JP5509095B2 - 脈動発生装置及びかかる装置を備えた削岩装置 - Google Patents

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弾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、エネルギーが本質的に蓄積された弾性エネルギーであり、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、本質的に、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あ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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