JP4050468B2 - 削岩機の穴あけを制御する方法と装置 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、フレームと、フレームに設けられ長手方向に動く衝撃ピストンと、衝撃ピストンの軸方向延長線上に配置されたシャンク（柄）と、フレームに軸方向に移動自在に設けられた少なくとも１つのピストンとを具備するボーリング機械における削岩機の穴あけを制御する方法に関し、前記ピストンはシャンクに作用してこれをピストンの後面に作用する圧力媒体によりボーリング機械の前方に向って押すように配設され、それにより少なくとも穴あけ中は前記圧力媒体の圧力は、シャンクに作用しこれを前方に押す全てのピストンの組合せた力が穴あけ中にボーリング機械に作用する供給力を超えるような圧力となり、それによりシャンクが全てのピストンに当接するにつれてシャンクが最適の衝撃点にあるようになっており、また前記方法において、シャンクに作用する前記圧力媒体の圧力が測定されるものである。
【０００２】
本発明はさらに削岩機の穴あけを制御する装置に関し、該装置はフレームとフレームに長手方向に移動可能に設けられた衝撃ピストンと衝撃ピストンの軸方向延長線上に配置されたシャンク（柄）とフレームに軸方向に移動可能に設けられた少なくとも１つのピストンとを具備するボーリング機械からなっており、前記ピストンはボーリング機械の軸方向のシリンダー空間に位置しまたシャンクに作用しシャンクをピストンの後面に作用する圧力媒体によりボーリング機械の前方に向って押すように配置されており、それにより少なくとも穴あけの間は前記圧力媒体の圧力が、シャンクに作用しシャンクを前方に押す力が穴あけの間はボーリング機械に作用する供給力を超えるような圧力となり、これによりシャンクが全てのピストン上に当接するにつれてシャンクが衝撃の最適点にあるようにし、前記装置は前記圧力媒体の圧力を測定する手段を具備している。
【０００３】
穴が削岩機によりあけられた時、穴あけの条件は様々な状態で変化する。岩石は様々な硬さの岩石材料の層からなり、そのために衝撃動力供給源のような穴あけに影響を及ぼす特性はその時の穴あけ抵抗にしたがって調節されなければならない。さもなければ、穴あけ作用は穴あけが柔らかい材料のところでは迅速となり硬い岩石のところでは遅くなるため、不規則となる。これは例えばボーリング装置の耐久性と穴あけ工程の制御性とに関するいくつかの問題を生じる。これらの問題を解決する１つの例は、低い衝撃動力が衝撃ピストンからシャンクに伝達される時にシャンクを衝撃の最適の個所から前方に長手方向に移動させることによってボーリング機械の衝撃動力を調節することに関するものである。シャンクはシャンクを直接又はスリーブを介して後側から支持する油圧で作動されるピストンによって動かされる。ピストンの後側に位置するシリンダー空間に作用する圧力媒体の圧力が変わった時、ピストンの運動の長さを調節すること、したがってシャンクの位置を調節することが可能となる。このようにして、所望量の能力をシャンクを介してドリルロッドに伝達することができ、一方衝撃の残り部分は衝撃ピストンの前端部に設けられた減衰パッドによって減衰される。このような装置はフィンランド特許第８４，７０１号に開示されている。
【０００４】
