FI125984B - Menetelmä kallioporan syöttönopeuden ohjaamiseksi ja tietokonepohjainen ohjausjärjestelmä - Google Patents

Description

Menetelmä kallioporan syöttönopeuden ohjaamiseksi ja tietokonepohjainen ohjausjärjestelmä

Tekniikan ala

Esillä oleva keksintö koskee menetelmää ainakin yhden impulssinmuodostuslaitteen porausparametrin ohjaamiseksi kalliota porattaessa, jossa impulssinmuodostuslaite on järjestetty iskuvälineen kautta iskuaaltojen indusoimiseksi työkalussa, joka toimii kalliota vasten porauksen aikana, jossa impulssinmuodostuslaite on järjestetty siten, että sitä voidaan siirtää poraussuunnassa suhteessa tukivälineeseen. Keksintö myös spesifioi tietokonepohjaisen ohjausjärjestelmän, jossa on välineet menetelmän toteuttamiseksi. Lisäksi keksinnössä on porausalusta, joka sisältää keksinnön mukaisen tietokonepohjaisen ohjausjärjestelmän.

Tekniikan taso

Kallioporauksessa käytetään usein iskuporausta, jossa yleensä käytetään hydraulisesti toimivaa iskumäntää iskuaallon muodostamiseksi hydraulisen paineen (isku-paineen) muodostaman puhalluksen voimalla, joka iskuaalto kuljetetaan porateräk-sen (porajänteen) kautta porakruunuun ja sitten kallioon. Iskuaallon osuessa pora-kruunuun, sen kovametallinen kärki painuu kallioon, joka synnyttää niin suuren voiman, että kallio murskaantuu. Murskattu kallio, joka tunnetaan nimellä porauksen leikkuujäte, kuljetetaan sitten ulos porausreiästä veden tai ilman paineella, joka tuodaan porateräksen reiän kautta ja alas porakruunuun. Poraterästä pyöritetään siten, että kovametallinen terä voi koskettaa murskaamatonta kalliota, mikä tehdään esimerkiksi voimansiirrolla ja hydraulisella moottorilla.

Itse pora voi esimerkiksi olla kiinnitetty rekeen, joka puolestaan liikkuu alustaan, kuten ajoneuvoon kiinnitettyä tukivälinettä, kuten syöttöpalkkia, pitkin. Kuljettamalla kelkkaa, ja siten poraa, syöttöpalkkia pitkin kohti kalliota, porakruunu painuu kalliota vasten. Kelkkaa voidaan ajaa hydraulisylinterillä, jota kutsutaan yleensä syöttösylinteriksi. Vaihtoehtoisesti poraa voidaan ajaa eteenpäin käyttämällä niin kutsuttua ketjusyötintä, missä syöttösylinteri on korvattu hydraulivaihteisella moottorilla (syöttömoottorilla). Kelkkaa ja poraa voidaan sitten ajaa eteenpäin ja takaisin palkkia pitkin kelkkaan kiinnitetyllä ja syöttömoottorin ohjaamalla ketjulla, joka liikkuu syöttöpalkkia pitkin. Syöttösylinteriä/syöttömoottoria käyttävää hydraulista painetta kutsutaan yleisesti syöttöpaineeksi ja se osoittaa voiman, joka painaa pora-kruunua kalliota vasten. Poran ja kelkan nopeutta porauksen aikana kutsutaan ylei- sesti porausnopeudeksi tai syöttönopeudeksi. Syöttönopeutta (porausnopeutta) ohjataan yleensä ohjaamalla syöttösylinteriä/syöttömoottoria elektronisesti ohjatulla hydrauliventtiilillä.

Hydrauliventtiilin virtausyhtälö toteaa, että virtaus q venttiilistä on samansuuruinen kuin venttiilin avausalue A kertaa paine-eron Ap neliö venttiilissä, jolloin Cl, C2 ovat vakioita:

(1)

Pitämällä paine-ero Ap vakiona, virtaus q venttiilistä venttiilin läpi pysyy suoraan verrannollisena avausalueeseen A. Siten virtausta q voidaan ohjata ohjaamalla avau-saluetta A, jos paine-ero Ap pidetään vakiona.

Porausalustan ohjaamiseksi suoritettaessa erilaisia poraussovelluksia ja liikuteltaessa alustaa, porausalustassa on yleensä ohjausjärjestelmä, jossa on ohjausyksikkö. Ohjausjärjestelmää säädetään syöttämällä porausparametrit, kuten haluttu syöttö-paine, eri sovelluksille. Ohjausjärjestelmää säädetään alussa yleisillä porauspara-metreilla. Alustan ohjelma sisältää suuren määrän poraustoimintoja, jotka vastaavat näitä sovelluksia, ja osa näistä on suunniteltu eri tilanteisiin, kuten olakkeen asennukseen, toisin sanoen aloitusprosessiin ennen kuin porakruunu saavuttaa kallion, poraukseen, kiinteään poraukseen, kelkan hidastukseen, tai porateräksen taaksepäin pyöritykseen. Useat porausparametrit on asetettu kullekin poraustoiminnolle. Nämä parametriarvot on testattu etukäteen kullekin tietylle alustalle.

Kun nykyinen ohjausjärjestelmä täytyy säätää, käyttäjä tai huoltoteknikko syöttää useita arvoja porausparametreille. Haluttu säädetty syöttöpaine vastaa järjestelmän todellista painetta, mikä tarkoittaa sitä, että tälle porausparametrille on suhteellisen helppo tehdä ennuste, koska syöttöpaineen asetusarvo ja todellinen paine liittyvät suoraan toisiinsa.

