SE509682C2 - Cykliskt och hydrauliskt påverkningsdon - Google Patents

Description

5Û9 682 2 I en tidig form av påverkníngsdon försett med tallriksventiler enligt de som beskrivs i U.S. patent 4,450,92O har föreslagits att drivkarnrnartrycksfallet härrörande fiån stängningen av inloppsventilen under en cykel användes för att öppna en förspänd utloppsventil. Dessutom har det föreslagits att vätskeflödet in i drivkarnmaren vid öppning av inloppsventilen används s för att stänga utloppsventilen. Detta arrangemang slösar i praktiken med hö gtrycksmatriingsvätskan och lider ofta av allvarlig kavitation och erosion över ytan av utloppsventilen.

Ett förbättrat påverkníngsdon är beslcrivet i det sydafrikanska patentet, nr. 84/9716, vilket använder tillbakarörelsen hos kolven, i syrmerhet en växelverkningsyta på kolven, för att öppna inloppsventilen och därtill placera en del av utloppsventilen mellan kolvens växelverkningssyta och inloppsventilen på ett sådant sätt att stängning av utloppsventilen före öppningen av inloppsventilen garanteras. På detta sätt övervinnes slösandet med förlus- ten av matningsvätskan, som är karakteristiskt för det amerikanska patentet. Utloppsventilen :is hos påverlcningsdonet som beslcrives i beskrivningen öppnas mekaniskt genom att använda ett dödgångsarrangemang, vilket förkortar utloppsventilens slag till endast marginellt kortare än kolvens. I praktiken har problem med påverkningsdonet som beskrivits i det sydafrikanska patent genom att utloppsventilslaget är huvudsakligen anslutet till kolvslaget och som följd reser ventilen vid öppningen med mycket höga hastigheter och förstörs oftast mekaniskt som följd. Dessutom orsakar utloppsventilens kinetiska energiförlust mot inloppsventilen icke önskvärd studs av inloppsventilen från sitt säte och följaktligen dålig verkningsgrad.

KORT BESKRIVNING AV UPPFINNINGEN Ett cykliskt, hydrauliskt påverkníngsdon i enlighet med uppfinningen kännetecknas av att: den första kammaren är delad i två delar, varvid en första del utgör en matningskarnrnare in i vilken inloppsventilen öppnas och den andra delen är placerad på motsatta sidan av den andra kammaren och utgör en returkarrnnare, och att kolven är väsentligen anordnad i all kamrama och rör sig fiam- och åter i dessa med den första fi-ilagda kolvyta, som är belägen i returkarnmaren för att åstadkomma returkolvyta och den andra kolvytan i den andra kammaren för att åstadkomma drivkolvyta. Û 9 6 8 2 3 I en föredragen utföringsfonn av uppfinningen är inlopps- och utloppsventilema, karnrarna och de fiilagda kolvytorna så anordnade att under cyklisk drift av påverkriingsdonet, när inloppsventilen är stängd och utloppsventilen öppen, accelereras kolven i en riktning, och när inloppsventilen är öppen och utloppsventilen är stängd accelereras kolven i motsatt riktning.

Dessutom innefattar påverkningsdonet organ på kolven för öppning av inloppsventilen efter stängning av utloppsventilen, organ för stängning av inloppsventilen oberoende av utloppsventilen, och organ för spänning av utloppsventilen från ett läge i vilket det stänger utloppskanalen till ett läge i vilket utloppskanalen är åtminstone delvis öppen när irrloppsventilen är stängd oavsett kolvens läge i sin första accelerationsrikming.

Dessutom är utloppsventilen, i enlighet med uppñnningen, i form av en hylsa, som koaxiellt omsluter och är åtskild från kolven i den andra kammaren. Företrädesvis ökas en del av längden av väggen hos den andra kammaren mot sin inloppsventilsände stegvis radiellt utåt mellan sina ändar och den yttre ytan av utloppsventilen ökas stegvis utåt på samma sätt med innerdiametem av ventilen mindre än arean för drivkolven av kolven och dess yttre diameter, vilken är större än arean för drivkolven. Avsatsen på den yttre ytan av utloppsventilen kan vara öppen för en vätskekanal i huset med sin andra ände kontinuerligt öppen för vätska hydrauliskt vid rnatningstryck för att förskjuta utloppsventilen mot inloppsventilen.

