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Hydra@@@sch betä@ig@e Vorr@ch@u@g @@m Bohren von Gestein Die Erfindung
bo@rif@@ eine Vorricht@ng zum Bohren von Ges@e@n Be@on od dg@@@m@@@@ eine@ hydraulisch
betätigten Sch@agm@@o@@@nd einem hyd@aul@sch betä@ig@en rotierenden @o@or Ges@o@nsbohrmaschine
mi@ separa@em Rotationsamtroeb somd bekann@@ Bei derar@igen Maschinen wird der ro@ierende
Mo-@or für den Bchrstahl an der Maschine an der Seite des Sch@agmotors befestig@.
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In Abhängigkeit von den besonderen Eigenschaften des rotierenden Motors
und von der Art seiner Befestigung ist zwischen dem Bohrstahl und dem rotierenden
Motor ein Zahnradgetriebe erforderlich. Dieses Zahnradgetriebe überträgt auf den
Bohrstahl eine Drehgeschwindigkeit (Drehzah@) und ein Drehmoment, welche von den
Charakteristiken des rotierenden Motors abhängen.
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Der Schlagmotor weist einen von einem Druckmittel beschleunigten,
gegen den Bohrstahl schlagenden, sich
hin- und herbswegenden Kolben
sowie ein oder mehrere Ven@@@e zur Ver@eilung des @ruckmit@e@s auf Druckkammern
auf@ die von dem Kolben und dem Maschinengehäuse umgrenzt sind. Wenn als Druckmittel
eine Druckflüssigke@@ verwendet wird, deren Kompressibili@ät im Vergleich mit der
Kompressibilität von Gasen sehr niedrig ist sind in der Hochdruckleitung und möglicherwiese
auch in der Niederdruckleitung Druckakkumulatoren erforder@ich Die Aufgabe dieser
Maßnahme bestaht darin den Druck in den Speise- und Auslaßleitungen sowie in den
Kanälen des Maschinengehäuses so konstant wie möglich @u halten Die Schlag- und
Drehmotoren der Gesteinbohrmaschine sind im wesentlichan mit getrennten Hydraulikkreisen
versehen, deren jeder wenigstens eine Pumpe, ein Druckbegrenzungsventil, ein Drehrichtungsbestimmungs-Ventil
sowie Zuführ- und Auslaßkanäle aufweist. Die Filtereinrichtung und der Ölbehälter
können jedoch beiden Hydraulikkreisen gemeinsam sein.
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Drehmotoren von Gesteinsbohrmaschinen weisen im allg.-meinen eine
bestimmte Drehzahl (displacement) auf. Druch Steuerung der Flüssigkeitsströmung
kann jedoch die Drehgeschwindigkeit verändert werden Auch die Schlagmotoren weisen
im allgemeinen einen feststehenden Hub (displacement) auf Es sind Jedoch auch Schlagmotoren
bekannt, bei denen das Verhältnis zwischen der Schlagfrequenz und der Flüssigkeitsströmung
durch Veränderung der Stoßstärke verändert werden kann0
Der in der
H@chdrucklei@ung des Drehmo@ors vorhandere Druck häng@ @on Widerstand gegenüber
der Ro@a@@@ des Bohrers a@ Zum Bohr@n in har@@@ homog@n@n Gesteinen ist das erforder@@ch@
Drehmomen relat niedrig, @eshalb auch der Arbeitsdruck niadrig @@@ Dies is@ der
Tatsache zu verdanken, daß das Eindringen des Bohrers während des Bohrens in harten
Gesteinen hauptsäch@ich durch die Schl@genergie verursacht wird während die Rotation
des Bohrers nur dazu dient, die Bohrspitze zwischen jedem Schlag um einen bestimmten
Winkel zu drehen. In den meisten Gesteinen kann für den Drehwinkel des Bohrstahls
zwischen jedem Schlag im Verhältnis zur Eindringtiefe des Bohrers ein optimaler
Wer@ gefunden werden@ Wenn der optimale Wert angesichts der unterschied@ichen Gesteinscharakteristiken
über einen weiten Bereich variiert, ist es vortei@haft, die Drehgeschwindigke@@
des Bohrstahls im Verhältnis zur Schlagfrequen@ sreuern zu können@ Dies kann mit
Hilfe eines Strömungssteuerungs-Ven@il im Hydraulikkreis des rotierenden Motors
oder mit Hilfe einer Pumpe mit einer variablen Förderleistung (displacement) bewerkstelligt
werden.
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Während des Bohrens in "weichen" Gesteinen unterstützt die Drehbewegung
des Bohrers auch direkt das Eindringen desselben@ Der Reibungswiderstand zwischen
dem Gestein und der Bohrsp@@@ wird jedoch größer sein, da die
Bohrspitze
bei jedem Schlag tiefer eindringt. Aus diesem Grunde ist das erforderliche Drehmoment
größer und folglich auch der Arbeitsdruck im rotierenden Motor.
