削岩機及び該削岩機に関わる方法

本発明は、使用に際して、掘削機に接続されるドリルロッドに繰り返し衝撃を与えるピストンに作用する流体圧力における変化を制御するための制御装置を有する削岩機に関するものである。また本発明は、かかる掘削機を取り付けたドリルリグ及び前記掘削機で使用することを目的とした方法に関する。

岩盤における掘削を目的とした上記種類の削岩装置は、ほとんどの場合、流体圧で流体駆動されている。添付図面の図1には、そのような先行技術による削岩装置の一例を概略的に示している。掘削装置1は液体のような流体タンク2に接続され得る。ポンプ3は高圧下での液体源を形成するために使用される。摺動弁4は、ピストンハウジング7及びハンマーピストン6の制御装置との相互作用において、掘削装置のピストンハウジングで作動するハンマーピストンの少なくとも1つの駆動面5が高圧力及び低圧力に交互に晒されるように液圧液体を制御している。

ハンマーピストン6は、その前方端部でドリルアダプタ9の軸10にピストン先端部8を打ち付けるように設けられている。ドリルロッドは、岩盤などの削岩されることになる表面に意図した穿孔を行うためにドリルアダプタ9に接続され得る。複数個のドリルロッドは、所望の深さに掘削(穿孔)できるような長さのドリルストリングを形成するため互いに接続され得る。制御導管11aはピストンハウジング7に設けられ、液圧液体源3に接続されている。この制御導管11aは、ハンマーピストン6とピストンハウジング7との間に形成された制御チャンバー12と相互に作用し、それによって摺動弁4はピストンハウジング7に対して軸方向のハンマーピストン6の位置に依存して制御され得る。導管11bはピストンを後方に駆動するためハンマーピストン6の制御縁部に一定の圧力を働かせる。

掘削すべき表面と一定に接触させてドリルロッドを維持するために、また互いに一定に接触させてドリルストリングの複数の部分を維持するために、反跳ピストン13を備えた反跳緩衝装置が設けられる。この反跳ピストン13は通常ハンマーピストン6の前面部の周りに同心に配置される。反跳ピストン13は定流弁を通って高圧源と接触して設けられる圧力導管14からの液圧液体によってドリルアダプタ9の軸10に対して押圧した状態に保持され、それにより、ハンマーピストン6はドリルアダプタの軸上に衝撃を与える際に非弾性表面に対して衝撃を加えることができるようにされている。

完全な掘削装置は掘削中掘削すべき対象物を送り力によって押圧する。送り力は、例えば掘削1つ以上の掘削装置の位置及び角度を設定するための機器であるドリルリグに液圧で印加され得る。それで掘削装置は、多くの場合、ドリルリグの送りビームに沿って変位され得るキャリッジに取り付けられる。送り力が反跳圧力すなわち掘削方向前方に緩衝ピストンを駆動する液体の圧力と反跳ピストンの横断面積或いは、さらに正確には、液体が作用する反跳ピストンの駆動面との積より大きくなると、反跳ピストンは後方に押される。これに対抗するため及びハンマーピストンが掘削鋼体或いは軸アダプタに衝撃を与える際にできるだけ一定の状態を達成するために、排水導管或いはバランス導管16が設けられ、この導管16は以下で説明するように機能する。