Alternativt kan utloppsventilen vara förspänd mot inloppsventilen genom en fjäder, som vilar mot utloppsventilavsatsen i huset.

Lärnpligen omsluter inloppsventilen kolven och är glidbar på densamma.

Dessutom är förspänningsorganet för inloppsventilen, enligt med uppfinningen en upptagningsdel, som omsluter och är fritt glidande förskjutbar på kolven i matnings- kammaren över en avsats i kolven med avsatsen så placerad på kolven att vid returslag hos kolven kommer den att tvinga upptagningsdelen bort fiån inloppsventilen, och i det förutbe- stämda läget av kolven vid sitt drivslag kommer den att hydrauliskt förskjutas på inloppsventilen för att stänga ventilen innan kolven när gränsen för sitt drivslag så att fortsatt íörflyttriing av kolven efier stängning av inloppsventilen orsakar ett vätsketryckfall i den andra kammaren för att betinga utloppsventilen att åtminstone delvis öppnas under sin -H-r-v. 682 (Il CD \_c\ förskjutning.

I ett utförande av uppfinningen kan utloppsöppningen i den andra kammaren befinna sig i kolven och kolven kan då omfatta en vätskekanal, som sträcker sig mellan öppningen och drivänden av kolven.

En fördel med denna uppfinning är att utloppsöppningen är delvis öppnad genom utloppsventilíörspänningen från sitt läge genom tryckfallet i drivkarnmaren orsakat av den fortsatta rörelsen av kolven till höger i ritningen när inloppsventilen har satt sig. Därmed öppnas utloppsventilen under eller före början av returslaget och förflyttning av utloppsventilen är liten. Resultatet är att den nominella rörelsen av utloppsventildelen blir oberoende av kolven for större delen av kolvreturslaget med ventilslaget, som är typiskt 10% eller mindre av kolvslaget för att minimera svårigheterna som nämndes ovan i samband med känd teknik.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA Uppfinningen beskrivs nu genom exempel med hänvisning till ritningarna, på vilka: Figur 1 visar en tvärsnittsvy från sidan av en bergborr med sin kolv i början av dess returslag, Figur 2 visar en vy från änden av utloppsventilen hos borren i figur l.

Figur 3 visar ett tvärsnitt från sidan av borren, enligt figur 1, med dess kolv vid inledningen av sitt drivslag, Figur 4 visar borren, enligt figur 1 och 2, med kolven i närheten av slutet av sitt drivslag, Figur 5 visar ett tvärsnitt från sidan av ett uttöringsexempel av borrmaskinen enligt figurerna l till 4, Figur 6 visar ett tvärsnitt fiån sidan av en dubbelverkande bergboir, och Figur 7 är en version med dubbla kammare av borrmaskinen enlig figurerna 1 till 4.

DETALIERAD BESKRIVNING AV UTF ÖRINGSFORMERN A 0 9 6 8 2 s Utforingsfonnen enligt Figur 1 av bergborren enligt uppfinningen visas i figurema 1 till 4, omfattande ett hus 10, en kolv 12 och en ventilanordning hänvisad med 14.

Huset 10 omfattar en matningskamrnare 16, en returkarnmare 18, en drivkarnmare 20, en inloppsöppning 22 in i matningskamrnaren, en vätskekanal 24 som sträckande sig mellan inloppsöppningen 22 och returkarrtrnaren 18, en vätskekanal 26 från kanalen 24 mot drivkammaren, en ringforrnig utloppsöppning 28 i drivkammaren och en vätskekanal 30, som förbinder utloppsöppningen 28 till omgivningen på utsidan av huset.

Kolven 12 omfattar fyra delar 32, 34, 36 och 38, vilka minskar stegvis i diameter fiån delen 32 till delen 38 såsom visas i ritningen. Avsatsdelama av kolven förser områden eller hydrauliskt fiilagda kolvareoma 40, 42 och 44 på kolven. Kolvdelen 38 omfattar en vätske- kanal 46, vilken sträcker sig från den yttre ytan av kolven närliggande området 44 till den fria änden av kolven, såsom visas på ritningen.

