监测冲击器运转的方法和装置 【技术领域】
本发明涉及到一种用来监测冲击器运转的方法，其中冲击器包含一个冲击活塞和一个为冲击器提供压力介质以移动冲击活塞的压力通道，该方法可以测量作用在压力通道中的压力介质上的压力脉动，该压力脉动被描述为一条压力曲线。
本发明也涉及到一种用来监测冲击器运转的装置，其中冲击器包含一个冲击活塞和一个为冲击器提供压力介质以移动冲击活塞的压力通道，该装置包含一个与压力通道连接的传感器，以测量作用在压力通道中的压力介质上的压力脉动，并且把所述的压力脉动描述为一条压力曲线。
本发明也涉及到一种用来调节冲击器运转的方案，其中冲击器包含一个冲击活塞和一个为冲击器提供压力介质以移动冲击活塞的压力通道，该方案包含一个与压力通道连接的传感器，以测量作用在压力通道中的压力介质上的压力脉动，并且把所述的压力脉动描述为一条压力曲线。
背景技术
当使用钻岩机在岩石中钻孔时，钻岩条件变化很大。岩体中地岩层硬度可能变化，因此影响钻进的特征应该根据钻进的抵抗力来调节。在钻进时，同时有四种不同的功能在起作用：在要被钻的孔中旋转钻机，利用冲击活塞撞击钻柄以切开岩石，以及钻头进给和冲洗，通过冲洗钻进的废弃物可以从钻孔中移去。当岩石由于冲击活塞带动的钻柄的撞击而破碎时，冲击活塞的冲击能通过钻杆，它通常是钻柄的延伸，而传递到撞击岩石使之破碎的钻头上。因此，冲击器的正确运转将对好的钻进结果产生显著的作用。冲击锤，一种利用冲击器驱动以破碎表面的工具，既不使用旋转工具也不用冲洗。主要是冲击器的运转影响破碎结果，如果不考虑工具性能的影响。破碎岩石的实质变量包括冲击脉动的长度，冲击脉动的振幅，冲击频率和合适的钻头/岩石接触。实际上，这些变量中除了冲击脉动的长度外都是可以调节的。
然而，冲击器的运转很难控制以达到最可能的钻进或破碎结果，因为没有可靠的方法来监测冲击器的运转。当钻机或冲击锤运行时，冲击器的运转很难监测。已有尝试利用安装在冲击器上的激光操作的或感应传感的方法来测量冲击活塞的位置。在美国专利4,699,223中揭示了利用感应传感器来监测冲击活塞位置。基于安装在冲击器上的传感器的方法的一个问题在于，在使用钻机和冲击锤的苛刻条件下传感器的耐久性很差。
【发明内容】
本发明的一个目的是提供一种监测冲击器运转的新颖解决方案。
本发明方法的特征在于，从压力脉动中确定描述冲击器运转状态的参数，并在所述参数的基础上确定冲击器的运转状态。
另外，本发明装置的特征在于，该装置进一步包含一个分析装置，用来从压力脉动中确定描述冲击器运转状态的参数，并且在所述参数的基础上确定冲击器的运转状态。
另外，本发明方案的特征在于，该方案进一步包含一个分析装置，用来从压力脉动中确定描述冲击器运转状态的参数，并且在所述参数的基础上确定冲击器的运转状态，同时该方案包含一个控制单元，它可以在冲击器的运转状态的基础上控制冲击器的运转。
本发明的基本思想在于监测冲击器的运转，该冲击器包含一个冲击活塞和一个为冲击器提供压力介质以移动冲击活塞的压力通道，作用在压力通道中的压力介质上的压力脉动被测量出来，该压力脉动被描述为一条压力曲线，描述冲击器运转状态的参数从压力曲线中确定下来，冲击器的运转状态在所述参数的基础上得以确定。在本申请文件中，压力曲线是指压力脉动，它以充分大于冲击器运行频率的采样频率来测量，从而可以记录非常快的压力变化。压力脉动主要由于冲击活塞的往复运动、冲击活塞的冲击、冲击活塞的回弹和冲击器控制阀提供的液压控制而产生。根据本发明第一个实施例，冲击器的运转状态通过下面参数中的至少一个来描述，即冲击器中冲击活塞的位置、冲击活塞的活塞冲程、冲击活塞的冲击速率和冲击活塞的回弹速率。根据本发明第二个实施例，冲击器的运转状态在描述冲击器运转状态的参数基础上得以控制。根据本发明第三个实施例，冲击器被安装使用在钻岩机中并且冲击器的运转状态在描述钻岩机运转状态参数的基础上得以确定。
