JP2011507709A - 脈動発生装置及びかかる装置を備えた削岩装置 - Google Patents

脈動発生装置及びかかる装置を備えた削岩装置 Download PDF

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Abstract

本発明は、ツールに衝撃波を誘起する脈動発生装置に関し、該脈動発生装置はツールに接続した削岩ストリング(202)にエネルギーを伝達する衝撃手段(201;301)を有し、エネルギー伝達により衝撃波を発生し、エネルギーは主として衝撃手段(201;301)及び/又はエネルギー蓄積装置に蓄積された弾性エネルギーで構成される。また本装置は、衝撃手段(201;301)と削岩ストリング(202)との相互作用を制御する制御手段を有し、衝撃手段(201;301)と削岩ストリング(202)との相互作用を制御する制御手段はモータ(207;307)を備え、モータ(207;307)は、回転を通して、衝撃手段(201;301)に作用する少なくとも一つの駆動面(205)を加圧及び滅圧するための通路を交互に開放するように構成される。本発明は、モータ(207;307)の回転軸線が削岩ストリング(202)とほぼ同軸に配置されることを特徴としている。
【選択図】 図2A

Description

本発明は、例えば岩盤のような物質に穿孔する際に用いられる脈動発生装置に関するものである。さらに特に、本発明は特許請求の範囲の請求項1に記載の脈動発生装置に関する。本発明はまた特許請求の範囲の請求項16に記載の削岩装置に関する。
削岩において、一つ以上の削岩ストリング構成要素によって削岩装置に接続される削岩ツールがしばしば用いられる。削岩は種々の仕方で行うことができ、通常用いられる方法は衝撃(打撃)削岩であり、往復動ピストンによって衝撃を発生するのに脈動発生装置すなわち衝撃装置が用いられる。衝撃ピストンは、通常、削岩シャンクを介して削岩ストリングに運動エネルギーを伝達することにより、衝撃波を発生するように削岩ストリングを打撃し、発生した衝撃波は、削岩ストリングを介して削岩ツールにそして削岩ツールから岩盤に伝播されて衝撃波のエネルギーが解放される。
衝撃ピストンは、通常、削岩ストリングの長手方向に衝撃ピストンに作用する駆動面の加圧及び減圧によって駆動され、加圧は通常、液圧的に及び/又は空気圧的に作動する手段によって実現されている。
しかし、削岩シャンク/削岩ストリングへの衝撃ピストンの運動エネルギーの伝達によって衝撃波を発生するこの種の脈動発生装置は、少なくともある特定の動作条件の下では、衝撃ピストンの往復運動で発生した運動エネルギーが脈動発生装置及び/又は削岩ストリング及び/又はツールに望ましくない負の効果を生じさせるような望ましくない副作用をもたらし得る。
また、往復動ピストンから放出された運動エネルギーで衝撃波エネルギーを発生する代わりに、衝撃手段から及び/又は衝撃手段を介してエネルギー蓄積部から削岩ストリングに伝達される蓄積した弾性エネルギーを放出することで衝撃波エネルギーを発生する、別の形式の脈動発生装置がある。この場合、単に極めて小さな動きで実行され、すなわち伝達される運動エネルギーは、伝達された弾性エネルギーより実質的に小さい。
先行技術によれば、かかる解決法では、削岩作用の有効性を維持するために、衝撃波を比較的高い頻度で発生することによって低い衝撃波エネルギーを補償する従来の衝撃ピストンと比較して低いエネルギーの衝撃波が発生する。
しかし、このような脈動発生装置の一つの問題点は、所望の削岩効果を得るのに必要な実質的に高い衝撃波振動が、かかる衝撃波を発生時に衝撃手段に作用する駆動面に対する通路(ダクト)を開閉する機構を必要とすることにある。
特許文献1には、この種の脈動発生装置の一例が示されており、衝撃手段に作用する駆動面に対する通路の高速開閉を達成するのに回転制御弁が用いられている。しかし、示された解決法では、制御弁を駆動するのに駆動モータが必要であり、この駆動モータの直径のために脈動発生装置の直径を大きくする必要があるという欠点がある。さらに、これは、特に高い回転振動が望ましい場合に、制御弁と駆動モータとの回転速度の差を大きくすれば所望の駆動モータ速度(弁速度)と成り得るが、設計上の理由で達成できないので、制御弁と駆動モータとの回転速度の差が大きくなり過ぎないように駆動モータの直径を特定しなければならないことによって悪化される。
