專利名稱：測(cè)量設(shè)備、巖石破碎設(shè)備和測(cè)量應(yīng)力波的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測(cè)量用于破碎巖石的應(yīng)力波的方法，該方法包括 測(cè)量在波導(dǎo)中傳播的應(yīng)力波。
本發(fā)明還涉及一種用于測(cè)量應(yīng)為波的測(cè)量設(shè)備，該測(cè)量設(shè)備包括 至少一個(gè)測(cè)量部件；和用于處理測(cè)量結(jié)果的至少一個(gè)控制單元。
本發(fā)明還涉及一種巖石破碎設(shè)備，它包括框架；刀具；用于在 所述刀具中產(chǎn)生應(yīng)力波的設(shè)備；用于測(cè)量在所述刀具中行進(jìn)的應(yīng)力波 的測(cè)量裝置；用于基于測(cè)量應(yīng)力波來控制巖石破碎設(shè)備的至少一個(gè)控 制單元。
背景技術(shù)：
可以利用撞擊鉆巖機(jī)，通過在巖石中鉆孔來執(zhí)行巖石破碎?；蛘?， 可以利用破碎錘來破碎巖石。在上下文中，術(shù)語"巖石"應(yīng)該被廣義 理解為還涵蓋巨石、巖石材料、硬殼和其它比較堅(jiān)硬的材料。鉆巖機(jī) 和破碎錘包括直接地或者通過刀柄向刀具提供撞擊脈沖的沖擊設(shè)備。 換言之，該沖擊設(shè)備被用于在刀具中產(chǎn)生壓縮應(yīng)力波，在所述刀具中， 所述應(yīng)力波傳播到刀具最外端。當(dāng)壓縮應(yīng)力波達(dá)到刀具最外端時(shí)，由 于應(yīng)力波的影響，而使刀具穿入巖石中。通過沖擊設(shè)備產(chǎn)生的壓縮應(yīng) 力波的一些能量作為反射波被反射回去，該反射波在刀具中沿著相反 方向(即朝向沖擊設(shè)備)傳播。根據(jù)條件，反射波可以包括僅僅壓縮 應(yīng)力波或者拉伸應(yīng)力波。然而，反射波一般地同時(shí)包括拉伸應(yīng)力和壓 縮應(yīng)力兩個(gè)分量?？梢詼y(cè)量出在刀具中行進(jìn)的應(yīng)力波，并且測(cè)量結(jié)果 被用于控制巖石破碎設(shè)備，如例如在US4， 671， 366中所述。 一般地， 電阻應(yīng)變儀被用于測(cè)量應(yīng)力波，但是電阻應(yīng)變儀的聯(lián)接產(chǎn)生問題。難以將電阻應(yīng)變儀黏附到刀具上。US6， 356， 077和US6， 640， 205進(jìn) 一步描述了圍繞刀具布置的線圈，以用于測(cè)量由于刀具中的應(yīng)力波所 引起的磁致伸縮變化或者磁致彈性變化。與這些感應(yīng)方法相關(guān)的問題
在于刀具材料的一致性和磁性歷史會(huì)影響測(cè)量的準(zhǔn)確度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種用于測(cè)量從波導(dǎo)來的應(yīng)力波的新 型的和改進(jìn)的布置。
根據(jù)本發(fā)明的方法特征在于當(dāng)應(yīng)力波經(jīng)過測(cè)量點(diǎn)時(shí)，確定波導(dǎo) 的橫截面的幾何變化；并且從所述橫截面的變化確定應(yīng)力波的性能。
根據(jù)本發(fā)明的測(cè)量設(shè)備特征在于所述測(cè)量設(shè)備包括用于檢測(cè)由
于應(yīng)力波影響而引起的波導(dǎo)的橫截面幾何變化的測(cè)量部件；并且所述
控制單元被布置成從波導(dǎo)的橫截面變化確定所測(cè)量應(yīng)力波的性能。
根據(jù)本發(fā)明的巖石破碎設(shè)備特征在于巖石破碎設(shè)備包括用于檢 測(cè)由于應(yīng)力波影響而引起的刀具橫截面幾何變化的裝置；并且至少一
個(gè)控制單元被布置成基于刀具橫截面變化確定應(yīng)力波性能，以用于控 制所述巖石破碎設(shè)備。
本發(fā)明基于確定在波導(dǎo)中行進(jìn)的應(yīng)力波對(duì)于波導(dǎo)的幾何橫截面的 影響，并且基于此來確定應(yīng)力波的性能。壓縮應(yīng)力波試圖沿著縱向方 向壓縮波導(dǎo)，在此情形中，波導(dǎo)橫截面趨于在壓縮應(yīng)力波下增加。相 應(yīng)地，拉伸應(yīng)力波試圖沿著縱向方向使波導(dǎo)伸展，在此情形中，波導(dǎo) 的幾何橫截面的面積趨于在拉伸應(yīng)力波下減小。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)橫截面的變 化的幅度與應(yīng)力波的強(qiáng)度直接相關(guān)。
本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)在于，與磁致伸縮測(cè)量方法和磁致彈性測(cè)量方法的情 形相比，本發(fā)明更加容易對(duì)應(yīng)力波測(cè)量進(jìn)行控制。
根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的基本思想在于，靠近或者圍繞波導(dǎo)布置一個(gè) 或者多個(gè)導(dǎo)電測(cè)量電極，所述電極與波導(dǎo)和絕緣間隙一起形成電容器。 所述測(cè)量設(shè)備被布置成確定這樣形成的電容器的電容。電容基本僅受 所述絕緣間隙的尺寸的影響。在另一方面，絕緣間隙的尺寸受到由于 在波導(dǎo)中行進(jìn)的應(yīng)力波而引起的波導(dǎo)的膨脹或者變薄的影響。所述測(cè) 量設(shè)備可以測(cè)量在波導(dǎo)和電極之間的電容的變化，或者可選地，測(cè)量 設(shè)備可以被布置成測(cè)量在兩個(gè)測(cè)量電極之間的電容，所述兩個(gè)測(cè)量電 極均與波導(dǎo)形成電容器。
