SE505422C2 - Impedans- och längd-/tidsparameterintervall för hammaranordning samt för tillhörande borrkrona och kolv - Google Patents

Description

15 20 25 30 505 422 2 Ändamàlen med föreliggande uppfinning är att ytterligare förbättra energiöverföringen från kolven till berget via borrkronan och att underlätta tillverkningen av hammaranordningen. Detta förverkligas genom att även uppmärksamma impedansfördelningen i kolven och borrkronan hos en hammaranordning såsom den definieras i de efterföljande patentkraven.

Il.. ._ Nedan beskrivs en utföringsform av en sänkborrhammare enligt föreliggande uppfinning, varvid hänvisning görs till de bifogade ritningarna, där Fig. 1 schematiskt visar kolven och borrkronan hos en sänkborrhammare enligt föreliggande uppfinning; Fig. 2 visar förhållandet mellan de påförda krafterna relativt inträngningen av en borrkrona som bearbetar en bergyta; Fig. 3 visar i ett diagram förhållandet mellan verkningsgraden relativt förhållandet ZM/ZT; Fig. 4 visar i ett diagram förhållandet mellan verkningsgraden relativt förhållandet LM/LT eller TM/TT ; Fig. 5 visar i ett diagram förhållandet mellan verkningsgraden relativt parametern ß; och Fig. 6 visar ett diagram som anger tryck- och dragspänningarna i kolven och borrkronan.

I Fig. 1 visas schematiskt kolven 10 och borrkronan 11. Såsom framgår av Fig. 1 har kolven 10 och borrkronan 11 en i huvudsak omvänd utformning relativt varandra.

Kolven 10 uppvisar två partier 10a och 10b. Partiet 10a har en längd LW och impedansen ZW medan partiet 10b har en längd Ln och impedansen Zn.

Borrkronan 11 uppvisar två partier 11a och 11b. Partiet 11a, dvs. borrkronans huvud, har längden LM, och impedansen ZMZ medan partiet 11b, dvs. borrkronans skaft, har längden LT; och impedansen ZU.

När stötvàgsenergi överförs genom kolvar och borrkronor har det visat sig att inflytandet av variationer i tvärsnittsarean A, elasticitetsmodulen E och BNSDOCID: 10 15 20 25 BNSDOCID: 3 505 422 densiteten ö kan sammanfattas i en parameter Z som kallas impedans. lmpedansen Z -= AE/c, där c - (Höf/z, dvs stötvågens utbredningshastighet.

Alla kombinationer av A, E och ö som svarar mot ett visst värde pà impedansen Z ger samma resultat vad avser stötvàgsenergiöverföring.

Det skall påpekas att impedansen är bestämd i ett visst tvärsnitt tvärs kolvens 10 och borrkronans 1 1 axiella riktning, dvs, impedansen är en funktion utefter kolvens 10 och borrkronans 11 axiella riktning.

Det är därför inom ramen för föreliggande uppfinning möjligt att impedansen Z för de olika partierna 10a, 10b, 11a och 11b kan variera något, dvs ZW, Zn, Zn och ZM; behöver inte ha ett konstant värde inom varje parti utan kan variera i partiernas 10a, 10b, 11a och 11b axiella riktning. I praktiken innebär utformningen av kolven 10 och borrkronan 1 1 att anordnandet av ex.vis runt omkretsen förlöpande spår och/eller splines är ofta förekommande. Även anordnandet av ex.vis en runt omkretsen förlöpande krage kan vara nödvändigt.

Det skall även påpekas att även om exempelvis partierna 10a och 10b måste ha olika impedanser ZW respektive Zn är det möjligt att utforma kolven med en generellt sett konstant tvärsnittsarea genom att använda olika material i partierna 10a och 10b.

Det är även nödvändigt att definiera ytterligare en parameter, nämligen parametern T. Definitionen för T - L/c, där L är längden av partiet i fråga och c är stötvågens utbredningshastighet i partiet ifråga. För partiet 10a är sålunda TM, - Lön/cm, för partiet 11a TM; - LMzlcMz, för partiet 10b TW - LTI/cï, och för partiet 11b TT; - LU/cn. Anledningen till att det är nödvändigt att använda parametern T istället för längden L är att olika partier kan bestå av 10 15 20 25 30 505 422 S4 olika material som har olika värden vad gäller stötvàgens utbredningshastighet c.