例えば、トンネル掘削では、所望の削岩機直径は、削岩機直径が大きいと、トンネルを通して一定の直径を維持できるようにするためには不必要に大量の物質を掘削現場取り除かなければならないので、大きな欠点である。大量の物質を取り除くことは、また、例えば掘削作業に続いて比較的な大きな容積をコンクリートで充填しなければならないことを意味している。
従って、高い振動動作用に設計した削岩機用の改良型の駆動機構が必要である。
WO2004/073933
本発明の目的の最も重要な特徴
本発明の一つの目的は、上記の問題を解決し又は少なくとも軽減する脈動発生装置を提供することにある。この目的は、本発明によれば特許請求の範囲の請求項1に記載した装置によって達成される。
本発明によれば、ツールに接続した削岩ストリングにエネルギーを伝達する衝撃手段を有し、エネルギー伝達により衝撃波を発生し、エネルギーを主として衝撃手段及び/又はエネルギー蓄積部に蓄積された弾性エネルギーで構成される、ツールに衝撃波を誘起する脈動発生装置が提供される。本装置は、衝撃手段と削岩ストリングとの相互作用を制御する制御手段を有し、衝撃手段と削岩ストリングとの相互作用を制御する制御手段はモータを備え、またモータは、回転を通して、衝撃手段に作用する少なくとも一つの駆動面を加圧及び滅圧するために通路を交互に開放するように構成されている。本発明は、モータの回転軸線が削岩ストリングとほぼ同軸に配置されることを特徴としている。
このように、モータの回転軸線を削岩ストリングとほぼ同軸に配置構成することにより、モータに対して軸線方向にオフセットされる弁を駆動するのにこのモータを使用できるという利点が得られ、これにより、脈動発生装置の外径を先行技術による解決法と比較して実質的に小さく保つことができるようになる。このことはまた、モータの回転速度を十分に利用することができ、このことは弾性エネルギーの形態でエネルギーを伝達し、従って実質的に高い衝撃波振動の要求される脈動発生装置の駆動において非常に有利であるという利点をもたらす。
本発明はツールから衝撃手段に向う方向に作用する圧力室を有する脈動発生装置に対しいて特に有利であり、モータは、回転によって圧力室の加圧及び滅圧のために通路を交互に開閉するように構成される。このような解決法においては、弁及びモータの両方は、衝撃手段の駆動面から見て“下流に”すなわちツールの方向に配列されるべきであり、或いは恐らく配列されなければならないので、かかる場合に、本発明によれば、削岩機のその他の設計に関する制限事項に対する境界から逸脱させる必要なしに、そしてさらに削岩機の外径を最小化する観点で歯車減速なしに、比較的大径までのモータを用いることができる。本発明は、従って、余剰の岩石の発生を相当に増加させることなく、幾つかの形式の削岩機で高い振動で削岩を実施することができるようになる。
本発明はまた削岩装置に関する。
例えばトンネル掘削における掘削した物質の量における削岩機の直径の影響を概略的に示す図。 例えばトンネル掘削における掘削した物質の量における削岩機の直径の影響を概略的に示す図。 本発明による脈動発生装置の第1の実施形態を示す図。 本発明による脈動発生装置の第1の実施形態を示す図。 図2A及び図2Bに示す実施形態用の弁ディスク、モータ弁及びワッシャを示す図。 図2A及び図2Bに示す実施形態用の弁ディスク、モータ弁及びワッシャを示す図。 図2A及び図2Bに示す実施形態用の弁ディスク、モータ弁及びワッシャを示す図。 本発明の別の実施形態を示す図。
上述のように、削岩機の直径は、例えばトンネル掘削においては重要なパラメータを成している。これを図1A及び図1Bに示し、図1Aには掘削機100を背面図で概略的に示している。トンネル掘削においては、距離dは、規則的な直径のトンネルが得られるように削岩を実施しなければならない岩盤内への方向を制御するので、非常に重要である。
