JP5216144B2 - 粉塵を固めるために使用する水の量を調節する装置 - Google Patents

Description

発明の背景

本発明は、掘削装置による削岩において粉塵を固める装置に関するものであり、掘削装置は、孔を掘削する削岩機と、フラッシングエアを掘削孔に供給する手段と、掘削中に発生した粉塵をフラッシングエアから分離する手段と、掘削中に生じた岩粉に液体を供給して岩粉を固める手段とを含み、そのため本装置は、岩粉に供給される液体の量を調節する少なくとも１つの作動部を含むものである。

削岩中に生じた岩粉を固めるために、今日では液体噴霧式フラッシングがごく一般的に採用され、これは、空気と液体、通常は水を霧状の滴として掘削孔に供給するものである。液体噴霧式フラッシングは一般に、主に地上での掘削に適用される。

液体噴霧式フラッシングで使用される水や種々の添加剤を含む溶液などの液体の量は、きわめて厳密である。これは、液体の量が少なすぎると岩粉を十分に固めることができず、また液体の量が多すぎると粉塵除去装置を詰まらせてしまうことがあるからである。

現在、水量は、掘削装置の操作室にある弁を使って手動で調節する。この場合、液体供給用ホースを操作室に通さねばならず、配設が複雑になり、必要なホースの量が多くなってしまう。また、処理過程における圧力変動により液体流量が絶え間なく変化するため、操作者は、常に流量を観察しながら流量を適切なレベルに調整しなければならない。理論上は、圧力補償型流量調整弁を使用できようが、例えば、水による腐食の影響で、水に適した流量調整弁は、費用がかかり、少量の汚泥でさえも非常に影響を受けやすい。そのため、実際にはこれらの弁で望みどおりの制御精度を得ることができない。

発明の簡単な説明

本発明の目的は、液体噴霧式フラッシングに関連して水の供給量を容易かつ確実に調節できる方法および装置を供することにある。

本発明に係る装置は、作動部が複数のオン／オフ式並列制御弁を含み、これらの弁は一度に１つ以上を同時に開放および／または閉鎖切換え可能であり、異なる弁を切り換えて異なる組合せで別々または同時に開くことによって異なる液体流量を達成することを特徴とする。

本発明の基本的な発想は、液体噴霧式フラッシングまたはその他の粉塵を固めるのに使用される水などの液体の量を、複数のオン／オフ並列弁を含むデジタル式の体積流量制御装置で調節することであり、各弁は、一度に１つ以上の弁を開き位置または閉じ位置になるよう制御することで、所望の液体量を達成することができる。また、本発明の実施例の発想は、弁の開口量を２進符号化することにあり、これは、開いている弁の流量が常に、その前にある小さい流量の弁の実質的に２倍であることを意味する。

本発明の実施例によると、各弁の入力側と出力側間の圧力差を測定し、圧力差に応じて弁を調節することで流量を実質的に一定に維持する。本発明の別の実施例によれば、このような圧力補償に基づく調節は自動で行われる。

本発明は、開いている弁の組合せを適切に選択するだけで、水などの液体の流量を十分な精度で所望のレベルに調整できるという効果を奏する。また、調節を全自動で行うことができるため、掘削担当の操作者は別途水量の調節に専念しなくてもよいという効果もある。さらに本発明の効果として、液体を供給して調節を行うのに液体を送るホースを操作室に引く必要はなく、最短ルートで配することができる。これは、弁が電気制御されているためである。また本発明には、このような方式に用いられる弁が開き位置または閉じ位置のある単純な弁であるため、不具合が出やすいとか汚泥に弱いとかいう問題がないという利点がある。本発明には、比例弁に比べ、１つの弁に不具合が起きても、その後の液体が希望通りの精度で供給されなくなるものの、掘削が中断されることはないという利点もある。さらに、本発明における弁は安価であり、圧力補償に複雑な測定装置を必要とせず、通常の単純な圧力差測定法で補償を行うことができる。