例えば特許文献1に示されているように、ドリルアダプタ9の軸10と直接接触をする反跳ピストン13に代わって、ブッシング15が反跳ピストン13とドリルアダプタ9の軸10との間の緩衝装置に配置され得る。反跳ピストン13は付加的な機能を備えている。その付加的な機能は、ドリル鋼体がハンマーピストン6から送られる衝撃力でこの表面を押す際に掘削すべき表面からの反跳力を吸収するというものである。反跳ピストン13は、液圧で掘削されることになる表面から送り戻される圧力を吸収し、その結果液圧液体及びドリル鋼体からの反跳力から受ける圧力によって制御され軸方向に揺動する。反跳ピストン13にはこのために反跳ピストンとピストンハウジングとの間に駆動チャンバー14bが設けられる。この駆動チャンバーは反跳ピストンの少なくとも1つの前方駆動面13bによって制限されている。駆動チャンバー14bは、反跳ピストンが十分に最前方位置に達すると、ピストンハウジング7のバランス導管16を通って排出される。駆動面13bがバランス導管16の背後になるよう反跳ピストン13が後方に駆動されると、駆動チャンバー14bにおける圧力は上昇し、それによって駆動面13bの圧力は必然的に反跳ピストン13を前方に駆動させる。一方で、駆動面13bが駆動チャンバー14bに対してバランス導管16の開口部を自由にするように反跳ピストン13が前方に駆動される場合には、駆動チャンバーはバランス導管16を通って排出され、それによって駆動チャンバー14bにおける圧力は下降し、必然的にピストンを後方に押圧する。このようにして反跳ピストンは、反跳ピストンの駆動面13bがバランス導管16に駆動チャンバー14bを開放する部位の周囲で平衡する位置となる。

上述の先行技術の問題点は、特に高い衝撃率に対して寸法決めする際及び特に特定の動作周期の後に衝撃機構の機能が幾つかの装置で不安定となる傾向があることにある。

米国特許番号第5,479,996号

本発明の一つの目的は、上述の先行技術に伴う幾つかの問題点を減らす方法を達成することにある。

本発明によれば、削岩装置の長い製造シリーズのための衝撃機構の安定性の再現可能性の相当の改良が達成され得る。同様に本発明によって製造された削岩装置の商品寿命は、構成部品の消耗にも関わらず比較的安定した仕方で作用する衝撃機構を通して拡伸ばされる。さらに、衝撃機構の安定性の危険を冒すことなく高い衝撃率について寸法決めすることが可能である。

本発明の第一の特徴によれば、独立請求項に記載した装置で特定されるような装置が提供される。

本発明の第二の特徴によれば、独立請求項に記載した方法で特定されるような方法が提供される。

本発明のさらに好ましい実施形態及び特徴は従属請求項に記載される。

本発明によれば、反跳ピストンがピストンハウジングに対して予定の位置に達した際に従来行われて来たように反跳ピストン13の駆動チャンバー14bを排出させるようにする代わりに、ハンマーピストン6がピストンハウジングに対して予定の位置に配置される時にこの排出が実行される。打撃装置の前後方向切換のための制御装置がそれぞれハンマーピストン及びピストンハウジングに配置されるために、ハンマーピストンが掘削軸に衝撃を与える瞬間に、これらの制御装置の相対位置は良好に制御されるようになる。特に、この瞬間における相対位置は多くの製造許容差に依存しなくなる。同様にして、ピストン先端部、軸、及び反跳ピストンなど構成部品の磨耗に対する感応性は低減される。このようにして、長い製造シリーズのための及び衝撃率を高める際の改良された衝撃機構の時間の経過に応じた安定性が達成される。

先行技術による液圧削岩装置の概略縦断面図。

本発明による液圧削岩装置の概略縦断面図。

先行技術によるハンマーピストンを用いて繰り返し衝撃を行うために必要な圧力の切換を保証する制御装置の概略部分拡大図。

図2の領域Aの概略拡大図であり、発明の概念の実施形態による御手段の機能を明確に示す図。

幾つかの例を挙げるために添付図面を参照して本発明の多くの実施形態について以下説明する。本発明は、説明される実施形態を限定するものではなく、請求項で規定した範囲によって決定される。

図2には、本発明の一つの特徴による液圧削岩装置1の例を示している。削岩装置1は液圧液体のタンク2などの流体タンクに接続され得る。ポンプ3は高圧下の液圧液体源を作るために使用される。さらに「ハンマーピストン」として知られた第二のピストン6はピストンハウジング7の軸方向に作用する装置の一部であり、ピストンハウジング7は同時に掘削装置すなわち削岩装置の装置ハウジングを構成している。制御装置(12、11a、33、32)と相互作用する摺動ハウジング4aに配置された摺動部材4は、第二のピストン6の少なくとも1つの駆動面5が圧力の切換すなわち高/低圧力間の切換を受けるように液圧液体を制御する。

