SE530572C2 - Pulsmaskin för en bergborrmaskin, metod för skapande av mekaniska pulser i pulsmaskinen, samt bergborrmaskin och borrigg innefattande sådan pulsmaskin - Google Patents

Description

20 25 30 35 530 572 genom anliggning mot borrstålets nacke. En stav av ett magnetostriktivt material, som t.ex. terfenol, tàl väldigt lite dragspänning, eftersom det är ett sprött material, vilket skapar problem om staven används vid exempelvis direkta mekaniska slag.

[005] Ett syfte med den föreliggande uppfinningen är att anvisa en lösning på de visade olägenheterna med den kända tekniken.

BESKRIVNING AV UPPFlNNlNGEN

[006] det bifogade patentkravet 1.

[007] Enligt en ytterligare aspekt av uppfinningen presenteras en metod med kännetecken enligt det bifogade oberoende metodkravet.

[008] Ytterligare utföranden av uppfinningen framläggs i de beroende patentkraven.

[009] Enligt en aspekt av uppfinningen är avsikten att i en pulsmaskin vid en borrmaskin skapa tryckpulser med hjälp av magnetostriktiva material. Ett exempel på ett sådant material i är Terfenol-d. Magnetostriktiva material ändrar form vid närvaro av magnetiska fält, där en viss del av det magnetiska fältets energi överförs till mekanisk energi som åtgår vid omform- ningen av materialet. Den så kallade kopplingsfaktorn, dvs verkningsgraden, mellan magne- tisk och mekanisk energi är ca 75%. Genom att låta den mekaniska formförändringen i det magnetostriktiva materialet arbeta mot en vätska i en vätskevolym, t.ex. vatten eller olja, kan , tryckpulser åstadkommas. Dessa tryckpulser utnyttjas slutligen för att generera mekaniska tryckpulser i ett borrstàl.

Några av fördelama med att generera tryckpulser vid en pulsmaskin av det uppfinningsenliga slaget är: - pulsstyrning/pulsformning av elektriska pulser kan användas för att styra tryckpulsema, - en pulsmaskin av den beskrivna typen blir betydligt tystare än ett motsvarande slagverk av konventionell typ, - verkningsgraden blir hög, _ - genom styrning av slagen åstadkoms en möjlighet till aktiv dämpning (exempelvis finns möjlighet att styra den magnetostriktiva stavens längd för att reglera ett mottryck bakom impulskolven), - slagverket är eldrivet.

Enligt en aspekt av uppfinningen presenteras en anordning med kännetecknen enligt* 10 15 20 25 30 35 *SBÜ 572 KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA Fig. 1 visar i en schematisk bild principen för en pulsmaskin försedd med en tryckkammare innehållande en impulskolv och med en arbetscylinder innehållande en stav av ett magneto- striktivt material.

Fig. 2 visar schematiskt en bild över en pulsmaskin som i patentkrav 1 men med två arbets- cylindrar anslutna till tryckkammaren över tvà hydraulledningar av olika längd.

Fig. 3 visar schematiskt en bild över samma pulsmaskin som i fig. 2, men försedd med back- ventiler för hydraulvätska vid arbetscylindrama och dessutom med dränering av hydraul- vätska till en tank.

Fig. 4 visar schematiskt en bild över pulsmaskinen ifig. 2, där en trycksensor är anordnad för att detektera trycket vid tryckkammaren i avsikt att medelst återkoppling styra elektriska pulser till spolar vid resp. arbetscylinder.

UTFÖRANDEN

[0010] Ett antal utföranden av uppfinningen beskrivs i det följande med stöd av de bifogade ritningama.

