SE528649C2 - Impulsgenerator, hydrauliskt impulsverktyg och förfarande för att alstra impulser - Google Patents

Description

25 30 528 649 svarande fördelar uppnås vid ett hydrauliskt impulsverktyg inkluderande en dylik impulsgenerator och vid ett uppfinninga- enligt förfarande.

Genom avpassning av kammaren på detta sätt möjliggörs påverk- ning av vätskan i ett område av kammaren så att det bildas en tryckbuk i ett andra område därav. Det möjliggörs vidare att impulskolven utsätts för tryckvariationer eller vätsketryck- pulser, som förekommer vid denna tryckbuk. De på impulskolven verkande vätsketryckpulserna överförs sedan som tryckspän- ningspulser i verktyget för att tillhandahålla detta rörelser för t ex sönderdelning av berg.

Då vätskan i kammaren exciteras vid en resonansfrekvens kommer således en stående våg att byggas ubp. Konfigurationen av denna våg bestäms bl a av kammarens randvillkor, dvs gavlar.

Om randvillkoret är sådant att en gavel är mycket styv kommer en flödesnod (ingen flödesvariation) och en tryckbuk (maximalt varierande tryck) att uppkomma vid detta ställe. Om randvill- koret är eftergivligt i förhållande till vätskan kommer en flödesbuk (maximalt varierande flöde) och en trycknod (ingen tryckvariation) att uppkomma på detta ställe. I flödesbuken rör sig vätskan maximalt varför energin där är bunden som kinetisk energi. I tryckbuken binds energin som elastisk energi.

Karaktäristiskt för resonanskammaren är därför att energin transmitteras som en kombination av kinetisk och elastisk energi.

Genom att tvinga resonanskammarens ena vägg att röra sig med en frekvens som sammanfaller med kammarens resonansfrekvens 73436.d0C; 2005-05-20 D10 15 20 25 30 528 64-9 erhålls sagda eftergivliga randvillkor och skapar pà ett sådant ställe därför en flödesbuk.

I resonanskammarens andra ände är kammarens vägg väsentligen stum, vilket i praktiken kommer att bilda ovan nämnda styva randvillkor för vätskan, med bildande av nämnda tryckbuk som följd. I tryckbuken växlar idealt trycket sinusformigt över tiden, dvs symmetriskt runt ett medeltryck. Maximal tryck- variation i detta läge kan alltså vara mellan noll och dubbla medeltrycket.

I praktiken kommer trycket att variera något också vid tryck- nodsidan. Denna variation kan emellertid göras godtyckligt liten eller så liten som kan accepteras genom påverkan av ' resonanstoppens höjd. Detta kan uppnås genom avpassning av borrstàngens, resonanskammaren och pumpens för matning av resonanskammaren impedanser.

De parametrar, som påverkar resonansfrekvensen i kammaren är väsentligen: längden av kammaren, randvillkoren, densiteten och kompressionsmodulen hos vätskan samt i viss utsträckning också kammarens tvärdimensioner.

Det föredras att vätska in-/utmatas genom inlopp/utlopp till kammaren, vilket möjliggör en ekonomiskt och realistiskt hanterbar lösning.

Genom att ett flertal vätskeinlopp/utlopp är fördelade över kammarens omkrets möjliggörs jämnt fördelad inmat- nings/utmatning av vätska och även utnyttjande av flera vätskepumpar/-källor för erhållande av snabb respons och mindre förluster. 73436. doc; 2005-05-20 10 15 20 25 30 5128 649 Allmänt gäller att en lösning enligt uppfinningen är skonsam mot de ingående komponenterna eftersom vid inloppssidan det råder ett väsentligen konstant mottryck, som erfars av vätske- källan, vilken i synnerhet utgörs av en eller flera pumpar.

Det kan därför förväntas att varje pump har en relativt låg belastningsgrad och därmed lång livslängd.

Endast som exempel kan nämnas att typiska värden för trycken kan vara sådana att inmatning sker med cza 225 ~ 275 bar, att medeltrycket P0 är 250 bar och att trycket på impulskolven således i den enklaste fallet varierar mellan cza O och 500 bar.