これを図1Bに例示し、トンネルの所望の直径はαで示され、実際の掘削はのこぎり波パターン101として示され、距離βは、削岩機の直径で本質的に調整される。削岩機の直径が小さければ小さいほど、掘削において使用され得る所望のトンネル周囲部に対して角度成した偏倚γは小さくなり、その結果、距離βは減少することになり、例えばコンクリートライニング作業においてその後の再充填のために取り除かなければならない余剰の物質構成要素(斜線で示す)は少なくなる。
図2A及び図2Bには脈動発生装置200を示し、この脈動発生装置200は、削岩装置のような掘削装置に有利に使用でき、例えば特許文献1に示す形式の機械における削岩機の直径を小さくできる。動作中、脈動発生装置200は、図面に202で示す一つ以上の削岩ストリング構成要素から成る削岩ストリングによって削岩バイトのような削岩ツール(図示していない)に接続される。掘削動作中、衝撃波の形態のエネルギーは衝撃手段201を介して削岩ストリング202に伝達される。図示装置200では、衝撃波を発生するのに用いられる往復動ピストンはなく、代わりに脈動ピストン201の形態の引張可能な衝撃手段が設けられている。
衝撃波エネルギーを、従来の衝撃ピストンからの主に運動エネルギーの代わりに弾性エネルギーの形態で伝達する装置は、多数の種々の作動原理に従って利用でき、図2A及び図2Bに示す原理では、脈動ピストン201は、室204のような空間に対して脈動ピストン201を引張することによってツールから離れて面している装置の端部203に対して引張され、該空間には例えば加圧流体を満たすことができ、室204の方向に作用する駆動面205は、室204の内容物を圧搾するように加圧され、そして駆動面205に作用する圧力は急激に低下し、脈動ピストン201を削岩ストリング202に向って僅かに動かして、室204における引張力の増大時に、蓄積された弾性エネルギーを解放させるようにしている。
弾性エネルギーの蓄積は多くの異なった仕方で達成され得る。例えば、上記のように室の内容物の圧搾は別として男性エネルギーの蓄積は、駆動面205の加圧により脈動ピストンを圧搾し、こうしてエネルギーを蓄積することによって達成でき、蓄積したエネルギーは、圧力を解放する際に、脈動ピストンが元の形状に回復するようにすることによって解放される。
一つの例示実施形態では、室204は、代わりに、ある種類の弾性材料によって構成され、駆動面205の加圧時に圧搾されて、駆動面205における圧力が解放されると、元の形状に回復し、蓄積したエネルギーを脈動の形態で、脈動ピストンを介してツールに解放するようにする。別の例示実施形態では、上記の方法の二つ以上を組み合わせて使用することができる。
上述のように、各衝撃波で解放されるエネルギー量は、従来の衝撃ピストンを備えた装置に比較して図2A及び図2Bに示す形式の装置では実質的に少なく、伝達されるエネルギー量は主に運動エネルギーで構成され、このために、脈動ピストン201は、単位時間当たり同じ総エネルギーをツールに伝達させるには、従来の衝撃ピストンに比較して相当実質的に高い振動数で作動しなければならない。例として、従来型の往復動衝撃ピストンの典型的な作動振動数は50〜60Hzであり、図2A及び図2Bに示す形式の脈動ピストンは数百Hzの振動数又は1kHz以上或いはさらに高い振動数で作動すべきであると記述できる。
この実質的に高い振動数は、脈動ピストンの駆動面205を加圧/滅圧するのに使用した圧力室206の加圧/滅圧のために通路を開閉する機構を必要とする。これを達成する一つの方法は、特許文献1に記載されたように回転弁を用いることにある。しかし、特許文献1に属する図面に示されるように、この弁は、モータを介して駆動され、このモータは歯車カップリングを介して回転弁を駆動する。所望の脈動ピストン振動数を達成できるようにするために、回転弁は高い振動数で回転しなければならず、このことは、少なくとも回転弁の直径より直径の小さいモータが使用されることになる場合には、モータを一層高い振動数で回転させなければならない。所与負荷に対して達成され得る最大回転速度に影響を及ぼす設計上の制限が存在するので、実際には、駆動モータは、恐らく図1A及び図1Bに示す望ましくない影響につながる弁の直径の半分又はそれ以上の大きさの高い振動数の場合には、必ずある特定の直径でなければならないことを意味している。