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Wenn der Bohrer während des Bohrers in harten oder homogenen Gesteinen
plötzlich in eine Zone weichen -oder rissigen Gesteins eindringt, besteht große
Gefahr, daß der Bohrer infolge des rasch anwachsenden Drehwg derw stands klemmt0
Die Kombination zwischen den Stößen und größem Drehmoment kann derart hohe Beanspruchungen
zur Folge haben, daß der Bohrstahl bricht0 Die Gefahr des Klemmens kann im wesentlichen
durch Herabsetzung der beim Schlag von dem Kolben übertragenen Schlagenergie vermindert
werden. Die Schlagenergie kann durch Steuerung der Hublänge und/oder des Arbeitsdruckes
des Kolbens kontrolliert bzw. verändert; werden Bei den bisher bekanntgewordenen
Konstruktionen kann die Hublänge durch Auswechseln bestimmter Komponenten der Maschine
oder durch manulles Verstellen einer Stellschraube mit Hilfe eines Spezialwerkzeugs
verändert werden. Es leuchtet ein daß durch solche Maßnahmen es nicht möglich ist,
ein Klemmen des Bohrers wirksam zu verhindern0 Es ist ebenfalls bekannt, daß der
den Bohrer handhabende Arbeiter zur Vermeidung des Klemmens des Bohrers die Zufuhr
des Druckmittels zum Schlagmotor mit Hilfe eines
manuell betätigten
Ventils begren@en oder vo@@ständig unterbrechen oder den Speisedruck vermindern
kann.
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Ein den Bohre@ handhabender Arbeiter hat gegenwärtig of@ drei oder
vier Maschinen gleichzeitig zu bedienen, weshalb die Gefahr des Klemmens eines Rohrers
gegenüber früher, als der Arbeiter.nur eine oder zwei Maschinen zu überwachen hatte,
beträchtlich größer ist, Lanuelle Maßnahmen h@ben sich jedoch sehr häufig als zu
langsam erwiesen. um das K@emmen des Bohrers zu vermeiden@ Das Heraus- bzw@ Zurückziehen
eines verklemmten Bohrs@ahls ist besch@er@ich sowie zei@- und arbeitsauf@ wendig@
Darüber hi@aus geschieh@ es oft, daß der Bohrer im Bohrloch zurückgelassen werden
mvß, da @s unmög@ich is@ @ihn mi@ H@@fe der vorhandenen Werkzeuge zu lockern.
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Ein Verfahren zur Lösung der mit dem Klemmen des Bohrers zusammenhängenden
Probleme ist bekannt@ Demnach sind die hydraulischen Kreise des rotierenden Motors
und des Schlagmotors in Serie geschaltet. Zunächst strömt die Druckflüssigkeit durch
den rotierenden Motor, der einen Bruchteil der ursprünglichen Druckenergie zur Erzeugung
der Drehbewegung des Bohrers weiterleitet. Anschließend strömt die Druckflüssigkeit
den den Schlagmotor, worin der Rest der Druckenergle verbraucht wird. Infolge der
Tatszche@ daß die gleiche Strömung beide Motoren durchströmt. wird die Kontrolle
bzw Steuerung des Verhältnisses
zwischen den Schlag- und Drehbewegungen
verhindert. Diese Steuerung ist jedoch während des Bohrens in Gesteinen mit unterschie@lichen
Eigenschaf@en wünschenswer@@ Wenn andererseits zwischen den Ventilen ein Bypass-Vent;
verwendet wird, wobel das Ventil eine gewisse Veränderung des oben erwähnten Verhältnisses
zu@äßt, indem eine bestimmte Strömungsmenge zur Niederdruckseite durchgelassen wird@
vermindert sich in dem System der Wirkungsgrad, da die Druckenergie in der Bypass-Druckflüssigkeit
in Wärme verwandelt wird, Die Serienverbindung der hydraulischen Kreise verhindert
auch die Verwendung konventioneller Motoren für die Drehbewegung infolge der Abdichtungsschwierigkeiten,
die die an der Auslaßseite des rotierenden Motors herrschenden hohen Drücke verursachen.
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Ein weiteres mit dem Gesteinsbohren zusammenhängendes Problem ergibt
sich beim Langlochbohren. Beim Langlochbohren wächst der rotationswiderstand des
Bohrers mit der Länge der Bohrung. Gleichzeitig muß über den Langlochbohrer der
Bohrspitze eine sich sukzessiv vergrößernde Schlagenergie zugeführt werden.
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Es ist daher Ziel und Zweck der Erfindung, eine Vorrichtung zum Gesteinsbohren
vorzuschlagen, mit der die oben erwähnten Nachteile beseitigt werden und die eine
automatische Steuerung der Stoßenergie ermöglicht, so daß die
Gefahr
des Klemmens des Bohrers beträchtlich vermindert ist.
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Bei der zu schaffenden Vorrichtung soll sich die Schlagen@ergie mit
wachsendem Drehwiderstand während des tangloch-Bohrens automatisch vergrößern.
