NO20130271A1 - Høyfrekvent væskedrevet borhammer for perkusjonsboring i harde formasjoner - Google Patents

Abstract

Det er vist en væsketrykkdrevet, høyfrekvent perkusjonshammer for boring i harde formasjoner. Perkusjonshammerens hammerstempel (20) har en langsgående relativt stor boring (41) som gir minimal strømningsmotstand for en borevæske gjennom boringen (41) under hammerstempelets (20) returslag. Boringen (41) er lukkbar i oppstrømsretningen av en ventilplugg (23) som følger hammerstempelet (20) under slaget. Ventilpluggen (23) er styrt av en relativt lang og slank ventilstamme (49) som mekanisk er i stand til å stoppe ventilpluggen (23) ved om lag 75 % av hammerstempelets (20) fulle slaglengde og skiller den fra en setetetning (40). Dermed åpner boringen slik at borevæsken kan strømme gjennom, og ventilstammens (49) iboende strekkfjæregenskaper returnerer ventilpluggen (23) så raskt at det blir god gjennomstrømning under hammerstempelets (20) retur. En magnet (58) holder ventilstammen (49) på plass.

Description

Høyfrekvent væskedrevet borhammer for perkusjonsboring i harde formasjoner.

Foreliggende oppfinnelse vedrører en væsketrykkdrevet, høyfrekvent perkusjonshammer for boring i harde formasjoner, der perkusjonshammeren omfatter et hus som i sin ene ende har påmontert en borkrone som skal virke direkte mot den harde formasjon, hvilken perkusjonshammer omfatter et hammerstempel bevegelig opptatt i huset og virker mot borkronen, hvor hammerstempelet har en langsgående boring med forutbestemt strømningskapasitet og boringen er lukkbar i oppstrømsretningen av en ventilplugg som følger hammerstempelet under slaget inntil den blir mekanisk stoppet, hvilken ventilplugg er styrt av en tilhørende ventilstamme som er glidbart opptatt i en ventilstammehylse, der ventilstammen omfatter stoppinnretninger som stopper ventilpluggen og sender den i rask retur ved en forutbestemt prosentandel av hammerstempelets fulle slaglengde og skiller ventilpluggen fra en setetetning på hammerstempelet slik at boringen dermed blir åpen og tillater borevæsken å strømme fritt gjennom boringen slik at hammerstempelet kan rekylere med liten motstand.

En perkusjonshammer av denne type er kjent fra US 4,450,920 og PCT/NO2012/050148. Ytterligere eksempler på kjent teknikk er vist i SE444127B og US2758817A.

Hydraulisk drevet riggmontert perkusjonshammer for boring i fjell har vært i kommersiell bruk i over 30 år. Disse brukes med skjøtbare borstenger hvor boredybden begrenses av at slagenergien taper seg gjennom skjøtene slik at lite energi til slutt kommer frem til borekronen.

Nedihulls borhammer, dvs borhammer montert rett over borekronen, er mye mer effektiv og brukes i stor utstrekning for boring av brønner ned til 2-300 m dybde. Disse er trykkluftdrevne og med trykk opp til ca 22 bar, som da begrenser boredybden til ca 220 m dersom det er vanninnsig i brønnen. Høytrykks vanndrevne borhammere har vært kommersielt tilgjengelig i ca 10 år, men disse er av begrenset størrelse, så vidt kjent opp til ca 130 mm hulldiameter. De er dessuten kjent for å ha begrenset slagfrekvens, relativt lav virkningsgrad, og for å ha begrenset levetid og er ømfintlige for urenheter i vannet. De brukes i stor utstrekning i gruveindustrien ettersom de borer meget effektivt og borer veldig rette hull. De brukes i begrenset omfang til vertikal hullboring ned til 1000 - 1500 m dybde, og da uten retningskontrollutstyr.

Det er ønsket å fremstille nedihulls, borevæske drevet borhammere som kan brukes sammen med retningskontrollutstyr, som har høy virkningsgrad, kan brukes med vann som borevæske, kan også brukes med vannbasert borevæske med tilsetninger og har økonomisk levetid. Det er forventet stor anvendelse både til dypbrønnsboring for geotermisk energi samt for vanskelig tilgjenglig olje og gassresurser.

Ved perkusjonsboring brukes borekroner med innsatte hardmetallknaster, såkalte "indenters". Disse er laget av wolfram karbid og er typisk fra 8 til 14 mm i diameter og med sfærisk eller konisk ende. Ideelt sett skal hver "indenter" slås med optimal slagenergi i forhold til bergets hardhet, trykkfasthet, slik at den lager et lite krater i berget. Borekronen roteres slik at neste slag ideelt sett danner et nytt krater med forbindelse til det forrige. Borediameter og geometri bestemmer antall "indenter".

Optimal slagenergi bestemmes av bergets trykkfasthet, det bores i bergarter med trykkfasthet over 300 MPa. Tilførsel av slagenergi utover det optimale, er tapt energi ettersom den ikke destruerer berget, men forplanter seg som energibølger. For lite slagenergi lager ikke krater i det hele tatt. Når slagenergi per "indenter" er kjent og antall "indenter" er bestemt, da er optimal slagenergi for borekronen gitt. Inndrift, eller borsynk, (ROP - rate of penetration) kan da økes kun med å øke slagfrekvensen.

