专利名称：测量设备、岩石破碎设备和测量应力波的方法
技术领域：
本发明涉及一种测量用于破碎岩石的应力波的方法，该方法包括 测量在波导中传播的应力波。
本发明还涉及一种用于测量应为波的测量设备，该测量设备包括 至少一个测量部件；和用于处理测量结果的至少一个控制单元。
本发明还涉及一种岩石破碎设备，它包括框架；刀具；用于在 所述刀具中产生应力波的设备；用于测量在所述刀具中行进的应力波 的测量装置；用于基于测量应力波来控制岩石破碎设备的至少一个控 制单元。
背景技术：
可以利用撞击钻岩机，通过在岩石中钻孔来执行岩石破碎。或者， 可以利用破碎锤来破碎岩石。在上下文中，术语"岩石"应该被广义 理解为还涵盖巨石、岩石材料、硬壳和其它比较坚硬的材料。钻岩机 和破碎锤包括直接地或者通过刀柄向刀具提供撞击脉冲的冲击设备。 换言之，该冲击设备被用于在刀具中产生压縮应力波，在所述刀具中， 所述应力波传播到刀具最外端。当压縮应力波达到刀具最外端时，由 于应力波的影响，而使刀具穿入岩石中。通过冲击设备产生的压缩应 力波的一些能量作为反射波被反射回去，该反射波在刀具中沿着相反 方向(即朝向冲击设备)传播。根据条件，反射波可以包括仅仅压縮 应力波或者拉伸应力波。然而，反射波一般地同时包括拉伸应力和压 縮应力两个分量。可以测量出在刀具中行进的应力波，并且测量结果 被用于控制岩石破碎设备，如例如在US4， 671， 366中所述。 一般地， 电阻应变仪被用于测量应力波，但是电阻应变仪的联接产生问题。难以将电阻应变仪黏附到刀具上。US6， 356， 077和US6， 640， 205进 一步描述了围绕刀具布置的线圈，以用于测量由于刀具中的应力波所 引起的磁致伸缩变化或者磁致弹性变化。与这些感应方法相关的问题
在于刀具材料的一致性和磁性历史会影响测量的准确度。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种用于测量从波导来的应力波的新 型的和改进的布置。
根据本发明的方法特征在于当应力波经过测量点时，确定波导 的横截面的几何变化；并且从所述横截面的变化确定应力波的性能。
根据本发明的测量设备特征在于所述测量设备包括用于检测由
于应力波影响而引起的波导的横截面几何变化的测量部件；并且所述
控制单元被布置成从波导的横截面变化确定所测量应力波的性能。
根据本发明的岩石破碎设备特征在于岩石破碎设备包括用于检 测由于应力波影响而引起的刀具横截面几何变化的装置；并且至少一
个控制单元被布置成基于刀具横截面变化确定应力波性能，以用于控 制所述岩石破碎设备。
本发明基于确定在波导中行进的应力波对于波导的几何横截面的 影响，并且基于此来确定应力波的性能。压縮应力波试图沿着纵向方 向压缩波导，在此情形中，波导横截面趋于在压縮应力波下增加。相 应地，拉伸应力波试图沿着纵向方向使波导伸展，在此情形中，波导 的几何横截面的面积趋于在拉伸应力波下减小。已经发现横截面的变 化的幅度与应力波的强度直接相关。
本发明优点在于，与磁致伸縮测量方法和磁致弹性测量方法的情 形相比，本发明更加容易对应力波测量进行控制。
根据本发明实施例的基本思想在于，靠近或者围绕波导布置一个 或者多个导电测量电极，所述电极与波导和绝缘间隙一起形成电容器。 所述测量设备被布置成确定这样形成的电容器的电容。电容基本仅受 所述绝缘间隙的尺寸的影响。在另一方面，绝缘间隙的尺寸受到由于 在波导中行进的应力波而引起的波导的膨胀或者变薄的影响。所述测 量设备可以测量在波导和电极之间的电容的变化，或者可选地，测量 设备可以被布置成测量在两个测量电极之间的电容，所述两个测量电 极均与波导形成电容器。