本發(fā)明實(shí)施例的基本思想在于，用于電容測(cè)量的所述測(cè)量電極是 圍繞波導(dǎo)布置的導(dǎo)電環(huán)。
本發(fā)明實(shí)施例的基本思想在于，應(yīng)力波測(cè)量是無接觸的，在此情 形中，所述波導(dǎo)可以圍繞它的軸線旋轉(zhuǎn)，并且可以沿著軸向方向移動(dòng)， 而不會(huì)受到測(cè)量部件阻止。特別地，這在巖石鉆孔中是有利的，因?yàn)?在鉆孔期間， 一般地利用旋轉(zhuǎn)設(shè)備來旋轉(zhuǎn)所述刀具。
本發(fā)明實(shí)施例的基本思想在于，沿著波導(dǎo)縱向方向相繼地布置用 于電容測(cè)量的至少兩個(gè)測(cè)量電極。相繼的測(cè)量電極彼此絕緣。在此情 形中，測(cè)量信號(hào)可以沿著電線等，從相繼的測(cè)量電極被供應(yīng)到至少一 個(gè)控制單元，在此情形中，在測(cè)量設(shè)備和波導(dǎo)之間不存在機(jī)械接觸， 而是測(cè)量可以是無接觸的。
本發(fā)明實(shí)施例的基本思想在于，利用支承件將用于電容測(cè)量的測(cè) 量電極安裝在波導(dǎo)中，從而使得測(cè)量電極保持其相對(duì)于波導(dǎo)的位置， 而與波導(dǎo)的任何橫向移位無關(guān)。在此情形中，波導(dǎo)的橫向移位基本上 根本不會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。
根據(jù)發(fā)明實(shí)施例的基本思想在于，至少在一個(gè)測(cè)量點(diǎn)處，基于電
容測(cè)量，使用兩個(gè)或者更多個(gè)測(cè)量電極，所述測(cè)量電極在波導(dǎo)的縱向 方向上被布置在相同的點(diǎn)處，但是布置在相對(duì)于彼此位于波導(dǎo)的相對(duì) 側(cè)上?？梢酝ㄟ^確定在波導(dǎo)的相對(duì)側(cè)上的電極部分和波導(dǎo)之間的電容 而測(cè)量應(yīng)力波。在此情形中，不必將測(cè)量電極以機(jī)械方式連接到波導(dǎo)， 而是測(cè)量可以是無接觸的。在另一方面，可以在測(cè)量設(shè)備的控制單元 中處理從測(cè)量電極接收到的測(cè)量結(jié)果，例如，通過過濾掉波導(dǎo)的橫向 移位。在此情形中，在波導(dǎo)和測(cè)量電極之間的橫向運(yùn)動(dòng)對(duì)于測(cè)量結(jié)果 沒有任何作用，而是僅僅基于波導(dǎo)的幾何橫截面的變化來確定應(yīng)力波。
根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的基本思想在于，測(cè)量電極被布置在波導(dǎo)的最 大外部尺寸處，在此情形中，測(cè)量準(zhǔn)確度能夠更好。在鉆巖機(jī)中，可 以例如圍繞刀柄布置測(cè)量電極，這是因?yàn)榈侗睆揭话愦笥阢@桿直徑。
本發(fā)明實(shí)施例的基本思想在于所述控制單元被布置成基于所測(cè) 量應(yīng)力波調(diào)節(jié)巖石破碎設(shè)備的控制參數(shù)。所述控制單元可以包括一個(gè) 或者更多個(gè)調(diào)節(jié)策略，所述調(diào)節(jié)策略旨在例如實(shí)現(xiàn)刀具最大穿入速率、 改進(jìn)鉆孔中的鉆孔質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)刀具和裝備的更長壽命，或者提高巖石 破碎設(shè)備的效率。所述控制參數(shù)可以包括沖擊頻率、沖擊能量和進(jìn)給 作用力。此外，在巖石鉆孔中，進(jìn)給速率、旋轉(zhuǎn)速率和沖刷可以被用 作控制參數(shù)。
本發(fā)明實(shí)施例的基本思想在于所述測(cè)量設(shè)備包括用于存儲(chǔ)測(cè)量 結(jié)果的至少一個(gè)存儲(chǔ)器元件。在此情形中，可以存儲(chǔ)并且在以后利用 該測(cè)量結(jié)果，例如，以便找出工作場所的巖石類型，以及用于設(shè)計(jì)工 作場所和所要采用的方法，或者用于監(jiān)視狀態(tài)。可以在單獨(dú)的計(jì)算單 元中處理測(cè)量結(jié)果。
本發(fā)明的實(shí)施例是基于以下思想，即所述測(cè)量設(shè)備包括用于將測(cè) 量結(jié)果從測(cè)量設(shè)備傳遞到巖石破碎設(shè)備的控制單元或者另一設(shè)備的至 少一個(gè)數(shù)據(jù)傳遞部件。在此情形中，可以在控制鉆孔過程或者破碎過
程中采用測(cè)量結(jié)果。
本發(fā)明的實(shí)施例是基于以下思想，即通過機(jī)電式薄膜(EMFi)測(cè) 量波導(dǎo)的橫截面變化，當(dāng)波導(dǎo)的橫截面增加和減小時(shí)，該薄膜對(duì)向其 施加的壓縮作出反應(yīng)。
本發(fā)明的實(shí)施例是基于以下思想，即通過激光束測(cè)量波導(dǎo)的橫截 面變化。
本發(fā)明的實(shí)施例是基于以下思想，即基于波導(dǎo)的體積變化測(cè)量應(yīng) 力波。


將在附圖中更加詳細(xì)描述本發(fā)明的一些實(shí)施例，其中-
圖la是巖石鉆機(jī)的概略側(cè)視圖lb是破碎錘的概略側(cè)視圖2a是在鉆孔狀態(tài)下的鉆巖機(jī)和與之連接的刀具的概略側(cè)視圖2b概略地示意出刀具的第一端部，即朝向沖擊設(shè)備的端部；以 及反射的應(yīng)力波的行進(jìn)；
