehtoisesti voi pyöritysyksikkö käsittää liukupalat tai vastaavat tukielimet, joilla se on tuettu liikuteltavasti syöttöpalkkiin 5. Pyöritysyksikköön 7 voidaan kytkeä porauskalusto 9, joka voi käsittää yhden tai useampia toisiinsa kytkettyjä porausputkia 25 10 ja porauskaluston uloimmassa päässä olevan porakruunun 11. Kuviossa 1

C\J

^ esitetty porausyksikkö 4 on tarkoitettu pyöritysporaukseen, jossa pyöritysyksi-

^ kön 7 avulla pyöritetään porauskalustoa 9 pituusakselinsa ympäri suunnassa R

o V ja samalla syötetään pyöritysyksikköä 7 ja siihen kytkettyä porauskalustoa 9 ^ syöttölaitteen 6 avulla syöttövoimalla F poraussuunnassa A. Tällöin porakruu- | 30 nu rikkoo pyörimisen R ja syöttövoiman F vaikutuksesta kalliota ja porareikä 12 muodostuu. Kun porareikä 12 on porattu haluttuun syvyyteen, voidaan vetää w syöttölaitteen 6 avulla porauskalustoa 9 paluusuunnassa B pois porareiästä 12 ja purkaa porauskalusto irrottamalla porausputkien 10 välisiä liitoskierteitä pyö-o ^ ritysyksikön 7 avulla. Pyöritysyksikön 7 pääakseli on varustettu liukutoiminnolla 35 porauskaluston liitoskierteiden kytkemistä ja avaamista varten.

9

Kuviossa 2 on esitetty eräs toinen porausyksikkö 4, joka eroaa kuviossa 1 esitetystä niin, että porauskalusto 9 on varustettu iskulaitteella 13. Isku-laite 13 on siis pyöritysyksikköön 7 nähden porauskaluston 9 vastakkaisessa päässä. Porauksen aikana iskulaite 13 on porareiässä ja porakruunu 11 voi 5 olla kytketty suoraan iskulaitteeseen 13. Pyöritysyksikkö 7 voi koostua moduuleista, jolloin siinä voi olla perusmoduuli 14, jossa on pääakseli ja sen liukuva tuenta, sekä vaihteistomoduuli 15 ja pyöritysmoottorimoduuli 16. Moduulit voivat olla sovitetut peräkkäin samalle aksiaaliselle linjalle.

Kuviossa 3 on esitetty voimakkaasti yksinkertaistettuna pyöritysyk-10 sikön 7 eräs mahdollinen sovellutus. Pyöritysyksikkö 7 käsittää pääakselin 17, jonka etupäässä on liitoskierteet 18 porauskaluston 9 kiinnittämistä varten. Pääakselin 17 vastakkaisen pään osuudella voi olla aksiaalinen uritus 19, jolle voidaan tuoda pyöritysvoima pyöritysholkin 20 avulla. Pyöritysholkissa 20 on vastaava aksiaalinen uritus, jolloin pääakseli 17 voi liukua aksiaalisuunnassa 15 pyöritysholkin 20 suhteen. Pyöritysholkki 20 voi olla laakeroitu aksiaalisuunnassa liikkumattomaksi. Pyöritysholkille 20 voidaan tuoda pyöritysvoima yhdeltä tai useammalta vaihteistolta 15, joka on kytketty pyöritysmoottoriin 16. Kuten kuviossa on esitetty, on mahdollista tuoda pyöritysvoima usealta vaihteistolta 15 pääakselille. Tällöin vaihteistot 15 voidaan sovittaa pääakselin 17 vastak-20 kaisille puolille poikkisuuntaisen kuormituksen eliminoimiseksi.