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Dies erreicht nan mit Hilfe einer Vorrichtung zum Bohren von Gestein,
die folgende Teile aufweist: Ein Maschinengehäuse, eine Einrichtung zur Befestigung
eines Bohrers in dem Gehäuse, einen hydraulisch betätigten rotierenden Motor zum
Drehen des Bohrers, einen Schlagmotor mit einem hydraulisch betätigbaren Schlagkolben
zur Ausführung eines Arbeitehubes in oinem Vor- und Rückwärtshub gegenüber dem Bohrer
zur Übertragung einer Schlagenergie auf denselben, Zusammen mit dem Maschinengehäuse
umgrenzt der Kolben eine erste und eine zweite Druckkammer zur Aufnahme der Druckflüssigkeit,
um den Kolben zum Bohrer hin- bo fOn diesem wegzubewegen. Der rotierende Motor uüd
der Schlagmotor weisen separate Hydraulikkreise auf, deren jeder eine Hochdruckseite
und eine Niederdruckseite umfassen. Im Hydraulikkreis des Schlagmotors ist ein Druckflüssigkeitsverteilungsventil
angeordnet, das wenigstens eine Druckkammer alternativ mit der Hochdruckseite und
(oder) der Niederdruckseite des Hydraulikkreises verbindet, Der ltydraulikkreis
ist gekennzeichnet durch ein Steuerventil zur Steuerung bzw.
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zur Dosierung des Antriebsenergiebetrages, der mit der Druckflüssigkeit
auf den Schlagkolben über das Verteilungsventil
in Abhängigkeit
vom Druck an der Hochdruckseite des Hydraulikkreises des rotierenden Motors zugeführ@
wirdo Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus
nachfolgender Beschreasung bevorzugter Ausführungsformen derselben sowie aus der
in der Anlage beigefügten Zeichnung. Hierbei zeigen: Fig. 1 und 2 eine teiLweise
schematische Darstellung zweier verschiedener Ausführungsformen der erfindungsgemaßen
Vorrichtung zum Gesteinsbohren; Fig. 3 eine teilweise schematische Darstellung einer
weiteren der Figo 2 entsprechenden Ausführungsform der Erfindung und Pigo 4 bis
8 schematische Darstellung weiterer Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung@
In den verschiedenen Darstellungen der unterschiedliche Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes
werden die gleichen oder ähnlichen Details mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Figo 1 zeigt ein in durchgezogenen Linien dargestelltes Maschinengehäuse
2. Im Gehäuse 2 ist ein herausnehmbarer Bohrstahl 4 eingesetzt. Mit hilfe eines
(hier nur schematisch dargestellten) rotierenden Motors 6 kann der Bbhrstahl
4
über ein Zahnradvorgelege 8, 10 und eine Keilwellenhü@se 12 in D@ehung versetzt
werden.
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In einer im Maschinengehäuse 2 ausgebildeten zylindrischen Kammer
16 ist ein Schlagkoiben 14 in Richtung des Bohrers 4 hin- und herbewegbar angeordnet.
Der Kolben 14 ist insbesondere dazu geeignet gegen den Bohrstahl 4 in einer @achfolgend
noch eingehender beschriebenen Weise zu stoßen bzw. zu schlagen und dabe@ auf diesen
Schlagenergie zu über@ragen.
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Der Kolben 14 begrenzt im zylindrischen Raum 16 eine hinrere ringförm@ge
Druckkammer 18 und eine vordere ringförmige Druckkammer 20 Der in der hin@eren Kammer
;8 herrschende Druck wirki-- derart: gegen eine Kolbenfläche 22 daß er acn Kolben
in R@chtung des Bohrers bewegt dem sogenannten Arbeitshub". Der in der Kammer 20
herrschende Druck wirkt gegen eine Kolbenfläche 24, um den Kolben in entgegengesetzter
Richtung vom Bohrer wegzubewegen. in einem sogenannten "Leerlaufhub".
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Der Hydraulikkreis des rotierenden Motors weist eine Hochdruckleitung
23 und eine Niederdruckleitung 25 auf, Zur Öffnung der mit einem Gewinde versehenen
Verbindungseinrichtung der Bohranordnung ist es erforderlich, daß der rotierende
Motor 6 in umgekehrter Richtung in Drehung versetz@ werden kann, was mit Hilfe eiens
(hier nicht darges@ellten) Drehrichtungs-Bestimmungsventils bewerkste@ igt werden
kann.
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Der roti.erende Motor und der Schlagmotor weisen separate Hydraulikkreise
aus. Der Hydraulikkreis des Schlagmotors wird über einen an einem Druckbehälter
angeschlossenen Druckkana@ 26 mit Druckflüssigkeit versorgt. Der Hydraulikkreis
des Schlagmotors weist ferner einen an einen Druckbehälter 28 angeschlossenen Rücklaufkanal
27 auf0 Die beiden Druckbehälter 28 und 30 können in an sich bekannter Weise konstruiert
sein, um Druckschwankungen aussugleichen. Die Kanäle 26 und 27 sind mit einem als
Schiebeventil ausgebildeten Verteilungsventil 32 verbunden.
