本发明的一个目的是提供一种新颖的并且改进的用于控制钻岩机 的撞击设备的方法和软件产品以及撞击设备。
本发明的方法的特征在于：将所述撞击设备的冲击频率设置为与 应力波的传播时间成比例，应力波的传播时间取决于所使用的工具的 长度和在该工具材料中波的传播速度；当来自以前的压缩应力波中的 一个的反射波到达该工具的第一端时，利用撞击设备对该工具产生新 的压缩应力；以及合计该新的压缩应力波和反射波，以便产生在该工 具中以该波的传播速度向该工具的第二端传播的合计波。
本发明的软件产品的特征在于该软件产品的执行被布置为将撞击 设备的冲击频率设置为与应力波的传播时间成比例。
本发明的撞击设备的特征在于控制单元被布置为将冲击频率设置 为与应力波的传播时间成比例，该应力波的传播时间取决于使用工具 的长度和在工具材料中波的传播速度。
本发明的第二撞击设备的特征在于该撞击设备包括用于无级地并 且分别地控制冲击频率和冲击能量的装置，并且该撞击设备的冲击频 率被布置为与应力波的传播时间成比例，而该应力波的传播时间取决 于使用工具的长度和在工具材料中波的传播速度。
本发明的基本思想是，撞击设备的冲击频率以这样一种方式布置， 使得每次在该工具中产生新的压缩应力波，则来自较早压缩应力波的 反射波就应当位于该工具的撞击设备上。调整该冲击频率必须使得与 该应力波的传播时间成比例。所用工具的长度和在工具材料中该应力 波的传播速度影响该应力波的传播时间。
本发明提供了这样的优点：在反射波中的能量现在能更好地用在 钻孔中。当反射波已经到达该工具的撞击设备端时，反射波中的拉伸 应力分量作为压缩应力波向该钻头反射回来。利用该撞击设备产生的 新的主(primary)压缩应力波被合计到这个反射的压缩应力波，由此 由被反射的和主压缩应力波形成的合计波比只利用该撞击设备产生的 压缩应力波具有更高的能含量(energy content)。此外，本发明的解决 方案确保了在钻头和岩石之间总是有良好接触。这是由于只有压缩应 力波向该工具的钻头传播的事实。当在该工具的第一端上由该撞击设 备产生的新的压缩应力波被合计到被反射的应力波时，合计波总是压 缩应力波。因此，没有拉伸应力波向该工具的钻头传播，而拉伸应力 波可能减弱钻头和岩石之间的接触。还有，当应用本发明的解决方案 时，进给力(feed force)可以比以前的更低，因为在不必需利用高进 给力来补偿拉伸应力波的作用的情况下，也能保持该钻头和岩石之间 的良好接触。
本发明的实施例的基本思想是，通过细调冲击频率，使得在工具 中从撞击设备向钻头传播的合计波的形状成为所希望的。该细调影响 从工具的第一端反射的压缩应力波和利用撞击设备产生的主压缩应力 波的合计，并且因此也影响合计波的形状。通过将冲击频率设置为高 于基于钻孔设备的长度定义的设置，获得渐进(progressive)的合计波。 通过使得冲击频率较低，又因此可以加长该合计波，在实际中这加长 了压缩应力的作用时间。自然地还可以通过足够地增加冲击频率来加 长合计波，从而将反射波附加到产生的主压缩应力波的尾部。
本发明的实施例的基本思想是在延长杆钻孔(extension rod drilling)中，将撞击设备的冲击频率设置为相应于应力波在一个延长 杆内的传播时间。从工具的一端向着撞击设备传播的反射波与从相反 方向传播的主压缩应力波基本同时地传播到延长杆之间的连接点。当 基本同时地到达连接点时，将压缩应力波和反射波相加，从而抵消反 射波内的拉伸应力分量，并且因此没有拉伸应力被引导到该连接。以 这种方法，可以提高延长杆之间的连接的耐久性。
本发明的实施例的基本思想是将新的主压缩应力波与已经从该工 具的一端向另一端传播了几次的由以前的压缩应力波即反射波所产生 的多个反射波相加。这个实施例可以专门用在使用短工具的时候。