Syöttönopeuden (porausnopeuden) säätämiseksi, toisin sanoen kuinka nopeasti kelkkaa/poraa ajetaan eteenpäin, syöttönopeus (porausnopeus) täytyy säätää virtauksen mukaisesti. Elektronisesti ohjattua hydrauliventtiiliä ohjataan yleensä tekemällä venttiilin läpi kulkevasta virtauksesta suoraan verrannollinen venttiilin menevän ohjausvirran kanssa. Käyttäjä tai huoltoteknikko määrittää kunkin halutun virtauksen asettamalla vastaavan ohjausvirran porausparametrina elektronisesti ohjatulle hydrauliventtiilille. Jos paine-ero venttiilissä säilyy vakiona, painekompensoi-dun venttiilin avausalue on verrannollinen asetusvirtaan ja tällä tavoin saadaan vir taus joka ohjaa syöttönopeutta. Kukin virta-arvo vastaa tiettyä nopeutta, mutta koska virta ei ole nopeuden suora arvo, käyttäjän on melko hankalaa saada tunne siitä, mikä virta johtaa mihinkin nopeuteen alustaa pystytettäessä. Vaatii pitkää kokemusta ohjausjärjestelmästä, jotta voi tietää, mikä nopeus vastaa tiettyä virta-arvoa. Siten käyttäjän tai huoltoteknikon työskennellessä eri porausalustan kanssa, jolla on erilainen venttiili tai syöttösylinterin/syöttömoottorin erilaiset mitat, sama ohjausvirta vastaa täysin erilaista syöttönopeutta. Tämä johtaa usein siihen, että käyttä-jä/huoltoteknikko säätää ohjausjärjestelmän porausparametrien oletettavasti sopivilla arvoilla ja testaa arvot sitten suorittamalla koeporauksia. Koeporausten aikana hydrauli venttiilin ohjaus virtoihin tehdään manuaalisia korjauksia, esillä olevaan sovellukseen sopimiseksi. Jos käyttäjä/huoltoteknikko luottaa koeporaukseen parametrien korjaamiseksi, on aina olemassa riski, että koeporaus jää tekemättä tietylle sovellukselle, ja siten vastaavia parametreja ei korjata. Käy myös niin, että asetukset eivät enää päde, kun porausalustaa on käytettyjenkin aikaa ja työkalut kuluvat. Lisäksi ohjausvirta riippuu siitä, mitä syöttösylinteriä tai syöttö moottoria käytetään kussakin tapauksessa.

Porattaessa edellä kuvatun tyyppisellä poralla, on yleistä, että vallitsevat porausolo-suhteet muuttuvat usein. On monen tyyppisiä kallioita, ja riippuen niiden rakenteesta, kuten kovuudesta, ne eivät ole samanlaisia porattavia. Yleissääntönä syöttöno-peuden (porausnopeuden) kasvu on osoitus siitä, että kallio pehmenee.

Edellä kuvattu tarkoittaa myös, että alustojen säätämisestä on vaikea tehdä yleisiä suosituksia, koska ohjausvirrat harvoin vastaavat samaa nopeutta erilaisille alustoille. Tämä merkitsee sitä, että on vaikea säätää porausalustaa paikallaan uudessa paikassa poraamista varten. Siten tarvitaan parannettu menetelmä ja laite syöttönopeu-den säätämiseksi.

Keksinnön kuvaus

Keksinnön ensimmäinen tarkoitus on luoda edellä kuvatun kaltainen menetelmä, joka ratkaisee edellä mainitun ongelman.

Ratkaisu on menetelmä, jolla on patenttivaatimuksen 1 ominaiset piirteet, sekä ohjausjärjestelmä, jolla on patenttivaatimuksen 10 ominaiset piirteet. Tällainen menetelmä kallioporan syöttönopeuden ohjaamiseksi kalliota porattaessa, jossa kalliopora on järjestetty ohjausyksikön kanssa, sisältää: a) viitenopeuden viemisen ohjausyksikköön, b) syöttönopeuden automaattisen säätämisen viitenopeuden funktiona, c) ohjaussignaalin (S) määrittämisen viitenopeuden funktiona, d) syöttönopeuden säätämisen ohjaussignaalin funktiona. Tällainen tietokonepohjainen ohjausjärjestelmä kallioporan syöttönopeuden ohjaamiseksi kallioporauksessa, jossa ohjausjärjestelmään on järjestetty ohjausyksikkö, sekä näyttö viitenopeuden syöttämiseksi ohjausyksikköön, jossa ohjausyksikkö on järjestetty siten, että se säätää kallioporan syöttönopeuden automaattisesti viitenopeuden funktiona. Säätämällä syöttönopeus automaattisesti viitenopeuden funktiona käyttäen haluttua nopeutta, viitenopeus säätöparametrina, käyttäjä voi tehdä valitulle sovellukselle sopivan tarkan ja yksinkertaisen nopeudensäädön, sen sijaan, että ottaisi nykyisen arvon, joka edustaa oletettua nopeutta, eikä siten ole sovitettu yksittäiselle porausalus-talle. Koska kullakin porausalustalla on erilaisia sovelluksia, riippuen porausalustan ja syöttömoottorin yksittäisistä parametreista ja syöttösylinterillä on yksittäisiä eroja, eivätkä johda hydraulisen venttiilin samaan modulaatioon, riippumatta siitä, että se on samaa mallia, jokaiselle sovellukselle ei voida asettaa yleisesti pätevää ohja-usvirtaa. Hydraulisen venttiilin virtamodulaatio ei myöskään ole lineaarinen funktio, vaan se on lineaarinen ennalta määritellyn intervallin sisällä. Syöttönopeuden automaattisen määrityksen etu on siten se, että mahdollistetaan syöttönopeuden yksittäisten ja tarkkojen asetusten teko kullekin porausalustalle yksinkertaisella tavalla. Keksinnöllämme saadaan yksinkertaisempi, nopeampi ja oikeampi säätö, kuin siten, että käyttäjä sen sijaan ottaa nykyisen arvon, joka edustaa oletettua nopeutta, joka täytyy testata suorittamalla koeporauksia useita kertoja, ja sen jälkeen joka kerta korjata hydraulisen venttiilin ohjausvirta nykyisen sovelluksen asetuksiin mukauttamiseksi. Koska säätöprosessi on täten yksinkertaistettuja alustan väärien asetusten riski minimoitu, käyttäjä tarvitsee vähemmän koulutusta, mikä merkitsee myös resurssien säästöä.

