JP4769862B2 - 制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、岩盤に穿孔する衝撃発生装置を制御する装置及び方法に関する。

削岩において、一つ以上の穿孔ストリング構成要素を介して削岩装置に接続される穿孔ツールが用いられる。削岩は幾つかの方法で実施することができ、一般的な方法は、パーカッション穿孔法であり、前後方向に動く衝撃ピストンによって衝撃（インパルス）を発生するのに衝撃（インパルス）発生装置、打撃ツールが用いられる。衝撃ピストンは、衝撃パルスを穿孔ツールにそして岩盤伝達して衝撃波のエネルギーを供給するために、通常穿孔シャンクを介して穿孔ストリングを打撃する。衝撃ピストンは通常、液圧又は空気圧で駆動されるが、しかしその他の手段、例えば電気又はある形態の燃焼によって駆動され得る。

衝撃ピストンによって衝撃波を発生する衝撃発生装置では、衝撃ピストンの前後方向の動きにより動的加速力が発生されることになり、これらの動的加速力が衝撃発生装置（打撃ツール）及び削岩装置全体に悪影響を及ぼすという問題点がある。パーカッション穿孔法では、穿孔ツールが衝撃の時点で岩盤に接触しない場合に生じ得る有害な反射を避けるために、前方の岩盤に対して削岩装置及び穿孔ストリング及び穿孔ツールを押圧するのに送り力が用いられる。しかし、衝撃の方向に加速される衝撃ピストンは、岩盤から離れる後方向へ削岩機器を動かすように作用する反対方向のカウンタ力を生じさせる。これらの対向力は、送り圧力を増大する必要があり、その結果穿孔装置はこれらの大きな力に対して寸法決めしなければならないことを意味し、その結果、実際の衝撃波エネルギーによって要求されるものより大きくてしかも高価な装置となる。

衝撃ピストンの加速力の問題を低減するために、前後方向に動くピストンによって衝撃波エネルギーを伝達せずに、代わりにカウンタ圧力チャンバによって衝撃要素に予め負荷をかけることによって衝撃波エネルギーを伝達し、それによりカウンタ圧力チャンバにおける圧力の急激な低減によって衝撃要素を介して穿孔ストリングに圧力インパルスを伝達する衝撃発生装置が提案されてきた。

最新の公知の技術によれば、このような解決法は、比較的低エネルギーの衝撃波を発生し、そして穿孔の効率を維持するためには、各衝撃波における比較的低エネルギーは、比較的高い頻度（振動数）で発生される衝撃波によって補償される。

しかし、衝撃ピストンを備えていない上記の打撃ツールの別の問題点は、衝撃エネルギーの一部が反射され、そして有害なエネルギーとして衝撃発生装置に戻されることにある。

本発明の目的及び最も重要な特徴
本発明の目的は、上記の問題点を解決する衝撃発生装置用制御装置を提供することにある。

本発明の別の目的は、上記の問題点を解決する衝撃発生装置用の方法を提供することにある。

これら及びその他の目的は、本発明によれば、請求項１に記載の制御装置及び請求項１６に記載の方法によって達成される。

本発明によれば、ツールに衝撃波を誘起する衝撃発生装置が、ツールに衝撃波を伝達する衝撃要素と、衝撃要素に作用するカウンタ圧力チャンバと、カウンタ圧力チャンバにおける圧力を低減する装置とを有する衝撃発生装置用制御装置が提供される。本制御装置は、上記カウンタ圧力チャンバにおける圧力の低減を調整する制御手段を有する。このように構成したことにより、衝撃波の立上り時間及び／又は持続時間が被穿孔物質の特性に基いて制御され得、それにより衝撃波エネルギーの大きな部分が結果として低減した反射で被穿孔物質によって吸収され得るという利点が得られる。