Mengden borevæske som pumpes bestemmes av minimum nødvendig returhastighet (annular velocity) i ringrommet mellom borestrengen og hullveggen. Denne bør være over 1 m/s, helst 2 m/s, for at den utborede masse, borkaks, skal bli transportert til overflaten. Jo hardere og sprøere berget er, og jo høyere slagfrekvens en får til, jo finere blir borkaksen, og desto saktere returhastighet kan aksepteres. Hardt berg og høy frekvens vil produsere borkaks som fortoner seg som støv eller fin sand.

Den hydrauliske effekten tilført borhammeren er bestemt av trykkfallet multiplisert med pumpet mengde per tidsenhet.

Slagenergien per slag multiplisert med frekvensen gir effekten. Ser vi på et tenkt eksempel der det skal bores i granitt med 260 MPa trykkfasthet og borediameter er 190 mm, pumpes det 750 L/min (12,5 L/s) vann fra overflaten. Det kalkuleres med ca 900 J som optimal slagenergi.

Med henvisning til kjente data for tilsvarende boring, men med mindre diametre, kan en påregne en borsynk på 22 m/t med en slagfrekvens på 60 Hz. Vi regner her med å øke slagfrekvensen til 95 Hz, følgelig blir ROP da 35 m/t. Nødvendig netto effekt på borekronen blir da: 0,9 kJ x 95 = 86 kW. Vi regner den foreliggende hammerkonstruksjon til å ha en mekanisk-hydraulisk virkningsgrad på 0,89, hvilket da gir 7,7 MPa nødvendig trykkfall over hammeren.

Denne borhammeren vil da bore 60 % raskere og med 60 % mindre energiforbruk enn kjente tilgjengelig vanndrevne borhammere.

Dette oppnås med en perkusjonshammer av den innledningsvis nevnte type, som kjennetegnes ved at stoppinnretningene omfatter en magnet, hvilken magnet samvirker med ventilstammen for å være i stand til å tilbakeholde ventilstammen og dermed ventilpluggen under forutbestemte omstendigheter.

Det skal dermed forstås at ventilstammens stoppinnretninger har evne til å holde ventilpluggen i ro i fullt returnert posisjon inntil hammerstempelets setetetning ved retur møter denne, trykket bygges opp og syklusen gjentas. Ventilmekanismens karakter og evne til hurtig og presis veksling gjør at det ikke er denne som begrenser slagfrekvensen, men hammerstemplets egne rekylegenskaper. Dette gir den foreliggende perkusjonshammer høy slagfrekvens, lite hydrodynamiske tap og høy virkningsgrad.

Med fordel omfatter stoppinnretningene en stopperplate på ventilstammens oppstrømsende og en samvirkende innvendig stoppflate i ventilstammehylsen.

I en utførelse kan magneten være plassert på en oppstrøms plassert montasjeplate.

I en andre utførelse kan magneten utgjøre eller være en del av stopperplaten på ventilstammen, og selve montasjeplaten være magnetisk.

I en utførelse kan den forutbestemte prosentandel av hammerstempelets fulle slaglengde være i størrelsesorden 75 %.

Det er ventilstammens iboende strekkfjæregenskaper som returnerer ventilpluggen, idet ventilstammen er lang og slank.

Med fordel kan perkusjonshammeren videre være utstyrt med en innløpsventilsammenstilling som ikke åpner for drift av hammerstempelet før trykket er bygget opp til om lag 95 % av fullt arbeidstrykk, idet innløpsventilsammenstillingen er tilpasset til å stenge et hovedløp og at et sideløp i hammerhuset trykksetter et ringrom mellom hammerstempelet og huset som løfter hammerstempelet til tetning mot ventilpluggen.

Hammerstempelet og ventilsammenstillingen returneres med rekyl, der både hammerstempelet og ventilsammenstillingen er utstyrt med hydraulisk demping som kontrollerer retardasjonen av returslaget til stopp.

I en utførelse skjer den hydrauliske demping med et ringstempel som blir presset inn i en motsvarende ringsylinder med kontrollerte klaringer, og dermed struper evakueringen av den innesperrede væsken.

Videre kan en åpning være anordnet i toppen av ventilstammehylsen, i hvilken åpning ventilstammens stopperplate er i stand til å entre, idet stopperplatens radielle parti tetter, med relativt trang radiell klaring, mot innsiden av åpningen. Perkusjonshammerhuset kan være inndelt i et innløpsventilhus, et ventilhus og et hammerhus.

Hammerkonstruksjonen ifølge den foreliggende oppfinnelse er av typen såkalt direktevirkende hammer (Direct Acting Hammer), dvs at det er en lukkeventil på hammerstempelet som i lukket stilling gjør at trykket driver den frem, og i åpen stilling gjør at hammerstempelet utsettes for rekyl. Den andre varianten av hydraulisk drevne hammere har ventilstyring som posisjonstvangsstyrer stempelet i begge retninger. Dette gir dårligere virkningsgrad, men mer presis styring av stempelet.