フィンランド特許出願第９４４，８３９号はその目的がドリルへの損傷の発生をなくすることにある岩石ボーリング装置の穴あけ能力を制御する公知の方法を開示している。この参照例は、ボーリング機械が穴あけ抵抗がより小さくなりドリルがそのため容易に岩石を突き抜けるような区域を強く打った時に、作用のもとにある材料がより硬くなり穴あけが再び衝撃を必要とするようになるまで衝撃装置の作用が完全に停止する点を除いて、穴あけが通常のように続けられることを開示している。この装置は、ボーリング機械のフレームに対して衝撃ピストンの方向に動きまた穴あけ抵抗が一時的に小さくなった時にドリルビットに向って前方に動くことのできる戻り減衰器のピストンを具備している。これはピストンの後側の室の圧力を減少させることになる。圧力が所定の圧力よりも低くなったならば、弁が衝撃装置への圧力媒体の供給を停止し、それにより衝撃ピストンがこれ以上の打撃を加えることがないようにする。ドリルが再び硬い岩石を打ちピストンの後側の室の圧力が所定の圧力限界を超えた時衝撃装置への連結部が開かれ衝撃ピストンが衝撃を再び加え始める。
【０００５】
しかし上記の従来技術の装置はボーリング機械の十分で正確な制御にとって不十分であることが分かっている。これらの装置は衝撃力の制御をもたらすにすぎずさらに多くの方法で穴あけを調節し制御する手段を提供するものではない。これら装置はまた動力の損失を生じ、このことは油圧ポンプ、パイプ及びその他の油圧構成部品を不必要に大きくしなければならないことを意味する。
【０００６】
本発明の目的はボーリング機械の作用を制御するための従来のものよりもより良好なまたより融通性のある方法と装置を提供することである。
【０００７】
本発明の方法は、圧力センサーが穴あけされる岩石からボーリング装置に反ね返されかつ衝撃ピストンの衝撃から生じる戻りパルスを測定し、この戻りパルスが、ピストンの後側の空間の圧力が圧力センサーにより測定された時に圧力パルスとして検出され、反射された圧力パルスの測定データがボーリング機械の作用を制御するのに用いられることを特徴としている。
【０００８】
さらに、本発明の装置は圧力センサーが穴あけされる岩石から穴あけ装置に反ね返りかつ衝撃ピストンの衝撃から生じる戻りパルスを測定し、戻りパルスがピストンの後側の空間の圧力が圧力センサーにより測定された時圧力パルスとして検出され、反射された圧力パルスの測定データがボーリング機械の作用を制御するのに用いられることを特徴としている。
【０００９】
本発明の基本思想は圧力センサーがシャンクを後側から支持する１つ又は複数のピストンの後側に位置する圧力室の圧力パルスと測定するのに用いられることにある。ドリルビットにおける供給圧力が減少した時、衝撃点が衝撃の最適点から前方に動き始める。これは衝撃ピストンのエネルギーの少なくともある部分が減衰されたことを意味する。同様に、より柔らかい材料に形成された戻りパルスが弱くなり、そのため得られた圧力パルスがより小さくなり場合によっては平常の状態よりも短かくなる。２つ又はそれ以上のピストンの代わりに、単一のピストンを用い、このピストンが圧力媒体の圧力によりシャンクを支持することもできる。この場合、測定はこの単一の環状ピストンの圧力室から行われる。圧力パルスの存在しないこと又は正常値の変化はピストンの後側の室の圧力を測定するよう設けられた圧力センサーによって平常の穴あけ作用から逸脱した状態として検出される。この圧力センサーの測定データはボーリング機械の制御装置に与えられ、このデータ、すなわち供給圧力と衝撃圧力とを含む例えば穴あけのパラメーターのようなデータに基づいて、穴あけ作用を調節する。穴あけの動力は衝撃の最適点に再度到達するまで調節される。
【００１０】
本発明はボーリング機械の衝撃能力とその他の穴あけ用のパラメーターとを各状態において経済的かつ十分な方法で適当に調節することができるという利点を有している。穴あけ工程は穴あけの間に測定することができそして得られたデータはいくつかの方法で利用され穴あけを制御することができる。また以前よりも特殊な状態を制御するのが容易となる。本発明の装置はまた穴あけされる孔の異なった層の特性を後の利用のため制御ユニットで検出し蓄積できるようにする。このデータに基づき、例えば目標個所における穴あけを計画し岩石の特性を図表に作ることができる。さらに、圧力センサーにより得られた圧力パルスを用いドリルビットの条件に関する結論を引出し欠陥診断における測定データを用いることができる。他の利点は本発明の配置構造がボーリング装置の必要な動力を減少し、これがまたコストを減少することである。本発明の配置構造はまたより簡単な方法で現存する装置に連結することができる。
