NO315551B1 - Fremgangsmåte og apparat for styring av boring med fjellbor - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en fremgangsmåte for styring av boring med et fjellbor i en bor som omfatter en ramme, et anslagsstempel tilveiebrakt i rammen og bevegelig i dennes langsgående retning, et skaft plassert på en aksial forlengelse av anslagsstemplet, og minst et stempel som er tilveiebrakt i rammen bevegelig i dennes aksiale retning, hvor stemplet er innrettet for å virke på skaftet for å skyve det mot bormaskinens forside på grunn av at et trykkmedium virker på stemplets bakre flate, hvoretter i det minste under boringen dette trykkmediets trykk er slik at den kombinerte kraft fra alle stemplene som virker på skaftet og skyver det fremover, overskrider matekraften som virker på bormaskinen under boringen, slik at når skaftet hviler på alle stemplene, befinner det seg på sitt optimale støtpunkt, og i fremgangsmåten måles trykket i trykkmediet som virker på skaftet.

Oppfinnelsen angår videre et apparat for styring av boring med et fjellbor, og apparatet omfatter en bormaskin som omfatter en ramme, et anslagsstempel tilveiebrakt i rammen bevegelig i dennes langsgående retning, et skaft plassert på en aksial forlengelse av anslagsstemplet, og minst et stempel som er tilveiebrakt i rammen bevegelig i dennes aksiale retning, idet stemplet er plassert i et sylinder-rom i bormaskinens aksiale retning og anordnet for å virke på skaftet for å skyve det mot bormaskinens forside ved hjelp av et trykkmedium som virker på stemplets bakre flate, hvoretter i det minste under boringen dette trykkmediets trykk er slik at kraften som virker på skaftet og skyver det fremover, overskrider matekraften som virker på bormaskinen under boringen, slik at når skaftet hviler på alle stemplene befinner det seg på sitt optimale støtpunkt, og apparatet omfatter en anordning for å måle trykkmediets trykk.

Når hull blir boret i en bergart med et fjellbor, varierer borebetingelsene på forskjellige måter. Fjell består av lag med bergarts-materiale med forskjellige hardhetsgrader, og derfor bør egenskapene som påvirker boringen, slik som støt-effekt og mating, justeres i samsvar med den aktuelle boremotstand. Ellers blir boringen uregelmessig, siden boret drives frem hurtig i et mykt materiale, og lang-somt i en hard bergart. Dette medfører atskillige problemer vedrørende eksempel-vis boreapparatets holdbarhet og boreprosessens kontrollerbarhet. Et eksempel på løsning på disse problemene angår justering av bormaskinens støteffekt ved å føre skaftet fremover fra det optimale støtpunkt, i langsgående retning, når lavere støteffekt skal overføres fra anslagsstemplet til skaftet. Skaftet beveges ved hjelp av hydraulisk drevne stempler, som støtter skaftet bakfra enten direkte eller via en hylse. Når trykket i et trykkmedium som virker i et sylindrisk rom som befinner seg bak stemplene, blir forandret, er det mulig å justere lengden av stemplenes beve-gelse, og således skaftets posisjon. På denne måten er det mulig å overføre en ønsket kapasitet via skaftet til borstangen, mens resten av støtet blir dempet ved hjelp av en dempepute tilveiebrakt i fremre ende av anslagsstemplet. En slik anordning vises i finsk patent 84.701.