本发明实施例的基本思想在于，用于电容测量的所述测量电极是 围绕波导布置的导电环。
本发明实施例的基本思想在于，应力波测量是无接触的，在此情 形中，所述波导可以围绕它的轴线旋转，并且可以沿着轴向方向移动， 而不会受到测量部件阻止。特别地，这在岩石钻孔中是有利的，因为 在钻孔期间， 一般地利用旋转设备来旋转所述刀具。
本发明实施例的基本思想在于，沿着波导纵向方向相继地布置用 于电容测量的至少两个测量电极。相继的测量电极彼此绝缘。在此情 形中，测量信号可以沿着电线等，从相继的测量电极被供应到至少一 个控制单元，在此情形中，在测量设备和波导之间不存在机械接触， 而是测量可以是无接触的。
本发明实施例的基本思想在于，利用支承件将用于电容测量的测 量电极安装在波导中，从而使得测量电极保持其相对于波导的位置， 而与波导的任何横向移位无关。在此情形中，波导的横向移位基本上 根本不会影响测量结果。
根据发明实施例的基本思想在于，至少在一个测量点处，基于电
容测量，使用两个或者更多个测量电极，所述测量电极在波导的纵向 方向上被布置在相同的点处，但是布置在相对于彼此位于波导的相对 侧上。可以通过确定在波导的相对侧上的电极部分和波导之间的电容 而测量应力波。在此情形中，不必将测量电极以机械方式连接到波导， 而是测量可以是无接触的。在另一方面，可以在测量设备的控制单元 中处理从测量电极接收到的测量结果，例如，通过过滤掉波导的横向 移位。在此情形中，在波导和测量电极之间的横向运动对于测量结果 没有任何作用，而是仅仅基于波导的几何横截面的变化来确定应力波。
根据本发明实施例的基本思想在于，测量电极被布置在波导的最 大外部尺寸处，在此情形中，测量准确度能够更好。在钻岩机中，可 以例如围绕刀柄布置测量电极，这是因为刀柄直径一般大于钻杆直径。
本发明实施例的基本思想在于所述控制单元被布置成基于所测 量应力波调节岩石破碎设备的控制参数。所述控制单元可以包括一个 或者更多个调节策略，所述调节策略旨在例如实现刀具最大穿入速率、 改进钻孔中的钻孔质量、实现刀具和装备的更长寿命，或者提高岩石 破碎设备的效率。所述控制参数可以包括冲击频率、冲击能量和进给 作用力。此外，在岩石钻孔中，进给速率、旋转速率和冲刷可以被用 作控制参数。
本发明实施例的基本思想在于所述测量设备包括用于存储测量 结果的至少一个存储器元件。在此情形中，可以存储并且在以后利用 该测量结果，例如，以便找出工作场所的岩石类型，以及用于设计工 作场所和所要采用的方法，或者用于监视状态。可以在单独的计算单 元中处理测量结果。
本发明的实施例是基于以下思想，即所述测量设备包括用于将测 量结果从测量设备传递到岩石破碎设备的控制单元或者另一设备的至 少一个数据传递部件。在此情形中，可以在控制钻孔过程或者破碎过
程中采用测量结果。
本发明的实施例是基于以下思想，即通过机电式薄膜(EMFi)测 量波导的横截面变化，当波导的横截面增加和减小时，该薄膜对向其 施加的压縮作出反应。
本发明的实施例是基于以下思想，即通过激光束测量波导的横截 面变化。
本发明的实施例是基于以下思想，即基于波导的体积变化测量应 力波。
将在附图中更加详细描述本发明的一些实施例，其中-
图la是岩石钻机的概略侧视图lb是破碎锤的概略侧视图2a是在钻孔状态下的钻岩机和与之连接的刀具的概略侧视图2b概略地示意出刀具的第一端部，即朝向冲击设备的端部；以 及反射的应力波的行进；
图2c和2d概略地示意出在钻孔和应力波从刀具最外端，即从第 二端部反射回来中的特殊状态；
图3概略地示意根据本发明的波导横截面和应力波的测量原理；
图4a概略地示意沿着刀具纵向方向看见的利用围绕波导布置的一 个电极进行的应力波的电容测量；
