Патент США на высокоскоростное перфорационное устройство Патент (Патент № 6,394,717, выдан 28 мая 2002 г.)
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
просверливает кольцевые отверстия в перфорируемом материале, содержащем бетонную конструкцию, на высокой скорости, например, когда анкеры и т.п. устанавливаются для последующего возведения бетонной конструкции.
Настоящая спецификация основана на японских патентных заявках (№ HEI 11-301753, HEI 2000-049).943, HEI 2000-176035), и содержание этих заявок включено в настоящий документ.
2. Описание предшествующего уровня техники
Для усиления существующей стены из бетона известен следующий способ: сначала в стене делают отверстие большого размера, чтобы обеспечить проем; далее в сделанном таким образом проеме предусмотрена скоба (диагональная скоба) из железа; а затем раскос и анкеры, расположенные на внутренней периферийной поверхности проема, укрепляются бетоном, чтобы тем самым укрепить всю стену.
В этом случае каждый анкер входит в отверстие, расположенное во внутренней периферийной поверхности, и устанавливается в нем.
Отверстие для установки анкера формируется с помощью устройства, которое состоит из коронки 80 с кольцевой коронкой 80а, состоящей из алмазного наконечника, наконечника из цементированного карбида или подобного на конце цилиндрического элемента, и двигателя 81 для вращение бурового долота 80 вокруг его оси, как показано на фиг. 9.
А именно, керн 83, имеющий столбчатую форму, формируется путем вращения долота 80а, расположенного на конце колонкового долота 80, в то время как долото 80а прижимается к бетону 82 для перфорации в нем, с последующим вытягиванием керна. бит 80 изнутри бетона 82.
Затем сердечник 83, оставшийся внутри бетона 82, вытаскивают после отламывания его корня, в результате чего отверстие, имеющее, например, степень размера – диаметр от 20 до 35 мм и глубину 200 мм формируется для установки анкера.
В вышеупомянутом устройстве двигатель 81 тяжелый и неудобный в обращении, как в двигателях с масляно-гидравлическими двигателями и т.
Ультразвуковое перфорационное устройство, которое перфорирует ультразвуком, может перфорировать со сравнительно низким уровнем шума, и, с другой стороны, его скорость перфорации низкая, поэтому для перфорации требуется много времени, как в случае вышеупомянутого устройства, имеющего двигатель.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Соответственно, цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы обеспечить высокое – скоростная перфорационная установка, способная производить перфорацию за короткое время на высоких оборотах без коробления прикрепленного к ней бурового долота, сопровождаемая низким уровнем шума.
Высокоскоростное перфорационное устройство по настоящему изобретению содержит цилиндрическое корончатое долото, имеющее долото для бурения кольцевого отверстия в перфорируемом материале, и двигатель, имеющий цилиндрический статор, расположенный вокруг внешней периферии цилиндрического ротора в и через в который вставлен вращающийся вал и к которому он прикреплен, при этом буровое долото непосредственно прикреплено к вращающемуся валу двигателя без средств передачи, таких как шестерня, ремень и т.п., и непосредственно вращается с высокой скоростью двигателем.
Соответственно, в высокоскоростном перфорационном устройстве по настоящему изобретению скорость перфорации может быть значительно увеличена по сравнению с обычным устройством, которое перфорирует на низкой скорости.
Таким образом, работы по перфорации могут быть выполнены в короткие сроки, что позволит сократить сроки проведения различных строительных работ, имеющих перфорационные работы.
Кроме того, в высокоскоростном перфорационном устройстве по настоящему изобретению можно значительно снизить шум (около 70 дБ), а поскольку количество деталей невелико, можно значительно сократить трудозатраты, необходимые для работ по техническому обслуживанию, по сравнению с двигателями.
Как упоминалось выше, нагрузка на инструмент, воздействующая на долото, может быть уменьшена за счет вращения бурового долота с высокой скоростью, при этом даже при небольшой толщине режущей кромки долота нормальная сила, направленная в направлении перфорации, может быть уменьшена. маленький, перфорация может быть выполнена плавно без проблем, таких как коробление, при этом всегда сохраняется хорошая производительность резки, а время перфорации может быть сокращено.
Способ высокоскоростной перфорации по настоящему изобретению включает этапы: обеспечения двигателя с цилиндрическим ротором, в который и через который вставлен вращающийся вал и к которому он прикреплен, и имеющего цилиндрический статор, расположенный вокруг внешняя периферия цилиндрического ротора; прикрепляют непосредственно к вращающемуся валу двигателя цилиндрическое корончатое долото, имеющее долото для сверления кольцевого отверстия в перфорируемом материале без средств передачи, таких как шестерня, ремень и т.
