(57)【要約】  本発明は、削岩機に属する打撃装置を制御する方法およびソフトウエア製品、ならびに打撃装置に関するものである。打撃装置（７）の衝撃周波数は、前の圧縮応力波からの反射波（ｈ）がツールの第１の端部（8a）に到達するとき常に、この衝撃装置（７）がツール（８）に対する新規の圧縮応力波（p）を生成するように設定される。これには、衝撃周波数が応力波の伝播時間に比例して設定されることが必要であり、これによって、使用されるツール（８）の長さおよびツールの材料における応力波の伝播速度が注意すべきとなる。【選択図】なし
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
穿孔中に削岩機（４）へ連結可能なツール（８）に対して打撃装置（７）によって衝撃パルスを与えることと、前記ツール（８）に対して圧縮応力波（ｐ）を生成して、前記ツール（８）の材料に応じた波の伝播速度で前記ツールの第１の端部（8a）から第２の端部（8b）へ伝播させ、同時に前記ツールの第２の端部（8b）から反射して戻る前記圧縮応力（ｐ）の少なくとも一部を、前記ツールの第１の端部（8a）へ向かう反射波（ｈ）として伝播させることとを含み、
前記削岩機（４）における前記打撃装置（７）およびその衝撃周波数を制御する、打撃装置を制御する方法において、該方法は、
用いられるツール（８）の長さに応じた応力波の伝播時間と、前記ツールの材料における波の伝播速度とに比例する前記打撃装置（７）の衝撃周波数を設定し、
先の圧縮応力波のうちの１つからの反射波（ｈ）が前記ツールの第１の端部（8a）へ到達するときに、前記打撃装置（７）によって新規の圧縮応力波（ｐ）を前記ツール（８）に対して生成し、
前記新規の圧縮応力波（ｐ）および前記反射波（ｈ）を合計して合計波（ptot）を生成し、これを前記ツール（８）において前記波の伝播速度（ｃ）で前記ツールの第２の端部（8b）へ向けて伝播させることを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法において、該方法は、
前記合計波（ptot）の形状を、衝撃周波数を微調整することによって調節し、
前記微調整において、応力波の伝播時間に比例して決められた衝撃周波数の設定から新規の衝撃パルスの生成を進行または遅延させて、前記記微調節が前記新規の圧縮応力波（ｐ）と前記反射波（ｈ）との合算に対して影響を及ぼし、したがって前記合計波（ptot）の形状に対しても影響を及ぼすことを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の方法において、該方法は、
継手（18a、18b）によって互いに連結された少なくとも２つの伸長ロッド（17aないし17c）を含むツール（８）を穿孔中に使用し、
伸長ロッド（17aないし17c）の一方の端部から他方へ、およびその逆への応力波の伝播時間に対応する、前記打撃装置（７）の衝撃周波数を設定し、
前記ツールの第２の端部（8b）に向けて伝播する圧縮応力波と、反対方向に伝播して実質的に同時に前記伸長ロッド（17aないし17c）へ到達する反射波とのタイミングを前記衝撃周波数によって取り、
連結点において前記圧縮応力波および前記反射波を合計して、前記反射波における引張応力成分（＋）を前記圧縮応力波によって相殺することを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の方法において、該方法は、少なくとも100 Hzの衝撃周波数を用いることを特徴とする方法。
【請求項５】
削岩を制御する制御装置（12）におけるソフトウエア製品の実行が、少なくとも次の作動を行うように配設され、すなわち、
穿孔中に削岩機（４）における打撃装置（７）を制御して、前記削岩機（４）へ連結可能なツール（８）に対して衝撃パルスを与えて、圧縮応力波（ｐ）を前記ツール（８）において生成して配し、前記ツール（８）の材料に応じた伝播速度で前記ツールの第１の端部（8a）から第２の端部（8b）へ伝播させ、同時に前記ツールの第２の端部（8b）から反射して戻る前記圧縮応力（ｐ）の少なくとも一部を、前記ツールの第１の端部（8a）へ向かう反射波（ｈ）として伝播させ、
さらに前記打撃装置（７）の衝撃周波数を制御する、打撃削岩を制御する前記ソフトウエア製品において、該製品は、
前記ソフトウエア製品の実行が、応力波の伝播時間に比例する前記打撃装置（７）の衝撃周波数を設定するよう配設されることを特徴とするソフトウエア製品。
【請求項６】
請求項５に記載のソフトウエア製品において、該ソフトウエア製品の実行は、前記ツール（８）の長さおよび材料の情報の受信に応じて前記ツール（８）における応力波の伝播時間を数学的に決めるように配設されることを特徴とするソフトウエア製品。
【請求項７】
衝撃パルスをツール（８）に対して発生させて、前記衝撃パルスにより生じた圧縮応力波が配されて、前記ツールの第１の端部（8a）から第２の端部（8b）へ伝播し、前記圧縮応力波の少なくとも一部が反射波として前記ツールの第２の端部（8b）から反射して戻り、前記ツールの第１の端部（8a）へ向けて伝播する手段と、
打撃装置（７）の衝撃周波数を制御する制御装置（12）と、
前記打撃装置（７）の衝撃周波数を決める手段とを含む打撃装置において、