本発明を、添付図面にてより詳細に説明する。
液体噴霧式フラッシングを用いる掘削装置を概略的に示す図である。 液体噴霧式フラッシングおよび脱塵に適用可能な簡易接続を概略的に示す図である。 ないし 本発明で用いるデジタル制御される２進符号作動弁接続を概略的に示す図、およびその動作を概念的に表に示す図である。 および 弁を使用して実行したプログラムの実際の特性曲線を概略的に示す図、および同様の方法で実行した１組の弁の補償特性曲線を示す図である。 圧力補償を利用して水の流量を調節する様子を概略的に示す図である。 本発明に係る実施例による接続を概略的に示す図である。 本発明に係る実施例による別の接続を概略的に示す図である。

発明の詳細な説明

図１は削岩装置を示し、削岩装置はそれ自体が公知の形態でキャリア１を含み、キャリア１にはブーム２が取り付けられている。削岩機を備えた送りビーム３がブーム２の端部に設けられている。また、削岩装置は一般に、図示されていないが加圧空気をドリルロッドを通して掘削孔に供給する圧縮機を備え、ドリルロッドと掘削孔との間にできる円形空間から空気が出る際に、この空気が掘削屑、すなわち岩粉とそれよりも粗い物質を孔から運び出す。これらの装置およびその動作は、それら自体が当分野において公知のものであり、当業者にとって自明のことであるため、本明細書での詳述は不要であろう。送りビームの前端部には吸引ノズル４がドリルロッドを囲むように設けられ、掘削中に被掘削孔を囲むように地盤にしっかりと押し付けられる。吸引ホース５が吸引ノズル４から前分離器６につながり、前分離器で粗い物質が粉塵から分離される。前分離器６からは粉塵および吸気がホース７を伝って粉塵分離器８へと進む。粉塵分離器は通常、削岩装置の後部に配設される。粉塵分離器では、粉塵が吸気から分離され、分離された粉塵は粉塵分離器８内に蓄積する。蓄積した粉塵は、適宜の間隔で地面へ送り出すことで粉塵分離器８から除去される。粉塵分離器の動作は、図２に関連して詳細に説明する。

図２は、本発明を実現するのに適した粉塵分離装置を概略的に示した図である。このような粉塵分離装置および粉塵分離器は一般に、これら自体が公知のものであるので、本明細書ではその詳細な説明は不要であろう。本図は、フラッシング弁10を有するフラッシング・エアダクト９を示している。空気が圧縮機11によってフラッシング・エアダクト９を伝って供給されるが、この空気はフラッシング弁10で制御され、ドリルロッド12を介してドリル孔13に供給されて、掘削中に発生する掘削屑を除去する。同時に、液体容器14内の液体が、弁16で制御される導管15を通してこのフラッシングエアに供給される。液体の量は別の作動器17によって調節され、これによって液体は、好ましくは霧状でフラッシングエアと混ざる。フラッシングエアによって運ばれる液体は、発生した岩粉の大半を湿らせて結合させる。掘削孔から出るフラッシングエアは、吸引通風機8aで吸引されて、ホース５を通って前分離器６に送られ、さらにホース７を通って粉塵分離機８に送られる。図１の前分離器は、本発明ではさほど必要ではないが、前分離器で粗い物質がフラッシングエアから分離され、粉状物質は空気とともにさらに粉塵分離器８へと送られる。粉塵分離器８では、粉塵はフィルタ8bに残り、空気はフィルタ8bを通り抜けて、実質的に無塵状態で粉塵分離器の外に出る。粉塵は、適宜の間隔ごとに一塊として粉塵分離器８から排除される。粉塵を除去するために、粉塵分離器８は上部が弁18を介して圧力空気ダクト９に連結されている。掘削が終わってフラッシングエアを粉塵分離機へ吸引する必要がなくなると、波状の圧縮空気を弁18によって粉塵分離器８に与え、その後、粉塵はフィルタから除去されて粉塵分離器の底部に落ちる。作動器19を使用して、波状の圧縮空気を与える前および／またはその最中に、液体が槽14から導管20を通して霧状または非常に小さな滴としてノズル21などから粉塵分離器８の底部に供給される。液体を供給するために、例えば本図に示す方式を用いて、導管22を伝って弁23から液体容器の上部に圧縮空気を供給することで、液体は圧縮空気の圧力下で容器14から押し出される。必要に応じて、波状の圧縮空気を与える前およびその最中の両方において、つまり実質的に粉塵除去の直前および／または粉塵除去工程全体にわたって、液体を供給してもよい。液体を粉塵分離器の底部に供給する結果、フィルタ8aから落ちる粉塵はかなり湿り、粉塵分離器の底部の外に落ちる頃には固体化して、空中に散らばらなくなる。作動器17および19の原理および動作は、図3a〜図3cならびに図4aおよび図4bに関連して詳細に説明する。