圖2c和2d概略地示意出在鉆孔和應(yīng)力波從刀具最外端，即從第 二端部反射回來中的特殊狀態(tài)；
圖3概略地示意根據(jù)本發(fā)明的波導(dǎo)橫截面和應(yīng)力波的測(cè)量原理；
圖4a概略地示意沿著刀具縱向方向看見的利用圍繞波導(dǎo)布置的一 個(gè)電極進(jìn)行的應(yīng)力波的電容測(cè)量；
圖4b概略地示意出沿著刀具縱向方向看見的基于電容測(cè)量的測(cè) 量電極的劃分，其被分劃成圍繞波導(dǎo)的數(shù)個(gè)電極部分；
圖5是利用沿著軸向方向的數(shù)個(gè)相繼電極進(jìn)行的應(yīng)力波的電容測(cè) 量的概略透視圖6概略地示意沿著刀具縱向方向看見的利用在管狀波導(dǎo)中布置 的一個(gè)或者更多個(gè)電極進(jìn)行的應(yīng)力波的電容測(cè)量；
圖7是一種布置的概略側(cè)視圖；其中利用要被測(cè)量波導(dǎo)中的支承 件安裝測(cè)量電極；
圖8概略地示意沿著刀具縱向方向看見的基于激光干涉測(cè)量法的 應(yīng)力波測(cè)量的原理；
圖9概略地示意沿著刀具縱向方向看見的基于圍繞波導(dǎo)的介質(zhì)， 例如EMFi薄膜的應(yīng)力波的測(cè)量；
圖10概略地示意沿著刀具縱向方向看見的基于圍繞刀具的流體 空間的體積的變化進(jìn)行的應(yīng)力波的測(cè)量；
圖11到13概略地示意在利用不充分進(jìn)給對(duì)巖石鉆孔的狀態(tài)下的 基于電容測(cè)量的限定的一些曲線；
圖14-6概略地示意在要被鉆孔巖石是軟巖石的狀態(tài)下的基于電容 測(cè)量的限定的一些曲線；并且
圖17到20概略地示意了與對(duì)電容測(cè)量電極和波導(dǎo)之間的偏心進(jìn) 行補(bǔ)償有關(guān)的一些曲線。
為了清楚起見，所述的圖以簡化方式示意出本發(fā)明的一些實(shí)施例。 相同的參考數(shù)字指的是圖中的相同部件。
具體實(shí)施例方式
圖l示意巖石鉆機(jī)l，它包括載架2和至少一個(gè)進(jìn)給橫梁3，鉆巖 機(jī)4以可移動(dòng)方式布置在該進(jìn)給橫梁上。利用進(jìn)給設(shè)備5，鉆巖機(jī)4可 被推向待鉆孔巖石，并且相應(yīng)地被從巖石中拉離。進(jìn)給設(shè)備5可以包 括例如一個(gè)或者更多液壓缸，所述液壓缸可以被布置成利用適當(dāng)?shù)膭?dòng) 力傳輸裝置來移動(dòng)鉆巖機(jī)4。 一般地，進(jìn)給橫梁3被布置在可以相對(duì)于 載架2移動(dòng)的吊桿6中。鉆巖機(jī)4包括用于向連接到鉆巖機(jī)4的刀具8 提供撞擊脈沖的沖擊設(shè)備7。刀具8可以包括一個(gè)或者更多個(gè)鉆桿，和 鉆頭10。此外，鉆巖機(jī)4可以包括用于使刀具8圍繞它的縱向軸線旋 轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)設(shè)備ll。在鉆孔期間，沖擊設(shè)備7向刀具8提供撞擊脈沖， 刀具8可以利用旋轉(zhuǎn)設(shè)備ll而同時(shí)地旋轉(zhuǎn)。另外，鉆巖機(jī)4可以在鉆 孔期間被推向巖石，從而使得鉆頭IO能夠破碎巖石。可以通過一個(gè)或
者更多個(gè)控制單元12控制巖石鉆孔?？刂茊卧?2可以包括計(jì)算機(jī)等。
控制單元12可以向控制巖石鉆機(jī)4和進(jìn)給設(shè)備5的操作的致動(dòng)器(例 如控制壓力介質(zhì)的閥門)發(fā)出控制命令。鉆巖機(jī)4的沖擊設(shè)備7、旋轉(zhuǎn) 設(shè)備11和進(jìn)給設(shè)備5可以是壓力介質(zhì)操作的致動(dòng)器，或者它們可以是 電致動(dòng)器。
圖2a示意了鉆巖機(jī)4，在此鉆巖機(jī)中，刀具8連接到它的刀柄13。 在鉆巖機(jī)4中包括的沖擊設(shè)備7可以包括沖擊元件14，例如沖擊活塞， 該沖擊元件被布置成來回移動(dòng)，并且沖擊刀柄13中的沖擊表面15，并 且產(chǎn)生撞擊脈沖，該撞擊脈沖作為壓縮應(yīng)力波通過刀柄13和刀具8而 傳播到鉆頭10，傳播速度取決于材料。在圖2c中示意巖石鉆孔的一種 特殊情形，其中由于壓縮應(yīng)力波的影響，鉆頭IO不能穿入巖石16中。 其原因在于可能是例如非常堅(jiān)硬的巖石材料16'。在此情形中，初始應(yīng) 力波p作為壓縮應(yīng)力波h從鉆頭10朝向沖擊設(shè)備7被反射回來。在圖 2d中示意了另一種特殊情形，其中鉆頭IO可以無阻力地向前移動(dòng)。例 如，當(dāng)在巖石中的洞穴上執(zhí)行鉆孔時(shí)，穿入阻力較小。在此情形中， 初始?jí)嚎s應(yīng)力波p作為拉伸反射波被從鉆頭10發(fā)射朝向沖擊設(shè)備7。 在圖2a示意的實(shí)際鉆孔中，由于壓縮應(yīng)力波p的影響，鉆頭10受到 阻力，但是仍然能夠向前移動(dòng)。鉆頭10的向前運(yùn)動(dòng)受到作用力的抵抗， 作用力大小依賴于鉆頭10已經(jīng)穿入巖石16中的深度有多深；鉆頭10 穿入得越深，則阻力越大，并且反之亦然。因此在實(shí)際鉆孔中，反射 波h被從鉆頭IO反射，該反射波包括拉伸反射和壓縮反射兩個(gè)分量。 在圖中，拉伸應(yīng)力由(+ )號(hào)標(biāo)注，并且壓縮應(yīng)力由(O號(hào)標(biāo)注。拉伸 反射分量(+ )在反射波h中總是第一的，并且壓縮應(yīng)力分量(-)跟隨 其后。其原因在于在主要壓縮應(yīng)力波p的影響的初始階段，鉆頭IO 的穿入深度和穿入阻力較小，這產(chǎn)生拉伸反射分量(+ )。因此，這種 初始狀況代表上述特殊狀況，即其中鉆頭IO可以無顯著阻力地向前移 動(dòng)。在另一方面，在主要壓縮應(yīng)力波p作用的最后階段，鉆頭10已經(jīng) 較深地穿入巖石16中，在此情形中，穿入阻力更高，并且原始?jí)嚎s應(yīng) 力波p基本上不再能夠更深地推動(dòng)鉆頭10進(jìn)入巖石16中。這種狀況