图4b概略地示意出沿着刀具纵向方向看见的基于电容测量的测 量电极的划分，其被分划成围绕波导的数个电极部分；
图5是利用沿着轴向方向的数个相继电极进行的应力波的电容测 量的概略透视图6概略地示意沿着刀具纵向方向看见的利用在管状波导中布置 的一个或者更多个电极进行的应力波的电容测量；
图7是一种布置的概略侧视图；其中利用要被测量波导中的支承 件安装测量电极；
图8概略地示意沿着刀具纵向方向看见的基于激光干涉测量法的 应力波测量的原理；
图9概略地示意沿着刀具纵向方向看见的基于围绕波导的介质， 例如EMFi薄膜的应力波的测量；
图10概略地示意沿着刀具纵向方向看见的基于围绕刀具的流体 空间的体积的变化进行的应力波的测量；
图11到13概略地示意在利用不充分进给对岩石钻孔的状态下的 基于电容测量的限定的一些曲线；
图14-6概略地示意在要被钻孔岩石是软岩石的状态下的基于电容 测量的限定的一些曲线；并且
图17到20概略地示意了与对电容测量电极和波导之间的偏心进 行补偿有关的一些曲线。
为了清楚起见，所述的图以简化方式示意出本发明的一些实施例。 相同的参考数字指的是图中的相同部件。
具体实施例方式
图l示意岩石钻机l，它包括载架2和至少一个进给横梁3，钻岩 机4以可移动方式布置在该进给横梁上。利用进给设备5，钻岩机4可 被推向待钻孔岩石，并且相应地被从岩石中拉离。进给设备5可以包 括例如一个或者更多液压缸，所述液压缸可以被布置成利用适当的动 力传输装置来移动钻岩机4。 一般地，进给横梁3被布置在可以相对于 载架2移动的吊杆6中。钻岩机4包括用于向连接到钻岩机4的刀具8 提供撞击脉冲的冲击设备7。刀具8可以包括一个或者更多个钻杆，和 钻头10。此外，钻岩机4可以包括用于使刀具8围绕它的纵向轴线旋 转的旋转设备ll。在钻孔期间，冲击设备7向刀具8提供撞击脉冲， 刀具8可以利用旋转设备ll而同时地旋转。另外，钻岩机4可以在钻 孔期间被推向岩石，从而使得钻头IO能够破碎岩石。可以通过一个或
者更多个控制单元12控制岩石钻孔。控制单元12可以包括计算机等。
控制单元12可以向控制岩石钻机4和进给设备5的操作的致动器(例 如控制压力介质的阀门)发出控制命令。钻岩机4的冲击设备7、旋转 设备11和进给设备5可以是压力介质操作的致动器，或者它们可以是 电致动器。
图2a示意了钻岩机4，在此钻岩机中，刀具8连接到它的刀柄13。 在钻岩机4中包括的冲击设备7可以包括冲击元件14，例如冲击活塞， 该冲击元件被布置成来回移动，并且冲击刀柄13中的冲击表面15，并 且产生撞击脉冲，该撞击脉冲作为压縮应力波通过刀柄13和刀具8而 传播到钻头10，传播速度取决于材料。在图2c中示意岩石钻孔的一种 特殊情形，其中由于压縮应力波的影响，钻头IO不能穿入岩石16中。 其原因在于可能是例如非常坚硬的岩石材料16'。在此情形中，初始应 力波p作为压縮应力波h从钻头10朝向冲击设备7被反射回来。在图 2d中示意了另一种特殊情形，其中钻头IO可以无阻力地向前移动。例 如，当在岩石中的洞穴上执行钻孔时，穿入阻力较小。在此情形中， 初始压縮应力波p作为拉伸反射波被从钻头10发射朝向冲击设备7。 在图2a示意的实际钻孔中，由于压縮应力波p的影响，钻头10受到 阻力，但是仍然能够向前移动。钻头10的向前运动受到作用力的抵抗， 作用力大小依赖于钻头10已经穿入岩石16中的深度有多深；钻头10 穿入得越深，则阻力越大，并且反之亦然。因此在实际钻孔中，反射 波h被从钻头IO反射，该反射波包括拉伸反射和压縮反射两个分量。 在图中，拉伸应力由(+ )号标注，并且压縮应力由(O号标注。拉伸 反射分量(+ )在反射波h中总是第一的，并且压縮应力分量(-)跟随 其后。其原因在于在主要压縮应力波p的影响的初始阶段，钻头IO 的穿入深度和穿入阻力较小，这产生拉伸反射分量(+ )。因此，这种 初始状况代表上述特殊状况，即其中钻头IO可以无显著阻力地向前移 动。在另一方面，在主要压縮应力波p作用的最后阶段，钻头10已经 较深地穿入岩石16中，在此情形中，穿入阻力更高，并且原始压縮应 力波p基本上不再能够更深地推动钻头10进入岩石16中。这种状况