Соответственно, скорость перфорации может быть значительно увеличена по сравнению с обычным методом перфорации, осуществляемым на низкой скорости.
Благодаря чему работы по перфорации могут быть быстро выполнены для сокращения сроков проведения различных строительных работ, имеющих перфорационные работы.
Кроме того, в способе высокоскоростной перфорации по настоящему изобретению можно значительно снизить шум (около 70 дБ), а поскольку количество деталей невелико, трудозатраты, необходимые для работ по техническому обслуживанию, могут быть значительно сокращены по сравнению с двигатели, масляно-гидравлические двигатели и электродвигатели с редуктором.
Как упоминалось выше, нагрузка на инструмент, воздействующая на долото, может быть уменьшена за счет вращения бурового долота на высокой скорости, при этом даже при использовании долота с малой толщиной режущей кромки нормальная сила, направленная в направлении перфорации, может быть небольшим, перфорация может быть выполнена плавно без таких проблем, как коробление, при этом всегда сохраняется хорошая производительность резания, а время перфорации может быть сокращено.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖА
РИС. 1 представляет собой вид сбоку высокоскоростного перфоратора, показывающий пример высокоскоростного перфоратора по настоящему изобретению.
РИС. 2 представляет собой вид в разрезе, иллюстрирующий конструкцию двигателя прямого действия, который используется в высокоскоростном перфорационном устройстве по настоящему изобретению.
РИС. 3 представляет собой вид в разрезе двигателя прямого действия, иллюстрирующий конструкцию двигателя прямого действия, который используется в высокоскоростном перфорационном устройстве по настоящему изобретению.
РИС. 4 представляет собой таблицу, показывающую время перфорации и шум при сверлении отверстия в бетоне.
РИС. 5 представляет собой график, показывающий работу двигателя прямого действия, который используется в способе высокоскоростной перфорации по настоящему изобретению.
РИС. 6 представляет собой график, показывающий работу двигателя прямого действия, который используется в способе высокоскоростной перфорации по настоящему изобретению.
РИС. 7 представляет собой таблицу, показывающую время перфорации, шум и эффективность резания при сверлении отверстия в бетоне.
РИС. 8 представляет собой график, показывающий результаты испытания на перфорацию при выполнении перфорации долотами с различной толщиной режущей кромки.
РИС. 9 представляет собой вид в разрезе, иллюстрирующий конструкцию обычного перфорационного устройства.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ВОПЛОЩЕНИЯ
Высокоскоростное перфорационное устройство по настоящему изобретению подробно описано ниже со ссылками на чертежи.
На фиг. 1 и 2 символом 1 обозначен высокоскоростной перфоратор, а символом 2 показан двигатель прямого действия, составляющий высокоскоростной перфоратор 1. Высокоскоростной перфоратор 1 имеет следующую конструкцию: двигатель прямого действия 2 опирается на средство 5 перемещения вверх и вниз с помощью стойки 4, которая прикреплена к основанию 3 таким образом, что стойка стоит на основании; а непосредственный двигатель 2 может перемещаться вдоль колонны 4 путем перемещения средств 5 перемещения вверх и вниз.
Прямой двигатель 2 содержит вращающийся вал 11, имеющий цилиндрическую форму в центре. Буровое долото 13 соединено с головным концом вращающегося вала 11 с помощью адаптера 12, так что буровое долото можно прикреплять к вращающемуся валу и отсоединять от него. Буровое долото 13 содержит долото 15, состоящее из алмазного долота, которое встроено в головной конец трубы 14, имеющей полую форму, и в ее периферийном направлении.
А именно, прямой двигатель 2 представляет собой тип прямого двигателя, в котором непосредственно вращается коронка 13, которая представляет собой инструмент, соединенный непосредственно с вращающимся валом 11.
Буровое долото 13 содержит долото 15, расположенное на конце трубы 14 и состоящее из алмазного инструмента, который изготавливается путем консолидации цементированных карбидов или суперабразивов (алмазных абразивных зерен, абразивных зерен CBN) со связующими, такими как металлическая связка , смоляная связка или тому подобное. Бетон C может быть перфорирован, а столбчатый сердечник может быть сформирован путем вращения коронки.
Можно использовать буровое долото 13 с наружным диаметром до 40 мм, а предпочтительным является наружный диаметр от 15 до 30 мм. Что касается толщины режущей кромки долота 15, то можно использовать толщину менее 2,0 мм, предпочтительно 1,8 мм.
