SE506527C2 - Förfarande, bergborrverktyg, bergborrkrona och mellanelement för att överföra slagenerig från ett topphammaraggregat - Google Patents

Description

506 527 10 15 20 25 30 2 pulser innebär hög temperatur och ljudnivå, ökad förslitning och sämre verkningsgrad.

Syften med uppfinningen Ett syfte med föreliggande uppfinning är att anordna ett bergborrverktyg vid vilket maximal energi kan överföras till borrhàlet.

Ett annat syfte med föreliggande uppfinning är att anordna ett bergborrverktyg vid vilket slagpulser ej reflekteras tillbaka till borrmaskinen.

Ytterligare ett annat syfte med föreliggande uppfinning är att anordna ett bergborrverktyg vid vilket värmeutveckling i verktyget under borrning minimeras.

Ytterligare ett annat syfte med föreliggande uppfinning är att anvisa ett förfarande för att relativt förlustfritt överföra slagenergi från ett topphammaraggregat till ett borrverktyg.

Ytterligare ett syfte med föreliggande uppfinning är att anordna ett bergborrkrona, vilken ger en god verkningsgrad under borrning.

Ytterligare ett annat syfte med föreliggande uppfinning är att anordna ett bergborrverktyg som alstrar en låg ljudnivå under borrning.

Dessa och andra syften förverkligas medelst ett bergborrverktyg, ett förfarande samt en bergborrkrona såsom dessa definieras i efterföljande patentkrav med hänvisning till bifogade ritningar. Ytterligare fördelaktiga särdrag med uppfinningen framgår av de osjälvständiga patentkraven.

Beskrivning av ritníngarna Nedan kommer föredragna utföringsexempel enligt föreliggande uppfinning 10 15 20 25 30 506 527 3 att beskrivas med hänvisning till efterföljande figurer. Fig. 1 visar en, delvis snittad vy av ett bergborrverktyg enligt uppfinningen. Fig. 2.1 till 2.6 visar schematiskt, en tryckpuls' omvandling i ett bergborrverktyg enligt uppfinningen. Fig. 3 visar en tryckpuls' verkliga utbredning i ett bergborrverktyg enligt uppfinningen och i ett konventionellt borrverktyg.

Fig. 4 visar en delvis snittad vy av en alternativ utföringsform av ett bergborrverktyg enligt uppfinningen.

Detaljerad beskrivning av uppfinningen Det ii Fig. 1 visade bergborrverktyget 10 innefattar en bergborrkrona 11 och ett borrör 12. Kronan 11 har ett kronhuvud 13 frán vars frontyta 14 utskjuter ett antal frontstift 15 samt i en periferiel I krans anordnade periferistift 16, med företrädesvis sfäriska eller ballistiska krossytor.

Borrkronan har ett skaft 17 anordnad med utvändiga, längsgående splines eller kilspâr 19 att samverka med pâ rörets 12 ände 18 anordnade motsvarande kilspár 24. Formen pà varje kilspàrs botten är i de flesta fall anpassad att eftersträva optimal hâllfasthet för skaftet.

Skaftet 17 utgör en integrerad del av den för slående borrning anpassade stiftborrkronan 11. Kronhuvudets 13 axiellt inre ände utgörs av en skuldra 20, vilken har en i huvudsak plan anslagsyta 21 vänd mot skaftets 17 i huvudsak plana, fria ände 27. För att uppnå maximal reflektion av pulser har ändytan 27 aldrig kontakt med andra delar av verktyget. Anslagsytan 21 har en utsträckning i huvudsak vinkelrätt mot en längsgående centrumaxel 22 hos borrverktyget 10.

Borrörets 12 fria ände har formen av en plan, ihålig ändyta 23, vilken har utsträckning i huvudsak vinkelrätt mot centrumaxeln 22. Borröret innefattar dessutom kilspár, vilka är utförda i borröret 12 och utgör integrerade delar av borröret. Formen på varje kilspàrs botten är i de flesta fall anpassad att eftersträva optimal hállfasthet för röret. 506 527 10 15 20 25 30 4 Bergborrverktyget 10 har en central spolkanal 26, vilken övergår i minst en andra kanal i kronhuvudet.