Inom ramen för uppfinningen är det även möjligt att exempelvis partiet 10a kan bestå av flera delpartier som har olika stötvàgsutbredningshastighet c. l ett sådant fall beräknas tidsparametern T för varje delparti och det totala värdet av tidsparametern T för hela partiet 10a är summan av tidsparametrarna T för varje del parti.

Fig. 2 visar förhållandet mellan kraften F som pàförs berget och inträngningen u i berget. Linjen k, illustrerar förhållandet mellan kraften F och inträngningen u när en kraft F påförs berget. Sålunda är k, = F/u under pålastningssekvensen, varvid k] är konstant. Avlastningen av kraften F illustreras av linjen k2. Sålunda är kz = F/u under avlastningssekvensen, varvid k; är konstant. När fullständig avlastning har skett finns en kvarstående intryckning uz, vilket innebär att ett visst arbete har utförts på berget, varvid detta arbete illustreras av den triangulära prickade ytan. Den mängd arbete som denna yta representerar definieras med W.

Den kinetiska energin hos kolven 10, när denna rör sig mot borrkronan 11, definieras som Wk.

Såsom anges ovan är ändamålet med föreliggande uppfinning att maximera verkningsgraden, vilket definieras som förhållandet W/VVR.

Föreliggande uppfinning grundar sig på idén att massfördelningen hos kolven skall vara sådan att från början kommer en mindre massa, dvs. partiet 10b, i kontakt med borrkronan 1 1. Därefter följer en större massa, dvs partiet l0a.

Det har visat sig att genom ett sådant arrangemang överföres nästan all kinetisk energi hos kolven in i berget via borrkronan.

BNSDOCID: 10 15 20 25 30 BNSDOClDï 5 505 422 Den viktigaste parametem är impedansförhállandena ZW/ZT, och ZMz/Zn, varvid nämnda parameter skall befinna sig i ett visst intervall. För att erhålla en optimal verkningsgrad är det även viktigt att tidsparameterförhållandena TW/Tn och TMz/TTZ likaså befinner sig i ett visst intervall. l Fig. 3 visar ett diagram förhållandet mellan verkningsgraden W/Wk relativt impedansförhållandet ZM/ZT, varvid detta sistnämnda förhållande är giltigt både för kolven 10 och borrkronan 1 1. För diagrammet enligt Fig. 3 är TM/TT -= 0,5 och ß -= l, se nedan vad gäller definition av ß. Såsom kan utläsas ur Fig. 3 ligger toppvärdet för verkningsgraden i intervallet 3.5 - 5.8, företrädesvis 4.0 - 5.3 av ZM/ZT. I det föredragna intervallet är verkningsgraden W/Wk högre än 96 %. Den högsta verkningsgraden W/Wk i nämnda intervall erhålles när ZM/ZT är ungefär 4.6.

Eftersom verkningsgraden W/Wk har sitt toppvärde när ZM/ZT är ungefär 4.6, kan slutsatsen dras att den teoretiskt föredragna utformningen är när vart och ett av de olika partierna 10a, 10b och Ha, 1 lb hos kolven 10 respektive borrkronan t 1 har en konstant impedans Z i axiell riktning. Dessutom bör partierna tOa och Ha ha samma impedans och partierna 10b och Hb bör ha samma impedans. Emellertid är det inte troligt att detta inträffar hos utföringsformerna i praktiken, se ovan. Det skall därför ånyo påpekas att impedanserna ZW, Zn, Zn och ZMZ inte behöver ha konstanta värden utan kan variera i den axiella riktningen hos motsvarande partier 10a, 10b, Ha resp. i 1b. Den enda begränsningen är att förhållandena ZW/ZT, och ZM2/ZT2 befinner sig i de intervall som specificerats i de efterföljande patentkraven.

I Fig. 4 visar ett diagram förhållandet mellan verkningsgraden W/Wk relativt längdförhållandet LM/LT, eller tidsförhållandet TMNT, varvid sagda Uï 10 15 20 25 30 505 422 6 förhållanden är giltiga för både kolven 10 och borrkronan 11. För digrammet i Fig. 4 gäller att ZM/ZT = 4.6 och ß -= 1, se nedan för definition av ß. Såsom framgår av Fig. 4 befinner sig toppvärdet för W/Wk i intervallet 0.4 - 0.6 av LM/LT eller TMNT. I nämnda intervall är verkningsgraden klan över 90 %. Den högsta verkningsgraden erhålls, enligt vårt tidigare patent för att dra fördel av den första toppen A, när TM/”TT = 0,5.

