SE432280B - Kopplingsorgan for slagborrstreng - Google Patents

Description

80001384: 2 Överföringen av stötvågsenergi genom vågöverföringssystem har därför studerats för ett system som innefattar ett ingàngsele- ment med konstant impedans, ett kopplingsorgan med variabel impedans och ett utgångselement med konstant impedans. Energi- överföringens verkningsgrad, vilken definieras som förhållan- det mellan överförd till infallande vågenergi, maximeras genom att impedansfunktionen för kopplingsorganet optimeras, dvs den optimala fördelningen av kopplingsorganets massa över dess längd bestämmes.

Detta och andra syften med uppfinningen har uppnåtts genom att denna har erhållit de i efterföljande patentkrav angivna kän- netecknen.

Uppfinningen beskrivs närmare i det följande under hänvisning till bifogade ritningar, på vilka olika utföringsformer schema- tiskt visas i exemplifierande syfte. Dessa utföringsformer av- ser endast att illustrera uppfinningen, vilken kan modifieras inom ramen för patentkraven.

Pa ritningarna visar Fig. 1 sehematiskt ett stötvàgsöverförings- system i en slagborrsträng.

Fig. 2 visar den stötvåg som alstras med en cylindrisk slag- kolv.

Fig. 3 illustrerar kopplingsorganets impedans i generellt upp- delad form.

Fig. 4 och 5 illustrerar schematiskt konventionella kopplings- organ.

Fig. 6 - 12 illustrerar schematiskt olika utföringsformer av ett kopplingsorgan enligt uppfinningen.

Fig. 13 visar ett element ingående i en borrsträng. 8000458 ~ 3 3 Fig. 14 och 15 visar kopplingsorgan som motsvarar de 1 Fig. 6 och Fig. 8 schematiskt visade utföringsformerna.

Det i Fig. 1 med 10 generellt betecknade stötvågsöverförings- systemet innefattar ett ingángselement ll, ett kopplingsorgan 12 och ett utgàngselement 13. En bergborrmaskins slagkolv 14 avger slag mot elementet ll. Detta kan utgöras av en 1 berg- borrmaskinen ingående adapter eller av den första skarv- stàngen 1 en slagborrsträng. När uppfinningen tillämpas vid skarvborrstänger kan kopplingsorganet 12 användas för att förbinda vilka som helst av två på varandra följande borr- stänger.

När slagkolven 14 träffar kopplingsorganet ll omvandlas slag- kolvens rörelseenergi till stötvågsenergi. I hydrauliska bergborrmaskiner är slagkolven 14 vanligen cylindrisk. Även i pneumatiska bergborrmaskiner kan slagkolven betraktas som väsentligen ekvivalent med en cylindrisk kolv, eftersom dess förstorade trattformiga huvudparti vanligen är utbildat med en urtagning. En väsentligen rektangulär stötvåg 22, Fig. 2, alstras således av slaget. Om slagkolvens 14 längd är LK blir längden hos den alstrade stötvágen 2 Lk.

Stötvâgen fortplantar sig genom vàgöverföringssystemet med den lokala ljudhastigheten. Förluster i energiöverföringen uppstår på grund av reflexioner vid inre ytor 1 kopplingsorga- net 12. Föreliggande uppfinning avser att göra dessa förluster så små som möjligt genom optimering av kopplingsorganets form.

Vid denna optimering bibehålles kopplingsorganets 12 längd och massa oförändrad.

I konventionella hydrauliska bergborrmaskiner är förhållandet Lk:Lh 1 storleksordningen 2,5. Lh betecknar därvid längden hos en konventionell skarvhylsa. Vid optimeringen av kopplingsor- ganets 12 form har därför detta förhållande använts. 8000458 ~ 3 4 När stötvágor fortplantar sig genom stänger, har man funnit, att inverkan av variationer i tvärsnittsarean A, elasticitetsmodulen E och tätheten f kan sammanföras till en enda parameter benämnd impedans. Impedansen Z är lika med A f C = AE/C, där C = (E/f F är stötvågens hastighet. Vilka kombinationer som helst av A,\f och E motsvarande ett visst värde på impedansen Z bör således ge sam- ma resultat. När kopplingsorganet 12 används för att förbinda två likadana på varandra följande borrstänger är impedanserna hos borrstängerna ll, 13 likadana.