前記制御装置（12）は、前記ツール（８）の長さに応じた応力波の伝播時間と、前記ツールの材料における波の伝播速度とに比例する前記衝撃周波数を設定するよう配設されることを特徴とする打撃装置。
【請求項８】
請求項７に記載の打撃装置において、
前記制御装置（12）は、該制御装置（12）が前記ツール（８）における長さおよび材料の情報を受けた後、前記ツール（８）における応力波の伝播時間を数学的に決めるように配設されることを特徴とする打撃装置。
【請求項９】
請求項７または８に記載の打撃装置において、
該打撃装置（７）に対しては、継手（18a、18b）によって互いに連結された少なくとも２つの伸長ロッド（17aないし17c）を有するツール（８）が連結され、
前記制御装置（12）は、前記伸長ロッド（17aないし17c）の一方の端部から他方への応力波の伝播時間に対応する前記打撃装置（７）の衝撃周波数を設定して配設されて、ツールの第２の端部（8b）へ向かって伝播する圧縮応力波および反対方向に伝播する反射波が、前記伸長ロッド（17aないし17c）の連結点において実質的に同時に作用するよう配されることを特徴とする打撃装置。
【請求項１０】
請求項７ないし９のいずれかに記載の打撃装置において、
前記打撃装置（７）は、前記反射波（ｈ）の圧縮応力成分（−）におけるエネルギーを新規の衝撃パルスを生成するのに利用する手段を有することを特徴とする打撃装置。
【請求項１１】
請求項７ないし１０のいずれかに記載の打撃装置において、
前記制御装置（12）は、前記衝撃周波数を微調節して、前記ツールの第２の端部（8b）へ向けて伝播する応力波の形状に影響を及ぼすように配設され、
前記微調節において、前記制御装置（12）は、前記応力波の伝播時間に比例して決められた設定値から、前記衝撃周波数を進行または遅延させて配設されることを特徴とする打撃装置。
【請求項１２】
請求項７ないし１１のいずれかに記載の打撃装置において、
前記衝撃パルスは、衝撃ピストンなしで油圧エネルギーから直接、前記打撃装置（７）に生成されて配されることを特徴とする打撃装置。
【請求項１３】
衝撃パルスをツール（８）に対して発生させて、前記衝撃パルスにより生じた圧縮応力波が配されて、前記ツールの第１の端部（8a）から第２の端部（8b）へ伝播し、前記応力波の少なくとも一部が反射波として前記ツールの第２の端部（8b）から反射して戻り、前記ツールの第１の端部へ向けて伝播する手段と、
打撃装置（７）の衝撃周波数を制御する手段と、
前記打撃装置（７）の衝撃周波数を決める手段とを含む打撃装置において、
該打撃装置（７）は、前記衝撃周波数および衝撃エネルギーを無段階で別個に制御する手段を含み、
該打撃装置（７）の前記衝撃周波数は、用いられるツール（８）の長さとツールの材料における波の伝播速度とに応じた応力波の伝播時間に比例して配されることを特徴とする打撃装置。
【請求項１４】
請求項１３に記載の打撃装置において、前記衝撃パルスは、衝撃ピストンなしで油圧エネルギーから直接、該打撃装置（７）に生成されて配されることを特徴とする打撃装置。
【発明の詳細な説明】
【発明の背景】
【０００１】
本発明は、打撃装置の制御方法に関するもので、当該方法は、穿孔中に削岩機へ連結可能なツールに対して打撃装置によって衝撃パルスを与え、このツールに対して圧縮応力波を生成して、このツールの材料に応じた伝播速度でこのツールの第１の端部から第２の端部へと伝播させ、同時にこのツールの第２の端部から反射して戻る圧縮応力の少なくとも一部を、このツールの第１の端部へ向かう反射波として伝播させて、削岩機における打撃装置およびその衝撃周波数を制御する。
【０００２】
さらに、本発明は、打撃削岩を制御するソフトウエア製品に関するもので、削岩を制御する制御装置における当該ソフトウエアの実行が、少なくとも次の動作を行い、すなわち、穿孔中に削岩機における打撃装置を制御して、削岩機へ連結可能なツールに対して衝撃パルスを与えて、圧縮応力波を、このツールにおいて生成して配し、このツールの材料に応じた伝播速度でこのツールの第１の端部から第２の端部へと伝播させ、同時にこのツールの第２の端部から反射して戻る圧縮応力の少なくとも一部を、このツールの第１の端部へ向かう反射波として伝播させ、さらに打撃装置の衝撃周波数を制御する。
【０００３】
さらに、本発明は、打撃装置に関するもので、これは、衝撃パルスをツールに対して発生させて、衝撃パルスにより生じた圧縮応力波が配されて、ツールの第１の端部から第２の端部へ伝播し、圧縮応力の少なくとも一部が反射波としてツールの第２の端部から反射して戻り、ツールの第１の端部へ向けて伝播する手段と、打撃装置の衝撃周波数を制御する制御装置と、少なくとも打撃装置の衝撃周波数を決める手段とを含む。
【０００４】
さらに、本発明は、打撃装置に関するもので、これは、衝撃パルスをツールに対して発生させて、衝撃パルスにより生じた圧縮応力波が配されて、ツールの第１の端部から第２の端部へ伝播し、圧縮応力の少なくとも一部が反射波としてツールの第２の端部から反射して戻り、ツールの第１の端部へ向けて伝播する手段と、打撃装置の衝撃周波数を制御する手段と、打撃装置の衝撃周波数を決める手段とを含む。
【０００５】