【００１１】
本発明は添付図面にさらに詳細に記載される。
【００１２】
図１は本発明によるボーリング機械の他の実施態様を一部切断して略図式に示す。ボーリング機械は衝撃ピストン１と衝撃ピストンによって加えられた衝撃を受け取る同軸に位置するシャンク２とを具備している。この衝撃力は通常シャンクの延長として配置されたドリルロッドを介して岩石を打ちかつ破壊するドリルビッドに伝達される。衝撃ピストン１の衝撃作用はこの分野では一般に知られており当業者にとって明らかであるので、この点についてはさらに詳細には記載されない。シャンク２は通常、軸方向に動くことのできるシャンク２の周りに設けられた回転スリーブを回転することによってそれ自体公知の回転モーターにより回転される。回転モーターと回転スリーブの構造と作用とは当業者にとって十分に知られており、そのためこの構造と作用とはここではこれ以上詳細には記載されない。さらにシャンク２の後方の周りには穴あけの間シャンク２を支持する別の支持スリーブ３が設けられている。この支持スリーブ３はシャンク２の対応の傾斜支持表面２ａと接触するようになる傾斜支持表面３ａによってシャンク２を支持する。支持スリーブ３の後側に支持スリーブ３の後面に連結され又はこの後面に機械的に間接的に作用する数個のピストン４ａと４ｂが設けられている。支持スリーブ３の周りにストッパリング５がまた設けられ、このストッパリング５はボーリング機械の前方に向ってピストン４ａと４ｂが動くのを制限する。ピストン４ａと４ｂはフレーム６又は別のシリンダー部分に形成され衝撃ピストン１の軸線に平行なシリンダー空間の中に位置しており、また圧力流体導管７ａと７ｂがシリンダー空間に通じている。この圧力媒体の圧力は、シャンク２に作用しシャンクを前方に押すこれらピストンの組合わされた力が穴あけ中のボーリング機械に作用する供給力を超える少なくとも穴あけの間に、ピストン４ａ，４ｂの後面に加えられる。ボーリング機械のフレーム６に数個のピストン４ａと４ｂが設けられこれらピストンは好ましくはポーリング機械の前端に向かう異なった長さの運動を有する少なくとも２つの別の群に分割される。ボーリング機械はさらに衝撃ピストン１のシリンダー空間の前方に又はボーリング機械の前方の衝撃ピストン１のピストン部分１ａの運動の距離にわたって、吸収装置８を具備している。衝撃ピストン１のピストン部分１ａの前方部分は衝撃ピストン１がある理由で衝撃の正常の最適点を通過して打撃を加えた時にこの吸収装置に衝撃を加える。このような構造はそれ自体公知でありそのためこれ以上詳細には記載されない。
【００１３】
本発明装置はさらに好ましくは導管７ａ，７ｂに連結された測定用導管１９ａと１９ｂを具備し、それによりピストン４ａの後側に作用する圧力パルスが測定用導管１９ａに連結された圧力センサー２０により測定できるようにする。これは最も簡単な配置構造であるが、当然にフレーム６に測定センサー２０のための別の穴を設けることもできる。測定データは圧力センサー２０からこのデータを処理することのできる制御ユニット２１に電気的に供給される。必要ならば制御ユニット２１は制御信号を、例えば供給を調節するアクチュエータ又は衝撃装置の圧力を調節する弁とすることのできるアクチュエータ２２に送る。制御ユニットには穴あけ工程に関する多量の異なった測定データを供給しそれにより制御ユニット２１がボーリング機械の作用をこのデータに基づき各々の状態で適当に制御することができるようにする。