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Verfahren und Vorrichtung zum Bohren von Stollen, Tunnels, Schächten,
Kanälen od. dgl. Beim Bohren von Stollen, Tunnels, Kanälen, Schächten od. dgl. ist
es bereits bekannt, das Gestein durch Messer oder Meißel spanabhebend von der Stollenbrust
abzulösen. Dieses Verfahren wird bisher aber nur im Gestein mit kleiner bis mittlerer
Härte angewendet. Mit zunehmender Gesteinshärte vermindert sich nämlich die Wirtschaftlichkeit,
weil bei ausgesprochenen Hartgesteinen der Schneiden-bzw. Hartmetallverbrauch stark
zunimmt und die gegenüber der Sprengmethode höhere Vortriebsgeschwindigkeit wegen
zu häufigen Messerwechsels verlorengeht. Auch beim Bohren mit Rollenmeißeln, die
bei harten Gesteinen und kleineren Bohrdurchmessern schon mit Erfolg herangezogen
werden, ist der Werkzeugverbrauch noch so beträchtlich, daß verhältnismäßig hohe
Bohrkosten entstehen. Im übrigen verlangt das Bohren mit Rollenmeißeln bei Hartgestein
und insbesondere bei größeren Bohrdurchmessern wegen der notwendigen starken Anpreßdrücke
einen derart hohen maschinellen und leistungsmäßigen Aufwand, daß die Wirtschaftlichkeit
jene der Sprengmethode nicht mehr übertrifft.
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Es ist ferner eine Streckenvortriebsmaschine bekannt, bei der mehrere
von einem Druckmittel angetriebene Werkzeuge auf in einer Kegelfläche liegenden
Tragschienen derart angeordnet sind, daß ihre Schneidkanten in verschiedenen Abständen
längs der Maschinenachse in Vorschubrichtung und in verschiedenen seitlichen Abständen
von der Achse liegen, um fortschreitend eine Kegelfläche bildende Stufen in das
Gestein einzuarbeiten. Diese Werkzeuge sind an einem drehbaren Kopfstück befestigt
und werden bei weichem Material ohne Relativbewegung schneidend bzw. schabend verwendet,
wogegen sie bei härterem Gestein kleine Stöße ausführen, also als Meißel arbeiten.
Eine andere bekannte Maschine weist auf zwei quer zur Stollenachse bzw. Vorschubrichtung
liegenden, miteinander einen stumpfen Winkel einschließenden gekuppelten Wellen
eine Vielzahl von Scheiben auf, an denen Hammerwerkzeuge wie Fliehgewichte angelenkt
sind, wobei die Hammerköpfe meißelartige Werkzeuge tragen. Auch hier wird also die
Ortsbrust schlagend bearbeitet, und es findet kein Spanabheben statt. Schließlich
ist eine Bohrmaschine zum Streckenvortrieb mit umlaufendem Bohrkopf bekanntgeworden,
der mit radialen, im Abstand voreinander angeordneten, konzentrische Einschnitte
herstellenden Schneidwerkzeugen und den Schneidwerkzeugen folgenden Kern'brechwalzen
für die zwischen den Einschnitten stehengebliebenen Teile versehen ist. Hier werden
also ohne Schlagwirkung in die Stollenbrust Kerben geschnitten und anschließend
Druckwalzen zum Brechen der zwischen den Einschnitten stehengebliebenen Teile verwendet,
welches Arbeitsverfahren nur bei weichem Gestein brauchbar ist, da beim Vortrieb
in härterem Gestein bereits die den Einschnitt herstellenden Schneidwerkzeuge brechen
bzw. zu rasch stumpf werden. Die rein schlagenden bzw. meißelnden Maschinen haben
überhaupt den Nachteil einer zu geringen Vortriebsgeschwindigkeit.
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Die Erfindung bezweckt die Beseitigung dieser Mängel durch ein Verfahren,
das das- wirtschaftliche Bohren von Stollen, Tunnels, Kanälen, Schächten od. dgl.