本发明的实施例的基本思想是该撞击设备包括用于存储在反射波 内的压缩应力分量中的能量并且用于在形成新的冲击脉冲过程中使用 该能量的装置。在包括往复撞击活塞的撞击设备中，被反射的压缩应 力分量中的能量可以在撞击活塞在返回的方向上移动的时候使用。被 反射的压缩应力分量可以提供撞击活塞返回移动的初始速度。在返回 移动结束时，撞击活塞的动能可以被存储在压力贮存器中，并且被用 在新的撞击移动过程中。还已知这样的撞击设备，其中压缩应力波直 接从液压能量产生，而不使用撞击活塞。在这种类型的撞击设备中， 当冲击频率如本发明中所述设置时，冲击脉冲可以由较低输入能量来 产生。
本发明的实施例的基本思想是撞击设备可以无级并且分别地调整 冲击频率和冲击能量。例如，在直接从液压能量而不使用撞击活塞产 生压缩应力波的撞击设备中，可以通过调整控制阀的旋转速度或操作 频率来调整冲击频率。在这种类型的撞击设备中，可以通过调整液压 的大小来调整冲击能量。在电子撞击设备中，例如，可以通过例如调 整交流电的频率来调整冲击频率，并且可以通过改变所使用的电压来 调整冲击能量。
本发明的实施例的基本思想是使用至少100Hz的冲击频率。
本发明的实施例的基本思想是使用至少200Hz的冲击频率。在实 际操作中，证明高于200Hz的冲击频率是有利的。
附图说明
在附图中将更详细地描述本发明，其中
图1是钻岩车的示意性侧视图；
图2a是在钻孔状态中的钻岩机和连接到其上的工具的示意性侧视 图；
图2b是工具的第一端即撞击设备端和反射应力波的传播的示意 图；
图2c和2d是特殊钻孔状态和从工具的最远端即第二端回来的应 力波的反射的示意图；
图2e是一些合计波形状的示意视图，通过细调冲击频率来影响该 合计波的产生；
图3到6是主压缩应力波和从工具的最远端反射的波在包含若干 延长杆的工具内的传播的不同时间的示意视图；
图7是本发明的撞击设备和其操作控制的示意截面图；
图8是本发明的第二撞击设备和其操作控制的示意截面图；
图9是本发明的第三撞击设备和其操作控制的示意截面图；和
图10是具有用于不同长度的工具的一些冲击频率设置和冲击频率 设置倍数(multiple)的表。
在附图中，为了清楚起见简化地示出了本发明。在附图中类似的 部分以相同的参考号标记。

图1中示出的钻岩车1包括承载车2和至少一个进给梁3，在进给 梁3上布置有可移动的钻岩机4。利用进给设备5，钻岩机4可以被推 向要钻的岩石，并且相应地从其上离开。进给设备5可以具有一个或 多个液压缸，例如，其可以布置为借助于适当的能量传送部件来移动 钻岩机4。进给梁3典型地布置到可以相对于承载车2移动的悬臂6上。 钻岩机4包括用于对连接到钻岩机4的工具8提供冲击脉冲的撞击设 备7。工具8可以包括一个或多个钻杆和钻头10。钻岩机4还可以包 括用于绕着工具8的纵轴旋转工具8的旋转设备11。在钻孔的过程中， 可以利用撞击设备7给工具8提供冲击脉冲，同时该工具8利用旋转 设备11旋转。另外，在钻孔过程中，钻岩机4可以被推动紧靠岩石， 从而钻头10可以钻破岩石。可以通过一个或多个控制单元12来控制 钻岩。控制单元12可以包括计算机等。控制单元12可以对控制钻岩 机4和进给设备5的操作的激励器给出控制命令，该激励器例如控制 压力介质的阀。钻岩机4的撞击设备7、旋转设备11和进给设备5可 以是操作压力介质(pressure-medium-operated)的或电子激励器。
