FI97564C - Vasaralaite - Google Patents

Description

97564

Vasaralaite

Esillä oleva keksintö koskee vasaralaitetta, edullisesti uppovasaraa, joka käsittää kotelon, männän, poran-5 kärjen ja välineet männän aktivoimiseksi lyömään toistuvasti poran kärkeen. Keksinnön kohteina ovat myös mäntä ja poran kärki per se.

Uppovasaroissa männän liike-energia siirretään joustavina aaltoina poran kärjen läpi ja lopulta kallioon.

10 Kuitenkaan mainittua siirtoa ei suoriteta parhaalla mahdollisella tavalla, koska mäntä ei ole yhteydessä poran kärjen kanssa pituuden ja massan suhteessa. Myöskään poran kärki ei ole yhteistyössä kallion kanssa parhaalla tavalla.

15 Tekniikan tason mukaisissa uppovasaroissa on kiin nitetty hyvin vähän huomiota männän sovittamiseen poran kärjen mukaiseksi, kun mainitulla poran kärjellä on massa-keskittymä kalliota vasten suuntautuneessa päässä.

Esillä olevan keksinnön pyrkimys on edelleen paran-20 taa energiansiirtoa männästä kallioon poran kärjen kautta.

Tämä on toteutettu kiinnittämällä huomiota myös impedans- sin jakautumiseen seuraavien patenttivaatimusten määrittelemän vasaralaitteen männässä ja poran kärjessä.

Seuraavassa kuvataan esillä olevan keksinnön mukai-25 sen uppovasaran suoritusmuotoa viitaten mukaan liitettyihin piirustuksiin, joissa kuvio 1 kuvaa kaavamaisesti esillä olevan keksinnön mukaista uppovasaran mäntää ja poran kärkeä; kuvio 2 kuvaa käytetyn voiman ja kallion pintaa 30 työstävän poran kärjen tunkeutuman suhdetta; kuvio 3 kuvaa kaaviona tehoasteen suhdetta suhteeseen ZM/ZT; kuvio 4 kuvaa kaaviona tehoasteen suhdetta suhteeseen Tm/Tt; 2 97564 kuvio 5 kuvaa kaaviona tehoasteen suhdetta parametriin β; ja kuvio 6 kuvaa kaaviota, joka esittää puristus- ja vetojännityksiä männässä ja poran kärjessä.

5 Kuviossa 1 mäntä 10 ja poran kärki 11 on esitetty kaavamaisesti. Kuten kuvion 1 perusteella on ilmeistä, mäntä 10 ja poran kärki 11 ovat muotoilultaan vastakkaiset toistensa suhteen.

Männässä 10 on kaksi osaa 10a ja 10b. Osalla 10a on 10 pituus Lh1 ja impedanssi ZH1, kun taas osalla 10b on pituus LT1 ja impedanssi ZT1. Poran kärjessä 11 on kaksi osaa 11a ja 11b. Osalla 11a, siis poran kärjen päädyllä, on pituus Lh2 ja impedanssi ZM2, kun taas osalla 11b, siis poran kärjen varrella, on pituus LT2 ja impedanssi ZT2.

15 Kun jännitysaaltoenergia siirretään mäntien ja po ran kärkien kautta, on huomattu, että poikkileikkauspinta-alan A, Youngin kertoimen E ja tiheyden muuttujien vaikutus voidaan tehdä yhteenvedoksi parametrina Z, jonka nimi on impedanssi, impedanssi Z * AE/c, missä c = 20 (E/5>)1/2, siis joustavan aallon nopeus. Mitkä tahansa A:n, E:n ja ;£:n yhdistelmät, jotka vastaavat tiettyä impedanssin Z arvoa, antavat saman tuloksen suhteessa jännitysaal-lon energian siirtoon.