Nøkkelen til god virkningsgrad og høy slagfrekvens ligger i ventilkonstruksjonen. Den må virke med høy frekvens og har god gjennomstrømmingskarakteristikk i åpen stilling.

Borhammerkonstruksjonen kan med stor fordel også anvendes som overflatemontert hydraulisk drevet hammer for boring med borstenger, men det blir anvendelse som nedihulls borhammer som blir detaljbeskrevet her.

Andre og ytterlige formål, særtrekk og fordeler vil fremgå av den følgende beskrivelse av foretrukne utførelser av oppfinnelsen, som er gitt for beskrivelsesformål og gitt i forbindelse med de vedlagte tegninger, hvor: Fig. 1 viser skjematisk en typisk hydraulisk overflate borhammer for bruk med skjøtbare borstenger.

Fig. 2A viser et oppriss av en nedihulls borhammer med borkrone,

Fig. 2B viser borhammeren i fig. 2A dreid om lag 90°,

Fig. 2C viser et riss i retning pilene A-A i fig. 2A,

Fig. 2D viser et riss i retning pilene B-B i fig. 2A,

Fig. 3A viser et lengdesnitt av borhammeren vist i fig. 2A der de innvendige hoveddelene er vist,

Fig. 3B viser et tverrsnitt langs linjen A-A i fig. 3A,

Fig. 3C viser et tverrsnitt langs linjen B-B i fig. 3A,

Fig. 3D viser et tverrsnitt langs linjen C-C i fig. 3A,

Fig. 3E viser et tverrsnitt langs linjen D-D i fig. 3A,

Fig. 3F viser et 2 ganger forstørret, innsirklet detaljutsnitt H i fig. 3A,

Fig. 3G viser et 2 ganger forstørret, innsirklet detaljutsnitt H i fig. 3A,

Fig. 3H viser et 5 ganger forstørret, innsirklet detaljutsnitt F i fig. 3A,

Fig. 31 viser et 5 ganger forstørret, innsirklet detaljutsnitt G i fig. 3A,

Fig. 4A viser tilsvarende det som er vist i figur 3A, men i slutten av en akselrasjonsfase,

Fig. 4B viser et oppriss av ventilsammenstillingen vist i snitt i fig. 4A,

Fig. 4C viser et tverrsnitt langs linjen B-B i fig. 4A,

Fig. 4D viser et 5 ganger forstørret, innsirklet detaljutsnitt A i fig. 4A,

Fig. 4E viser et 5 ganger forstørret, innsirklet detaljutsnitt C i fig. 4A,

Fig. 5A viser tilsvarende det som er vist i fig. 3A og 4A, men i det øyeblikk når hammerstempelet slår mot anslagflaten i borkronen,

Fig. 5B viser et 5 ganger forstørret, innsirklet detaljutsnitt A i fig. 5A,

Fig. 5C viser et 4 ganger forstørret, innsirklet detaljutsnitt B i fig. 5A,

Fig. 6A viser tilsvarende det som er vist i fig. 3A, 4A og 5A, men når hammerstempelet er i full retur,

Fig. 6B viser et 5 ganger forstørret, innsirklet detaljutsnitt A i fig. 6A,

Fig. 6C viser et 20 ganger forstørret, innsirklet detaljutsnitt C i fig. 6E,

Fig. 6D viser et 4 ganger forstørret, innsirklet detaljutsnitt B i fig. 6A,

Fig. 7A viser tilsvarende det som er vist i fig. 3A, 4A, 5A og 6A, men når hammerstempelet er i siste del av returen,

Fig. 7B viser et 20 ganger forstørret, innsirklet detaljutsnitt B i fig. 7C,

Fig. 7C viser et 4 ganger forstørret, innsirklet detaljutsnitt A i fig. 7A,

Fig. 8 viser kurver som illustrerer hammerstempelets og ventilens arbeidssyklus, Fig. 9A viser kurven som illustrerer ventilens bratte lukkekarakteristikk med hensyn til trykkfall, og

Fig. 9B illustrerer strømning og trykkfall over den gradvis lukkende ventil.