[0011] I figur 1 visas en grundläggande princip för en pulsmaskin baserad pà en magneto- striktiv aktuator. Den vänstra komponenten symboliserar en pulscylinder 1 som innehåller ett rum fyllt med en hydraulvätska 2, som lämpligen utgörs av olja, men där även andra vätskor I som t.ex. vatten kan användas. En impulskolv 3 är inrättad så att åtminstone en till ett kolv- huvud 4 formad del av impulskolven 3 är beläget inuti sagda rum och sålunda omgivet av hydraulvätskan 2. Som tidigare nämnts är impulskolvens 3 uppgift att förmedla mekaniska tryckpulser till ett borrstål. I vissa lösningar förmedlas de mekaniska tryckpulserna till en adapter anordnad mellan nämnda borrstál och impulskolven 3.

[0012] Till höger i figur 1 visas en aktuator 5 som innefattar en cylinder, här kallad arbets- cylinder 6, och en i denna innesluten stav 7 av ett magnetostriktivt material. Staven 7 är, enligt exemplet, avtätad mot utrymmet mellan stavens 7 mantelyta och arbetscylindems 6 inre vägg: medelst en tätning 7c. Framför stavens 7 kortände är ett rum utbildat i arbetscylindern, där detta rum innehåller hydraulvätska 2. Runtom arbetscylindem 6, väsentligen utefter den magnetostriktiva stavens 7 längd är en elektrisk spole 8 monterad för att alstra magnetfält som staven 7 kommer att befinna sig i. 10 15 20 25 30 35 530 572

[0013] Mellan pulscylindern 1 och aktuatom 5 sträcker sig en ledning 9, varvid hydraulväts- kan 2 i pulscylindern 1 och hydraulvätskan 2 i aktuatoms 5 arbetscylinder 6 står i fluid förbin- delse med varandra.

[0014] När en elektrisk strömpuls sänds genom spolen 8 genereras ett magnetfält på känt sätt i spolen, varvid ett kraftigt magnetiskt flöde verkar längs den magnetostriktiva staven 7.

Under påverkan av det magnetiska fältet uppkommer en formförändring hos den magneto- striktiva staven 7, så att den t.ex. expanderar axiellt vid ökande magnetfält och kontraherar axiellt vid minskande magnetfält. Sålunda, när en sådan elektrisk strömpuls vid ökande energi hos pulsen tillförs spolen 8, ökar längden hos den magnetostriktiva staven 7, varvid en hydraulisk tryckpuls alstras i vätskan 2. Nämnda hydrauliska tryckpuls fortplantas via ledningen 9 till pulscylindern 1, där den hydrauliska tryckpulsen träffar impulskolvens 3 huvud 4, varigenom i impulskolven 3 genereras en mekanisk tryckpuls som i dess axlella riktning verkar på ett mot impulskolven anliggande borrstål eller ett med impulskolven för- bundet borrstål. En adapter för borrstålet kan förekomma mellan impulskolv och borrstål.

På motsvarande sätt, när strömpulsens energi minskar, minskar även den magnetostriktiva stavens 7 längd. Samtidigt har dock impulskolven 3 påverkats av en rekylkraft som följd av den mot borrstålet förmedlade mekaniska tryckpulsen, vilket medför att strömpulsens pulstid måste anpassas till rekylkraft och hydraulvätskans 2 förmåga att utfylla utrymmet framför staven 7 i arbetscylindern 6, utan att kaviteter bildas i vätskan 2, vid impulskolvens 3 åter- gång efter en fullföljd förmedlad mekanisk tryckpuls.

[0015] Strömpulser till spolen 8 tillförs medelst en kraftelektronik, som ej är visad hår, efter- som den utgör känd teknik. Som exempel på kraftelektronik för att styra pulser till periodiskt aktiverade stavar av magnetostriktivt material kan anges det elektriska drivsystemet i skriften SE 466 467.

