DE2635191A1

DE2635191A1 - Hydraulische gestein-bohrmaschine

Info

Publication number: DE2635191A1
Application number: DE19762635191
Authority: DE
Inventors: James R Mayer; Dieter K Palauro
Original assignee: Gardner Denver Inc
Current assignee: Cooper Industries LLC
Priority date: 1975-10-14
Filing date: 1976-08-05
Publication date: 1977-04-21
Also published as: JPS5638758B2; GB1541315A; JPS5249903A; FR2328100B1; GB1541314A; FR2328100A1; AU498071B2; MX4040E; DE2635191B2; ZA762418B; AU1342476A; US3995700A; SE428713B; SE7606798L; SE458018B; DE2635191C3; CA1035245A

Description

Hydraulische Gestein-Bohrmaschine

Die Erfindung betrifft eine hydraulische Gestein-Bohrmaschine, bei der i

i Schläge durch ein Bohrgestänge übertragen werden, das aus einer oder

mehreren langen Stangen oder Rohren besteht, die Ende an Ende gekuppelt
und mit einem Schlagbohrmeißel verbunden sind, der in eine Gesteineformation durch örtlichen Bruch und örtliches Zermahlen des Gesteine eindringt.

Fs ist erfindungsgemäß festgestellt worden, daß eine Gesteinsformation J einer bestimmten Härte oder einer bestimmten Druckfestigkeit mit einem j

Bohrverfahren der genannten Art am wirkungsvollsten durchbohrt werden j kann, das heißt mit der größten Bohrgeschwindigkeit für einen bestimmten , Energieaufwand an der eigentlichen Gesteine-Bohrmaschine, wenn die

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Schlagenergie einen bestimmten Wert hat, wobei die Form und Größe (der Durchmesser des Schlagbohrmeißels)berücksichtigt werden muß. Ein Bohrschlag, der einen niedrigen Energiewert hat, verformt die Gesteinsformation, bewirkt aber nicht ausreichend einen wesentlichen Bruch und ein Aufbrechen des Gesteins. Weil entsprechend die meisten Gesteinsformationen eine Steifheitscharakteristik haben und einer elastischen Yerformung unterliegen, wenn Schläge darauf ausgeübt werden, kann ein großer Teil der Energie eines Bohrschlags, der auf das Gestein ausgeübt wird, durch den Bohrmeißel und den Bohrschaft zurückgeleitet werden oder in die Gesteinsformatioh abfließen, ohne einen nennenswerten Gesteinsaufbruch zu bewirken. Das Arbeiten eines Schlagbohrers mit einer Schlagenergie, die zu gering ist, führt zu einem sehr langsamen Eindringen bzw. zu einer langsamen Bohrlochbildung und zu einem vorzeitigen Ausfall von Bohrgestängeteilen und zu einem erheblichen Verlust der Energie bzw. Leistung, die für den Betrieb der Bohrmaschine verbraucht wird.

Wenn umgekehrt die Schlagenergie zu hoch ist, dürfte zwar ein Eindrin- ^: gen des Bohrmeißels und ein Zerbrechen des Gesteins erfolgen, jedoch kann mindestens eine gewisse elastische Druckveformung des Bohrgestänges und des Bohrmießels, hervorgerufen durch deas Schlagen des Hammers, nicht im wesentlichen auf die Gesteinsformation übertragen werden, nach4 dem einmal das erste Aufbrechen und Eindringen erfolgt ist, weil der ! Bohrmeißel nicht in festem Kontakt mit dem ungebrochenen Gestein bleibt« Deshalb kann mindestens ein Teil der Schlagenergie nicht auf die Gesteinsformation übertragen werden, und stattdessen wird eine zyklische ';

Kompression und Längung des Bohrgestänges bewirkt, was unerwünscht ist.i

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¥enn die Schlagenergie für eine bestimmte Gesteinsart, die gebohrt wird, zu hoch ist, wird auch ein frühzeitiger Ermüdungsausfall der Bohrgestängeteile und des Bohrmeißels beobachtet, und Energie wird ver- _t geudet.