Finsk patentsøknad 944.839 viser en kjent måte å styre borekapasiteten på for et fjellboreapparat, hvor siktemålet er å hindre at det oppstår ødeleggelse av boret. Denne publikasjonen viser at når boremaskinen treffer et område hvor boremotstanden er lavere, og boret således trenger lettere inn i bergarten, fortsettes boringen normalt, bortsett fra at driften av anslagsapparatet stoppes fullstendig, til materialet som bearbeides, blir hardere og boringen krever anslag igjen. Apparatet omfatter et stempel i en returdemper, som beveger seg i anslagsstemplets retning i forhold til boremaskinens ramme, og som er i stand til å bevege seg fremover mot borkronen når boreresistansen er mindre midlertidig. Dette fører til et trykkfall i kammeret bak stemplet. Hvis trykket faller under et forhåndsbestemt trykknivå, stopper en ventil tilførselen av trykkmedium til anslagsapparatet, hvoretter anslagsstemplet ikke vil levere noen flere slag. Når boret på nytt treffer en hard bergart, og trykket i kammeret bak stemplet overskrider en forhåndsbestemt trykk-grense, åpnes forbindelsen til anslagsapparatet, og anslagsstemplet begynner å avlevere støt igjen. De ovennevnte, tidligere kjente arrangementene har imidlertid vist seg å være utilstrekkelige for effektiv og nøyaktig styring av bor-maskiner. De påvirker bare styringen av støtkraften, og de tilveiebringer ikke noen anordning for å justere og styre boringen på flere forskjellige måter. De forårsaker også effekttap og dette betyr at hydrauliske pumper, rør og andre hydrauliske komponenter må gjøres unødvendig store.

Formålet ved foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe en bedre og mer mangesidig fremgangsmåte og tilsvarende apparat, enn tidligere, for styring av driften av en boremaskin.

Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen kjennetegnes ved at en trykksensor måler en returpuls som reflekteres tilbake til boreapparatet fra bergarten som skal bores, og som resulterer fra anslagsstemplets støt, idet returpulsen detekteres som en trykkpuls når trykket i rommet bak stemplet blir målt ved hjelp av trykksensoren, og at måledataene for den reflekterte trykkpulsen benyttes for å styre boremaskinens funksjon.

Videre kjennetegnes apparatet ifølge oppfinnelsen ved at en trykksensor måler en returpuls som reflekteres tilbake til boreapparatet fra bergarten som skal bores, og som resulterer fra anslagsstemplets støt, idet returpulsen detekteres som en trykkpuls når trykket i rommet bak stemplet blir målt ved hjelp av trykksensoren, og at måledataene for den reflekterte trykkpulsen benyttes for å styre boremaskinens funksjon.

En grunnleggende idé ved oppfinnelsen er at enn trykksensor benyttes for å måle trykkpulser i et trykkammer som befinner seg bak ett eller flere stempler som støtter skaftet bakfra. Når borkronens mate-motstand avtar, begynner støt-punktet å bevege seg fremover fra det optimale støtpunktet. Dette betyr at i det minste noe av anslagsstemplets energi blir dempet. Tilsvarende er en returpuls som dannes i et mykere materiale, svakere, og derfor er den resulterende trykkpulsen mindre og eventuelt kortere enn i en normal situasjon. Isteden for to eller flere stempler er det også mulig å benytte ett eneste stempel som støtter skaftet ved hjelp av trykkmediets trykk. I et slikt tilfelle utføres måling fra dette ene ring-formede stemplets trykkammer. Fravær av trykkpulser eller forandringer i normale verdier blir detektert som en situasjon som avviker fra en normal boreoperasjon, av trykksensoren som er anordnet for å måle trykket i kammeme bak stemplet/ stemplene. Trykksensorens måledata leveres til boremaskinens styringssystem, som så justerer, på grunnlag av disse data, borets funksjon, for eksempel bore-parmeteme som innbefatter matetrykk og støttrykk. Effekten for boringen justeres inntil det optimale støtpunkt nås igjen.

Oppfinnelsen har en fordel ved at det nå er mulig å justere boremaskinens støt-kapasitet og de andre boreparametere på en økonomisk og effektiv måte, passende i hver situasjon. Boreprosessen kan nå måles under boring, og de opp-nådde data kan utnyttes på flere måter for å styre boringen. Det er også enklere enn tidligere å styre spesielle situasjoner. Apparatet ifølge oppfinnelsen muliggjør også deteksjon og lagring av egenskapene til forskjellige lag i hullet som skal bores, i en styringsenhet for senere bruk. På grunnlag av disse data er det for eksempel mulig å planlegge boringen på bestemmelsesstedet, og å kartlegge fjellets egenskaper. Det er videre mulig å benytte trykkpulsene som tilveiebringes fra trykksensoren, til å trekke konklusjoner om borkronens tilstand, og å benytte måledataene i feildiagnose. En annen fordel er at arrangementet ifølge oppfinnelsen minsker behovet for effekt i boreapparatet, og dette senker i sin tur kostnadene. Det herværende arrangement kan også koples til eksisterende anordninger på en temmelig enkel måte.