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das einen Ventilschieber 33 aufweist. Das Verteilungsventil 32 wirkt
in der nachfolgend beschriebenen Weise, um die beiden Druckkammern 18 bzw. 20 alternativ
über die Kauaäe 29 bzw. 30 mit der Hochdruckleitung 26bzw. der Auslaßleitung 27
zu verbinden.) Wenn die Kammer 18 mit dem Xochdruckkanal 26 in Verbindung gebracht
ist ist-' die Kammer 20 gleichzeitig init dem Niederdruck- oder Rücklaufkanal 2'7
verbunden. Der in der Kammer 18 herrschende Flüssigkeitsdruck versetzt den Kolben
14 in eine beschleunigte Bewegung in Vorwärtsrichtung0 Nach Anstoßen des Kolbens
d4 am Bohrstahl 4 werden die Kammer 20 mit dem Hochd@uckkanal 26 und die Kammer
18 mit dem Niederdruckkanal 27 in Verbindung gebracht, wodurch der Kolben 14 nach
hinten verschoben wird. Der Ventilschieber 33 wird über einen mit einem Druckeinlaß
34 verbundenen Kanal 36 in einer Richtung hydraulisch gesteuert, wobei der Schlagkolben
4 in der nachfolgend beschriebenen Weise als Kontrollventil arbeitet.
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In entgegengesetzter Richtung wird der Ventilschieber 33 über einen
mit dem Druckeinlaß 38 verbundenen Kanaj 40 mit' Hil.fe eines Steuerventils 42 gleichfalls
hydraulisch gesteuert bzw@ bewegt@ Das Steuerventil 42 weist einen Ventilschieber
44 auf.
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der in einem zylindrischen Raum 46 axial bewegbar ist und mit Hilfe
einer auf ein Ende des Schiebers 44 wirken den Druckfeder 48 in einer Richtung beaufschlagt
ist0 Eine Stelischraube 50 ist; zEr Veränderungbzw. Einstellung des Druckes der
Feder 48 vorgesehen. Am entgegengestzten Ende des Schiebers 44 sind zwei separate
Druckkammern 52 bzw. 54 vorgesehen. Die in den Kammern 52 und 54 herrschenden Drücke
wirken gegen eine Schieberfläche, und zwar jeweils mit einer Kraft, die der Kraft
der Feder 46 entgegenwirkt. Die Kammer 54 steht über einen Kanal 55 mit dem Hochdruckkanal
26 in direkter Verbindung0 Die Kammer 52 ist über einen Kanal 57 mit der Hochdruckseite,
d.h. dem Kanal 23 des Hydraulikkreises des rotierenden Motors 6 verbunden, Der zylindrische
Raum AS des Steuerventils 42 weist eine Anzahl ringförmiger Nuten 60, 62, 64 und
66 auf@ die über Jeweils einen Kanal mit. den entsprechenden Öffnungen 68, 70, 72
und 74 verbunden sind, die in der Wand der zylindrischen Kammer 20 axial hintereinander
vorgesehen sind0 Der Schieber 44 ist mit einem konisch bearbeiteten
bzw.
abgedrehten Teil (cavity) 76 im Bereich der Nuten 62, 64 und 66 versehen, Wenn die
Kammer 20 über das Verteilungsventi@ und den Kanal 31 mit der Hochdruckkammer 26
in Verbindung gebracht wird, wird der Kolben 14 von der Druckflüssigkeit nach hinten
bewegt. Jede der Öffnungen 68, 70, 72 und 84 wird druch den Kolben 14 an der Kolbenfläche
24 freigelegt und mit der Kammer 20 in Verbindung gebracht; D'.e Hoch druckflüssigkeit
gelang':; dann über die entsprechenden Nuten 60, 62, 64 bzw. 66 indden zylindrischen
Raum 46 und von dort über den Kanal 40 zum Drucksteuer-Eingang 38 des Verteilungsventi@s
32. Der Ventilschieber 33 im Verteilungsventil 32 verändert dann seine Stellung
derart, daß die Kammer 18 über den Kanal 29 und das Verteilungsventil 32 mit dem
Hochdruckkanal 26 verbunden sind. G@eichzeit ist dann der Kanal 31 mit dem Rücklauf-
bzw Rückströmkanal 27 verbunden und der-IColben 14 verändert seine Bewegungsrichtung,
Die Hublänge des Kolbens 14 ist somit begrenzt durch eine der Öffnungen 68, 7Q,
72 oder 74, die zunächst bzw. zuers die Kammer 20 mit dem zylindrischen Raum 46
des Verteilungsventils 32 über die entsprechenden Nuten 60, 62, 64 bzw. 66 in Verbindung
bringt, Dies hängt wiederum von der Differenz der Kraft der den Schieber 44 beaufschlagenden
Feder 48 und der dieser Federkraft entgegengesetzten Kraft ab, die aus der Summe
der Drücke in den Kammern 52 und 54 resultiert. Das
Kontrollventil
ist so eingestellt@ daß der Schieber 44 die Nut 66 nicht schließen kann. Diese Verbindung
bestimmt somit die größte Hublänge des Kolbens 14. Der Rückwärtshub des Kolbens
»4 wird dann initiiert, wenn die Kolbenfläche 22 während des Arbeitshubes den Einlaß
des Kanals 36 zur Kammer 18 hin freigibt, so daß der in dieser Kammer 18 vorhandene
Hochdruck zum Druckkontroll-Eingang 34 des Verteilungsventils s 32 geführt wird
und dabei die Stellung des Schiebers 33 verändert (switched) wird Der Kolben 14
weist zusätzlich eine Eindrehung 78 auf, Ein über das Verteilungsventil 32 mit dem
Niederdruckkanal 27 in ständiger Verbindung stehender Kanal 80 sorgt dafür, daß
das Verteilungsventil 32 über die Eindrehung 78 entleert wird, wobei der Kanal 80
wiederum mit der Öffnung 74 bzw dem Kanal 36 verbunden ist' Aus obiger Beschreibung
wird deutlich, daß wenn der Druck in einer der beiden Hochdruckkanäle des rotierenden
Motors bzw. des Schlagmotors ansteilgt, die Hublänge des Kolbens 14 vermindert wird,
während andererseits die Schlagfre quenz ansteigt Wenn der Druck vermindert wird,
wächst; die Hublänge des Kolbens und die Schlagfrequenz wird vermindert. Während
des Bohrens in homogenen und gleichmäßig harten Gesteinen wird der Druck im Hochdruckkanal
23 des rotierenden Motors 6 bestimmt durch den Rotationswiderstand des Bohrers 4.