Ventilanordningen 14 omfattar en utloppsventildel 48, en inloppsventil 50 och en upptagningsdel 52 for inloppsventilen 50.

Ventilanordningen 14 är associerad med en husinsats 51, som är fäst mot husväggen på något lämpligt sätt. Syfiet med insatsen är att underlätta sanunansättningen och underhållet av borrmaskinen men nödvändigtvis behöver inte vara en separat komponent och kan lika väl vara integrerad i resten av huset.

Utloppsventíldelen 48 är ringforrnig med sin inre yta radialt åtskild från den yttre ytan av kolvdelen 36. Den yttre ytan av vcntildelen är försedd med avsats till en komplementär avsats i kammaren 20, som visas på ritningen, för att åstadkomma ett hydrauliskt frilagt område på utloppsdelen, som är i permanent kontakt med vätsketilltöringskanalen 26. Den främre änden av utloppsventilen vilar vid sin rörelsebegränsning till höger på ritningen på insatsen 51 mot en del med reducerad diameter av insatsen for att stänga utloppsöppningen 28. Den bakre ytan av utloppsventilen till vänster i ritningen uppbär ett vätskekanalspår 53 som framgår av figur 2. 509 682 6 inloppsventilen är glidbar på delen 36 av kolven på en tätningslagring, som visas i ritningen och omfattar ett huvud vilket vilar på den bakre ytan av insatsen 51, for att stänga kammaren för vätska vid matningstryck i kammaren 16, och en upphöjning, som är åtskild fiån den inre ytan av insatsen.

Upptagníngsdelen 52 är glidbar på kolvdelama 36 och 38 på ett tätningslager som visas i ritningen. Upptagningsdelen omfattar ett ringformigt spår vilket definierar en kammare 54 i delen, som på grund av cykliska driften av borrmaskinen år öppen mot omgivningen genom kanalen 46 i kolven. Den frärnre ytan av upptagningsdelen uppbär vätskekanalspår 53 lilcnande de i den bakre ytan av utloppsventilen.

Kolven styrs for fram och återgående rörelse i huset i tätningslager 58 och utloppsventildelen 48 styr på samma sätt i tätningslagret i insatsen 51, som är skilda fiån varandra i den axiella riktningen av kolven på vardera sida av avsatsen i den yttre ytan av ventildelen.

Fastän endast stommen av bergborren är visad på ritningen, så innefattar den i praktiken ett frarnparti, vilket uppbär en konventionell chuck och rotor för borrstålet 56.

Vid användning anslutes en hydraulvätskeledning till öppningen 22 på konventionellt sätt och typiskt gruvskärvatten vid ett tryck av mellan 10 och 20 MPA matas till öppningen 22 för att fylla mamingskammaren 16, vätskekanalema 26 och 24 och returkarnrnaren 18 med vattnet vid matningstryck. Vattentrycket påverkar ytorna av kolvområdena 40 och 44 med ett nettoresultat, som fórspärmer kolven bakåt genom trycket som verkar på området 40, vilket är avsevärt större ån det som verkar på ett område som är lika stort som området 44.

Inloppsventilen är starkt hydrauliskt forspånd på sitt säte på insatsen och upptagningsdelen är törspänd på den bakre ytan av huvudet av inloppsventilen, såsom visas på ritningen. Det trycksatta vattnet i vätskekanalen 26 verkar på det yttre området av utloppsventildelen 48 for att förspänna ventildelen lätt mot frontytan av inloppsventilen 50 och från sitt säte på insat- sen 51 för att delvis öppna utloppsöppningen 28.

Den cykliska drifien hos borrmaskinen kommer nu att beskrivas varvid antas att 509 682 7 borrmaskinen är i drifi och börj ar med att inleda ett returslag från läget visat i figur l. I läget enligt figur 1 har kolvens slagände träffat den bakre änden av borrstålet 56 och studsat fi-ån stålet med en återstudshastighet till vänster i ritningen för att börja returslaget. I början av returslaget drivs kolven bakåt med återstudshastigheten som nämndes ovan och vattentrycket verkar på området 40. När området 42 av kolven rör sig bakåt i kammaren 20 blåses vatten i kammaren 20 fiån den delvis öppna utloppsöppningen 28 och vätskekanalen 30 från huset.