打撃式削岩は、少なくとも打撃装置とツールとを有する削岩機を用いる。この打撃装置は圧縮応力波を生成し、これがシャンクを介してツールへ、さらにこのツールの最外端部のドリルビットへ伝播する。この圧縮応力波は、ツール内で、ツールの材料に応じた速度で伝播する。したがって、伝播波の、鋼鉄製のツールの場合の速度は、たとえば5,190 m/sになる。圧縮応力波がドリルビットに到達すると、ドリルビットを岩石に貫通させる。しかし、打撃装置により発生するこの圧縮応力波のエネルギーの20ないし50 %が、ツール内で逆方向に、すなわち打撃装置の方へ伝播する反射波としてドリルビットから反射して戻ることが検知されている。穿孔状態にもよるが、この反射波は圧縮応力波もしくは引張応力波しか有することができない。しかし、反射波は、一般には引張応力成分および圧縮応力成分の両方を有している。今日では、この反射波におけるエネルギーを穿孔において十分に利用することができず、これが当然に穿孔の効率を下げている。他方、反射波が、たとえば穿孔機器の耐久性に関する問題を生じていることが知られている。
【発明の簡単な説明】
【０００６】
本発明は、新規の改善された方法と、削岩機の打撃装置を制御するソフトウエア製品と、打撃装置を提供することを目的とする。
【０００７】
本発明の方法は、用いられるツールの長さに応じた応力波の伝播時間と、このツールの材料における波の伝播速度とに比例する打撃装置の衝撃周波数を設定し、先の圧縮応力波のうちの１つからの反射波がツールの第１の端部へ到達するときに、打撃装置によって新規の圧縮応力波をツールに対して生成し、この新規の圧縮応力波およびこの反射波を合計して合計波を生成し、これをこのツールにおいてこの合計波の伝播速度でこのツールの第２の端部へ向けて伝播させることを特徴とする。
【０００８】
本発明のソフトウエア製品は、当該ソフトウエア製品の実行が、応力波の伝播時間に比例する打撃装置の衝撃周波数を設定するよう配設されることを特徴とする。
【０００９】
本発明の打撃装置は、制御装置が、用いられるツールの長さに応じた応力波の伝播時間と、このツールの材料における波の伝播速度とに比例する衝撃周波数を設定するよう配設されることを特徴とする。
【００１０】
本発明の第２の打撃装置は、この打撃装置が、衝撃周波数および衝撃エネルギーを無段階および別個に制御する手段を有することと、この打撃装置の衝撃周波数が、用いられるツールの長さとツールの材料における波の伝播速度とに応じた応力波の伝播時間に比例して配されることを特徴とする。
【００１１】
本発明の本質的な概念は、打撃装置の衝撃周波数が、新しい圧縮応力波がツールに生成されるごとに、先の圧縮応力波からの反射波がツールの打撃装置端部に存在するように配されることにある。衝撃周波数を調節して、応力波の伝播時間に比例させる必要がある。用いられるツールの長さおよびツールの材料における応力波の伝播速度が、応力波の伝播時間に影響を及ぼす。
【００１２】
本発明は、反射波におけるエネルギーがいまや穿孔においてより良く利用できるという利点を提供する。反射波がツールの打撃装置端部へ到達すると、この反射波における引張応力波が反射されて圧縮応力波としてドリルビットの方へ戻される。打撃装置によって生成された新規の一次圧縮応力波がこの反射された圧縮応力波へ合算され、これによって、この反射圧縮応力波と一次圧縮応力波から成る合計波は、打撃装置のみによって生成された圧縮応力波よりも大きなエネルギー含有量を有することになる。また、本発明の方式は、ドリルビットと岩石との間に常に良好な接触を保証する。これは、圧縮応力波だけがツールのドリルビットへ向けて伝播するからである。ツールの第１の端部において、打撃装置により生成される新規の圧縮応力波が反射応力波へ合計された場合、その合計波は常に１つの圧縮応力波となる。したがって、ドリルビットと岩石との間の接触を弱めることがある引張応力波は、ツールのドリルビットへ伝播することがない。さらに、本発明の方式を適用した場合、送り分力が以前よりも弱くなることがある。なぜならば、ドリルビットと岩石との間の良好な接触が、大きな送り分力による引張応力波の影響を補償する必要なく維持されるからである。
【００１３】
本発明の実施例の本質的な概念は、ツールにおいて打撃装置からドリルビットへ向かって伝播する合計波の形が、衝撃周波数を微調整することによって所望のように作られることにある。この微調整は、ツールの第１の端部から反射される圧縮応力波と、打撃装置によって生成される一次圧縮応力波との合算に影響を及ぼし、したがって、この合計波の形に対しても影響を及ぼす。衝撃周波数を穿孔機の長さに基づいて決めた設定よりも大きく設定することによって、１つの累進合計波が得られる。衝撃周波数を低く設定することによって、順次に合計波を長くすることができ、これが実際には圧縮応力の有効時間を長くする。また、衝撃周波数を十分に大きくすることによって合計波を長くすることも当然でき、これによって、反射波は生成された一次圧縮応力波の後方に付される。
【００１４】
本発明の実施例の本質的な概念は、伸長ロッド穿孔において、打撃装置の衝撃周波数が１つの伸縮ロッドにおける応力波の伝播時間に相当するように設定されることにある。このとき、ツールの一方の端部から打撃装置へ向かって伝播する反射波は、反対の方向から伝播する一次圧縮応力波と実質的に同時に伸長ロッド間の連結接合部へ伝播する。圧縮応力波および反射波は、この連結接合部へ実質的に同時に到達すると、合計され、これによって反射波の引張応力成分が中和され、したがって、引張応力波はこの連結部へは向かわない。このように、伸長ロッド間の連結部の耐久性を改善することができる。