圧力を低減する装置は、上記カウンタ圧力チャンバに接続する制御弁を備えることができ、制御弁は、動作中カウンタ圧力チャンバに収容された圧力媒体の解放によって圧力の上記低減を制御する少なくとも一つの開口を備えている。圧力の低減は、制御弁の開口を制御することによって制御され得る。例えば、制御弁は、圧力の低減を制御する圧力低減ノッチを備えて構成され得る。これにより、圧力の低減を簡単な仕方で制御できるという利点が得られる。

カウンタ圧力チャンバは多数の出口を備えることができ、上記出口は制御された仕方で開放できる。出口は異なる直径をもつことができる。これにより、適当な出口を開閉することによって簡単な仕方で圧力の低減を調整できるようになる。

出口は、一つ以上の流路を介して一つ以上の容器に接続でき、上記容器は動作中に異なる圧力に加圧されることができ、それによりカウンタ圧力チャンバにおける圧力のステップ状及び／又は連続した低減は上記出口を開放することにより得ることができる。このように構成することにより、圧力の低減が、絞りによる制御と関連するエネルギーの損失なしに達成できるという利点が得られる。

本発明はまた請求項１２に記載の衝撃発生装置にも関する。

図１には、本発明において有利に用いることのできる削岩装置用衝撃発生装置１０を示している。動作中、衝撃発生装置１０は、穿孔バイト１１のような穿孔ツールに、一つ以上のストリング構成要素１２ａ、１２ｂから成る穿孔ストリング１２を介して接続される。穿孔作業中、岩盤１４を破砕するために衝撃波の形態のエネルギーは穿孔ストリング１２へ伝達され、そして穿孔ストリング構成要素１２ａ、１２ｂから穿孔ストリング構成要素１２ａ、１２ｂへそして最後に穿孔バイト１１を介して岩盤１４へ伝達される。

図示装置１０において、前後方向に動くピストンは衝撃波を発生するのに用いられないが、しかし代わりに、衝撃ピストン１５の形態の負荷可能な衝撃要素が用いられ、この要素は圧力領域１６に対して作用する圧力媒体の影響で穿孔ストリング１２の反対側のハウジング１７の端部に向って押圧される。動作中、チャンバ１８は制御装置２０を介して加圧され、それでチャンバ１８内の圧力が圧力領域１６に作用して衝撃ピストン１５をハウジング１７の後方端部１９に向って押圧する。従って、チャンバ１８はカウンタ圧力チャンバとして機能する。

公知の技術では、制御装置２０における制御弁はカウンタ圧力チャンバ１８における圧力を瞬時に低減させるために急激に開放される。その際、衝撃ピストン１５は元の長さまで伸張し、位置エネルギーを衝撃波の形態で穿孔ストリング１２へ伝達する。圧力のこの急激な低減より、普通の衝撃ピストンによって発生される衝撃波と本質的に同じ形態すなわち図２ａに示すように、主として矩形の衝撃波が発生され、穿孔ストリングを介して穿孔バイト１１に伝播し、岩盤１４へ伝達される。しかし、岩盤１４の特性のために、衝撃波の全てのエネルギーは、衝撃波の立上り時間が短い（図２ａのτ参照、図２ａにおいてτは明瞭にするため誇張されており、τは相当に短くでき、すなわち縁部は相当に急にできる）ために岩盤によって吸収されないが、しかし代わりに、供給されるエネルギーの一部は反射され、穿孔ストリング１２を介して衝撃発生装置１０に戻される。これは削岩装置に悪影響を及ぼし、種々の構成要素を摩滅させ、結果として重大な損傷を生じさせ得ることになる。

図２ｂには、典型的な形態の岩盤に対する圧入深さの関数として圧入力の例を示している。図２ｂに見られるように、穿孔バイトが岩盤へ伝達できる圧入力は衝撃の瞬時には本質的にゼロ（ｄ＝０）であり、そして衝撃波がその終端に達しそして圧入が最大（ｄ＝ｄ_ｍａｘ）に達するまで圧入深さと共に指数関数的に増大し、従ってさらに圧入するためのエネルギーはもはやなく、その後圧入力は急速にゼロに降下し、そして図２ｂに見られるように、穿孔バイトは岩盤の弾性及び／又は反射によって僅かに後方へ動かされる。