図１はまた他方のピストン４ｂの後側の圧力を測定する第２の圧力センサー２３を示し、圧力センサー２３は同様に制御ユニット２１に連結されている。したがって、圧力パルスはピストン４ａもしくは４ｂから別々に又はこれらピストンから一緒に測定することができる。また１つの圧力センサーのみを用いることもでき、この場合はピストン４ａと４ｂの導管７ａと７ｂが破線２４によって示されるように一緒に連結され、これは第２の圧力センサー２３が必要でなくなることを意味する。実際には、圧力パルスがより簡単な方法で単にピストン４ａの後側から測定することができ、これはピストン４ａと４ｂが異なった圧力回路に位置することを意味する。これは、ピストン４ａがボーリング機械の前方に向ってシャンクの衝撃の最適点に対応する位置にのみ動くため、シャンクが衝撃の最適点を通過して動くこのような力でボーリング機械の後側に向って動く時にのみ、圧力パルスが発生するという事実に基づいている。圧力パルスがこのような方法で測定された時、圧力パルスは好ましくは制御を行うための信頼性のある基本情報を提供する。
【００１４】
図２ａはピストンの後側の空間から測定された平常時の圧力曲線を略図的に示す。穴あけされる岩石の穴あけ抵抗が正常でありピストンがシャンクを衝撃の最適点に動かした時、衝撃ピストンがシャンクに十分な力で衝撃を加え、そこから衝撃がさらにドリルロッドにまたそれによりドリルビットに伝達される。ドリルビットが硬い岩石を強く打つにつれて、ドリルビットは後方に向って反射されドリルロッドを介してシャンクに伝達される戻り運動を生じる。シャンクは支持スリーブ３とこれを前方に押すピストンとによって応力がかけられるため、岩石から反射された張力がまたピストンに伝達され、ピストンはそのためこの反射されたパルスのためにシリンダー空間の中で後方に向って動く。このピストンの後方への運動は圧力の迅速な増加を生じ、換言すれば戻りパルスをピストンの後側の空間に生じる。これは図２ａに圧力パルスＢとして見ることができ、これは平均圧力の大きさとは明らかに異なっている。この圧力曲線における圧力パルスＢの発生は詳しく監視される。圧力パルスＢは何時も平均の圧力の強さよりも大きい。圧力パルスの少なくとも動力、振幅、上昇の割合及び発生の頻度を穴あけを制御するのに利用することができる。同図に示され圧力パルスＢよりも小さい圧力パルスＡはピストン４ａと４ｂが衝撃装置の圧力導管の圧力を受けた時の圧力流体の圧力の変化からもたらされる。測定されるピストンのシリンダー空間に供給された圧力流体が別の圧力源から又は衝撃導管とは別の圧力導管を介して搬送された場合は、衝撃作用から生じる圧力パルスＡは存在せず平均の圧力曲線は実質的に平らになる。
【００１５】
図２ｂはこれに代わって、圧力パルスＢを全く欠いた圧力曲線を示す。この曲線は衝撃回路の圧力の変化から生じる圧力変化Ａを示すだけである。圧力パルスＢのないこと又はパルスが弱いことはドリルビットが正常の穴あけ動力のもとに柔らかい岩石に突通されたことによるものであり、これは少しの間ドリルが通常時よりも速く作動することを意味する。シャンクはしたがって衝撃の最適点から前方に動かされており、そのため衝撃ピストンの吸収装置が衝撃の少なくとも一部を受け取ることになる。衝撃の動力はこのようにして減少されるので、ドリルビットはこのような大きな力で岩石を打つことがなくまた正常の穴あけ状態におけるのと同様のはね返り又は合成された戻りパルスを生じることがない。一方において、柔らかい岩石材料は硬い材料と同じ大きさで衝撃に抵抗することがなく、そのため穴あけ装置に同様の戻りパルスを生じることがない。
【００１６】