图2a示出了具有连接到其钻柄13的工具8的钻岩机4。钻岩机4 的撞击设备7可以包括撞击元件14，诸如布置为可以来回移动的撞击 活塞，其被布置为撞击钻柄13上的撞击面15以产生冲击脉冲，该冲 击脉冲以取决于材料的速度作为压缩压力波通过钻柄13和工具8传播 到钻头10。图2c中示出了钻岩的一个特定情况，其中压缩压力波p不 能使得钻头10穿入岩石16。这可能是由于例如非常硬的岩石材料16’。 在该情况下，原始压力波p作为压缩压力波h从钻头10向撞击设备7 反射回来。图2d中示出了第二个特定情况。其中，钻头10可以自由 地向前移动而没有阻力。例如，当钻入岩石内的空洞时，穿入阻力最 小。然后，原始压缩压力波p作为拉伸反射波从钻头10向撞击设备7 反射回来。在实际钻孔时，如图2a中所示，钻头10遇到阻力，但是由 于压缩压力波p仍然可以向前移动。一个力阻挡钻头10的向前移动， 并且该力的大小取决于钻头10已经穿入岩石16多远：钻头10穿入得 越远，该阻力越大，反之亦然。因此在实际中，从钻头10反射包括拉 伸和压缩反射分量的反射波h。在附图中，以(+)标记拉伸应力，并 且以(-)标记压缩应力。在反射波h中总是首先是拉伸反射分量(+)， 并且其次是压缩应力分量(-)。这是因为在初始压缩应力波p的作用 的初始阶段，钻头10的穿入和穿入阻力是小的，从而形成拉伸反射分 量(+)。因此，初始情况类似于上述的特殊情况，其中钻头10可以 向前移动而没有显著的阻力。然而，在初始压缩应力波p的作用的最 终阶段，钻头10已经较深地穿入岩石16，在该情况下穿入阻力较大， 并且原始压缩应力波p不再能够充分地向前推动钻头10更深入岩石 16。该情况类似于上述的第二种特殊情况，其中，钻头10在岩石16 中的前进被妨碍。因此这产生反射压缩应力波(-)，其紧跟在首先从 钻头10反射的拉伸应力波(+)之后。
因此，利用撞击设备7对工具8产生的传播应力波从第一端8a即 工具的撞击设备端传播向第二端8b即工具的钻头端，并且再回到工具 的第一端8a。应力波然后传播工具8的长度的两倍的距离。根据本发 明的思想，安排撞击设备7的冲击频率，使得撞击设备7基本上在早 期应力波的反射波之一到达工具8的第一端8a的时刻提供新的冲击脉 冲。
当定义应力波经过的来回距离时，可以忽略钻头10的长度，因为 钻头10的轴向长度与工具8的总长度相比非常小。钻柄13典型地较 长，所以可以将其长度考虑在内。
下面，使用公式(1)、(2)和(3)描述本发明。
可以使用下面的公式计算应力波从工具的第一端到第二端并且返 回的传播时间：
$t_k=\frac{2(L_{\mathrm{shank}}+{\mathrm{nL}}_{\mathrm{Rod}})}{c}=\frac{{2L}_{\mathrm{tot}}}{c}---\left(1\right)$
在该公式中，LShank是钻柄的长度，并且LRod是一个钻杆的长度。 当n是钻杆的数目时，工具的总长是Ltot。C是工具中应力波的传播速 度。因此应力波的传播时间tk取决于工具的总长Ltot以及应力波在工具 的材料内的传播速度C。
另外，通过使用下面的公式，可以基于应力波的传播时间tk计算 频率：
$f_k=\frac{c}{2(L_{\mathrm{shank}}+{\mathrm{nL}}_{\mathrm{Rod}})}---\left(2\right)$
要注意，频率fk不是钻杆的轴向固有频率，而是频率fk仅取决于 工具的总长和应力波的传播速度。
根据本发明的思想，可以将撞击设备的冲击频率fD设置为与应力 波的传播时间成比例。然后冲击频率遵从下面的公式：
$f_D=m\frac{c}{2(L_{\mathrm{shank}}+{\mathrm{nL}}_{\mathrm{Rod}})},e.g.m=...,1/\mathrm{4,1}/\mathrm{3,1}/\mathrm{2,1,2,3,4},....---\left(3\right)$
在公式(3)中，m是频率系数，它是两个整数的商或积。
当频率系数m是两个整数的商时，应当注意，分子还可以不是1。 分母的值指示直到新的初始压缩应力波被加到其上为止，应力波在工 具中来回传播了多少次。在实际中，分母的最大值是4。
