JP4317017B2 - 衝撃装置の動作のモニタ方法および機器 - Google Patents

Description

詳細な説明

本発明は、衝撃装置の動作のモニタ方法に関するものであり、衝撃装置は、衝撃ピストンと、衝撃ピストンを移動させるために衝撃装置に圧力媒体を供給する圧力流路とを含む。本方法は、圧力流路で作用する圧力媒体の圧力の脈動を測定し、圧力曲線として圧力の脈動を示す。

本発明は、また衝撃装置の動作のモニタ機器に関するものであり、衝撃装置は、衝撃ピストンと、衝撃ピストンを移動させるために衝撃装置に圧力媒体を供給する圧力流路とを含む。本機器は、圧力流路に対して配置されたセンサを含み、圧力流路で作用する圧力媒体の圧力の脈動を測定し、圧力曲線として圧力の脈動を示す。

本発明は、さらに衝撃装置の動作の調整機器に関するものであり、衝撃装置は、衝撃ピストンと、衝撃ピストンを移動させるために衝撃装置に圧力媒体を供給する圧力流路とを含む。本機器は、圧力流路に対して配置されたセンサを含み、圧力流路で作用する圧力媒体の圧力の脈動を測定し、圧力曲線として圧力を示す。

さく岩機で岩に孔を開けるとき、削孔条件はさまざまに変わる。岩盤の複数の層は硬さが変わることがあり、そのため、削孔に影響する特性を削孔抵抗に応じて調整すべきである。削孔では、同時に４個の機能が使われる。すなわち、削孔すべき孔でドリルを回転させ、衝撃ピストンでドリルシャンクを打撃して岩を破砕し、ドリルを送り、および洗浄することである。洗浄により削孔排石を削孔した孔から除去する。衝撃ピストンでドリルシャンクを打撃することにより岩を破砕するとき、衝撃ピストンの衝撃エネルギーは、従来ドリルシャンクの延長部として働くドリルロッドによりドリルビットへ伝達され、ドリルビットが岩を打ち、岩を破砕する。このように、衝撃装置が正しく動作することが、よい削孔結果にかなり貢献する。衝撃装置によって駆動されるツールが、破砕すべき表面を破砕する衝撃ハンマでは、ツールの回転や洗浄は必要としない。ツールの特性の効果を考えないと、破砕結果に影響するものは、主として衝撃装置の動作である。岩の破砕に関する重要な変数は、衝撃パルスの長さと、衝撃パルスの振幅と、衝撃周波数と、適切なビットおよび岩の接触を含む。実際には、これらの変数のうち、衝撃パルスの長さ以外の他のすべての変数は、調節可能である。

しかし可能な最良の削孔結果もしくは破砕結果を達成するように衝撃装置の動作を制御することは大変困難である。なぜならば衝撃装置の動作をモニタする信頼できる方法がなかったからである。ドリルや衝撃ハンマが作動しているときに、衝撃装置の動作をモニタすることは困難である。衝撃装置に設けたレーザ動作センサ法もしくは誘導センサ法により、衝撃ピストンの位置を測定することが試みられてきた。米国特許第4,699,223号は、誘導センサを用いて衝撃ピストンの位置を測定することを開示する。衝撃装置に設けられたセンサに基づいた方法の問題は、ドリルおよび衝撃ハンマが使われる要求される条件下でのセンサの耐久性が乏しいことである。

本発明の目的は、衝撃装置の動作をモニタする新規な方法を提供することである。

本発明の方法は、圧力の脈動から、衝撃装置の動作状態を示すパラメータを決定し、このパラメータに基づいて衝撃装置の動作状態を決定することを特徴とする。

また本発明の機器は、さらに分析装置を含み、分析装置は圧力の脈動から、衝撃装置の動作状態を示すパラメータを決定し、このパラメータに基づいて衝撃装置の動作状態を決定することを特徴とする。

また本発明の機器は、さらに分析装置を含み、分析装置は圧力の脈動から、衝撃装置の動作状態を示すパラメータを決定し、このパラメータに基づいて衝撃装置の動作状態を決定し、機器は、制御ユニットを含み、制御ユニットは、衝撃装置の動作状態に基づいて衝撃装置の動作を制御することを特徴とする。