衝撃波曲線から圧入曲線を引くことにより簡単な仕方で反射波の曲線が得られ得る。図２ｃには、公知の技術による装置の場合の反射波曲線を示している。穿孔バイトの圧入力が衝撃の瞬時にはゼロ又は本質的にゼロであるので、この瞬時における反射波の振幅は原則として衝撃波の振幅に相応している。衝撃波の縁部が図２ａに示すように非常に急である場合には、これは、反射波が非常に高く、従って有害な初期振幅をもつことを意味する。

しかし、図１に示す本発明による制御装置２０によって、これらの有害な反射は相当に低減され得る。急激に行われる圧力の低下の代わりに、図示装置１０の制御装置２０の開放が制御され得、すなわち、制御装置２０は、カウンタ圧力チャンバ１８における圧力の低減を制御できる。制御弁２０の開放を制御することにより、穿孔ストリング及び従って穿孔バイトに誘起した衝撃波の立上り時間を制御することができる。これは、穿孔バイトが岩盤に伝達できる力が穿孔バイトの圧入の深さに応じて変化するので、非常に有利である。図２ｄには、本発明による衝撃波の例を示している。図２ｄに示すように、衝撃波の縁部は図２ａにおける衝撃波と比較して相当に嶮しくなく、このため、図２ｅに示すように、反射波の振幅は公知の技術に比較して相当に低く、従って、削岩装置に有害でない。理想的な場合には、縁部の立上り時間は、穿孔バイトが最大圧入を達成する時間と精確に同じである。この時間は当然、穿孔されることになる岩盤の形態に関連して変化するが、しかし岩盤の形態が既知である場合には、この知識を用いて縁部の立上り時間を選択することができる。制御弁２０の開閉は好ましくは、コンピュータによって制御され、そして操作データの選択は、例えば、作業者が適切なデータを削岩機の制御システムに入れることによって行われ得る。代わりに、削岩機には、穿孔速度を自動的に測定／計算し、そして圧入時間及び従って縁部の立上り時間の所望値をこれらの値に基いて計算する手段が設けられ得る。

図示実施形態では、制御弁２０は、絞り弁として作用でき、そして制御された絞り操作によって開口を直接制御するように構成され得る。図３ａ〜図３ｃに概略的に示す実施形態では、制御弁３０は絞り弁として構成され、主通路３１における開口面積は自由に制御され得る。図３ａには、弁を側部からしかも部分的に開放した状態で示し、主通路３１の左側はカウンタ圧力チャンバ１８に接続され、また主通路３１の右側は容器（図示していない）に接続される。絞りスライド部材３２を制御することにより、必要な開口面積を得ることができ、そしてそれによりカウンタ圧力チャンバ１８における圧力の低減は、流れを調整することにより調整され得る。図３ｂ及び図３ｃは、絞りスライド部材の開口領域をどのように構成できるかを示す例である。図３ｂ及び図３ｃの両方において、主通路３１の領域は円形であり、図３ｂにおいて絞りスライド部材の開口３３も円形であり、また図３ｃでは、絞りスライド部材の開口３４のほぼ半分は円形であり、そしてほぼ半分は三角形である。この構成では、一様な非常に小さい流れの調整を正確に行うことができる。絞りスライド部材の動きを調整することによって、衝撃波の縁部は要求に応じて正確に形成することができる。カウンタ圧力チャンバ１８における特に残留圧力で弁を閉じることによって、衝撃波の長さは、振幅の小さな衝撃波を発生すること（すなわちチャンバ内の圧力を一定のレベル、例えば初期圧力の四分の一又は半分に保つこと）によって制御できる。

