JP4792508B2 - 切削ツール用のパルス発生装置及びインパルス機械 - Google Patents

Description

本発明は、切削例えば岩盤破砕ツール用のインパルス発生装置におけるパルス発生装置、並びに該パルス発生装置を有するインパルス機械に関する。

打撃機構を備えた典型的な機械では、推進チャンバ内で空力的又は流体力的に前後に動かされるピストンが用いられており、ピストンは、穿孔ビットを介して岩盤に当たる穿孔鋼の端部に対して直接或いは例えば穿孔鋼シャンクを介して間接に打撃する。応力パルスは岩盤破砕を行う岩盤に接触して力を加える。

打撃機構を備えた典型的な機械と対照的に、インパクト周波数を増大する可能性をもたらす衝撃力の変換のために、推進チャンバで前後に大きくは動かないピストンを備える岩盤破砕機械で努力がなされてきた。

ＷＯ２００５／００２８０１には、削岩機のような打撃装置が示されており、応力パルスは、打撃装置によってツールで発生され、圧力流体は打撃装置へ供給され、かつ打撃装置から取り除かれる。打撃装置に供給される圧力流体は、打撃装置における作動チャンバに律動的に送られる。

上述の形式の装置において、ツールにおいて発生される応力パルスのエネルギーを、岩盤に作用させるのに必要なエネルギーに適合させたい場合には、打撃装置に供給される圧力のレベルを変えることができる。しかし、ポンプ及びホースは圧力を変更できる範囲に制限がある。

供給パルスにおけるエネルギーを適合させる課題は、本発明によれば、岩盤破砕ツール用のインパルス発生装置にパルス発生装置を設けることによって解決され、該パルス発生装置は推進装置からのエネルギーをツールにおいてインパルスに変換する用に構成され、該パルス発生装置は、少なくとも一つのピストンシリンダを備えた回転可能なシリンダドラムを有し、ピストンシリンダには少なくとも一つのピストンが設けられ、ピストンはシリンダドラムの回転中に流体を圧縮するように構成され、シリンダドラムは、ツールにおいてインパルスを発生するために、ピストンシリンダ内に開放した少なくとも一つの開口を介してピストンの放出位置で推進チャンバへ流体を放出するように構成される。

パルス発生装置が請求項１に記載の特徴を備えていることにより、ツール供給パルスに対するエネルギーが比較的簡単に適合され得るというインパルス発生装置をもたらす利点が達成される。

以下添付図面を参照して本発明を詳細に説明する。

図１には、インパルス発生装置２の第１実施形態を概略縦断面図で示し、インパルス発生装置２はハウジング４を備え、ハウジング４内には、加圧可能な流体容量８を受ける推進チャンバ６が設けられ、推進チャンバ６内には、インパルスピストン１０が受けられ、インパルスピストン１０は、流体容量８の圧力ピークをツール１２におけるインパルスに直接又は間接に変換するように設けられている。インパルスピストン１０がツール１２に隣接して設けられる場合には、インパルスは直接伝達されるが、しかしインパルスは例えば中間アダプタ１６を介して間接的に伝達されてもよい。図面において、推進チャンバ６は、推進チャンバ６内の流体容積８の圧力が、インパルスピストン１０を静止位置に位置させるように低い位置（状態）に示されている。この静止位置へのインパルスピストン１０の戻り運動は、推進チャンバ６の側と反対のインパルスピストン１０の側のチャンバ９を空気又は流体で或いはこの空間に設けられるバネ（図示していない）によって、もしくは装着されたインパルス発生装置２を備えた掘削リグ全体を岩盤に向って動かすことによって行われ、後者による場合には、静止位置を調節するダンパー２６が設けられ得る。任意ではあるが、推進チャンバ６に肩部（図示していない）が止め部材として設けられ得るが、しかしこれは、大きな反動を得ようとする場合には困難であり得る。別の考えられ得る解決手段は、反動を減衰するシステムの一部として及び／又は静止位置回復用のシステムの一部としてインパルスピストン１０を用いることにある。さらに、パルス発生装置１８が示され、このパルス発生装置１８は、推進機構２０を介して推進装置１４によって駆動され、推進機構２０は好ましくは駆動軸である。推進装置１４はインパルス発生装置２の外部に設けられ得るが、しかし好ましくはインパルス発生装置２の内部に設けられ、インパルス発生装置２は例えば穿孔機械であり得る。推進装置１４は例えば電気的又は流体力的に駆動され得、すなわち推進装置は、例えば電動機又は流体力モーターであり得る。削岩の場合、インパルス発生装置２は、例えばインパルス発生装置２のハウジング４内の通路又はインパルス発生装置２の外側に設けたホースなど（図示していない）を介して流体力流体又は穿孔水によって冷却され得る。さらに、推進装置１４内に通じる通路２２及び推進装置１４から出ていく通路２４が示されており、これら通路は、推進装置１４が流体力で駆動される場合に用いられる。推進装置１４から出ていく通路２４は低圧側２５（低い側）に接続されている。推進装置１４が電気的に駆動される場合には、これらの通路２２、２４は、代わりに、電気配線で置き換えられ、これらの電気配線は通路２２、２４内に配置され得る。推進装置１４が機械的に駆動される場合、すなわち推進装置が例えば歯車駆動装置のような機械的な歯車である場合には、これら通路２２、２４に代えて駆動軸（図示していない）が設けられる。

