FI123572B - Menetelmä ja kallionporauslaite reiän poraamiseksi kallioon - Google Patents

Description

Menetelmä ja kallionporauslaite reiän poraamiseksi kallioon

Keksinnön tausta

Keksinnön kohteena on menetelmä reiän poraamiseksi kallioon päältä iskevällä kallionporauslaitteella, jossa on kalliopora, johon on kytket-5 ty poratanko, jonka toiseen päähän on kytketty porakruunu ja johon kuuluu iskulaite ja pyöritysmoottori, jossa menetelmässä poratankoa ja porakruu-nua pyöritetään pyöritysmoottorilla ja kallioon kohdistetaan iskulaitteella poratangon ja porakruunun kautta jännityspulsseja kiven rikkomiseksi. Edelleen keksinnön kohteena on kallionporauslaite reiän poraamiseksi kallo lioon, johon kallionporauslaitteeseen kuuluu päältä iskevä kalliopora, siihen kytketty poratanko ja poratangon päähän kytketty porakruunu, jolloin kallio-poraan kuuluu iskulaite jännityspulssien aikaansaamiseksi poratangon ja porakruunun kautta kiveen sekä pyöritysmoottori poratangon ja porakruunun pyörittämiseksi.

15 Kallionporausta suoritetaan kovilla kivilajeilla ns. päältä iskevillä kallionporauslaitteilla, joissa on kallioporakone, siihen kytketty yhdestä tai useammasta toisiinsa kytketyistä osasta muodostettu poratanko ja pora-tangon päässä työkalu eli porakruunu. Tunnetuissa ratkaisuissa porakruu-nussa on kiinteä runko, minkä poraussuuntaiseen pintaan on upotettu ko-20 vametallista muodostettuja nastoja, jotka suorittavat varsinaisen kiven rikkomisen iskulaitteelta tulleen jännityspulssin vaikutuksesta. Tunnetuissa ratkaisuissa on ongelmana se, että kiven rikkomista varten tarvitaan suuria voimia, minkä seurauksena kovametallinastojen muotoilu joudutaan tekemään enemmän kuormituksen keston kuin tehokkaan kiven rikkomisen 25 mukaan. Reiän halkaisijan kasvaessa täytyisi reiän pohjaa rikkovien nasto- 00 £ jen määrää myöskin lisätä. Nastojen määrän lisääntyminen puolestaan vai- ™ keuttaa porakruunujen suunnittelua, koska tarkoituksena olisi, että nastat m 9 kuormittuisivat tasaisesti. Se, että käytännössä nastat kuormittuvat varsin o c\j epätasaisesti, heikentää porausnopeutta.

ir 30 Edelleen tunnetuilla päältä iskevillä porauslaitteilla suurien reiki- en poraaminen on myöskin vaikeaa, jolloin maksimissaan reikäkoko on 5,5 S - 6” ja porauksessa alkaa esiintyä merkittäviä ongelmia jo noin halkaisijal- o taan 5” olevien reikien porauksessa. Myös kiven rikkomiseen tarvittava o ^ energia on tunnetuilla päältä iskevillä kallionporauslaitteilla erittäin suuri, 35 tyypillisesti noin 600 - 800 J. Nykyisillä laitteilla porakruunujen kovametal-linastat joutuvat erittäin suuren rasituksen kohteeksi. Koska porakruunuja 2 työnnetään kiveä vasten suurella voimalla ja nastat liikkuvat kiven pintaa pitkin liukumalla, on seurauksena myös voimakas kuluminen, mikä myöskin täytyy ottaa huomioon nastojen muodon suunnittelussa.

Suuria 8-10” halkaisijaltaan olevia reikiä porataan tyypillisesti 5 ilman iskua toimivilla kiertoporauslaitteilla, joissa käytetään pyörivillä kar-tiorullaterillä varustettuja porakruunuja. Näissä ongelmana on, että kiven rikkomiseen tarvitaan erittäin suuri staattinen voima, minkä seurauksena tällaiset ns. kiertoporalaitteet painavat paljon ja vaativat raskaat alustat.