Fig. 1 viser en typisk hydraulisk overflateborhammer for montering på toppen av skjøtbare borstenger hvor hammermekanismen er innebygget i et hus 1 bygget i flere husseksjoner, der en rotasjonsmotor 2 roterer en borstang via en transmisjon 3 som roterer en aksel med et gjengeparti 4 som skrus til borstangen og en borkrone (ikke vist). Hammermaskinen er vanligvis utstyrt med en festeplate 5 for montering til en mateanordning på en borerigg (ikke vist). Tilførsel av hydraulisk driwæske skjer via rør og kobling 6 og hydraulisk retur via rør med kobling 7. En fullstendig funksjonsbeskrivelse av borhammeren kommer på side 14. Fig. 2 A og 2B viser en nedihulls borhammer med borkrone. Denne vil bli brukt i den følgende detaljbeskrivene. Det viste hus 1 har en første husseksjon 8 som rommer det som senere vil bli beskrevet som innløpsventilen, mens en andre husseksjon 9 rommer en ventil, en tredje husseksjon 10 rommer et hammerstempel og henvisningstallet 11 angir borkronen. Gjennom en åpning eller hovedløp 12 blir borevæsken pumpet inn og et gjengeparti 13 kobler hammeren til borestrengen (ikke vist). Et flatt parti 14 er til for bruk av momentnøkkel for å skru hammeren til/fra borestrengen. Et dreneringshull 15 er nødvendig for funksjonen til den senere forklarte innløpsventilen, utløpshull 16 er til for retur av borevæsken i ringrommet mellom borehullet og borhammerhuset (ikke vist) tilbake til overflaten. Hardmetallknaster 17 er de elementer som knuser berget det blir boret i. Fig. 2C viser et riss sett i retning pilene A-A i fig. 2A, og Fig. 2D viser et riss sett mot borkronen 11 i retning pilene B-B i fig. 2A. Fig. 3 A viser et lengdesnitt av borhammeren der de innvendige hoveddelene er: en innløpsventilsammestilling 18, en ventilsammenstilling 19 og et hammerstempel 20. Et helt vesentlig element i denne konstruksjon er magneten 58, som vil bli nærmere beskrevet senere i forbindelse med fig. 6. Borevæsken pumpes inn gjennom innløpet 12, passerer innløpsventilen 18 i åpen stilling gjennom boringer 21 vist på snitt A-A i fig. 3B, videre gjennom boringer 22 i snitt B-B i fig. 3C til en ventilplugg 23 som er vist i lukket stilling i snitt C-C i fig. 3D mot hammerstempelet 20 og driver dette til anslag mot borkronens bunnparti 24. Snitt D-D i fig. 3E viser et langsgående rilleparti 25 i borekronen 11 og hammerhusets 10 nederste parti som overfører dreiemomentet samtidig som borkronen 11 kan bevege seg aksialt innen tillatte klaringer bestemt av en låseringmekanisme 26. Dette for at ved anslag av hammerstempelet 20 mot borkronen 11 er det kun massen av denne som forflyttes i takt med

hardmetallknastenes 17 inntrenging i berget. Det er en forutsetning at borestrengen utøver en viss frammatingskraft slik at hammerhuset 10 trykkes mot borkronen 11 slik at klaringen mot låseringmekanismen 26 tillater aksial forflyttning av kun borkronen 11 i takt med inntrengningen i berget.

En startprosedyre ved hjelp av innløpsventilen 18 vil nå bli beskrevet. Detaljutsnittet i fig. 3F, som viser innløpsventilen 18 i lukket stilling er hentet fra H i fig. 3A. Når hammerfunksjonen skal igangsettes, startes pumpingen av borevæsken i innløpet 12. En sideboring 27 gjennom veggen til ventilhuset 8 har hydraulisk kommunikasjon med en pilotboring 28 i innløpsventilens 18 montasjeplate 29. Montasjeplaten 29 er stasjonær i ventilhuset 8 og inneholder en pilotventil 30 som blir holdt i åpen stilling av en fjær 31. Borevæsken strømmer fritt til et første pilotkammer over et første pilotstempel 32 hvis diameter og areal er større enn arealet av innløpet 12. Under trykkoppbygging vil en begrenset bevegbar ventilplugg 33 bli presset til lukking mot et sete 34 i huset 8. Under trykkoppbygging mot stengt innløpsventil 18 blir et ringrom 35 mellom huset 10 og hammerstempelet 20 trykksatt gjennom sideboringen 27 som via langsgående boringer 36 i ventilhuset 9 mater et innløp 37, se detaljutsnitt F. Magneten 58 er også vist på fig. 3F og 3G, men den har ingen betydning for selve oppstarten.

Detaljutsnittene i fig. 3H og fig. 31 er hentet fra F og G i fig. 3A og viser hammerstempelets 20 anlegg mot innerveggen i hammerhusene 9, 10. Diameteren til et stempel 38 er litt større enn diameteren til et andre stempel 39. Ved anvendelse av borhammeren til boring vertikalt nedover vil hammerstempelet 20 i trykkløs tilstand, pga tyngdekraften, opplagt sige mot anslagflaten 24 i borkronen 11.1 denne tilstand vil det være klaring mellom ventilpluggen 23 og dens sete 40 (se detaljutsnitt F) i hammerstempelet 20. Følgelig vil borevæsken strømme fritt gjennom ventilen ved pluggen 23, gjennom en boring 41 i hammerstempelet 20 og boringene 16 (se fig. 2A), og derfor får vi for liten trykkoppbygging til at hammeren starter.