I synnerhet föredras att kammaren är avpassad så att i drift kvartsvàgsresonans eller udda multiplar av kvartsvágresonans föreligger. Lämpligen är kammaren avpassad för en frekvens av mellan ca 200 och 1000 Hz. Andra frekvenser kan emellertid förekomma.

Genom att kammaren har cirkulärt tvärsnitt förenklas tillverk- ning. Denna form är också den effektivaste och mest förlust- fria för (resonans-)kammaren.

Utformningen av kammaren med rätlinjig utsträckning ger möj- lighet till ett slankt utförande, vilket är att föredra i många applikationer. Utformning av kammaren med krökt utsträckning möjliggör å andra sidan begränsning av dess totala längd.

Genom att kammaren är förändringsbar till sin form och i syn- nerhet längdförändringsbar uppnås möjlighet till styrning av resonansfrekvensen, vilket kan vara en fördel vid arbete i olika material etc. 734364106; 2005~05~20 lO 15 20 25 528 64-9 Genom att en vid impulskolven belägen impulskammare anordnas, vilken är skild från (resonans-)kammaren, varvid kanalorgan är inrättade mellan kamrarna möjliggörs åtskillnad av resonans- kammaren och de delar som har direkt anknytning till själva verktyget.

Genom att ventilorgan inrättas för styrning av flödet i nämnda kanalorgan möjliggörs fördelaktiga anpassningar av konfigura- tionen av den på impulskolven verkande pulsen. Härigenom kan pulsen styras så att dess form avviker från den annars rådande sinusformen, och t ex formas för att minimera reflexeffekter från ett påverkat berg el dyl.

' Genom att utnyttja ett flertal sinsemellan i serie kopplade resonanskammare kan t ex pulsamplituder påverkas, i synnerhet höjas mer än vad som vore möjligt vid utnyttjande av ett system med en resonankammare.

Motsvarande fördelar uppnås vid motsvarande förfarandekrav och ytterligare fördelar uppnås genom särdragen i de övriga osjälvständiga kraven.

KORTFATTAD BESKRIVNING AV RITNINGAR Uppfinningen ska nu närmare beskrivas med ledning av utfö- ringsexempel och med hänvisning till bifogade ritningar, på vilka: Fig. 1 schematiskt visar ett bergbrytande verktyg innefattande en impulsgenerator enligt uppfinningen, Fig. 2 visar schematiskt uppkommen tryckfördelning i en reso- nanskammare till en impulsgenerator enligt uppfinningen, 73436.d0c:; 2005-05-20 10 15 20 25 30 523 6119 Fig. 3 visar schematiskt en variation av tryckfördelningen i en impulsgenerator enligt uppfinningen, Fig. 4 visar schematiskt en variation av tryckfördelningen i en andra impulsgenerator enligt uppfinningen, Fig. 5 visar schematiskt en variation av tryckfördelningen i en tredje impulsgenerator enligt uppfinningen.

BESKRIVNING AV UTFÖRINGSEXEMPEL I fig. l avser hänvisningsbeteckning 1 generellt ett berg- brytande verktyg, vilket omfattar ett hus 2 för upptagning av en vätskevolym i en kammare 3, i vars ena ände är inrättad en impulskolv 4. Denna anligger via ett stångformigt parti 5 direkt mot ett bergbrytande verktyg 7 via en borrstång 6.

Kammaren 3 är utformad till sin form med en längd l och en diameter d samt är fylld med en vald vätska, varvid när samma vätska periodiskt inmatas genom vätskeinlopp/-utlopp 10 från pumpanordningar 9, den i kammaren 3 befintliga vätskan för- sätts i ett resonanstillstånd. I synnerhet så att en trycknod befinner sig i området av inloppen/utloppen 10 och en tryckbuk i området av impulskolven 4 och verkande på denna.

Med hänvisningsbeteckning 8 indikeras en källa för tillhanda- hållande av ett konstant medeltryck i kammaren 3, kring vilket medeltryck trycket i resonanskammaren kommer att fluktuera.