Kuviosta 3 nähdään, että pääakseli 17 voidaan laakeroida takalaa-kerilla 21 ja etulaakerilla 22. Laakerit 21, 22 ovat liukulaakereita, jolloin ne sallivat pääakselin 17 aksiaalisen liikkeen S. Laakerit 21, 22 on sovitettu suuren aksiaalisen laakerointietäisyyden L päähän toisistaan, jolloin laakerit 21, 22 25 kykenevät ottamaan hyvin vastaan pääakseliin kohdistuvia poikkisuuntaisia kuormituksia. Etäällä toisistaan olevat laakerit 21,22 muodostavat hyvän tuen-

CVJ

5 nan pääakselille. Laakerointikohdissa pääakselilla on halkaisijat D1 ja D2, jotka

CNJ

^ voivat sovellutuksesta riippuen olla samansuuruiset tai jonkin verran erisuurui- v set. Laakerointikohtien välisen laakerointietäisyyden L suhde näistä hal- cn 30 kaisijoista D1, D2 suurempaan on ainakin 3:1. Laakerointikohdalla tarkoitetaan | laakerin toiminnallista keskikohtaa.

cd Kuviossa 3 on vielä esitetty tukipinnat, joilla syöttövoima F välitetään

CD

[g pyörityslaitteen 7 rungosta 23 pääakselille 17. Pääakselissa 17 voi olla yksi tai ^ useampi olake, laippa tai vastaava muotopinta, jossa on tukipinta 24a syöttö- 00 35 voiman välittämiseksi poraussuunnassa Aja tukipinta 24b syöttövoiman välit tämiseksi paluusuunnassa B. Rungossa 23 on vastaavat tukipinnat 25a ja 25b.

10 Pääakselin 17 ympärillä voi olla liukutila 26 mainittujen tukipintojen kohdalla. Liukutilan 26 aksiaaliset päätypinnat voivat toimia tukipintoina 25a ja 25b.

Paineväliaine, kuten esimerkiksi paineilma, voidaan syöttää paine-kanavaa 27 pitkin pääakselille 17 ja edelleen porauskalustolle.

5 Kuviossa 4 on esitetty eräs toinen pyörityslaite 17, jossa osa piirteis tä vastaa kuviossa 3 esitettyä. Kuviossa 4 esitetyssä ratkaisussa pääakseli 17 käsittää takapään puoleisen ensimmäisen pääakseliosan 17a ja etupään puoleisen toisen pääakseliosan 17b, jotka ovat kytketyt toisiinsa aksiaalisesti jäykällä kytkennällä 28, esimerkiksi liitoskierteellä. Toinen pääakseliosa 17b voi 10 käsittää syöttölaipan 29, jonka aksiaaliset pinnat muodostavat tukipinnat 24a, 24b. Syöttölaipan 29 ympärillä on liukutila 26, joka on rengasmainen tila, jota rajoittaa aksiaalisuunnassa päädyt 25a ja 25b, jotka toimivat myös rungossa 23 olevina tukipintoina 25a, 25b. Etulaakeri 22 on liukulaakeri ja se on sovitettu liukutilaan 26 syöttölaipan 29 takapinnan puolelle. Etulaakeri 22 voi liukua liu-15 kutilassa 26 pääakselin 17 mukana. Kun syöttö on poraussuunnassa A, välittyy syöttövoima rungosta 23 päädyn 25a ja etulaakerin 22 kautta syöttölaipalle 29 ja edelleen pääakselille 17. Kun syöttö on paluusuunnassa B, välittyy syöttö-voima rungosta 23 päädyn 25b ja syöttölaipan 29 välityksellä pääakselille 17. Liukutilassa 26 voi olla päätyvaimennin 30, 31 joko yhdessä päädyssä tai mo-20 lemmissa päädyissä. Päätyvaimennin 30, 31 voi olla rengasmainen kappale, joka käsittää elastista kokoonpuristuvaa materiaalia. Päätyvaimentimen avulla voidaan vaimentaa porauskalustosta 9 pääakseliin 17 ja edelleen muuhun rakenteeseen välittyviä iskuja ja jännityksiä. Joissain tapauksissa päätyvaimen-timia 30 ja 31 ei ole lainkaan tai vaihtoehtoisesti käytetään vain takapääty-25 vaimenninta 30. Liukutilaan 26 voi olla sovitettu voiteluöljyä kanavasta 32, jol-loin etulaakeri 22, päätyvaimentimet ja tukipinnat ovat öljyvoidellut.