液体の供給および粉塵の除去を制御するために、独立した制御装置24の使用が可能であり、制御装置は上述の各弁のほかに、圧縮機および粉塵分離器の吸引通風機も制御するように接続されている。制御装置は、非常に好ましくは制御線25によって、それ自体が実際の掘削を制御するものとして公知である機器に接続されて、制御線25を介して制御信号を受信し、この信号に基づいて制御装置24は、粉塵除去の際、必要に応じて液体をフラッシングエアまたは粉塵分離器のいずれかに供給する。制御装置24は、機器を様々な方法で制御するように接続してよい。したがってこの制御は、例えば、削岩機を戻り動作へ、または特定の掘削段階を示す他の何らかの信号もしくは識別子へ切り替えることに基づくものでよい。制御装置24は、実際の掘削作業を制御する装置の一部を構成し、とくにこの目的のために設けられた装置として機能してもよく、または実際の掘削作業を制御する機器がコンピュータまたは同様の装置である場合には、ソフトウエアで実現してもよい。所望に応じて弁26を通して圧縮空気を粉塵分離器８の底部に供給することもできるが、これは必要でない。

図3aおよび図3cは、デジタル制御される作動器の構造を概略的に示し、これは、異なる流量のオン／オフ式並列弁V1〜V4を複数用いるものである。理論上は、様々に流量を選択できるはずだが、好ましくは、個々の弁のポートのサイズをそれぞれ異ならせて、チョークK1〜K4で概略的に示す流水量に及ぼす塞流効果を各弁ごとに異ならせている。これは、最も簡単には、弁のポートすなわち塞流を次のように選択することで実現される。すなわち、弁間の圧力差を同じにして各弁を通る液体の流量Qが常に、前の、それより低い水流量の２倍の量になるように、つまり図に1xQ、2xQ、4xQおよび8xQで示す流量になるようにすることである。実際に、このように比例した弁を製造したり、とくにこれらの弁を簡単に市場で入手したりすることが絶対に可能という訳ではなく、よって、精度を維持するには、図4aおよび図4bに示すような制御を行うとよいだろう。

図3bは、図3aにおける４個の並列弁の接続を１個の弁として概略的に示している。ここで、本図は段階制御弁を示し、４桁の２進符号(n=4)によって制御が行われる。

図3cは、図3aに係る弁の流量を概略的に示し、弁は４ビットの２進符号で制御される。弁V1における液体の流量は1ｘQであり、弁V2では2ｘQ、弁V3では4ｘQ、そして弁V4では8ｘQである。２進符号が0の場合、どの弁にも液体は流れない。２進符号が1000の場合には、弁V1のみが開き、液体の流量はQとなる。２進値が0100のときは、弁V2のみが開き、その場合の流量は2ｘQである。２進値が３、すなわち1100の場合、弁V1およびV2が両方開き、流量は3ｘQとなる。このように、２進符号を変えることで、２進符号1111、つまり15で最大流量が15ｘQとなる。したがって、４個のオン／オフ式並列弁を使用した場合、液体の流量は理論上、正確に15段階に調節でき、各弁を同じ圧力差で流れる液体の量を比例させて、弁の液体流量が常に、隣接のより小さい弁における液体流量のちょうど２倍となるようにする。

このデジタル式体積流量制御システムを使用することで、公知の比例弁における圧力変動および混入物に起因する脆弱性を抑制するとともに、十分な制御精度を達成できる。制御精度の選択は、必要に応じて十分な数のオン／オフ式並列弁を取り付けることで簡単に行えるため、最も小さい弁の流量は必要な最低の流量または流量変化に対応し、またすべて弁の総流量は所望の最大流量に対応する。なお、弁の１つが損傷したり、その流路が遮断されたりした場合、制御精度および最大流量は低下するものの、水の流量の調節は可能である。また、高品質で信頼度の高い比例弁に比べ、このような弁の購入価格はかなり低く、欠陥弁を、機能している新しいものと交換する方がむしろ安上がりである。