パルス発生装置１８が流体力で駆動される場合には、パルス発生装置１８の低圧側２５は図示したように、流体力推進装置１４の低圧側２５及び推進チャンバ６の側と反対のインパルスピストン１０の側に位置するチャンバ９に接続されている。

図２には、図１に示すインパルス発生装置２におけるパルス発生装置１８の第１実施形態を概略縦断面図で示し、パルス発生装置１８は、少なくとも一つのピストンシリンダ３０、好ましくは一つ以上のピストンシリンダ３０及び少なくとも一つのピストン３２、好ましくは一つ以上のピストン３２を備えた回転シリンダドラム２８を有する。パルス発生装置１８は、さらに、バルブディスク３４及び好ましくは傾斜ディスク３８として設けられた角度を成した平面部材を有している。従って図示したパルス発生装置はバルブディスク３４と角度を成した平面部材３８との間にのびている。ピストンシリンダ３０の数は任意であるが、しかし少なくとも一つである必要がある。しかし、パルスの発生はいかに例示するように、ただ一つのピストンシリンダ３０と一つのピストン３２を用いて始まり、ピストンシリンダ３０及びピストン３２は好ましくは横断面が円形であるが、しかしそうでなくてもよい。従って図２に示す好ましくは流体力パルス発生装置１８を備えた図１のインパルス発生装置２は、ピストン３２による圧縮で少なくとも一つのピストンシリンダ３０に局部圧力レベルを形成する。各圧力ピークにおけるエネルギは、ピストンシリンダ３０における圧縮の程度によって決まる。インパルス発生装置２のハウジング４に対して固定されたバルブディスク３４は、そこに設けた一つ以上の開口３６を介して、推進チャンバ６とシリンダドラム２８におけるピストンシリンダ３０に対して設けた接続開口３１との間の一つ以上の通路を、推進チャンバ６と低圧側２５との間の一つ以上の通路と共に調整する（さらに以下参照）。ピストンシリンダ３０が、ピストンシリンダ３０内に規定された容積に対してピストン３２の動きで圧縮されると、ピストンシリンダ３０内の流体は推進チャンバ６及び従ってインパルスピストン１０へ向かって急速に放出され、インパルスピストン１０は圧力パルスを受ける。放出後、推進チャンバ６は低圧側２５に接続される（さらに以下参照）。ピストンシリンダ３０におけるピストン３２がピストンシリンダ３０の容積を減少する限り、バルブディスク３４により多くの開口３６を導入することによって、推進チャンバ６内により多くの圧力パルスを発生させることができる。各放出に関連して、推進チャンバ６と低圧側２５との間の単数／複数の通路は閉じる（さらに以下参照）。ピストン３２がピストンシリンダ３０内の容積を増大させると、ピストンシリンダ３０から低圧側２５への接続は、パルスがインパルスピストン１０へ放出される際の短い期間を除いて、推進チャンバ６に対するバルブディスク３４における単数／複数の開口３６、及び推進チャンバ６と低圧側２５との間の単数／複数の開口を介して開放される。