5 Pääakselin 17 ympärillä voi olla paineväliainetila 33, johon voidaan

CNJ

ό syötlää paineilmaa tai vastaavaa kanavasta 27. Pääakselissa 17 on kanavat T paineväliaineen johtamiseksi sen etupäähän ja edelleen porauskalustolle 9.

O) 30 Paineväliainetila 33 voi olla erotettu aksiaalitiivisteillä 35 ja 36 liukutilasta 26 ja jr takalaakerin 21 kohdalla olevasta voiteluainetilasta 37. Tilaan 37 voidaan sovit- co taa voiteluainetta kanavasta 38, jolloin myös takalaakeri 21 on öljyvoideltu.

CD

gg Ensimmäisen pääakseliosan 17a takapään ulkokehällä on uritus 19, ^ johon on kytketty pyöritysholkki 20, jossa on vastaava uritus. Uritukset sallivat ^ 35 pääakselin 17 liikkeen aksiaalisuunnassa. Pyöritysholkki 20 on tuettu laakereil la 39 ja 40 runkoon 23 niin, että se on aksiaalisuunnassa liikkumaton. Pyöri- 11 tysholkille 20 pyöritysvoima voidaan välittää pyöritysnavan 41 avulla, joka on kytketty vaihteiston 15 akseliin 42 tai vastaavaan. Voi toki olla mahdollista yhdistää pyöritysholkin 20 ja pyöritysnavan 41 rakenne yhdeksi kokonaisuudeksi. Vaihteisto 15 ja pyöritysmoottori 16 voivat olla moduulirakenteisia ja ne voivat 5 olla sovitetut pääakselin 17 aksiaaliselle jatkeelle.

Kuviosta 5 nähdään tilanne, jossa pääakseli 17 on siirtynyt aksiaali-suunnassa äärimmäiseen etuasentoonsa. Tämä liukuliike voi tapahtua esimerkiksi liitoskierteiden kytkennän aikana.

Kuviossa 6 esitetty sovellutus poikkeaa kuviossa 4 ja 5 esitetystä 10 sovellutuksesta siten, että pääakselia 17 ei ole muodostettu kahdesta kappaleesta vaan se on yksi yhtenäinen akselimainen kappale. Syöttölaippa 29 voi olla yhtenäinen osa pääakselia 17 tai se voi olla erikseen valmistettu kappale, joka on kiinnitetty pääakselin akseliosaan. Kuviossa 6 on havainnollistettu katkoviivalla syöttölaipan ja akseliosan välistä liitosta, joka voi olla esimerkiksi 15 hitsausliitos. Edelleen eroaa kuviossa 6 esitetty pyöritysyksikkö 7 niin, että siinä ei ole vaihteistoa, vaan pyöritysmoottori 16 on kytketty akselin 42 tai muun voimansiirtokomponentin avulla pyöritysnapaan 41. Pyöritysmoottori voi olla suoravetomoottori, joka on mitoitettu niin, että erillistä vaihteistoa ei tarvita.

Kuviosta 6 nähdään, että pääakselin 17 aksiaalista asemaa voidaan 20 valvoa yhden tai useamman anturin 50 avulla. Anturi 50 voidaan sovittaa sopivaan kohtaan pyöritysyksikön 7 rakennetta. Anturin 50 sijaan voidaan käyttää sopivaa mittauslaitetta. Tunnistustieto voidaan välittää langattoman tai langallisen tiedonsiirtoyhteyden 51 avulla ohjausyksikölle 52, joka voi ottaa tunnistus-tiedon huomioon kallionporausyksikköön kuuluvien toimilaitteiden ohjauksessa. 25 Edelleen voidaan tunnistustietoa käyttää porauksen syöttövoiman ohjaamisessa sekä aksiaalivaimentimen kunnonvalvontaan.