unter Verwendung von spanabhebenden Werkzeugen, wie Schneid-, Fräs- oder Schrämmesser,
Rollenmeißel u. dgl., auch in Hartgestein, Harterzen usw. ermöglicht und bei Anwendung
in mittleren und leichten Gesteinsarten wesentlich beschleunigt und verbilligt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren besteht im wesentlichen darin, daß
die zu bearbeitende Gesteinszone vor dem Eingriff der ablösenden Werkzeuge durch
Hammerschläge vorbereitet bzw. zermürbt wird. Während bisher nur schlagend oder
nur schneidend oder schneidend und nachfolgend drückend gearbeitet wurde, erfolgt
nunmehr eine schlagende Bearbeitung der Ortsbrust vor dem
Schneiden,
wobei es sich zur Vereinfachung und Beschleunigung des Verfahrens empfiehlt, daß
das Hämmern und Ablösen gleichzeitig, aber in Vorschubrichtung der ablösenden Werkzeuge
hintereinander erfolgt. Durch die mehr oder weniger rasch hintereinander geführten
Hammerschläge entstehen im Gestein Gefügeänderungen, Strukturauflockerungen, Haarrisse,
Risse, Spalten, Kerben, Ritzen u. dgl., die das nachfolgende, spanabhebende Ablösen
der Gesteinsschicht durch Schneiden, Fräsen, Schremmen, Hobeln, Rollenmeißeln usw.
ebenso wie das Abbrechen sbehengelassener Gesteinsborde bedeutend erleichtern und
beschleunigen. Die bisher im Hartgestein auftretenden Schwierigkeiten werden daher
überwunden, und es ergibt sich auch beim Bohren in mittleren und leichten Gesteinsarten
ein rascheres und billigeres Arbeiten als bisher.
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Durch eine besondere Formgebung der Schlaghammerbahn können je nach
der Eigenart des zu bohrenden Gesteins verschiedene zusätzliche Wirkungen herbeigeführt
werden. So wird z. B. eine dachförmige Hammerbahn bei rotierender Vorschubbewegung
eine kreisförmige Kerbe in die Stollenbrust schlagen und das Gestein durch Keilwirkung
mit Querrissen versehen. Ein oder mehrere keilförmige Hammerbahnansätze werden eine
oder mehrere tiefreichende Kreisritzen in der Stellenbrust ergeben. Pyramidenförmige
Hammerbahnansätze werden das ganze vom Hammerwerkzeug bestrichene Kreisband der
Stellenbrust in seinem Gefüge mehr oder minder auflösen. Durch die kerbartige Ritzwirkung,
die mit der Wirkung eines Diamanten in Glas vergleichbar ist, wird nachfolgend die
Zerspanung härtester und sprödharter Gesteine mit geringstem Aufwand ermöglicht.
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Die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
zeichnet sich durch die Zusammenfassung schlagender und ablösender Werkzeuge zu
einer eine gemeinsame vorzugsweise rotierende Vorschubbewegung ausführenden Einheit
aus, wobei die Schlagwerkzeuge den ablösenden Werkzeugen vorgeordnet sind, so daß
sie jene Gesteinszone bearbeiten, die unmittelbar nachfolgend von den ablösenden
Werkzeugen -bestrichen wird. Der Hammerantrieb kann dabei durch Druckluft, auf elektrischem
Wege oder unmittelbar mechanisch erfolgen. Eine besonders zweckmäßige Konstruktion
ergibt sich, wenn eine motorisch angetriebene, annähernd parallel zur Stellenbrust
od. dgl, liegende Hammerwelle mit durch die Fliehkraft anschlagbegrenzt auswärts
gedrückten Schlaggewichten versehen ist, die entweder unmittelbar oder über verschiebbare
Meißelstangen auf das Gestein schlagen. Die Hammerwelle wird durch einen Elektromotor,
einen Druckluftmotor, einen Drucköhnotor od. dgl. angetrieben. Der Antrieb kann
auch vom Getriebe der spanabhebenden Maschine abgeleitet werden. Um eine Anpassung
der Schlagfolge an die jeweilige oft wechselnde Gesteinseigenart zu ermöglichen,
ist für die Hammerwelle eine Drehzahlregelung, die auch stufenweise sein kann, zweckmäßig.