Det i detaljutsnitt fig. 3F viste arrangement med stengt innløpsventil 18 og trykkoppbygging i ringrommet 35 løfter hammerstempelet 20 til tetting mot ventilpluggen 23. Pga den nødvendige klaringen mellom stempelets 38 flate og innerveggen i huset 9, lekker det borevæske ut i rommet over ventilpluggen 23 gjennom smørekanaler 42 og en boring 43 slik en pil viser i detaljutsnitt F. For å forhindre at dette lekkasjevolumet skal gi trykkoppbygging i rommet over ventilpluggen 23 dreneres dette gjennom en boring 44 i ventilmontasjeplaten 29 og en åpning 45 som pilotventilen 30 i denne stillingen tillater, og videre ut gjennom dreneringshullet 15. Når trykket har steget til over 90 % av arbeidstrykket som hammeren er konstruert for, overvinner stempelkraften i et andre pilotkammer 46 lukkekraften til fjæren 31 og pilotventilen 30 skifter stilling slik som vist i fig. 3G.

Det første pilotkammeret over pilotstempelet 32 dreneres og innløpsventilen 18 åpner. Samtidig stenges åpningen 45 slik at drenering gjennom boringen 44 blir tett slik at det ikke tapes trykk gjennom denne i operasjonsmodus. Trykket i rommet over hammerstempelet 20 og den lukkede ventilpluggen 23 fører til start av arbeidssyklusen med umiddelbar full kraft. Arrangementet med en tilbakeslagsventil 47 og en dyse 48 er til for å ha en redusert dreneringstid av det andre pilotkammeret 46 for dermed å oppnå relativt sakte lukking av innløpsventilen 18. Dette for at innløpsventilen 18 forblir fullt åpen og ikke skal forstyrre i operasjonsmodus da trykket svinger med slagfrekvensen.

Fig. 4A viser borhammeren i slutten av en akselrasjonsfase. Hammerstempelet 20 har på dette tidspunkt kommet opp i full hastighet, typisk cirka 6 m/s. Dette er et resultat av tilgjengelig trykk, eksempelvis som her i underkant av 8 MPa, det hydrauliske arealet av hammerstempelet, eksempelvis som her med diameter 130 mm og hammerstempelets vekt, eksempelvis som her er 49 kg. Ventilpluggen 23 holdes lukket mot hammerstempelets seteåpning da det hydrauliske arealet av ventilpluggen 23, eksempelvis som her med diameter 95 mm, er litt større, ca 4 %, enn ringarealet for hammerstempelet vist i snitt B-B i fig. 4C med henholdsvis 23 og 24. På dette tidspunkt har hammerstempelet tilbakelagt ca 75 % av full slaglengde, ca 9 mm. Klaringen mellom hammerstempelet 20 og borekronens anslagflate 24 er ca 3 mm, vist på forstørret detaljutsnitt C i fig. 4E.

En bevegelig ventilstamme 49 med en stopperplate 50 lander nå mot anslaget i en i huset 9 stasjonær ventilstammehylse 51 og stopper ved rent mekanisk bråstopp ventilstammen 49 og dermed ventilpluggen 23, fra videre vandring, som vist på forstørret detaljutsnitt A i fig. 4D, hvorpå ventilpluggen 23 blir separert fra setet 40 i hammerstempelet 20 og dermed åpnes. Den bevegelige ventilenhet 23, 49, 50 er vist i oppriss i fig. 4B.

Den kinetiske energien i ventilpluggens 23 massefart vil ved dennes bråstopp strekke den relativt lange og slanke ventilstammen 49 marginalt og dermed gå over til en relativt stor fjærkraft som veldig raskt akselererer ventilen i retur (rekyl). Den marginale strekkingen av ventilstammen 49, her eksempelvis beregnet til ca 0,8 mm, må være under utnyttelsesgraden for materialet, som i dette tilfellet er høyfast fjærstål. Massen av ventilpluggen 23 bør være minst mulig, her eksempelvis laget i aluminium, kombinert med lengden, diameteren samt materialegenskapene i ventilstammen 49, bestemmer ventilsammenstillingens egensvingning.

For praktisk anvendelse bør denne være minimum 8-10 ganger frekvensen den skal anvendes for. Egensvingefrekvensen bestemmes av formlene:

Massen og fjærkonstanten betyr mest. Egensvingefrekvensen for den viste konstruksjonen er ca 1100 - 1200 Hz og derfor anvendbar for en arbeidsfrekvens på over 100Hz.

Den viste konstruksjonen har her i dette eksempelet en rekylhastighet som er 93 % av anslaghastigheten.

Fig. 5A viser posisjonen og tidspunktet for når hammerstempelet 20 slår mot anslagflaten 24 i borkronen 11. Ventilpluggen 23 med stammen 49 og stopperplaten 50 er på full fart i retur, se detaljutsnitt A i fig. 5B, slik at det relativt raskt dannes en stor åpning mellom ventilpluggen 23 og hammerstempelets 20 ventilsete 40 slik at borevæsken nå strømmer med relativt liten motstand gjennom hammerstempelets 20 langsgående boring 41, se detaljutsnitt B i fig. 5C.