本発明によれば、先行技術に比較して実質的に小さな直径をもつが、なお室206の加圧/滅圧のための通路を同じ又は高い振動数で開閉できる削岩機が提供される。本発明によれば、この開閉は、脈動ピストン201と同心のモータによって達成され、図2A及び図2Bにおいて該モータは軸方向ピストンモータ207によって構成される。図2A及び図2Bに示すモータ207は、ベベルディスク208及び多数の軸方向ピストン222を備え、多数の軸方向ピストン222は非回転モータ弁210(図3Bに詳細に示す)を介しての加圧/滅圧を通して、通路211を介して加圧され、或いは通路212を介して滅圧され、モータ207を回転させるようにしている。
軸方向ピストンモータ207の軸方向ピストン222に対するベベルディスク208は、削岩機のハウジング213に対して回転方向にロックされる。同様に、モータ弁は、この場合、圧力伝達部材214に対して回転方向にロックされ、圧力伝達部材214は回転方向において削岩機のハウジング213に対してロックされるが、削岩機のハウジング213に対して軸線方向には可動である。
この例では、圧力伝達部材214は、脈動ピストン201の加圧及び滅圧用の通路220、221間の装置の圧力密封特性を改善する観点で、二つの異なる直径(例えば214a、214b)で構成されるようにして実現される。しかし、本発明は、多数の異なる直径をもつ圧力伝達部材に限定されず、適当であれば一様な直径をもつ圧力伝達部材も使用され得る。モータ207(モータドラム)は中空軸215に固着して接続され、中空軸215は脈動ピストン201の周囲を取巻いている。中空軸215は、モータ207から離れた端部において、例えば、スプラインカップリング又はその他の適当なカップリング223によって、弁ディスク216の形態の第1弁部分に接続され、それの例示実施形態を図3Aに示す。図3Aに示すように、弁ディスク216は一組の内方孔217と一組の外方孔218とを備えている。一組の外方孔218は、一組の内方孔217に対して角度を成してオフセットした周囲方向にある。動作中回転する弁ディスク216は、例えば相応した弁ディスクすなわちワッシャ219のような、機械のハウジングに固着して接続した第2弁部分に対して逆方向にのびているが、ワッシャ219において、一組の外方孔は、一組の内方孔と半径方向に整列してすなわち周囲方向において角度を成してオフセットせずに配置されている(図3C)。
このようにして、弁ディスク216及びワッシャ219における一組の内方孔及び一組の外方孔は、動作中に交互に合致し、すなわち室206に対する通路は、一組の外方孔218を介してか又は一組の内方孔217を介して交互に開放される。一組の孔、この実施形態では一組の内方孔217は、通路220を介して室206を加圧するのに用いられ、一組の外方孔はこの例では通路221を介して室206を排出−滅圧するために用いられる。
従って、モータによって行われる各回転中に、図示装置は、室206を四回加圧及び滅圧し、それで脈動ピストン201の脈動振動数はモータ207の回転振動数の四倍となる。図示装置は、削岩機(衝撃装置)の外径を特許文献1に示す装置と比較して実質的に小さく保つことができ、同時に、脈動ピストンの直径のような削岩機の他の設計上の制限などに対する境界から逸脱することなしに、相対的に大きな直径までのモータを使用できるという大きな利点をもっている。さらに、モータの回転速度の全域を利用することができ、すなわち、削岩機の外径を最小化するために、いかなる歯車減速も必要でない。これにより、例えばトンネル掘削において従来の衝撃ピストン解決法と比較して取り除く必要のある余剰の掘削物質の発生を相当に増加させることなく、掘削を高い振動数で実施できるという利点が得られる。
図2A及び図2Bに示す実施形態はまた別の複数の利点をもたらす。これらの利点の一つは、図2Bに例示されるモータピストン222の戻り通路212は室206の戻り通路に通じ、それにより衝撃装置を単一の共通戻り通路221で構成することができる。図示実施形態ではさらに、圧力伝達部材214が機械のハウジングに対して回転方向にロックされるので、回転部分と非回転部分との間で半径方向における流体の伝達が生じないという利点がもたらされる。