[0016] I figur 2 visas ett alternativt utförande av en pulsmaskin enligt uppfinningen, där dubbla aktuatorer 5a och 5b används. Ledningar 9a och 9b från de respektive aktuatorerna fram till pulscylinder 1 har i det visade exemplet olika längder. Härigenom kan elektriska pulser tillföras de båda aktuatorema 5a och 5b avges vid olika tidpunkter. De i respektive aktuator 5a, 5b mot de elektriska pulsema korresponderande genererade hydrauliska tryckpulsema är ändå inrättade att samtidigt nå den gemensamma pulscylindern 1, genom att längderna hos de båda ledningarna 9a och 9b anpassats till detta. En fördel med detta arrangemang är att ett tillhörande drivsystem för att skapa elektriska styrpulser kan dimensioneras för lägre effekt och därigenom blir billigare än om två aktuatorer aktiveras vid samma tidpunkt. Naturligtvis kan den visade principen tillämpas på system med fler än två aktuatorer som styrs med pulser vid 10 15 20 25 30 35 53Û 572 olika tidpunkter och där hydraulledningar 9 utförs med olika längder. Det skall nämnas här att figur 1 och 2 endast visar principiella utföranden av anordningen enligt uppfinningsaspekten. l praktiken tillkommer ytterligare detaljer för ett funktionellt utförande t.ex. för förhindrande av läckage och uppvärmning av hydraulvätska. Det bör vidare påpekas här att hydrauliska tryckpulser alstrade vid skilda aktuatorer 5a, 5b inte nödvändigtvis màste anlända till impuls- kolven 3 samtidigt. Möjligheten att styra tidpunkten för de olika hydrauliska tryckpulsema kan användas för att styra hydrauliska tryckpulser från skilda aktuatorer och/eller alstrade vid olika tidpunkter att samverka med varandra för att bygga upp en önskad pulsforrn hos den hydrauliska tryckpulsen vid impulskolven (3).

[0017] En ytterligare möjlighet att minska drivsystemets storlek och effektbehov, utan att nyttja många aktuatorer är att utföra ett system med t.ex. två aktuatorer, en första aktuator 5a och en andra aktuator 5b, där dessa har olika hydraulledningslängder 9a och 9b och att vidare inrätta systemet med två driftslägen, mellan vilka driftslägen automatiskt växlas medelst en ventil. I ett första driftsläge är båda de olika hydraulledningslängdema 9a och 9b förlängda medelst en sträcka, vilket medför att en första och en andra elektrisk drivpuls till respektive första 5a och andra 5b aktuator genererar korresponderande första och andra hydrauliska tryckpulser, som når pulscylindem 1 vid samma tidpunkt. Därefter växlas ventilen till ett andra driftsläge, där den förlängda sträckan av hydraulledningama kopplas bort, varvid en tredje och en fjärde elektrisk drivpuls arrangeras så att dessas korresponderande tredje och fjärde hydrauliska tryckpulser når pulscylindem 1 vid samma tidpunkt och dessutom vid samma tidpunkt som de första och andra hydrauliska tryckpulser som genererats av den första och andra elektriska drivpulsen från drivsystemet. Genom detta arrangemang kan fyra hydrauliska tryckpulser nå impulskolven 3 i pulscylindern samtidigt, trots att endast två aktuatorer 5a och 5b är tillgängliga och där fyra elektriska drivpulser med lägre effekt alstras än vad som skulle krävas för att åstadkomma motsvarande hydrauliska tryckkraft på impulskolven 3 med fyra aktuatorer utan den beskrivna stymingen och växlingen mellan två driftslägen. Härigenom kan kraftiga hydrauliska tryckpulser uppnås med en begränsad uppbyggnad av kraftelektroniken med avseende på effekt.

[0018] För att som tidigare nämnts undvika kavitation i systemet, dvs bildning av gasbubblor i hydraulvätskan, kan backventiler installeras enligt figur 3. Dessa backventiler 11a, 11b är förlagda i ledningar 9a, 9b, som kopplar en första pump 13a och en andra pump 13b för hydraulvätska 2 till respektive arbetscylinder 5a, 5b. Då längden hos de magnetostriktiva stavama 7 minskar, p.g.a. dessas forrnförändring, kommer vätska 2 att strömma från respektive pump 13a, 13b in till respektive arbetscylinder 5a, Sb via backventilema 11a, 11b.