Den kinetiske energien i hammerstempelets 20 massefart går delvis over i en fjærkraft i hammerstempelet 20 da dette blir litt sammentrykket under sammenstøtet. Når energibølgen fra sammenstøtet har vandret gjennom hammerstempelet 20 til motsatt ende og tilbake, akselererer hammerstempelet 20 i retur. Returhastigheten er ved start her beregnet til ca 3,2 m/s, ca 53 % av anslaghastigheten, dette fordi at en del av energien har gått med til masseforflytning av borkronen 11, mens resten har gått med til "indentenes" inntrykking i berget.

Fig. 6A viser det tidspunkt når hammerstempelet 20 er i full returhastighet. Ventilpluggen 23 har på dette tidspunkt nesten returnert til endestopp der detaljutsnitt A i fig. 6B viser stammen 49 med stopperplaten 50 som ligger mot toppen av ventilstammehylsen 51.

Detaljutsnitt A i fig. 6A viser hvordan stopperplaten 50 i den viste utførelse er i hovedsak plan og vender mot en magnet 58 som er anordnet på montasjeplaten 29. Den magnetflaten som vender mot toppflaten er også i hovedsak plan. Magnetvirkningen mellom magneten 58 og stopperplaten 50 forhindrer at ventilpluggen 23 foretar rekylbevegelse og forblir i posisjon til neste syklus starter. Det er også en mulig variant at magneten 58 utgjør selve stopperplaten 50 på ventilstammen 49 eller at den er en del av stopperplaten 50, og at selve montasjeplaten 29 er tilvirket av et magnetisk materiale med evne til å tiltrekke seg stopperplaten 50 og dermed ventilpluggen 23.

Detaljutsnitt B i fig. 6A som er vist i fig. 6D viser den relativt store åpningen mellom ventilpluggen 23 og ventilsetet 40 i hammerstempelet 20 slik at borevæsken strømmer gjennom med minimal motstand. Undersiden av ventilstammehylsen 51 er formet som en ringformet sylindergrop 53 vist på detaljutsnitt C i fig. 6C for å tilveiebringe en dempningsfunksjon når stopperplaten 50 nærmer seg magneten 58 under rekylbevegelsen av ventilenheten 23, 49, 50. Toppen av ventilpluggen 23 er formet som et ringstempel 54 som med relativt trange klaringer passer inn i den ringformede sylindergropen 53. Det innestengte væskevolum blir, ettersom ventilen returnerer helt til endestopp, evakuert på kontrollert måte gjennom de radielle klaringene mellom ringstempelet 54 og ringsylinderen 53 pluss et evakueringshull 55. Denne kontrollerte evakuering virker som dempende kraft og stopper returen av ventilen slik at den ikke foretar rekylbevegelser. Samme type dempearrangement er det på hammerstempelet 20. På detaljutsnitt B i fig. 6D vises et ringstempel 56 på toppen av hammerstempelet 20, samt et ringformet sylinderspor 57 i nedre del av ventilhuset 9.

Fig. 7A viser siste del av returen til hammerstempelet 20. Avslutningen av

returslaget blir kontrollert dempet til full stans samtidig som ventilsetet 40 møter ventilpluggen 23, vist på detaljutsnitt A i fig. 7C. Detaljutsnitt B i fig. 7B illustrerer hvordan det innestengte væskevolumet i den ringformede sylindergropen 57 blir fortrengt gjennom de radielle klaringene mellom ringstempelet 56 og et dreneringshull 60.

Gapet mellom ventilsetet 40 og ventilpluggen 23 trenger ikke lukkes fullstendig for at trykket bygger seg opp og en ny syklus starter. Beregninger viser at ved en åpning på 0,5 mm er trykkfallet nesten det samme som arbeidstrykket. Dette gjør at flatetrykket på kontaktflaten mellom ventilpluggen 23 og setet 40 blir lavt og komponentene kan ha lang levetid.

Fig. 8 viser kurver som illustrerer hammerstempelets 20 og ventilens arbeidssyklus. Kurve A viser hastighetsforløpet og kurve B posisjonsforløpet gjennom en arbeidssyklus. For begge kurvene gjelder at horisontalaksen er tidsaksen, inndelt i mikrosekunder.

Vertikalaksen for kurve A viser hastigheten i m/s, slagretning mot borkronen 11 som + oppover og - nedover, her returhastigheten.

Vertikalaksen for kurve B viser avstand i mm fra startposisjonen. Kurveseksjon 61 viser akselrasjonsfasen, der punkt 62 er da ventilen blir stoppet og dennes retur starter. Punkt 63 er hammerstempelets 20 anslag mot borkronen 11.

Kurveseksjon 64 er forflytningen av borekronen 11 ved framdrift i berget, 65 er rekylens akselerasjon, 66 er returhastigheten uten demping og 67 er returhastigheten med demping. Kurveseksjon 68 er rekylakselrasjonen for ventilen, 69 er returhastigheten for ventilen uten demping og 70 er neddempingsfasen for ventilens retur.

Den nye introduserte magneten 58 er essensiell for sikker fastholdelse av ventilenheten 23, 49, 50 i startposisjonen inntil hammerstempelet 20 er returnert. Ventilenheten må bli holdt i ro i denne tidsperioden. På nedre kurve B i fig. 8 er dette vist fra ca 6 til 11 på tidsaksen (6000 til 11000 mikrosekunder).