Av figuren framgår att borrkronans anliggningsyta 21 är avsedd att anligga mot den plana ändytan 23 på rörets fria ände, dvs s.k. skulderanslag är etablerat, under det att en tryckpuls överförs från röret till kronan via anslagsytorna 21 och 23. Skulderanslaget skall upphöra när hela tryckpulsen överförts till kronan, vilket beskrivs närmare nedan. En låsanordning 24 är anordnad att rörligt kvarhålla kronan i röret, varvid làsanordningen är anordnad att ej påverka kronans axiella rörelser inom ett axiellt intervall. Làsanordningen kan vara en excentriskt placerad, helst ihålig, metalltapp som samverkar med en axiell, avlång urtagning i skaftets mantelyta eller i något av kilspåren, en ring som samverkar med en fläns på skaftet eller dylikt. Oavsett typ av låsanordning är grundtanken att denna skall vara så lätt som möjligt för att minimera störning av pulsens utbredning. Istället för samverkande kilspår för överföring av vridmoment kan alternativt medbringning mellan skaft och borrör ske medelst samverkande, i tvärsnitt, polygonformade ytor eller medelst lösa kilar som samverkar med spår i både skaft och borrör.

När stötvågsenergi överföres genom mellanelement, såsom rör eller stänger, och borrkronor har det visat sig att inflytandet av variationer i tvärsnittsarean A, elasticitetsmodulen E och densiteten 6 kan sammanfattas i en parameter Z som kallas impedans. impedans definieras av formeln: elasticitetsmodulen gånger tvärsnittsarean dividerat med vågutbredningshastigheten (ljudets hastighet) i det aktuella materialet , det vill säga impedansen Z - AE/c, där c - (E/6)”2, dvs stötvàgens utbredningshastighet. Alla kombinationer av A, E och 6 som svarar mot ett visst värde pá impedansen Z ger samma resultat vad avser överföring av stötvágsenergi. 10 15 20 25 30 506 527 5 Det skall påpekas att impedansen är bestämd i ett visst tvärsnitt tvärs borrkronans 11 och mellanelementets axiella riktning, dvs. impedansen är en funktion utefter borrkronans 11 och mellanelementets axiella riktning. I Fig. 1 betecknas impedans med ZP för röret 12, med ZH för huvudet 13 och med ZS för skaftet 17.

Det är därför inom ramen för föreliggande uppfinning möjligt att impedansen ZP, ZH och ZS för de olika partierna 12, 13 respektive 17 kan variera något, dvs impedansen behöver inte ha ett konstant värde inom varje parti utan kan variera i partiernas 13 och 17 axiella riktning. I praktiken innebär utformningen av borrkronan 11 att, såsom nämnts ovan, anordnandet av exempelvis runt omkretsen förlöpande spår och/eller splines kan förekomma. Även anordnandet av exempelvis en runt omkretsen förlöpande krage kan vara nödvändigt.

I Fig. 2 visas ett bergborrverktyg enligt föreliggande uppfinning schematiskt i ett antal delfigurer, varvid en genererad och reflekterad tryckpuls' AG respektive AR (skuggad) och en dragvågs B utbredning i borröret 12 och kronan 11 framgår i diagramform. Förloppet med ett hammarslag sker under cirka 1 millisekund. Linjen I betecknar tryckvàgens AG slut när tryckvågen når ändytan 23; linjen II betecknar reflektionsytans 27, läge; linjen Ill betecknar anslagsställets position. Borrkronan är företrädesvis i kontakt med bergmaterialet som skall borras via sfäriska eller ännu hellre spetsiga stift. Sfäriska stift reflekterar i huvudsak ej någon tryckpuls tillbaka i kronan 12 med ett verktyg enligt föreliggande uppfinning men fördelen med spetsiga stift är att reflektionen blir ytterligare något mindre.

I Fig. 2.1 visas ett bergborrverktyg enligt föreliggande uppfinning schematiskt, varvid skaftets 17 axiella längd från skuldran 20 till tappens fria ände är LS och kronans 11 höjd mellan skuldran 20 och frontytan 14 är LH. Skaftets 17 längd LS är ungefär hälften av tryckpulsens längd L. Med D1 betecknas borrörets och skuldrans 20 ytterdiameter. Kvoten LS/LH är så 10 15 20 25 30 ' søe 527 6 stor som möjligt och definitivt större än 5 och av praktiska skäl väljs kvoten inom intervallet 7 - 70, helst 9 - 20. I ett teoretiskt extremfall med skaftlängden 2 m och kronhöjden 0.03 m blir kvoten 67.

Fig. 2.2 visar den inkommande tryckpulsen AG i borrörets 12 övre eller nedre tvärsnitt enligt Fig. 2.1, såsom pulsen ser ut när en relativt lång och smal slagkolv utnyttjas i topphammaraggregatet. Illustrationen av tryckpulsen är idealiserad för àskådlighetens skull. I verkligheten har tryckpulsen t.ex. successivt föränderliga ändar. Tryckpulsens start och slut definieras härefter såsom det värde pulsen har när det motsvarar pulsens halva maximala amplitud. Tryckpulsens AG startände har i detta läge precis kommit fram till borrörets ändyta 23 vid linjen III medan dess slutände nátt linjen I. Borrkronan har ännu ej förflyttats.