ピストン３２の動きは正確であり、好ましくは正弦波形のものとして知られている（以下の更なる説明参照）。バルブディスク３４における開口３６の位置及びピストンシリンダ３０におけるピストン３２のピストンストロークは、ピストンシリンダ３０において達成され得る圧縮を決める。ピストン３２のピストンストロークは、例えばピストンシリンダ３０における圧縮の程度を変える傾斜ディスク３８を用いて変えられ得、それによりパルスエネルギを制御できる。パルス周波数は、推進装置１４で制御されるシリンダドラム２８の回転速度で決まる。従って、パルスエネルギとパルス周波数との間には関連性はない。パルス発生装置１８がパルス発生装置１８と同じ軸４２に設けた流体力モーターの形態の推進装置１４で駆動される場合には、回転速度は、流体力モーターにおける流れによって決めることができる。用いられる送り流体力モーターの大きさ（変位）は、モーターにいかなる圧力及び流れを送る必要があるかを決める。モーターは、例えば切削リグにおける利用できる圧力及び流量レベルに適合され得る。モーターが可変である場合には、代わりに、掘削リグにおける圧力及び流量レベルに関して順応性のあるインパルス発生装置２、すなわち穿孔機械を得ることができる。

図２には、好ましくは傾斜ディスクとして設けた角度を成した平面部材３８が示され、この平面部材３８に対して摺動支持体４０を介してピストン３２が支持されている。ピストンの作用する位置に傾斜ディスクに対して摺動支持体を保持する装置３９は小さくてよい。ピストン３２は、シリンダドラム２８及びそれによりピストンシリンダ３０がシリンダドラム２８の回転軸４２のまわりを回転する際に、正弦波形の動きをする。半回転において、ピストン３２は左方へ動き、規定された流体を圧縮し、すなわち推進チャンバ６へ流れパルス（脈動流）を供給する。次の半回転では、ピストン３２は右方へ動き、従って推進チャンバ６を介して低圧側２５（低い側）に接続される（推進チャンバ６にパルスが発生際の短い期間を除いて。さらに以下の説明参照）。

図３〜図８には、インパルス発生装置２のハウジング４に固定したバルブディスク３４の実施形態を示している。

図３には、七つの開口３６、４１、４３、４５、４２、４８、５０を備えたバルブディスク３４が示されており、これらの開口は、シリンダドラム２８と推進チャンバ６との間の通路を形成している。

図４にはシリンダドラム２８が示され、この実施形態では、八つの低圧接続部５４、５６、５８、６０、６２、６４、６６、６８及び八つの開口３１、７２、７４、７６、７８、８０、８２、８４が設けられ、これらの開口３１、７２、７４、７６、７８、８０、８２、８４は各々シリンダドラム２８における別々のピストンシリンダ３０、８６、８８、９０、９２、９４、９６、９８内へ連通している。ピストン３２、８７、８９、９１、９３、９５、９７、９９は各々別々のピストンシリンダ３０、８６、８８、９０、９２、９４、９６、９８内に設けられている。

図５〜図８には、バルブディスク３４を示し、図５〜図８の背後においてバルブディスク３４にシリンダドラム２８が支持されている。図面においてシリンダドラム２８は左方へ回転し、一方、バルブディスク３４は図示位置に取外し可能に固定されている。シリンダドラム２８の回転中、上述のように、バルブディスク３４の左半分で圧縮が行われ、バルブディスク３４の右半分で膨張が行われる。図５〜図８に示す実施形態では、別々のピストンシリンダ８６、８８、９０、９２に設けた四つのピストン８７、８９、９１、９３が共動する。複数のピストンが同時放出によって共動することによって、発生したパルスに比較的多くのエネルギが得られる。任意ではあるが、ピストンシリンダは一度に一つずつ放出されて発生パルスにおいて比較的少ないエネルギが得られ、しかも比較的高いパルス周波数が得られるようにすることもできる。

図５には、圧縮を受けた後に四つの共動するピストン８７、８９、９１、９３に対するピストンシリンダ８６、８８、９０、９２が推進チャンバ６へ放出して、推進チャンバ６内に圧力パルスを発生する状態におけるバルブディスク３４及びシリンダドラム２８を示している。見られ得るように、シリンダドラム２８の低圧チャンネル５４、５６、５８、６０、６２、６４、６６、６８に向う八つの開口は、バルブディスク３４とシリンダドラム２８との間で開放して、推進チャンバ６を低圧側２５に接続させている。

図６には、バルブディスク３４における三つの開口４１、４３、４５がシリンダドラム２８の壁でブロックされることにより閉じられる状態におけるバルブディスク３４及びシリンダドラム２８を示し、バルブディスク３４の左半分の背後に位置したピストンシリンダ３０、８６、８８、９０内の流体は、流体の膨張しているピストンシリンダがシリンダドラム２８における低圧チャンネル５４、５６、５８、６０、６２、６４、６６、６８、推進チャンバ６及びそれらのそれぞれの開口７８、８０、８２、８４を介して低圧側２５に接続されると同時に、圧縮される。