【００１５】
本発明の実施例の本質的な概念は、新規の一次圧縮応力波が、先の圧縮応力波によって生成された反射波、すなわちツールの一方の端部から他方へ複数回伝播している反射波の多数と合計されることにある。本実施例は短いツールが用いられている場合に特に利用することができる。
【００１６】
本発明の実施例の本質的な概念は、打撃装置が圧縮応力成分におけるエネルギーを反射波内に蓄積し、またこれを新規の衝撃パルスの生成に利用する手段を有していることにある。往復打撃ピストンを有する打撃装置において、反射圧縮応力成分におけるエネルギーは、打撃ピストンが戻り方向に移動する場合に利用することができる。この反射圧縮応力成分は、打撃ピストンの戻り運動の初速を生み出すことができる。戻り運動の終わりにおいて、打撃ピストンの運動エネルギーは、蓄圧機に蓄積され、これを新規の打撃運動中に利用することができる。また、打撃装置が公知であるものには、圧縮応力波が打撃ピストンなしで油圧エネルギーから直接的に生成されるものもある。この種の打撃装置において、衝撃周波数を本発明において説明しているように設定した場合、衝撃パルスを小さい入力エネルギーで生成することができる。
【００１７】
本発明の実施例の本質的な概念は、打撃装置が衝撃周波数および衝撃エネルギーを無段階、かつ別個に調節することができることにある。たとえば、圧縮応力波を打撃ピストンなしで油圧エネルギーから直接的に生成する打撃装置において、衝撃周波数を、制御弁の回転速度または作動周波数を調節することによって調節することができる。この種の打撃装置において、衝撃エネルギーは、油圧の大きさを調節することによって調節することができる。電動式打撃装置において、衝撃周波数は、たとえば交流の周波数を調節することによって調節することができ、また衝撃エネルギーを、用いられる電圧を変えることによって調節することができる。
【００１８】
本発明の実施例の本質的な概念は、これが少なくとも100 Hzの衝撃周波数を用いていることにある。
【００１９】
本発明の実施例の本質的な概念は、これが少なくとも200 Hzの衝撃周波数を用いていることにある。実際の場合、200 Hz以上の衝撃周波数が有利であることが証明されている。
【００２０】
次に、添付の図面において、本発明をより詳細に説明する。
【００２１】
図面では、明確にするために本発明を簡略化して示す。同様の部分は、図面においては同様の参照番号で示す。
【発明のいくつかの実施例の詳細な説明】
【００２２】
図１に示す削岩掘削機１は、キャリア２および少なくとも１つの送りビーム３を含み、その上には可動式削岩機４が配設されている。送り装置５により、削岩機４を穿孔される岩石に向けて押し出し、同様にそれから引き離すことができる。送り装置５は、たとえば、１つ以上の油圧式シリンダを有するものでよく、これを適切な動力伝動部材によって削岩機４を移動させるように配設することができる。送りビーム３は、典型的には、キャリア２に関して移動させることができるブーム６へ配設される。削岩機４は、削岩機４へ連結されたツール８に対して衝撃パルスを与える打撃装置７を含む。ツール８は、１つ以上のドリルロッドおよびドリルビット10を含むことができる。さらに、削岩機４は、ツール８をその長手方向の軸を中心に回転させる回転装置11を含むことができる。穿孔中において、衝撃パルスは、打撃装置７によって、回転装置11により同時に回転させることができるツール８に対して与えられる。また、削岩機４は、穿孔中に岩石に対して押し付けられて、ドリルビット10がその岩石を破砕することができる。削岩を１つ以上の制御装置12によって制御することができる。この制御装置12は、コンピュータまたは同様のものを含むことができる。制御装置12は、制御命令を、削岩機４の作動を制御するアクチュエータおよび圧力媒体を制御する弁などの送り装置５に対して与えることができる。削岩機４の打撃装置７、回転装置11および送り装置５は、圧力媒体作動式に、もしくは電動アクチュエータにすることができる。
【００２３】
図２ａは、ドリルシャンク13へ連結したツール８を伴う削岩機４を示す。この削岩機４の打撃装置７は、前後に移動可能に配設された打撃ピストンなどの打撃部材14を含むことができ、これは、ドリルシャンク13上の打撃面15を打撃し、衝撃パルスを発生させるように配設され、このパルスは、材料に応じた速度で圧縮応力波としてドリルシャンク13およびツール８を介してドリルビット10へ伝播する。図２ｃには削岩の特殊な事例の一つを示し、圧縮応力波ｐは、ドリルビット10を岩石16へ貫通させることができない。これは、たとえば、非常に硬い岩の原料16'であるかもしれない。このような場合、最初の応力波ｐは、圧縮応力波ｈとしてドリルビット10から反射して戻り打撃装置７に向かう。図２ｄには第２の特殊な事例を示す。これにおいては、ドリルビット10を抵抗力なしで自由に前進させることができる。たとえば、岩石の空洞の中へ穿孔する場合、穿通抵抗は最小になる。このとき、最初の圧縮応力波ｐは、ドリルビット10から引張反射波として反射して戻り打撃装置７へ向かう。実際の穿孔では、図２ａに示すように、ドリルビット10は抵抗にあうが、圧縮応力波ｐによりまだ前進することができる。