Keksinnön menetelmän yhdessä suoritusmuodossa menetelmä käsittää nykyisen syöttönopeuden määrityksen laskemalla ohjaussignaali viitenopeuden ja nykyisen syöttönopeuden funktiona. Siten käytetään keksinnön mukaista tietokonepohjaista ohjausjärjestelmää, jossa on välineet nykyisen syöttönopeuden määrittämiseksi, sekä laskinyksikkö, joka on järjestetty laskemaan ohjaussignaali viitenopeuden ja nykyisen syöttönopeuden funktiona, ja säätämään uusi syöttönopeus ohjaussignaalin funktiona.

Keksinnön yksi etu on se, että varsinaista nykyistä syöttönopeutta käytetään säätö-parametrina. Käyttäjälle/huoltoteknikolle se on sekä intuitiivisesti helpompaa, että aikaa säästävää, koska käyttäjän/huoltoteknikon ei tarvitse kokeilla useita erilaisia virta-arvoja ja sitten valita niistä jokaiselle nopeudelle, vaan sen sijaan järjestelmä tekee tämän asetuksen automaattisesti. Koska säätäminen on automaattista, verrattuna varsinaiseen nykyiseen syöttönopeuteen, voidaan säätää tietyt parametrit oikein tietylle porausalustalle tarkemmin.

Keksinnön eräässä suoritusmuodossa toistetaan vaiheita b-d. Tästä on etua, koska iteraatioprosessi voi antaa tarkemman tuloksen. Tämä mahdollistaa ohjaussignaalin peräkkäisen säädön haluttuun nopeuteen. Lisäksi tämä mahdollistaa prosessin nopeuttamisen, koska prosessi on hyvin ohjattu.

Keksinnön eräässä suoritusmuodossa ohjaussignaali lasketaan nykyisen syöttöno-peuden ja viitenopeuden erotuksen funktiona. Koska nykyinen syöttönopeus on tosiasiassa mitattu syöttönopeus, tämä mahdollistaa järjestelmän nopean ja tehokkaan säädön.

Keksinnön eräässä suoritusmuodossa ohjaussignaali lasketaan nykyisen syöttöno-peuden ja viitenopeuden useiden peräkkäisten määriteltyjen arvojen keskiarvon funktiona. Tämä mahdollistaa kohinan ja yksittäisen epänormaalin arvon pois suodattamisen.

Keksinnön eräässä suoritusmuodossa uutta syöttönopeutta säädetään siten, että se on yhtä suuri kuin viitenopeus, tai matalampi kuin viitenopeus. Sitten nopeutta rajoitetaan osittain nykyisellä porausnopeudella ja osittain ympäristön olosuhteilla, esim. porakruunu kulkee kalliossa olevan ilmataskun läpi, mikä aiheuttaa nopeuden äkillisen kasvun ja moottori kiihdyttää nopeasti. Koska viitenopeus on uuden nopeuden ylempi raja-arvo, moottori ei kiihdytä tavalla, joka muutoin olisi vahingoittanut poraa. Uutta syöttönopeutta rajoittaa myös fyysinen porausnopeus. Tämä mahdollistaa nopeuden säätämisen poran äkillisten kiihdytysten välttämiseksi.

Keksinnön eräässä suoritusmuodossa menetelmässä on lisäksi syöttövirtauksen PI säätö (suhteutettu ja integroiva säätö) viitenopeuden funktiona. Tämä on etu esimerkiksi silloin, kun ohjausjärjestelmä säätää vasten viitenopeutta, joka on vakio tietyn ajan.

Keksinnön eräässä suoritusmuodossa menetelmässä on lisäksi syöttövirtauksen PID säätö (suhteutettu ja integroiva ja differentioiva säätö) viitenopeuden funktiona. Tämä on etu, jos nykyinennopeus kasvaa ja pienenee äkillisesti ja odottamattomasti, esimerkiksi porakruunun kohdatessa kalliossa ontelolta tai ilmataskuja tai irtonaista kivimateriaalia.

Keksinnön eräässä suoritusmuodossa menetelmässä on lisäksi uuden syöttönopeu-den säätö siten, että se on viitenopeuden sisältävän intervallin sisällä. Tämä on etu, kun tarvitaan suhteellisen vakiota porausnopeutta. Intervallin tyypillinen arvo on ±5 % viitenopeudesta. Vieläkin tiukempi intervalli on edullinen.

Keksinnön eräässä suoritusmuodossa ohjaussignaali otetaan viitetaulukosta viitenopeuden perusteella.

Keksinnön eräässä suoritusmuodossa nykyinen syöttönopeus määritellään impuls-sinmuodostuslaitteen aseman muutoksen funktiona suhteessa tukivälineeseen. Eräässä edullisessa suoritusmuodossa nykyinen asema mitataan asemalähettimellä. Tämä on etu, koska porausalustat on helppo varustaa asemalähettimillä kelkan aseman ilmaisemiseksi syöttöpalkilla. Nykyinen nopeus lasketaan esimerkiksi aseman muutoksen funktiona mitatulla aikajaksolla.

Keksinnön eräässä suoritusmuodossa nykyinen nopeus määritellään laskemalla im-pulssinmuodostuslaitteen kiihtyvyys. Tässä hyödynnetään kiihtyvyysmittaria esimerkiksi kiihtyvyyden määrittämiseksi, ja sen jälkeen nopeus lasketaan kiihty-vyysmittarin ulostulosignaalin funktiona.

Keksinnön eräässä suoritusmuodossa nykyinen nopeus mitataan nopeuslähettimellä. On helppo varustaa kelkka tai syöttöpalkki nopeuslähettimellä ja yhdistää se ohjausyksikköön.