図4aおよび図4bは、数個(すなわち７個)の弁１組を備える作動器の実際の流量、および２進符号補正によって得られる使用可能な動作特性曲線を示している。図4aは、連続する２進値0〜127のすべてを用いて作動器を論理制御した場合における作動器の流量を示す。

図4aは、8ビットの倍数、より大きい値では32ビットの制御信号で流量が明瞭に偏位することを示している。これらの点では、水の流量は２進値の増加に関係なく低下したか、あるいは連続値にとどまった。これは、各弁の比例関係が完全に２進符号に対応するという訳ではなく、ある程度互いに異なっているためである。これは、この実験では、市販の弁の流路の特性、すなわちそれらの弁がもたらす塞流効果が標準的な弁の２進値からある程度外れたことによる。

図4bは最終的な流量曲線を示し、この場合、流量を低下させる２進値が作動器の制御から除去され、そのため約95の段階を有する作動器が実現され、その流量は入力された２進値にほぼ線形に従う。

実際には、次のように制御を行う。すなわち、例えば、許容範囲にある２進値の表を編成し、次に制御システムが、流量に比例する所要の２進符号をその表から系統的に取り出して作動器で各弁を調節する。

作動器17および／または19における圧力差は決して一定のままでなく、ある程度変化するので、供給される水の体積流量は圧力差の変動に応じて変化可能であったものの、この圧力差は必ずしも許容できるものではない。この点は、作動器17および／または19の入力側と出力側との圧力差を測定することで解決できる。作動器は、適用可能なすべての２進符号およびこれらに相応する0と最大値との間の流量を用いて、様々な圧力差の値で領域全体の水の流量を測定することによって較正する。これにより、例えば、各２進符号毎に異なる圧力差の値で水の流量を規定する表を複数作成することができる。自動制御では次のようにしてもよい。すなわち、圧力差測定を用いて作動器17および／または19の動作を制御し、圧力が変化すると、各圧力値に最も近い表を制御装置が自動的に選択して、プリセットした流量に対応する２進符号をその表から選んで、その２進符号を使って特定の時点における弁を調節する。この制御の接続関係は、作動器17に関連する一例として図５に概略的に示されている。この図では、圧力計Mpが接続されて作動器17の入力側の圧力p1および出力側の圧力p2を計測することで、作動器17にかかる圧力差Dpを得る。その後、圧力差値Dpを制御装置24で使用してもよく、制御装置24は、作動器用のデジタル２進符号を変更して、圧力差の値に応じて弁を開閉する。こうして制御装置24で制御されると、供給水の流量の値は十分な精度で所望の値を維持する。あるいは、この圧力差測定に基づいて、各２進符号に対応する流量の値を例えば所定の式に従って補正することもできる。この場合、表を２つ以上使用しなくてよい。同様に、この圧力差測定を適用していくつかの表を使用し、圧力差測定に基づいて１つ以上の中間値を、例えば線形に、または適切な曲線に従って表の各値の間を補間するようにしてもよい。これは、作動器19についても同様に実行できる。

図６は、本発明の実施例による別の接続を概略的に示している。その他の点では、本図における接続は図２における接続に対応しているので、一致する部分についてはこれ以上説明しない。本実施例は、付加的な３位置弁27を含み、この弁は通常の三方弁でもよく、この弁を使って作動器17および19ならびに液体容器14に接続する流路15を閉じ、作動器17および19で終端する流路を大気に開放してもよい。このようにして、通常時に作動器17および19を流れる液体の流れ方向に逆らって圧縮機からこれらの装置を介して圧縮空気を供給することが可能であり、これにより、弁内に蓄積する汚れが除去されて、弁の動作の信頼性をより長期間維持できる。

図７は、本発明の実施例によるさらに別の接続を概略的に示す。この接続もまた、図２に示す接続に対応しているため、ここでは一致する部分についてこれ以上説明しない。本実施例では、液体容器14につながる独立した圧縮空気用導管22およびそれに付随する構成要素は省略している。容器14への空気の供給は、本例では、作動器のフラッシングに用いる空気を作動器17から流路15を通して容器14に供給することで実現し、そうすることによって、容器14の容積を選択して、容器14に供給される空気の量が少なくとも1回の掘削期間中に液体を供給するに足る量になるようにする。各掘削段階において、好ましくは、作動器17および／または19を洗浄する間、次の掘削段階中に水または他の液体を供給するのに必要な量と同程度の空気を容器14に供給する。この方式を用いることで、もとより少ない導管、ホースおよび構成部品の数がより少なくなる。