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Weitere Erfindungskennzeichen ergeben sich aus der Zeichnung, in der
der Erfindungsgegenstand in mehreren Ausführungsbeispielen schematisch dargestellt
ist. Es zeigt F i g. 1 eine Stellenbohrmaschine in Ansicht, F i g. 2 einen zugehörigen
Schnitt nach der Linie II-11 der F i g. 1, F i g. 3 und 4 eine Bohrmaschine mit
rotierenden Messerköpfen in Ansicht und Draufsicht, F i g. 5 und 6 den Messerkopf
und die Schlagvorrichtung einer anderen Bohrmaschine in Ansicht und Draufsicht teilweise
aufgeschnitten, F i g. 7 eine Ausführungsvariante in einer der F i g. 6 entsprechenden
Darstellungsweise, F i g. 8 ein Schlaggewicht für sich allein in Seitenansicht,
F i g. 9, 10, 11 und 12 Ausführungsvarianten des Schlaggewichtes in Sicht auf die
Hammerbahn und F i g. 13 und 14 ein beispielsweise zur Bearbeitung der Zentralzone
der Stellenbrust geeignetes Gerät im Teilschnitt nach der Linie XIII-XIII der F
i g. 14 und im Schnitt nach der Linie XIV-XIV er F i g. 13.
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Nach F i g. 1 und 2 trägt die Hauptwelle 1 einer Bohrmaschine drei
Radialschneidarme 2, in denen spanabhebende Werkzeuge beliebiger Art, beispielsweise
Schneidmesser 3 gelagert sind, die in der Stellenbrust kreisförmige Schnittbahnen
ergeben, da die Schneidarme 2 in Pfeilrichtung umlaufen. In dieser Richtung vor
den Werkzeugen 3 sind in den Armen 2
Hämmer 4 angeordnet, so daß sie jene
Gesteinszone bearbeiten, die unmittelbar nachfolgend von den Schneidmessern 3 bestrichen
wird. Die Bohrmaschine gemäß F i g. 3 weist für sich rotierende, einander diametral
gegenüberliegende Messerköpfe 5 auf, die gemeinsam um die Achse der Hauptwelle
1 kreisen und das Gestein in sich überschneidenden Zykloidenbahnen zerspanen.
Die Schlaghämmer 4 können in einem gemeinsamen Rahmen oder Gehäuse 6 gelagert
sein, das um eine zur Stellenbrust etwa parallele Achse 7 schwenkbar am Lagergehäuse
8 des Messerkopfgetriebes angelenkt ist. Es ist aber auch möglich, die Schlaghämmer
4 in einem die Kreisbewegung um die Hauptwellenachse mitmachenden starren
Tragarm 9 zu lagern, wie dies in F i g. 3, untere Bildhälfte, dargestellt ist.
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Nach F i g. 5 und 6 ist an Stelle des Messerkopfes 5 eine Messerscheibe
10 vorgesehen, deren Achse in schon bekannter Weise zur Stellenbrust etwas
geneigt ist, so daß die Messer 11 das Gestein schneiden und hinterschneiden, was
ein zusätzliches Brechen gestattet. Am Getriebegehäuse 8 der Messerscheibe
10 ist mit zur Stellenbrust etwa paralleler Schwenkachse 7 ein starres, gegen
die Stellenbrust offenes Gehäuse 12 angelenkt, in dem eine Hammerwelle 13 ebenfalls
annähernd parallel zur Stellenbrust lagert. Auf der Hammerwelle 13, die durch
einen Motor 14 mit regelbarer Drehzahl angetrieben wird, sitzen Scheiben 15. Zwischen
je zwei Scheiben 15 sind paarweise Schlaggewichte 16 einander diametral gegenüberliegend
auf exzentrischen Achsen 17 schwenkbar gelagert. Diese Schlaggewichte 16 sind so
geformt, daß sie den verfügbaren Raum möglichst voll ausfüllen, um ein großes Gewicht
und damit eine große Schlagkraft zu erreichen. Die Schlaggewichte 16 weisen
hakenförmige Ansätze 18 auf, mit denen sie sich an durch Ausnehmungen gebildete
Nasen 19 der Hammerwelle 13 abstützen, um die durch die Fliehkraft bewirkte Auswärtsschwenkbewegung
zu begrenzen.
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Gemäß F i g. 7 sind zur Begrenzung der Auswärtsschwenkbewegung der
Schlaggewichte 16 zwei weitere zur Hammerwelle 13 parallele Achsen
20 vorgesehen, welche die Schlaggewichte in Langlöchern 21 durchsetzen. Die
Achsen 17 und 20 sind mit gleichem Radialabstand von der Hammerwelle um
90°
versetzt angeordnet, so daß in Achsrichtung nebeneinanderliegende Schlaggewichtspaare
ebenfalls um 90° versetzt eingebaut und somit abwechselnd auf den Achsen 17 und
den Achsen 20 gelagert werden können. Da beim Aufschlag jedes Schlaggewichtes der
sich aus der paarweisen Anordnung ergebende Fliehkraftausgleich für einen Augenblick
aufhört und alle nebeneinander angeordneten Schlaggewichte gleichzeitig aufschlagen,
summieren sich die frei werdenden Fliehkräfte aller auftreffenden Schlaggewichte,
wenn sie bloß auf den Achsen 17 sitzen, zweimal je Umdrehung. Wenn die Schlaggewichtspaare
jedoch um 90° versetzt angeordnet sind, verkleinert sich die jeweils frei werdende
Summenfliehkraft auf die Hälfte und tritt bei jeder Viertelumdrehung auf, so daß
sich ein verbesserter Massen- bzw. Schlagreaktionsausgleich ergibt.