ドリルビット10の前進に対して力が抵抗するが、その力の大きさはドリルビット10が岩石16を穿通する距離による。すなわち、ドリルビット10の穿通が進むほど、抵抗力は大きく、またその逆も然りである。したがって、実際において、引張および圧縮反射成分の両方を含む反射波ｈは、ドリルビット10から反射される。図において、引張応力は（＋）で示し、圧縮応力は（−）で示す。引張反射成分（＋）は、反射波ｈにおいては常に最初のもので、圧縮応力成分（−）は２番目のものである。これは、一次圧縮応力波ｐの作用の初期段階においてのドリルビット10の穿通および穿通抵抗が小さく、これによって引張反射成分（＋）が生成されることによる。したがって、この初期状態は、ドリルビット10を大きな抵抗力なしで前進させることができる上述の特殊な状況に似ている。しかし、一次圧縮応力波ｐの作用の最終段階においては、ドリルビット10は既に岩石16へ深く穿通しており、この場合、穿通抵抗は大きく、最初の圧縮応力波ｐは、もはや実質的にはドリルビット10を前方に進めて岩石16に対してより深く押し入れることができない。この状態は、ドリルビット10の岩石16内への進行が妨げられる上述の第２の特殊な事例に似ている。したがって、これによって、ドリルビット10から最初に反射された引張応力波（＋）の直後に続く反射圧縮応力波（−）を生成する。
【００２４】
したがって、打撃装置７により生成されてツール８に対して伝播する応力波は、ツールの第１の端部8a、すなわち打撃装置端部から、ツールの第２の端部8b、すなわちドリルビット端部へ伝播し、再びツールの第１の端部8aへ戻る。このとき、この応力波は、ツール８の長さの２倍の距離を伝播する。本発明の概念によれば、打撃装置７の衝撃周波数は、先の応力波の反射波のうちの１つがツール８の第１の端部8aへ到達した実質的にその瞬間に、この打撃装置７が衝撃パルスを生成するように配される。
【００２５】
応力波の前後走行距離を決める場合、ドリルビット10の長さを無視することができる。なぜならば、ドリルビット10の軸長は、ツール８の全長に対して非常に短いからである。ドリルシャンク13は、典型的には長いので、長さを考慮に入れることができる。
【００２６】
次に、本発明を数式（１）、（２）および（３）を用いて説明する。
【００２７】
ツールの第１の端部から第２の端部への応力波の伝播時間および戻りは、次の数式で計算することができる。
【数１】
2008504475.tif 000003
【００２８】
この数式において、LShankはドリルシャンクの長さであり、LRodは１つのドリルロッドの長さである。ｎがドリルロッドの数である場合、ツールの全長はLtotである。ｃはツールにおける応力波の伝播速度である。したがって、応力波の伝播時間tkは、ツールの全長Ltotと、ツールの材料における応力波の伝播速度ｃとによる。
【００２９】
さらに、周波数を応力波の伝播時間tkに基づいて次の数式により計算することができる。
【数２】
2008504475.tif 000004
【００３０】
周波数fkはドリルロッドの軸方向の自然周波数ではなく、この周波数fkはツールの全長と、応力波の伝播速度だけによることに注意する。
【００３１】
本発明の概念によれば、打撃装置の衝撃周波数fDは応力波の伝播時間に比例して設定することができる。このとき、衝撃周波数は、次の数式に準拠する。
【数３】
2008504475.tif 000005
【００３２】
数式（３）において、ｍは２つの整数の商または倍数である周波数係数である。
【００３３】
周波数係数ｍが２つの整数の商である場合、その分子はまた１以外のものでよいことにも注意すべきである。その分母の値は、応力波が、これに対して新規の一次圧縮応力波が合算されるまでに、ツールにおいて何回前後に伝播したかを示すものである。実際において、分母の最大値は４である。
【００３４】
したがって、実際には、数式（３）は、穿孔において、衝撃周波数はツールにおける応力波の伝播時間に比例するものが用いられることを意味している。このように、新規の圧縮応力波をツールに対して生成して、これを反射波の引張応力成分と合算することができる。図２ｂに示すように、反射応力波ｈがツールの第１の端部8aに到達した場合、引張応力成分（＋）は打撃装置へは伝達されない。なぜならば、ツールの第１の端部8aは自由になっているからである。したがって、引張応力成分（＋）はツールの第１の端部8aから圧縮応力成分（−）として反射して戻りドリルビット10へ向かう。打撃装置によって、新しい圧縮応力波ｐが、ツールの第１の端部8aから反射された圧縮応力成分ptotへ合算される。圧縮応力である生成された合計波ptotは、単なる圧縮応力波ｐよりも大きなエネルギー含有量を有している。さらに、反射圧縮応力成分のエネルギー含有量は小さく、これ自体だけでは岩石を破砕することができない。全体的に、打撃装置７によって生成される衝撃パルスの正確なタイミングが、反射引張応力成分（＋）に関して問題である。
【００３５】