図７には、図６に示される同様な圧力状態下におけるバルブディスク３４及びシリンダドラム２８を示すが、シリンダドラム２８は図６の場合より図７の方がさらに幾分回転されている点で異なっている。

図８には、四つの共動するピストンが推進チャンバ６において圧力パルスを発生しようとする直前の状態におけるバルブディスク３４及びシリンダドラム２８を示している。バルブディスク３４における全部で七つの開口４１、４３、４５、４２、４８、５０、５２、及びシリンダドラム２８の低圧チャンネル５４、５６、５８、６０、６２、６４、６６、６８、に向うバルブディスク３４とシリンダドラム２８との間の全部で八つの開口は、この状態では、バルブディスク３４の右側の背後に位置するピストンの圧縮又は漏れ流れによる損失なしに推進チャンバ６における圧力パルスを最大化するために、シリンダドラム２８の壁によってブロックされる。従って、バルブディスク３４はこの状態では、低圧側２５から推進チャンバ６の範囲を決めている。全ての漏れ流れが低圧側２５に向けられる場合には、流体はパルス発生装置１８には供給されず、その結果パルス発生装置１８は閉回路で作動し得る。しかし、インパルス発生装置を十分に冷却するため必要であるとすれば、流体は循環され得る。推進チャンバ６の圧力が解放される際に生じる急速な流れパルスを平衡させるために、低圧側２５にガス蓄積装置（図示していない）が設けられ得る。

以上、バルブディスクを用いて本発明について説明してきた。シリンダドラムに放射状の開口を設けることも考えられ、これらの放射状の開口はチャンネルを介して推進チャンバに通じるように構成される。

ピストンは好ましくは、冷却及び潤滑用の公知型の整合したドレーン孔及び／又はドレーンチャンネル（図示していない）を備える。流体容積すなわち液体容積には、例えば、水、シリコン油、圧媒油、鉱油、及び不燃性圧媒油の群からの流体が受けられるが、しかしまたその他の流体も考えられ得る。推進チャンバは好ましくは横断面が円形である。パルス発生装置のシリンダは好ましくは推進チャンバの横断面領域に対称的に配列されるが、しかし、任意選択ではあるが非対称的に配列することもできる。インパルス発生装置は回転駆動するように構成される。ピストンは、内方限界動き及び外方限界動きの両方に関して装置３９及び傾斜ディスクによって強制的に作動される。好ましくは、傾斜ディスクの傾きは動作中に手動で又は自動で変えることができる。

このように本発明は、岩盤破砕ツール１２用のインパルス発生装置２におけるパルス発生装置１８に関するものであり、該パルス発生装置１８は、少なくとも一つのピストンシリンダ３０、８６、８８、９０、９２、９４、９６、９８を備えた回転可能なシリンダドラム２８を有し、ピストンシリンダ３０、８６、８８、９０、９２、９４、９６、９８には、少なくとも一つのピストン３２、８７、８９、９１、９３、９５、９７、９９が設けられ、ピストン３２、８７、８９、９１、９３、９５、９７、９９は、シリンダドラム２８の回転中に流体２９を圧縮するように構成され、シリンダドラム２８は、切削ツール（１２）においてインパルスを発生するために、ピストンシリンダ内に開放した少なくとも一つの開口３１、７２、７４、７６、７８、８０、８２、８４を介してピストン３２、８７、８９、９１、９３、９５、９７、９９の放出位置で推進チャンバ６へ流体２９を放出するように構成されている。

インパルス機械は例えば削岩用の穿孔リグに設けられる。

特許請求の範囲内なおいて上記の種々の実施形態で記載したものを組合わせることが可能である。

インパルス発生装置の第１実施形態の概略縦断面図。 図１に示すインパルス発生装置におけるパルス発生装置の第１実施形態の概略縦断面図。 開口を備えたバルブディスクを示す図。 低圧チャンネル、開口及びピストンシリンダを備えたシリンダドラムを示す図。 バルブディスクとバルブディスク支持シリンダドラムとの一つの相対位置関係を示す図。 バルブディスクとバルブディスク支持シリンダドラムとの別の相対位置関係を示す図。 バルブディスクとバルブディスク支持シリンダドラムとの別の相対位置関係を示す図。 バルブディスクとバルブディスク支持シリンダドラムとのさらに別の相対位置関係を示す図。