Detta arrangemang tillser också att eventuellt bortläckande vätska ersätts i systemet. 73436. dot; 2005-05-20 io 15 20 25 30 523 649 F indikerar en matningskraft verkande på det bergbrytande verktyget l, t ex från en konventionell matare inrättad pà en matarbalk till en borrigg.

I fig. 2 visas schematiskt tryckets fördelning i resonans av vätskan i kammaren 3 i drift av anordningen och med periodisk inpumpning från pumpen 9 av vätska genom vätskeinloppet/- utloppet lO. Tryckfördelningen är visad med en övre kurva 13, illustrerande amplituden över längden av den uppkomna reso- nanskammaren 3, med en trycknod 12 och en tryckbuk ll. Där- utöver förekommer tack vare tryckkällan 8 ett medeltryck P0, kring vilket trycket varierar inuti resonanskammaren.

Den största tryckamplituden föreligger således i tryckbuken ll bi området av impulskolven 4, till vilken trycket i denna ände av resonanskammaren överförs för vidareföring såsom en tryck- spänningsvàg eller stötvåg genom dennas stàngformiga del och vidare genom verktyget. Det ska noteras att kolvens 4 rörelse i den axiella leden, kammarens längsled, är ringa i samband med att tryckpulsen överförs som en stötvåg i verktyget.

Vidare ska påpekas att energin överförs direkt som stötvàgs~ energi och inte som kinetisk energi från impulskolven till verktyget.

I fig. 2 är också inlagda tre diagram, av vilket det högra illustrerar tryckvariationen i området av trycknoden 12. Som synes förekommer här i praktiken en viss mindre tryckvaria- tion, vilket avviker från ett idealfall när tryckvariationen skulle vara noll i detta läge. Denna mindre variation är emel- lertid tolerabel och i praktiken inte nedsättande för funktio- nen av impulsgeneratorn. 7311364100: 2005'~05-20 10 15 20 25 30 528 649 Diagrammet vid verktygsänden av resonanskammaren 3 illustrerar den vid tryckbuken ll förekommande tryckvariationen. Denna är således i detta fall sådan att den varierar sinusformigt kring medelvärdet P0 med amplituden PG. På så sätt påverkas impuls- kolven 4 i detta exempel av tryck mellan O och 2P0. Det ska observeras att andra tryckförhållanden mellan amplitud och P0 är inom ramen för uppfinningen.

F-t~diagrammet längst till vänster visar kraften, som överförs via impulskolven 4 som funktion av tiden. Kraften F varierar sinusformigt mellan 0 och ett visst maxvärde på F.

För frekvensen f gäller väsentligen för Fig. 2: 4¶Jf=c; där l är kammarens längd och c är ljudhastigheten.

Fig. 3 illustrerar ett driftfall när frekvensen har ökats så att trekvartsvågsresonans föreligger i resonanskammaren 3.

Tryckvariationen illustreras med kurvan 14 och det förekommer fortfarande en trycknod 16 i området av inloppet/utloppet 10.

Liksom tidigare föreligger en tryckbuk 15 i området av impuls- kolven 4. Dessutom förekommer i detta fall även en tryckbuk 17 väsentligen pà en tredjedels avstånd från inmatningssidan.

De två högra diagrammen vidhängande fig. 3 illustrerar tryck- fördelningen vid inloppet och vid impulskolven 4. F-t-diagram- met visar kraftfördelningen, som kommer att påverka verktyget.

I detta fall blir således impulsfrekvensen tre gånger så stor som den enligt driftfallet i Fig. 2.

För frekvensen f gäller för Fig. 3: 4'l'f=n'c: 'där l är kamma- rens längd, c är ljudhastigheten och n=l,3,5,7 _. n=3.

I Fig. 3 är 73436.d0C; 2005-05-20 10 15 20 25 30 528 649 I fig. 4 visas en variant, som skiljer sig från den i fig. 2 visade, genom att en fast mellanvägg 19 har insatts i positio- nen för impulskolven 4 i fig. 2. Impulskolven 4 har istället förflyttats till vänster, sett i figuren, och mellan impuls- kolven 4 och mellanväggen 19 har inrättats en impulskammare 20, vilken vid valda lägen står i förbindelse med den närmast mellanväggen 19 belägna delen av resonanskammaren 3.