因此，在实际中，公式(3)意味着，在钻孔中，使用与应力波在 工具内的传播时间成比例的冲击频率。这样一来，可以对工具产生新 的压缩应力波，从而它与反射波的拉伸应力分量相加。如图2b所示， 当反射的应力波h到达工具的第一端8a时，拉伸应力分量(+)不能 被传递到撞击设备，因为工具的第一端8a是自由的。因此，拉伸应力 分量(+)从工具的第一端8a反射回来作为向着钻头10的压缩应力分 量(-)。通过撞击设备，新的压缩应力波p被加到从工具的第一端8a 反射的压缩应力分量。压缩应力的产生的合计波Ptot具有比仅仅是压缩 应力波p更高的能含量。另外，反射压缩应力分量的能含量如此的低， 以至于它不能单独破裂岩石。总而言之，它是一个相对于反射的拉伸 应力分量(+)校正撞击设备7产生的冲击脉冲的定时的问题。
图2e示出了合计波ptot的形状的几个例子。通过相对于拉伸反射 分量的到达提前或延迟新压缩应力波的产生，可以影响合波ptot的形状。 在实际中，通过细调冲击频率来影响合计波ptot的形状。如果将冲击频 率设置为比基于钻孔设备定义的设置高，则获得图2e的最左边的形状 为渐进的合计波ptot1。如果将冲击频率设置为低于定义的设置，则获得 图2e的右面示出的较长的合计波ptot2。在后面的情况中，利用撞击设 备产生的压缩应力波被附加到反射压缩应力分量的尾部。图2b也示出 了相应于该设置的合计波ptot的形状。
图3到6示出了延长杆钻孔的原理。在这种情况下，工具8包括 以连接器18a、18b结合在一起的两个或多个延长杆17a到17c。连接 器18一般具有连接螺纹，延长杆17连接在该螺纹上。连接器18可以 是延长杆17的部分。连接的延长杆17典型地在长度上基本相同。延 长杆钻孔的一个问题是从工具8的第二端8b反射的拉伸应力分量(+) 可能破坏连接器18尤其是它的连接螺纹。借助于本发明，可以这样设 置撞击设备7的冲击频率，从而初始压缩应力波p与反射的拉伸应力 分量(+)总是基本上同时在连接器18处。然后初始压缩应力波p和 拉伸应力分量(+)的作用在连接器18处相加，这确保没有拉伸应力 被引向连接器18。因此，连接器18和延长杆17的耐用性可以比以前 更好。因为初始压缩应力波P可能相当长，压缩应力波P和反射波h 不必精确地在相同时刻位于联结器18，而是当反射波h的拉伸应力分 量(+)到达连接点时，压缩应力波P仍然影响着连接点就足够了。
在延长杆钻孔中，通过使用下面的公式，可以将撞击设备7的冲 击频率设置为与应力波的传播时间成比例：
$f_D=\frac{c}{{2L}_{\mathrm{Rod}}}---\left(4\right)$
因此，将冲击频率设置为相应于一个延长杆17的长度LRod。另外， 可以忽略钻柄13的长度，因为钻柄13的长度与延长杆17的长度相比 是小的。
接着，更详细地并且参考图3到6描述延长杆钻孔中的应力波的 传播。在图3中，刚刚开始钻孔，并且利用撞击设备7产生的第一个 压缩应力波p1已经到达了第三延长杆17c。根据公式(4)产生第二应 力波p2、第三应力波p3和它们之后的应力波，即，将撞击设备7的冲 击频率布置为与应力波的传播时间成比例。第一反射波h1从工具8的 第二端8b反射，然后与第二压缩应力波p2基本同时地传播到第二连 接器18b。这在图4中示出。另外，在图5的情形中，当第三压缩应力 波p3从相反方向传播时，第一反射波h1已经到达了第一连接器18a。 在图6中，第二反射波h2已经与第三压缩应力波p3基本同时地传播 到第二连接器18b。每次包括拉伸应力分量(+)的反射波h传播到连 接，从相反方向传播的压缩应力波p也作用于该连接点，其结果是压 缩应力波p抵消了拉伸应力分量(+)。
图7到9示出了一些撞击设备7，其中通过调节绕着控制阀19的 轴调整控制阀19的旋转或转动，可以影响冲击频率。利用图7到9中 的撞击设备，可以实现非常高的冲击频率。冲击频率可以高于450Hz， 甚至高于1kHz。