Прямой двигатель 2 включает; ротор 17, в который и через который вставлен вращающийся вал 11 и к которому он прикреплен за одно целое; и статор 18, имеющий цилиндрическую форму, расположенный вокруг внешней периферии ротора 17, при этом как ротор, так и статор расположены в корпусе 16 двигателя.
Вращающийся вал 11 вставляется во вставное отверстие 17а, выполненное в центре ротора 17, и проходит через него, и прикрепляется к ротору как единое целое путем запрессовки в вставное отверстие 17а.
Как показано на фиг. 3, статор 18 содержит магниты М, расположенные в некоторых промежутках в окружном направлении, и ярмы Y из стали, которые расположены между магнитами М и поддерживают магниты М в заданном положении.
Подшипники 19a и 19b предусмотрены внутри верхней части 16a стенки и части 16b под стенкой корпуса 16 для поддержки ротора 17 таким образом, чтобы ротор 17 мог свободно вращаться.
То есть подшипники 19а и 19b имеют такую конструкцию, что подшипники могут поддерживать каждую область вблизи верхней и нижней частей вращающегося вала 11, которая вставлена в центр ротора 17 и проходит через него, и могут воспринимать осевые и радиальные силы, воздействующие на вращающийся вал. 11 и ротор 17, в который и через который вставлен вращающийся вал 11.
Вращающееся соединение 21 предусмотрено в задней концевой части прямого двигателя 2. Вращающееся соединение 21 прикреплено к верхней стенке 16а корпуса 16 и соединено с задней концевой частью вращающегося вала 11 таким образом. способ быть вращающимся и герметизированным жидкостью.
В поворотном соединении 21 образована напорная линия 22, которая соединена со сквозным отверстием 11а центра поворотного вала 11 и открыта в сторону поворотного соединения 21. Трубка 24 соединена с отверстием 23, которая открыта с указанной стороны, и охлаждающая вода подается из трубы 24.
Охлаждающая вода, подаваемая из трубы 24 в подающую линию 22 вращающегося соединения 21, проходит через подающую линию 22 вращательный шарнир 21, а затем вводится в сквозное отверстие 11а вращательного вала 11, а после этого вводится в трубу 14 бурового долота 13, соединенную с головной частью вращательного вала 11 с помощью переходника 12.
, тем самым охлаждая часть, перфорированную долотом 15.
Во вращающемся соединении 21 установочный винт 31 сформирован в его задней концевой части, а колпачок 32 привинчен к установочному винту 31. В центре колпачка 32 выполнено вставное отверстие 34. Кроме того, во вращающемся шарнире 21 выполнено соединительное отверстие 35, которое соединяет вставное отверстие 34 крышки 32 и сквозное отверстие 11а поворотного вала 11. Выдавливающий стержень 36 вставлен во вставное отверстие 34 и через него, соединительный отверстие 35 и сквозное отверстие 11а, которые соединены друг с другом. Уплотнительное кольцо 37 расположено между выдавливающим стержнем 36 и колпачком 32 для образования уплотнения.
Кроме того, в прямом двигателе 2 охлаждающий вентилятор 26 предусмотрен в головной части вращающегося вала 11, и воздух вводится в корпус 16 из впускного отверстия 27, образованного на стороне головной части корпуса 16 посредством вращая вращающийся вал 11 и разбрызгивается внутрь прямого двигателя 2.
Затем воздух вводится в зазор между статором 18 и ротором 17 и в свободное пространство между магнитами М и ярмами Y статора 18 и корпусом 16, с последующим выпуском наружу через выпускное отверстие 28, образованное в верхней стенке 16а корпуса 16.
Символ 25 представляет собой щетку, расположенную в окружном направлении вращающегося вала 11 таким образом, что щетка контактирует с вращающимся валом 11 в верхней части внутренней части корпуса 16 прямого двигателя 2, а приводной ток подается от щетки 25.
В качестве магнита М статора 18 используются редкоземельные магниты высокой плотности, такие как неодим-железо-бор или самарий-кобальт, которые имеют максимальное произведение магнитной энергии намного выше чем ферритовые магниты или магниты альнико, которые обычно используются.
Что касается прямого двигателя 2, содержащего ротор 17 и статор 18, может использоваться любой из двигателей с щеточными и бесщеточными двигателями. Кроме того, в приведенном выше примере магниты М установлены в статоре 18, а катушка установлена в роторе 17.
Однако катушка может быть установлена в статоре 18, а магниты могут быть установлены в роторе 17. или оба ротора и статора могут быть катушками.
Далее, ниже поясняется случай, в котором в бетоне C просверливают отверстие, которое необходимо перфорировать с использованием высокоскоростного перфорационного устройства 1, имеющего вышеупомянутую конструкцию.