Es ist ferner beobachtet worden, daß eine Gesteinsformation einer beftimmten Druckfestigkeit (gemessen durch uniaxiale Belastung einer endlichen Probe) einen bestimmten Inerglewert erfordert, um eine Einheitevolumen Gestein durch Schlagbohren aufzubrechen oder zu entfernen. Es folgt dann, daß beim Sohlagbohren von Löchern runden Querschnitte mit Meißeln, die ein fixes Verhältnis von Schnittkantenlänge zu Meißeldurchmesser haben, es wünschenswert ist, einen festen Wert von Schlagenergie pro Einheit Meißeldurchmesser zum Bohren von Löchern verschiedener Größen in einer bestimmten Gesteinsart beizubehalten. Je nach der Lochgröße muß dementsprechend die gesamte Schlagenergie, die vom Hammer auf den Bohrmeißel übertragen wird, «o eingestellt werden, daß für die erforderliche Schlagenergie für eine.bestimmte Lochgröße gesorgt wird, die den besten Wirkungsgrad hat oder zur größten Eindringgeschwindigkeit für den Leistungsaufwand an der eigentlichen Bohrmaschine führt.

Erfindungsgemäß ist festgestellt worden, daß ein Sohlagbohrmotor, der hydraulisch angetrieben wird und dem Bohrgestänge und dem Bohrmeißel Schläge veränderlicher Stärke oder veränderlichen Energeiwerte verleihen kann, zum Bohren in verschiedenen Gesteinsarten in der wirkungevollsten Weise vorteilhaft eingesetzt werden kann. Eine solche Bohr-

maschine kann außerdem zum wirkungsvolleren Bohren eines ganzen Bereichs von Lochgrößen innerhalb der Arbeitsgrenzen des Bohrsystems ! bezüglich der Schlagenergie eingesetzt werden, die zum Bohrgestänge und zum Bohrmeißel geht, und bezüglich des gesamten Leistungseingangs in die Bohrmaschine, was die Betriebsfähigkeit der Bohrmaschine oder der Bohrgestängeteile nicht nennenswert verkürzt.

Gestein-Schlagbohrmaschinen sind bekannt, die regelbar sind, um eine veränderliche Schlagenergie und eine veränderliche Schlagfrequenz zu erbringen. Bekannte Bohrmaschinen sind allgemein durch Regelvorrichtungen bestimmt, die einen direkten Zugang zur GesiELns-Bohrmaschine selbst erfordern, um einen Wechsel in der Hammerhublänge und in der Schlagfrequenz zu bewirken. Bekannte Regelungen der Hammerschlaglänge und der Schlagfrequenz sind ferner allgemein durch Vorrichtungen bestimmt, die eine endliche Zahl verschiedener Bohrmaschinen-Betriebsfrequenzen und Hammerhublängen liefern, von denen unter Umständen keine die wirkungsvollste zum Bohren in einer bestimmten Gesteinsart entsprechend den vorstehend genannten Feststellungen ist.

Ferner gestatten bei bekannten Bohrmaschinen in einer Ausführung, die mit Hydraulikdruck arbeitet, der von einer herkömmlichen motorbetriebenen Pumpe kommt, die Änderungen in der Durchflußrate und im Zuleitungsdruck, di» durch änderungen in der Hammerhublänge oder in der Schlagfrequenz hervorgerufen werden, kein Arbeiten der Bohrmaschine mit einer im wesentlichen konstanten Rate der hydraulischen Leistungs-Euleitung zur Bohrmaschine selbst. Demgemäß werden die Verbesserungen in der Bohrmaschinen-Eindringeungsrate für eine bestimmte Gesteinsart

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oder eine bestimmte Lochgröße, die erreicht werden könnten, wenn die Schlagenergie geändert wird, nicht verwirklicht, weil die erforderlichen Änderungen im Mediumfluß und im Mediumdruck nicht erreicht werden können, um einen im wesentlichen konstanten hydraulischen Leistungseingang zum Bohrmaschinen-Schlagmechanismus zu liefern.

Die Erfindung sieht ein verbessertes druckmittelbetätigtes Schlagbohrsystem für Gestein vor, bei dem die vom Kolbenhammer dem Bohrgestänge und dem Bohrmeißel zugeleitete Schlagenergie geändert werden kann, um damit eine maximale Rate der Gesteinsentfernung für eine bestimmte Gesteinsart zu erreichen, die gebohrt wird, und auch für eine bestimmte Bohrmeißelgröße und Bohrmeißelform.