代表上述的第二特殊情形，即其中阻止钻头10向前移动到岩石16中。 这产生反射压縮应力波(-)，它紧随首先从钻头IO反射的拉伸应力波 (+ )。
在岩石钻孔中，能够从刀柄、钻杆或从这两者测量到应力波，它 们因此用作波导。
在图lb示意的破碎锤20中，凿子或者凿子保持器可以用作波导。 同样的，在破碎锤20中，冲击设备在刀具中产生从刀具第一端部(即 朝向冲击设备的端部)传播到刀具第二端部并且然后返回到刀具第一 端部的应力波。
图3示意出根据本发明的测量原理。当应力波在波导中行进时， 波导21的几何横截面发生变化。本发明是基于以下思想，即测量这个 横截面的几何变化并且使用该测量结果作为基础，以用于确定应力波 的性能，例如波形、振幅、波长、频率等。当压縮应力波在波导21中 行进时，它的截面趋于在应力波下压縮，在此情形中，它的横截面增 加。相应地，在拉伸应力波下，横截面减小。换言之，根据应力波为 压縮应力波还是拉伸应力波，而在波导中形成膨胀或者变薄。在图3 中，虚线a以高度简化的方式示意了由于压縮应力波的影响而使得横 截面增加，并且虚线b示意了由于拉伸应力波影响而使得横截面减小。 测量可以基于波导21的外部尺寸的变化、管状波导内部尺寸的变化、 横截面的面积变化或者波导体积的变化。
图4a示意电容应力波测量的原理。围绕波导21布置有连接到在 测量设备23中包括的控制单元24的环形导电测量电极22，例如金属 环。在波导21外部尺寸和测量电极之间，可以有绝缘层25，它可以是 空气、润滑油、冲洗流体等。当应力波在波导中行进时，波导的外部 尺寸发生变化，这影响到绝缘层25的厚度。利用测量设备23测量由 波导21、绝缘层25和测量电极22所形成的电容器的电容。在测量中，
绝缘材料的介电常数基本上不变化。当横截面变化时，波导外部表面 的面积变化，并且因此也影响到电容。然而，电容主要受到绝缘间隙
26的尺寸影响。因此，可以通过测量电压确定绝缘间隙26的尺寸，间 隙的尺寸依赖于由于应力波而引起的膨胀或者变薄。另外，由波导2K 绝缘间隙26和测量电极22形成的电容器可以被连接到一个谐振电路 等上，在此情形中，在测量中考虑电路的频率变化。也可以应用测量 电容的其它方式。从应力波测量到的信息可以被从测量设备的控制单 元24传递到破碎设备的控制单元12。
进而，绝缘层25可以由数个不同部分构成。例如，测量电极22 可以设有塑料外壳或者框架，在外壳或框架处布置电极22的导电部分。 在此情形中，在波导21的外部尺寸和电极22之间的绝缘层25可以由 塑料材料和空气构成。而且，当电极22、波导21或者两者涂覆有由绝 缘材料制成的涂覆剂时，绝缘层25包括数个不同部分。当处理测量结 果时，可以将不同绝缘部分的影响考虑在内。进而，当绝缘层25包括 数个叠加部分时， 一个或者多个部分可以是可压縮的，从而使得波导 21的横截面能够变化并且能够测量该变化。
图4b进一步示意测量电极22可以被分划成数个部分22a到22d， 它们具有圆环面扇区的形状，并且在它们之间存在绝缘27a到27d。测 量电极的部分27的数目可以如图所示为四个，但是在另一方面，数目 可以是两个或者更多个。测量设备23可以被用于测量由相对侧上的电 极部分22a和22c; 22b和22d形成的电容器，在此情形中，测量可以 是无接触的。此外，该布置使得能够考虑波导21相对于测量电极的这 些部分22的任何横向移位。测量信息可以被从测量电极的每一个部分 22传递到控制单元24，在控制单元24处，测量结果可以被过滤，从 而消除由于波导横向移位引起的误差。例如，由于支承件的破坏，波 导21可能会沿着横向方向移动。