Fig. 9A viser en kurve 71 som illustrerer ventilens bratte lukkekarakteristikk med hensyn til trykkfall og åpning mellom ventilpluggen 23 og setet 40 i hammerstempelet. Denne situasjon er vist i fig. 9B. Horisontalaksen er åpningsgap i mm og vertikalaksen beregnet trykkfall i bar ved nominell mengde pumpet borevæske som eksempelvis her er 12,5 L/sek. Som vist må lukkegapet komme under 1,5 mm før en får vesentlig trykkmotstand.

Perkusjonshammerens virkemåte blir nå beskrevet med spesiell henvisning til fig. 3, 4, 5, 6 og 7. De spesifikke størrelser som er angitt skal ikke være begrensende, men kun ses på som eksempler for å lette forståelsen av konseptet. Under oppstart er som tidligere nevnt ventilen 18 i funksjon og tetter for åpningen 12 ved at ventilpluggen 33 tetter mot setet 34, se fig. 3F. Når perkusjonshammeren har startet er ventilen 18 ikke lenger i funksjon og står åpen som vist i fig. 3G.

Første fase vises i figur 3A. Hammerstempelet 20 står i maksimal avstand fra bunnen 24 av borkronen 11, er antydet å være i størrelsesorden 12mm. Samtidig henger ventilpluggen 23 i magneten 58 via ventilstammen 49 og stopperplaten 50.1 tillegg ligger ventilpluggen 23 an mot setet 40 som er anordnet innvendig i toppen av hammerstempelet 20 som vist på fig. 4A. Når ventilpluggen 23 tetter mot setet 40 vil den tilførte hydrauliske væske gjennom kanalen 12 virke mot ventilpluggen 23 og den ringformede toppflate av hammerstempelet 20, se fig. 3D, som til sammen utgjør det hydrauliske areal som virker med en nedad rettet kraft. Dermed starter bevegelsen nedover som også er illustrert med henvisningstall 61 i fig. 8. Fig. 4A viser at en slik nedad rettet bevegelse pågår og hammerstempelet 20 nærmer seg bunnen 24 i borkronen 11, her antydet til at ca. 3mm gjenstår. Som illustrert har stopperplaten 50 sluppet fra magneten 58 og blir i sin tur stoppet mot toppen av ventilstammehylsen 51. Dette betyr at siden hammerstempelet 20 har en ytterligere liten vei å gå, ca. 3mm, før den når bunnen 24, løftes ventilpluggen 23 av fra setet 40 og skaper åpning for den hydrauliske væsken.

I dette øyeblikk skjer det helt sentrale ved konstruksjonen. På grunn av massetreghetsmomentet i ventilpluggen 23, kombinert med den lange slanke ventilstammen 49, vil pluggen 23 fortsette ytterligere om lag 0,8mm før ventilpluggen 23 snur med rekylvirkning pga tøyningen i den lange slanke ventilstammen 49. Hammerstempelet 20 fortsetter nedover til det støter med kraft mot bunnflaten 24 i borkronen 11 som vist i fig. 5A, dvs selve hammerslaget mot berget. Rekylvirkningen bringer ventilpluggen 23 oppover igjen og bringer større åpning ved ventilsetet 40. Som vist i fig 6A beveger ventilpluggen 23, ventilstammen 49 og stopperplaten 50 seg videre oppover og etter hvert så langt at stopperplaten 50 har returnert til magneten 58, som vist på fig. 7A. For å unngå støt mellom stopperplaten 50 og magneten 58, samt svingninger, blir rekylbevegelsen dempet når ventilpluggen 23 nærmer seg den nedre enden av ventilstammehylsen 51, se fig. 6D og 6C.

Noe tilsvarende skjer med hammerstempelet 20. Som vist på fig. 6A har en rekylvirkning i hammerstempelet 20 sendt stempelet 20 i retur oppover som illustrert ved at det er avstand mellom bunnen 24 i borkronen og hammerstempelet 20. Fig. 7A viser hammerstempelet 20 fullstendig returnert til utgangsposisjonen og ny syklus kan starte.

Det skal forstås at den mekaniske energien som opparbeides i anslaget brukes til retur, dvs en rekylenergi. Rekylenergien kan defineres som:

k ganger x der k = fjærkonstanten og x = lengden

k er avhengig av proporsjonene på objektet, slankhet og lengde.

x er den sammentrykte lengde for hammerstempelet og den tøyde lengde for ventilstammen.

Responstiden er avhengig av lengde. Et langt stempel vil rekylere langsommere enn et kort, men rekylere en mindre distanse. Rekylen kommer når energisvingningen har forplantet seg gjennom objektet fra anslag til motsatt ende og returnert tilbake, dvs lydhastigheten til materialet ganger lengden ganger 2. Dette vil si 2L dividert på 5172 m/s. For stempelet blir dette ca. 200 mikrosekkunder og for ventilen litt over halvparten. Derfor er også ventilstammen 49 her vist kortere enn hammerstempelet 20, altså raskere respons.