Keksinnön lyhyt selostus 10 Tämän keksinnön tarkoituksena on saada aikaan sellainen me netelmä ja laitteisto kallion poraamiseksi, millä saadaan aikaan nykyistä tehokkaampi poraus ja millä päältä iskevillä kallionporauslaitteilla pystytään kasvattamaan taloudellisesti ja tehokkaasti porattavan reiän kokoa nykyisestään.

15 Keksinnön mukaiselle menetelmälle on ominaista se, että pora- kruununa käytetään kartiorullakruunua ja että iskulaitteella muodostetaan jännityspulsseja, joilla on matala amplitudi, suurella taajuudella niin, että porakruunun kuormitusaste on vähintään 0,075.

Keksinnön mukaiselle kallionporauslaitteelle on ominaista se, et-20 tä porakruunu on kartiorullakruunu ja että iskulaite on sovitettu muodostamaan poratangon ja porakruunun kautta kiveen jännityspulsseja, joiden amplitudi on matala, suurella taajuudella niin, että porakruunun kuormitusaste on vähintään 0,075.

Keksinnön olennainen ajatus on, että päältä iskevällä kallionpo-25 rauslaitteella työkaluna käytetään kartiorullakruunua. Edelleen keksinnön

CO

£ olennainen ajatus on, että porauksessa käytetään amplitudiltaan matalia ™ jännityspulsseja, joita muodostetaan korkealla taajuudella jännityspulsseja m 9 siten, että porakruunun kuormitusaste on suuri, vähintään 0,075.

o c\j Keksinnön etuna on, että nastojen kuormitus laskee verrattuna ir 30 nykyisin päältä iskevässä porauksessa käytettäviin ratkaisuihin. Samoin syöttövoima on merkittävästi pienempi kuin nykyisin kiertoporauksessa tar- j|> vittava syöttövoima. Koska jännityspulssin amplitudi on matala, voidaan o porattaessa käytettävä tankokalusto suunnitella paremmin porauksen kan- o ^ naita tärkeiden parametrien kuten jäykkyyden, huuhtelun tms. pohjalta, kun 35 poratangossa vaikuttava jännitys ei ole suunnittelua rajoittava tekijä. Edelleen etuna on, että kartiorullakruunulla saadaan aikaan symmetrinen kuor- 3 ma, mikä ei useinkaan ole mahdollista normaalilla porakruunulla, missä nastojen sijoitus porakruunun otsapinnalla täytyy tehdä epäsymmetrisesti, jotta poraus tapahtuisi tehokkaasti. Edelleen etuna on, että kartiorullakruu-nun pyörivän liikkeen vuoksi porauskitka ja työkalun kuluma ovat merkittä-5 västi vähäisempiä kuin nykyään käytetyissä olevissa ratkaisuissa.

Kuvioiden lyhyt selostus

Keksintöä selostetaan lähemmin oheisissa piirustuksissa, joissa fig. 1 esittää kaavamaisesti keksinnön mukaista kallionporauslai- 1 o tetta, fig. 2 esittää kaavamaisesti porakruunuun vaikuttavaa voimaa perinteisellä päältä iskevällä kallionporauslaitteella, ns. kiertoporakoneella sekä keksinnön mukaisella kallionporauslaitteella ja fig. 3 esittää kaavamaisesti Fig. 2 vastaavalla tavalla samoja 15 voimia eri arvoilla.

Keksinnön eräiden sovellutusmuotojen yksityiskohtainen selostus

Kuviossa on esitetty päältä iskevä kallionporauslaite, jossa on 20 kalliopora 1, kallioporaan kytketty poratanko 2 ja sen päähän kytketty kar-tiorullakruunu 3. Kallioporaan 1 kuuluu iskulaite 1a ja pyöritysmoottori 1b. Iskulaite 1a antaa iskuja poratangon 2 kautta kartiorullakruunuun 3 ja vastaavasti pyöritysmoottori 1b pyörittää poratankoa ja sitä myöten kartiorulla-kruunua 3. Näiden rakenne ja toiminta sinänsä on yleisesti tunnettua, eikä 25 niitä sen vuoksi ole tarpeen selittää yksityiskohtaisemmin.

