JP2009521626A - 減衰装置及び該減衰装置を備える掘削機 - Google Patents

Abstract

掘削機に接続されたドリルストリングから反射する衝撃波を減衰する衝撃発生掘削機のハウジング内に挿差する減衰装置は、ドリルストリングに対し直接的に或いは間接的作用を有しまたドリルストリングの方向で加圧される第一の減衰ピストン（７）と、ハウジングに設けられた固定止め部材（１１）に対してドリルストリングに対峙する方向で加圧される第二の減衰ピストン（９）とに特徴付けられ、第一（７）及び第二の減衰ピストン（９）が特定の相対位置でドリルブッシング或いは軸アダプターによる共同減衰作用のために共動するよう構成される。本発明はまた掘削機に関わるものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、特許請求の範囲の請求項１の序文による減衰装置及び該減衰装置を備える掘削機に関するものである。

ドリルストリング及びその遠端部にドリルビットを有する削岩用の掘削機においては、ドリルストリングはドリルブッシングに対して掘削機と軸方向接触する、アダプターを通して掘削機に隣接している。回転手段を備えた従来公知の衝撃型削岩装置では、アダプターとドリルブッシングとの間の接触は、通常、アダプターの回転軸の軸端部に対するドリルブッシングの接触を通して達成されている。

ドリルストリングから離れた方向に向けられるドリルブッシングの端部に対して、いわゆる減衰ピストンが作用する。かかる減衰ピストンは、掘削機のハウジングからドリルブッシングに、さらにはアダプターを通り、ドリルストリングを通って、岩盤に対して接触するドリルビットへ、岩盤に対する送り力を移動させるように機能する。公知従来技術によれば、減衰ピストンは、チャンバー内の作動流体から成る流体圧／空気バネを通して予め負荷がかけられ、流体圧／空気圧アキュムレーターへの接続部を備えている。

ドリルストリングを通して打撃ピストンにより発生する衝撃波が、岩盤のインピーダンスに適合されない場合、結果として反射波がドリルストリングを通して戻される。反射波は、多くの場合、圧縮応力部分と共に引張応力部分を含んでいる。衝撃波力に関して岩盤が硬い場合、結果は一般に圧縮反射波であり、入ってくる衝撃波の大きさの２倍の振幅を有する。逆に、岩盤が軟らかい場合やドリルビットが岩盤との接触が悪い場合には、入ってくる衝撃波と同じ振幅を実質的に有する張力波が反射される。

圧縮反射波は、ドリルストリングからの方向でドリルブッシング及び減衰ピストンを押し、それによって作動油はアキュムレーター内に装填される。次いで圧力は、掘削機のハウジングにおける機械的な停止部材に対して、最初の位置まで減衰ピストン及びブッシングを押し戻す。このようにアキュムレーターにおける反発エネルギーは、弾性作用をもたらし、高い応力及び振動から掘削機を保護する。これによって掘削機の動作寿命は増大し、より大きな影響を与えることができる。

張力反射波は、旧式タイプの減衰システムでは直接取り扱うことができない。従って、岩盤における突然の空洞はドリルストリングを掘削機から少しの間分離させることになる。このことは結果として掘削に有効でなくなる。

いわゆる浮動減衰装置では、減衰チャンバーを通る一定の作動流体の流れが存在する。このような構成によれば、減衰ピストンがドリルストリングの方向で浮動位置を通過する場合、圧力は減衰装置で一時的に低減される。送り力は、ドリルストリングとのより優れた接触が得られるようにドリルストリングの方向で掘削機のハウジングの変位によって、浮動位置をさらに効果的にリセットできる。この種の構成の問題点は、作動液体の一定の流れを必要とすることによって引き起こされるエネルギー消費の増大である。

いわゆる単一減衰装置によれば、減衰ピストンは、掘削機のハウジングにおける固定端部止め部材に対して打撃装置の圧力に加圧されたボリュームの掘削方向において作動される。特に送り力が低い場合には、打撃が起こる前に減衰ピストンと軸アダプターとの間の接触は既に失われている。岩盤から反射した衝撃波エネルギーによって、減衰ピストンは掘削機のハウジングにおいて後方への速度を受けて、その後、前方へシフトし、軸アダプター及びその端部止め部材に対して本質的に同じ速度で打撃することになる。またこの動きの間に、ドリルストリングへ送り力が伝達されず、それにより回転抵抗がなくなる。