I Fig. 2.3 har en del, cirka en fjärdedel, av tryckpulsen nátt borrkronan 11 och ombildats till en dragpuls B pà grund av trögheten i skaftets stora massa. Dragvágen B har i ett idealt utförande samma amplitud som tryckvágen. Dragpulsen B är pà väg mot kronans reflektionsyta 27, vilken är belägen pà ett avstånd fràn anslagsstället, vilket är i huvudsak lika som halva längden av tryckpulsen AG. Trögheten hos kronan gör att den inte förflyttas förrän hela stötvàgen kommit in i kronan.

I Fig. 2.4 har halva tryckpulsen AG passerat anslagsstället och omvandlats till dragpulsen B som nu nátt reflektionsytan i skaftets fria ände.

Eftersom dragpulsen B inte möter någon impedans vid den fria änden 27 enligt Fig. 2.5 ombildas dragpulsen till en reflekterad tryckpuls AR.

I Fig. 2.6 har hela tryckpulsen AG fràn borröret 12 överförts till borrkronan.

I detta skede börjar tryckpulsen AR att skjuta borrkronan 11 axiellt framåt i och med att tryckpulsen AR när kronans front. Därmed sker även en 10 15 20 25 30 506 527 7 separation av kronan från borröret vid anslagsstället. En del av tryckpulsen AR i kronan kommer därmed att överföras till berget och ett glapp uppstår mellan krona och berg, varvid tryckpulsen ombildas till en dragpuls i frontytan. Men eftersom ett spel föreligger mellan borröret och kronan så bibehålls dragpulsen i kronan. Detta innebär att den energi som finns kvar i borrkronan används och överförs till berget efter ytterligare reflektioner.

I Fig. 3 visas ett diagram över ett representativt hammarslag, varvid pulsens amplitud visas som funktion av tiden. Syftet med provet är att se hur mycket reflekterade pulser som kommer tillbaka i röret. I Fig. 3 visar den tjocka kurvan pulsutbredningen i ett verktyg enligt föreliggande uppfinning och den streckade kurvan i diagrammet avser ett konventionellt verktyg med en borrkrona i gängad förbindning med ett borrör. De två olika verktygen har dock samma längd och diameter.

En töjningsmätare är fäst vid borrörets axiella mitt under hela förloppet så att tryckpuls och dragpuls kan separeras. Mätaren registrerar till att börja med en tryckpuls A för båda verktygen i samband med att hammarslaget utbreder sig i riktning mot respektive borrkrona. Det konventionella verktygets rör erhåller en reflekterad dragpuls, vid B, från berget, medan verktyget enligt föreliggande uppfinning vid B' har i huvudsak återgått till nollnivå avseende pulser. Dessutom kommer ytterligare en tryckpuls i det konventionella verktygets rör vid C, reflekterad från topphammaraggregatets nacke, medan verktyget enligt föreliggande uppfinning vid C' kvarstår i huvudsak vid nollnivån. Vid kontinuerlig borrning med verktyget enligt föreliggande uppfinning erhölls vid mätning inga returpulser i borröret. De i det konventionella verktygets rör reflekterade pulserna skapar förhöjt slitage, förhöjd temperatur och ljudnivå samt försämrad verkningsgrad i förhållande till verktyget enligt föreliggande uppfinning.

Temperaturmätningar har gjorts vid borrning, varvid temperaturen på röränden hos verktyget enligt föreliggande uppfinning var en fjärdedel av 10 15 20 25 30 _ 506 527 8 temperaturen på röränden hos det konventionella verktyget. l Fig. 4 visas en delvis snittad vy av en alternativ utföringsform av ett bergborrverktyg 10' enligt uppfinningen. Bergborrverktyget 10' innefattar en borrstàng 12' instucken i en bergborrkrona 11'. Kronan 11' har ett kronhuvud 13' fràn vars frontyta 14' utskjuter ett antal frontstift 15' samt i en periferiell krans anordnade periferistift 16'. Borrkronan har ett skaft 17' anordnad med invändiga, längsgående splines eller kilspàr 19' att samverka med på stångens 12' ände 18' anordnade motsvarande utvändiga, kilspàr 24'.