本发明的优点是冲击器的运转可以实时的精确的被监测，并且可以基于从一个或多个以前的冲击中得到的信息上调节冲击器的运转。冲击器的压力曲线可以以一种简单的方式测量，测量可以在冲击器的附近或别处如支撑冲击器的钻架或基底上进行，从而不需要在冲击器中安装任何容易出故障的传感器。另外，压力曲线的测量和解释使得监测冲击器的状态趋向并利用它来监测冲击器的状态成为可能。
【附图说明】
在下文中，发明将结合附图更详细的描述，其中
图1是冲击器的一幅局部剖视示意性侧视图，其中应用了本发明的解决方案；
图2是作用在压力通道中压力介质上的压力曲线示意图；
图3是在钻岩机上测量的冲击器的第一条压力曲线；
图4是在钻岩机上测量的冲击器的第二条压力曲线；
图5是在钻岩机上测量的冲击器的第三条压力曲线；
图6显示了被钻岩石反射回的应力波的最大抗拉强度以及进给力和代表进给质量的一个参数之间的相互依赖关系；
图7显示了被钻岩石反射回的应力波的最大抗拉强度以及进给力和代表进给质量的第二个参数之间的相互依赖关系。
【具体实施方式】
图1是冲击器1的一幅局部剖开的示意性侧视图。冲击器1包含一个框架2和一个冲击活塞3。冲击器1可以被应用在钻机或冲击锤中。冲击器1是液压操作的，可以使用液压油、生物油或水作为液压或压力流体。图1进一步显示了一个驱动冲击器1所需的泵4，其中泵4可以把压力流体穿过压力通道5沿箭头A的方向泵入冲击器1，使得冲击活塞3移向图1的右侧，也就是完成一个冲程。在冲击活塞3的反转冲程期间，压力流体穿过通道6沿箭头B的方向回到油罐7。图1也显示了一个用来控制冲击器1运转的控制阀19。钻岩机或冲击锤中的冲击器的通常结构和操作原理本身对于熟习本领域的人来说是熟知的，因此它们不需要在此进行更详细的描述，为了阐明冲击器1的结构在图1中仅作示意性的显示。
图1进一步示意性的显示了一个压力传感器8，它可以测量作用在压力通道5中压力流体上的压力，而且它被安装与冲击器1的压力通道5连通。所得的测量结果是如图2示意的压力曲线10，代表作用在压力通道5中压力介质上的冲击压力脉动或压力脉冲。图2的水平轴代表时间，垂直轴代表压力。例如，根据压力曲线10，压力传感器8的测量信号，它的优点在于是一个电压信号，通过电缆11被传递到分析装置9，在此处描述冲击器1运转状态的各个参数从依据压力曲线10的测量信号中确定出来。描述冲击器1的运转状态或与冲击器运转状态相关的参数包括以下参数，例如：
t11：冲击时刻，也就是冲击活塞3撞击钻岩机的钻柄或破碎装置的工具的时刻，
t12：当冲击活塞3的反向运动开始减速时，冲击器1的控制阀19的回退定时，
t13：当冲击活塞3改变它的运动方向时，冲击活塞3的回退死点，
t21：下一次冲击，
p1：一个冲击循环的最小压力，也就是在冲击时刻压力通道5中的压力，
p2：在t12时刻的冲击压力值，
p3：一个冲击循环的最大压力，也就是在回退死点的压力。
例如，接下来的描述冲击器1运转状态的辅助参数可以通过上面的参数确定：
dt1＝t12-t11：一个与冲击活塞3的反向速率和冲击活塞从冲击点移动过的距离成比例的变量。有可能间接使用这个变量来确定冲击点，也就是冲击活塞3在冲击时刻的位置，也可能用来确定岩石类型。
dt3＝t21-t13：一个与冲击速率相关的参数，
ttot＝t21-t11：冲击时期的时间，也就是运转频率f的倒数，
x＝(p2-p1)/(p3-p1)：有关活塞冲程长度的比率，例如可以用来调节冲击点。