När kolven har iörflyttat sig bakåt en kort bit, vilken skiljer den bakre ytan av kammaren 54 i upptagníngsdelen 52 från området 44 på kolven gör området 44 ingrepp med upptagningsdelen, vilken då tvingas med kolven mot vänster i figuren bort från inloppsventilen 50. I detta steg är det enda motståndet, annat än friktion, mot bakåtrörelsen för kolven i huset den lilla returkarrrrnarförspämringen som åstadkommes genom vattentrycket, som verkar på upptagningsdelen över ett område som är lika stor som området 44 på kolven. Returslaget hos kolven fortsätter till området 42 på kolven träffar den frärnre ytan av utloppsventildelen för att fórflytta utloppsventilen till vänster i ritningen med den frärnre delen 32 av kolven varvid utloppsöppningen stänger. Kraften fiån stöten från kolvom- rådet 42 på utloppsventilen överföres genom ventilen till inloppsventilen för att slå inloppsventilen till vänster på ritningen från sitt säte på insatsen 51, nästan till läget visat i figur 3 var den är inte påverkas hydrauliskt. När inloppsventilen lämnar sitt säte träder trycksatt vatten från matningskamrnare in i drivkammaren 20. Matningsvattnet kopplar hydrauliskt utloppsventilen till kolven över deras kontaktytor. Spåren i kontaktytoma av inlopps- och utloppsventilema garanterar att dessa två komponenter inte är hydrauliskt anslutna. Den bakre ytan av utloppsventilen, ökar på grund av sin större ytterdiarneter än den hos kolvdelens 32 verksamma yta på kolvområdet 42 och därvid krañen, som påfóres genom vattnet vid matningstyck på kolven. Drivkrafien, som därvid alstras tillsammans med det låga trycket, som verkar på upptagningsdelen 52 minskar kolvens hastigheten snabbt och reverserar sin rörelseriktning till sitt drivslag. Figur 3 illustrerar ventilkomponenterna vid detta gränsläge för returkolvslaget i kolvcykeln. Kolven och utloppsventilen förbli hydrauliskt kopplade i kolvens slag framåt tills utloppsventilen stänger utloppsöppningen och vilar på sitt säte på insatsen 51. Här kopplas kolven från utloppsventilen och fortsätter med sitt drivslag, som påverkas i frarnriktningen genom skillnaden i ytoma hos områdena 42 och 44 på kolven och beroende på sin kinetiska energi.

O 9 6 8 2 a Vid någon punkt under drivslaget kontaktar upptagningsdelen 52, vilken är hydrauliskt törspänd på kolvområdet 44 inloppsventilen 50 och driver inloppsventilen till höger fiån läget i figur 3 tills den kontaktar sätet på insatsen 51 för att stänga ventilen. Vid detta ögonblick av drivslaget har kolven sin maximala hastighet i cykeln med sin slagände ett kort avstånd från borrstålet som visas i ñgur 4.

Stängningen av inloppsventilen 50 isolerar drivkamrnaren 20 från vattenmatníngstrycket medan kolven ännu rör sig framåt och detta resulterar i ett tryckfall i drivkamrnaren, vilket bryter den hydrauliska kopplingen av utloppsventilen till sitt säte på insatsen 51 för att möjliggöra vattentrycksiörspänníngen som verkar på dess yttre ytornråde för att förflytta ut- loppsventilen bakåt för att understödja fiärnre ytan av inloppsventilen och för att delvis öppna utloppsventilen som visas i figur 1. När inloppsventilen och upptagningsdelen är på plats verkar det kraft som verkar på områdena 40 och 44 av kolven för att minska hastigheten hos kolven men denna hastighetsreduktion har vid detta steg liten verkan på kolvhastigheten och kolven överbryggar snabbt avståndet och träffar borrstålet. Returslaget börjar sedan igen, som beskrevs ovan. Ett kritiskt särdrag hos denna uppfinning är att utloppsöppningen 28 är delvis öppnad genom utloppsventilförspänningen från sitt läge i figur 4 till sitt läge i figur l genom tryckfallet i drivkamrnaren orsakat av den fortsatta rörelsen av kolven till höger i ritningen när inloppsventilen har satt sig. Detta betyder a att utloppsventilen 48 öppnas under eller före början av returslaget och att förflyttningen av utloppsventilen är ringa. Detta arrangemang resulterar i att den nominella rörelsen av utloppsventildelen 48 är oberoende av kolven för större delen av kolvreturslaget med ventilslaget.