Das Gestein-Bohrsystem gemäß der Erfindung ist gekennzeichnet durch eine hydraulisch betätigte Schlagbohrmaschine mit Mitteln zur Änderung der Schlagenergie auf im wesentlichen jeden Wert von einem oberen und einem unteren Wert, so daß die größte Eindringtiefe der Bohrmaschine ohne weiteres gewählt werden kann, ohne daß eine Torgabe der erforderlichen Schlagenergieeinstellung für die Gesteinsart oder die Bohrlochgröße erfolgen muß, die gebohrt wird.

Erfindungsgemäß ist eine hydraulisch betriebene Gestein-Bohrmaschine vorgesehen, die gekennzeichnet ist durch Mittel zur Änderung der Hammer schlagenergie auf im wesentlichen jeden gewählten Wert innerhalb der Betriebsgrenzen der Bohrmaschine, wobei die genannten Mittel in bezug auf die eigentliche Bohrmaschine bei laufender Bohrmaschine fernbe-

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dienbar sind. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Bohrmaschine weist einen Schlagmechanismus mit einem Kolbenhammer auf, der durch intermittierendes Ventilieren von Druckmittel zu einer von zwei gegenüberliegenden Druckflächen in Hubbewegung versetzt wird, die am Kolbenhammer vorgesehen sind. Die Schlagenergie wird durch Änderung der Hammerhublänge und der Hammergeschwindigkeit beim Aufprall auf das Bohrgestänge durch Bestimmung der Bewegung eines Druckmittel-Verteilerventils geändert, das das Druckmittel liefert, um die Hubbewegung des Hammers zu bewirken. Eine stufenlose Regelung der Ventilbewegung in bezug auf die Hammerposition sorgt für eine unendlich veränderliche Hammerschlagenergie zwischen dem oberen und dem unteren Grenzwert, die zum Teil durch die betreffende Größe und Form des Schlagmechanismus selbst definiert werden.

Das Gesteinsbohrsystem gemäß der Erfindung ist außerdem zur Fernbedienung bzw. Fernregelung' der Hammerschlagenergie durch die Bedienungsperson der Bohrmaschine eingerichtet. Die Wahl der maximalen Bohrrate kann von der Bedienungsperson der Bohrmaschine dadurch bestimmt werden, daß die Druckstellung eines Mediumregelkreises geändert wird, bis die maximale Bohrrate festgestellt wird. Ferner kann der Mechanismus, der für eine Fernregelung des Bohrschlags vorgesehen ist, leicht für ein automatisches Regelsystem zur Erzeugung der maximalen Bohrrate eingerichtet werden.

Die Erfindung sieht ferner ein hydraulisches Schlagbohrsystem für Gestein vor, bei dem eine im wesentlichen konstante Energierate der Bohr- '

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maschine in der Form von Hydraulikflüssigkeit veränderlichen Drucks und veränderlicher Durchflußrate zugeführt wird₀ wodurch die Bohrmaschine mit dem gleichen Mediumleistungseingang aur Bohrmaschine laufen kann, unabhängig von der Hammerschlagenergiestellung der Bohrmaschine. Jadem ein hydraulisches Gesteia-Bohrsystem vorgesehen wird$ das eiae Gestein-Bohrmaschine mit veränderlichem Sehlag aufweist^ kombiniert mit einer Hydraulik-Druckmittelquelle. die automatisch geregelt wird₉ um für eine im wesatlichen konstante Mediumleistung bei verschiedenen Kombinationen von Druck und Durchflußrate zur Bohrmaschine zu sorgen, kann die Bohrmaschine mit der effektivsten Bohrrate für die meisten Arten von Gesteinsformationen und für die entsprechenden Bohrlochdurchmesser laufen. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Quelle für die konstante hydraulische Mediumleistung eine Pumpe veränderlicher Verdrängung in einer Ausführung mit sogenannter "Konstantleistung". Jedoch kann jede Kombination einer Pumpe und eines Antriebsaggregats benutzt werden, die dazu geeignet ist, automatisch hydraulischen Mediumdruck bei verschiedenen kombinationen von Druck und Durchflußrate zu liefern, der einen im wesentlichen konstanten Mediumleistungseingang zur Gestein-Bohrmaschine liefert.