代表上述的第二特殊情形，即其中阻止鉆頭10向前移動(dòng)到巖石16中。 這產(chǎn)生反射壓縮應(yīng)力波(-)，它緊隨首先從鉆頭IO反射的拉伸應(yīng)力波 (+ )。
在巖石鉆孔中，能夠從刀柄、鉆桿或從這兩者測(cè)量到應(yīng)力波，它 們因此用作波導(dǎo)。
在圖lb示意的破碎錘20中，鑿子或者鑿子保持器可以用作波導(dǎo)。 同樣的，在破碎錘20中，沖擊設(shè)備在刀具中產(chǎn)生從刀具第一端部(即 朝向沖擊設(shè)備的端部)傳播到刀具第二端部并且然后返回到刀具第一 端部的應(yīng)力波。
圖3示意出根據(jù)本發(fā)明的測(cè)量原理。當(dāng)應(yīng)力波在波導(dǎo)中行進(jìn)時(shí)， 波導(dǎo)21的幾何橫截面發(fā)生變化。本發(fā)明是基于以下思想，即測(cè)量這個(gè) 橫截面的幾何變化并且使用該測(cè)量結(jié)果作為基礎(chǔ)，以用于確定應(yīng)力波 的性能，例如波形、振幅、波長、頻率等。當(dāng)壓縮應(yīng)力波在波導(dǎo)21中 行進(jìn)時(shí)，它的截面趨于在應(yīng)力波下壓縮，在此情形中，它的橫截面增 加。相應(yīng)地，在拉伸應(yīng)力波下，橫截面減小。換言之，根據(jù)應(yīng)力波為 壓縮應(yīng)力波還是拉伸應(yīng)力波，而在波導(dǎo)中形成膨脹或者變薄。在圖3 中，虛線a以高度簡化的方式示意了由于壓縮應(yīng)力波的影響而使得橫 截面增加，并且虛線b示意了由于拉伸應(yīng)力波影響而使得橫截面減小。 測(cè)量可以基于波導(dǎo)21的外部尺寸的變化、管狀波導(dǎo)內(nèi)部尺寸的變化、 橫截面的面積變化或者波導(dǎo)體積的變化。
圖4a示意電容應(yīng)力波測(cè)量的原理。圍繞波導(dǎo)21布置有連接到在 測(cè)量設(shè)備23中包括的控制單元24的環(huán)形導(dǎo)電測(cè)量電極22，例如金屬 環(huán)。在波導(dǎo)21外部尺寸和測(cè)量電極之間，可以有絕緣層25，它可以是 空氣、潤滑油、沖洗流體等。當(dāng)應(yīng)力波在波導(dǎo)中行進(jìn)時(shí)，波導(dǎo)的外部 尺寸發(fā)生變化，這影響到絕緣層25的厚度。利用測(cè)量設(shè)備23測(cè)量由 波導(dǎo)21、絕緣層25和測(cè)量電極22所形成的電容器的電容。在測(cè)量中，
絕緣材料的介電常數(shù)基本上不變化。當(dāng)橫截面變化時(shí)，波導(dǎo)外部表面 的面積變化，并且因此也影響到電容。然而，電容主要受到絕緣間隙
26的尺寸影響。因此，可以通過測(cè)量電壓確定絕緣間隙26的尺寸，間 隙的尺寸依賴于由于應(yīng)力波而引起的膨脹或者變薄。另外，由波導(dǎo)2K 絕緣間隙26和測(cè)量電極22形成的電容器可以被連接到一個(gè)諧振電路 等上，在此情形中，在測(cè)量中考慮電路的頻率變化。也可以應(yīng)用測(cè)量 電容的其它方式。從應(yīng)力波測(cè)量到的信息可以被從測(cè)量設(shè)備的控制單 元24傳遞到破碎設(shè)備的控制單元12。
進(jìn)而，絕緣層25可以由數(shù)個(gè)不同部分構(gòu)成。例如，測(cè)量電極22 可以設(shè)有塑料外殼或者框架，在外殼或框架處布置電極22的導(dǎo)電部分。 在此情形中，在波導(dǎo)21的外部尺寸和電極22之間的絕緣層25可以由 塑料材料和空氣構(gòu)成。而且，當(dāng)電極22、波導(dǎo)21或者兩者涂覆有由絕 緣材料制成的涂覆劑時(shí)，絕緣層25包括數(shù)個(gè)不同部分。當(dāng)處理測(cè)量結(jié) 果時(shí)，可以將不同絕緣部分的影響考慮在內(nèi)。進(jìn)而，當(dāng)絕緣層25包括 數(shù)個(gè)疊加部分時(shí)， 一個(gè)或者多個(gè)部分可以是可壓縮的，從而使得波導(dǎo) 21的橫截面能夠變化并且能夠測(cè)量該變化。
圖4b進(jìn)一步示意測(cè)量電極22可以被分劃成數(shù)個(gè)部分22a到22d， 它們具有圓環(huán)面扇區(qū)的形狀，并且在它們之間存在絕緣27a到27d。測(cè) 量電極的部分27的數(shù)目可以如圖所示為四個(gè)，但是在另一方面，數(shù)目 可以是兩個(gè)或者更多個(gè)。測(cè)量設(shè)備23可以被用于測(cè)量由相對(duì)側(cè)上的電 極部分22a和22c; 22b和22d形成的電容器，在此情形中，測(cè)量可以 是無接觸的。此外，該布置使得能夠考慮波導(dǎo)21相對(duì)于測(cè)量電極的這 些部分22的任何橫向移位。測(cè)量信息可以被從測(cè)量電極的每一個(gè)部分 22傳遞到控制單元24，在控制單元24處，測(cè)量結(jié)果可以被過濾，從 而消除由于波導(dǎo)橫向移位引起的誤差。例如，由于支承件的破壞，波 導(dǎo)21可能會(huì)沿著橫向方向移動(dòng)。