CO

^ Tyypillisesti iskulaite liikkuu sinänsä tunnetulla tavalla ja sinänsä ^ tunnettujen syöttömekanismien avulla pitkin syöttöpalkkia 4, jonka päässä

LO

9 tyypillisesti on poraohjain 5 poratangon ja siten porakruunun ohjaamiseksi cvj porauksen aikana. Syöttöpalkki 4 puolestaan on tyypillisesti kytketty puo- | 30 millä 6 tai vastaavalla ei esitettyyn porauslaitteiston alustaan. Nämä raken- teet ja niiden toiminta ovat yleisesti tunnettuja ja alan ammattimiehelle itiö sestään selviä eikä niitä sen vuoksi ole tarpeen selittää tässä yksityiskoh- o taisesti. Porauksen aikana syntyy tyypillisesti reikä 7 kallioon 8.

o ^ Keksinnön mukaisessa kallionporauslaitteessa kallioporan 1 is- 35 kulaite 1a muodostaa poratankoon 2 ja sen kautta porakruunuun ja edelleen porattavaan kiveen jännityspulsseja taajuudella 200 - 1000 Hz. Kun 4 porakruunua vastaavasti pyöritetään pyöritysmoottorilla 1b esimerkiksi 100 mm halkaisijaltaan olevaa reikää porattaessa minimissään 250 - 300 RPM, ehtii kartiorullakruunu 3 kääntyä niin, että jokaisen jännityspulssin tullessa kalliopintaan koskettavat nastat ovat aina eri kohdalla kuin edellisen jänni-5 tyspulssin tulohetkellä. Kartiorullakruunuun syötettävän jännityspulssin amplitudi on matala tyypillisesti 100 MPa, korkeintaan 150 MPa. Kun kar-tiorullakruunussa, missä tyypillisesti on kolme kovametallinastoilla varustettua pyörivää kartiota, on vain muutama nasta kosketuksissa kiveen, saadaan aikaan riittävän suuri voima kohdistetuksi nastojen kautta kiveen ja 10 siten kivi rikotuksi. Tarvittava energiamäärä jännityspulssia kohden on tyypillisesti noin 1/5 - 1/10 perinteisissä kallionporauslaitteissa tarvittavasta energiasta vastaavaa reikäkokoa porattaessa. Toisaalta, koska kartiorulla-kruunussa 3 kovametallinastat eivät hankaudu kiveä vasten vaan kruunu pyöriessään saa aikaan sen, että kartiorullat pyörivät ja kiveä vasten olevat 15 kovametallinastat vaihtuvat jatkuvasti pyörinnän seurauksena, ei kovame-tallinastoja tarvitse mitoittaa suuria voimia kestäviksi ja ne voidaan tällöin muotoilla kiven rikkomisen kannalta tehokkaiksi. Kartiorullakruunusta johtuen myös tarvittava pyöritysmomentti on pieni, koska ei tarvitse voittaa liukukitkaa, kuten tunnetuissa ratkaisuissa. Tarvittava syöttövoima on suhteel-20 lisen pieni ja kuitenkin tulokseksi saadaan erittäin tehokas kiven rikkoutuminen.

Fig. 2 esittää kaavamaisesti porakruunuun vaikuttavaa voimaa perinteisellä päältä iskevällä kallioporalla, ns. kiertoporauslaitteella sekä keksinnön mukaisella kallionporauslaitteella keksinnön mukaista menetel-25 mää käyttäen. Perinteisellä päältä iskevällä kallioporalla syntyvien jännitys-pulssien amplitudi on suuri ja jännityspulssien kestoaika erittäin lyhyt. Fig. 2 5 esittämässä tapauksessa tyypilliset perinteisen kallioporan jännityspulssit

C\J

^ (esimerkiksi taajuus 50 Hz, pulssin pituus 0,2 ms) saavat aikaan noin 250 ° kN hetkellisen kuormitusvoiman, jolloin kokonaisuudessaan porakruunun o 00 30 kuormitusaste (a) on noin 0,01. Näitä pulsseja on merkitty kirjaimella A.