On huomautettava, että impedanssi Z on määritelty 25 tietyssä poikkileikkauksessa männän 10 ja poran kärjen 11 akselin suuntaista liikettä vastaan, siis impedanssi Z on funktio männän 10 ja poran kärjen 11 aksiaalisuuntaa pitkin.

Sen vuoksi on esillä olevan keksinnön puitteissa 30 tietenkin mahdollista, että eri osien 10a, 10b, 11a ja 11b impedanssit voivat hieman vaihdella, siis ZM1:llä, ZT1:llä, ZT2:lla ja ZM2:lla ei tarvitse olla vakioarvo kussakin osassa vaan ne voivat vaihdella mainittujen osien 10a, 10b, 11a ja 11b aksiaalisuunnassa. Männän 10 ja poran kärjen 11 35 käytännön suunnittelussa esimerkiksi ulkokehän varustami- 3 97564 nen urilla ja/tai uurteilla on melko tavallista. Myös esimerkiksi ulkokehän varustaminen olakkeella voi olla tarpeen.

On myös huomautettava, että vaikka esimerkiksi 5 osilla 10a ja 10b on oltava erilainen impedanssi ZH1 ja ZT1 vastaavasti, on mahdollista suunnitella mäntä 10 sellaiseksi, että siinä on yleisesti vakio poikkileikkauspinta-ala, käyttämällä eri materiaaleja osissa 10a ja 10b.

On myös tarpeen määritellä seuraava parametri, ni-10 mittäin aikaparametri T. Määritelmä on T = L/c, missä L on kyseessä olevan osan pituus ja c on joustavan aallon nopeus kyseessä olevassa osassa. Siten osalle 10a TM1 « ^μι/®μι' osalle 11a TM2 = l*M2/cM2, osalle 10b TT1 = LT1/cT1 ja osille 11b Ττ2 = hr2/cT2. Syy, miksi on tarpeen olla aika-15 parametri T eikä pituusparametri L, on se, että eri osat voivat koostua eri materiaaleista, joilla on erilaiset arvot mitä tulee joustavan aallon nopeuteen c.

Esillä olevan keksinnön puitteissa on myös mahdollista, että esimerkiksi osa 10a voi koostua useista ali-20 osista, joilla on erilainen joustavan aallon nopeus c. Sellaisessa tapauksessa aikaparametri T lasketaan kullekin aliosalle ja aikaparametrin T kokonaisarvo koko osalle 10a on kunkin aliosan aikaparametrien summa.

Kuvio 2 esittää kallioon käytetyn voiman F ja kal-25 lioon tunkeutuman u välisen suhteen. Viiva k2 kuvaa voiman F ja tunkeutuman u suhdetta, kun kalliota kuormitetaan voimalla F. Siten k2 F/u kuormitusjakson ajan ja k2 on vakio. Voima Fx vastaa tunkeutumaa u2. Kuormituksen purkamista kuvaa viiva k2. Siten k2 * F/u kuormittamattoman jak-30 son aikana ja k2 on vakio. Kun kuormitus on purkautunut täydellisesti, on jäljellä tunkeutuma u2, mikä tarkoittaa, että tietty määrä työtä on suoritettu kallion suhteen, mainitun työn ollessa kuvattu kolmiomaisena pisteillä kuvioituna alueena. Työn määrä, jota mainittu alue edustaa, 35 määritetään W:nä.

4 97564 Männän 10 liike-energia sen liikkuessa kohti poran kärkeä 11 määritetään Wk:na.

Kuten edellä on todettu, esillä olevan keksinnön tarkoituksena on maksimoida tehoaste, joka määritellään 5 suhteena W/Wk.

Esillä oleva keksintö perustuu sille ajatukselle, että massan jakautuminen männässä 10 on sellainen, että alun perin pienempi massa, siis osa 10b, koskettaa poran kärkeä 11. Seuraavaksi seuraa suurempi massa, siis osa 10 10a. On osoittautunut, että sellaisessa järjestelyssä mel kein kaikki männän liike-energia siirtyy kallioon poran kärjen kautta.