图5示意一种方案，其中两个测量电极22a、 22b沿着轴向方向相
继布置。在测量电极22之间存在空气间隙或者另一绝缘层27。如果必
需的话，则可以沿着轴向方向相继布置三个或者更多测量电极。在该
实施例中，通过在相继测量电极22a、 22b和波导21之间的测量设备 23来测量电容。测量可以是无接触的，即在测量电极和波导之间不存 在机械接触。此外， 一个或者更多测量电极22可以如例如图4b所示 由两个或者更多的电极部分构成，在此情形中，可以通过过滤来消除 由于波导21的偏心引起的测量误差。
图6示意了一个实施例，其中测量电极22被布置在管状波导21 中。在此情形中，波导21具有环形截面，该横截面包括内径和外径。 应该提及，例如，用于岩石钻孔中的钻杆和刀柄一般地具有环形截面， 以用于供应冲洗流体。可以利用波导21中的适当支撑部件来支撑测量 电极22。测量电极22可以包括数个电极部分22a、 22b，在此情形中， 可以测量这些电极部分之间的电容。此外，因为测量电极包括数个电 极部分，所以不必在波导中准确地将测量电极中心定位，而是可以将 在控制单元24中进行的测量结果的过滤中对从波导21的中央轴线的 任何偏离考虑在内。
图7示意高度简化的实施例，其中测量电极22a、 22b通过支承件 而被安装在波导21中，从而使得波导21可以相对于测量电极22沿着 轴向方向移动，并且可以围绕它的纵向轴线转动。相反的是，测量电 极22被布置成随着波导21移动，如果波导21沿着横截方向移动。在 此情形中，测量电极22保持与波导21共轴，即使波导21将由于某种 原因而从它的初始位置移动也是。测量电极22可以被布置在一个测量 框架28中，该测量框架可以利用一个或者更多支承件29支撑抵靠到 波导21的外表面。当然，也可以使用通过支承件而在波导21的外表 面中安装测量电极22的其它方式。
图8示意一个实施例，其中通过激光干涉仪30测量在波导的儿何 横截面中发生的变化。波导21的相对侧可以设有用于测量到波导21 的外表面的距离L1、 L2的激光束收发器31。随着距离L1和L2增加， 注意到由于压缩应力波引起的膨胀，并且相应地，随着距离Ll和L2 降低时，注意到由于拉神应力波引起的变薄。测量设备的控制单元24 可以分析测量结果并且由此确定应力波性能。进而，如果其中一个测 量距离减小并且另一个增加，则测量设备的控制单元24可以将其解释 为波导的横向移位，而非由于应力波引起的测量变化。代替激光干涉 仪，可行的是使用能够检测沿着波导横截方向、由于应力波引起的移 位的另一种光学距离测量设备。
图9示意一种实施例，其中介质薄膜33被布置在波导21和参考 表面32 (例如钻机框架)之间的间隙中。该介质薄膜对于由波导的横 截面测量变化引起的压力变化做出反应。由于压縮应力波的影响，波 导21的外部尺寸增加，在此情形中，有较大压力被施加到在间隙中布 置的介质薄膜33上，这是因为该介质薄膜位于波导21和参考表面32 之间。相应地，当拉伸应力波达到测量点时，在介质薄膜33上施加的 压力降低。对于压力做出反应的介质薄膜33可以例如是机电式薄膜 (EMFi)等。机电式薄膜可以是薄的恒定充电的塑料薄膜，其两侧均 可以涂覆有导电层。在薄膜上施加的压縮能够作为由薄膜产生的电压 信号而被检测到。测量设备23的控制单元24可以分析该电压信号并 且从此确定应力波的性能。图9还示意了数据通讯连接36和存储器元 件37，它们可以被布置成与测量设备23连接，以用于处理测量数据。 测量数据可以利用数据通讯连接36而被从测量设备23以无线或者有 线方式传送到岩石破碎设备的控制单元12或者其他地方。另外，测量 数据可以被存储在存储器元件37中，以用于进一步处理。在存储器元 件37中存储的测量数据可以被用于状态监视中、收集岩石类型数据中、 以及设计矿井中等。