Bei Betrieb herrscht im Hochdruckkanal 26 des Schlagmotors ein Druck derdem Schieber
44
eine entsprechende Stellung und dem Schlagmotor eine be-Stimmte
Hublänge gibt. Bei Anwachsen des Rotationswiderstandes steigt der Druck im Hochdruckkanal
23 des rotierens den Motors an.- Der Druckanstieg verursacht über den Kanal 57 und
den zylindrischen Raum 52 eine Verschiebung des Schiebers 44, wobei die Hubl-änge
des Kolbens 14 verkürzt wird wodurch wiederuia die Schlagenergie vermindert wird,
Entsprechend wachsen die Hublänge und damit auch die Schlagenergie, wenn sich der
Rotationswiderstand vermindert Die schlagenergie der Bohrmaschine wird somit automatisch
gesteuert und hängt vom Rotationswiderstand des Bohrers ab, der seinerseits von
der Gesteinsnatur abhängt. Die Schlaghublänge kann aber auch mit Hilfe der Stellschraube
50 manuell eingestellt werden.
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Die erläuterte Vorrichtung arbeitet unabhängig von Veränderungen der
Ölviskosität und unabhängig vom Abnutzungsgrad der Maschine. Da der Schlagmotor
mit Hilfe einer Pumpe mit konstantem Hub (displacement) angetrieben wird, entspricht
der Flüssigkeitsdruck einer bestimmten Hublänge und einer bestimmten Schlagfrequenz.
Sollte der Druck infolge der Verminderung der Ölviskosität oder eines wachsenden
Ölverlustes infolge Abnutzung abfallen, verändert; sich automatisch die Stellung
des Schiebers 44, wobei die Hublänge des Kolbens verlängert und eine Verminderung
der Schlagenergie vermieden werden. Da der rotierende Motor und der Schlagmotor
von separaten
Hydrauiikkre:tsen gespeist werden, können deren Frequenzen
durch Steuerung der Flüssigkeitssträmung durch den entsprechenden Motor individuell
verändert bzw. gesteuert werden0 Mit Hilfe des konisch bearbeiteten bzw. abgedrehten
Teils 76 des Schiebers 44 wird die Verbindung zwischen den Nuten schrittweise hergestellt,
wobei man eine stufenlose Steuerung der Hublänge erhält0 Der Schieber des Steuerventils
kann auch so angeordnet werden, daß der im Hochdruckkanal des Schalgmotors herrschende
Druck dazu neigt, den Hub des Plungerkolbens zu verlängern0 Diese Ausführungsform
ist angebracht, wenn der Hydraulikkreis des Schlagmotors mit einem separaten Drucksteuer-Ventil
(konstanter Drucksteuerung) versehen worden ist0 Die Einstellung der Hublänge kann
auch von den im Hochdruckkanal des rotierenden Motors herrschenden Druck abhängig
gemacht oder auch von Hand vorgenommen werden, Die Anzahl der im zylindrischen Raum
46 angeordneten ringförmigen Nuten ist natürlich nicht auf die in dieser Ausführungsform
angegebene Anzahl beschränkt bzw. begrenzt; sie kann größer oder kleiner seine In
der in Figo 2 dargestellten Ausführungsform weist der Schieber 44 des Steuerventils
42 eine Eindrehung 90 auf-Zwei ia der Wand des zylindrischen Raumes 46 ausgebildete
Nuten 92 bzw. 94 können über die Eindrehung 90miteinander in Verbindung gebracht
werden Die lEut 92 ist über den Kanal 40 mit dem Steuerdruck-Einlaß 38 des Verteilungsventils
32
verbunden, während die Nut 94 mit dem Hochdruckkanal 26 des Hydraulikkreises des
Schlagmotors verbunden ist, Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der in
Fig. 1 dargestellten Ausführungaform dadurch, daß an Stelle der Veränderung der
Hublänge des Kolbens der Arbeitsdruck in der Kammer 18 in Abhängigkeit vom Druck
an den Hochdruckseiten der Hydraulikkreise des rotierenden Motors und des Schlagmotors