本発明の基本的な考えは、衝撃ピストンおよび衝撃ピストンを動かすために衝撃装置に圧力媒体を供給する圧力流路を含む衝撃装置の動作をモニタするために、圧力流路内で作用する圧力媒体の圧力の脈動を測定し、この圧力脈動を圧力曲線として示し、圧力曲線から、衝撃装置の動作状態を示すパラメータを決定し、このパラメータに基づいて衝撃装置の動作状態を決定することである。本明細書において、圧力曲線とは、衝撃装置の動作周波数よりも実質的に高いサンプリング周波数で測定した圧力の脈動を指す。このため、大変速い圧力変動を記録することができる。圧力の脈動は主として、衝撃ピストンの往復運動、衝撃ピストンの衝撃、衝撃ピストンの跳ね返り、および衝撃装置の制御弁による液圧制御により生成される。本発明の第１の実施例によると、衝撃装置の動作状態を以下のパラメータのうちの少なくとも１つに基づいて示す。すなわち、衝撃装置の衝撃ピストンの位置、衝撃ピストンのピストン行程、衝撃ピストンの衝撃速度、および衝撃ピストンの跳ね返り速度である。本発明の第２の実施例によると衝撃装置の動作状態を、衝撃装置の動作状態を示すパラメータに基づいて、制御する。本発明の第３の実施例によると、衝撃装置をさく岩機で使用し、衝撃装置の動作状態を、さく岩機の動作状態を示すパラメータに基づいて決定する。

本発明は、衝撃装置の動作を実際にかつリアルタイムでモニタすることができ、それによって、また1つ以上前の衝撃について得られた情報に基づいて衝撃装置の動作を調整することができるという利点がある。衝撃装置の圧力曲線は単純な方法で測定することができ、測定は、衝撃装置の近く、またはどこかほかの、衝撃装置を支えるブームまたはベースで行うことができ、そのため衝撃装置に、故障しやすいセンサを配置する必要がない。さらに圧力曲線の測定およびその解釈により、衝撃装置の状態の傾向をモニタして、それを、衝撃装置の状態をモニタするために利用することが可能になる。

以下に、添付図面に関して本発明をさらに詳細に説明する。

図１は、部分的に断面で示す衝撃装置１の概略側面図である。衝撃装置１は、フレーム２と衝撃ピストン３を含む。衝撃装置１は、ドリルまたは衝撃ハンマで必要なものとすることができる。衝撃装置１は液圧で動作し、作動油、バイオオイル、または水を液圧流体または圧力流体として使用することができる。図１はさらに、衝撃装置１を駆動するために必要なポンプ４を示す。ポンプ４は、衝撃ピストン３を図１の右のほうへ動かすために、すなわち打撃するために、圧力流路５を通して圧力流体を矢印Ａの方向に衝撃装置１の方へ送る。衝撃ピストン３の逆行程の間、圧力流体は戻り流路６を通って矢印Ｂの方向にタンク７に戻る。図１はまた、衝撃装置１の動作を制御する制御弁19を示す。さく岩機または衝撃ハンマの衝撃装置の一般的な構造および動作原理は、それ自体でいわゆる当業者に知られているため、これらをここでさらに詳しく説明する必要はなく、明確化のために、衝撃装置１の構造を図１に概略的に示すのみである。

図１はさらに圧力センサ８を概略的に示す。圧力センサ８は、圧力流路５で作用する圧力流体の圧力を測定し、衝撃装置１の圧力流路５に対して配置する。得られた測定結果は、図２に概略的に示す圧力曲線10であり、これは、圧力流路５で作用する圧力媒体の衝撃圧力の脈動もしくは圧力パルスを示す。図２の水平軸は時間を示し、垂直軸は圧力を示す。圧力曲線10に対応する圧力センサ８の測定信号はたとえば望ましくは電圧信号であり、ワイヤ11を介して分析装置9に送られる。そこで、衝撃装置１の動作状態を表す変数が、圧力曲線10に相当する測定信号から決定される。衝撃装置１の動作状態を表すパラメータ、もしくは衝撃装置１の動作状態と関係するパラメータには、たとえば以下のパラメータが含まれる。
t₁₁ 衝撃時、すなわち衝撃ピストン３がさく岩機のドリルシャンクまたは破砕装置のツールを打撃するとき、
t₁₂ 衝撃装置１の制御弁19の戻り時、このときに衝撃ピストン３の逆運動が減速を始める、
t₁₃ 衝撃ピストン３の戻り死点、このときに衝撃ピストン３はその運動の方向を変える、
t₂₁ 次の衝撃、
p₁ 衝撃サイクルの最小圧力、すなわち衝撃時の圧力流路５の圧力、
p₂ 時刻t₁₂における衝撃圧力、
p₃ 衝撃サイクルの最大圧力、すなわち戻り死点での圧力。