第二のピストン6は、使用に際してその前方端部で、ピストン先端部8が、ドリルアダプタ9の軸10の上に、反復性の衝撃を与えるように先行技術に従って構成される。ドリルアダプタ9は、ピストンハウジング7内で軸受けに取り付けられ、第二のピストンと整列されている。従って、ドリルアダプタ9及び第二のピストン6は同軸に沿って位置している。ドリルロッドはドリルアダプタ9或いは岩盤などの掘削しようとする表面に意図した掘削(穿孔)を行うために、接続された数本のドリルロッドを有するドリルストリングに接続され得る。制御導管11aの形状の第一の制御装置と、摺動信号ライン32と、排出導管33とがピストンハウジング7に示されている。制御導管11aは液圧液体源3と接触(連通)状態にある。第二の制御装置は、好ましくはピストン6に環状溝の形状で、第二のピストン6とピストンハウジング7との間に形成された制御チャンバー12によって構成される。摺動部材4は、摺動信号ライン32の圧力の作用によって、ピストンハウジング7に対する第二のピストン6の軸方向位置に依存して制御され得る。

圧力の切換制御は図3を参照して説明される。図3に見られるように、第二のピストン6が右に動くと、制御チャンバー12内の圧力は、圧力源3からの液圧液体の圧力レベルの圧力まで上昇する。その結果、出口は制御チャンバー12から排出ライン33へと開かれ、それによって制御チャンバーにおける圧力は排出レベルまで下降する。制御チャンバー12における圧力変化は摺動信号ライン32を通して送られて、摺動部材4に作用し、高圧の液圧液体が駆動面5を介して第二のピストンに作用して第二のピストンを図面において左方へ動かすようにされる。このようにして排出ライン33は閉じられ、一方、制御導管11aは制御チャンバー12に開放し、この制御チャンバー12の圧力を再び上昇させる。これにより、摺動部材4の作用を通して第二のピストン6の端部にある駆動面5における圧力は除去されることになる。かかる方法はその後上述のパターンに従って繰り返される。

掘削すべき表面と一定に接触させてドリル鋼体を維持するためにまた加圧下で互いに一定に接触させてドリルストリングの部分を維持するために、反跳ピストン13すなわち第一のピストンを備えた反跳緩衝装置が設けられる。この反跳ピストン13は通常第二のピストン6の前方部分の周りに同心に配置される(本明細書の記載において、用語“前方”は掘削の方向を表すために用いられる)。第二のピストン6がドリルアダプタ9の軸10に衝撃を与える際に、第二のピストン6が弾性のない表面に対して衝撃を加えることができるように、反跳ピストン13は、定流弁17を通って高圧源3と接触状態に配置される圧力導管14からの液圧液体によってドリルアダプタ9の軸10に対して押圧された状態で保持される。

反跳ピストン13をドリルアダプタ9の軸10と直接接触させる代りに、反跳ピストン13とドリルアダプタ9の軸10との間の緩衝装置にブッシング15が配置され得る。反跳ピストン13は上述のように付加的な機能を備えている。すなわちこの付加的な機能は、ドリルビットが第二のピストン6から送られる衝撃力で掘削しようとする表面に対して押圧される際に、掘削しようとする表面からの反跳力(反動力)を吸収するという機能である。反跳ピストン13は掘削しようとする表面から送り戻される力を液圧的に吸収し、その結果、液圧液体から及びドリル鋼体からの反跳力から受ける圧力によって制御されて軸方向に揺動する。反跳ピストン13はこのために、反跳ピストン13とピストンハウジング7との間に形成された駆動チャンバー14bを備えている。駆動チャンバーは反跳ピストンの少なくとも1つの前方駆動面13bによって限定されている。駆動チャンバー14bは、反跳ピストン13が第二のピストン6(ハンマーピストン)に配置された第一の制御手段21、22及びピストンハウジング7に配置された第二の制御手段20、23、24、25を通してピストンハウジング7で十分に前方位置に達すると、排出される。かかる機能は、図2におけるAの部分を拡大して示す図4でさらに詳細に明らかにされる。