単一減衰装置の変形例では、減衰ピストンは一定の油の流れによって決定される浮動位置の周囲で平衡が保たれる。この解決策は、効果を大きく犠牲にして、減衰ピストンが岩盤に強く接触するために軸アダプターに追従させることができる。

いわゆる二重減衰装置においては、減衰装置は２つの加圧された領域を有する。これらの領域の１つは、閉じ込められたボリューム内に存在し、絞り減衰装置として作用し、また絞りスロットを通って通過する際、特定の量の反射エネルギーを作動油における熱に変換する。さらに二重減衰装置は、浮動位置の周囲で浮動させることができる。

背景技術としては、ＥＰ０８５６６５７Ａ１及びＷＯ２００４０６０６１７Ａ１に記載のものを挙げることができる。

概して、背景技術による減衰システムにおいては、迅速な反応及び優れたエネルギー吸収作用は特定のエネルギー消費を犠牲にして得ることができた。しかし、省エネルギー型の減衰装置においては、結果として減衰ピストンとアダプターとの間の接触なしの期間が比較的長い緩慢なシステムとなり、相当な期間中、送り力が掘削鋼に伝達されないことになり、それによって、ドリルストリングにおいて接合部の緊締が生じることがなく、且つ有効でない掘削となってしまう。

本発明の目的は、背景技術の問題点を解決する或いは少なくとも低減する減衰装置を提供することにある。特に、本発明はエネルギーの節約と共に動作の速い減衰装置を提供することにある。

この目的は、請求項１の特徴とする部分に従って上述の種類の減衰装置で達成される。

これよって、第一の減衰ピストンの前進位置で、掘削機のハウジングにおける送り力が、この第一の減衰ピストンを第二の減衰ピストンの方向で後方へ押圧できるように、第一の減衰ピストンを寸法決めすることができる。第一の減衰ピストンの機能は、必要に応じて、ドリルビットの岩盤接触を得るために前方へドリルストリングを追従させることにある。これにより掘削機と接触し、そしてより優れた接合部の緊締等がもたらされる。

第二の減衰ピストンは、原理的には、従来の単一減衰装置のように動作する。第二の減衰ピストンは、後退位置まで第一の減衰ピストンを押すような力をもつ岩盤から反射される有害な衝撃波に対して、掘削機を保護する機能を備え、第一及び第二の両方の減衰ピストンはドリルストリングに力を作用させる。さらに、より優れた衝撃掘削機の動力に寄与する規定された打撃位置を実現する機能を備えている。

従って、非常に多くの利点を得られる、すなわち、掘削機は反射衝撃波から効果的に保護される。かかるシステムは、掘削機が速くドリルストリングを追従させることができるよう迅速に動作することができ、また特にアダプターは、接合部の優れた緊締を実現するために前方へ送られる。明確な打撃位置のほとんどが掘削機のために画定されると共に、減衰装置のエネルギー消費量は低減される。

このように、第二の減衰ピストンは、ハウジングに固定されて設けられる止め部材に対してドリルストリングに対峙した方向に加圧するように構成される一方で、第一の減衰ピストンは、単独でドリルストリングに力を作用できる、ドリルストリングの方向に見て前進位置と、後退位置との間で移動可能であり、ドリルストリングに対して共に力を働かせるために、第二の減衰ピストンと共動することができる。特に第二の減衰ピストン及び第一の減衰ピストンは、ドリルブッシング及び／又は軸アダプターを介してドリルストリングに対して直接的に或いは間接的に作用するよう構成されている。これによってドリルブッシング及び／又は軸アダプターが、第二の減衰ピストンと接触するようになる位置にドリスストリングによってドリルブッシング及び／又は軸アダプターが押されて、固定止め部材に対して押圧するまで、第一の減衰ピストンは、第二の減衰ピストンの接触面を通過してその接触面と共に軸方向に動くことができ、且つ、より小さな力でその減衰作用を及ぼすことができることから、望ましい「タンデム」効果が達成されるという利点を有する。さらにドリルストリングからの方向でドリルブッシング及び／又は軸アダプターの動作においても、２つの減衰ピストンによる減衰共動が生じるであろう。