図４ａ及び図４ｂに概略的に示す代わりの実施形態では、制御弁４０には、圧力を平滑に調整するために圧力低減ノッチ４１が設けられる。図４ａには、制御弁４０を側部から見て示し、また図４ｂには、ノッチを下から見た図を示している。制御弁４０は、圧力低減チャンバ１８に接続する入口４２及び容器（図示していない）に通じる出口４３を備えている。さらに、弁には、弁４０を開閉する弁スライド部材４５が設けられる。図４ａにおいて、弁は閉じた状態で示され、そして衝撃波を発生するために弁が開かれることになる際には、弁スライド部材４５は図面の右方へ動かされる。弁が位置Ａ（点線で示す）に達すると、カウンタ圧力チャンバ１８内の圧力媒体は、弁ハウジング４６における圧力低減ノッチ４１を介して容器へ解放され始める。図４ｂに見られるように、先ず非常に小さな開口領域が得られ、そして弁スライド部材４５がさらに図面の右方へ動くにつれて大きくなる。従って通路の開放はノッチ４１を用いることによって簡単な仕方で迅速に制御され得る。ノッチの形状を適用することによって、必要な開口を簡単に得ることができる。ノッチはまた、小さな動きで非常に良好な制御を達成できる。スライド部材の動きを調整することによって、衝撃波の縁部を、要求されたように正確に形成することができる。また衝撃波の長さを制御するために、カウンタ圧力チャンバにおける特に残留圧力によって弁を閉じることもできる。

単一圧力低減ノッチ４１を用いる代わりに、当然、幾つかの圧力低減ノッチを用いることも可能である。当業者には認められるように、代わりに、弁スライド部材４５に一つ以上のノッチを設けることができる。さらに別の実施形態として、スライド部材４５及び弁ハウジング４６の両方にノッチを設けることができる。

上記の絞り作用は、エネルギーが絞り作用によって消耗されることを意味しているが、この消耗したエネルギーは殆ど“有害なエネルギー”から成っており、そのために、正確な絞り作用で、削岩装置の性能は単にごく僅かな程度に影響されるか又は全く悪影響を受けない。

図５には、本発明による制御装置５０のさらに別の実施形態を示している。上記のように、カウンタ圧力チャンバは上記した仕方で加圧されるが、しかし圧力の低減は異なった形式の絞り部材によって調整される。カウンタ圧力チャンバ５１は、多数の出口（図示実施形態では五つであるが、この数は当然上方の二つをなしにして変えることができる）５２〜５６を備え、これらの出口の直径は
相対的に小さい。出口５２〜５６の開口は制御でき、それにより圧力の上記低減は適切な出口５２〜５６を開閉することによって調整できる。図示実施形態では、出口の直径は全て同じであるが、当然出口は異なる直径にできる。異なる出口５２〜５６は、本質的に加圧されない容器５７に接続され、そして直径を適当に選択することによって、出口５２〜５６は絞りとして機能し、それにより出口を順次開放するか又は順次開放と並列開放とを組合わせることによって圧力を別個に調整することができる。

図６には、本発明のさらに別の実施形態を示している。

正確には図５の場合のように、カウンタ圧力チャンバ６１には、多数の出口６２〜６４が設けられているが、これらの出口は、非加圧容器に接続される代わりに、それぞれ加圧容器６５〜６７に接続され、各容器６５〜６７は異なる圧力に加圧され、そして全ての圧力は加圧カウンタ圧力チャンバにおける相応した圧力より低くされている。出口６２〜６４を階段状に開放することによって、すなわち先ず最初に出口６２を最高圧力をもつチャンバ６５に開放することによって、ステップ状の衝撃波縁部が得られる。出口及び容器の数並びに出口の直径の選択に関連して、連続して又は実際に連続して立上る縁部を得ることもできる。この解決法では、エネルギーが原則として加圧容器６５〜６７に損失なしに伝達されるので、絞り操作においてエネルギーは熱への変換によって消費されないという利点が得られる。