Oppfinnelsen skal beskrives i nærmere detalj i den vedføyde tegningen, hvor avsnitt

Fig. 1 viser skjematisk, i delvis snitt, fremre ende av et fjellbor i henhold til oppfinnelsen. Fig. 2a og 2b viser skjematisk trykk-kurver målt fra et rom bak stempler, og Fig. 3 viser skjematisk, i delvis snitt, en annen utførelsesform av en

boremaskin i henhold til oppfinnelsen.

Fig. 1 viser skjematisk, i delvis snitt, fremre ende av et fjellbor. Boremaskinen omfatter et anslagsstempel 1 og et koaksialt plassert skaft 2, som mottar støt som leveres fra anslagsstemplet. Støtkraften overføres via borstenger som vanligvis er plassert som en forlengelse av skaftet, til en borkrone som treffer bergarten og bryter denne i stykker. Anslagsstemplets 1 støtfunksjon omtales ikke i nærmere detalj i denne forbindelse, siden dette er vanlig kjent innen feltet, og åpenbart for en fagmann innen teknikken. Skaftet 2 roteres vanligvis ved hjelp av en i og for seg kjent rotasjonsmotor, ved å dreie en roterende hylse som er anbrakt rundt skaftet 2, som er i stand til å bevege seg aksialt i forhold til hylsen. Både strukturen og funk-sjonen av rotasjonsmotoren og den roterende hylsen er velkjent for en fagmann innen teknikken, og derfor vil disse ikke bli omtalt i nærmere detalj her. Videre, rundt bakre del av skaftet 2 er det en separat støttehylse 3 som støtter skaftet 2 under boringen. Støttehylsen 3 støtter skaftet 2 ved hjelp av en skrånende støtteflate 3a, som kommer i kontakt med en tilsvarende, skrånende støtteflate 2a i skaftet 2. Bak støttehylsen 3 er det flere stempler 4a og 4b som er forbundet med, eller som virker indirekte, mekanisk på støttehylsens 3 bakre flate. Rundt støttehylsen 3 kan det også være en stoppring 5, som begrenser bevegelsen av stemplene 4a og 4b mot boremaskinens fremside. Stemplene 4a og 4b er anbrakt i sylindriske rom som er dannet i en ramme 6 eller i en separat sylinderseksjon, og som er paral-lell med anslagsstemplets 1 akse, og trykkfluid-kanaler 7a og 7b fører til sy-linderrommene. Det påføres et slikt trykk i trykkmediet på bakflaten på stemplene 4a, 4b i det minste under boringen, at den kombinerte kraft av stemplene som virker på skaftet 2 og skyver det fremover, overskrider matekraften som virker på boremaskinen under boringen. Det er flere stempler 4a og 4b i boremaskinens ramme 6 og de er fortrinnsvis delt i minst to separate grupper som har forskjellige bevegelseslengder mot boremaskinens fremre ende. Boremaskinen omfatter videre en absorbator 8 ved forkanten av sylinderrommet for anslagsstemplet 1, eller over bevegelsesavstanden for en stempeldel 1A av anslagsstemplet 1 ved boremaskinens fremre ende. Forkanten av anslagsstemplets 1 stempeldel 1a avgir et støt ved denne absorbatoren når anslagsstemplet 1 av en eller annen grunn slår forbi sitt normale, optimale støtpunkt. En slik struktur er i og for seg kjent, og den skal derfor ikke bli beskrevet i nærmere detalj.