Som tidigare nämnts är syftet med föreliggande uppfinning att maximera energiöverföringens verkningsgrad/2, varvidq definieras som förhållandet mellan överförd till infallande energi. Om kopplingsorganets 12 impedans var lika stor, nå, som impedanser- na hos elementen 11, 13, skulle verkningsgraden/2 , åtminstone .teoretiskt, bli lika med l. I praktiken uppstår emellertid en del mindre förluster orsakade av gängförbindningarna mellan kopp- lingsorganet 12 och elementen ll, 13. Verkningsgraden/I minskar för impedanser över och under Z0. I konventionella skarvhylsor är dessas impedans alltid större än Zo.

Energiöverföringens verkningsgradl? maximeras enligt uppfinningen genom att den optimala fördelningen av kopplingsorganets massa över dess längd sökes. Denna längd uppdelas därför i N segment och kopplingsorganets impedans uppdelas således i N konstanta impedanser. Fig. 3 illustrerar generellt impedansuppdelningen.

Elementens ll, 13 impedanser 15, 16 är lika stora när två lika- dana borrstänger hopkopplas med varandra. Om elementet ll är en adapter i bergborrmaskinen, kan impedanserna 15, 16 naturligtvis vara olika stora, och är troligtvis så ocksâ. Impedanserna hos kopplingsorganets 12 segment är betecknade med siffrorna 17-21.

Problemet att bestäma den optimala impedansfunktionen formule- ras som ett icke-lineärt programmeringsproblem, vilket sedan löses numeriskt för godtyckliga värden på N genom användande av den reducerade gradientmetoden. 8000458-3 5 Enligt uppfinningen har man funnit, att värdet på N påverkar de optimala formerna på ett tydligt och regelbundet sätt.

Kopplingsorgan 12 har studerats för N = 1 till 9. De verk- ningsgrader som motsvarar optimalt utbildade kopplingsorgan har jämförts med verkningsgraderna för kopplingsorgan med samma massa och med utefter längden konstant impedans. För- hållandet mellan impedansen hos de studerade kopplingsorganen och den tidigare nämnda impedansen Zo är = 5. J Fig. 4 - 12 visar den optimala massfördelningen för N = 1 till 9. Denna visas nedan i tabellform. I denna tabell visas också förhållandet mellan den största och den minsta impedansen i varje kopplingsorgan.

Fig.nr N I? Zmax/Zmin 4 1 0,620 1 5 2 0,620 1 6 3 0,804 52,8 7 4 0.803 29.3 8 5 0,855 50,2 9 6 0.879 70,3 10 7 0,889 60,0 ll 8 0,879 44,5 12 9 0,911 89,2 Det är anmärkningsvärt att de optimala impedansfördelningarna (eller massfördelningarna när kopplingsorganet är av samma ma- terial utefter dess längd) visar sig variera kraftigt mellan intilliggande segment. I stället för en jämn övergång erhålles en markerad stor-liten-stor impedansfördelning. Det är också ett gemensamt särdrag att stora impedanser alltid upp- träder vid ändarna. Dessutom förefaller de optimala formerna inte att konvergera mot en enda form för ökande N. Detta kan vara ett resultat av själva uppdelningen. Pà grund av omfatt- ningen av de erforderliga beräkningarna finns det nämligen en praktisk övre gräns för N. 8000458-3 6 Som framgår av ovanstående tabell ökar verkningsgraden med ökande N, med undantag av N = Y och N = 8, där värdena är mindre än för N = 3 respektive N = 7. För N = 4 och 8 be- finner sig två lika små impedanser intill varandra.

Det framgår också av ovanstående tabell att förhållandet mel- lan den största och den minsta impedansen i kopplingsorganet 12 är i storleksordningen 30 till 90 för N = 3 till 9.

Försök har utförts för att verifiera en del teoretiska resul- tat beträffande skarvar som är optimalt utformade med hänsyn till överföringen av stötvågsenergi. De experimentellt erhåll- na resultaten stöder giltigheten hos den modell som använts för att erhålla de teoretiska resultaten. De ingående och ut- gående stänger som användes var identiska. En sådan stång 23 visas i Fig. l3. Stången 23 är utbildad med ett gängat änd- parti 24. I Fig. 14 visas ett kopplingsorgan 25, som motsvarar det som illustreras i Fig. 6. Kopplingsorganet 25 har två änd- partier 26, 27 med en stor impedans och ett mellanliggande parti med en avsevärt mindre impedans. Ändpartierna 26, 27 är försedda med gängade bottenhål 29, 30, vilka är anordnade att mottaga ändpartiet 24 på stången 23. I Fig. 15 visas ett kopp- lingsorgan 31, som motsvarar det som illustreras i Fig. 8.