Die Erfindung ist nachstehend an Hand der Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen sind:

Fig. 1 eine Seitenansicht eins? transportablen Bohrmaschine mit dem Gestein-Bohrsystem gemäß der Erfindung,

Fig. 2 ein Längsschnitt durch eine hydraulische Gestein-Schlagbohrma-

Bohine gemäß der Erfinduag_D
Pig. 3 eine sohematische Darstellung, die den Regelkreis des Gestein-

Bohrsystems gemäß der Erfindung zeigt, Fig» 4 eine graphisohe Darstellung der Grundleistungscharakteristik

der Hydraulikpumpe naoh Pig«, 3 und
Fig« 5 und 6 Darstellungen eineε anderen Ausführungsbeispiels des Meohaniemus zur Änderung der Hublänge dee Bohrmaschinen-Kolbenham

Das Gestein-Bohrsystem gemäß der Erfindung läßt sich für verschiedene Ausführungen von Bohrvorriohtungen einrichten. Eine typische Bohrvorrichtung, die zur Verwendung mit dem verbesserten Gestein-Bohrsystem geeignet ist, ist in Pig. 1 dargestellt und allgemein mit 10 bezeichnet. Die Bohrvorrichtung 10 weist ein selbstfahrendes Räder-Pahrgestell 12 auf, auf dem ein beweglicher Ausleger bzv;. eine Lafette I4 gelagert ist« Ein Gestein-Bohrmaschinen-Torschubsupport 16 ist am entferntem Ende der Lafette I4 angelenkte Eiß geeigneter Mechanismus wie einig© Stellglieder 1S₉ 20 iraä 22 in Hydsauliksyliffiflesausfthriffis· sind betätig-"barg uffi die Pesiiios. des Tossetabsupports %n bestimniea₀ so daß Löcher in verschiedene Richtungen gebohrt werde» könaesao Eine hydraulische Gestein-Sohlagbohrmaschine 24 sitzt verschiebbar auf dem Yorschubsupport 16 und ist mit einem geeigneten Mechanismus (nicht dargestellt) verbunden, um ein Schlagbohrgestänge 26 und einen Bohrmeißel 28 in bezug auf den Torschubsupport vorzufahren und zurückzufahren. Das Bohrgestänge 26 kann aus einer oder mehreren langen Hohlstangen oder lioim?n zusammengesetzt sein und ist in geeigneter Weise mit eineni Glic-ri ge-

. kuppelt, das in der Bohrmaschine 24 sitzt und das in der Lage ist, auf - das Bohrgestänge Schläge zu übertragen. Der Bohrmeißel 28, der mit dem

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Bohrgestänge 26 gekuppelt ist, kann in herkömmlicher Schlagmeißelaus-

! führung vorgesehen sein und mit mehreren Hartmetalleinsätzen bestückt

; sein, die keilförmig sind, um Schnittkanten zu bilden, die auf die Ge-

j steinfläche schlagen. Geeignete Führungen 30 und 32 sind am Vorschub-

" support 16 zum Führen des Bohrgestänges 26 in bekannter Weise vorgesehen.

Hydraulikflüssigkeit wird zu der und von der Bohrmaschine 24 durch flexible Leitungen oder Schläuche geleitet, die in einem Kreis mit Regelventilen und anderen Hilfsvorrichtungen geschaltet sind, zu dem ein am Fahrgestell 12 sitzender Speicher gehört. Die Schläuche sind ·. in geeigneter Weise durch einen flexiblen Schuh 34 abgestützt. Hydraulikflüssigkeit mit veränderlichem Druck und mit veränderlicher Durch- ^: flußrate wird zum Antreiben der Bohrmaschine 24 durch eine Pumpe 36" ; geliefert, die von einem Elektromotor 38 angetrieben wird, der auf dem Fahrgestell 12 sitzt. Der Motor 38 ist ferner treibend mit einer zweiten Pumpe 40 verbunden, um Hydraulikflüssigkeit für die Betätigung der ^; Stellglieder 18, 20 und 22 und des Vorschubmechanismus für die Bohrma- : schine 24 zu liefern. Der Betrieb der Bohrvorrichtung 10 mit der Bohrmaschine 24 wird durch eine Bedienungsperson von einer Bedienungsstelle 42 aus auf dem Fahrgestell 12 gesteuert.