Kaikkein tärkeimmät parametrit ovat impedanssisuhteet ZM1/ZT1 ja ZM2/ZT2. Mainittujen parametrien tulisi olla 15 tietyllä vaihteluvälillä. Jotta saataisiin paras mahdolli nen tehoaste on myös tärkeää, että aikaparametrisuhteet Tm1/Tt1 ja Tm2/Tt2 ovat tietyllä vaihteluvälillä.

Kuviossa 3 kaavio esittää tehoasteen W/Wk ja impedanssisuhteen ZH/ZT välistä suhdetta, mainitun suhteen pä-20 tiessä sekä männälle 10 että poran kärjelle 11. Kuvion 3 esityksessä Tm/Tt * 0,5 ja β = 1, katso alla olevaa β:η määritelmää. Kuten kuviosta 3 voidaan havaita, W/Wk:n huippu on ZM/ZT:n välillä 3,0 - 5,5, edullisesti välillä 3,5 - 4,5. Mainitussa edullisessa välissä tehoaste W/Wk on 25 suurempi kuin 95 %. Korkein tehoaste W/Wk saavutetaan, kun ZM/ZT = 4.

Koska tehoasteella W/Wk on huippu, kun ZM/ZT = 4, voidaan päätellä, että teoreettisesti edullinen muotoilu on silloin, kun männän 10 ja poran kärjen 11 eri osilla 30 10a, 10b, 11a ja 11b on kullakin vakioimpedanssi Z aksiaa- lisuunnissaan. Myös osilla 10a ja 11a tulisi olla sama impedanssi ja osilla 10b ja 11b sama impedanssi. Kuitenkaan tämä ei todennäköisesti tapahdu käytännön suoritusmuodoissa, katso selitystä yllä. Sen vuoksi tulisi jälleen 35 painottaa, että impedansseilla ZM1, ZT1, ZT2 ja ZM2 ei tar- 5 97564 vitse olla vakioarvoja vaan ne voivat vaihdella vastaavien osien 10a, 10b, 11a ja 11b aksiaalisuunnissa vastaavasti. Ainoa rajoitus on, että suhteet ΖΜ1/Ζγ1 ja ZM2/ZT2 ovat patenttivaatimusten määrittelemillä väleillä.

5 Kuvion 4 kaavio esittää tehoasteen W/Wk ja aikasuh- teen Tm/Tt välistä suhdetta, mainitun suhteen pätiessä sekä männälle 10 että poran kärjelle 11. Esitetyssä kaaviossa kuviossa 4 ZM/ZT = 4 ja β « 1, katso β:η määritelmää jäljempänä. Kuten kuviosta 4 voidaan todeta, W/Wk:n huippu on 10 TM/TT:n välillä 0,35 - 0,75, edullisesti välillä 0,4 - 0,6. Mainitulla edullisella välillä tehoaste W/Wk on selvästi yli 90 %. Korkein tehoaste saavutetaan, kun Tm/Tt = 0,5. Siten paras mahdollinen esillä olevan keksinnön muotoilu on sellainen, että on yhtä suuri kuin TM2 ja TT1 on yhtä 15 suuri kuin TT2.

Käytettäessä tämän keksinnön mukaisia havaintoja jotka koskevat impedanssisuhdetta Z„/ZT ja aikasuhdetta Tm/Tt mitoitustyössä, on myös tarpeen ottaa käyttöön parametri nimeltä β. Mainittu parametri β * 21^^ / AT2ET2, missä 20 Lh = Lt2 + L^; k2 on kuviossa 2 esitetty vakio; AT2 on osan 11b poikkileikkauspinta-ala; ja ET2 on osan 11b Youngin kerroin.