Apparatet omfatter videre målekanaler 19a og 19b, som fortrinnsvis er forbundet med kanalene 7a, 7b, slik at en trykkpuls som virker bak stemplene 4a, kan bli målt ved hjelp av en trykksensor 20 forbundet med målekanalen 19a. Dette er den enkleste anordningen, men det er naturlig-vis også mulig å tilveiebringe en separat boring i rammen 6 for trykksensoren 20. Måledata leveres elektrisk fra trykksensoren 20 til en styringsenhet 21, hvor dataene kan bli behandlet. Om nødvendig overfører styringseheten 21 et styringssignal til en aktuator 22, som for eksempel kan være en aktuator som justerer matingen, eller en ventil som justerer anslagsapparatets trykk. Det er mulig å levere til styringsenheten 21 en mengde forskjellige måledata vedrørende boreprosessen, slik at styringsenheten 21 kan styre boremaskinens drift passende i hver situasjon på basis av dataene. Figuren viser også en andre trykksensor 23 som måler trykket bak de andre stemplene 4b, idet trykksensoren 23 er tilsvarende forbundet med styringsenheten 21. Det er således mulig å måle en trykkpuls enten separat fra stemplene 4a eller 4b, eller sammen fra begge stempler. Det er også mulig å benytte bare en trykksensor og i dette tilfelle er kanalene 7a og 7b for stemplene 4a og 4b koplet sammen, slik som vist med en brutt linje 24, som betyr at den andre trykksensoren 23 ikke er nødvendig. I praksis kan en trykkpuls måles på enklere måte bare fra et sted bak stemplene 4a, og dette betyr at stemplene 4a og 4b befinner seg i forskjellige trykkretser. Dette er basert på det faktum at siden stemplene 4a kan bevege seg mot boremaskinens fremre ende bare til en posisjon som tilsvarer det optimale støtpunkt for skaftet, så frembringes trykkpulser bare når skaftet beveger seg mot boremaskinens bakre ende med en slik kraft at det beveger seg forbi sitt optimale støtpunkt. Når trykkpulser måles på en slik måte, gir de fortrinnsvis pålitelig, grunnleggende informasjon for implementering av styringen.

Fig. 2a viser skjematisk en normal trykk-kurve som er målt fra rommet bak stemplene. Når boremotstanden i bergarten som skal bores, er

normal, og stemplene har beveget skaftet til det optimale støtpunktet, leve-rer anslagsstemplet et støt med full kraft til skaftet, og derfra overføres stø-tet videre ti! borstengene og således også til borkronen. Når borkronen treffer den harde bergarten, frembringer den en returbevegelse som blir reflek-tert bakover og overført via borstengene til skaftet. Siden skaftet påkjennes av støttehylsen 3 og stemplene som skyver det fremover, blir også spen-ningen som reflekteres fra bergarten, også overført til stemplene, som derfor beveger seg bakover i sine sylindriske rom som resultat av denne reflekterte pulsen. Stemplenes bakoverbevegelse frembringer en hurtig trykkøkning, med andre ord en returpuls, i rommet bak stemplene. Dette kan ses i fig. 2a som en trykkpuls B, som er lett å skjelne fra det gjennomsnittlige trykknivået. Opptredenen av denne trykkpulsen B i trykk-kurven blir overvå-ket spesielt. Trykkpulsene B er alltid større enn det gjennomsnittlige trykknivået. I det minste effekten, amplituden, stigningshastigheten og fore-komst-hyppigheten av trykkpulsen, kan utnyttes for styring av boringen. Trykkpulser A som vises i figuren, og som er mindre enn trykkpuls B, resulterer fra variasjoner i trykket i trykkfluidet når stemplene 4a og 4b utsettes

for trykket i anslagsapparatets trykkanal. Hvis trykkfluidet som leveres til det sylindriske rommet for stemplene som skai måles, overføres fra en separat trykkilde eller via en trykkanal som er adskilt fra anslagskanalen, vil det ikke