Skaftet 17' utgör en integrerad del av den för slående borrning anpassade stiftborrkronan 11'. Kronhuvudets 13' axiellt inre ände utgörs av ett bottenhàl 20', vilket har en i huvudsak plan anslagsyta 21 ' vänd mot skaftets 17' fria ände 27'. För att uppnå maximal reflektion av pulser har ändytan 27' ej kontakt med andra delar av verktyget. Anslagsytan 21 ' har en utsträckning i huvudsak vinkelrätt mot den längsgående centrumaxeln 22' hos borrverktyget 10'.

Borrstàngens 12' fria ände har formen av en plan, ändyta 23', vilken har utsträckning i huvudsak vinkelrätt mot centrumaxeln 22'. Borrstàngen innefattar dessutom kilspàr, vilka är utförda utvändigt pá borrstàngen 12' och utgör integrerade delar av borrstángen.

Bergborrverktyget 10' har en central spolkanal 26', vilken övergår i minst en andra kanal i kronhuvudet.

Av figuren framgår att borrkronans anliggningsyta 21 ' är avsedd att anligga mot den plana ändytan 23' pá stângens fria ände, dvs s.k. skulderanslag är etablerat, under det att en tryckpuls överförs fràn röret till kronan via anslagsytorna 21' och 23'. En làsanordning 24 är anordnad att rörligt 10 15 20 506 527 9 kvarhålla stången i kronan, varvid Iâsanordningen är anordnad att ej påverka kronans axiella rörelser inom ett intervall. Làsanordningen kan vara en excentriskt placerad, gärna ihålig, metalltapp som samverkar med en axiell, avlång urtagning i stàngens mantelyta, en ring som samverkar med en fläns på stången eller dylikt. Istället för samverkande kilspår för överföring av vridmoment kan alternativt medbringning mellan skaft och borrstàng ske medelst samverkande, i tvärsnitt, polygonformade ytor eller medelst lösa kilar som samverkar med spår i både skaft och borrstàng.

Pulsförloppet i borrverktyget 10' och borrkronans 11' dimensioner är likadana som beskrivits i samband med Fig. 1-3. En skillnad är dock att tryckpulsen överförs radiellt utåt i detta fall istället för utifrån och inåt.

Enligt ett efterföljande patentkrav anordnas ett mellanelement för att skarva en borrkrona till ett topphammaraggregat, varvid elementet 12;12' är i huvudsak rör- eller stångformigt. Mellanelementets mot borrsträngen vända ände innefattar en gänga. Mellanelementets 12;12' andra, mot borrkronan vända, ände innefattar momentöverförande, axiellt riktade medbringningsytor 24;24', vilka tillåter axiell relativ rörelse av borrkronan.

Den andra änden 18:18' innefattar en tryckpulsöverförande ändyta 23;23'.

Uppfinningen är på intet sätt begränsad till de ovan beskrivna utföringsformerna utan kan fritt varieras inom ramen för de efterföljande patentkraven.

Claims (10)

506 527 10 15 20 25 30 10 Patentkrav

1. Förfarande för att överföra slagenergi från ett topphammaraggregat, vilket aggregat ger tryckpulser (AG) med en längd (L), varvid verktyget innefattar mellanelement (12;12') samverkande med en borrkrona (11;11'), varvid nämnda krona innefattar ett skaft (17;17') med en första längd (LS) samt ett kronhuvud (13;13') med en andra längd (LH) och försett med krossorgan (15,16;15',16'), varvid en krondel, såsom en skuldra (20) eller ett bottenhàl (20'), är anordnat i anslutning till kronhuvudet, vilket uppvisar en mot mellanelementets fria ände vänd första anslagsyta (21;21'), varvid mellanelementets, mot borrkronan vända, fria ände är försedd med en andra anslagsyta (23;23'), varvid topphammaraggregatet bringas att överföra tryckpulser till mellanelementet, varvid varje tryckpuls (AG) överförs till borrkronan via anslagsytorna (21,23;21'23'), och varvid mellanelementet och kronan innefattar samverkande anordningar (19,24,25;19',24',25') för medbringning och kvarhållning, k ä n n e t e c k n at av att merparten av tryckpulsen (AG) som utbredes i mellanelementet (12;12') omvandlas till dragpuls (B) i kronans (11;11') skaft (17;17') genom att kvoten (LS/LH) mellan skaftets första längd (LS) och kronhuvudets andra längd (LH) är 5 eller större, under det att verktyget bringas att rotera och slå mot ett bergmaterial för upptagning av hål däri.

2. Förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k n at a v att tryckpulsen överförs till borrkronan via anslagsytorna (21,23;21',23') och att skaftets längd (LS) väljes i huvudsak till hälften av tryckpulsens längd (L), så att en i borrkronan uppkommen dragpuls (B) omvandlas i skaftets ände till en reflekterad tryckpuls (AR), vilken reflekterad tryckpuls sedan utbreder sig i riktning mot borrkronan (11;11') för ytterligare bearbetning av bergmaterialet.