På detta sätt kan formen av de tryckpulser som förmedlas till impulskammaren 2D styras, så att de överensstämmer med en stötvågsutbredning som önskas i verktyget. Mellan resonanskam- maren 3 och impulskammaren 20 förekommer en ventilanordning 21, vilken är anordnad i kanalorgan och är styrbar för för- bindning mellan dessa kammare eller för avbrytande av förbin- 'delsen dem emellan. Dessutom är ventilanordningen 21 i stånd att evakuera impulskammaren 20.

I det visade exemplet förbinds resonanskammaren 3 med impuls- kammaren 20 under en uppåtgående del av tryckkurvan men avbryts strax efter amplitudtoppen. Detta ger en kurvform med utdragen stigning sett över tiden men abrupt avbrott, vilket kan ge en mycket lämplig kraftutbredning i verktyget för att t ex motverka reflexer från berg som ska bearbetas. Det ska inses att pulsformen på detta sätt kan styras till allehanda konfigurationer. I synnerhet är det ofta önskvärt att optimera formen för minimering av reflexer i verktyget. Härvid kan såväl uppgående som nedåtgående flank anpassas för att närma sig detta mål. En annan aspekt är möjligheten att ha en puls- frekvens, som är lägre än resonansfrekvensen för anpassning till olika bearbetningssituationer. 73436.doC; 2005-05-20 lO l5 20 30 528 649 l0 De två högra diagrammen överensstämmer med dem i Fig. 2. Med streckade linjer i det övre av dessa indikeras när ventilen 21 lämnar förbindelsen mellan kamrarna öppen.

Det mindre diagrammet nära ventilen 21 visar ett exempel på en kurvform, som kan skapas på detta sätt. F-t-diagrammet visar den uppkomna stötvàgens form.

Pig. 5 visar två genom en vägg 19' åtskilda men seriekopplade resonanskamrar 3'och 3';, vilka är sinsemellan ihopkopplade via en kanal med en ventil 21' och vilka var och en har en pumpanordning 9'och 9". detaljerna l9" och 20'motsvarar detaljerna 19 resp. 20 i Fig. 3. Kanalen mellan kamrarna 3' och 3" är styrbar med ventilen Zl' i huvudsak enligt vad som gäller för ventilen 21 ovan. Samma sak gäller för ventilen 2l". I detta fall kan, som exempel, och vilket framgår av F~ t-diagrammet, en brantare puls erhållas. Innebörden av dia~ grammen förstås enkelt med ledning av beskrivningen av tidi- gare diskuterade diagram.

Genom lämplig styrning av ventiler motsvarande 21, 21' och 2l" kan lämpliga impulsformer och stötvàgsformer erhållas.

Exempelvis kan ventilerna styras så att de arbetar med styrd öppnings- resp. stängningskaraktäristik för att därigenom erhålla önskade former. Minimering av reflexer i verktyget är möjligt att nå på detta sätt. Som alternativ eller komplement till detta kan en förbindelse mellan en resonanskammare och en impulskammare såsom i Fig. 4 och 5, inkludera ett flertal kanaler med olika längder och/eller areor. Genom val av kanal eller kanaler, genom vilka förbindelse ska vara etablerad kan progressiviteten i tryckökningen i impulskammaren styras och därmed formen av stötvàgen i verktyget styras så att den får en önskat progressiv flankform. Detta ger möjlighet att öka 73436 .dom 2005-05-20 l0 15 20 25 528 649 ll verkningsgraden hos anordningen. I praktiken kan detta åstad- kommas genom att som exempel inrätta parallella ledningar mel- lan kamrarna 3 och 20 i Fig. 4, varvid dessa kanaler är avpas- sade såsom indikeras ovan. Kanalerna kan öppnas/stängas med hjälp av ventiler motsvarade ventilen 21 i Fig. 4. Som ytter- ligare alternativ kan kanalernas göras justerbara till sina längder. Detta kan uppnås på olika sätt, t ex genom telesko- piskt förskjutbara U-rör, förskjutbara hylsor i en kammare 3 och/eller 4 etc.