圖5示意一種方案，其中兩個(gè)測(cè)量電極22a、 22b沿著軸向方向相
繼布置。在測(cè)量電極22之間存在空氣間隙或者另一絕緣層27。如果必
需的話，則可以沿著軸向方向相繼布置三個(gè)或者更多測(cè)量電極。在該
實(shí)施例中，通過在相繼測(cè)量電極22a、 22b和波導(dǎo)21之間的測(cè)量設(shè)備 23來測(cè)量電容。測(cè)量可以是無接觸的，即在測(cè)量電極和波導(dǎo)之間不存 在機(jī)械接觸。此外， 一個(gè)或者更多測(cè)量電極22可以如例如圖4b所示 由兩個(gè)或者更多的電極部分構(gòu)成，在此情形中，可以通過過濾來消除 由于波導(dǎo)21的偏心引起的測(cè)量誤差。
圖6示意了一個(gè)實(shí)施例，其中測(cè)量電極22被布置在管狀波導(dǎo)21 中。在此情形中，波導(dǎo)21具有環(huán)形截面，該橫截面包括內(nèi)徑和外徑。 應(yīng)該提及，例如，用于巖石鉆孔中的鉆桿和刀柄一般地具有環(huán)形截面， 以用于供應(yīng)沖洗流體。可以利用波導(dǎo)21中的適當(dāng)支撐部件來支撐測(cè)量 電極22。測(cè)量電極22可以包括數(shù)個(gè)電極部分22a、 22b，在此情形中， 可以測(cè)量這些電極部分之間的電容。此外，因?yàn)闇y(cè)量電極包括數(shù)個(gè)電 極部分，所以不必在波導(dǎo)中準(zhǔn)確地將測(cè)量電極中心定位，而是可以將 在控制單元24中進(jìn)行的測(cè)量結(jié)果的過濾中對(duì)從波導(dǎo)21的中央軸線的 任何偏離考慮在內(nèi)。
圖7示意高度簡化的實(shí)施例，其中測(cè)量電極22a、 22b通過支承件 而被安裝在波導(dǎo)21中，從而使得波導(dǎo)21可以相對(duì)于測(cè)量電極22沿著 軸向方向移動(dòng)，并且可以圍繞它的縱向軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。相反的是，測(cè)量電 極22被布置成隨著波導(dǎo)21移動(dòng)，如果波導(dǎo)21沿著橫截方向移動(dòng)。在 此情形中，測(cè)量電極22保持與波導(dǎo)21共軸，即使波導(dǎo)21將由于某種 原因而從它的初始位置移動(dòng)也是。測(cè)量電極22可以被布置在一個(gè)測(cè)量 框架28中，該測(cè)量框架可以利用一個(gè)或者更多支承件29支撐抵靠到 波導(dǎo)21的外表面。當(dāng)然，也可以使用通過支承件而在波導(dǎo)21的外表 面中安裝測(cè)量電極22的其它方式。
圖8示意一個(gè)實(shí)施例，其中通過激光干涉儀30測(cè)量在波導(dǎo)的兒何 橫截面中發(fā)生的變化。波導(dǎo)21的相對(duì)側(cè)可以設(shè)有用于測(cè)量到波導(dǎo)21 的外表面的距離L1、 L2的激光束收發(fā)器31。隨著距離L1和L2增加， 注意到由于壓縮應(yīng)力波引起的膨脹，并且相應(yīng)地，隨著距離Ll和L2 降低時(shí)，注意到由于拉神應(yīng)力波引起的變薄。測(cè)量設(shè)備的控制單元24 可以分析測(cè)量結(jié)果并且由此確定應(yīng)力波性能。進(jìn)而，如果其中一個(gè)測(cè) 量距離減小并且另一個(gè)增加，則測(cè)量設(shè)備的控制單元24可以將其解釋 為波導(dǎo)的橫向移位，而非由于應(yīng)力波引起的測(cè)量變化。代替激光干涉 儀，可行的是使用能夠檢測(cè)沿著波導(dǎo)橫截方向、由于應(yīng)力波引起的移 位的另一種光學(xué)距離測(cè)量設(shè)備。
圖9示意一種實(shí)施例，其中介質(zhì)薄膜33被布置在波導(dǎo)21和參考 表面32 (例如鉆機(jī)框架)之間的間隙中。該介質(zhì)薄膜對(duì)于由波導(dǎo)的橫 截面測(cè)量變化引起的壓力變化做出反應(yīng)。由于壓縮應(yīng)力波的影響，波 導(dǎo)21的外部尺寸增加，在此情形中，有較大壓力被施加到在間隙中布 置的介質(zhì)薄膜33上，這是因?yàn)樵摻橘|(zhì)薄膜位于波導(dǎo)21和參考表面32 之間。相應(yīng)地，當(dāng)拉伸應(yīng)力波達(dá)到測(cè)量點(diǎn)時(shí)，在介質(zhì)薄膜33上施加的 壓力降低。對(duì)于壓力做出反應(yīng)的介質(zhì)薄膜33可以例如是機(jī)電式薄膜 (EMFi)等。機(jī)電式薄膜可以是薄的恒定充電的塑料薄膜，其兩側(cè)均 可以涂覆有導(dǎo)電層。在薄膜上施加的壓縮能夠作為由薄膜產(chǎn)生的電壓 信號(hào)而被檢測(cè)到。測(cè)量設(shè)備23的控制單元24可以分析該電壓信號(hào)并 且從此確定應(yīng)力波的性能。圖9還示意了數(shù)據(jù)通訊連接36和存儲(chǔ)器元 件37，它們可以被布置成與測(cè)量設(shè)備23連接，以用于處理測(cè)量數(shù)據(jù)。 測(cè)量數(shù)據(jù)可以利用數(shù)據(jù)通訊連接36而被從測(cè)量設(shè)備23以無線或者有 線方式傳送到巖石破碎設(shè)備的控制單元12或者其他地方。另外，測(cè)量 數(shù)據(jù)可以被存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器元件37中，以用于進(jìn)一步處理。在存儲(chǔ)器元 件37中存儲(chǔ)的測(cè)量數(shù)據(jù)可以被用于狀態(tài)監(jiān)視中、收集巖石類型數(shù)據(jù)中、 以及設(shè)計(jì)礦井中等。