In Fig. 2 ist die Bohrmaschine 24 im Längsschnitt dargestellt, um Einzelheiten des Schlagmechanismus darzustellen. ;iie Bohrmaschine 24 sitzt auf einem Schlitten 44» der gleitend auf dem Vorschubsupporb 16 sH-zt.

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Die Bohrmaschine 24 ist' durch ein Hauptgehäuse bestimmt, das in zwei trennbaren Teilen 46 und 48 gebildet ist, die in der vorgesehenen Lage

ι zwischen Endkappen 50 und 52 durch geeignete lange Schrauben 54 gehal- |

ten sind, von denen eine gezeigt ist. Der Gehäuseteil 48 lagert dreh-

I bar ein schlagaufnehmendes Glied 56} das mit dem in Fig. 1 gezeigten Bohrgestänge in bekannter Weise gekuppelt ist. Das Glied 56 weist eine Querfläche 58 auf, die so sitzt^ daß wiederholte Schläge von einem langen Kolbenhammer 66 aufgenommen werden, der nachstehend zu beschreiben sein wird. Ein Rotationsmotor 60, der an der Endkappe 52 sitzt, ist treibend mit dem Glied .56 durch einen langen Antriebeschaft 62 und ein geeignetes Drehzahluntersetzungsgetriebe verbunden, das im Gehäuseteil 48 istzt. Das Glied 56 wird vom Motor 60 in Drehung versetzt, um das Bohrgestänge und den Bohrmeißel in Drehung zu versetzen.

Der Gehäuseteil 46 weist eine zylindrische Längsbohrung 64 auf, in der der Kolbenhammer 66 hubbewegbar sitzt. Der Hammer 66 hat zwei entgegengesetzt zeigende querliegende Druckflächen 68 und 70 und einen Ringkanal 72, der auch in Fig. 3 gezeigt ist. Die QuerBchnittsflache der Druckfläche 70 ist größer als die Querschnittsfläche der Fläche 68. Der Hammer 66 ist durch zwei im Abstand angeordnete Lager 74 und 76 gelagert, die im Gehäuseteil 46 sitzen und geeignete Enddichtungen aufweisen.

Die Bohrmaschine weist ferner zwei gasgefüllte Akkumulatoren 78 und 80 in einer Ausführung mit flexibler Membrane auf. Der Akkumulator 79 weist eine Kammer 82 auf, die mit einer Quelle Hydraulikflüssigkeit un-

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ter hohem Druck durch geeignete Fläeßwege Innerhalb des Gehäuseteils 46 verbunden isto Der Akkumulator 80 weist 3ine Kammer 84 auf, die mit einer STi sdesdruek-Eüeklei tang la Verbindung sieht,, welche echematisch in Figo 3 dargestellt ist. Die Positionen der Akkumulatoren 78 und 80 in bezug auf ä.en'HydraulIkkseis da:? !©hzmasehlne slad ©bsnfallo in Figo 3 gezeigte

Der Gehäuseteil 46 weist im Abstand angeordnet© llagnuten 9O₅ $2₉ 94s S6 und 98 auf_s die in die Bohrung 64 öffnen. Ein Eanal I00 führt von der Akkumulatorkammer 82 zur Hut 90 und leitet unter hohem Druck stehendes Hydraulikmedium in die Bohrung 64₉ um ständig die Druckfläche 68 zu beaufschlagenj wenn die Bohrmaschine laufto Wenn sich der Hammer in der in Fig. 2 gezeigten Schlagposition befindete steht dterHingkanal 72 im Hammer auch mit der Mut 92 in Verbindung;, ma Hochdruckflüssigkeit dorthin su leiten.