CVJ

5 Kuvioon 6 on vielä merkitty siirtoelimet 49, joiden tarkoituksena on

CNJ

^ aikaansaada voiteluöljyn virtausta voitelutilassa ja siten parantaa voitelutilassa T olevien komponenttien voitelua. Siirtoelimenä 49 voi toimia esimerkiksi pyöri en 30 tysnavan 41 ulkokehällä olevat kierre, spiraali tai ulokkeet.

| Kuviossa 6 on esitetty vielä eräs vaihtoehtoinen sovellutus, jossa cd pääakseli 17 on tuettu runkoon 23 tai runko-osaan aivan sen etuosasta radiaa-

CO

lilaakerilla 53, joka on esitetty katkoviivalla ja voimakkaasti yksinkertaistettuna.

^ Tällöin laakerien 21 ja 53 laakerointikohtien välinen laakerointietäisyys L saa- 00 35 daan suureksi. Edelleen voi tässä sovellutuksessa laakeri 22 olla aksiaalilaa- keri, jonka ei ole tarpeen osallistua lainkaan pääakselin 17 radiaaliseen tuke- 12 miseen. Laakerin 22 ja pääakselin 17 sekä laakerin 22 ja liukutilan 26 välillä voi siten olla välykset niin, että laakeri 22 on herkkä liikkumaan aksiaalisesti. Tämä ominaisuus voi olla edullinen aksiaalisten jännitysaaltojen vaimentamisen kannalta. Tätä sovellutusta voidaan hyödyntää yleisemminkin pyöritysyksi-5 kössä 7, joka on varustettu integroidulla aksiaalivaimentimella. Ratkaisu ei siis ole sidottu vain kuvion 6 täsmälliseen suoritusmuotoon.

Mainittakoon, että edellä esitetyissä sovellutuksissa pyöritysmoottori voi olla hydraulimoottori tai sähkömoottori. Edelleen voidaan myös kuvioissa 3 - 5 esitetyissä pyöritysyksiköissä 7 käyttää suoravetomoottoria, jolloin ne ovat 10 kuvioissa esitetyistä ratkaisuista poiketen ilman vaihteistoa.

Joissain tapauksissa tässä hakemuksessa esitettyjä piirteitä voidaan käyttää sellaisenaan, muista piirteistä huolimatta. Toisaalta tässä hakemuksessa esitettyjä piirteitä voidaan tarvittaessa yhdistellä erilaisten kombinaatioiden muodostamiseksi.

15 Piirustukset ja niihin liittyvä selitys on tarkoitettu vain havainnollis tamaan keksinnön ajatusta. Yksityiskohdiltaan keksintö voi vaihdella patenttivaatimusten puitteissa.

CVJ

δ

CVJ

i o O)