Uppfinningen kan varieras inom ramen för patentkraven. Utform- ningen av anordningen kan således modifieras ytterligare.

Exempelvis kan vätskan påverkas på andra sätt än genom de visade. Ett exempel på detta är att ha en fysiskt, med viss 'frekvens rörlig vägg i stället för ett pumparrangemang. Andra typer av pumpar och ventiler kan också komma ifråga. Tryck- noden kan också arrangeras skilt från en vägg till kammaren.

Det utesluts inte att resonanskammaren samtidigt matas/påverkas med olika frekvenser för erhållande av samtidig resonans vid olika frekvenser för att uppnå en önskad påverk- ning på verktyget.

Kammaren kan göras förändringsbar till sin form så att reso- nansfrekvensen är styrbar. Enklast görs den längdförändrings- bar genom att en bakre vägg är förskjutbar i ett cylindriskt rör bildande kammaren.

Olika vätskor kan utnyttjas, i synnerhet föredras en vätska ur gruppen: vatten, silikonolja, hydraulolja, mineralolja. 73436.dOC; 2005-05-20

Claims (36)

10 15 20 25 30 528 649 12 Patentkrav:

1. Impulsgenerator (1) för ett slående verktyg omfattande en kammare (3) för upptagning av en vätskevolym och en impulskolv (4), vilken är inrättad för överföring av tryckpulser i vätskevolymen till stötvågspulser i verktyget, kânnetecknad av att kammaren (3) är avpassad till sin form för att utgöra en resonanskammare för i vätskevolymen upptagen vätska för bil- dande av åtminstone en tryckbuk (l1,15,l7) i kammaren.

2. Impulsgenerator (1) enligt kravet l, kännetecknad av att kammaren, på avstånd från impulskolven (4), uppvisar åtmin- stone ett vätskeinlopp/utlopp (10) för periodisk, med viss frekvens, inmatning respektive utmatning av vätska i kammaren.

3. Impulsgenerator enligt kravet 2, kännetecknad av att ett flertal vätskeinlopp/utlopp (10) är fördelade över kammarens (3) omkrets.

4. Impulsgenerator enligt krav 2 eller 3, kännetecknad av att kammaren är avpassad så att i drift, i resonanskammaren, en trycknod (12) är belägen i området av nämnda vätske- inlopp/utlopp.

5. Impulsgenerator enligt något av föregående krav, känneteck- nad av att kammaren (3) är avpassad sà att i drift kvartsvàgs- resonans eller udda multiplar av kvartsvågsresonans förelig- ger.

6. Impulsgenerator enligt något av föregående krav, känneteck- nad av att kammaren är avpassad för en frekvens av mellan caa 200 och 1000 Hz. 73436.d0C; 2005-05-20 10 15 20 25 30 528 649 13

7. Impulsgenerator enligt något av föregående krav, känneteck- nad av att kammaren har cirkulärt tvärsnitt.

8. Impulsgenerator enligt något av föregående krav, känneteck- nad av att kammaren har rätlinjig utsträckning.

9. Impulsgenerator enligt något av kraven 1 ~ 7, kännetecknad av att kammaren har krökt utsträckning.

10. lO, Impulsgenerator enligt något av föregående krav, känne- tecknad av att kammaren är förändringsbar till sin form så att resonansfrekvensen är styrbar.

11. ll. Impulsgenerator enligt kravet 10, kännetecknad av att kam~ 'maren är längdförändringsbar.

12. Impulsgenerator enligt något av föregående krav, känne- tecknad av att den inkluderar åtminstone en för inmatning av vätska med vald frekvens i kammaren, utformad pumpanordning (9).

13. Impulsgenerator enligt kravet 12, kännetecknad av att varje pumpanordningen (9) inkluderar en kolv-cylinderanord- ning.

14. Impulsgenerator enligt kravet 12 eller 13, kännetecknad av att pumpanordningen är utformad att vara rotationsdriven.

15. Impulsgenerator enligt kravet 14, kännetecknad av att pumpanordningen är utformad att vara driven med hjälp av ett kam~följar-arrangemang. 73436. doc: 2005-05-20 10 15 20 25 30 528 649 14

16. Impulsgenerator enligt något av föregående krav, känne- tecknad av att kammaren är utformad så att en tryckbuk (l2) ansluter direkt till impulskolven (4).