第二の制御手段は、反跳ピストンの駆動チャンバー14bに接続され且つピストンハウジングのシリンダボア内に連通する圧力導管14と接続される調節導管20を備えている。ハンマーピストン6が軸10に衝撃を加えるための予定の位置に近づくと、ハンマーピストンとピストンハウジングとの間に形成され且つ第一の制御手段に属する第一の区画室21は、調節導管20からのオイルを受ける。第一の制御手段における第一の制御縁部22が第二の制御手段に属する第二の制御縁部24を通過する十分に前方の位置にハンマーピストンが達すると、駆動チャンバー14bからのオイルはハンマーピストンとピストンハウジングとの間に形成され且つ第二の制御手段に属する第二の区画室23を通り、排出ライン25を通って前方へ排出される。このようにして反跳圧力は低減され、そして排出プロセスが止まり、駆動チャンバー14bにおける圧力が再び上昇し、掘削軸10がこのようにして再び前方に駆動されるまで、送り力は軸を後方に駆動する。こうして軸10はハンマーピストンの実際の位置に関連される位置Eの周りで平衡状態になる。

さらに、図面には液圧液体の戻り導管30が示され、この戻り導管30は摺動部材4を通してタンク2に液圧液体を戻す。ガス蓄積器31は、複数のライン内の圧力差を均等にするために、圧力導管14だけでなく戻り導管30にも配置される。ここで、完全な制御を達成するための導管は図面には十分には例示されてないことも強調しなければならない。この点は先行技術を構成するものであり本発明に影響するものではないため、それら導管は単に概略的に図示されている。

位置Eの地点は、所望の移動距離が達成されるように選択される。第二のピストン6は、摺動部材の移動距離が反転する地点を通過する前に、その衝撃位置から特定の距離に沿って移動することになる。これが起こると、摺動部材4は移動し始め、第二のピストンの駆動面5にかかる圧力は低圧力から高圧力へと変化し、すなわち第二のピストン6の動作は戻り動作から衝撃動作になるように変化する。

また、反跳ピストンの駆動面14bの排出のためのその他の解決策は、本発明の範囲内で可能である。このようにハンマーピストンの位置は、位置Eに対応する位置を識別する電子感知装置を用いて決定でき、引き続き駆動チャンバー14bを排出するため電磁弁が作動される。感知装置は例えば誘導型或いは容量型であり得る。また例えば光などの電磁放射を検出用に使用してもよい。この場合、感知装置は第二の制御手段に対応するのが適当であり、半径方向或いは軸方向のどちらも測定するためにピストンハウジングに取り付けられ得る。第一の制御手段はハンマーピストンに形成された溝、例えば異なる磁気特性をもつインサート、条片のパターンなどで構成され得る。第一の制御手段は、その最も簡潔な形態ではピストンの後方縁部すなわち端部面によって構成され得る。

ハンマーピストンの順方向動作及び反転動作は、上述のように、摺動部材と制御装置の相互作用で発生されるのに代えて、オイルの容量に貯蔵されたエネルギーなど、摺動弁を元の位置に戻すエネルギー貯蔵によって発生され得る。これは先行技術を構成するものであり「摺動しない」或いは「弁のない」装置として公知のかかる装置は市販されている。

1 :削岩機 2 :タンク 3 :ポンプ(圧力源) 4 :摺動部材 4a :摺動ハウジング 5 :駆動面 6 :第二のピストン(ハンマーピストン) 7 :ピストンハウジング 8 :ピストン先端部 9 :ドリルアダプタ 10 :軸 11a:制御導管 12 :制御チャンバー 13 :第一のピストン(反跳ピストン) 13b:前方駆動面 14 :圧力導管 14b:駆動チャンバー 17 :定流弁 20 :調節導管 21 :第一の区画室 22 :第一の制御端部 23 :第二の区画室 24 :第二の制御端部 25 :排出ライン 30 :戻り導管 31 :ガス蓄積器 32 :摺動信号ライン 33 :排出導管 E :位置