本発明による同心円上に位置決めされた減衰ピストンの場合においては、掘削機全体の構成を比較的短く作ることができるという点で、軸方向に空間節約の利点が得られる。また本発明による構成によれば、上述の連続した油の流れを必要としないことから、本発明による減衰装置は少しの電力も消費するものではないようにできる。

本発明の好ましい実施形態によれば、上記第一及び第二の減衰ピストンの少なくとも１つは、反射してくるエネルギーを吸収する絞り減衰部分を備えている。これによって、本発明による別の有利な減衰機能が得られる。特に、第一の減衰ピストンには、大きな反射衝撃波を調節して減衰する上記絞り減衰部分を設けるのが好ましい。

相応した利点は、このような減衰装置を備える掘削機で得られる。さらなる特徴及び利点は、特許請求の範囲から結果として得られ、以下に説明される。

本発明は、実施形態により及び添付図面を参照にしてよりさらに説明される。

図１は、ハウジングの一部分２を包含する衝撃掘削機の詳細１を示している。衝撃ピストン３はそれ自体公知の仕方で前後に移動可能である。上記衝撃ピストン３は、図示されていないドリルストリング構成要素及び最も遠端の図示されていないドリルビットに接続される軸アダプター４の上方端部に対して打撃することにより作用する。

打撃を受ける端部面の半径方向外側の表面に、上記軸アダプター４はドリルブッシング５に対する接触面を備えている。そしてその他方端部において減衰装置６により作動される。

本発明によれば減衰装置６は、上記ドリルブッシング５に対して直接接触し、また減衰ボリューム（または減衰チャンバー）１２の内側に位置決めされた圧力面Ｔ１を有する第一の減衰ピストン７を備えている。減衰ボリューム１２は、圧力源Ｐ及び油圧／空気アキュムレーターＡ１と関連して作動油チャネル１４の上にあって、そこを通して作動油チャネル１４及び減衰ボリューム１２の内側で、減衰する圧力Ｐ_ｄ１が維持される。別の実施形態では、少なくともアキュムレーターＡ１は省略される。

第一の減衰ピストン７の半径方向外側には、減衰ボリューム（または減衰チャンバー）１２の内側に配置され、圧力面Ｔ１よりも大きいた圧力面Ｔ２を有する第二の減衰ピストン９が設けられている。

典型的には、作動油チャネル１４における圧力は、衝撃装置の作動圧力、或いは少なくとも比較的高い圧力である。ボリューム１２は、好ましくはこのようにして衝撃装置の送りチャネルに接続することができる。

第二の減衰ピストンは、その端部停止部材に対して大きな力で押すことができる。しかし、第一の減衰ピストンでは、圧力領域Ｔ２よりも圧力領域Ｔ１が小さいために、より小さな力で作用する。

代わりとして、圧力面Ｔ１及びＴ２は、種々の分離した減衰ボリューム（示されていない）で受けることができる。それによって、これらの減衰ボリュームのそれぞれは、作動油チャネルで、圧力源及びおそらくは油圧／空気アキュムレーターと連通している。分離した減衰ボリュームを使用する際は、好ましくは衝撃装置の作動圧力のような比較的高い圧力が第二の減衰ピストン９に作用する一方で、比較的低い第二の減衰する圧力Ｐ_ｄ２が、第一の減衰ピストン７に作用するよう構成されている。しかしまた分離した減衰ボリュームの場合には、同様の圧力によって減衰ピストンの両方を作動することができる。

符号番号１１は、掘削機ハウジングでアダプター４に対峙する方向で第二の減衰ピストン９のために軸上に固定端部止め部材を包含するハウジング２に配置された固定止め部材を表している。