図７ａ〜図７ｄには、本発明と共に有利に使用できる衝撃発生装置の別の実施形態を示している。

図７ａには、原則としては図１における装置１０と同じ機能をもつ衝撃発生装置７０を示しているが、この場合には、衝撃ピストンの長さがいかに大きく負荷されることになるかを調整することができる。これは、衝撃ピストンにフランジ７１〜７３を設けることによって達成され、衝撃ピストンの長さＬ１〜Ｌ４の選択された長さに負荷するために、フランジ７１〜７３の背後にはクランプ７４〜７６が密封され得る。本発明によってもたらされる調整能力に加えて、この実施形態では、浪費されるエネルギーの部分に影響しない仕方で衝撃波の長さを設定することができる。

図７ｂには、原則としては図１における装置１０と同じ機能をもつ衝撃発生装置８０を示しているが、この場合には、衝撃ピストン８１は圧縮応力ではなく引張応力を受ける。衝撃ピストン８１の動きはフランジ８２で制限され、そしてチャンバ８３の加圧によって負荷される。チャンバ８３は図１のカウンタ圧力チャンバ１８として精確に機能し、またチャンバ内の圧力の低減を調整することによって、衝撃波の形状を上述のように調整できる。

図７ｃには、図１に従って完全に機能する衝撃発生装置９０を示しているが、この場合には、衝撃ピストン９１における圧力領域９２は、衝撃ピストン９１に負荷をかける代わりに、圧縮可能な物質９３を圧縮するのに用いられる。

図７ｄには、図１のものと同様な衝撃発生装置１００を示しているが、この場合には、圧縮可能な物質１０１は、衝撃ピストン１０２が引張応力を受ける代わりに、圧縮される。

上記の装置にはまた、チャンバの加圧が終了した後に、それぞれのカウンタ圧力チャンバの圧力をなお一層増大させる手段が設けられ得る。

これは、例えば、圧力増大ピストンによってカウンタ圧力チャンバの容積を低減することによって達成でき、容積の低減により、カウンタ圧力チャンバにおける圧力は増大する。圧力増大ピストンはまた、図７ｃ及び図７ｄにおける圧縮可能な物質における圧力をさらに一層増大させるのに用いることができる。図７ｃに示す装置において、ネジ装置を用いて、このネジ装置によって圧縮可能な物質によって占められた容積を低減することで圧縮可能な物質の圧力をさらに一層増大することもできる。

カウンタ圧力チャンバにおける圧力をさらに一層増大させるこれらの方法によって、比較的大きな衝撃波振幅を得ることができ、従って、衝撃波の形状の選択の大きな自由度を得ることができるという利点が得られる。

以上、本発明が適用できる適当な衝撃発生装置の多数の例について説明してきたが、しかし当業者には認められるように、本発明は当然、一つ（又はそれ以上）のカウンタ圧力チャンバにおける圧力の低減を用いて衝撃波を発生する任意の衝撃発生装置で用いられ得る。

上記の記載では単に衝撃穿孔について説明してきた。しかし、衝撃穿孔は当然、穿孔要素の穿孔バイトが各行程において新たな岩盤に遭遇する（すなわち前の衝撃で形成された孔において接触しない）穿孔を達成するために通常の仕方で穿孔ストリングの回転と組合せられ得る。これは穿孔の効率を高める。

本発明の好ましい実施形態による衝撃発生装置用の制御装置を示す概略断面図。 衝撃波及び反射波の波形の一例を示すグラフ。 衝撃波及び反射波の波形の別の例を示すグラフ。 衝撃波及び反射波の波形の別の例を示すグラフ。 衝撃波及び反射波の波形の別の例を示すグラフ。 本発明による制御装置の例を示す概略図。 本発明による制御装置の例を示す概略図。 本発明による制御装置の例を示す概略図。 本発明による制御装置の別の例を示す概略図。 本発明による制御装置の別の例を示す概略図。 本発明による制御装置の付加的な例を示す図。 本発明による制御装置のさらに別の例を示す図。 本発明と共に用いることのできる異なる衝撃発生装置の例を示す図。 本発明と共に用いることのできる異なる衝撃発生装置の例を示す図。 本発明と共に用いることのできる異なる衝撃発生装置の例を示す図。 本発明と共に用いることのできる異なる衝撃発生装置の例を示す図。