衝撃装置１の動作状態を示す、たとえば以下の補助パラメータが上記のパラメータから決定される。
dt₁ =t₁₂-t₁₁ 衝撃ピストン３の戻り速度、および衝撃ピストンが衝撃点から走行する距離に比例する変数。この変数を間接的に衝撃点を、すなわち衝撃時の衝撃ピストン３の位置を決定するために使用することが可能であり、また、岩のタイプを識別するために使用することが可能である、
dt₃ =t₂₁-t₁₃ 衝撃速度に関係するパラメータ、
t_tot = t₂₁-t₁₁ 衝撃期間の時間、すなわち、作動周波数fの逆数、
x =(p₂-p₁)/(p₃-p₁) ピストンの行程の長さに関係する比、これは、たとえば衝撃点を調整するために使用できる。

衝撃装置１の動作状態を示すパラメータもしくはこれらから決定される補助パラメータに基づいて、衝撃装置１の動作状態を決定することができる。たとえば衝撃装置１の動作状態は、以下の変数の１つもしくは複数により示すことができる。すなわち、衝撃装置１の衝撃ピストン３の位置、衝撃ピストン３のピストン行程の長さ、衝撃速度、跳ね返り速度、衝撃装置１の作動周波数、もしくはこれらについて得られる統計的なパラメータである。

衝撃装置１の動作状態を示すパラメータもしくはこれらから決定される補助パラメータ、および衝撃装置１の動作状態を、削孔条件を決定するために使用することができる。削孔条件とは削孔状態を指し、削孔状態は、削孔すべき岩、使用する削孔機器、および、衝撃力、送り力、回転トルク、洗浄圧力などの削孔パラメータの影響を受ける。これらに直接比例する測定可能な変数は、衝撃圧力、供給圧力、回転圧力および洗浄圧力である。

本解決策によれば、衝撃装置１の動作を正確にかつリアルタイムでモニタできる。これによりまた、衝撃装置１の動作状態を示す１つもしくは複数の前の衝撃から得られるパラメータに基づいて、したがって衝撃装置１の動作状態に基づいて、衝撃装置１の動作をリアルタイムで制御することが可能になる。衝撃装置１の圧力曲線10は単純な方法で測定できる。衝撃装置に故障しやすいセンサを配置する必要がない。しかし測定は、衝撃装置の近く、またはどこかほかの、衝撃装置を支えるブームまたはベースで行うことができる。圧力曲線10の測定およびその解釈により、たとえば以下の状況において、衝撃装置の状態の傾向をモニタして、それを、衝撃装置およびさく岩機全体もしくは衝撃ハンマの状態をモニタするために利用することが可能になる。すなわち、さく岩機の事前充填時に圧力曲線10が変化する状況、または衝撃ハンマのアキュムレータのダイヤフラムの破損時にアキュムレータが変化する状況、またはさく岩機のシャンクの磨耗時に圧力曲線10が変化する状況である。

図３は、さく岩機で測定した衝撃装置の圧力曲線12を示す。圧力曲線12は、削孔条件が実質的に一定であった状況で測定する。図３はまた、衝撃サイクルの最小圧力に相当する点、すなわち衝撃時点の圧力流路５の圧力p₁ と、時刻t₁₂における衝撃圧力値p₂に相当する点と、衝撃サイクルの最大圧力p₃に相当する点、すなわち戻り死点の圧力とを示す。次に図４は、さく岩機が空所を打撃したときに、さく岩機で測定される衝撃装置の圧力曲線13を示す。図４の状況では、衝撃ピストンの線形運動量に相当するパラメータd_t1、およびピストン行程の長さに相当するパラメータx が増加していた。なぜならば、送り抵抗が減少しているからである。パラメータd_t1およびx が充分に大きいとき、それは、図４の場合に起こったように、さく岩機が空所を打撃したことを示す。図５はさらに、ある状況でさく岩機から測定された衝撃装置圧力曲線14を示す。この状況では、送り不足から充分な送りへの移行が、送りを大きくすることにより起こった。送り不足はパラメータx に基づいて検知された。