Keksinnön eräässä suoritusmuodossa virtaus säädetty syöttöpaine säätää impulssin-muodostuslaitteen liikettä tukivälineellä, jolloin virtausta säädetään ohjaussignaalin funktiona. Tämä mahdollistaa poran liikkeen ohjaamisen hydraulisella venttiilillä.

Keksinnön eräässä suoritusmuodossa menetelmä sisältää lisäksi syöttövirran säädön. Tämä mahdollistaa poran liikkeen ohjaamisen esimerkiksi sähköisesti ohjatulla hydraulisella venttiilillä. Toisessa suoritusmuodossa hydraulista pilottia voidaan myös käyttää hydraulisen venttiilin ohjaamiseen.

Keksintö sisältää myös tietokoneohjelman, joka voidaan ladata suoraan tietokoneen sisäiseen muistiin, joka ohjelma käsittää ohjelmakoodin keksinnön patenttivaatimusten 1-9 mukaisen menetelmän ohjaamiseksi. Lisäksi keksintö sisältää tietoko-neluettavan välineen, jossa on tallennettu tietokoneohjelma, joka on suunniteltu saamaan tietokone suorittamaan minkä tahansa patenttivaatimuksen 1-9 mukaiset vaiheet.

Lisäksi keksintö sisältää patenttivaatimuksen 20 mukaisen porausalustan, jossa on tietokonepohj ainen ohj ausj ärjestelmä.

Keksinnön edulliset muunnokset esiintyvät seuraavassa kuvauksessa ja patenttivaatimuksissa.

Piirustusten kuvaus

Keksintö selitetään tarkemmin joillakin esimerkinomaisilla suoritusmuodoilla viitaten liitteenä oleviin kuvioihin, joissa kuvio 1 esittää keksinnön erään suoritusmuodon mukaisen kallioporausalustan, kuvio 2 esittää porakoneen ja syöttöpalkin kuvion 1 porausalustalla yksityiskohtaisemmin, kuvio 3 esittää keksinnön erään suoritusmuodon mukaisen säätöjärjestelmän, kuvio 4A esittää tekniikan tason tietokoneen näytön, kuvio 4B esittää keksinnön erään suoritusmuodon mukaisen tietokoneen näytön, kuvio 5A esittää keksinnön erään suoritusmuodon mukaisen vuokaavion, kuvio 5B esittää keksinnön erään suoritusmuodon mukaisen toisen vuokaavion. Esimerkinomaisten suoritusmuotojen kuvaus

Seuraava spesifikaatio kuvaa maanalaisen alustan, mutta keksintöä voidaan soveltaa myös maan päällä.

Kuvio 1 esittää kallioporausalustan 10 tunnelointia, malminlouhintaa, tai esim. tunneloinnissa tai malminlouhinnassa tarvittavaa kallionvahvistuspulttien asennusta varten. Porausalustassa 10 on puomi 11, jonka toinen pää 11a on saranoitu tukivälineeseen 12, kuten ajoneuvoon, yhdellä tai useammalla linkillä, ja jonka toiseen päähän 11b on järjestetty syöttöpalkki 13, joka kantaa impulssinmuodostuslaitetta poran 14 muodossa. Pora 14 voi liikkua syöttöpalkkia 13 pitkin, ja se muodostaa iskuaaltoja, jotka porajänne 15 ja porakruunu 18 lähettävät kallioon 17. Alustassa 10 on lisäksi tietokonepohjainen ohjausjärjestelmä, jossa on ohjausyksikkö 16, jota voi- daan käyttää keksinnön mukaisten porausparametrien ohjaamiseen, kuten seuraa-vassa kuvataan. Ohjausyksikköä 16 voidaan käyttää asennon, suunnan ja poratun etäisyyden jne. seuraamiseen suhteessa poraan ja tukeen. Tietokonepohjaista ohjausjärjestelmää voidaan käyttää myös alustan 10 siirtämiseen, vaikka tähän voidaan toki käyttää erillistä ohjausyksikköä. Tietokonepohjaista ohjausjärjestelmää käytetään myös asennon, suunnan ja poratun etäisyyden jne. seuraamiseen suhteessa poraan ja tukeen.

Kuvio 2 esittää syöttöpalkin 13 ja poran 14 yksityiskohtaisemmin. Pora 14 kiinnitetään rekeen 20, jota voidaan siirtää syöttöpalkilla 13, ja jonka liikettä syöttöpalkilla 13 ohjataan syöttösylinterillä 22, joka tässä esimerkissä on hydraulinen sylinteri. Vaihtoehto poran 14 ajamiseksi eteenpäin on käyttää niin kutsuttua ketjusyöttöä, jossa syöttösylinteri korvataan hydraulivaihteisella moottorilla, joka asennetaan tai m m ai seksi syöttimelle. Kelkkaan kiinnitetyn ketjun ja aivan syöttimen etuosassa olevan vaihteen ansiosta kelkka ja pora liikkuvat eteenpäin ja taaksepäin. Porattaessa syöttöpalkki 13 asetetaan porausasentoon, edullisesti pora 14 siirrettynä niin taakse kuin mahdollista, mahdollistaen mainitussa porajänteessä 15 olevan porajän-nekomponentin 24 yhdistämisen poraan porassa 14 olevalla adapterilla 26. Adapteri kiinnitetään toisesta päästä poraan 14 ja sen toisessa päässä ovat väline, kuten kierteet (ei esitetty), porajännekomponenttiin 24 yhdistämiseksi. Tällä tavoin porakruu-nu 18 sijaitsee suhteellisen lähellä syöttöpalkkiin 13 järjestettyä etuporatukea 27. Syöttöpalkin kauempaan päähän on tässä tapauksessa myös järjestetty letkukela 28, joka ohjaa letkuja syöttämään poran 14 eri yksikköjä porauksen aikana. Porauksen edettyä syöttösylinteri työntää poraa kalliota vasten siten, että siirrettäessä kelkkaa 20 kalliota kohti etupään asentoon, se vapautetaan porajännekomponentista, joka on porautunut kallioon siten, että uusi sopivan pituinen porajännekomponentti voidaan yhdistää poran ja porajännekomponentin 24 väliin, jolloin poraus voi jatkua kunnes halutun pituinen reikä on saavutettu. Jos itse porajännekomponentti 24 tarjoaa halutun reiän syvyyden, ei toista porajännekomponenttia tietenkään tarvita.