Claims (16)

1. ツールに衝撃波を誘起する衝撃発生装置用制御装置であって、上記衝撃発生装置が、ツールに衝撃波を伝達する衝撃要素と、衝撃要素に作用するカウンタ圧力チャンバと、カウンタ圧力チャンバにおける圧力を低減する装置とを有する制御装置において、
   上記カウンタ圧力チャンバにおける圧力の低減を調整する制御手段を有すること
   を特徴とする制御装置。
2. 圧力を低減する装置が、上記カウンタ圧力チャンバに接続する制御弁を備え、制御弁が、動作中カウンタ圧力チャンバに収容された圧力媒体の解放によって圧力の上記低減を制御する少なくとも一つの開口を備えていることを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
3. 上記制御手段が、制御弁の開口を制御することによって圧力の上記低減を制御する手段を備えていることを特徴とする請求項２に記載の制御装置。
4. 上記手段が制御弁の開口面積の制御手段を備えていることを特徴とする請求項３に記載の制御装置。
5. 制御弁が、多数の開口を備えていることを特徴とする請求項２〜請求項４のいずれか一項に記載の制御装置。
6. 上記圧力チャンバが多数の出口を備え、上記出口が制御された仕方で開放でき、圧力の上記低減が適当な出口を開閉することによって調整できることを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
7. 上記出口が異なる直径をもつことを特徴とする請求項６に記載の制御装置。
8. 上記出口が、一つ以上の流路を介して一つ以上の容器に接続され、上記容器が動作中に異なる圧力に加圧されることができ、それによりカウンタ圧力チャンバにおける圧力のステップ状及び／又は連続した低減が上記出口を開放することにより得ることができることを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の制御装置。
9. 上記流路の長さが調整できることを特徴とする請求項８に記載の制御装置。
10. カウンタ圧力チャンバに接続するようにされた絞り弁の調整によって圧力の上記低減を制御する手段を有することを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
11. ツールに衝撃波を誘起する衝撃発生装置であって、上記衝撃発生装置が上記衝撃波を上記ツールに伝達する衝撃要素を備え、上記衝撃波が衝撃要素に作用するカウンタ圧力チャンバの圧力を低減することによって放出される衝撃発生装置において、
    請求項１〜請求項１０のいずれか一項に記載の制御装置を有すること
    を特徴とする衝撃発生装置。
12. さらに、衝撃要素を負荷状態にする手段を有し、カウンタ圧力チャンバの圧力の低減が負荷状態から衝撃要素を開放し、衝撃要素に蓄えられる位置エネルギーがツールに向う方向に衝撃波の形態で放出されることを特徴とする請求項１１に記載の衝撃発生装置。
13. 衝撃要素を負荷状態にする上記手段が、加圧できる圧力チャンバから成ることを特徴とする請求項１２に記載の衝撃発生装置。
14. 上記圧力チャンバが上記カウンタ圧力チャンバから成ることを特徴とする請求項１２に記載の衝撃発生装置。
15. 請求項１〜請求項１０のいずれか一項に記載の制御装置を有することを特徴とする掘削装置。
16. ツールに衝撃波を誘起する衝撃発生装置用の方法であって、上記衝撃発生装置が、上記ツールに上記衝撃波を伝達する衝撃要素と、衝撃要素に作用するカウンタ圧力チャンバと、カウンタ圧力チャンバにおける圧力を低減する装置とを有する方法において、
    上記カウンタ圧力チャンバにおける圧力の低減を調整すること
    を特徴とする方法。

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