圖10示意一個(gè)另外的實(shí)施例，其中圍繞波導(dǎo)21形成壓力流體空 間34。通過壓力傳感器35測(cè)量在壓力流體空間中作用的壓力流體。應(yīng) 力波引起波導(dǎo)21的橫截面測(cè)量變化，在此情形中，波導(dǎo)21的體積也
在所述的軸向部分上變化。波導(dǎo)21的體積變化也引起壓力流體空間34 的體積變化，這能夠在壓力測(cè)量中作為壓力脈沖被檢測(cè)到。測(cè)量結(jié)果
可以被發(fā)送到測(cè)量設(shè)備23的控制單元24，控制單元24可以分析壓力 脈沖并且從此確定應(yīng)力波的性能。
可以在巖石鉆機(jī)或者破碎錘的控制單元12中設(shè)定一個(gè)或者更多 控制策略，以用于基于所測(cè)量應(yīng)力波自動(dòng)地調(diào)節(jié)設(shè)備的操作。也可以 人工地執(zhí)行調(diào)節(jié)，在此情形中，操作員從控制單元12接收有關(guān)基于應(yīng) 力波計(jì)算的控制數(shù)據(jù)的信息并且可以人工地調(diào)節(jié)這些參數(shù)。巖石破碎 設(shè)備的控制單元12和測(cè)量設(shè)備23的控制單元24均可以包括一個(gè)或者 更多計(jì)算機(jī)，其處理器可以執(zhí)行計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品。執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的 測(cè)量和調(diào)節(jié)的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品可以存儲(chǔ)在控制單元12、24的存儲(chǔ)器中， 或者計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品可以從存儲(chǔ)器元件(例如CD-ROM)被加載到計(jì)
算機(jī)中。此外，計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品可以經(jīng)由數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)從另一計(jì)算機(jī)加載 到例如屬于這個(gè)控制系統(tǒng)的設(shè)備中。
測(cè)量設(shè)備23的控制單元24可以被集成到主機(jī)中，例如集成到巖 石鉆機(jī)或者挖掘機(jī)的控制單元12中，或者測(cè)量設(shè)備可以是獨(dú)立的單元。 控制單元24可以控制測(cè)量設(shè)備23的內(nèi)部操作，例如過濾測(cè)量信號(hào)、 計(jì)算、存儲(chǔ)、顯示和向另一單元或者另一類似的過程的傳輸。在一些 情形中，控制單元24也可以控制外部功能或者外部設(shè)備。
在測(cè)量設(shè)備23、傳感器或者其它測(cè)量部件中包括的電極也可以被 連接成向破碎設(shè)備的控制單元12直接發(fā)送測(cè)量信號(hào)。
在下面，描述三個(gè)實(shí)例，其中通過沖擊巖石鉆機(jī)對(duì)巖石鉆孔，并 且通過電容測(cè)量設(shè)備來測(cè)量在刀具中行進(jìn)的應(yīng)力波。
實(shí)例1:
圖11示意作為時(shí)間函數(shù)的基本應(yīng)力波p和反射應(yīng)力波h的曲線。
在此情形中，在巖石鉆機(jī)中包括的沖擊設(shè)備已經(jīng)向刀具提供撞擊脈沖， 該撞擊脈沖已經(jīng)在刀具中產(chǎn)生基本壓縮應(yīng)力波，所述應(yīng)力波在刀具中 朝向它的最外端傳播。如果在不充分進(jìn)給下執(zhí)行鉆孔，則在刀具和巖 石之間可能存在間隙。在此情形中，由于該間隙，刀具在開始時(shí)不受 任何穿入阻力，這引起較大的反射拉伸應(yīng)力波h+，該拉神應(yīng)力波朝向 沖擊設(shè)備傳播。在刀具和巖石之間的間隙已經(jīng)閉合之后，穿入阻力再 次變大，這引起較大的反射壓縮應(yīng)力波h-，該壓縮應(yīng)力波在反射拉伸 應(yīng)力波h+之后朝向沖擊設(shè)備傳播。當(dāng)檢測(cè)到具有這種形式的反射波h 時(shí)，控制單元可以解釋在不充分進(jìn)給下執(zhí)行鉆孔。在此情形中，控制 動(dòng)作可以是增加進(jìn)給。
圖13示意電容測(cè)量設(shè)備的測(cè)量結(jié)果，并且圖12示意從該測(cè)量結(jié) 果確定的波導(dǎo)橫截面的徑向移位。如從圖11到13可見，波導(dǎo)的電容 和徑向移位上的變化基本與應(yīng)力波的形式一致。
橫截面徑向移位可以通過下面的公式計(jì)算
其中i;是材料Poissoii (泊松)常數(shù)，E是彈性模量，并且r。是未 變形橫截面的外徑。
另外，可以使用下面的公式計(jì)算環(huán)形電極的電容
<formula>formula see original document page 17</formula>其中fo是真空介電常數(shù)，f是絕緣體的相對(duì)介電常數(shù)，d是在環(huán)形
電極中心點(diǎn)和刀具中心點(diǎn)之間的距離(偏心)，r是刀具外徑(包括變 形的話是r-r。+UK)，并且R是電極的內(nèi)徑。 實(shí)例2:
圖14示意作為時(shí)間函數(shù)的基本應(yīng)力波p和反射應(yīng)力波h的曲線。