verändert wird. Die Arbeitsweise der Anordnung gemäß Fig. 2 basiert auch auf der
Tatsache, daß im Hydraulikkreis des Schlagmotors ein sich veränderter Druck herrscht,
obwohl Druckbehälter vorhanden sind, Die Druck schwankungen hängen von der Beziehung
zwischen der Kapazität der für die Hydraulikleitung des Schlagmotors verwendeten
Hydraulikpumpe, der Verschiebung bzw. des Hubes des Schlagmotors und den in den
Ventilen und Kanälen auftretenden Flüssigkeitsströmungsverlusten ab. Im einzelnen
arbeitet die Anordnung in folgender Weiser Ln der dargestellten Stellung ist das
Verteilungsventil 32 so eingestellt, daß der Hochdruckkanal 26 mit der Druckkammer
18 verbunden ist und der Schlagkolben 14 somit einen arbeitshub ausführt Die Hydraulikflüssigkeit
in der Kammer 20 wird über das Verteilungsventil 32 zum Niederdruckkanal 27 hin
abgelassen0 Während des Arbeitshubes fällt der Druck im Hochdruckkanal 26 kontinuierlich
ab, da das Volumen der Kammer 18 größer wird5 was zur Fol
ge hat,
daß auch der Druck in der Druckkammer 54 des Steuerventils 42 abfällt. Dabei wird
der Schieber 44 unter Wirkung der Druckfeder 48 derart verschoben, daß die Verbindung
zwischen den Nuten 92 und 94 unterbrochen ist.
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Im Ende des Arbeitshubes gibt die Kolbenfläche 22 den Einlaß des Kanals
36 zur Kammer 18 hin frei und der in der Kammer 18 herrschende Druck wirkt am Steuerdruckeinlaß
34 des Verteilungsventils 32, um den Hochdruckkanal 26 über den Kanal 29 mit der
Kammer 20 sowie den Niederdruckkanal 27 über den Kanal 31 mit der Kammer 18 zu verbinden@
wodurch ein Leerlaufhub bzw. ein Rückwärtshub initiiert wird. Während des Leerlaufhubs
wächst der Druck im Hochdruckkana@ 26 an und die Verbindung zwischen der Kammer
18 und dem Drucksteuereinlaß 34 wird durch den Kolben 14 unterbrochen. Wenn der
Druckanstieg im Hochdruckkana@ 26 und damit auch in der Kammer 54 des Steuerventils
42 einen bestimmten Wert erreicht ha-;9 stellt der Schieber 44 die Verbindung zwischen
den Nuten 92 und 94 wieder her, so daß der im Hochdruckkanal 26 herrschende Hochdruck
über diese Nuten. den Kanal 40 und den Steuerdruckeinlaß 38 des Verteilungsventils
32 wirkt derart, daß das Ventil gleichzeitig wieder abgeschaltet wird. wenn der
Kolben 14 seinen Leerlaufhub beendet hat. Dann beginnt ein neuer Arbei@shub.
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Die in den Hochdruckkanälen beider Motoren vorhandenen Drücke neigen
somit dazu. den Schieber 44 entgegen der Kraft der Feder 48 derart zu bewegen, dß
zwischen dem
Rochdruckkana). 26 und dem Steuerkanal 40 eine Verbindung
besteht. Die durch den Schlagkolben hervongerufene Schlagenergie wird dann durch
die Arbeitsdrücke beider Motoren bestimmt. Wenn der Druck der Feder 48 druch Verstellung
der Stellschraube 50 vergrößert wird, ist in Hochdruckkanal 26 ein höherer Druck
erforderlich " vorausgesetzt, daß der Rotationswiderstand unverändert: ist -, um
der.
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Schieber 44 dazu zu bringen, die Stellung einzunehmen, in der zwischen
dem Kanal 26 und dem Kanal 40 über die Nuten 92 und 94 eine Verbindung besteht.
Der höhere Arbeitsdruck überträgt auf den Kolben gleichzeitig eine erhöhte Schlagenergie.
Sollte der Rotationswiderstand des Bohrstahls grcßer werden, dann steigt der Druck
im Hochdruckkanal des rotierenden r.tors an und verursacht ein Anwachsen des Druckes
auch in der Kammer 52.