本発明をほんの一例として明細書および図面にて上述したが、本発明はこれに限定されるものではない。作動器17に関連して述べたように、粉塵分離器8に供給される液体の量は、作動器19を用いて正確に調節できる。作動器19の構造および動作は上述の作動器17と類似するものであり、また同様に、圧力差測定をそれに用いることで制御精度が向上し、より簡易な制御を実現できる。

Claims (11)

1. 孔を掘るための削岩機と、フラッシングエアを掘削孔に供給する手段と、掘削中に発生した粉塵をフラッシングエアから分離する手段と、掘削中に発生した岩粉に液体を供給して岩粉を固める手段とを含む掘削装置を使って削岩時に粉塵を固める装置であって、前記岩粉に供給される液体の量を調節する少なくとも１つの作動部を含み、該作動部は複数のオン／オフ式並列制御弁を含み、該弁は一度に１つ以上が同時に開放および／または閉鎖切換え可能であり、異なる弁を切り換えて異なる組合せで別々または同時に開くことによって異なる液体流量を達成する装置において、該装置は、前記作動部に作用する圧力差を測定する手段を含み、制御装置が配設されて該作動部を測定した圧力差に基づいて制御することを特徴とする装置。
2. 請求項１に記載の装置において、前記制御弁の少なくともいくつかの流路は、断面積が他の制御弁の断面積と異なることを特徴とする装置。
3. 請求項２に記載の装置において、前記制御弁の流路の断面積は、１つの制御弁の流路の断面積とその次に大きい制御弁の流路の断面積とが実質的に1:2の比を有するように比例させ、これによって前記制御弁を２進符号に基づいて調節することを特徴とする装置。
4. 前記請求項のいずれかに記載の装置において、該装置は前記作動部を制御する制御装置を含むことを特徴とする装置。
5. 請求項４に記載の装置において、前記作動部を流れる水の流量は、前記２進符号の各値を用いて弁数に応じて測定し、これらの２進符号値のみを選択して前記作動部を制御し、連続的に使用すると実質的に線形な変化を流量にもたらすことを特徴とする装置。
6. 請求項５に記載の装置において、前記選択された２進符号の値で少なくとも１つの表を編成し、前記制御装置は、入力される流量値に基づいてその都度必要な２進符号を該表から選択することを特徴とする装置。
7. 請求項４ないし６のいずれかに記載の装置において、前記制御装置は、各２進符号に対応する流量値を、圧力差測定に基づいて所定の式に従って補正するよう構成されていることを特徴とする装置。
8. 請求項４ないし７のいずれかに記載の装置において、前記作動部を流れる水の流量を多くの異なる圧力差値で測定し、各圧力差測定値毎に対応した２進符号値の制御表を編成し、前記制御装置は、前記測定された圧力差に対応する流量値で前記表の２つの圧力値に対応する流量値の間を補間するように構成され、前記２つの圧力値は、一方が前記測定した圧力値より高く、他方は低いことを特徴とする装置。
9. 請求項４ないし８のいずれかに記載の装置において、前記作動部を流れる水の流量を多くの異なる圧力差値で測定して、各圧力差測定値毎に対応した２進符号値の制御表を編成し、前記制御装置は、前記作動部で使用する２進符号を、前記測定された圧力差に最も近い圧力差値の制御表から都度選択するよう構成されていることを特徴とする装置。
10. 前記請求項のいずれかに記載の装置において、少なくとも１つの作動部を配設して、掘削孔に供給される前記フラッシングエアに供給される液体の量を調節することを特徴とする装置。
11. 前記請求項のいずれかに記載の装置において、前記粉塵をフラッシングエアから分離する手段は、分離集塵機と、水を除去すべき粉塵に供給する手段とを含み、少なくとも１つの作動部を配設して前記分離集塵機から除去すべき粉塵に供給する水を調節することを特徴とする装置。

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