Во-первых, прямой двигатель 2, расположенный в верхней части колонны 4, регулируют таким образом, чтобы ось вращающегося вала 11 совпадала с заданным положением для перфорации в бетоне C, после чего фиксируется основание 3 в бетон C.
После установки высокоскоростного перфоратора 1 на бетон C, как указано выше, катушка ротора 17 (или статора 18) двигателя 2 включается от электричества для вращения ротора 17. на высокой скорости, которая составляет около 4000 об/мин или более, вместе с подачей охлаждающей воды по трубке 24 из устройства подачи охлаждающей воды (источника охлаждающей воды), не показанного на фиг.
В вышеупомянутом состоянии долото 15 корончатого долота 13, которое соединено с головной частью вращающегося вала 11, прижимается к поверхности бетона C путем перемещения прямого двигателя 2 вниз с помощью подвижного средства. 5. Кольцевое отверстие Н просверливается в бетоне С долотом 15, которое вращается с высокой скоростью, следуя описанному выше процессу.
После бурения кольцевого отверстия H на заданную глубину двигатель 2 перемещают вверх для извлечения долота 15 из отверстия H с последующим удалением керна, сформированного в центре отверстия, для образования анкерного отверстия .
В случае, когда керн остается в буровом долоте 13, когда долото 15 вынимается из скважины H путем перемещения прямого двигателя 2 вверх, выдавливающий стержень 36 выдавливается в его головную часть, тем самым позволяя для достаточно легкого выдавливания керна, оставшегося внутри колонкового долота 13, с торца колонкового долота 13. вращается непосредственно за счет вращения вращающегося вала 11 без помощи передаточных средств, таких как шестерня, ремень и т.
д., в результате чего потери передачи могут быть устранены, а перфорационное устройство может быть миниатюризировано и облегчено по сравнению с двигателями. с шестернями, чтобы тем самым повысить удобство обращения с ними, и чтобы биение вращающегося вала 11 могло быть сведено к минимуму. Кроме того, создаваемый ими шум может быть снижен до минимального уровня.
А именно, поскольку долото 15, расположенное в головной части бурового долота 13, вращается прямым двигателем 2, вращающийся вал 11 которого непосредственно обеспечивает вращающее усилие для бурового долота 13, долото вращается со скоростью достаточно высокая скорость (4000 об/мин или более), чтобы таким образом обеспечить достаточно высокую окружную скорость для долота 15. То есть, поскольку долото 15 может вращаться с высокой скоростью, как упомянуто выше, нагрузка инструмента на долото 15 может быть уменьшена, посредством чего может быть уменьшена нормальная сила, которая действует в направлении перфорации, и время перфорации может быть уменьшено, даже когда толщина режущей кромки долота 15 составляет менее 2 мм.
Кроме того, поскольку магниты, предусмотренные для любого из ротора 17 и статора 18, представляют собой редкоземельные магниты высокой плотности, такие как неодим-железо-бор или самарий-кобальт, ротор 17 или статор 18 могут быть миниатюризированы. , чтобы таким образом сделать возможным достижение его дальнейшей миниатюризации и облегчения.
Жесткость устройства может быть значительно увеличена в целом, поскольку обеспечивается интеграция таким образом, что вращающийся вал 11 запрессовывается во вставное отверстие 17а, которое выполнено в центре ротора 17, чтобы непосредственно прикрепите вращающийся вал к ротору, чтобы тем самым дать возможность образовать скважину, вращая буровое долото 13 на высокой скорости, и значительно увеличить скорость перфорации по сравнению с обычным методом перфорации, который осуществляется на низкой скорости с использованием обычного перфоратора. .
Таким образом, работы по перфорации могут быть выполнены в короткие сроки, что позволит сократить сроки проведения различных строительных работ, имеющих перфорационные работы.
Кроме того, можно значительно снизить шум (около 70 дБ), а поскольку количество деталей невелико, трудозатраты, необходимые для работ по техническому обслуживанию, могут быть значительно сокращены по сравнению со случаями, когда используются двигатели, масляно-гидравлические двигатели и двигатели с редуктором. использовал.
Кроме того, поскольку сквозное отверстие 11а образовано в центре вращающегося вала 11, охлаждающая вода или охлаждающий воздух могут подаваться из задней концевой части вращающегося вала 11 к долоту 15, которое является краем фрезы. кернового долота 13, чтобы можно было провести превосходную перфорацию.