在此情形中，在巖石鉆機(jī)中包括的沖擊設(shè)備已經(jīng)向刀具提供撞擊脈沖， 該撞擊脈沖已經(jīng)在刀具中產(chǎn)生基本壓縮應(yīng)力波p，該基本壓縮應(yīng)力波在 刀具中朝向它的最外端傳播。如果對(duì)非常柔軟的巖石進(jìn)行鉆孔，則穿 入阻力較小。因?yàn)榈毒卟荒鼙贿m當(dāng)?shù)刂蔚挚康綆r石，因此朝向沖擊 設(shè)備傳播的反射波h被從基本應(yīng)力波p反射，該反射波具有較大的反 射拉伸應(yīng)力波h+,但是僅僅較小的反射壓縮應(yīng)力波h-，這是因?yàn)?，?柔軟巖石中，不產(chǎn)生小的穿入阻力，直至在刀具穿入結(jié)束為止。反射
波的最大部分因此主要包括拉伸應(yīng)力。當(dāng)探測(cè)到這種反射應(yīng)力波h時(shí)， 控制單元可以識(shí)別到已經(jīng)在柔軟巖石類型上執(zhí)行鉆孔。在此情形中，
控制動(dòng)作可以是減小進(jìn)入的應(yīng)力波P的振幅，這允許降低對(duì)于鉆孔 設(shè)施不利的反射拉伸應(yīng)力波h+?；蛘撸梢圆捎镁哂懈蟠┤胱枇Φ?刀具。
如從圖14到16可見，波導(dǎo)的電容和徑向移位的變化基本與應(yīng)力 波的形式一致。
實(shí)例3:
圖17示意作為時(shí)間函數(shù)的基本應(yīng)力波p和反射應(yīng)力波h的曲線。
可以圍繞待測(cè)量波導(dǎo)，即一般地圍繞鉆巖機(jī)中的鉆桿布置環(huán)形測(cè) 量電極。如果鉆桿相對(duì)于測(cè)量電極是偏心的，則偏心引起電容變化。 圖18示意出對(duì)于三個(gè)不同偏心數(shù)值的電容。
可以通過下面的公式計(jì)算相對(duì)偏心ds:
<formula>formula see original document page 18</formula>。
然而，應(yīng)該指出，為了使得偏心的測(cè)量方法有用，應(yīng)該將由于偏 心引起的電容的變化和由于鉆桿引起的橫截面變化的相互區(qū)分開。
當(dāng)偏心較小時(shí)，可以通過例如從信號(hào)中過濾掉低頻分量而消除偏 心誤差。這產(chǎn)生根據(jù)圖19的信號(hào)。
通過根據(jù)下面的公式，使用相對(duì)電容CS能夠更好地補(bǔ)償偏心誤
差
其中Co是在偏心但是無變形的鉆桿和電極之間的電容。這是通過 在測(cè)量點(diǎn)處無應(yīng)力波作用的狀態(tài)下測(cè)量電容實(shí)現(xiàn)的。
這產(chǎn)生根據(jù)圖20的信號(hào)。
應(yīng)該指出，在壓力介質(zhì)操作和電操作沖擊設(shè)備7中均可以應(yīng)用本
發(fā)明。用于在波導(dǎo)21中產(chǎn)生應(yīng)力波的設(shè)備的類型與實(shí)施本發(fā)明無關(guān)。
因此，可以通過適當(dāng)?shù)牟òl(fā)生器，例如直接從液壓能量產(chǎn)生應(yīng)力波， 而不用適當(dāng)?shù)淖矒艋钊蜎_擊活塞。換言之，通過沖擊設(shè)備或者產(chǎn)生 應(yīng)力波的類似的設(shè)備，在波導(dǎo)中產(chǎn)生短期作用力效應(yīng)，并且該作用力 效應(yīng)在波導(dǎo)中產(chǎn)生應(yīng)力波。通過該設(shè)備產(chǎn)生的應(yīng)力波可以是壓縮應(yīng)力 波或者拉伸應(yīng)力波。
能夠通過測(cè)量設(shè)備檢測(cè)應(yīng)力波對(duì)于波導(dǎo)的幾何橫截面的影響。提 供給波導(dǎo)的應(yīng)力波和反射應(yīng)力波均引起波導(dǎo)的橫截面幾何變化。可以 在巖石破碎設(shè)備的控制單元中或者在另一控制單元或者計(jì)算單元中， 基于測(cè)量設(shè)備的控制單元中的測(cè)量結(jié)果分析應(yīng)力波的形式和其它性 能。也可以確定應(yīng)力波是否為進(jìn)入的應(yīng)力波，或者是反射的應(yīng)力波， 以及它們的不同的波分量。
還可行的是，與沖擊設(shè)備相連接地布置根據(jù)所述實(shí)施例的測(cè)量設(shè) 備23，并且基于沖擊元件(例如沖擊活塞)的橫截面變化確定沖擊作 用力、沖擊頻率等。在此情形中，沖擊元件用作波導(dǎo)。
除了鉆孔，根據(jù)本發(fā)明的應(yīng)力波測(cè)量可以被應(yīng)用于釆用撞擊脈沖 的其它設(shè)備，例如破碎錘和旨在用于破碎巖石材料或者其他堅(jiān)硬材料 的其它破碎設(shè)備，并且還可被用于例如打樁設(shè)施中。
在一些情形中，在本申請(qǐng)中提出的特征可以被采用，而與其它特 征無關(guān)。在另一方面，如果需要，則在本申請(qǐng)中示意的特征可以被結(jié) 合起來，以獲得各種組合。
附圖和相關(guān)說明僅僅旨在示意創(chuàng)造性的概念。本發(fā)明的細(xì)節(jié)可以 在權(quán)利要求范圍內(nèi)改變。
權(quán)利要求
1.一種測(cè)量用于巖石破碎的應(yīng)力波的方法，該方法包括以下步驟測(cè)量在波導(dǎo)(8，21)中傳播的應(yīng)力波，其特征在于，當(dāng)應(yīng)力波經(jīng)過測(cè)量點(diǎn)時(shí)，確定所述波導(dǎo)(8，21)的橫截面上的幾何變化；并且利用橫截面上的變化確定應(yīng)力波的性能。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于確定波導(dǎo)(21)的橫截面上的幾何變化，而在測(cè)量部件(22， 31， 35)和所述波導(dǎo)(21)之間不存在機(jī)械接觸。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或者2的方法，其特征在于確定在波導(dǎo)(21)和至少一個(gè)測(cè)量部件(22， 31)之間的距離。