| Kiveä rikottaessa käytettävä määritelmä kuormitusaste a määrit- co tää, kuinka rikottavaa kiveä kuormitetaan ajallisesti. Tämä voidaan kuvata [£ kaavalla m 35 «=y = /,/ = —· (1) i c 5 missä tp on jännitysaallon pituus, f on taajuus, Lp on aallonpituus ja c on jännitysaallon nopeus työkalussa. Nykyisillä iskulaitteilla tyypillinen kuormitusaste a = 0,01 - 0,025.

5 Esimerkiksi iskulaitteilla, jonka männän pituus on 0,5 m ja taa juus 60 Hz, kuormitusaste a on 0,012.

Keksinnön mukaisella menetelmällä saadaan huomattavasti korkeampi kuormitusaste, jolloin a => 0,075, edullisesti vähintään 0,1.

10 Kuormitusaste on teoriassa maksimissaan 1, mutta käytännössä se ei voi sitä olla. Jännitysaallon muodostavalla laitteella menee osa ajasta jännitysaallon muodostamiseen ja osa ajasta palautumiseen eli jännitysaallon muodostumisasemaan siirtymiseen. Käytännössä tämä tarkoittaa, että, koska palautumisnopeus ei tosiasiassa voi olla suurempi kuin jännitysaal-15 lon muodostumisnopeus, on maksimi kuormitusaste käytännössä noin 0.5.

Ns. kiertoporakoneella porattaessa porakruunuun kohdistuu jatkuva staattinen kuormitus (a ~ 1), mitä kuvaa vaakasuora viiva B. Se on esimerkiksi suuruusluokkaa 70 kN.

Perinteisellä päältä iskevällä kallioporalla perinteinen kiinteä po-20 rakruunu täytyy ensisijaisesti suunnitella kuormitusvoiman kestämisen kannalta optimaaliseksi. Tämä vaikuttaa siihen, että sekä nastojen muoto että rakenne ja porakruunun rakenne täytyy suunnitella käytännössä pelkästään sen mukaan, koska porakruunun kestäminen edes kohtuullisen ajan on tärkeää porauksen kannalta. Normaalissa kartiorullakruunulla tapahtuvassa 25 kiertoporauksessa ei suuri kuormituskestävyys ole tärkein tekijä, koska kuormitusvoima on noin 1/3 päältä iskevän kiinteää kruunua käyttävän kal-5 lioporakoneen kuormitusvoimasta. Sen sijaan raskas koneisto staattisen

C\J

^ kuorman aikaansaamiseksi on välttämätön.

° Kirjaimella C on merkitty nyt kyseessä olevan keksinnön mukai- 00 30 sen kallioporauslaitteen eli kartiorullakruunulla varustetun päältä iskevän | kallioporakoneen avulla aikaansaatu tilanne (esimerkiksi taajuus 500 Hz, co pulssin pituus 0.4 ms). Tässä kuormitusvoima on noin 70 % korkeampi kuin [g kiertoporakoneilla, mutta alle puolet perinteisen päältä iskevän kalliopora- o koneen aikaansaamasta kuormitusvoimasta. Kartiorullakruunu kestää täl- o 00 35 laista kuormitusta hetkellisesti, jolloin käyttämällä suurta jännityspulssien taajuutta saadaan aikaan suuruudeltaan 0,1 oleva kuormitusaste a. Verrat- 6 taessa jännityspulssien taajuutta perinteisen päältä iskevän kallioporako-neen ja keksinnön mukaisen kallioporauslaitteen välillä nähdään kuviosta, että keksinnön mukaisella kallioporauslaitteella ja menetelmällä jännitys-pulssien taajuus voi olla jopa yli kymmenkertainen. Käyttämällä matalaa 5 amplitudia, joka on suurempi kuin tyypillisesti kiertokoneella saatu staattinen arvo ja suurta taajuutta saadaan vastaavasti korkea kuormitusaste a, mikä on jopa 10 - 200 -kertainen verrattuna normaalin päältä iskevän kiinteällä kruunulla varustetun kallioporakoneen yhteydessä aikaansaatu kuormitusaste.