Die Bohrmaschine 24 weist ferner ein druckmittelbetätigtes Mediumvertellerventil 102 auf„ das in einer Querbohrung 104 im Gehäuseteil 46 zwischen den Akkumulatoren 78 und 80 sitzt» Bas Ventil 102 weist einen hphlzylindrischen Steuerkolben auf, der so angeordnet ist, daß er hydraulisch verstellt werden kann, um Medium zu der und aus der Nut 98 und der Partie der Bohrung 654 zu leiten, die damit in Verbindung steht, und dabei besteht auch eine Verbindung mit der Druckfläche 70. Wenn Hochdruckmedium der Nut 98 zugeleitet wird, bewirkt eine auf die Fläche 70 wirkende Druckkraft eine Beschleunigung des Hammers 66, um einen Schlag auf das Glied 56 auszuüben. Wenn die Fut'98 zur Niederdruck-Rück-

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leitung 88 durch das Ventil 102 entlastet wird, führt der auf die Pia- j ehe 68 wirkende Mediumdruok den Hammer in eine Position zurück, in der

HoOhdrUQkmtdium erneut der !Tut 98 bei Verstellung des Ventils zugelei- '

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tet wird, ■ !

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Di· ArTseiteweise des Ventils 102 und des Hammers 66 zusammen mit Mit- , ttln tür Änderung der Schlagenergie, die vom Hammer auf das Glied % übertragen wird, wird nachstehend im einzelnen unter Bezugnahme auf Fig. 3 beschrieben« Obgleich das Ventil 102 in der Bohrmaschine 24 zur Bewegung in Richtung quer zur Lage und Bewegung des Hammers angeordnet ist» ist das Ventil.in Pig. 3 schematisch im Längsschnitt dargestellt, um tin Verständnis.seiner Punktion zu erleichtern. Pig. 3 zeigt auch den Mechanismus zur Änderung des Arbeitshubs und der Schlagenergie des Hammer* 66, und ditsir Mechanismus sitzt in einer Partie I06 des GehäueettilB 46, die auch in Fig. 2 gezeigt ist.

Das Ventil 10έ weist querliegende Druckflächen 108 und 110 auf, die von Beohdruckmedium beaufschlagt werden können, um das Ventil in die iö Flgy 5 §«eigte Position zu bewegen· Die gesamte Querschnittsfläche der Flächen 108 und TtO ist größer als die Querschnittsfläche einer entgegengesetzt gerichteten Druckfläche 112. Die Querschnittsflache Λ*ίϊ Druckfläche 112 ist Jedoch größer ale dit Querschnittsfläche der Druckfläche 110· Hochdruokmedium unter dem Zulieitungsdruck zur Bohrmaschine wird zum Ventil durch eine Leitung 114 und durch Kanäle 116 und das hohle Innere 118 geleitet, um ständig die Flächen 110 und

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zu beaufschlagen. Demgemäß wird das Ventil 102 in eine Position bewegt, in der Bohrung 104t die der in Fig. 3 gezeigten Position entgegengesetzt ist, wenn die Fläche 108 Ton einem nicht ausreichenden Druck beaufschlagt wird, der zusammen mit dem Druck, der die Fläche 110 beaufschlagt, die Kraft überwinden kann, die durch Druck auf die Fläche 112 bewirkt wird. Umfangsnuten 120-und 122 wirken mit einer Ringausnehmung 124 am Ventil 102 zusammen, um Druckmittel von der Zuleitung 114 zur

' I

ί Nut 98 zu leiten, um die Fläche 70 zu beaufschlagen, wenn das Ventil j

' in die Position entgegengesetzt zu der verschoben wird, die in Fig. 3 gezeigt ist. In der in Fig. 3 gezeigten Position des Ventils 102 wer- I den die Nuten 122 und 126 in der Bohrung 104 mit einander durch die Aus-' nehmung 124 in Verbindung gesetzt, und Druckmedium wird aus der Kammer abgeleitet, die durch die Nut 9& gebildet ist, und zwar zur Niederdruck-■ rückleitung 88. Die Hut 90 in der Bohrung 64 steht ständig mit Hoch-

j . I

j druckmedium in Verbindung, das durch die Nut 120 zugeleitet wird, die j das Ventil 102 umgibtg ufod die Nut 96 iß der Bohrung 64 «tent ständig !

mit der Niederdruck-Hückleitung 88 durch die Nut 126 in Verbindung. !