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Das Gehäuse 12 stützt sich über einen Gleitanschlag 22 an der
Stollenbrust ab und wird durch einen pneumatischen oder hydraulischen Kolbentrieb
23 gegen die Kraft einer Feder 24 gegen die Stollenbrust gedrückt. Der Kolbentrieb
selbst stützt sich am festen Maschinengestell od. dgl. ab, das nicht näher dargestellt
ist. Wird der dem Gehäuse 12 zugekehrte Zylinderraum des Kolbentriebes 23 vom Druckmittel
entlastet, überwiegt die Kraft der Feder 24, und es wird das Gehäuse
12 selbsttätig von der Stollenbrust abgehoben. Der Kolbentrieb kann mit dem
Antriebsmittel des beispielsweise hydraulischen oder pneumatischen Hammerwellenmotors
14 beaufschlagt sein. In diesem Fall wird das Hammergerät bei Arbeitsstillstand
selbsttätig von der Stollenbrust abgehoben und beim Bohren an die Stollenbrust angedrückt.
Der Gleitanschlag 22 bestimmt den richtigen Abstand der Hammerwelle 13 von
der Stollenbrust. Er kann durch Rollen ersetzt und gegebenenfalls verstellbar ausgebildet
werden.
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Bei der Rotation der Hammerwelle 13 werden die Schlaggewichte
16 durch die Fliehkraft innerhalb des durch den Hackenansatz 18 und die Nase
19 oder durch die Langlöcher 21 und die Achsen 20 bestimmten Schwenkbereiches auswärts
gedrückt und schlagen so auf die Stollenbrust. Dabei kann die vom Umfang der Schlaggewichte
16 gebildete Hammerbahn glatt sein, wie dies in F i g. 5 und 7 dargestellt
ist. F i g. 8 bis 12 zeigen dagegen verschiedene Möglichkeiten, den Umfang der Schlaggewichte
16 mit keil- oder messerartig profilierten Ansätzen 25 zu versehen, deren
Rücken auch sägezahnartig ausgebildet sein kann (F i g. 8 und 9). Die Schlaggewichte
bestehen aus einem verschleißfesten Werkstoff. Die Hammerbahn und die Ansätze
25 können in geeigneter Weise armiert und gepanzert sein.
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An jenen Stellen der Stollenbrust, an denen ein solches unmittelbar
wirkendes Hammergerät keinen Platz findet, wie z. B. in der Zentralzone, wird ein
Gerät nach F i g. 13 und 14 verwendet. Die Hammerwelle 13 mit den Schlaggewichten
16 ist hier in einiger Entfernung von der Stollenbrust angeordnet, wo Raum
für ihre Unterbringung ist. Um die Schlagwirkung an die Brustzone zu übertragen,
sind verschiebbare Meißelstangen 26 vorgesehen, die mit einem tellerartigen
Kopf 27 die Schlagenergie aufnehmen und mit Rückholfedern 28 versehen sind.
Nicht näher dargestellte Anschläge sichern die richtige Ruhelage der Meißelstangen.
Die Meißelstangenenden 29 sind wie die Schlaggewichte 16 beim unmittelbar wirkenden
Hammergerät stumpf, keilförmig, schneidenförmig oder in ähnlicher Weise ausgebildet.
Es ist auch möglich, sie mit besonderen Schlagköpfen 30 zu versehen. Mit
5 und 8 sind wieder der Messerkopf und sein Getriebegehäuse bezeichnet.
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Wenn durch die Schrägstellung der schneidenden Messerscheiben die
Stollenbrust eine konkave Form erhält, werden für die nebeneinanderliegenden, paarweise
angeordneten Schlaggewichte verschiedene Durchmesser gewählt, so daß die Schlaggewichte
den richtigen Abstand von der von ihnen zu bearbeitenden Bruststelle aufweisen.