Kopplingsorganet 31 har två ändpartier 32, 33 och ett mellan- liggande parti 34 med stora impedanser och mellanliggande par- tier 35, 36 med små impedanser.

Enligt uppfinningen har det också befunnits att de stora och små impedanserna företrädesvis skall vara inbördes lika stora.

I de illustrerade utföringsformerna är kopplingsorganen gjor- da av samma material utefter deras längder, dvsj9ooh E är kon- stanta. Som tidigare nämnts bestäms verkningsgraden av impe- dansen Z. Det är således möjligt att inom ramen för uppfinnings- tanken utbilda kopplingsorganet med konstant diameter utefter &0Û0lf58-3 7 dess längd och att variera impedansen genom att tillverka kopp- lingsorganets axiellt åtskilda segment av olika material, dvs material med olika täthetj9 och elasticitetsmodul E.

På grund av den stora diametern på ett kopplingsorgan enligt uppfinningen kan detta med fördel användas i skarvborrutrust- ningar för centrering och styrning av borrsträngen 1 syfte att förbättra borrhålets rakhet. I detta fall kan kopplingsorga- net naturligtvis användas tillsammans med konventionella skarvhylsor.

Det torde förstås att de schematiskt illustrerade formerna på kopplingsorganet kan varieras inom ramen för patentkraven.

Det erfordras endast att de utbildas med en form, som har en med de illustrerade formerna ekvivalent massfördelning.

Claims (10)

8300458 - 3 Patentkrav

1. Kopplingsorgan för förbindning av två efter varandra följande element (ll, 13) i en slagborrsträng, k ä n - n e t e e k n a t av, att kopplingsorganet, när det in- går i slagborrsträngen, (25; 31), är utbildat med åtmin- stone en stor impedansändring utefter sin längd, varvid det innefattar åtminstone ett första parti (28; 35) med lägre impedans än impedansen hos åtminstone det ena av elementen och åtminstone ett från det första partiet axi- ellt åtskilt andra parti (26; 32) med högre impedans än impedansen hos nämnda ena element.

2. Kopplingsorgan enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av, att det innefattar ett tredje från det första och and- ra partiet axiellt åtskilt parti (27, 33), varvid det tred- je partiet (27; 33) har högre impedans än impedansen hos nämnda ena element och varvid det första partiet (28; 35) är anordnat mellan det andra (26; 32) och tredje (27; 33) partiet.

3. Kopplingsorgan enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a t av, att det andra (26; 32) och tredje (27; 33) partiet är anordnade vid axiellt motsatta ytterändar av kopplingsorga- net (25; 31).

4. Kopplingsorgan enligt något av föregående krav, k ä n - n e t e c k n a t av, att impedansändringarna utefter kopp- lingsorganets (25; 31) längd är tvära.

5. Kopplingsorgan enligt något av kraven 2-4, k ä n n e - t e c k n a t av, att impedanserna hos det andra (26; 32) och tredje (27; 33) partiet är väsentligen lika stora.

6. Kopplingsorgan enligt något av kraven 2-5, k ä n n e - t e c k n a t av, att det innefattar ett fjärde parti (36) med lägre impedans än impedansen hos nämnda ena element, varvid det fjärde partiet (36) och det första partiet (35) är åtskilda av ett femte parti (34) med högre impedans än 8000458-3 impedansen hos nämnda ena element, varvid företrädesvis det första (35) och fjärde (36) partiet har väsentligen lika stora impedanser och det andra (32), tredje (33) och femte (34) partiet har väsentligen lika stora impedanser.

7. Kopplingsorgan enligt krav 6, k ä n n e t e c k n a t av, att det andra (26, 32) och tredje (27; 33) partiet är väsentligen lika långa, varvid företrädesvis även det förs- ta partiet (28; 35) har samma längd.

8. Kopplingsorgan enligt något av föregående krav, k ä n - n e t e c k n a t av, att de i køpplingsorganet ingående partierna är tillverkade av olika material, varvid de före- trädesvis har samma ytterdiameter.

9. Kopplingsorgan enligt något av föregående krav, k ä n - n e t e c k n a t av, att partier med stora och små impe- danser är växelvis anordnade utefter kopplingsorganets (31) längd.

10. Kopplingsorgan enligt något av föregående krav, k ä n - n e t e c k n a t av att förhållandet mellan den största impedansen i något av kopplingsorganets partier och den minsta impedansen i något av partierna är större än 30, med företräde för värden större än 40.