Det är också möjligt att inrätta pumpama 13a, 13b att tillhandahålla ett minimalt tryck för 10 15 20 25 30 53Ü 572 hydraulvätskan 2 för att tillse att en maximalt tillåten dragkraft för de magnetostriktiva stavama 7a, 7b, inte överskrids.

[0019] l figur 3 visas även en hydraulventil 14, som växlas mellan ett första läge, när hydrauliska tryckpulser avancerar genom ledningama 9a, 9b pà sin väg mot pulscylindern 1, och ett andra läge, när impulskolven 3 förmedlat en mekanisk tryckpuls till borrstålet. Dà impulskolven 3 förmedlat den mekaniska tryckpulsen kommer den att föras tillbaka p.g.a. rekyl från matningskraften och rekylkrafter frán berg eller annat borrobjekt. Under denna tid, dvs. när impulskolven 3 rekylerar efter en överförd mekanisk tryckpuls evakueras vätska 2 från pulscylindern till en tank 15. Genom en tillförsel av hydraulvätska 2 från pumpama 13a, 13b till arbetscylindern 6 och avtappning av hydraulvätskan 2 till tanken 15 erhålls dessutom en genomströmning av hydraulvätska 2 i systemet, vilket motverkar en överhettning av hydraul- vätskan 2.

[0020] Figur 4 visar att det även flnns en möjlighet att aktivt styra drivpulserna till aktuato- rema 5a, 5b. Genom att placera en trycksensor 16 i anslutning till ledningen 9 som förbinder arbetscylinder och pulscylinder erhålls från trycksensom information om den hydrauliska tryckpulsen i ledningen 9. Dä trycket stiger enligt trycksensorn 16 kan t.ex. stavamas 7a, 7b längd minskas genom att magnetfältet som styr stavarnas formförändring minskas. Strömmen ispolama 8a, 8b kan styras av ett drivsystem som nyttjar tekniken för PWM (Pulse Width Modulatlon). Reaktionstiden vid formförändringar, dvs. hur snabbt en magnetostriktiv stav svarar på de elektriska drivpulsemas förändringar, rör sig om mikrosekunder. Utförandet enligt* figur 4 kan även användas till att styra karakteristiken för den elektriska drivpulsen och därmedï dess kun/form. Sålunda kan ett drivsystem som utnyttjar PWM användas för att anpassa magnetfältet och därmed elektriska drivpulser till behoven vid olika typer av borrmaskiner.

Utförandet med en sensor 16 för detektering och styming av de hydrauliska tryckpulsema kan naturligtvis även appliceras på utförandet enligt figur 3 diskuterat ovan elleri kombinationer med fler än tvà aktuatorer. Sensom 16 kan altematívt placeras l väggen till pulscylindern 1.

[0021] I figurerna visas tätningen 7c, vilken som nämnts avtätar utrymmet framför den magnetostriktiva staven 7 i arbetscylindem 5 mot ett utrymme längs mantelytan av nämnda stav. Tätningen 7c inrättas för att den magnetostriktiva stavens 7 axiella längdförändring skall ge en optimal volymförändring i utrymmet framför staven 7 vid Iängdförändringen.

Claims (1)