Det skal videre forstås at x er avhengig av kraften som opparbeides, massefarten og bråstoppen. Ventilstammens 49 diameter og lengde bestemmes av at den skal strekkes tilstrekkelig til å gi overskudd av returenergi samt at materialet ikke overstresses. I praksis utnyttes til om lag halvparten av flytegrensen, for da blir levetiden lang.

Det vil trolig også være nødvendig med finpolering av overflaten av ventilstammen for at det ikke skal oppstå sprekker eller bruddanvisere. Den kan for eksempel bli behandlet med såkalt "shotpeening", dvs "kulebombet" eller glassblåst. Dette brukes på høyt utmattingspåkjente deler i våpen- og flyindustrien.

Claims (11)

1. Væsketrykkdrevet, høyfrekvent perkusjonshammer for boring i harde formasjoner, der perkusjonshammeren omfatter et hus (8, 9,10) som i sin ene ende har påmontert en borkrone (11) som skal virke direkte mot den harde formasjon, hvilken perkusjonshammer omfatter et hammerstempel (20) bevegelig opptatt i huset (8, 9, 10) og virker mot borkronen (11), hvor hammerstempelet (20) har en langsgående boring (41) med forutbestemt strømningskapasitet og boringen (41) er lukkbar i oppstrømsretningen av en ventilplugg (23) som følger hammerstempelet (20) under slaget inntil den blir mekanisk stoppet, hvilken ventilplugg (23) er styrt av en tilhørende ventilstamme (49) som er glidbart opptatt i en ventilstammehylse (51), der ventilstammen (49) omfatter stoppinnretninger (50, 51) som stopper ventilpluggen (23) og sender den i rask retur ved en forutbestemt prosentandel av hammerstempelets (20) fulle slaglengde og skiller ventilpluggen (23) fra en setetetning (40) på hammerstempelet (20) slik at boringen (41) dermed blir åpen og tillater borevæsken å strømme fritt gjennom boringen (41) slik at hammerstempelet (20) kan rekylere med liten motstand,karakterisert vedat stoppinnretningene omfatter en magnet (58), hvilken magnet (58) samvirker med ventilstammen (49) for å være i stand til å tilbakeholde ventilstammen (49) og dermed ventilpluggen (23) under forutbestemte omstendigheter.

2. Perkusjonshammer som angitt i krav 1,karakterisert vedat stoppinnretningene (50, 51) omfatter en stopperplate (50) på ventilstammens (49) oppstrømsende og en samvirkende innvendig stoppflate i ventilstammehylsen (51).

3. Perkusjonshammer som angitt i krav 1 eller 2,karakterisert vedat magneten (58) er plassert på en oppstrøms plassert montasjeplate (29).

4. Perkusjonshammer som angitt i krav 1 eller 2,karakterisert vedat magneten (58) utgjør eller er del av stopperplaten (50) på ventilstammen (49), og at montasjeplaten (29) er magnetisk.

5. Perkusjonshammer som angitt i ett av kravene 1-4,karakterisert vedat den forutbestemte prosentandel av hammerstempelets (20) fulle slaglengde er i størrelsesorden 75 %.

6. Perkusjonshammer som angitt i ett av kravene 1-5,karakterisert vedat det er ventilstammens (49) iboende strekkfjæregenskaper som returnerer ventilpluggen (23), idet ventilstammen (49) er lang og slank.

7. Perkusjonshammer som angitt i ett av kravene 1-6,karakterisert vedat hammeren er videre utstyrt med en innløpsventilsammenstilling (18) som ikke åpner for drift av hammerstempelet (20) før trykket er bygget opp til om lag 95 % av fullt arbeidstrykk, idet innløpsventilsammenstillingen (18) er tilpasset til å stenge et hovedløp (12) og at et sideløp (27) i hammerhuset trykksetter et ringrom (35) mellom hammerstempelet (20) og huset (10) som løfter hammerstempelet (20) til tetning mot ventilpluggen (23).

8. Perkusjonshammer som angitt i krav 7,karakterisert vedat hammerstempelet (20) og ventilsammenstillingen (18) returnerer med rekyl, der både hammerstempelet (20) og ventilsammenstillingen (18) er utstyrt med hydraulisk demping som kontrollerer retardasjonen av returslaget til stopp.

9. Perkusjonshammer som angitt i krav 8,karakterisert vedat den hydrauliske demping skjer med et ringstempel (54) som blir presset inn i en motsvarende ringsylinder (53) med kontrollerte klaringer, og dermed struper evakueringen av den innesperrede væsken.

10. Perkusjonshammer som angitt i ett av kravene 1-9,karakterisert vedat en åpning (52) er anordnet i toppen av ventilstammehylsen (51), i hvilken åpning (52) ventilstammens (49) stopperplate (50) er i stand til å entre, idet stopperplatens (50) radielle parti tetter, med relativt trang radiell klaring, mot innsiden av åpningen (52).

11. Perkusjonshammer som angitt i ett av kravene 1-10,karakterisert vedat perkusjonshammerhuset (1) er inndelt i et innløpsventilhus (8), et ventilhus (9) og et hammerhus (10).