图7的撞击设备7具有框架20，框架20内具有应力部件21。该 撞击设备还具有控制阀19，控制阀19利用适合的旋转机构绕着其轴旋 转，或相对于其轴来回转动。控制阀19可以具有交替(alternate)开 口22和23，它们打开和关闭到供给通道24和相应的排出通道25的连 接。撞击设备的框架20还具有第一压力液体空间26。撞击设备还具有 传递部件，诸如传递活塞27。该撞击设备7的基本原理是使用控制阀 19控制应力部件21的拉紧和放松，从而产生冲击脉冲。为了拉紧应力 部件21，压力液体供给通道24可以从泵28被引导到阀19内的开口 22。当控制阀19旋转时，开口22一次一个地到达压力液体的供给通 道24，并且允许压力液体流过到压力液体空间26。结果，传递活塞27 可以推动紧靠应力部件21，从而应力部件21压缩。作为压缩的结果， 能量存储在传递活塞27内，这些能量尽力向工具8推动传递活塞27。 当控制阀19在箭头A指示的方向上转动时，从压力液体空间26通过 开口23打开到流出通道25的连接，从而压力液体空间26内的压力液 体可以快速地流到压力槽29内。当压力液体离开液体空间26时，释 放应力部件21，并且通过应力产生力来压缩工具8。存储在应力部件 21内的能量作为应力脉冲传递到工具8内。应力部件21和传递活塞 27可以是分离的部件，在该情况中，应力部件21可由固体材料制成， 或它可由第二压力液体空间30内的压力液体形成。如果由固体材料制 成应力部件21，则它可以集成到传递活塞27。
图8示出了图7的撞击设备7的一个实施例，其中从泵28沿着供 给通道24向第一压力液体空间26直接供给压力液体，而不用控制控 制阀19。在该情况下，控制阀19具有用于允许压力液体从压力液体空 间26到流出通道25的开口23就足够了。因此，该解决方案仅以适合 的频率控制来自第一压力液体空间26的压力液体的压力释放，以便对 工具8产生应力脉冲。
图9示出了具有第二压力液体空间30的撞击设备，第二压力液体 空间30可以通过通道31连接到压力源32，从而可以将压力液体送到 压力液体空间30。在该解决方案中，第二压力液体空间30内的压力液 体可以用作应力部件21。传递活塞27或类似物可以将第一压力液体空 间26和第二压力液体空间30彼此分隔开。泵28可以通过控制阀19 将压力液体送到第一压力液体空间26。可以这样布置控制阀19，以便 打开或关闭从第一压力液体空间26到供给通道24的连接，并且在另 一方面，到流出通道25的连接。泵28和32还可以彼此连接。当压力 液体由控制阀19控制，被送入第一压力液体空间26时，传递活塞27 在箭头B指示的方向上移动到其最后位置，从而压力液体离开第二压 力液体空间30。之后，控制阀19相对于其轴转动到一个位置，其中压 力液体可以快速地从第一压力液体空间26流到流出通道25。则作用于 第二压力液体空间30内的压力和由泵32产生的压力可以作用在传递 活塞27上，并且产生力，作为其结果，传递活塞27向工具8推动。 传递活塞27压缩工具8，作为其结果，对工具8产生冲击脉冲，以便 作为压缩应力波p传播通过工具8。来自被钻的岩石的反射脉冲h传播 通过工具8向撞击设备7返回。该反射脉冲尽力在箭头B指示的方向 上推传递活塞27，从而将反射脉冲的能量传递到第二压力液体空间30 内的压力液体。然后送入第二压力液体空间30的压力液体的量可以是 小的，在该情况中，使用小数量的供入能量即可产生冲击脉冲。
在图7到9的解决方案中，可以借助于旋转马达33绕着控制阀19 的轴旋转或转动控制阀19，旋转马达33例如可以是压力介质操作的或 是电子设备，并且通过适合的传递元件诸如齿轮其可以被连接以便作 用于控制阀19。不同于图7到9中所示的解决方案，旋转马达33可以 集成到控制阀19。借助于旋转马达33可以相对精确地控制控制阀19 的运动，从而对撞击设备7的冲击频率的调整也是精确的。因此，通 过精确地使用取决于所使用的钻孔设备的长度的恰当的冲击频率，根 据本发明可以产生冲击脉冲。对冲击频率的精确调整还使得细调冲击 频率，并且从而使得影响合计波的形状成为可能。另外，对冲击频率 和冲击能量的调整可以是无级的。对冲击频率和冲击能量的调整可以 分开进行。这意味着可以将冲击频率和冲击能量的大小两者分别设置 为所希望的值。