Tuen syöttöpalkkiin 13 on kiinnitetty asentolähetin, jota ei esitetä kuviossa. Asento-lähetin mittaa kelkan 20 asennon, ja siten poran 14 asennon suhteessa syöttöpalkkiin 13 ja lähettää asentotiedon ohjausyksikköön 16. Ohjausyksikkö 16 laskee asen-totiedon avulla, kuinka pitkä pituus on porattu.

Kuvio 3 esittää kaavamaisen suoritusmuodon säätöjärjestelmästä 30, joka säätää poraa 31. Pora 31 on järjestetty rekeen, joka voi liukua syöttöpalkilla 32. Säätöjärjestelmässä 30 on ohjausyksikkö 33 poran 31 liikkeiden säätämiseksi. Palkkiin on järjestetty syöttösylinteri 35 reen liikkeen ja siten poran, porausnopeuden, säätämiseksi eteenpäin ja taaksepäin syöttöpalkilla 32 säätämällä syöttösylinterin 35 liikkeitä. Syöttösylinterin 35 männän varteen 35a on kiinnitetty kaapelipyörä 37 syöttösylinterin liikesuunnassa. Kaapelipyörä 37 ajaa kaapelia 38, joka on kiinnitetty syöttö-palkkiin päässä 38a ja rekeen sen toisessa päässä 38b. Siten syöttösylinteri 35 on suunniteltu säätämään poran 31 liikkeitä eteenpäin tai taaksepäin, jolloin syöttösylinteri ajaa kaapelipyörän 37 pyörimään myötäpäivään tai vastapäivään. Sen sijaan, että poraa siirrettäisiin kaapelipyörällä ja kaapelilla, voidaan käyttää myös hammaspyörää ja ketjua. Kaapelikäyttö on edullista käytettäessä syöttösylinteriä 35. Käytettäessä hydraulista moottoria ketjukäyttö on edullista.

Siten ohjausyksikkö 33 ohjaa poran 31 liikkeitä säätämällä syöttösylinterin 35 liikkeitä. Perustettaessa tämän suoritusmuodon ohjausjärjestelmää, käyttäjä 39 syöttää erilaiset porausparametrit, kuten syöttöpaineen, ja viitenopeudet porausalustan eri sovelluksille, ohjausyksikköön 33 näytön (ei esitetty) kautta. Elektronisesti ohjattu hydraulinen venttiili 40 on yhdistetty ohjausyksikköön 33. Ohjausyksikkö 33 ohjaa poran liikkeitä ohjaamalla virtausta q elektronisesti ohjatusta hydraulisesta venttiilistä 40 syöttö sylinteriin 35. Elektronisesti ohjattu hydraulinen venttiili 40 on yhdistetty syöttösylinteriin siten, että se säätää syöttösylinterin 35 männän varren 35a liikkeitä. Virtausta q ohjataan pitämällä venttiilissä vakio paine-ero Δρ niin, että virtaus q säilyy suoraan verrannollisena venttiilin avausalueeseen A. Syöttövirtaus q on virtasäädettävä, joten hydraulisen venttiilin 40 avausalue A on verrannollinen ohjausvirtaan.

Hydraulinen venttiili 40 on järjestetty säiliöön 41. Paine-ero on yhtä suuri kuin hydraulisesta venttiilistä 40 tulevan virtauksen paine-ero, toisin sanoen syöttösylinteriin p2 menevä paine, hydrauliseen venttiiliin 40 menevän virtauksen paine:

(2)

Syöttöpaine p2 rajoitetaan maksimaaliseen haluttuun syöttöpaineeseen hydraulisella venttiilillä 42. Hydraulista venttiiliä 42 ohjaa ohjausjärjestelmä 33. Hydraulinen venttiili 42 on järjestetty säiliöön 41. Järjestelmän paine rajoittaa saavutettavissa olevaa maksimisyöttöpainetta. Järjestelmän painetta säädetään pumpulla, joka toimii porausalustan päämoottorilla, tässä tapauksessa dieselmoottorilla 36. Se voi olla myös sähkömoottori, erityisesti silloin, kun alusta on maanalainen alusta.

Elektronisesti ohjatun hydraulisen venttiilin 40 paine-ero Ap pidetään pääasiassa vakiona ohjaamalla venttiilin painetta pl mekaanisella paineensäätöventtiilillä 43. Elektronisesti ohjatun hydraulisen venttiilin 40 paine-eroa Ap ohjataan ohjaamalla painetta hydrauliseen venttiiliin 40 ohjaamalla painetta pl paineensäätöventtiilillä 43.

Lisäksi alustan syöttöpalkilla 33 on asentolähetin 45, joka on suunniteltu määrittämään poran asento X suhteessa syöttöpalkkiin. Asentolähetin 45 on yhdistetty ohjausyksikköön 33. Asentolähetin 45 lähettää tiedon poran asennosta X ohjausyksikköön 32. Poran asennon perusteella ohjausyksikkö laskee kuinka kauan poraus on kestänyt. Ohjausyksikkö 33 on varustettu myös ajantallennuslaitteella. Tässä suoritusmuodossa ohjausyksikkö 33 laskee poran asennon muutoksen asentolähettimen 45 ja ajantallennuslaitteen tiedon funktiona, ja sitten nykyisen syöttönopeuden. Riippuen halutusta viitenopeudesta ja nykyisestä syöttönopeudesta, ohjausyksikkö 33 laskee ohjaussignaalin S. Sitten ohjausyksikkö laskee automaattisesti uuden syöttönopeuden mainitulle impulssinmuodostuslaitteelle ohjaussignaalin S mukaisesti. Viitenopeus otetaan esimerkiksi esillä olevan sovelluksen porausparametreista tai esillä olevan sovelluksen aiemmin mitatusta arvosta. Lopuksi ohjausyksikkö 33 laskee ohjaussignaalin S mukaisen ohjausvirran S. Ohjausyksikkö 33 säätää automaattisesti hydraulisen venttiilin 40 säätämällä venttiilin ohjausvirran siten, että venttiilin virtaus muuttuu vastaamaan poran uutta syöttönopeutta. Tässä tapauksessa ohjausyksikkö 33 säätää uuden nopeuden PID säätimenä, mutta se voi tietenkin säätää uuden nopeuden minkä muun tahansa tyyppisenä säätimenä, kuten PI säätimenä, tai adaptiivisena säätimenä.