10 Fig. 3 esittää kaavamaisesti fig. 2 vastaavasti porakruunuun vai kuttavaa voimaa perinteisellä päältä iskevällä kallioporalla, ns. kiertopo-rauslaitteella sekä keksinnön mukaisella kallionporauslaitteella keksinnön mukaista menetelmää käyttäen. Tässä ovat kuitenkin keksinnön mukaisen menetelmän yhteydessä käytetyt pulssiarvot toisenlaiset eli taajuus 400 Hz 15 ja pulssin pituus 0,25 ms, mutta pulssin amplitudi sama. Tällöin kuormi-tusasteeksi a saadaan 0,1.

Keksinnön mukaisen menetelmän ja laitteen toiminnan tutkimiseksi suoritetuissa käytännön kokeissa todettiin, että käytettäessä pulssi-taajuutta 200 - 1000 Hz on edullista käyttää kuormitussuhdetta 0,075 -20 0.5. Kuormitussuhteen noustessa suuremmaksi nousee syöttövoiman tarve merkittävästi, mikä ei ole toivottavaa.

Piirustus ja siihen liittyvä selitys on tarkoitettu vain havainnollistamaan keksinnön ajatusta. Yksityiskohdiltaan keksintö voi vaihdella patenttivaatimusten puitteissa.

25

CO

δ

CvJ

uo cp o

CvJ

X

X

Q.

CO

m m m o o

CvJ

Claims (6)

1. Menetelmä reiän poraamiseksi kallioon päältä iskevällä kal-lionporauslaitteella, jossa on kalliopora (1), johon on kytketty poratanko (2), jonka toiseen päähän on kytketty porakruunu ja johon kuuluu iskulaite (1a) 5 ja pyöritysmoottori (1b), jossa menetelmässä poratankoa (2) ja porakruu-nua pyöritetään pyöritysmoottorilla ja kallioon kohdistetaan iskulaitteella (1a) poratangon (2) ja porakruunun kautta jännityspulsseja kiven rikkomiseksi, tunnettu siitä, että porakruununa käytetään kartiorullakruunua (3) ja että iskulaitteella (1a) muodostetaan jännityspulsseja, joilla on matala 10 amplitudi, suurella taajuudella niin, että porakruunun kuormitusaste (a) on vähintään 0,075.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että jännityspulssien taajuus on vähintään 200 Hz.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnet-15 t u siitä, että jännityspulssien amplitudi on korkeintaan 150 MPa, edullisesti

100 MPa.

4. Kallionporauslaite reiän poraamiseksi kallioon, johon kallion-porauslaitteeseen kuuluu päältä iskevä kalliopora (1), siihen kytketty pora-tanko (2) ja poratangon (2) päähän kytketty porakruunu, jolloin kallioporaan 20 (1) kuuluu iskulaite (1a) jännityspulssien aikaansaamiseksi poratangon (2) ja porakruunun kautta kiveen sekä pyöritysmoottori (1b) poratangon (2) ja porakruunun pyörittämiseksi, tunnettu siitä, että porakruunu on kar-tiorullakruunu (3) ja että iskulaite (1a) on sovitettu muodostamaan poratangon (2) ja porakruunun kautta kiveen jännityspulsseja, joiden amplitudi on 25 matala, suurella taajuudella niin, että porakruunun kuormitusaste (a) on „ vähintään 0,075.

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen kallionporauslaite, tun- ιό n e 11 u siitä, että iskulaite (1a) on sovitettu muodostamaan jännityspulsse- o q ja vähintään 200 Hz taajuudella. 00 30

6. Patenttivaatimuksen 4 tai 5 mukainen kallionporauslaite, £ tunnettu siitä, että iskulaite (1a) on sovitettu muodostamaan amplitudil- oo taan korkeintaan 150 MPa, edullisesti 100 MPa olevia jännityspulsseja. m m m o o CVJ