1. 0 15 20 25 30 35 530 572 PATENTKRAV 1. En pulsmaskin för en borrmaskin innefattande en pulscylinder ( 1) med en däri innehållen impulskolv (3) och där pulscylindem (1) innehåller en vätska (2). kännetecknad av att pulsmaskinen vidare innefattar: - minst en aktuator (5, 5a, 5b) som i sig inkluderar en arbetscylinder (6, 6a, 6b) som innehåller samma vätska (2) som pulscylindem (1 ), en stav (7, 7a, 7b) av ett magneto- striktivt material innesluten i arbetscylindern (6) och en elektrisk spole (8, Sa, 8b) inrättad runtom arbetscylindem (6) och - en ledning (9, 9a, 9b) varmed arbetscylindem (6) står i fluid förbindelse med pulscylin- dern (1 ), där sagda elektriska spole (8, Ba, 8b) är anordnad att ta emot elektriska styrpulser för att generera ett magnetfält och sagda magnetostriktiva stav (7, 7a, 7b) är anordnad att styras av magnetfältet att genomgå periodiska längdförändringar för att därigenom skapa motsvarande periodiska hydrauliska tryckpulser i vätskan (2), där sagda hydrauliska tryckpulser är anordnade att fortplantas via ledningen (9, 9a, 9b) till impuls- kolven (3), vilken impulskolv är anordnad att i takt med nämnda hydrauliska tryckpulser generera mekaniska tryckpulser som förmedlas till ett borrstål i borrmaskinen. Pulsmaskinen enligt patentkrav 1, där pulsmaskinen innefattar en första aktuator (5a) och en andra aktuator (5b), där den första aktuatom (5a) står i fluid förbindelse med pulscylindem (1) via en första ledning (9, 9a) och den andra aktuatorn (5b) står i fluid förbindelse med pulscylindern (1) via en andra ledning (9, 9b), varvid längden hos nämnda första ledning och längden hos nämnda andra ledning är anpassade till varandra så att en hydraulisk tryckpuls från den första aktuatorn (5a) och en hydraulisk tryckpuls från den andra aktuatorn (5b) når pulsgeneratom (1) vid samma tidpunkt. Pulsmaskinen enligt patentkrav 1 eller 2, där ledningen (9, 9a, 9b) mellan en aktuator (5, 5a, 5b) är utrustad med en hydraulventil (14) som växlar mellan ett första läge och ett andra läge, varvid pulscylindern (1 ) i det andra läget dräneras till en tank (15) för hydraulvätskan (2). Pulsmaskinen enligt patentkrav 1 eller 2, där en pump (13a, 13b) tillhandahåller hydraul- vätska (2) till aktuatorn (5, 5a, 5b). Pulsmaskinen enligt patentkrav 4, där en backventil är anordnad mellan pumpen (13a, 13b) och aktuatom (5, 5a, 5b). 10 15 20 25 10. 11. 53Ü 572 Pulsmaskinen enligt patentkrav 1, där en trycksensor (16) är anordnad i ledningen (9) eller i pulscylindern (1) för att detektera värden för trycket hos hydraulvätskan (2). Pulsmaskinen enligt patentkrav 6, där det detekterade tryckvärdet används för att styra strömmen i den elektriska spolen (8, 8a, Bb) och/eller för att bestämma en kurvform för nämnda styrpulser. Metod för att skapa mekaniska tryckpulser vid en impulskolv (3) i en pulsmaskin avsedd för en borrmaskin, innefattande stegen: - elektriska styrpulser alstras i ett drivsystem, - ett magnetfält skapas och styrs av sagda elektriska styrpulser, - en magnetostriktiv stav (7, 7a, 7b) styrs av sagda magnetfält, att genomgå periodiska längdförändringar, - hydrauliska tryckpulser genereras i en hydraulvätska (2) av den magnetostriktiva stavens (7, 7a, 7b) längdförändringar, - mekaniska tryckpulser skapas i impulskolven (3) när denna utsätts för nämnda hydrauliska tryckpulser, varvid impulskolven (3) i sin tur förmedlar sagda mekaniska tryckpulser till ett borrstål i borrmaskinen. Metoden enligt patentkrav 8, vidare innefattande steget: - skilda hydrauliska tryckpulser från minst två aktuatorer (5a, 5b) styrs att nå fram till impulskolven (3) vid förutbestämda tidpunkter för att samverka och skapa en förutbe- stämd kun/form på en resulterande hydraulisk tryckpuls som når impulskolven (3). Bergborrmaskin innefattande pulsmaskinen enligt patentkrav 1. Borrigg som innefattar minst en bergborrmaskin enligt patentkrav 10.