Jos syöttösylinteri korvataan toisen suoritusmuodon hydraulivaihteisella moottorilla, ei esitetty, poraa ajetaan eteenpäin käyttäen niin kutsuttua ketjusyöttöä. Kelkkaa ja poraa ajetaan eteenpäin ja taaksepäin palkilla kelkkaan kiinnitetyllä ketjulla, jota käytetään hydraulisella moottorilla, ja joka liikkuu syöttöpalkkia pitkin. Elektronisesti ohjattu hydraulinen venttiili on tässä yhdistetty ohjausyksikköön 33. Tässä tapauksessa ohjausyksikkö ohjaa poran liikkeitä ohjaamalla virtausta q elektronisesti ohjatusta hydraulisesta venttiilistä hydrauliseen moottoriin. Elektronisesti ohjattu hydraulinen venttiili on yhdistetty hydrauliseen moottoriin, jolloin se säätää hydraulisen moottorin männän varren liikkeitä. Virtausta q ohjataan samalla tavalla kuin edellä kuvattiin, pitämällä venttiilissä vakio paine-ero Ap siten, että virtaus q on suoraan verrannollinen venttiilin avausalaan A. Syöttövirtaus q on virtasäädettä-vä, joten hydraulisen venttiilin avausala A on verrannollinen ohjausvirtaan.

Poraussovelluksen ensimmäisessä suoritusmuodossa käytetään rajoitettua ohjausta: käyttäjä määrittää tälle sovellukselle poran maksiminopeuden viitenopeutena. Nykyisen syöttönopeuden saavuttaessa annetun maksiminopeuden, ohjausyksikkö las kee uuden ohjausvirran, joka on suunniteltu kuristamaan virtaus hydrauliselta venttiililtä, jarruttaen siten syöttösylinteriä. Tällä tavoin ohjausyksikkö varmistaa, että nopeus ei kasva enempää. Nopeuden pudotessa ohjausyksikkö edelleen laskee ja lähettää uuden ohjausvirran hydrauliseen venttiiliin siten, että sen aukko kasvaa estäen porauksen huononnuksen. Tässä suoritusmuodossa, missä maksiminopeus on sallittu, maksiminopeutta ei saavuteta porattaessa kiinteään kallioon, koska tunkeu-tumisnopeus kallion läpi rajoittaa porausnopeutta. Ainoastaan silloin, kun pora saavuttaa ontelolta tai kallion helposti porattavia osia, syöttönopeus voi kasvaa liian nopeasti ja ohjausyksikkö aloittaa nopeuden rajoittamisen sen saavuttaessa annetun maksiminopeuden. Tämä suojaa laitteita liian suurelta nopeudelta tai liian nopealta kiihdytykseltä, tai muutoin laitteet voivat rikkoontua tai leikkuujäte voi tukkia pora-kruunun tai porakruunu voi juuttua, koska leikkuujätteen poistoon käytetty huuhteluaine huuhtoutuu pois kallion halkeamien kautta.

Poraussovelluksen toisessa suoritusmuodossa haluttua nopeutta säädetään: käyttäjä osoittaa tietyn keskinopeuden syöttönopeuden viitenopeutena. Tämä merkitsee sitä, että jos syöttönopeus on liian matala, ohjausyksikkö 33 lisää hydraulisen venttiilin 40 modulaatiota. Lisäksi, jos syöttönopeus on liian korkea, ohjausyksikkö vähentää hydraulisen venttiilin 40 modulaatiota. Tämä ohjausalgoritmi on sopiva esimerkiksi porateräksen sisäänmenossa ja ulostulossa. Silloin on tärkeää säilyttää ennalta määritelty nopeus, jotta kierteitä ei tarpeettomasti kuluteta. Poraa ohjataan silloin siten, että uusi nopeus on intervallin puitteissa. Tyypillinen intervalli on viitenopeus ±5 %. Jopa tiukempi intervalli on edullinen.

Toisessa suoritusmuodossa ohjaussignaali raakasäädetään varustamalla ohjausyksikkö viitetaulukolla, joka antaa spesifisen venttiilimodulaation tietylle syöttöno-peudelle. Sitten ohjausyksikkö hienosäätää nopeuden säätämällä ohjaussignaalia po-rausalustan käytön aikana.

Toisessa suoritusmuodossa, ei esitetty, järjestetään asentolähettimen sijaan kiihty-vyysmittari (ei esitetty) syöttöpalkkiin poran kiihtyvyyden määrittämiseksi suhteessa syöttöpalkkiin ja nykyinen syöttönopeus lasketaan sitten mainitun kiihtyvyyden funktiona.

Poraussovelluksen edelleen toisessa suoritusmuodossa käytetään kalibrointitoimin-toa, joka toteutetaan tietokonepohjaisessa ohjausjärjestelmässä tai ulkoisessa tietokoneessa viitetaulukon syöttämiseksi. Kalibrointi tehdään, kun alusta on uusija kun vaihdetaan alustan komponentti.