図２ｅは、合計波ptotの形状のいくつかの実施例を示す。引張反射成分の到達に関して新規の圧縮応力波の発生を進行もしくは遅延させることによって、合計波ptotの形状に対して影響を及ぼすことができる。実際において、合計波ptotの形状は、衝撃周波数の微調整によって影響される。衝撃周波数が穿孔装置に基づいて決められた設定よりも高く設定されている場合、図２ｅの一番左側の合計波ptot1が得られ、これは形状が進行している。衝撃周波数が決められた設置よりも小さく設定されている場合、図２ｅの右側に示す長い方の合計波ptot2が得られる。後者の場合、打撃装置によって発生される圧縮応力波は、反射圧縮応力成分の後方に付される。また、図２ｂも、設定に応じた合計波ptotの形状を示す。
【００３６】
図３ないし図６は、伸長ロッド穿孔の原理を示す。このような場合、ツール８は２つ以上の伸長ロッド17aないし17cを含み、これらは継手18a、18bによって共に連結されている。この継手18は、通常、伸長ロッド17が連結される連結ねじを有している。この継手18は、伸長ロッド17の一部にすることができる。連結された伸長ロッド17は、一般的には実質的に同じ長さである。伸長ロッド穿孔による１つの問題は、ツール８の第２の端部8bから反射された引張応力成分（＋）が、継手18およびとくにそれに通される連結ねじを損傷するかもしれないことである。本発明によって、打撃装置７の衝撃周波数を設定して、一次圧縮応力波ｐが反射引張応力成分（＋）と実質的に同時に常に継手18のところにあるようにすることができる。このとき、一次圧縮応力波ｐおよび反射引張応力成分（＋）の効果は、継手18において総計されて、引張応力がこの継手18へ向かうことがないことが確実になる。したがって、継手18および伸長ロッド17の耐久性を以前よりも改善することができる。一次圧縮応力波ｐをどちらかといえば長くすることができるので、圧縮応力波ｐおよび反射波ｈを全く同時に継手18のところにあるようにする必要はなく、反射波ｈの引張応力成分（＋）がそこに到達した場合、圧縮応力波ｐがこの連結点に対してなお影響を及ぼすには十分である。
【００３７】
伸長ロッド穿孔において、打撃装置７の衝撃周波数を次の数式を用いて応力波の伝播時間に比例して設定することができる。
【数４】
2008504475.tif 000006
【００３８】
したがって、衝撃周波数は、１つの伸長ロッド17の長さLRodに応じて設定される。さらに、ドリルシャンク13の長さを無視することができる。なぜならば、ドリルシャンク13の長さは、伸長ロッド17の長さに関して短いからである。
【００３９】
次に、図３ないし図６を参照して、伸長ロッド穿孔における応力波の伝播を詳細に説明する。図３では、穿孔がちょうど開始されて、打撃装置７により生成された第１の圧縮応力波p1が、すでに第３の伸長ロッド17cへ到達している。第２の応力波p2、第３の応力波p3およびその後の応力波が、数式(４)に従って生成され、すなわち、打撃装置７の衝撃周波数が応力波の伝播時間に比例して配される。このとき、ツール８の第２の端部8bから反射された第１の反射波h1は、第２の圧縮応力波p2と実質的に同時に第２の継ぎ手18bへ伝播する。これは図４に示す。さらに、図５の状態において、第１の反射波h1は、反対方向から伝播する第３の圧縮応力波p3がそうであるように、すでに第１の継手18aに到達している。図６において、第２の反射波h2は、第３の圧縮応力波p3と実質的に同時に第２の継手18bへ伝播している。引張応力成分（＋）を含む反射波ｈが連結部へ伝播するごとに、反対方向から伝播する圧縮応力波ｐもまた連結点へ影響を及ぼし、その結果、圧縮応力波ｐは引張応力成分（＋）を相殺する。
【００４０】
図７ないし図９は、制御弁19のその軸を中心とした回転または転回を調節することによって衝撃周波数に対して影響を及ぼすことができるいくつかの打撃装置７を示す。図７ないし図９の打撃装置によって、非常に高い衝撃周波数を達成することができる。この衝撃周波数を450 Hz以上、1 kHz以上にもすることができる。
【００４１】
図７の打撃装置７は、その中に応力部材21を備えたフレーム20を有している。さらに、この打撃装置は、制御弁19を有し、これは適切な回転メカニズムによってその軸を中心として回転され、またはその軸に関して前後に転回される。この制御弁19は、供給路24および同様の排出路25への連絡部を開閉する交互の開口部22および23を備えることができる。さらに、打撃装置のフレーム20は、第１の加圧液空間26を有することができる。また、打撃装置は、伝動ピストン27などの伝動部材を有することもできる。この打撃装置７の基本原理は、応力部材21の緊張と解放が制御弁19を用いて制御されて、衝撃パルスが生成されることである。この応力部材21を緊張させるため、加圧液供給路24をポンプ28からこの制御弁19における開口部22へと導くことができる。制御弁19が回転すると、これらの開口部22が一度に加圧液の供給路24に到達し、加圧液が加圧液空間26へ流れ込むことができる。この結果、伝動ピストン27が応力部材21に対して押し付けることができ、これによって応力部材21が圧縮する。この圧縮の結果、エネルギーが伝動ピストン27に蓄積され、伝動ピストン27をツール８に向けて押し出そうと努める。制御弁19が矢印Ａで示す方向に転回すると、加圧液空間26から開口部23を介して排出路25への連絡部が開かれ、これによって、加圧液空間26内の加圧液が加圧タンク29内へ急速に流入することができる。加圧液が加圧液空間26から出ると、応力部材21は解放され、その応力により生成された力がツール８を圧縮する。応力部材21内に蓄積されたエネルギーは応力パルスとしてツール８内へ伝送する。応力部材21および伝動ピストン27は、それぞれ独立した部品でよく、この場合、応力部材21を固形体の材料で作ることができ、またはこれを第２の加圧液空間30中の加圧液によって作ることができる。応力部材21が固形体の材料で作られる場合、これは伝動ピストン27へ一体化することができる。