Кроме того, коронку 13 можно легко заменить на коронку другого диаметра, прикрепляя и отсоединяя коронку 13 с помощью переходника 12, что позволяет легко выполнять работы по техническому обслуживанию, такие как замена буровое долото 13 и повысить эффективность его работы. Кроме того, поскольку буровое долото 13 является заменяемым, любое долото для долота 15 может быть выбрано из тех, которые имеют различную толщину режущей кромки и различные формы.
ПРИМЕРЫ
Ниже поясняются тестовые примеры высокоскоростного перфорационного метода, в котором используется упомянутый выше прямой двигатель 2.
Пример испытания 1
Время перфорации и шум были измерены, когда кольцевые отверстия H глубиной 150 мм и диаметром 25 мм были сформированы в бетоне C путем вращения долота 15, состоящего из алмазного инструмента, на низкой скорости и высокой скорости с прямым двигателем 2, результаты которого показаны на фиг. 4.
Как показано на РИС. 4, было обнаружено, что при выполнении с высокой скоростью вращения время перфорации уменьшилось примерно вдвое по сравнению с низкой скоростью вращения. Что касается шума, то он оказался на уровне 70 дБ независимо от высокой или низкой скорости.
РИС. 5 и 6 показывают работу двигателя 2 прямого действия, используемого в настоящем тестовом примере.
РИС. 5 показаны результаты для случаев, когда при приложении нагрузки использовалась низкая скорость вращения.
ИНЖИР. 6 показаны результаты для случаев, когда при приложении нагрузки использовалась высокая скорость вращения.
Как видно из фиг. 5, в случае низкой скорости (около 3000 об/мин) крутящий момент составлял около 1 Нм, и, как видно из фиг. 6, в случае высокой скорости (около 6000 об/мин) крутящий момент составлял порядка 0,7 Нм.
Соответственно, было обнаружено, что когда отверстия H были сформированы при высокой скорости вращения, крутящий момент был мал по сравнению с низкой скоростью вращения.
Пример испытаний 2
Отверстия H диаметром 25 мм (диаметр долота 25 мм) и глубиной 200 мм были сформированы долотом 15, состоящим из алмазного инструмента, с использованием обычного электродвигателя и прямого двигателя 2. Каждое число оборотов было следующим: 950 об/мин для электродвигателя; 5980 об/мин для прямого двигателя.
Результаты показали, что время перфорации составило 1 мин. 25 сек. для электродвигателя и 38 сек.
для прямого двигателя.
Усилие прижатия с верхней стороны (без статической нагрузки) составляло 300-400 Н для обычного двигателя и 50-150 Н для прямого двигателя 2.
Пример испытания 3
20 мм и глубиной 130 мм были сформированы цилиндрическим корончатым долотом 13 с алмазным долотом 15 в его головной части, с использованием обычного электродвигателя и прямого двигателя 2. Время перфорации и шум в зависимости от различных окружных скоростей бит 15 были измерены, результаты которых показаны на фиг. 7.Каждое число оборотов было следующим: 4600 об/мин для прямого двигателя 2; 1050 об/мин для электродвигателя.
Как видно из фиг. 7, было обнаружено, что когда скорость вращения долота 15 была высокой (250 м/мин или более), время перфорации значительно уменьшалось, а эффективность резания значительно увеличивалась по сравнению с низкой скоростью вращения. Шум на высокой скорости оказался на 10 дБ ниже, чем на низкой скорости.
Пример испытания 4
Отверстия H диаметром 25 мм (диаметр долота 25 мм) и глубиной 200 мм были сформированы в материалах для перфорации, содержащих бетон, мокрым способом при скорости вращения 6000 об/мин. с двумя типами долот 15, каждое из которых имеет толщину режущей кромки 1,8 мм и 2,0 мм, которые проводились несколько раз для каждого долота, и сравнивали время перфорации.
Как показано на фиг. 8, в случае с долотом 15, имеющим толщину режущей кромки 1,8 мм, хорошие режущие характеристики всегда сохранялись при увеличении количества раз, в то время как режущее качество резко ухудшалось примерно с 15-го раза в случае долота 15, имеющего толщина режущей кромки 2,0 мм.
Край каждой фрезы наблюдали после испытаний, результаты которых показали, что долото 15 с толщиной режущей кромки 1,8 мм не показало значительного износа, в то время как долото 15 с толщиной режущей кромки 2,0 мм износилось.
Как упоминалось выше, было обнаружено, что при выполнении перфорации при высокой частоте вращения (4000 об/мин и более) время перфорации можно сократить за счет использования долота 15, имеющего малую толщину режущей кромки, и что износ долото было небольшим, и всегда можно было поддерживать хорошую производительность резания.