Edelleen toisessa poraussovelluksen suoritusmuodossa, alustaa ajetaan "hätätilanteessa", esimerkiksi jos asentolähetin rikkoontuu. Silloin käytetään viitetaulukkoa, samalla tavoin kuin edellä kuvattiin. Jotta oltaisiin varmoja, tämä ei anna samaa oikeaa nopeutta, mutta silti riittävän tarkan asetuksen, jotta porausta voidaan jatkaa alustan kanssa, esimerkiksi siihen asti kun varaosat saapuvat.

Kuvio 4A esittää kaksi tekniikan tason tietokoneen näyttöä 50a, 50b, joissa viite-parametrit syötetään aloitusparametreinä, esimerkiksi, erilaiset syöttöpaineet (bar) ja erilaiset virta-arvot (mA), jotka edustavat erilaisia nopeuksia porausalustan eri sovelluksille, otettuina viitetaulukosta. Erilaiset porausparametrit voivat olla maksimi syöttöpaine, minimisyöttöpaine, haluttu syöttöpaine porauksen aikana, syöttöpaine olakkeen asennuksen aikana, virta kalibrointia varten, maksiminopeutta eteenpäin vastaava virta, miniminopeutta eteenpäin vastaava virta, eteenpäinporauksen nopeutta vastaava virta, taaksepäinporauksen nopeutta vastaava virta ja/tai olakkeen asennuksen maksiminopeutta vastaava virta.

Kuvio 4B esittää keksinnön yhden suoritusmuodon mukaiset kaksi tietokoneen näyttöä 50c, 50d, joissa käyttäjä syöttää aloitusparametrit, kuten erilaiset syöttöpaineet (bar) ja erilaiset nopeudet (m/min) porausalustan eri sovelluksille. Erilaiset porausparametrit voivat olla olakkeen asennuksen syöttöpaine, haluttu syöttöpaine porauksen aikana, maksimisyöttöpaine porauksen aikana, minimisyöttöpaine porauksen aikana, kalibrointinopeus, haluttu porausnopeus, olakkeen asennuksen nopeus, maksiminopeus eteenpäin ja/tai maksiminopeus taaksepäin. Muutkin porausparametrit ovat mahdollisia.

Kuvio 5A esittää vuokaavion menetelmästä ainakin yhden porausparametrin ohjaamiseksi kallioporauksessa, jossa impulssinmuodostuslaite poraa kalliota iskuväli-neellä, joka on suunniteltu indusoimaan iskuaaltoja työkalussa, joka toimii kalliota vasten. Impulssinmuodostuslaitetta voidaan siirtää poraussuunnassa suhteessa tukivälineeseen. Impulssinmuodostuslaitteeseen on järjestetty ohjausyksikkö.

Menetelmä käsittää seuraavat vaiheet: a) Ensimmäinen porausparametri asetetaan määrittämällä viitenopeus joko niin, että käyttäjä syöttää viitenopeuden arvon manuaalisesti ohjausjärjestelmään, tai ohjausyksikkö hakee automaattisesti viitenopeuden viitetaulukosta (60). b) Määritellään (61) toinen porausparametri, nykyinen syöttönopeus. Nykyinen syöttönopeus on nopeuden mitattu arvo, tai nopeuden laskettu arvo, riippuen kiihdytyksen mitatusta arvosta. c) Ohjaussignaali lasketaan viitenopeuden ja nykyisen nopeuden funktiona ohjausyksikön (64) ennalta määritellyllä laskentamenetelmällä. Laskentamenetelmä voi olla yksi PI tai PID säädön muunnoksista tai adaptiivinen säätö. Ohjaussignaali voidaan myös laskea nykyisen syöttönopeuden absoluuttisen suuruuden ja halutun syöttönopeuden välisen erotuksen funktiona. d) Uusi syöttönopeus säädetään automaattisesti ohjaussignaalin funktiona.

Eräässä suoritusmuodossa ohjaussignaali säätää venttiiliä, joka ohjaa impulssin-muodostuslaiteen liikkeitä suhteessa tukivälineeseen (66).

Kuvio 5B esittää toisen suoritusmuodon vuokaavion menetelmästä ainakin yhden porausparametrin ohjaamiseksi kallioporauksessa. Menetelmä käsittää edellä kuvatut vaiheet sekä seuraavan vaiheen: e) Vaiheita b-d toistetaan (68). Tätä tehdään esimerkiksi siihen asti, kunnes uusi nopeus on viitenopeuden edullisen intervallin puitteissa. Toisessa suoritusmuodossa, tätä vaihetta toteutetaan siten, että uusi nopeus lähestyy viitenopeutta ylittämättä sitä.

Ohjausyksikön fyysinen toteutus käsittää loogisen yksikön, tietokoneyksikön tai laskinyksikön, jossa on mikroprosessori tai prosessoreja, käsittäen keskusyksikön (CPU) tai ohjelmoitavan porttimatriisin (FPGA) tai jonkin muun puolijohdeyksi-kön, jossa on ohjelmoitavia loogisia komponentteja sekä ohjelmoitavia piirejä tämän keksinnön yhden aspektin mukaisen menetelmän toteuttamiseksi. Tämä tehdään ohjelmamuistiin ainakin osittain tallennetun yhden tai useamman tietokoneohjelman avulla, johon muistiin ohjausyksiköllä on pääsy. Tietokoneohjelma käsittää ohjelmakoodielementit, tai ohjelmiston, joka voi saada tietokoneen suorittamaan menetelmää käyttämällä edelläkuvattuja yhtälöitä, algoritmeja, tietoa ja laskelmia.

Keksintö ei rajoitu esitettyihin esimerkinomaisiin suoritusmuotoihin, vaan alan ammattimies osaa tietenkin muuntaa sitä monella tavalla patenttivaatimuksissa määritellyllä keksinnön soveltamisalalla. Siten esimerkiksi asentolähettimen sijaan voidaan käyttää nopeuslähetintä, jossa erityinen lähetin, joka osoittaa poran nopeuden, järjestetään syöttöpalkkiin. Lisäksi poran liikkeitä voidaan ohjata hydraulisesti tai pneumaattisesti, sähköisen sijaan. Voidaan käyttää erilaisia syöttimen malleja, esim, sähkömoottorilla tai palloruuvilla varustettuja.