図６は、削孔すべき岩から反射した応力波の最大引張応力15と、送り力16と、さく岩機から測定された曲線17で示されるパラメータx を示す。パラメータx に基づいて、衝撃エネルギーが供給圧力を越えたかどうかを決定することができる。送りが充分である場合、引張応力は実質的に減少することはなく、パラメータx の値は安定している。引張応力のレベルは実質的に削孔の特性を示す。削孔中に引張応力を測定することは大変困難であるため、この目的を、パラメータx を用いて達成する。

図７は、削孔すべき岩から反射した応力波の最大引張応力15と、送り力16と、さく岩機から測定された衝撃装置の圧力流体の圧力曲線から決定される衝撃周波数の移動標準偏差18を示す。図７から、送り力が増えて、送り力が所定の値に達すると、充分な送りに対応した削孔状況が達成され、その状況では引張応力は実質的に減少しないことがわかる。これは、周波数の移動標準偏差18の値が安定しているという事実からも検知できる。

図１は制御ユニット20も示す。制御ユニット20は、分析装置９で決定された衝撃装置の動作状態に基づいて、衝撃装置１の動作状態を制御する。衝撃装置１の動作状態は分析装置９から制御ユニット20へ送られる。２つの分離したユニットの代わりに、分析装置９および制御ユニット20を１つの装置またはユニットに一体化することができる。図１では、制御ユニット20は、ポンプ４の動作を制御するために、たとえばポンプ４の回転速度またはサイクル体積を変える。ポンプ４を制御することに代えて、もしくは制御に加えて、衝撃装置１の動作を制御することも可能であり、たとえば制御弁19の動作を制御する。衝撃装置１の動作状態を制御することも可能であり、たとえば図６および図７に関して述べたように、送り力を制御する。

図面および関連する説明は、本発明の考えを説明することのみを意図する。本発明の詳細は特許請求の範囲内で変えることができる。したがって衝撃装置１を圧縮空気で動作させることも可能であり、その場合、加圧液体ではない空気を圧力媒体として使用し、ポンプ４をコンプレッサで置き換えることができ、戻り空気を直接、大気に放出できる。さらに圧力曲線の脈動は、たとえば液圧配管の変更によるさまざまな圧力損失により変わってもよいことに注意すべきである。

図１は、本発明の解決策を適用した衝撃装置の部分的に断面で示す概略側面図である。 図２は、圧力流路で作用する圧力媒体の圧力曲線の概略図である。 図３は、さく岩機で測定した衝撃装置の第１の圧力曲線である。 図４は、さく岩機で測定した衝撃装置の第２の圧力曲線である。 図５は、さく岩機で測定した衝撃装置の第３の圧力曲線である。 図６は、削孔すべき岩から反射した応力波の最大引張応力と、送り力と、送りの特性を示す変数の相互依存を示す。 図７は、削孔すべき岩から反射した応力波の最大引張応力と、送り力と、送りの特性を示す第２の変数の相互依存を示す。

Claims (7)