Claims (15)

1. 推進装置（１４）からのエネルギーを切削ツール（１２）におけるインパルスに変換するように構成した切削ツール（１２）用のインパルス発生装置（２）におけるパルス発生装置（１８）において、
   パルス発生装置（１８）が、少なくとも一つのピストンシリンダ（３０、８６、８８、９０、９２、９４、９６、９８）を備えた回転可能なシリンダドラム（２８）を有し、
   ピストンシリンダ（３０、８６、８８、９０、９２、９４、９６、９８）には少なくとも一つのピストン（３２、８７、８９、９１、９３、９５、９７、９９）が設けられ、
   ピストン（３２、８７、８９、９１、９３、９５、９７、９９）がシリンダドラム（２８）の回転中に流体（２９）を圧縮するように構成され、
   シリンダドラム（２８）が、切削ツール（１２）においてインパルスを発生するために、ピストンシリンダ（３０、８６、８８、９０、９２、９４、９６、９８）内に開放した少なくとも一つの開口（３１、７２、７４、７６、７８、８０、８２、８４）を介してピストン（３２、８７、８９、９１、９３、９５、９７、９９）の放出位置で推進チャンバ（６）へ流体（２９）を放出するように構成されていること
   を特徴とするパルス発生装置（１８）。
2. シリンダドラム（２８）が回転可能に設けられるバルブディスク（３４）における少なくとも一つの開口（４１、４３、４５、４２）が、ピストン（３２、８７、８９、９１、９３、９５、９７、９９）の放出位置でピストンシリンダ内に開放する少なくとも一つの開口（３１、７２、７４、７６、７８、８０、８２、８４）に対向してシリンダドラム（２８）と推進チャンバ（６）との間の通路を形成するように構成されていることを特徴とする請求項１記載のパルス発生装置（１８）。
3. ピストンシリンダに開放するシリンダドラム（２８）の少なくとも一つの開口（３１、７２、７４、７６、７８、８０、８２、８４）が放射状に設けられ、そしてピストン（３２、８７、８９、９１、９３、９５、９７、９９）の放出位置でシリンダドラム（２８）と推進チャンバ（６）との間の通路に対向するように構成されていることを特徴とする請求項１記載のパルス発生装置（１８）。
4. 多数のピストン（３２、８７、８９、９１、９３、９５、９７、９９）が同時に放出するように構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載のパルス発生装置。
5. ピストン（３２、８７、８９、９１、９３、９５、９７、９９）が一度に一つずつ放出するように構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載のパルス発生装置。
6. パルス発生装置（１８）がさらに角度を成した平面部材（３８）を有し、この角度を成した平面部材（３８）に対して、少なくとも一つのピストン（３２、８７、８９、９１、９３、９５、９７、９９）がシリンダドラム（２８）の回転中に支持するように構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載のパルス発生装置。
7. 角度を成した平面部材（３８）が傾斜ディスクであることを特徴とする請求項６記載のパルス発生装置。
8. ピストンが、摺動支持体（４０）を介して傾斜ディスク（３８）に支持していることを特徴とする請求項７記載のパルス発生装置。
9. 傾斜ディスク（３８）が調整可能に設けられ、それにより、ピストン（３２、８７、８９、９１、９３、９５、９７、９９）のピストンストロークが変更されてピストンシリンダ（３０、８６、８８、９０、９２、９４、９６、９８）における圧縮程度を変化させ、それによりパルスエネルギを制御できることをことを特徴とする請求項７又は８記載のパルス発生装置。
10. パルス発生装置（１８）が流体力で駆動され、パルス発生装置（１８）の低圧側（２５）が、流体力推進装置（１４）の低圧側（２５）に接続されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項記載のパルス発生装置。
11. パルス発生装置（１８）が電気的に駆動されることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項記載のパルス発生装置。
12. パルス発生装置（１８）のパルス周波数がシリンダドラムの回転速度で決まることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項記載のパルス発生装置。
13. パルス発生装置（１８）及び推進装置（１４）が同一の軸（４２）に設けられていることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項記載のパルス発生装置。
14. 流体容積において、例えば群：水、シリコン油、圧媒油、鉱油、及び不燃性圧媒油からの流体が受けられることを特徴とする請求項１〜１３記載のパルス発生装置。
15. 請求項１〜１４記載のパルス発生装置（１８）を有することを特徴とするインパルス機械。

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