Claims (19)

1. Menetelmä kallioporan (14, 31) syöttönopeuden ohjaamiseksi kalliota (17) porattaessa, johon kallioporaan on järjestetty ohjausyksikkö (33), menetelmän käsittäessä vaiheet, joissa: a) käyttäjä syöttää syöttönopeuden viitenopeuden ohjausyksikköön manuaalisesti, b) syöttönopeus säädetään automaattisesti viitenopeuden funktiona, tunnettu siitä, että menetelmä lisäksi käsittää: a) ohjaussignaalin (S) määrittämisen viitenopeuden funktiona, b) syöttönopeuden säätämisen ohjaussignaalin funktiona.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, joka menetelmä lisäksi käsittää: a) nykyisen syöttönopeuden määrittämisen, b) ohjaussignaalin (S) laskemisen viitenopeuden ja nykyisen syöttönopeuden funktiona.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, jossa ohjaussignaali (S) lasketaan nykyisen syöttönopeuden ja viitenopeuden välisen erotuksen funktiona.

4. Minkä tahansa patenttivaatimuksen 1-3 mukainen menetelmä, jossa viiteno-peus saadaan viitetaulukosta (50a-d) viitenopeuden mukaisesti.

5. Minkä tahansa patenttivaatimuksen 1-4 mukainen menetelmä, jossa ohjaussignaali (S) lasketaan myös nykyisen syöttönopeuden useiden peräkkäin määriteltyjen arvojen keskiarvon ja viitenopeuden funktiona.

6. Minkä tahansa patenttivaatimuksen 1-5 mukainen menetelmä, jossa uusi syöttönopeus säädetään siten, että se on pienempi tai yhtä suuri kuin viitenopeus.

7. Minkä tahansa patenttivaatimuksen 1-6 mukainen menetelmä, jossa uusi syöttönopeus säädetään siten, että se on viitenopeuden käsittävän intervallin sisällä.

8. Minkä tahansa edeltävän patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, jossa viitenopeus saadaan viitetaulukosta (50a-d), joka antaa annetulle nopeudelle spesifisen venttiilimodulaation.

9. Tietokonepohjainen ohjausjärjestelmä kallioporan syöttönopeuden ohjaamiseksi kallioporauksessa, johon ohjausjärjestelmään on järjestetty ohjausyksikkö, tunnettu siitä, että ohjausjärjestelmä lisäksi käsittää: näytön syöttönopeuden viite-nopeuden syöttämiseksi ohjausyksikköön, jossa ohjausyksikkö on järjestetty siten, että se säätää kallioporan syöttönopeuden automaattisesti viitenopeuden funktiona.

10. Patenttivaatimuksen 9 mukainen tietokonepohjainen ohjausjärjestelmä, joka ohjausjärjestelmä lisäksi käsittää välineet nykyisen syöttönopeuden määrittämiseksi, sekä laskentayksikön, joka on järjestetty laskemaan ohjaussignaali (S) viitenopeuden ja nykyisen syöttönopeuden funktiona ja säätämään uusi syöttönopeus ohjaussignaalin funktiona.

11. Patenttivaatimuksen 10 mukainen tietokonepohjainen ohjausjärjestelmä, jossa nykyinen nopeus mitataan nopeuden lähettimellä.

12. Patenttivaatimuksen 10 mukainen tietokonepohjainen ohjausjärjestelmä, joka ohjausjärjestelmä lisäksi käsittää asemalähettimen, joka on järjestetty mittaamaan kallioporan nykyinen asema (X), jolloin kalliopora voi liikkua syöttöpalkilla po-raussuunnassa ja asemalähetin on järjestetty syöttöpalkkiin (13, 32), jolloin ohjausyksikkö laskee nykyisen syöttönopeuden impulssinmuodostuslaitteen (14, 31) aseman muutoksen funktiona suhteessa tukivälineisiin (13, 32).

13. Patenttivaatimuksen 10 mukainen tietokonepohjainen ohjausjärjestelmä, joka ohjausjärjestelmä lisäksi käsittää kiihtyvyysmittarin, jolloin kalliopora voi liikkua syöttöpalkilla poraussuunnassa ja kiihtyvyysmittari on järjestetty syöttöpalkille (13, 32) ja se määrittää kallioporan (14, 31) kiihtyvyyden suhteessa syöttöpalkkiin, jossa ohjausyksikkö laskee nykyisen syöttönopeuden mainitun kiihtyvyyden funktiona.

14. Minkä tahansa patenttivaatimuksen 10-13 mukainen tietokonepohjainen ohjausjärjestelmä, jossa virtaussäädetty syöttöpaine säätelee impulssinmuodostuslaiteen (14, 31) liikkumista tukivälineillä (13, 32), joka virtaus (q) säädellään ohjaussignaalin (S) funktiona.

15. Patenttivaatimuksen 14 mukainen tietokonepohjainen ohjausjärjestelmä, joka ohjausjärjestelmä lisäksi automaattisesti säätää syöttönopeuden viitenopeuden funktiona yhden säätömenetelmistä PI, PID mukaisesti.

16. Patenttivaatimuksen 15 mukainen tietokonepohjainen ohjausjärjestelmä, joka ohjausjärjestelmä lisäksi käsittää syöttövirtauksen virtasäädön.

17. Suoraan tietokoneen sisäiseen muistiin ladattava tietokoneohjelma, jossa ohjelmassa on ohjelmakoodi patenttivaatimusten 1-8 mukaisen menetelmän ohjaamiseksi.

18. Tietokoneluettava väline, johon on tallennettu tietokoneohjelma, joka on suunniteltu saamaan tietokone suorittamaan minkä tahansa patenttivaatimuksen 1-8 mukaiset vaiheet.

19. Minkä tahansa patenttivaatimuksen 9-16 mukaisen tietokonepohjaisen ohjausjärjestelmän käsittävä porausalusta. Patentkrav