1. 衝撃ピストンと該衝撃ピストンを移動させるために衝撃装置に圧力媒体を供給する圧力流路とを含む該衝撃装置の動作のモニタ方法において、該圧力流路で作用する前記圧力媒体の圧力の脈動を検出し、該圧力の脈動の経時変化から
   t ₁₁ = 前記衝撃ピストンの衝撃時刻、
   t ₁₂ = 該衝撃ピストンの逆運動の減速開始時刻、
   t ₁₃ = 該衝撃ピストンの戻り死点到達時刻、
   t ₂₁ = t ₁₃ の直後の該衝撃ピストンの衝撃時刻、
   p ₁ = t ₁₁ における前記圧力流路の圧力、
   p ₂ = t ₁₂ における該圧力流路の圧力、および
   p ₃ = t ₁₃ における該圧力流路の圧力
   のうち少なくとも２つのパラメータを得て該少なくとも２つのパラメータから補助パラメータを導出し、少なくとも該補助パラメータによって前記衝撃装置の動作状態を判定し、ただし該補助パラメータは
   前記衝撃ピストンの衝撃時における位置または該衝撃ピストンの跳ね返り速度を示す dt ₁ = t ₁₂ − t ₁₁ 、
   該衝撃ピストンの衝撃速度を示す dt ₃ = t ₂₁ − t ₁₃ 、
   該衝撃ピストンの行程長さを示す x = (p ₂ − p ₁ )/(p ₃ − p ₁ )、および
   該衝撃ピストンの作動周波数を示す f = 1/(t ₂₁ − t ₁₁ )
   のうち少なくとも１つであることを特徴とするモニタ方法。
2. 請求項１に記載の方法において、前記補助パラメータに基づいて該衝撃装置の動作を制御することを特徴とするモニタ方法。
3. 請求項１に記載の方法において、前記衝撃装置はさく岩機で使用され、該さく岩機の動作状態は、前記補助パラメータに基づいて判定されることを特徴とするモニタ方法。
4. 衝撃ピストンと該衝撃ピストンを移動させるために衝撃装置に圧力媒体を供給する圧力流路とを含む該衝撃装置の動作をモニタするモニタ機器において、該モニタ機器は該圧力流路に接続して配設されて該圧力流路で作用する前記圧力媒体の圧力の脈動を検出するセンサを含み、該モニタ機器はさらに分析装置を含み、該分析装置は該圧力の脈動の経時変化から
   t ₁₁ = 前記衝撃ピストンの衝撃時刻、
   t ₁₂ = 該衝撃ピストンの逆運動の減速開始時刻、
   t ₁₃ = 該衝撃ピストンの戻り死点到達時刻、
   t ₂₁ = t ₁₃ の直後の該衝撃ピストンの衝撃時刻、
   p ₁ = t ₁₁ における前記圧力流路の圧力、
   p ₂ = t ₁₂ における該圧力流路の圧力、および
   p ₃ = t ₁₃ における該圧力流路の圧力
   のうち少なくとも２つのパラメータを得て該少なくとも２つのパラメータから補助パラメータを導出し、少なくとも該補助パラメータによって前記衝撃装置の動作状態を判定し、ただし該補助パラメータは
   前記衝撃ピストンの衝撃時における位置または該衝撃ピストンの跳ね返り速度を示す dt ₁ = t ₁₂ − t ₁₁ 、
   該衝撃ピストンの衝撃速度を示す dt ₃ = t ₂₁ − t ₁₃ 、
   該衝撃ピストンの行程長さを示す x = (p ₂ − p ₁ )/(p ₃ − p ₁ )、および
   該衝撃ピストンの作動周波数を示す f = 1/(t ₂₁ − t ₁₁ )
   のうち少なくとも１つであることを特徴とするモニタ機器。
5. 請求項４に記載の機器において、前記衝撃装置の動作は該衝撃装置の前記補助パラメータに従って制御可能であることを特徴とするモニタ機器。
6. 請求項４に記載の機器において、前記衝撃装置はさく岩機で使用され、該さく岩機の動作状態は前記補助パラメータに基づいて判定されることを特徴とするモニタ機器。
7. 衝撃ピストンと衝撃装置に圧力媒体を供給して該衝撃ピストンを移動させる圧力流路とを含む衝撃装置の動作を制御する制御機器において、該機器は該圧力流路に接続して配設されて該圧力流路で作用する前記圧力媒体の圧力の脈動を検出するセンサを含み、前記機器は分析装置を含み、該分析装置は該圧力の脈動の経時変化から
   t ₁₁ = 前記衝撃ピストンの衝撃時刻、
   t ₁₂ = 該衝撃ピストンの逆運動の減速開始時刻、
   t ₁₃ = 該衝撃ピストンの戻り死点到達時刻、
   t ₂₁ = t ₁₃ の直後の該衝撃ピストンの衝撃時刻、
   p ₁ = t ₁₁ における前記圧力流路の圧力、
   p ₂ = t ₁₂ における該圧力流路の圧力、および
   p ₃ = t ₁₃ における該圧力流路の圧力
   のうち少なくとも２つのパラメータを得て該少なくとも２つのパラメータから補助パラメータを導出し、少なくとも該補助パラメータによって前記衝撃装置の動作状態を判定し、ただし該補助パラメータは
   前記衝撃ピストンの衝撃時における位置または該衝撃ピストンの跳ね返り速度を示す dt ₁ = t ₁₂ − t ₁₁ 、
   該衝撃ピストンの衝撃速度を示す dt ₃ = t ₂₁ − t ₁₃ 、
   該衝撃ピストンの行程長さを示す x = (p ₂ − p ₁ )/(p ₃ − p ₁ )、および
   該衝撃ピストンの作動周波数を示す f = 1/(t ₂₁ − t ₁₁ )
   のうち少なくとも１つであることを特徴とする制御機器。

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