可以用多种不同方法测量钻孔中使用的冲击频率。图7示出了一 种可能，即，可以通过适当的线圈34检测在工具8或钻柄13内传播 的应力波。图8和9依次描述了通过适合的传感器35测量撞击设备的 至少一个压力液体通道或压力液体空间处的压力或压力流，并且描述 了将测量信息传递到撞击设备的控制单元12，该控制单元12具有用于 处理测量结果的装置。基于测量结果中的脉冲，控制单元12可以分析 撞击设备7的冲击频率。还可以测量图7到9中所示的控制阀19的转 动或旋转运动，并且基于以上确定使用的冲击频率。除了上述的解决 方案外，还可以通过指示来自撞击设备或属于它的装置测量的冲击脉 冲的形成的其它物理现象来确定冲击频率。因此，在测量冲击频率时 还可以使用例如压电传感器、加速度传感器和声音检测器。
借助工具8的长度和应力波的传播速度，还可以用除了上述数学 方法之外的方式来确定应力波的传播时间。撞击设备7可以包括一个 或多个传感器或测量工具，用于测量从工具的第二端8b返回的反射波 h。基于该测量结果，控制单元12可以确定工具中的波的传播时间， 并且调整冲击频率。
本发明的控制策略还进一步设置在撞击设备的控制单元12内，以 便考虑测量的冲击频率和使用的钻孔设备，以及根据本发明的思想自 动调整冲击频率。还可以手动进行冲击频率的调整，从而撞击设备的 控制单元12将使用的冲击频率通知给操作者，并且操作者从而以本发 明的方式手动调整冲击频率，该方式取决于使用的钻孔设备。操作者 可以具有指示使用不同长度的工具钻孔时将使用的冲击频率的表格或 其他辅助装置。另外，可将关于精确的冲击频率的信息存储在控制单 元12内，操作者可以从控制单元12获取它们。在调整恰当的冲击频 率时，控制单元12还可以指导操作者。还可以布置延长杆的操纵器以 便检测延长杆内的标识符，并且将每次使用的工具的总长和每个个延 长杆的长度指示给控制单元。
要注意，为了清楚起见，图9未示出用于旋转或转动控制阀19的 装置，控制单元，或用于测量冲击频率的装置。
本发明可应用于压力液体操作的和电子操作的撞击设备。对于本 发明的执行，什么类型的撞击设备产生在工具内传播的压力应力波不 是重要的。冲击脉冲是由撞击设备提供的短时间力作用，以便对工具 产生压缩压力波。
通过运行属于控制单元12的一个或多个计算机处理器内的计算机 程序，可以执行本发明的方法。执行本发明的方法的软件产品可以被 存储在控制单元12的存储器内，或可以将该软件产品从存储器装置诸 如CD-ROM盘载入计算机。另外，可以通过信息网络从其他计算机 将该软件产品载入到例如属于采掘车的控制系统的设备。
图10的表示出了用于一些工具长度的某些冲击频率设置及其的一 些典型的倍数。作为例子，可以提及的是如果撞击设备的冲击频率范 围是350到650Hz，可以从表中选择适合的频率，它们在表10中被加 框示出。频率系数的分母的值指示直到新的主压缩应力波被合计到其 上为止，应力波在工具中来回传播了多少次。分母值越小，载入工具 的反射应力波越少。因此，在选择频率系数时，应当优先选择商的分 母具有尽可能小的值的值。
要注意，当使用本发明时，可以使用本申请中描述的特征的各种 组合和变化。
本发明的撞击设备不仅可以用于钻孔，而且可用于利用冲击脉冲 的其他设备，诸如破碎锤和其他用于岩石材料或其他坚硬材料的破碎 设备，以及例如打桩设备。
附图和相关的描述仅仅旨在说明本发明的思想。可以在权利要求 的范围内改变本发明的细节。