【００４２】
図８は、図７の打撃装置７の一実施例を示し、この場合、加圧液は制御弁19の制御なしで、ポンプ28から供給路24に沿って第１の加圧液空間26へ直接供給される。このような場合、制御弁19は、加圧液空間26から排出路25へ加圧液を流すことが可能な開口部23を持てば十分である。したがって、この方式は、第１の加圧液空間26からの加圧液の圧力解放を適切な周波数で制御するだけで、ツール８に対して応力パルスを発生する。
【００４３】
図９は、打撃装置を示して、第２の加圧液空間30を有し、これが流路31を介して加圧源32へ連絡して、加圧液を加圧液空間30へ供給することができる。この方式において、第２の加圧液空間30内の加圧液を応力部材21として働かせることができる。伝動ピストン27もしくは同様なものによって、第１の加圧液空間26および第２の加圧液空間30を互いから分離することができる。ポンプ28は、加圧液を制御弁19を介して第１の加圧液空間26へ供給することができる。制御弁19を、第１の加圧液空間26から供給路24へ、他方では排出路25への連絡部を開閉するように配設することができる。また、ポンプ28および32を互いに連結することもできる。加圧液が、制御弁19により制御されて、第１の加圧液空間26へ供給されると、伝動ピストン27が矢印Ｂで示す方向の最後部位置へ移動し、これによって、加圧液は第２の加圧液空間30から出る。この後、制御弁19は、その軸に関して、加圧液が第１の加圧液空間26から排出路25へ急速に流れることのできる位置に転回する。このとき、第２の加圧液空間30内で作動する圧力と、ポンプ32により生成された圧力とが、伝動ピストン27に対して働いて力を生成し、その結果、伝動ピストン27がツール８に向けて押し出る。伝動ピストン27はツール８を圧縮し、その結果、衝撃パルスがツール８に対して発生されて、圧縮応力波ｐとしてツール８を介して伝播する。穿孔されている岩石からの反射パルスｈは、ツール８から打撃装置７へ戻り伝播する。この反射パルスは伝送ピストン27を矢印Ｂの方向に押し出そうと努め、これによって、この反射パルスのエネルギーが第２の加圧液空間30内の加圧液へ伝動される。このとき、第２の加圧液空間30へ供給される加圧液の量を少なくすることができるが、この場合、衝撃パルスを少量の送り込まれたエネルギーを用いて発生することができる。
【００４４】
図７ないし図９の方式において、制御弁19は、その軸を中心に、たとえば加圧媒体作動式のまたは電動装置の回転用モータ33によって、回転または転回することができ、これを歯車などの適切な伝動部材を介して制御弁19に対して作用するように連結することができる。図７ないし図９に示す方式とは異なり、回転用モータ33を制御弁19へ一体化することもできる。制御弁19の運動は、回転モータ33によって比較的正確に制御することができ、これによって打撃装置７の衝撃周波数の調節も正確になる。したがって、本発明によれば、用いられる穿孔装置の長さに応じた正しい衝撃周波数を正確に用いて、衝撃パルスを発生させることができる。また、衝撃パルスの正確な調節によって、衝撃周波数を微調整し、合計波の形状に影響を及ぼすこともできる。さらに、衝撃周波数および衝撃エネルギーの調節を無段階にすることができる。衝撃周波数および衝撃エネルギーの調節を別個に行うことができる。このことは、衝撃周波数と、衝撃エネルギーの大きさとをそれぞれ別々に所望の値に設定することができることを意味している。
【００４５】
穿孔において用いられる衝撃周波数は、多くのさまざまな方法で測定することができる。図７は、１つの可能性を示し、すなわち、ツール８またはドリルシャンク13に伝播する応力波を、適切なコイル34で検知することができる。図８および図９は、次いで、打撃装置の少なくとも１つの加圧液流路または加圧液空間の圧力または圧力流の、適切なセンサ35による測定と、測定結果を処理する手段を有する打撃装置の制御装置12の測定情報の送信とを説明している。測定結果におけるパルスに基づいて、制御装置12は打撃装置７の衝撃周波数を分析することができる。また、図７ないし図９に示す制御弁19の回転または転回運動を測定し、それに基づいて、使用される衝撃周波数を決めることもできる。上述の方式に加えて、衝撃パルスの構造を示す他の物理的現象を、打撃装置またはこれに付属する手段から測定することによって、衝撃周波数を決めることもできる。したがって、衝撃周波数の測定には、たとえば圧電式センサ、加速センサおよび聴音器を利用することもできる。
【００４６】
また、応力波の伝播時間を、ツール８の長さおよび応力波の伝播速度による上述の数学的方法以外の方法で決めることもできる。打撃装置７は、ツールの第２の端部8bから戻る反射波ｈを測定する１つ以上のセンサまたは測定計器を含むことができる。測定結果に基づいて、制御装置12は、ツールにおける波の伝播時間を決め、衝撃周波数を調節することができる。