bli noen trykkpuls A som resultat av støt-operasjonen, men den gjennomsnittlige trykk-kurven vil være hovedsakelig jevn. Fig. 2b viser i sin tur en trykk-kurve som fullstendig mangler trykkpulser B. Kurven viser bare trykkvariasjon A som resulterer fra forandringer i trykket i støtkretsen. Fraværet av trykkpulsen B, eller denne pulsens svak-het, er et resultat av det faktum at borkronen har trengt inn i et bløtt bergartsmateriale med normal boreeffekt, og dette betyr at boret i en stund fungerer raskere enn vanlig. Skaftet har således beveget seg forover fra det optimale støtpunktet, og derfor mottar anslagsstemplets absorbator minst en del av støtet. Siden støt-effekten minskes på denne måten, slår ikke borkronen mot fjellet med så stor kraft, og heller ikke frembringer den en slik rekyl som i en normal boresituasjon, eller en resulterende returpuls. På den annen side motstår ikke et mykt bergartsmateriale et støt i samme grad som et hardt materiale, og derfor bevirker det ikke noen slik returpuls i bo-reutstyret. Fig. 3 viser en annen utførelsesform av den fremre ende av en boremaskin i henhold til oppfinnelsen, i delvis snitt. Henvisningstallene tilsvarer til tallene i fig. 1. Arrangementet som vises i figuren, tilsvarer ellers arrangementet i fig. 1, bortsett fra at i fig. 3 er flere separate stempler erstat-tet med hylse-lignende stempler, som er plassert koaksialt rundt anslagsstemplet 1.1 dette tilfelle er stemplene 14a og 14b plassert slik at stempel 14 a befinner seg i den ytterste stillingen, og en trykkanal 17a er forbundet med stempel 14a, slik at den kan skyve stemplet fremover heit til en hard-tilpasset overflate 15a. Stemplet 14b er i sin tur plassert koaksialt inne i stempel 14a, og trykkfluid leveres bak stempel 14b langs en kanal 17b. Når stempel 14b hviler mot en par-tilpasset overflate 15b, er skaftet 2 skjøvet frem til en ny posisjon som er en annen enn det optimale støtpunktet. Som allerede vist i fig. 1, måles trykket fra rommet bak enten begge stempler 14a, 14b, eller bare stemplene 14a. Kanalene 17a og 17b er forbundet med en målekanal 19a, som er forsynt med en trykksensor 20 som måler den reflekterte trykkpulsen. Tilsvarende er kanalen 17b forbundet med en målekanal 19b, som er forsynt med en trykksensor 23 som måler den reflekterte trykkpulsen. Hva angår målingen og bruken av trykkpulsen, så er situasjonen lik situasjonen i fig. 1. Tilsvarende er det også mulig i denne utførelses-formen å måle trykkpulsen med bare en sensor, hvilket betyr at kanalene 17a og 17b er forbundet med målekanalen 19a, slik som vist med en stiplet linje 24, og trykksensoren 23 er ikke nødvendig.

Tegningen og den tilhørende beskrivelsen er bare ment å illustrere den oppfinneriske ideen. Detaljene ved oppfinnelsen kan variere innen om-fanget av kravene. For eksempel behøver ikke strukturen av boremaskinen å være identisk med den som vises i figurene, men for eksempel demping-en av anslagsstemplet kan anordnes på en annen måte. Videre kan stemplene anordnes for å virke direkte på skaftet, hvilket betyr at det ikke nød-vendigvis trengs noen separat hylse mellom skaftet og stemplene. Et aksialt lager kan være anbrakt mellom skaftet og stemplene, og det er plassert koaksialt med skaftet og anslagsstemplet. Analysen og bruken av målesignalet som oppnås fra trykksensoren, kan også benytte signalbehandlingsme-toder som muliggjør uttrekking av mer varierte data-fra målesignalet vedrø-rende for eksempel varigheten, energien og frekvensen til den reflekterte pulsen, og disse måledata kan da benyttes for effektiv styring av boremaskinen.