在描述冲击器1运转状态的参数或从中确定的辅助参数的基础上，有可能来确定冲击器1的运转状态。例如，冲击器1的运转状态可以通过接下来的一个或多个参数来描述：冲击器1中冲击活塞3的位置，冲击活塞3的活塞冲程长度，冲击速率，回弹速率，冲击器1的运转频率，或可以从上面得到的统计参数。
描述冲击器1运转状态的参数或从中确定的辅助参数和因此确定的冲击器1的运转状态可以被用来确定钻进情况。钻进条件是指钻进状态，它要受到被钻岩石、使用的钻进设备和钻进参数例如冲击能量、进给力、旋转扭矩和冲洗压力以及直接与冲击压力、进给压力、转动压力和冲洗压力成比例的可测量参数的影响。
由于本解决方案，冲击器1的运转可以被精确的实时的监测。这也使得冲击器1的运转可以在描述冲击器1的运转状态和从一个或多个先前的冲击中得到的参数的基础上并因此在冲击器1的运转状态的基础上进行实时控制。冲击器1的压力曲线10可以以一种简单的方式来测量。没必要在冲击器1中安装任何容易出故障的传感器，但是测量可以在冲击器的附近或别处如支撑冲击器的钻架或基底上进行。压力曲线10的测量和解译使得监测冲击器的状态趋向并利用它来监测冲击器1和整个钻岩机或冲击锤的状态成为可能，例如，压力曲线10随着钻岩机的预载或冲击锤的累加器改变或随着累加器挡板的破裂而改变的情形，或压力曲线10随着钻岩机的钻柄磨损而改变的情形。
图3显示了从钻岩机测量到的冲击器的压力曲线12。压力曲线12是在钻进状态基本保持不变的情况下测量的。图3也显示出一个相应于冲击循环最小压力的点，也就是冲击时刻压力通道5中的压力p1，一个相应于时刻t12的冲击压力值p2的点，以及相应于冲击循环的最大压力p3的点，也就是回退死点的压力。图4依次显示了当钻岩机钻空时测量的冲击器的压力曲线13。在图4的情况中，因为进给阻力降低，所以对应于冲击活塞的线性动量的参数dt1和对应于活塞冲程长度的参数x增加。当参数dt1和x升高到足够高的水平时，指示着钻岩机钻到了空处，如图4的实例中发生的一样。图5则显示了另一条从钻岩机中测量的冲击器的压力曲线14，此时正是通过增加进给量而从进给不足向进给充足转换的状态。进给不足通过参数x来探测。
图6显示了被钻岩石反射回来的应力波的最大张拉应力15、进给力16和从钻岩机测量的曲线17中指示出的参数x。在参数x的基础上，有可能来确定冲击能是否超过进给压力。当进给充足时，张拉应力基本上不会降低，参数x的值保持稳定。张拉应力的水平指示着实际的钻进质量。因为在钻进过程中很难测量张拉应力，通过测量参数x可以实现这个目的。
图7显示了被钻岩石反射回来的应力波的最大张拉应力15、进给力16和从钻岩机测量的冲击器的压力流体的压力曲线中确定的冲击频率移动标准偏差18。从图7可以看出，当进给力增加时和当它达到指定值时，钻进状态按照充足的进给被完成，其中张拉应力基本不会降低。这也可以通过频率的移动标准偏差18的值保持稳定这个事实来验证。
图1也显示了一个控制单元20，它被安装用来在由分析装置9确定的冲击器的运转状态的基础上控制冲击器1的运转状态。冲击器1的运转状态从分析装置9被传送到控制单元20。代替两个独立的单元，分析装置9和控制单元20可以被整合为一个装置或单元。在图1中，控制单元20被安装用来控制泵4的运转，例如，通过改变泵4的旋转速度或循环量。代替泵4控制，或者除此之外，也可能以其它各种方式控制冲击器1的运转，例如通过控制阀19的运转。例如，通过控制与图6和7相关的进给力，也有可能控制冲击器1的运转状态。
附图和相关的描述仅仅是想要例证一个发明思想。发明的细节可以在权利要求的范围内变化。因此，冲击器1也可以通过压缩空气来操作，从而空气而不是压力流体可以作为压力介质，同时泵4也可以被一个压缩机来替代，而返回的空气也可以被直接排放到大气中。另外，需要注意的是压力曲线脉动可能变化，例如，随着液压管道改变的各种压力损失。