Uppfinningen är inte begränsad till de exakta detaljema som häri har beskrivits. Exempelvis skulle upptagningsdelen 52 kunna ersättas av något passande förspänningsairangemang, såsom en fiäder, vilken verkar mellan någon formation på huset och inloppsventilen.

Dessutom, såsom visas i figur 5, kan utloppsventilen 48 vara uppburen av kolven genom en inåtriktad formation, som är växelverkande i ett spår i kolven mellan ett mellanliggande område 62 och en fläns 60 på kolven. Utloppsventilen är förspänd till läget, som visas i ñgur vid matningsvattentrycket, vilket träder in i utrymmet mellan kolven och ytan av ventildelen genom en vätskekanal 64 i kolven. I denna utföringsfonn av uppfinningen går ut- - “var-mm 509 682 9 loppsöppningen inte genom huset utan genom kolven, som visas på ritningen. Utloppsvattnet matas sedan genom borrstålet för hålspolning och bortträngriing av damm. I en annan utformning av borrmaskinen, visad i figur 6, har man visat att det är möjligt att ha en borrmaskin enligt uppfinningen, vilken har fyra hydrauliska kamrar: två matningskanirnare 16, en drivkamrnare och en returkarnmare mellan matningskarrirarna. Detta åstadkommes genom att ha två backventiler 14, vilka annars är identiska med de som har beskrivits med hänvisning till figur 1. Ventilanordningen till vänster i ritningen styr drivslaget medan den till höger styr reuturslaget hos kolven. Den resulterande borren har således två karnrar vid matningstryck och två kamrat med cykliskt fluktuerande tryck. De olika diametraina av kolven är beräknade att ge maskinen de önskade egenskaperna. I stället för en huvudsakligen stadig kolvlcrafi, vilken åstadkommes genom en fluktuerande drivkraft som i uttöringsforrnerna beskrivna ovan har detta arrangemang två omväxlande fluktuerande krafier. Fördelama med detta arrangemang är att vätskabehovet är mindre toppat än det hos tidigare beskrivna utfóringsforrner med de enda nackdelarna att maskinen har blivit mekaniskt mer komplicerad. l en ytterligare variation av uppfinningen som visas i figur 7, är det inte nödvändigt att ha matnings- och returkamrnare 16 och 18 som separata kammare i borrmaskinshuset. Även om ritningen ser mycket armorlunda ut än den enligt figur 1 är grunddragen hos funktionen hos de två maskinema densamma. I maskiner med två karnrar är matriings-/remrkanunaren l6/l 8 öppen konstant för vatten vid matningstryck medan drivkamrnaren är omväxlande påverkas av matnings- och utloppstrycket på det sätt som beskrevs med hänvisning till figur 1.

Claims (10)

1. 0 15 20 25 30 509 682 10 PATENTKRAV '-4 . Cykliskt hydrauliskt påverlcningsdon omfattande: ett hus (10), - åtminstone en första (16, 18) och andra kammare (20) i huset (10), - en vätskekanal (22, 24) mellan den första kammaren (16, 18) och husets (10) utsida för matning av en vätska till kammaren (16, 18) under drifi av påverkningsdonet, - en vätskekanal (30) mellan den andra kammaren (20) och utsidan av huset för uttömning av vätska från den andra kammaren (20) under drift av påverkningsdonet, - en kolv (12) anordnad att förflyttas fram och tillbaka på en axel i åtminstone den första (l6,18) och andra (20) kammaren och omfattande åtminstone en första och en andra fi-ilagd kolvyta (40, 42), - en inloppsventil (50) för öppning och stängning av den andra kammaren (20) mot den första kammaren (16, 18) för vätska vid matningslryck, och - en utloppsventil (48) för öppning och stängning av utloppskanalen (30), känneteclmat därav, att den första kammaren (16, 18) är delad i två delar, varvid en forsta del utgör en mat- ningskamrnare (16) in i vilken inloppsventilen (50) öppnas och den andra delen är placerad på motsatta sidan av den andra kammaren (20) och utgör en returkamrnare (18), och att kolven (12) är delvis anordnad i alla karnrarna (16, 18 och 20) och rör sig fram- och åter i dessa med den första fiilagda kolvytan (40), som är belägen i returkarnrnaren (18) för att åstadkomma returkolvyta och den andra kolvytan (42) i den andra kammaren för att åstadkomma drivkolvyta (42).