Claims (10)

1. Fremgangsmåte for styring av boring med et fjellbor i en boremaskin som omfatter en ramme (6), et anslagsstempel (1) anbrakt i rammen (6) og som beveger seg i dennes langsgående retning, et skaft (2) plassert på en aksial forlengelse av anslagsstemplet (1), og minst et stempel (4a, 4b, 14a, 14b), som er anbrakt i rammen (6) bevegelig i dennes aksiale retning, hvor stemplet er anordnet for å virke på skaftet (2) for å skyve det mot boremaskinens fremre ende på grunn av et trykkmedium som virker på stemplets bakre flate, hvoretter trykkmediets trykk i det minste under boringen er slik at den kombinerte kraft fra alle stemplene som virker på skaftet (2) og skyver det fremover, overskrider matekraften som virker på boremaskinen under boringen, slik at når skaftet (2) hviler på alle stemplene (4a, 4b, 14a, 14b), befinner det seg ved sitt optimale støtpunkt, og i fremgangsmåten måles trykket i trykkmediet som virker på skaftet (2), karakterisert ved at en trykksensor (20, 23) måler en returpuls som reflekteres tilbake til boreapparatet fra bergarten som skal bores, og som resulterer fra anslagsstemplets (1) støt, idet returpulsen detekteres som en trykkpuls (B) når trykket i rommet bak stemplet (4a, 4b, 14a, 14b) blir målt ved hjelp av trykksensoren (20, 23), og at måledataene får den reflekterte trykkpulsen (B) benyttes for å styre driften av boremaskinen.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at matingen av boremaskinen justeres på grunnlag av måleresultatet for trykkpulsen (B) som resulterer fra den reflekterte returpulsen.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at boremaskinens støteffekt justeres på grunnlag av måleresultatet for trykkpulsen (B), som resulterer fra den reflekterte returpulsen.

4. Fremgangsmåte ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at driften av boremaskinen styres på grunnlag av effekten i trykkpulsen (B) som resulterer fra den reflekterte returpulsen.

5. Fremgangsmåte ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at driften av boremaskinen styres på grunnlag av amplituden av trykkpulsen (B) som resulterer fra den reflekterte returpulsen.

6. Fremgangsmåte ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at forhåndsbestemte grenser oppsettes for målevariablene for trykkpulsen (B), og når et måleresultat faller under gren-sene, styrer en styringsenhet (21) for boremaskinen, støttrykket og/eller matingen, slik at det optimale støtpunkt nås igjen.

7. Fremgangsmåte ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at en trykkpuls bare måles fra et rom bak et slikt stempel (4a, 14a) som i sin fremste posisjon støtter skaftet, som således er i det optimale støtpunkt.

8. Apparat for styring av boring med et fjellbor, hvor apparatet omfatter en boremaskin som omfatter en ramme (6), et anslagsstempel (1) anbrakt i rammen (6) bevegelig i dennes langsgående retning, et skaft (2) plassert på en aksial forlengelse av anslagsstemplet (1) og minst et stempel (4a, 4b, 14a, 14b) som er anbrakt i rammen (6) bevegelig i dennes aksiale retning, hvor stemplet er plassert i et sylindrisk rom i boremaskinens aksiale retning, og anordnet for å virke på skaftet (2) for å skyve det mot boremaskinens fremre ende ved hjelp av et trykkmedium som virker på stemplets bakre flate, hvoretter dette trykkmediets trykk i det minste under boringen er slik at kraften som virker på skaftet (2) og skyver det fremover, overskrider matekraften som virker på boremaskinen under boringen, slik at når skaftet (2) hviler på alle stemplene (4a, 4b, 14a, 14b), befinner det seg ved sitt optimale støtpunkt, og apparatet omfatter anordninger for måling av trykket i trykkmediet, karakterisert ved at en trykksensor (20, 23) måler en returpuls som reflekteres tilbake til boreapparatet fra bergarten som skal bores, og som resulterer fra anslagsstemplets (1) støt, idet returpulsen detekteres som en trykkpuls (B) når trykket i rommet bak stemplet (4a, 4b, 14a, 14b) måles ved hjelp av trykksensoren (20, 23), og at måledataene for den reflekterte trykkpulsen (B) benyttes for styring av boremaskinens funksjon.

9. Apparat ifølge krav 8, karakterisert ved at en styringsenhet (21) er innrettet for å justere matingen av boremaskinen på grunnlag av trykkpulsen (B) som måles av trykksensoren (20). nsoren (20).

10. Apparat ifølge krav 8 eller 9, karakterisert ved at styringsenheten (21) er innrettet for å justere boremaskinens støteffekt på grunnlag av trykkpulsen (B) som måles av trykksensoren (20).