Så långt sammanfaller föreliggande beskrivning med teknikens ståndpunkt såsom den beskrivs i US-A-5,305,841. Vi har emellertid sökt efter och funnit en andra topp B, utanför gränserna för diagrammet i Fig. 4 i nämnda tidigare patent. Den andra toppen kan vara något lägre än den första toppen A men toppen B är mycket bredare än toppen A. Toppens B stora bredd gör tillverkningen av hammaranordningen enligt föreliggande uppfinning mindre känslig för anordnandet av spår, ansatser och/eller splines. Om verkningsgraden skall vara till exempel 96 % eller mer, kan förhållandet mellan LM och LT (eller TM och TT) endast variera mellan 0.43 till 0.60 för området för toppen A medan det kan variera mellan 1.34 till 2.61 för området för toppen B. Detta betyder att området för toppen B är åtminstone 7 gånger större än området för toppen A vid en verkningsgrad ej mindre än 96 %, vilket gör hammaranordningens verkningsgrad mindre känslig för störande tillägg såsom spår, etc. Den optimala konstruktionen erhålls när TW är lika med TM; och TT, är lika med TU. En ytterligare fördel med att öka längden på delarna 10a och 1 1a är att den totala kinetiska massan ökas, det vill säga kraften per slag ökas i jämförelse med den kända hammaranordn ingen.

När resultaten enligt föreliggande uppfinning skall användas vad avser impedansförhållandet ZM/ZT och tidsförhållandet TM/TT för dimensioneringsarbete är det nödvändigt att införa en parameter kallad ß.

Denna parameter ß = ZLH k1 lAnEn, där LH - LU + LW; k1 är konstanten eNsoocio; BNSDOCIDI 10 15 20 25 30 __505422C2_|_ > 7 505 422 som visas i Fig. 2; AT; är tvärsnittsytan av partiet llb; och En är elasticitetsmodulen för partiet l lb. l Fig. 5 visas förhållandet av verkningsgraden W/VVk relativt parametern ß.

För diagrammet i Fig. 5 gäller att ZM/ZT -= 4.6 och TM/TT - 2. Ur Fig. 5 framgår att verkningsgraden W/Wk minskar för ett ökande ß. Därför är det viktigt att lämpliga samverkande värden för LH och AT, väljes och även att ett material med lämplig elasticitetsmodul En väljes. Av praktiska skäl är det inte möjligt att ha ett alltför lågt värde pá ß fastän verkningsgraden W/Wk ökar för ett minskande värde pà ß.

En mycket viktig fördelaktig egenskap hos föreliggande uppfinning är att kolven och borrkronan hos en hammaranordning enligt föreliggande uppfinning inte utsätts för några nämnvärda dragspänningar under den bergkrossande arbetsperioden hos stötvågen. Sålunda kan den ursprungliga stötvágen reflekteras flera gånger i systemet utan att alstra några nämnvärda dragspänningar. I Fig. 6 visas den högsta positiva (drag) spänningen och den högsta negativa (tryck) spänningen i varje tvärsnitt av kolven och borrkronan 1 1. I diagrammet är de visade spänningarna dimensionslösa eftersom de är relaterade till en referensspänning. Ur Fig. 6 framgår att generellt endast den främre delen 10b och borrkronans bakre del 1 lb utsätts för några dragspänningar och att värdena av dessa spänningar är försumbara. Det skall påpekas att eftersom dragspänningar nästan helt saknas i kolven och borrkronan enligt föreliggande uppfinning kommer dessa detaljer att uppvisa längre livslängd än motsvarande detaljer i konventionella sänkborrhammare, Det är dragspänningarna som ger upphov till utmattning av detaljer av detta slag.

Diagrammen enligt Fig. 3, 4, 5 och 6 har framställts genom användande av ett dataprogram som simulerar slående bergborrning. Emellertid har 505 422 8 dataprogrammet endast använts för att verifiera teorierna enligt föreliggande uppfinning, nämligen att kolven 10 och borrkronan 11 skall ha omvänd utformning. 5 Det skall påpekas att föreliggande uppfinning på intet sätt är begränsad till sänkborrhammare utan ocksa kan användas vid s.k. slående spräckare och bergavverkningsmaskiner. Generellt sett kan uppfinningen användas i ett kolv-borrkrona system där kolven verkar direkt på borrkronan. Det finns inte heller någon begränsning när det gäller aktiveringen av kolven. Detta innebär 10 att sådan aktivering kan åstadkommas genom ex.vis ett hydraulmedium, luft eller andra lämpliga medel.

