DE2512690A1 - Hydraulisch betaetigte vorrichtung zum bohren von gestein - Google Patents

Hydraulisch betaetigte vorrichtung zum bohren von gestein

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DE2512690A1
DE2512690A1 DE19752512690 DE2512690A DE2512690A1 DE 2512690 A1 DE2512690 A1 DE 2512690A1 DE 19752512690 DE19752512690 DE 19752512690 DE 2512690 A DE2512690 A DE 2512690A DE 2512690 A1 DE2512690 A1 DE 2512690A1
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Description

  • 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@.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Bei der zu schaffenden Vorrichtung soll sich die Schlagen@ergie mit wachsendem Drehwiderstand während des tangloch-Bohrens automatisch vergrößern.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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".
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Beispiele für derartige und andere Modifikationen des Erfindungsgegenstandes sind schematisch in den Fig. 4 bis 8 dargestellt.
  • 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.
  • In Fig. 5 ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem die Drücke in den entsprechenden Hochdruckleitungen der Hydraulikkreise am Schieber 44 gegeneinander wirken.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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 -

Claims (20)

  1. Patentansprüche 1. Vorrichtung zum Bohren von Gestein, Beton oder dgl., gekennzeichnet durch ein Maschinengehäuse (2), durch eine Einrichttwg zur Befestigung eines Bohrers (4) im Gehäuse (2), durch einen hydraulisch .betätigten rotierenden Motor (6) zum Drehen des Bohrers (4), durch einen Schlagmotor mit einem hydraulisch betätigbaren Schlagkolben (14) zur Ausführung eine@ Arbeitehubes zum Bohrer (4) hin bzw. eines Leerlaufhubes vom Bohrer (4) weg zur Übertragung von Stoßenergie auf denselben, wobei der Kolben (14) zusammen mit dem Maschinengehäuse (2) eine erste Druckkammer (18) und eine zweite Druck kammer (20) zur Aufnahme einer den Kolben (14) zum Bohrer (4) hin- bzw. @on diesem wegbewegenden Druckflüssigkeit umgrenst, wobei der rotierende Motor (6) und der Schlagmotor jeweils separate Hydraulikkreise aufweisen, deren jeder eine Hochdruck- und eine Niederdruokseite umfassen, und durch ein im Hydraulikkreis des Schlagmotors angeordnetes Druckflüssigkeits-Verteilungsventil (32), welches wenigsten@ eine der Druckkammern (18, 20) alternierend mit der Hochdruckseite bzw. der Niederdruckseite des Hydraulikkreises verbindet, welch letzterer gekennzeichnet ist durch e.4.n Steuerventil (42) zur Steuerung der mit der Druckflüssigkeit über das Verteilungsventil (32) auf den Schlagkolben (14) übertragenen Antriebsenergiemenge in Abhängigkeit vom Druck an der Hochdruckseite (57) des Hydraulikkreises des rotierenden Motors (6).
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das der Arbeitsdruck des Schlagkolbens (14) vom Steuerventil (42 | regelbar ist
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das auf die Drücke an den Hochdruckseiten (52, 55) der beiden Hydraulikkreise ansprechende Steuerventil (42) dis zu einem Steuereinlass (38) des Verteilungsventils (32) führende Druckspeiseleitung (26, 40) :u öffnen bzw, zu schliessen in der Lage ist, wobei. der Steuereinlaas (38) die Verschiebung des Steuerventils (42) in eine Stellung steuert, bei der die Hochdruckseite des Hydraulikkreises des Schlagmotors mit der ersten Kammer (18) verbunden ist (Fig. 2).
  4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckspeiseleitung (40) eine über das Steuervwntil (42) führende Verbindung zwischen der Hochdruckseite (26) des Hydraulikkreises des Schlagkolbens (14) ud dem Steuereinlass (38) bildet0 50 Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck an der Hochdruckseite des Hydraulikkreises des Schlagmotors während des Rückwärts- bzw.
  5. Leerlaufhubes (return stroke) ansteigt und während des Arbeitshubes (power stroke) des Schlagkolbens (14) abfällt.
  6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerventil (42) auch als Druck@@egrenzungsventil (92, 140) für die Hochdruckseite des Schlagmotors dient,
  7. 7. Vorrichtung naoh einem der Ansprüche 3 bfa 6, daduroh gekennzeichnet, dass des Steuerventil (42) einen Ventilschieber (44) aufweist, der in einem Ventilgehäuse bewegbar angeordnet und dazu in der Lage ist, die Druckspeiseleitung (26, 40) zu öffnen oder zu schliessen, und dass der Ventilschieber (44) mittels einer Einrichtung (50, 48; 124, 120) rerstellbar vorgespannt ist und die Volumina zweier voneinander getrennter, zwischen dem Ventilschieber (44) und dem Ventilgehäuse gebildeter und Jeweils mit der zugehörigen Hochdruckleitung (23, 26) der beiden Hydraulikkreise verbundener Ventilkammern (52, 54) verändert.