17. Impulsgenerator enligt något av kraven l - 15, känneteck- nad av en vid impulskolven (4) belägen impulskammare (20), vilken är skild från kammaren (3), varvid kanalorgan är inrät- tade mellan kammaren (3) och impulskammaren (20).

18. : Impulsgenerator enligt kravet 17, känneteoknad av att ven- tilorgan (21), för styrning av flöde, är inrättade i nämnda kanalorgan.

19. ; Impulsgenerator enligt kravet 17 eller 18, kännetecknad av att medel är inrättade avpassning av längd och/eller area för nämnda kanalorgan.

20. Impulsgenerator enligt något av föregående krav, känne- tecknad av ett flertal sinsemellan i serie kopplade kammare (3',3")-

21. Impulsgenerator enligt något av föregående krav, känne- tecknad av att kammaren är avpassad för att i vätskevolymen ska vara upptagen en vätska ur gruppen: vatten, silikonolja, hydraulolja, mineralolja.

22. Hydrauliskt impulsverktyg, kännetecknad av att det inklu- derar en impulsgenerator enligt något av kraven l - 21.

23. Förfarande för alstrande av impulser för ett slående verk- tyg omfattande en kammare för upptagning av en vätskevolym och en impulskolv, vilken är inrättad för överföring av tryckpul- ser i vätskevolymen till stötvàgspulser i verktyget, känne- 73436.doC; 2005-05-20 10 15 20 25 30 528% 649 15 tecknat av att vätskan i kammaren påverkas periodiskt så att i vätskevolymen upptagen vätska försätts i resonans för bildande av åtminstone en tryckbuk i kammaren.

24. Förfarande enligt kravet 23, kännetecknat av att vätskan i kammaren påverkas periodiskt genom att vätska inmatas till respektive utmatas ur kammaren med viss frekvens.

25. Förfarande enligt krav 23 eller 24, kännetecknad av att vatska inmatas till respektive utmatas ur kammaren genom ett flertal vätskeinlopp/utlopp fördelade över kammarens omkrets.

26. Förfarande enligt krav 23, 24 eller 25, kännetecknat av att en trycknod bringas att uppkomma i området av nämnda 'vätskeinlopp/utlopp och en tryckbuk med största tryckamplitud i området av impulskolven.

27. Förfarande enligt något av kraven 23 - 26, kännetecknat av att resonansen genereras så att i drift kvartsvågsresonans eller udda multiplar av kvartsvàgsresonans föreligger.

28. Förfarande enligt något av kraven 23 - 27, kännetecknat av att frekvensen avpassas till mellan cza 200 och 1000 Hz.

29. Förfarande enligt något av kraven 23 - 28, kännetecknat av att vätska inmatas fördelat över kammarens omkrets.

30. Förfarande enligt något av kraven 23 ~ 29, kännetecknat av att kammarens form förändras för att styra resonansfrekvensen.

31. Förfarande enligt kravet 30, kännetecknat av att kammarens längd förändras. 73436.d0C; 2005-05-20 10 15 523 s49 16

32. Förfarande enligt något av kraven 23 - 31, kännetecknat av att tryckpulser överförs till en vid impulskolven belägen impulskammare, vilken är skild från kammaren, via kanalorgan inrättade mellan kammaren och impulskammaren.

33. Förfarande enligt kravet 32, kännetecknat av att flödet i nämnda kanalorgan styrs.

34. Förfarande enligt kravet 32, kännetecknat av att längd ooh/eller area för nämnda kanalorgan avpassas för styrning av formen av nämnda stötvågspulser.

35. Förfarande enligt något av kraven 23 - 34, kännetecknat av att tryckpulser överförs mellan ett flertal sinsemellan i serie kopplade kammare.

36. Förfarande enligt något av kraven 23 - 35; kännetecknat av att en vätska ur gruppen: vatten, silikonolja, hydraulolja, mineralolja utnyttjas. 7343641061: 2005-05-20