图10示意一个另外的实施例，其中围绕波导21形成压力流体空 间34。通过压力传感器35测量在压力流体空间中作用的压力流体。应 力波引起波导21的横截面测量变化，在此情形中，波导21的体积也
在所述的轴向部分上变化。波导21的体积变化也引起压力流体空间34 的体积变化，这能够在压力测量中作为压力脉冲被检测到。测量结果
可以被发送到测量设备23的控制单元24，控制单元24可以分析压力 脉冲并且从此确定应力波的性能。
可以在岩石钻机或者破碎锤的控制单元12中设定一个或者更多 控制策略，以用于基于所测量应力波自动地调节设备的操作。也可以 人工地执行调节，在此情形中，操作员从控制单元12接收有关基于应 力波计算的控制数据的信息并且可以人工地调节这些参数。岩石破碎 设备的控制单元12和测量设备23的控制单元24均可以包括一个或者 更多计算机，其处理器可以执行计算机程序产品。执行根据本发明的 测量和调节的计算机程序产品可以存储在控制单元12、24的存储器中， 或者计算机程序产品可以从存储器元件(例如CD-ROM)被加载到计
算机中。此外，计算机程序产品可以经由数据网络从另一计算机加载 到例如属于这个控制系统的设备中。
测量设备23的控制单元24可以被集成到主机中，例如集成到岩 石钻机或者挖掘机的控制单元12中，或者测量设备可以是独立的单元。 控制单元24可以控制测量设备23的内部操作，例如过滤测量信号、 计算、存储、显示和向另一单元或者另一类似的过程的传输。在一些 情形中，控制单元24也可以控制外部功能或者外部设备。
在测量设备23、传感器或者其它测量部件中包括的电极也可以被 连接成向破碎设备的控制单元12直接发送测量信号。
在下面，描述三个实例，其中通过冲击岩石钻机对岩石钻孔，并 且通过电容测量设备来测量在刀具中行进的应力波。
实例1:
图11示意作为时间函数的基本应力波p和反射应力波h的曲线。
在此情形中，在岩石钻机中包括的冲击设备已经向刀具提供撞击脉冲， 该撞击脉冲已经在刀具中产生基本压缩应力波，所述应力波在刀具中 朝向它的最外端传播。如果在不充分进给下执行钻孔，则在刀具和岩 石之间可能存在间隙。在此情形中，由于该间隙，刀具在开始时不受 任何穿入阻力，这引起较大的反射拉伸应力波h+，该拉神应力波朝向 冲击设备传播。在刀具和岩石之间的间隙已经闭合之后，穿入阻力再 次变大，这引起较大的反射压縮应力波h-，该压縮应力波在反射拉伸 应力波h+之后朝向冲击设备传播。当检测到具有这种形式的反射波h 时，控制单元可以解释在不充分进给下执行钻孔。在此情形中，控制 动作可以是增加进给。
图13示意电容测量设备的测量结果，并且图12示意从该测量结 果确定的波导横截面的径向移位。如从图11到13可见，波导的电容 和径向移位上的变化基本与应力波的形式一致。
横截面径向移位可以通过下面的公式计算
其中i;是材料Poissoii (泊松)常数，E是弹性模量，并且r。是未 变形横截面的外径。
另外，可以使用下面的公式计算环形电极的电容
<formula>formula see original document page 17</formula>其中fo是真空介电常数，f是绝缘体的相对介电常数，d是在环形
电极中心点和刀具中心点之间的距离(偏心)，r是刀具外径(包括变 形的话是r-r。+UK)，并且R是电极的内径。 实例2:
图14示意作为时间函数的基本应力波p和反射应力波h的曲线。
在此情形中，在岩石钻机中包括的冲击设备已经向刀具提供撞击脉冲， 该撞击脉冲已经在刀具中产生基本压縮应力波p，该基本压縮应力波在 刀具中朝向它的最外端传播。如果对非常柔软的岩石进行钻孔，则穿 入阻力较小。因为刀具不能被适当地支撑抵靠到岩石，因此朝向冲击 设备传播的反射波h被从基本应力波p反射，该反射波具有较大的反 射拉伸应力波h+,但是仅仅较小的反射压缩应力波h-，这是因为，在 柔软岩石中，不产生小的穿入阻力，直至在刀具穿入结束为止。反射
波的最大部分因此主要包括拉伸应力。当探测到这种反射应力波h时， 控制单元可以识别到已经在柔软岩石类型上执行钻孔。在此情形中，
控制动作可以是减小进入的应力波P的振幅，这允许降低对于钻孔 设施不利的反射拉伸应力波h+。或者，可以采用具有更大穿入阻力的 刀具。
如从图14到16可见，波导的电容和径向移位的变化基本与应力 波的形式一致。
实例3:
图17示意作为时间函数的基本应力波p和反射应力波h的曲线。
可以围绕待测量波导，即一般地围绕钻岩机中的钻杆布置环形测 量电极。如果钻杆相对于测量电极是偏心的，则偏心引起电容变化。 图18示意出对于三个不同偏心数值的电容。
可以通过下面的公式计算相对偏心ds:
<formula>formula see original document page 18</formula>。
然而，应该指出，为了使得偏心的测量方法有用，应该将由于偏 心引起的电容的变化和由于钻杆引起的横截面变化的相互区分开。
当偏心较小时，可以通过例如从信号中过滤掉低频分量而消除偏 心误差。这产生根据图19的信号。
通过根据下面的公式，使用相对电容CS能够更好地补偿偏心误
差
其中Co是在偏心但是无变形的钻杆和电极之间的电容。这是通过 在测量点处无应力波作用的状态下测量电容实现的。
这产生根据图20的信号。
应该指出，在压力介质操作和电操作冲击设备7中均可以应用本
发明。用于在波导21中产生应力波的设备的类型与实施本发明无关。
因此，可以通过适当的波发生器，例如直接从液压能量产生应力波， 而不用适当的撞击活塞和冲击活塞。换言之，通过冲击设备或者产生 应力波的类似的设备，在波导中产生短期作用力效应，并且该作用力 效应在波导中产生应力波。通过该设备产生的应力波可以是压縮应力 波或者拉伸应力波。
能够通过测量设备检测应力波对于波导的几何横截面的影响。提 供给波导的应力波和反射应力波均引起波导的横截面几何变化。可以 在岩石破碎设备的控制单元中或者在另一控制单元或者计算单元中， 基于测量设备的控制单元中的测量结果分析应力波的形式和其它性 能。也可以确定应力波是否为进入的应力波，或者是反射的应力波， 以及它们的不同的波分量。
还可行的是，与冲击设备相连接地布置根据所述实施例的测量设 备23，并且基于冲击元件(例如冲击活塞)的横截面变化确定冲击作 用力、冲击频率等。在此情形中，冲击元件用作波导。
除了钻孔，根据本发明的应力波测量可以被应用于釆用撞击脉冲 的其它设备，例如破碎锤和旨在用于破碎岩石材料或者其他坚硬材料 的其它破碎设备，并且还可被用于例如打桩设施中。
在一些情形中，在本申请中提出的特征可以被采用，而与其它特 征无关。在另一方面，如果需要，则在本申请中示意的特征可以被结 合起来，以获得各种组合。
附图和相关说明仅仅旨在示意创造性的概念。本发明的细节可以 在权利要求范围内改变。
权利要求
1.一种测量用于岩石破碎的应力波的方法，该方法包括以下步骤测量在波导(8，21)中传播的应力波，其特征在于，当应力波经过测量点时，确定所述波导(8，21)的横截面上的几何变化；并且利用横截面上的变化确定应力波的性能。