Kuviossa 5 on esitetty tehoasteen W/Wk ja parametrin β välinen suhde. Kuviossa 5 esitetyssä kaaviossa ZM/ZT 25 = 4 ja Tm/Tt = 0,5. Kuviosta 5 voidaan havaita, että teho- aste W/Wk laskee β:η arvon kasvaessa. Sen vuoksi on tärkeää valita sekä oikeat yhteensopivat arvot LH:lle ja AT2:lle että materiaali, jolla on sopiva Youngin kerroin ET2. Käytännön syistä ei ole mahdollista antaa β:11ε liian pientä 30 arvoa, vaikkakin tehoaste W/Wk kasvaa β:η arvon pienentyessä.

Esillä olevan keksinnön hyvin tärkeä edullinen piirre on, että esillä olevan keksinnön mukaisen vasara-laitteen mäntä ja poran kärki eivät joudu alttiiksi mai-35 nitsemisen arvoisille vetojännityksille puristusaallon 6 97564 kalliota murskaavan työjakson aikana. Siten alkuperäinen puristusaalto voidaan heijastaa monta kertaa järjestelmässä kehittämättä mitään mainitsemisen arvoisia vetojänni-tysaaltoja. Kuviossa 6 on esitetty suurin positiivinen 5 (veto)jännitys ja suurin negatiivinen (puristus)jännitys kullekin männän 10 ja poran kärjen 11 poikkileikkaukselle. Kaaviossa esitetyt jännitykset ovat dimensiottomia, koska niitä verrataan vertausjännitykseen. Kuviosta 6 voidaan nähdä, että yleensä vain mäntä 10 on alttiina minkäänlai-10 sille vetojännityksille ja että sellaisten jännitysten arvo on mitätön. On huomautettava, että kun vetojännityk-set ovat melkein poissa esillä olevan keksinnön mukaisesta männästä ja poran kärjestä, mainituilla yksityiskohdilla on pitempi kestoikä kuin vastaavilla yksityiskohdilla ta-15 vanomaisessa uppovasarassa. Juuri vetojännitykset aiheuttavat sellaisten yksityiskohtien väsymisen.

Kuvioiden 3, 4, 5 ja 6 mukaiset kaaviot on esitetty käyttäen tietokoneohjelmaa, joka simuloi kallion iskupo-rausta. Kuitenkin tietokoneohjelmaa on käytetty vain to-20 distamaan esillä olevan keksinnön mukaisia teorioita, nimittäin männän 10 ja poran kärjen 11 vastakkaista muotoilua.

On huomautettava, että esillä oleva keksintö ei millään tavoin rajoitu uppovasaraan vaan sitä voidaan 25 käyttää esimerkiksi ns. iskumurskaimissa ja kovaa kalliota kaivavissa koneissa. Yleisesti ottaen keksintöä voidaan käyttää mäntä-porankärki-järjestelmässä, jossa mäntä vaikuttaa suoraan poran kärkeen. Myöskään ei ole mitään rajoituksia männän toimintamekanismille. Tämä tarkoittaa, 30 että sellainen toiminta voidaan saada aikaan esimerkiksi hydrauliväliaineena, ilmalla tai millä tahansa muulla sopivalla tavalla.

Myöskään keksintö ei rajoitu edellä kuvattuun suoritusmuotoon, vaan sitä voidaan vapaasti muunnella seuraa-35 vien patenttivaatimusten määrittämässä laajuudessa.

Claims (11)