図2A及び図2Bに示す実施形態はまた別の重要な利点をもたらす。圧力伝達部材214及び従ってモータ弁210がモータハウジング207及び従って中空軸215及び弁ディスク216と共に、機械のハウジング213に対して軸線方向に可動であることは、モータハウジング207とモータ弁210との間、又は弁ディスク216と圧力伝達部材214又はワッシャ219との間のようなそれぞれ回転面と非回転面との間の適当な密封が、モータの駆動用のそれぞれの流体圧力又は脈動ピストンの駆動圧力(通路220を介しての)によって都合よく達成され得ることを意味している。すなわち、密封作用は、種々の部分を相互に支持している圧力に依存しかつ該圧力で制御され得、そして該圧力は、それぞれの圧力供給のための圧力レベルによって制御される。
好ましくは構築段階中に、圧力を適当なレベルに調整することによって、それぞれの支持面における漏れを制御することでそれぞれの支持面において所望の潤滑を得ることができる。従って、図2A及び図2Bに示す実施形態は、非常に有利な駆動機構を構成し、この非常に有利な駆動機構は、ツール及び脈動ピストンの駆動面の間に駆動機構を設ける必要のある脈動発生装置に用いるのに特に適している。
図4には、本発明の別の実施形態が示され、図2A及び図2Bに実施形態と同様に、相応して作動する脈動ピストン301及び脈動ピストンの駆動機構を有し、この場合も脈動ピストンは軸線方向ピストンモータ307によって駆動され、軸線方向ピストンモータ307は上述のようにベベルディスク308によって回転設定される。
しかし、この実施形態による装置300は図2A及び図2Bに示す実施形態と異なり、この場合には、圧力伝達部材314は動作中、回転するように構成される。すなわち、この例では、中空軸だけでなく圧力伝達部材314の全体もモータ307によって回転駆動される。このことはさらに、この実施形態では、図1A及び図1Bに示す弁ディスクが圧力伝達部材314の一体部分を構成していることを意味している。これは、例えば圧力伝達部材314によって達成でき、圧力伝達部材314はモータ307から離れた端部において、例えば図3Aに示す弁ディスク216と同様な横断面が得られるように通路が形成され、この場合には、回転を通して上記の第1弁部分(弁ディスク216)に相応した仕方で圧力伝達部材が上記の弁ディスク219に相応した弁ディスクのような機械のハウジングとロックされる第2弁部分と共動する際に、図2A及び図2Bに示す動作に相応した動作が得られる。
図4に示す実施形態では、回転方向において互いにロックされる部材間で半径方向の圧力伝達が生じる図2A及び図2Bにおける解決法で得られた利点は得られず、すなわち、図2A及び図2Bにおいては、圧力伝達部材214は回転方向において機械のハウジングにロックされる。これに対して、図4では、圧力伝達は、回転圧力伝達部材と機械のハウジングとの間の半径方向のカップリングを介して生じる。しかし、図4に示す実施形態では、それぞれの弁部分間の圧力伝達は軸線方向に実現され続ける。
本発明はまた、圧力室における圧力降下の過程を調整する制御手段を備えた脈動発生装置と共に用いることができる。例えば戻り通路221における絞り弁によって圧力降下の過程を制御することによって、衝撃波の形状を制御できる。かかる制御システムの例はWO2006/126932特許明細書に示されている。
本発明はまた、ツールと衝撃手段との相互作用が少なくとも部分的にツール/ロック
における反射エネルギーに基いて調整される解決法で用いることができ、かかる反射エネルギーは削岩ストリングを介して削岩機に戻される。このような解決法の例はWO2006/126933特許明細書に示されている。
上記の記載では、特殊な形式の脈動発生装置すなわちツールから離れる方向に作用する圧力室を用いて加圧を介して弾性エネルギーを蓄積し、そして滅圧を介して弾性エネルギーを解放するようにした脈動発生装置について説明してきた。それでも、本発明は、例えば上記の特許明細書に示された脈動発生装置のような、主として弾性エネルギーの形態で衝撃波を伝達する他の形式の脈動発生装置に用いるのにも適している。
200;300:脈動発生装置
201;301:衝撃手段
202:削岩ストリング
205:駆動面
207;307:モータ

Claims (16)