  8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilschieber (44) zur Verminderung der Volumina der beiden separaten Ventilkammern (52, 54) verstellbar vorgespannt ist.
  9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 7, daduroh gekennzeichnet, dass der Ventilschieber (44) zur Vergrösserung des Volumens der mit dem Hydraulikkreis des rotierenden Motors (6) verbundenen Ventilkammer (52) und zur Verminderung des Volumens der mit dem Hydraulikkreis des Schlagmotors verbundenen Ventilkammer (54) verstellbar vorgespannt ist
  10. 10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Sch@agkolben (14) in seiner hintersten Stellung als ein das Steuerventil (42) umgehendes und den Steuereinlass (38) mit der Druckspeiseleitung (26) verbindendes Ventil (130, 132, 134) wirkt.
  11. 11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hublänge des Schlagkolbens (14) vom Steuerventil (42) gesteuert ist.
  12. 12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslässe (68, 70, 72, 74) für die über das Verteilungsventil 32) in die zweite Kammer (20) eingespeiste Druckflüssigkeit in der zweiten Kammer (20) in Bewegungsrichtung des Schlagkolbens (14) hintereinander angeordnet sind, dass der Schlagkolben (14) die Auslässe (68, 70, 72, 74) während seines Leerlaufhubes freigibt, dass die Auslässe (68, 70, 72, 74) als Paralleleinlässe (60, 62, 64, 66) mit dem Steuerventil (42) verbunden sind, dass das Steuerventil (42) einen mit einem Steuereinlass (38) des Verteilungsventils (32) verbundenen Auslass (66,40) aufweist, daes der Steuereinalss (38) das Verschieben des Verteilungsventils (32) in eine die Hochdruckleitung (26) des Hydraulikkreises des Schlagmotors mit der ersten Kammer (18) serbindenden Stellung (Fig.2) steuert, und das das auf den Druck in der Hochdruckleitung (23, 57) des Hydraulikkreises des rotierenden Motore (6) ansprechende Steuerventil (42) eine bestimmte, der Anzahl von Auslässen (68, 70, 72, 74) in der zweiten Kammer (20) entsprechende Anzahl von parallelen Einlässen (60,62,64,66) sperrt, und zwar in der mit dem ersten Auslass (68) in Richtung des Leerlaufhubes des Schlagkolbens (14) beginnenden Reihenfolge.
  13. 13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerventil (42) auf die Drücke in den Hochdruokleitungen (23, 26) der beiden Hydraulikkreise anspricht.
  14. 14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, das das Steuerventil (42) einen in einer Bohrung (46) eines Ventilgehäuses bewegbaren und Verstellbar vorge-@pannten Ventilschieber (44) aufweist, der die Volumina zweier zwischen dem Ventilschieber (44) und dem Ventilgehäuse ausgebildeter, voneinander getrennter Ventilkanern t52, 54) verändert, dass die Ventilkammern (52, 54) jeweils mit der zugehörigen Hochdruckleitung (23, 26) der beiden Hydraulikkreise verbunden sind, und dass die Einlässe (60, 62, 64, 66) nacheinander mit der Bohrung (46) in Bewegungsrichtung des Ventilschiebers (44) verbunden sind, und zwer in der gleichen Reihenfolge, wie die Auslässe (68, 70, 72, 74) der zwetten Kammer (20).
  15. 15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadruch gekennzeichnet, dass der Ventilschieber (44) zur Verminderung des Volumens der beiden Ventilkammern (18, 20) verstellbar vorgespannt ist.
  16. 16. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilschieber (44) zur Vergrösserung des Volumens der mit dem Hydraulikkreis des rotisrenden Motors (6) verbundenen Ventilkammer (52) und zur Verminderung des Volumens der anderen Ventilkammer (54) verstellbar vorgespannt ist.
  17. 17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet. dass der Ventilschieber (44) in Höhe (im Bereich) der Einlässe (60, 62, 64, 66) eine Abdrchung (76) aufweist, die von einer in gleitender Berührung mit der Wand der Bohrung (46) befindlichen Mantelfläche des Ventilsohiebers (44) aus konisch verjängt ist.
  18. 18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9 oder 14 bis 17, dadurch gekennseichnet, dase der Ventilschieber (44) mit Hilfe einer Druckfeder (48) verstellbar vorgespannt ist, deren Federspannung mit Hilfe einer Einrichtung (50) verstellbar ist.
  19. 19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9 und 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerventil (42) eine Steuerdruckkammer (120) aufweist, deren Druck den Drücken in den Ventilkammern (52, 54) entgegenwirkt (Fig. 4).
  20. 20. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerventil (42) auf die Drücke in den Hochdruckleitungen (23, 26) der beiden Hydraulikkreise anspricht und dabei die Einspeisung der Druckflüssigkeit in die erste Kammer (18) mehr oder weniger begren@t.
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