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Dann isQ in der Kammer 54 ein entsprechend geringerer Druck erforderlich@
um den Schieber 44 berart zu verschieben daß zwischen den Nuten 92 mund 94 eine
Verbindung bestehe0 Die Verminderung des Arbeitscruckes hat eine Verringerung der
Schlagenergie zur Folge. Dementsprechend steigt der vom Schlagmotor geforderte Arbeitsdruck
und die dabei gelieferte Schlagenergie an, wenn sich der Rotationswiderstand vermindert0
Mit anderen Worten, der Druck in der Kammer 52 bestimmt den Punkt der Kurve des
pulsierenden Druckes in der Kammer 26, bei dem die Verbindung zum Steuereinlaß 38
hin geöffnet werden sollte,
@@e Sch@@generg@e der B@hrmaschine
wird somit automatisch ges@euer@ und häng@ vom R@@ationswiderstand des Bohrstahls
ab@ der wiederum von der Ges@einsnatur abhängt. Wenn der rotierende Motor und der
S@hlagmo@or über separate Hydraul@kkreise gespeist werden, können deren Frequenzen
individuell durch Steuern der Flüssigkeitsströmung im entsprechenden Motor kon@rolliert
bzw. gesteuert werden, wie dies bereits im ersten Ausführungsbeispiel gemäß Fig
1 der Fall ist.
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Der Schieber 44 des Steuerventils 42 kann auch so angeordne;; sein,
daß bei wachsendem Druck im Hochdruckkana). 26 der Druckanstieg dazu führt, die
Verbindung zwischen dem Hochdruckkanal 26 und dem mit dem Drucksteuereinlaß 38 des
Verteilungsventils 32 verbundenen Steuerkanal 40 zu schließen, Diese Verbindung
kann auch so beschaffen sein, daß sie von der Stellung d8 Schlagkolbens unabhängig
ist Die in Fig 3 dargestellte Modifikation der in Fig 2 gezeigten Ausführungsform
der Erfindung arbeitet in gleicher Weise wie letzteres Sie unterscheidet sich nur
leicht von dieser hinsichtlich der Art und Weise, wie die hydraulischen Verbindungen
hergentellt sindi gleichzeitig sind das Verteilungsventil 32 und dessen Anschlüsse
besonders deutlich dargestellt. Beide Drucksteuereinlässe des Ver-@ei@ungsven@ @ls
32 werden vom Druck im Hochdruckkanai 26-aus gesteuert D.H., der Drucksteuereinlaß
34 ist ständig über einen Kanal 100 mit dem Hochdruckkanal 26 verbunden,
während
die Verbindung des Drucksteuereinlasses 38 über das Steuerventil 42 hergestellt
wird, wie dies in den bisherigen Ausführungsbeispielen der Fall ist0 Jedoch ist
der Schieber des Verteilungsventils mit verschiedenen Durchmessern an der Endfläche
versehen. Darüber hinaus erfolgt der Druckablaß am Drucksteuereinlaß 38 über einen
Kanal 102, Verbindungen 104 und 106 mit dem zylindrischen Raum 16, eine am Kolben
14 ringförmig ausgebildete Eindrehung 108 und einen zum Niederdruckkanal 27 führenden
Kanal 110.
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Ahnlich, wie die Ausführungsform gemäß Figo 2, arbeitet das in Pig,
3 dargestellte Ausführungsbeispiel mit Druckveränderungen im Hochdruckkanal 26,
die sich infolge der pulsierenden Strömung durch den Schlagmotor ergeben0 Eine geeignete
Dimensionierung der Leitungen, der Behälter und der Kanäle kann, wie in dem gemäß
Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel, die Kurve der pulsierenden Strömung beeinflussen
Die oben erl,äuterten Ausführungsbeispiele können auch auf andere Arten von Gesteinsbohrmaschinen
angewendet werden, beispielsweise, wo ein Druckraum ständig mit dem Eochdrucflanal
in Verbindung steht, oder wo zusätzlich zum Steuerventil weitere Hilfsventile vorgesehen
sind, Ein derartiges Rilfsventii kann beispielsweise ein im Schlagnotor angeordnetes
Druckbegrenzungsventil sein, das mit dem Schieber des Steuerventils zusammen montiert
oder vollständig vom Steuerventil getrennt angebracht sein
kanne
Es ist auch möglich, eine automatische Begrenzung im Druckkanal des Schlagmotors
zu verwenden.
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Beispiele für derartige und andere Modifikationen des Erfindungsgegenstandes
sind schematisch in den Fig. 4 bis 8 dargestellt.
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Gemäß Fig. 4 ist eine Modifikation der in den Fig. 2 und 3 dargestellten
Ausführungsformen dargestellt, wobei der Hochdruck an der Hochdruckseite des Hydraulikkreises
des Schlagmotors fernbetätigt bzw. ferngesteuert kontrolliert werden kann, Das Steuerventil
42 weist an seinem der Druckfeder Z benachbarten Ende eine Druckkammer 120 ad Der
Druck in der Kammer 120 wirkt; derart gegen eine Schieber fläche 120, daß er diesen
,mit Unterstüzung des Federdrukkes nach rechts zu schieben trachtet. Ein Druckkanal
124 steht mit der Kammer 120 in Verbindung0 Der Druck in der Kammer 120 kann über
den Kanal 124 gesteuert werden, um den Druck im Hochdruckkanal 26 zu verändern wie
er zur Herstellung der Verbindung zwischen den Nuten 92 und 94 erforderlich ist.