4. 根據(jù)前面權(quán)利要求任何一項(xiàng)的方法，其特征在于 確定在所述波導(dǎo)(21)和至少一個(gè)測(cè)量電極(22)之間的電容。
5. —種用于測(cè)量應(yīng)力波的測(cè)量設(shè)備，該測(cè)量設(shè)備包括 至少一個(gè)測(cè)量部件(22， 31， 33， 35);和 用于處理測(cè)量結(jié)果的至少一個(gè)控制單元(24)， 其特征在于所述測(cè)量設(shè)備(23)包括用于檢測(cè)由于應(yīng)力波的影響引起的波導(dǎo) (21)的橫截面上的變化的測(cè)量部件(22， 31， 33， 35);并且控制單元(24)被布置成利用波導(dǎo)(21)的橫截面上的變化確定 所測(cè)量應(yīng)力波的性能。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5的測(cè)量設(shè)備，其特征在于所述測(cè)量設(shè)備(23)包括用于確定在波導(dǎo)(21)和至少一個(gè)測(cè)量 電極(22)之間的電容的裝置。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6的測(cè)量設(shè)備，其特征在于測(cè)量電極(22)是能夠圍繞波導(dǎo)(21)布置的環(huán)形導(dǎo)電件。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6或者7的測(cè)量設(shè)備，其特征在于 測(cè)量設(shè)備(23)包括沿著軸向相繼布置的兩個(gè)測(cè)量電極(22a，22b); 在測(cè)量電極(22a， 22b)之間布置有絕緣層(27);并且 控制單元(24)被布置成測(cè)量在相繼的兩個(gè)測(cè)量電極(22a， 22b)和波導(dǎo)(21)之間的電容。
9. 根據(jù)前面權(quán)利要求5到8中任何一項(xiàng)的測(cè)量設(shè)備，其特征在于， 測(cè)量設(shè)備(23)包括用于存儲(chǔ)測(cè)量結(jié)果的至少一個(gè)存儲(chǔ)器元件。
10. 根據(jù)前面權(quán)利要求5到9中任何一項(xiàng)的測(cè)量設(shè)備，其特征在于測(cè)量設(shè)備(23)包括用于將測(cè)量結(jié)果從測(cè)量設(shè)備(23)傳輸?shù)搅?一設(shè)備的至少一個(gè)數(shù)據(jù)傳遞部件。
11. 一種巖石破碎設(shè)備，包括 框架；刀具(8);用于在刀具(8)中產(chǎn)生應(yīng)力波的設(shè)備(7);用于測(cè)量在刀具(8)中行進(jìn)的應(yīng)力波的測(cè)量裝置；用于基于所測(cè)量應(yīng)力波控制巖石破碎設(shè)備的至少一個(gè)控制單元 (12)，其特征在于所述巖石破碎設(shè)備(4， 20)包括用于檢測(cè)由于應(yīng)力波的影響引起 的刀具(8)的橫截面上的幾何變化的裝置；并且至少一個(gè)控制單元(12， 24)被布置成基于刀具(8)的橫截面上 的變化確定應(yīng)力波的性能，以便用于控制所述巖石破碎設(shè)備。
12.根據(jù)權(quán)利要求ll的巖石破碎設(shè)備，其特征在于所述巖石破碎設(shè)備是包括鉆柄(13)的鉆巖機(jī)(4)，沖擊設(shè)備(7) 在刀柄(13)處產(chǎn)生應(yīng)力波，并且刀具(8)被聯(lián)接到刀柄(13);所述測(cè)量裝置包括圍繞刀柄(13)布置的至少一個(gè)環(huán)形導(dǎo)電測(cè)量 電極(22);所述測(cè)量電極(22)被布置成測(cè)量在刀柄(13)的外徑和所述測(cè) 量電極(22)之間的電容，該電容與在刀柄(13)的外徑和所述測(cè)量 電極(22)之間的距離成正比；并且控制單元(12， 24)被布置成利用電容上的變化確定應(yīng)力波的性能。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種測(cè)量應(yīng)力波的方法和測(cè)量設(shè)備以及巖石破碎設(shè)備。沖擊設(shè)備(7)向波導(dǎo)(21)提供撞擊脈沖，在波導(dǎo)中產(chǎn)生壓縮應(yīng)力波和反射的拉伸應(yīng)力波，應(yīng)力波在波導(dǎo)中傳播。壓縮應(yīng)力波引起波導(dǎo)中的延伸，并且拉伸應(yīng)力波引起波導(dǎo)變薄，在此情形中，可以通過測(cè)量波導(dǎo)的橫截面上的幾何變化來確定波導(dǎo)的性能。測(cè)量數(shù)據(jù)被用于控制巖石破碎設(shè)備。
文檔編號(hào)G01M99/00GK101371098SQ200780002517
公開日2009年2月18日 申請(qǐng)日期2007年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月17日
發(fā)明者尤卡·里克卡拉, 海莫·伊哈萊寧, 韋薩·烏伊托, 馬爾庫·凱斯基尼瓦 申請(qǐng)人:山特維克礦山工程機(jī)械有限公司