図３は本発明のボーリング機械の前端部のさらに他の実施態様を一部断面で示す。参照番号は図１のものに対応している。図３に示される配置構造は図３では数個の別々のピストンが衝撃ピストン１の周りに同軸に置かれたスリーブ状のピストンに取替えられている点を除き図１の配置構造と一致している。この場合、ピストン１４ａと１４ｂは、ピストン１４ａが最も外側の位置に配置され圧力導管１７ａがピストン１４ａに連結されてピストン１４ａを絡始前方に係合表面１５ａまで押すことができるように、配置されている。ピストン１４ｂはこれに対してピストン１４ａの内部に同軸に配置され、そして圧力流体が導管１７ｂに沿ってピストン１４ｂの後側に供給される。ピストン１４ｂが係合表面１５ｂに当接した時、シャンク２が前方に衝撃の最適点とは異なる新しい位置に押される。図１にすでに示されたように、この圧力が両方のピストン１４ａ，１４ｂ又は１つのピストン１４ａの後側の空間から測定される。導管１７ａと１７ｂは反射された圧力パルスを測定する圧力センサー２０が設けられた測定導管１９ａに連結される。同様に、導管１７ｂは反射された圧力パルスを測定する圧力センサー２３が設けられた測定導管１９ｂに連結される。圧力パルスの測定と使用とに関し、状態は図１と同様である。同様に、この実施態様では１つのセンサーだけで圧力パルスを測定することができ、これは導管１７ａと１７ｂとが破線２４で示されるように測定導管１９ａに連結され、圧力センサー２３が必要でなくなることを意味する。
【００１７】
図面と関連の記載とは本発明の思想を例示することを意図するにすぎない。本発明の詳細は請求の範囲の範囲内で変更することができる。例えば、ボーリング機械の構造は図面に示されたものと同一にしなければならないものではなく、例えば衝撃ピストンの減衰作用は他の方式に変更することができる。さらに、ピストンはシャンクに直接作用するように変更することができ、これはシャンクとピストンとの間に別のスリーブを必ずしも必要としないことを意味する。軸方向の軸受をシャンクとピストンとの間に設けシャンクと衝撃ピストンとに同軸に位置させることもできる。圧力センサーから得られた測定信号の分析と使用は信号処理方法を利用することができ、この信号処理方法により測定信号からさらに多くのデータ、例えば反射されたパルスの持続時間、エネルギー及び周波数を抽出することができ、そしてこの測定データはボーリング機械を効率的に制御するのに用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の削岩機の前端部を一部切断した概略図である。
【図２ａ】 ピストンの後側の空間から測定した概略圧力線図である。
【図２ｂ】 ピストンの後側の空間から測定した概略圧力線図である。
【図３】 本発明のボーリング機械の他の実施態様の一部切断概略図である。

Claims (10)

1. フレーム（６）と、フレーム（６）に設けられ長手方向に動く衝撃ピストン（１）と、衝撃ピストン（１）の軸方向延長線上に配置されたシャンク（２）と、フレーム（６）に軸方向に移動可能に設けられた少なくとも１つのピストン（４ａ，４ｂ，１４ａ，１４ｂ）とを具備するボーリング機械における削岩機の穴あけを制御する方法であって、ピストンが、シャンク（２）に作用しシャンクをピストンの後面に作用する圧力媒体によりボーリング機械の前方に向って押すように配置され、それにより少なくとも穴あけ間前記圧力媒体の圧力が、シャンク（２）に作用しシャンクを前方に押す全てのピストンの組合された力が穴あけの間ボーリング機械に作用する供給力を超えるような圧力となり、それによりシャンク（２）が全てのピストン（４ａ，４ｂ，１４ａ，１４ｂ）に当接するにつれてシャンクが衝撃の最適点に位置するようにし、シャンク（２）に作用する前記圧力媒体の圧力が測定される、削岩機の穴あけ制御方法において、圧力センサー（２０，２３）が、穴あけされる岩石から穴あけ装置に反射されかつ衝撃ピストン（１）の衝撃から生じる戻りパルスを測定し、該戻りパルスがピストン（４ａ，４ｂ，１４ａ，１４ｂ）の後側の空間の圧力が圧力センサー（２０，２３）により測定された時圧力パルス（Ｂ）として検出され、反射された圧力パルス（Ｂ）の測定データがボーリング機械の作動を制御するのに用いられることを特徴とする削岩機の穴あけ制御方法。