Die Anordnung mit einer druckkammer 120 und einem Druckkanal 124 kann auch die Peder
48 und die Stellschraube 50 vollständig ersetzen. Auch in der Ausführungsform gemäß
Fig. 1 kann die Anordnung gemäß Fig. 4 verwendet werden.
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In Fig. 5 ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem die Drücke
in den entsprechenden Hochdruckleitungen der
Hydraulikkreise am
Schieber 44 gegeneinander wirken.
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Selbst wenn diese Anordnung so dargestellt ist, als würde sie in den
Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 2 oder 3 angewendet, kann diese Modifikation auch
bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel von Interesse sein0 In der Vorrichtung
gemäß igo 5 wirkt ein Druckanstieg im Hochdruckkanai des rotierenden Motors derart
daß er dazu neigt, die Verbindung zwischen den Nuten 92 und 94 zu unterbrechen.
Diese Ausführungsform kann beim Langlochbohren verwendet werden, wo die Länge der
Bohrung einen sukzessiv anwachsenden Rotationswiderstand und einen ansteigenden
Druck im Rochdruckkanal des rotierenden Motors verursacht. Dieser wachsende: Druck
hat Jedoch auch ein Anwachsen des Druckes zur Folge, der im Hochdruckkanal 26 erforderlich
ist, um die Verbindung zwischen den Nuten 92 und 94 zu öffnen und dabei die Stoßenergie
zu vergrössern. Dieses Anwachsen der Stoßenergie ist erforderlich, um der Bohrspitze
eine ausreichend große Schlagenergie über die Lagbohrausrüstung zu übertragen0 Bei
Anwendung auf die Ausführungsform gemäß Fig. 1, sollte eine entsprechende Ausgestaltung
die Hublänge des Kolbens und dabei gleichfalls die Schlagenergie desselben vergrößern,
Die in FigD 6 dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich von den gemäß den
Figo 2 und 3 gezeigten Ausführungsformen grundsätzlich dadurch, daß der Schlagkolben
in seiner hintersten Stellung gegen ein Ventil wirkt, das unter mgehung des Kontrollventils
den Druckkontrolleinlaß 38 mit
dem Hochdruckkanal 26 verbindet.
Zu diesem Zweck weist der zylindrische Raum zur Aufnahmo des Schlagkolbens zwei
ringförmig ausgebildete Nuten 130 und 132 auf1 deren erstere mit dem Steuerdruckkanal
40 verbunden ist und deren letztere mit dem Hochdruckkanal 26 in Verbindung steht
Darüber hinaus ist der Kolben mit einer ringförmigen Ein drehung; 134 versehen,
Wenn der ßchlagkolben seine hinterste Stellung einnimmt, verbindet die Eindrehung
134 die beiden Nuten 130 und 132 miteinander, so daß die Verbindung zum Steuerdruckeinlaß
38, unabhängig vom Systemdruckkanal 26, geöffnet ist, denn die Kolbenfläche 24 in
der Kammer 20 ist kleiner als die Kolbenfläche 22 in der Kammer 18.
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Falls das Steuerventil 42 die Verbindung zwischen den Nuten 92 und
94 öffnen sollte, bevor der Kolben seine hinterste Stellung während des Leerlaufubs
erreicht hat, bedeutet dieser Zustand eine Verkürzung der Hublänge des Kolbens.
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In Bigo 7 ist ein Beispiel für ein Druckbegrenzungsventil dargestellt,
das in diesem Fall mit dem Steuerventil 42 kombiniert ist. Zu diesem Zweck weist
das Steuerventil zusätzlich ZU den Buten 92 und 94 eine weitere Nut 140 auf, die
mit dem Niederdruckkanal 27 in Verbindung steht, Ferner steht'die zu die Kammer
18 kontinuierlich mit dem Hochdruckkanal 26 in Verbindung; die Kolbenfläche 24 ist
größer ausgebildet als die Kolbenfläche 22. Falls während des leerlaufhubes des
Kolbens der pulsierende Druck in der Kammer
26 zu s@ark ansteigen
sol@@e, werden die beiden Nuten 92 und 140 miteinander verbunden, was unmittelbar
eine Druckverminderung im Hochdruckkanal 26 zur Folge hat da letzterer über die
Nuten 92 und 140 mit dem Niederdruckkanal 27 verbunden ist.
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In der in Fig. 8 schematisch dargestellten Modifikation der Ausführungsform
gemäß Fig. 6 wirkt das auf den Hochdruck in der Leitung 26 ansprechende Steuerventil
42 als Begrenzungsventil für die über das Verteilungsventil zur Kammer 18 eingespeiste
Druckflüssigkeit. Zu diesem Zweck ist die Nut 92 mit dem Verteilungsventil in der
dargestellten Weise, nicht aber mit dem Steuerdruckeinlaß 38, wie bei den bisher
erwähnten Ausführungsformen, verbunden, Wenn der Druck Im Hochdruckkanal 26 und
damit auch in der Kammer 54 erhöht wird, wird der Strömungsquerschnitt; in der nut
94 durch den nach links verschobenen Schieber 44 vermindert - Patentansprüche -