Fastän föreliggande uppfinning har beskrivits i samband med föredragen utföringsform därav, inser fackmannen inom området att tillägg, strykningar, l 5 modifikationer och ersättningar ej specifikt beskrivna, kan göras utan att fràngå uppfinningstanken såsom den definieras i de efterföljande patentkraven.

BNSDOCI D:

Claims (7)

10 15 20 25 30 BNSDOCID: 9 505 422 Eatentkru

1. l. Hammaranordning innefattande en borrkrona (1 1) anordnad vid en främre ände av anordningen, en kolv (10) monterad axiellt bakom nämnda borrkrona (1 l) för fram- och àtergáende rörelse i axiell riktning för att frekvent slà pà borrkronan, nämnda borrkrona (11) innefattar främre (l la) och bakre (1 lb) delar med olika impedans, och nämnda kolv (10) innefattar främre (10b) och bakre (1021) delar med olika impedans, varvid Zw/ZT, äri intervallet 3.5-5.8, och ZMZ/ZTZ är i intervallet 3.5-5.8, där ZW är impedansen hos nämnda kolvs bakre del (1021), där ZT, är impedansen hos nämnda kolvs främre del (l Ob), där ZM, är impedansen hos nämnda borrkronas främre del (l la), och där ZT, är impedansen hos nämnda borrkronas bakre del (1 1 b), kännetecknad avatt LW/LT, eller TMJTU är i intervallet 1.0-3.0, företrädesvis l,5-2.5, och LMz/LT; eller TMz/Tn är i intervallet 1.0-3.0, företrädesvis 1,5-2.5 där: LM] är längden och TM, är tidsparameter hos nämnda kolvs bakre del (10a), Ln är längden och TT, är tidsparameter hos nämnda kolvs främre del (10b), LM; är längden och TM; är tidsparameter hos nämnda borrkronas främre del (l la), LU är längden och TTZ är tidsparameter hos nämnda borrkronas bakre del (l lb).

2. Hammaranordning enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att förhållandena Zm/Zn och ZMZ/ZU ligger i intervallet 4.0 - 5.3, och är företrädesvis av storleksordningen 4.6 och att förhållandet LMz/LT, eller TMz/TTZ är cirka 2 och att ZM] är lika som ZW och Zn är lika som ZU. lO 15 20 25 30 505 422 *Û

3. Hammaranordning enligt krav 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a d av att kolven (10) och borrkronan (11) har en omvänd design relativt varandra vad gäller tidsparametern (T) eller längdparametern (L).

4. Kolv avsedd att användas i en hammaranordning för att förflyttas axiellt fram och tillbaka för slående ingrepp med en bergborrkrona anordnad framför kolven, nämnda kolv (10) innefattar främre (lOb) och bakre (lOa) delar med olika impedans, varvid ZW/ZT, är i intervallet 3.5-5.8, och där ZW är impedansen hos nämnda kolvs bakre del (10a), där ZT, är impedansen hos nämnda kolvs främre del (10b), k ä n n et e c k n a d av att LW/LT, eller TMI/TT, är i intervallet 1.0-3.0, företrädesvis 1,5-2.5, där: LM, är längden och TM, är tidsparameter hos nämnda kolvs bakre del (1Ûa), LT, är längden och TT, är tidsparameter hos nämnda kolvs främre del (10b),

5. Kolv enligt krav 4, k ä n n e t e c k n a d av att förhållandet LMJLT, eller TW/ln är kring 2.

6. Borrkrona avsedd att användas i en hammaranordning, företrädesvis en sänkborrhammare, vilken krona frekvent slås av en axiellt fram- och átergàende kolv anordnad bakom nämnda borrkrona kolven, nämnda borrkrona (11) innefattar främre (11a) och bakre (1 lb) delar med olika impedans, varvid ZMz/ZTZ är i intervallet 3.5-5.8, där ZM, är impedansen hos nämnda borrkronas främre del (1 la), och där ZT, är impedansen hos nämnda borrkronas bakre del (1 1 b), kännetecknad avatt BNSDOCID: 505 422 11 LMZ/LT; eller TMz/TTZ är i intervallet 1.0-3.0, företrädesvis 1,5-2.5 där: LM; är längden och TM; är tidsparameter hos nämnda borrkronas främre del (1 1a), LU är längden och TU är tidsparameter hos nämnda borrkronas bakre 5 del (1 lb).

7. Borrkrona (11) enligt krav 6, k ä n n e t e c k n a d av att förhållandet LW/LU eller TMz/TT; är kring 2. BNSDOCID'