2. Påverkningsdon enligt krav 1, kännetecknar därav, att inlopps- (50) och utloppsventilerna (48), karnrarna (16, 18 och 20) och de frilagda kolvytoma (40, 42) är så anordnade att under cyklisk drift av påverkningsdonet, när inloppsventilen (50) är stängd och utloppsventilen (48) öppen, accelereras kolven (12) i en riktning, och när inloppsventilen (5 0) är öppen och utloppsventilen (48) är stängd accelereras kolven (12) i motsatt riktning. 10 15 20 25 30 509 682 ll

3. Påverkningsdon enligt krav 1, kännetecknar därav, att det innefattar organ (42) på kolven för öppning av inloppsventilen efier stängning av utloppsventilen, organ (52) för stängning av inloppsventilen oberoende av utloppsventilen (48), och organ (26) för spänning av utloppsventilen (48) fiån ett läge i vilket det stänger utloppskanalen (30) till ett läge i vilket utloppskanalen (30) är åtminstone delvis öppen när inloppsventilen (50) är stängd oavsett kolvens läge i sin första accelerationsriktning.

4. Påverkningsdon enligt något av kraven 1 eller 3 kännetecknat därav, att utloppsventilen (48) är anordnad som en hylsa, vilken koaxiellt omsluter kolven och är skild från kolven (12) i den andra kammaren (20).

5. Påverkningsdon enligt krav 4, känneteclmat därav, att en del av en vägg av den andra kammaren (20) är mot en ände av sin inloppsventil (5 O) försedd med radialt utåt sträckta avsatser mellan sina ändar och den yttre ytan av utloppsventilen (48) är på samma sätt försedd med utåt sträckta avsatser och att en inre diameter av ventilen (48) är mindre än drivkolvytan av kolven (12) och att dess yttre diameter är större än drivkolvytan (42).

6. Påverkningsdon enligt krav 5, kännetecknar därav, att avsatsen i den yttre ytan av utloppsventilen (48) är öppen mot en vätskekanal (26) i huset (10) med sin andra ände kontinuerligt hydrauliskt öppen för en vätska vid matningstryck för att förspänna utloppsventilen (48) mot inloppsventilen (50).

7. Påverkningsdon enligt något av kraven 4 till 6, kännetecknad därav, att inloppsventi1en(50) omsluter kolven (12) och är glidande törskjutbar på densamma. 10 15 20 509 682 1.2

8. Påverkningsdon enligt krav 7, kännetecknar därav, att törspänningsorganet för inloppsventilen (50) är en upptagningsdel (52), vilken omsluter och är fritt glidbar på kolven (12) i matriingskairirnaren (16) över en avsats (44) i kolven (12) med avsatsen (44) så placerad på kolven (12) att vid returslag av kolven (12) tvingar den upptagningsdelen (52) bort från inloppsventilen (50) och i ett törutbestämt läge av kolven (12) kommer den vid sitt drivslag att hydrauliskt fórspännas på inloppsventilen (50) för att stänga ventilen (50) innan kolven (12) når gränsen för sitt drivslag, så att fortsatt rörelse av kolven (12) efier stängning av inloppsventilen (50) medför ett vätsketryckfall i den andra kammaren (20) för att åtminstone delvis öppna utloppsventilen (48) under sin forspänriing.

9. Påverkningsdon enligt något av föregående patentkrav, kännetecknar därav, att kolven (12) är i den andra kammaren (20) anordnad med en utloppsöppning (28) och att kolven (12) omfattar en vätskekanal (30), som sträcker sig mellan öppningen (28) och drivänden av kolven (12).

10. Påverkningsdon enligt något av kraven 1 till 9, kännetecknar därav, att vätskematníngskanalen (22) är kontinuerligt öppen in i matningskarnmaren (16) under drifi av påverkningsdonet och en vätskekanal (24) genom huset (10) från vätskematningskanalen (22) är ständigt öppen in i returkammare (18).