2. 根据权利要求1的方法，其特征在于确定波导(21)的横截面上的几何变化，而在测量部件(22， 31， 35)和所述波导(21)之间不存在机械接触。
3. 根据权利要求1或者2的方法，其特征在于确定在波导(21)和至少一个测量部件(22， 31)之间的距离。
4. 根据前面权利要求任何一项的方法，其特征在于 确定在所述波导(21)和至少一个测量电极(22)之间的电容。
5. —种用于测量应力波的测量设备，该测量设备包括 至少一个测量部件(22， 31， 33， 35);和 用于处理测量结果的至少一个控制单元(24)， 其特征在于所述测量设备(23)包括用于检测由于应力波的影响引起的波导 (21)的横截面上的变化的测量部件(22， 31， 33， 35);并且控制单元(24)被布置成利用波导(21)的横截面上的变化确定 所测量应力波的性能。
6. 根据权利要求5的测量设备，其特征在于所述测量设备(23)包括用于确定在波导(21)和至少一个测量 电极(22)之间的电容的装置。
7. 根据权利要求6的测量设备，其特征在于测量电极(22)是能够围绕波导(21)布置的环形导电件。
8. 根据权利要求6或者7的测量设备，其特征在于 测量设备(23)包括沿着轴向相继布置的两个测量电极(22a，22b); 在测量电极(22a， 22b)之间布置有绝缘层(27);并且 控制单元(24)被布置成测量在相继的两个测量电极(22a， 22b)和波导(21)之间的电容。
9. 根据前面权利要求5到8中任何一项的测量设备，其特征在于， 测量设备(23)包括用于存储测量结果的至少一个存储器元件。
10. 根据前面权利要求5到9中任何一项的测量设备，其特征在于测量设备(23)包括用于将测量结果从测量设备(23)传输到另 一设备的至少一个数据传递部件。
11. 一种岩石破碎设备，包括 框架；刀具(8);用于在刀具(8)中产生应力波的设备(7);用于测量在刀具(8)中行进的应力波的测量装置；用于基于所测量应力波控制岩石破碎设备的至少一个控制单元 (12)，其特征在于所述岩石破碎设备(4， 20)包括用于检测由于应力波的影响引起 的刀具(8)的横截面上的几何变化的装置；并且至少一个控制单元(12， 24)被布置成基于刀具(8)的横截面上 的变化确定应力波的性能，以便用于控制所述岩石破碎设备。
12.根据权利要求ll的岩石破碎设备，其特征在于所述岩石破碎设备是包括钻柄(13)的钻岩机(4)，冲击设备(7) 在刀柄(13)处产生应力波，并且刀具(8)被联接到刀柄(13);所述测量装置包括围绕刀柄(13)布置的至少一个环形导电测量 电极(22);所述测量电极(22)被布置成测量在刀柄(13)的外径和所述测 量电极(22)之间的电容，该电容与在刀柄(13)的外径和所述测量 电极(22)之间的距离成正比；并且控制单元(12， 24)被布置成利用电容上的变化确定应力波的性能。
全文摘要
本发明涉及一种测量应力波的方法和测量设备以及岩石破碎设备。冲击设备(7)向波导(21)提供撞击脉冲，在波导中产生压缩应力波和反射的拉伸应力波，应力波在波导中传播。压缩应力波引起波导中的延伸，并且拉伸应力波引起波导变薄，在此情形中，可以通过测量波导的横截面上的几何变化来确定波导的性能。测量数据被用于控制岩石破碎设备。
文档编号G01M99/00GK101371098SQ200780002517
公开日2009年2月18日 申请日期2007年1月16日 优先权日2006年1月17日
发明者尤卡·里克卡拉, 海莫·伊哈莱宁, 韦萨·乌伊托, 马尔库·凯斯基尼瓦 申请人:山特维克矿山工程机械有限公司