X

cc

CL

CD

LO

δ

CVJ

Claims

1. Pyöritysyksikkö kallionporaukseen, joka pyöritysyksikkö (7) on ilman iskulaitetta ja käsittää: rungon (23); 5 pääakselin (17), joka on pitkänomainen kappale, joka käsittää etu- pään, jossa on kytkentäelimet (18) porauskaluston (9) kiinnittämiseksi sekä vastakkaisen takapään, ja joka on tuettu runkoon (23) ainakin kahdella laakerilla (21,22) pituusakselinsa suhteen pyörivästi (R); pyöritysmoottorin (16); 10 voimansiirtoelimet pyöritysvoiman välittämiseksi pyöritysmoottorilta (16) pääakselille (17); aksiaaliset tukipinnat aksiaalisten voimien välittämiseksi rungon (23) ja pääakselin (17) välillä poraussuunnassa (A) ja paluusuunnassa (B); sekä kanavat (27) paineväliaineen johtamiseksi pääakselille ja edelleen 15 porauskalustolle (9); ja jossa: pääakseli (17) on tuettu runkoon (23) aksiaalisuunnassa liukuvasti; pääakselin (17) ulkokehällä on ainakin yksi syöttölaippa (29), jossa on aksiaaliset tukipinnat (24a, 24b); 20 rungossa (23) on syöttölaipan (29) kohdalla rengasmainen liukutila (26), joka ympäröi pääakselia (17), ja jolla on aksiaalisuuntainen pituus; liukutilaa (26) rajoittavat aksiaaliset etupääty (25b) ja takapääty (25a), joissa on tukipinnat; ja syöttölaipan (29) ja liukutilan (26) tukipinnat ovat sovitetut välittä-25 mään aksiaalisia voimia rungon (23) ja pääakselin (17) välillä; ^ tunnettu siitä, δ että syöttölaippa (29) ja liukutila (26) sijaitsevat pääakselin (17) etu- ό päässä; ^ että pääakselin (17) etupään ympärillä liukutilassa (26) on etulaakeri 30 (22); £ että etulaakeri (22) sijaitsee syöttölaipan (29) ja liukutilan takapää- g dyn (25a) välisellä osuudella; ja En että etulaakeri (22) on liukulaakeri ja se on sovitettu aksiaalisuun- 5 nassa liukuvasti liukutilaan (26). CVJ

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen pyöritysyksikkö, tunnettu siitä, että pääakseli (17) on tuettu radiaalisuunnassa runkoon (23) etu-pään osuudelta etulaakerilla (22) ja takapään osuudelta takalaakerilla (21); ja että etulaakeri (22) ja takalaakeri (21) ovat liukulaakereita.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen pyöritysyksikkö, tunnet- 5. u siitä, että voimansiirtoelimet käsittävät liukuelimet, jotka sallivat pääakse-lin (17) aksiaalisen liikkeen ilman aksiaalisuuntaisten voimien välittymistä.

4. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen pyöritysyksikkö, tunnettu siitä, 10 että pyöritysvoima välitetään pääakselille (17) sen takapään osuu delta.

5. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen pyöritysyksikkö, tunnettu siitä, että pyöritysmoottori (16) sijaitsee pääakselin (17) takapään puolel- 15 la; ja että pyöritysmoottori (16) ja pääakseli (17) ovat sovitetut samalle aksiaaliselle linjalle.

6. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen pyöritysyksikkö, tunnettu siitä, 20 että pyöritysyksikön (7) rakenteeseen on integroitu aksiaalivaimen- nin pääakseliin vaikuttavien aksiaalisten jännitysten vaimentamiseksi; ja että aksiaalivaimennin käsittää ainakin yhden päätyvaimentimen (30, 31), joka on sovitettu liukutilan (26) aksiaaliseen päätyyn (25a, 25b).

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen pyöritysyksikkö, tunnettu 25 siitä, että päätyvaimennin (30, 31) on rengasmainen kappale; ja 5 että päätyvaimennin (30, 31) on kokoonpuristuvaa elastista materi- CNJ ^ aalia.

8. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen pyöritysyksikkö, O) ^ 30 tunnettu siitä, | että pääakselin (17) etupään kytkentäelin (18) on liitoskierre, jolloin cd pyöritysyksikön (7) ja porauskaluston (9) välinen kytkentä on aksiaalisuunnas- co sa jäykkä.

^ 9. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen pyöritysyksikkö, 00 35 tunnettu siitä, että pääakseli (17) käsittää ensimmäisen pääakseliosan (17a) ja toisen pääakseliosan (17b), jotka ovat sovitetut samalle aksiaaliselle linjalle ja ovat kytketyt toisiinsa aksiaalisesti jäykällä kytkennällä (28); että ensimmäisen pääakseliosan (17a) takapään ulkokehällä on uri-5 tus (19) pyöritysvoiman välittämistä varten; että ensimmäinen pääakseliosa (17a) on laakeroitu runkoon (23) sen päiden osuudelta etulaakerilla (22) ja takalaakerilla (21); ja että toisen pääakseliosan (17b) etupäässä on liitoskierre (18) porauskaluston (9) kiinnittämistä varten.

10. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen pyöritysyksikkö, tunnettu siitä, että pääakseli (17) on laakeroitu runkoon (23) etulaakerilla (22) ja takalaakerilla (21), joilla on aksiaalinen laakerointietäisyys (L) ja joiden laake-reiden (21,22) kohdalla pääakselilla (17) on halkaisijat (D1, D2); ja 15 että laakerointietäisyyden (L) suhde mainituista halkaisijoista (D1, D2) suurimpaan on ainakin 3:1.

11. Kallionporausyksikkö, joka käsittää: pyöritysyksikön (7), joka käsittää: pyöritysmoottorin (16) pyöritys-voiman muodostamiseksi; pääakselin (17), jolle pyöritysvoima välitetään voi-20 mansiirtoelimien avulla; sekä kytkentäelimet (18) porauskaluston (9) kiinnittämiseksi pääakseliin (17); syöttöpalkin (5), jonka tukemana pyöritysyksikkö (7) on liikuteltavissa poraussuunnassa (A) ja paluusuunnassa (B); syöttölaitteen (6) syöttövoimien (F) muodostamiseksi; sekä 25 porauskaluston (9), joka käsittää ainakin yhden porausputken (10), ja jonka porauskaluston (9) ensimmäinen pää on kytketty pyöritysyksikköön (7) 5 syöttövoimien (F) ja pyöritysvoimien (R) välittämiseksi porauskalustolle (9), ja CNJ ^ jonka porauskaluston (9) vapaassa päässä on porakruunu (11) kallion rikko- v mistä varten; O) ^ 30 tunnettu siitä, | että pyöritysyksikkö (7) on vaatimuksen 1 mukainen. cd

12. Patenttivaatimuksen 11 mukainen kallionporausyksikkö, t un co [g n e 11 u siitä, ^ että kallionporausyksikkö (4) käsittää iskulaitteen (13), joka on sovi- 00 35 tettu porauskaluston (9) vapaan pään osuudelle; ja että porakruunu (11) on kytketty iskulaitteeseen (13).

13. Patenttivaatimuksen 11 tai 12 mukainen kallionporausyksikkö, tunnettu siitä, että kallionporausyksikkö (4) käsittää kelkan (8), joka on liikuteltavissa syöttöpalkilla (5); ja 5 että pyöritysyksikön (7) runko (23) on kiinnitetty liikkumattomasti kelkkaan (8).

14. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen 11-13 mukainen kallionporausyksikkö, tunnettu siitä, että kallionporausyksikkö (4) käsittää ainakin yhden anturin (50) 10 pyöritysyksikön (7) pääakselin (17) aksiaalisen aseman määrittämiseksi.

15. Menetelmä kallion poraukseen, jossa menetelmässä: porataan kalliota kallionporausyksiköllä (4), joka käsittää ainakin pyöritysyksikön (7), syöttöpalkin (5), syöttölaitteen (6) ja porauskaluston (9); pyöritetään pyöritysyksikön (7) pääakselia (17) pituusakselinsa ym-15 päri ja välitetään pyöritysliike (R) pääakseliin (17) kytketylle porauskalustolle (9), jonka uloimmassa päässä on porakruunu (11) kallion rikkomista varten; syötetään pyörityslaitetta (7) syöttölaitteen (6) avulla ja syöttöpalkin (5) tukemana poraussuunnassa (A) ja paluusuunnassa (B); ja kytketään porauskalusto (9) pääakseliin (17) liitoskierteellä (18), ja 20 kytketään porauskalustoon (9) kuuluvia porauskomponentteja (10) toisiinsa niiden välisillä liitoskierteillä; tunnettu siitä, että sallitaan pyöritysyksikön (7) pääakselille (17) aksiaalinen liike suhteessa pyöritysyksikön runkoon (23) kytkettäessä porauskalusto (9) ja poraus-25 kaluston komponentteja (10) sekä purettaessa niitä. CVJ δ CVJ i o O) X cc CL CD CD CD LO δ CVJ