このように、本発明による減衰ピストン６による機能は、原理上、従来の単一減衰装置として作動するということにある。従って、この端部止め部材に対して減衰ボリューム１２に働く圧力を介して大きな力により押される。よって、一方では、第一の減衰ピストンが後退位置まで押される際には、岩盤から反射される有害な衝撃波から機械を保護する機能を満たすことができ、もう一方で、掘削機の衝撃装置のための明確な打撃位置を達成することができる。

第一の減衰ピストン７は、第二の減衰ピストン９がドリルブッシング５に対して接触するようになるまで、それは、減衰ボリュームＴ１の領域或いは圧力の規模を必要な大きさにすることによって選択された力で作動され、動作中掘削機ハウジングの送り力が後者を前方に押し、それによって掘削機のハウジングに関して第一の減衰ピストン７を後方に押す能力を有するような圧力によって減衰ボリューム１２で加圧される。これが図１で示された位置である。

図１の位置を通過してドリルブッシングが軸上で右に動作すると、上述のように減衰共動は第一の減衰ピストン７及び第二の減衰ピストン９の両方で行われる。

第一の減衰ピストンの仕事は、ドリルストリングにおける優れた接合部の緊締を達成するように、その構成要素との接触を維持するために、必要に応じて、前方へ素早く軸アダプターを追従させることにある。

本発明による構成の優れた利点は、本発明による減衰装置６が、連続した油の流れを必要とせず、従って相応した電力もまったく消費することがない。

本発明によれば、従来技術の欠点を取り除く或いは低減する減衰システムが得られる。また同時に以下の利点をもたらす：掘削機は岩盤から反射される衝撃波から保護される。システムは、必要な際に軸アダプターの後方から前方に素早く追従し、効果的な接合部の緊締の可能性を保する。システムは、実質的に明確な打撃位置を有するのを可能にし、また電力を節約する。

前進位置は、第一の減衰ピストンが、図１で示された位置から掘削機方向に変移したところであり、単独でドリルストリングに対して力を及ぼすことができる。後退位置は、第一の減衰ピストンが、図１で示された位置から掘削機方向に相反して変移したところであり、第一及び第二の減衰ピストンが、相互にドリルストリングに対し力を働かせることができる。

図面による実施形態においては、第一の減衰ピストン７は、外側に配置されたステップ１３を有し、関連した減衰ボリューム１５でエネルギー吸収のために絞り減衰部分を形成するために用いられる。これは随意の構成である。本発明によればこのようなケースは可能であるが、上記絞り減衰部分は図中省略されている。

また随意の構成によれば、変換後の反射衝撃波エネルギーからの熱を冷却するために、この部分は、作動油の流量の形態で共通チャネル１４を介して少量の漏出流量を送ることができ、近接した構成要素に対して適切に必要な大きさにされた溝を通り、そして最終的に関連部分を冷却する漏出チャネル１９及び２０を通って漏出するのを許容する。漏出流量は、一方で減衰ピストン間の、また減衰ピストンとハウジングインサート１８との間の、小さな溝を通ることができる。

図１に示された重要な特徴は、減衰ピストンがドリルブッシング５に対し直接的に作用し、且つ、さらにそれらの作動領域において相互に独立していることである。これは、減衰ピストンが、減衰作動中相互に干渉することがない、ということを意味している。望ましい「縦連結」効果は、ドリルブッシングが、第二の減衰ピストンに再度接触するようになる図１に示された位置にドリルストリングによってドリルブッシングが押されて固定止め部材１１を押すまで、第一の減衰ピストン７は、第二の減衰ピストン９の接触面１７を通過してその接触面１６と共に軸方向に動くことができ、且つ、より小さな力でその減衰効果を及ぼすことができることで達成される。さらにドリルストリングからの方向でドリルブッシングの動作によって、減衰協力は２つの減衰ピストンによってもたらされるであろう。