  1. ツールに接続した削岩ストリング(202)にエネルギーを伝達する衝撃手段(201;301)を有し、エネルギー伝達により衝撃波を発生し、エネルギーを主として蓄積された弾性エネルギーで構成され、また衝撃手段(201;301)と削岩ストリング(202)との相互作用を制御する制御手段を有し、衝撃手段(201;301)と削岩ストリング(202)との相互作用を制御する制御手段がモータ(207;307)を備え、モータ(207;307)が、回転を通して、衝撃手段(201;301)に作用する少なくとも一つの駆動面(205)を加圧及び滅圧するための通路を交互に開放するように構成されているツールに衝撃波を誘起する脈動発生装置において、
    モータ(207;307)の回転軸線が削岩ストリング(202)とほぼ同軸に配置されることを特徴とする脈動発生装置。
  2. モータ(207;307)が液体力及び/又は空気力で作動する作動手段によって回転されるように構成されていることを特徴とする請求項1に記載の脈動発生装置。
  3. モータ(207;307)が、衝撃手段(201;301)に作用する少なくとも一つの駆動面(205)に対して、装置(200;300)のツールに面した端部に近接して配置されることを特徴とする請求項1又は2に記載の脈動発生装置。
  4. エネルギー伝達において、衝撃手段(201;301)がツールの方向に僅かに動くことを特徴とする請求項1に記載の脈動発生装置。
  5. モータ(207;307)が、第1弁部分(216)を回転するように構成され、第2弁部分(219)に対する第1弁部分(216)の回転が、衝撃手段(201;301)に作用する少なくとも一つの駆動面(205)のそれぞれ加圧及び滅圧用の通路を交互に開放することを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の脈動発生装置。
  6. モータ(207;307)が、削岩ストリング(202)及び/又は削岩ストリング構成要素の少なくとも一部を周囲で取巻いている中空軸(215)を回転するように構成され、中空軸(215)が、動作中に第1弁部分を回転するように構成されていることを特徴とする請求項5に記載の脈動発生装置。
  7. 第1弁部分が弁ディスク(216)で構成されていることを特徴とする請求項5に記載の脈動発生装置。
  8. 第2弁部分(219)に対する第1弁部分(216)の回転が、衝撃手段(201;301)に作用する少なくとも一つの駆動面(205)のそれぞれ加圧及び滅圧用のほぼ軸線方向の通路を交互に開放することを特徴とする請求項5に記載の脈動発生装置。
  9. 脈動発生装置(200;300)が、衝撃手段(201;301)に向ってツールから離れる方向に作用する圧力室(206)を有し、モータ(207;307)が、回転によって、圧力室(206)のそれぞれ加圧及び滅圧用の通路を交互に開閉するように構成されていることを特徴とする請求項1に記載の脈動発生装置。
  10. モータ(207;307)が、軸方向ピストンモータ(207;307)によって構成されることを特徴とする請求項1に記載の脈動発生装置。
  11. 脈動発生装置(200;300)が、圧力室(206)における圧力の降下の過程を調整する制御手段を有することを特徴とする請求項9に記載の脈動発生装置。
  12. さらに、第1弁部分(216)に加圧流体を伝達する圧力伝達部材(214;314)を有することを特徴とする請求項5に記載の脈動発生装置。
  13. 圧力伝達部材(214;314)が周囲のハウジングに対して回転方向にロックされることを特徴とする請求項12に記載の脈動発生装置。
  14. 圧力伝達部材(214;314)が周囲のハウジングに対して軸線方向に可動であることを特徴とする請求項12に記載の脈動発生装置。
  15. 蓄積した弾性エネルギーが、主として、衝撃手段(201;301)及び/又はエネルギー蓄積装置(204)に蓄積された弾性エネルギーで構成されることを特徴とする請求項1〜14のいずれか一項に記載の脈動発生装置。
  16. 請求項1〜15のいずれか一項に記載の装置(200;300)を有することを特徴とする削岩装置。
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