2. ボーリング機械への供給が反射された戻りパルスから生じる圧力パルス（Ｂ）の測定結果に基づいて調節されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. ボーリング機械の衝撃動力が反射された戻りパルスから生じる圧力パルス（Ｂ）の測定結果に基づいて調節されることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. ボーリング機械の作用が反射された戻りパルスから生じる圧力パルス（Ｂ）の動力に基づいて制御されることを特徴とする請求項１から３のうちの１項に記載の方法。
5. 穴あけの間の作動が反射された戻りパルスから生じる圧力パルス（Ｂ）の振幅に基づいて制御されることを特徴とする請求項１から４のうちの１項に記載の方法。
6. 予め決められた限界が圧力パルス（Ｂ）の変化を測定するため設定され、測定結果が前記限界以下となった時ボーリング機械の制御ユニット（２１）が衝撃圧力と供給の少なくとも一方を制御しそれにより衝撃の最適点に再度達するようにすることを特徴とする請求項１から５のうちの１項に記載の方法。
7. 圧力パルスが、最前位置で衝撃の最適点にあるシャンクを支持するピストン（４ａ，１４ａ）の後側の空間からのみ測定されることを特徴とする請求項１から６のうちの１項に記載の方法。
8. 削岩機の穴あけを制御する装置であって、フレーム（６）と、フレーム（６）に長手方向に移動可能に設けられた衝撃ピストン（１）と、衝撃ピストン（１）の延長線上に配置されたシャンク（２）と、フレーム（６）に軸方向に移動可能に設けられた少なくとも１つのピストン（４ａ，４ｂ，１４ａ，１４ｂ）とを具備するボーリング機械からなり、ピストンがボーリング機械の軸方向のシリンダー空間に位置しかつシャンク（２）に作用してシャンクをピストンの後面に作用する圧力媒体によりボーリング機械の前方に向って押すように配置され、それにより少なくとも穴あけの間は前記圧力媒体の圧力が、シャンク（２）に作用しシャンクを前方に押す力が穴あけ中にボーリング機械に作用する供給力を超えるような圧力となり、これによりシャンク（２）が全てのピストン（４ａ，４ｂ，１４ａ，１４ｂ）に当接するにつれてシャンクが衝撃の最適点に位置するようにし、さらに前記圧力媒体の圧力を測定する手段を具備する削岩機の穴あけ制御装置において、圧力センサー（２０，２３）が穴あけされる岩石から穴あけ装置に反射されかつ衝撃ピストン（１）の衝撃から生じる戻りパルスを測定し、戻りパルスが、ピストン（４ａ，４ｂ，１４ａ，１４ｂ）の後側の空間の圧力が圧力センサー（２０，２３）により測定された時に圧力パルス（Ｂ）として検出され、反射された圧力パルス（Ｂ）の測定データがボーリング機械の作動を制御するのに用いられることを特徴とする削岩機の穴あけ制御装置。
9. 制御ユニット（２１）が、圧力センサー（２０）によって測定された圧力パルス（Ｂ）に基づいてボーリング機械への供給を調節するよう配置されていることを特徴とする請求項８に記載の装置。
10. 制御ユニット（２１）が圧力センサー（２０）によって測定された圧力パルス（Ｂ）に基づいてボーリング機械の衝撃動力を調節するよう配置されていることを特徴とする請求項８又は９に記載の装置。

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