本発明は、以下の特許請求の範囲内で変更される余地を与えないというのではない。よって包含される構成要素は、例えば２つの第一及び第二の減衰ピストンのそれぞれがエネルギー吸収のために絞り減衰部分を備えるように種々に構成することができる。さらに減衰ピストンの変形例では、例えば第一の減衰ピストンは第二の減衰ピストンを完全に或いは部分的に周囲することを予見することができる。

ピストン手段及びボリュームの実効領域は、手元のアプリケーションに及んでいる要件に適応される。よって掘削機の種々の部品の物理的な寸法、圧力レベル等その他のパラメーターを考慮する。

本発明は、前後に移動可能な衝撃ピストンを有する衝撃装置の形態で衝撃発生ユニットの従来技術について説明してきた。しかしながら、本発明はまた、例えば、金属製ロッドなどの構成要素を予め負荷し急激に開放する変換手段を備えて、圧力下で非常に急速にチャンバー内に液体を導入する方法等の種々の方法で、ドリルストリングに衝撃を発生させる非ピストン衝撃機などの他の形態の衝撃発生装置を包含する掘削機にも適応可能である。

本発明による掘削機の実施形態の詳細を示す軸方向の概略断面図。

Claims (12)

1. 衝撃発生型掘削機に接続されるドリルストリングからの衝撃反射波を減衰し、ドリルストリングに対し直接的或いは間接的に作用しかつドリルストリングの方向に圧力を加える第一の減衰ピストン（７）を包含する衝撃発生型掘削機のハウジング内に挿置される減衰装置において、
   ハウジング内に設けた固定止め部材（１１）に対しドリルストリングに対峙する方向に圧力を加える第二の減衰ピストン（９）が設けられ、
   第一の減衰ピストン（７）が、ドリルストリングの方向に見られる前進位置の間で移動可能であり、
   単独でドリルストリング及び後退位置に対して力を働かせることができ、
   ドリルストリングに対し相互に力を働かせるために第二の減衰ピストン（９）と共動でき、
   さらに第一の減衰ピストン（７）及び第二の減衰ピストン（９）が、ドリルブッシング（５）及び／又は軸アダプター（４）を越えてドリスストリングに対して直接的に或いは間接的に作用するようにされること
   を特徴とする減衰装置。
2. 第一の減衰ピストン（７）及び第二の減衰ピストン（９）は、一方が他方を少なくとも部分的に周囲するよう構成されていることを特徴とする請求項１に記載の減衰装置。
3. 第一の減衰ピストン（７）及び第二の減衰ピストン（９）のうちの少なくとも一方が、エネルギー吸収用絞り減衰部分（１３、１５）を備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の減衰装置。
4. 作動中、加えられた圧力から発生して第一の減衰ピストン（７）に作用する力が、圧力から発生して第二の減衰ピストン（９）に作用する力よりも小さくなるようにしたことを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の減衰装置。
5. 圧力を加えるようにした第一の減衰ピストンにおける圧力面（Ｔ１）の面積が、圧力を加えるようにした第二の減衰ピストンにおける圧力面（Ｔ２）の面積よりも小さいことを特徴とする請求項４に記載の減衰装置。
6. 上記圧力面（Ｔ１）及び上記圧力面（Ｔ２）が、１つの共通のチャンバーに位置決めされていることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の減衰装置。
7. 上記圧力面（Ｔ１）及び上記圧力面（Ｔ２）が、各々別々のチャンバーに位置決めされていることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の減衰装置。
8. 使用した流体圧媒体が、衝撃発生ユニットから減衰装置に送られることを特徴とする請求項１〜７の何れか一項に記載の減衰装置。
9. 減衰ピストンの案内部材が、少量の冷却用漏れ流を許す小さなスロットで構成されることを特徴とする請求項１〜８の何れか一項に記載の減衰装置。
10. 上記減衰ピストンが、それらの作動領域で相互に独立していることを特徴とする請求項１〜９の何れか一項に記載の減衰装置。
11. 請求項１〜１０の何れか一項に記載の減衰装置を包含する、ハウジング内部に衝撃発生ユニットを備える掘削機。
12. 衝撃発生ユニットが、前後に移動可能な衝撃ピストンを包含する請求項１１に記載の削岩機。

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