1. Vasaralaite, edullisesti uppovasara, käsittäen 5 kotelon, männän (10), poran kärjen (11) ja välineet männän (10) aktivoimiseksi iskemään toistuvasti poran kärkeen (11) , tunnettu siitä, että männällä (10) ja poran kärjellä (11) on toistensa kanssa vastakkainen muotoilu impedanssin (Z) suhteen, siis männän (10) takapäässä on 10 osa (10a), jonka impedanssi on ZM1, mainitun osan (10a) vastatessa osaa (11a) poran kärjen (11) etupäässä, jolloin mainitulla osalla (11a) on impedanssi ZM2, ja että osalla (10b) männän (10) etupäässä on impedanssi Zn, mainitun osan (10b) vastatessa osaa (11b) poran kärjen (11) taka-15 päässä, jolloin mainitulla osalla (11b) on impedanssi ZT2, ja suhteet ZM1/ZT1 ja ZM2/ZT2 ovat välillä 3,0-5,5.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen vasaralaite, tunnettu siitä, että suhteet ΖΜ1/Ζγ1 ja ZM2/ZT2 ovat välillä 3,5 - 4,5, edullisesti arvossa 4.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen vasaralai te, tunnettu siitä, että männällä (10) ja poran kärjellä (11) on toistensa kanssa vastakkainen muotoilu aikaparametrin (T) suhteen, siis männän (10) takapään osalla (10a) on aikaparametri TM1, mainitun osan (10a) vas-25 tatessa osaa (11a) poran kärjen (11) etupäässä, jolloin mainitulla osalla (11a) on aikaparametri TM2; ja osalla (10b) männän (10) etupäässä on aikaparametri TT1, mainitun osan (10b) vastatessa osaa (11b) poran kärjen (11) takapäässä, jolloin mainitulla osalla (11b) on aikaparametri 30 Tt2, ja suhteet Tm1/Tt1 ja Tm2/Tt2 ovat välillä 0,35 - 0,75.

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen vasaralaite, tunnettu siitä, että suhteet Tm1/Tt1 ja Tm2/Tt2 ovat välillä 0,4 - 0,6, edullisesti arvossa 0,5.

5. Mäntä (10) käytettäväksi vasaralaitteessa, e-35 dullisesti uppovasarassa, joka edelleen käsittää kotelon, 8 97564 poran kärjen (11) ja välineet männän (10) aktivoimiseksi iskemään toistuvasti poran kärkeen (11), tunnettu siitä, että männän (10) takapään osalla (10a) on impedanssi ZM1, että männän (10) etupäässä on osa (10b), jonka im-5 pedanssi on ZT1, ja että suhde ZM1/ZT1 on välillä 3,0 - 5,5.

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen mäntä (10), tunnettu siitä, että suhde ZM1/ZT1 on välillä 3,5 -4,5, edullisesti arvossa 4.

7. Patenttivaatimuksen 5 tai 6 mukainen mäntä 10 (10), tunnettu siitä, että männän (10) takapään osalla (10a) on aikaparametri TM1, että männän (10) etu-pään osalla (10b) on aikaparametri TT1, ja että suhde TM1/TT1 on välillä 0,35 - 0,75.

7 97564

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen mäntä (10), 15 tunnettu siitä, että suhde Tm1/Tt1 on välillä 0,4 - 0,6, edullisesti arvossa 0,5.

9. Poran kärki (11), joka on tarkoitettu käytettäväksi vasaralaitteessa, edullisesti uppovasarassa, joka edelleen käsittää kotelon, männän (10) ja välineet männän 20 (10) aktivoimiseksi iskemään toistuvasti poran kärkeen (11), tunnettu siitä, että poran kärjen (11) etupäässä on osa (11a), jolla on impedanssi ZM2, että poran kärjen (11) takapäässä on osa (11b), jolla on impedanssi ZT2, ja että suhde ZM2/ZT2 on välillä 3,0 - 5,5.

10. Patenttivaatimuksen 9 mukainen poran kärki (11), tunnettu siitä, että suhde ZM2/ZT2 on välillä 3,5 - 4,5, edullisesti arvossa 4.

11. Patenttivaatimuksen 9 tai 10 mukainen poran kärki (11), tunnettu siitä, että poran kärjen 30 (11) takapään osalla (11a) on aikaparametri TM2, että po ran kärjen (11) etupään osalla (11b) on aikaparametri TT2, että suhde ΤΜ2/Τγ2 on välillä 0,35 - 0,75, edullisesti välillä 0,4 - 0,6 ja edullisimmin arvossa 0,5. 97564 9