【００４７】
さらに、本発明の制御計略を、打撃装置の制御装置12に設定して、測定した衝撃周波数および使用されている穿孔装置を考慮し、本発明の概念にしたがって衝撃周波数を自動的に調節することができる。また、衝撃周波数の調節は手動で行うこともでき、これによって、打撃装置の制御装置12が、用いられる衝撃周波数を操作者に知らせ、操作者が手動で衝撃周波数を調節するが、本発明による方法では、これは用いられる穿孔装置に依存する。操作者は、表もしくは他の補助手段を有することができ、それはさまざまな長さのツールによる穿孔に用いられる衝撃周波数を表示する。さもなければ、正確な衝撃周波数に関する情報を制御装置12に記憶させることができ、これから操作者はそれらの情報を呼び出すことができる。また、この制御装置12は、正しい衝撃周波数の調節の際に操作者を指導することもできる。さらに、伸長ロッドのマニピュレータを配設して、その伸長ロッドにおける識別子を検出し、その都度用いられるツールの全長および各伸長ロッドの長さを制御装置に対して示すことができる。
【００４８】
明確にするために、図９は、制御弁19を回転または転回する手段、制御装置、または衝撃周波数を測定する手段は図示していないことに注意すべきである。
【００４９】
本発明は、加圧液作動式および電気作動式の双方の打撃装置に適用可能である。本発明の実行には、ツール内に伝播する圧縮応力波を生成する打撃装置の種類は重要ではない。衝撃パルスは、打撃装置により生じた短時間の力の作用であり、圧縮応力波をツールに対して発生させる。
【００５０】
本発明の方法は、制御装置12に付属する１つ以上のコンピュータプロセッサにおいてコンピュータプログラムを実行することによって行うことができる。本発明の方法を実行するソフトウエア製品は、制御装置12に記憶させることができ、またはこのソフトウエア製品をCD-ROMディスクなどの記憶手段からコンピュータへロードすることができる。さらに、ソフトウエア製品は、インフォーメーションネットワークを介して他のコンピュータから、たとえば採鉱車の制御システムに付属する装置へロードすることができる。
【００５１】
図10の表は、いくつかのツール長さと、それらの代表的な倍数に関する衝撃周波数の設定値を示す。一例として、打撃装置の衝撃周波数の範囲が350ないし650 Hzである場合、表10にまとめられて示された適切な周波数をこの表から選ぶことができると言える。周波数係数の分母の値は、応力波が、新規の一次圧縮応力波と合算されるまでに、ツール内で前後に何回伝播したかを示す。分母値が小さいほど、ツールに対する反射応力波の負荷が少ない。したがって、周波数係数の選択の際には、商の分母ができる限り小さい値を有する値を選択すべきである。
【００５２】
本発明を用いる場合、本願に説明する構成要件のさまざまな組合せおよびバリエーションを利用することができることに注意すべきである。
【００５３】
本発明の打撃装置は、穿孔においてばかりでなく、破砕ハンマ、および岩石材料または他の硬質材料用の他の破壊装置などの、衝撃パルスを利用する他の装置、ならびにたとえばくい打ち装置においても使用することができる。
【００５４】
図およびその関連説明は、本発明の概念を説明することを意図しているにすぎない。本発明の細部は、特許請求の範囲内で変動してよい。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】図１は、削岩掘削装置の概略的な側面図である。
【図２ａ】図２ａは、穿孔状態において削岩機およびこれに連結されたツールの概略的な側面図である。
【図２ｂ】図２ｂは、ツールの第１の端部、すなわち打撃装置端部と、反射応力波の伝播の概略的な図である。
【図２ｃ】および
【図２ｄ】図２ｃおよび図２ｄは、特殊な穿孔状態と、ツールの最外端部、すなわち第２の端部から戻る応力波の反射の概略的な図である。
【図２ｅ】図２ｅは、衝撃周波数を微調整することによってその生成に影響を受ける、いくつかの合計波の形状を示す概略的な図である。
【図３】ないし
【図６】図３ないし図６は、複数の伸長ロッドを含むツールにおいて、さまざまな時間における一次圧縮応力波およびツールの最外端部から反射された波の伝播の概略的な図である。
【図７】図７は、本発明の打撃装置およびその作動制御の概略的な横断面図である。
【図８】図８は、本発明の第２の打撃装置およびその作動制御の概略的な横断面図である。
【図９】図９は、本発明の第３の打撃装置およびその作動制御の概略的な横断面図である。
【図１０】図１０は、さまざまな長さのツールに関するいくつかの衝撃周波数の設定および衝撃周波数設定用倍数の表である。
【図１】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図２ｃ】
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【図２ｄ】
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【図２ｅ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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