3. Förfarande enligt krav 1 eller 2, 10 15 20 25 30 506 527 11 k ä n n e t e c k n at a v att borrkronans impedans (ZS+ZH) och mellanelementets impedans (ZP) väljs så att borrkronans anslagsyta (21;21') kommer ur kontakt med mellanelementets anslagsyta (23;23') först när hela tryckpulsen (AG) överförts till borrkronan.

4. Förfarande enligt krav 1, 2 eller 3, k ä n n e t e c k n at a v att tryckpulsen (AG) överförs radiellt inåt eller radiellt utàt till skaftet (17;17') och att skaftet anordnas med en impedans (ZS) som är i huvudsak likadan som impedansen (ZP) hos mellanelementet (12;12').

5. Bergborrverktyg för slående borrning medelst ett topphammaraggregat, vilket aggregat ger tryckpulser (AG) med en längd (L), varvid verktyget innefattar minst ett mellanelement, såsom ett borrör (12) eller en borrstång (12'), samverkande med en borrkrona (11;11'), varvid nämnda krona innefattar ett skaft (17;17') med en första längd (LS) samt ett kronhuvud (13;13') med en andra längd (LH) och försett med krossorgan (15,16;15',16'), varvid en krondel, såsom en skuldra (20) eller bottenhål (20'), är anordnad i anslutning till kronhuvudet, vilken krondel uppvisar en mot mellanelementets fria ände vänd, första anslagsyta (21 ;21'), varvid mellanelementets, mot borrkronan vända, fria ände är försedd med en andra anslagsyta (23;23'), varvid topphammaraggregatet är anordnat att överföra tryckpulser till mellanelementet och varvid varje tryckpuls (AG) överförs till borrkronan via anslagsytorna (21,23;21'23') och varvid mellanelementet och kronan innefattar samverkande anordningar (19,24,25;19',24',25') för medbringning och kvarhàllning, k ä n n e t e c k n a t av att kvoten (LS/LH) mellan skaftets första längd (LS) och kronhuvudets andra längd (LH) är 5 eller större.

6. Bergborrverktyg enligt krav 5, k ä n n e t e c k n at a v att tryckpulsen är anordnad att överföras till 506 527 10 15 20 25 30 12 borrkronan via anslagsytorna (21,23;21',23') och att skaftets längd (LS) är i huvudsak hälften av tryckpulsens längd (L), sà att en i borrkronan uppkommen dragpuls (B) omvandlas i skaftets ände till en reflekterad tryckpuls (AR).

7. Bergborrverktyg enligt krav 6, k ä n n e t e c k n a t a v att borrkronans impedans (ZS +ZH) och mellanelementets impedans (ZP) är anordnade så att borrkronans anslagsyta (21;21') kommer ur kontakt med mellanelementets anslagsyta (23;23') först när hela tryckpulsen (AG) överförts till borrkronan och att tryckpulsen (AG) är anordnad att överföras radiellt inåt till eller radiellt utåt till skaftet (1 7;1 7').

8. Bergborrkrona för slående borrning medelst topphammaraggregat, varvid nämnda krona (11;11') innefattar ett skaft (17;17') med en första längd (LS) samt ett kronhuvud (13;13') med en andra längd (LH) och försett med krossorgan (15,16;15',16'), varvid en krondel, såsom en skuldra (20) eller ett bottenhâl (20') är anordnad i anslutning till kronhuvudet, vilken krondel uppvisar en mot rörets eller stàngens fria ände vänd, första anslagsyta (21;21'), varvid kronan innefattar anordningar (19;19') för medbringning och kvarhâllning, k ä n n e t e c k n a d a v att kvoten (LS/LH) mellan skaftets första längd (LS) och kronhuvudets andra längd (LH) är 5 eller större.

9. Bergborrkrona enligt krav 8, k ä n n e t e c k n a d a v att kvoten ligger i intervallet 7 - 70, oftast 9 - 20.

10. Mellanelement för att skarva en borrkrona till ett topphammaraggregat, varvid elementet (12;12') är i huvudsak rör- eller stàngformigt, varvid mellanelementets mot borrsträngen vända ände innefattar en gänga, 10 506 527 13 k ä n n e t e c k n at a v att mellanelementets (12;12') andra, mot borrkronan vända, ände innefattar momentöverförande, axíellt riktade medbringningsytor (24;24'), varvid den andra änden (18:18') innefattar en tryckpulsöverförande ândyta (23;23').