Wie in Fig. 3 dargestellt ist, weist die Partie 106 des Gehäuseteils 46 \

ι eine Bohrung I30 auf, in der Mittel zur Steuerung der Verschiebung des Ventils 102 aus der dargestellten Position in die Position sitzen, in der Druckmittel der Nut 98 zugeleitet wird. Die Steuerung des ierschiebens des Ventils 102 zum Einleiten von Druckmittel in die Nut 98 hat ; den Effekt, den Schlaghub des Hammers 66 und auch die Schlaggeschwin- ^; digkeit zu verändern. Demgemäß kann die Schlagenergie dadurch geregelt werden, daß die Hammerhublänge mit der Bohrmaschine 24 in Kombination

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mit dem in Pig. 3 gezeigten Bohrsystem geändert wird.

Die Bohrung 1 50 enthält einen zweiteiligen Stöpsel 1 32 mit einem Kanal 134 in Verbindung mit der Nut 94 durch einen Fließweg 95. Sin Sitz ist an einem Ende des Kanals 134 gebildet-, gegen den sich ein "bewegliches Ventilverschlußgliea 136 legt, das eine querliegende Druckfläche 138 hat. Die Nut 98 im Gehäuseteil 46 steht mit einer vergrößerten Bohrung 140 in Verbindung, in der das Verschlußglied sitzt. Die Bohrung I40 enthält ferner einen Kolben 14² und eine Schraubenfeder 144 zwischen dem Kolben und dem Verschlußglied I36. Hydraulikflüssigkeit wird durch einen Fließweg I46 zugeleitet, um den Kolben I42 zu beaufschlagen, damit das Verschlußglied in die in Fig. 3 gezeigte Sitz- bzw. Schließposition gedruckt wird.

Der Druck des Mediums·, das dem Kolben I42 zugeleitet wird, kann, durch einen Druckregler 150 geändert werden, der ein Betätigungsglied in der Form eines Druckeinstellknopfs 152 hat. Der Druckregler I50 erhält Hochdruckmedium von der Ableitung 114 der Hydraulikpumpe 36, die auch Hydraulikflüssigkeit liefert, um den Hammer 66 in Hubbewegung zu ver-

setzen. Der Druckregler I50 sitzt vorteilhafterweise an der Bedienungsstelle 42 zum wahlweisen Einstellen durch die Bedienungsperson der Bohr-: maschine. Der Regler I50 ist in bekannter Ausführung vorgesehen und sorgt für einen reduzierten Druck mit einem konstanten Wert, der von der Einstellung des Einstellglieds 152 abhängt. Der in Fig. 3 gezeigte Regler ist ein Modell QVA3-165» das von der Firma Double A Products

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Co, Manchester, Miohigan, USA, hergestellt wird.

Die Grundarbeitsweise des Bohrsystems gemäß der Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme sowohl auf Fig. 2 als auch auf Fig. 3 beschrieben. Wenn der Hammer 66 die in Fig« 2 gezeigte Scfelagposition erreicht« wird die BTut $2 mit der ETut 90 durch den Kanal J2 im Hammer in Verbindung gesetzt, und Hochdruckmedium wird su einer Kammer 154 geleitet» um die Druckfläche 102 su beaufschlagen, wodurch das Tentil 102 in die in Fig. 3 gezeigte Position Terschoben wird. In der in Fig. 3 gezeigten Position wirkt auf die Druckfläche 70 am Hammer 66 der Niederdruck in der Rückleitung 88 ein» Demgemäß bewegt das Eochdruckmedium, da· ständig auf die Fläche 68 einwirkt₉ den Hammer gemäß der Darstellung in Fig. und 3 nach rechts. Mit dem Wandern des Hammers 66 durch den Hückhub wird das Ventil 102 in der in Fig. 3 gegeigten Position durch Druckmedium gehalten, das in der Kammer 154 und im Fließweg 158 eingeschlossen wird;, während sich der Kanal 7² des Hammers außer Verbindung mit der Nut 90 bewegt.

: Mit der weiteren Bewegung des Hammers 66 nach recht· während de« Büek-

hubs bewegt sich der Kanal 72 in eine Verbindung mit der lut 94» und

' der Druck des Mediums lan der Kammer 154 und im Fließweg 158 wird cua

, Beaufschlagen der Fläche 138 des Versehlußfliede I36 übertrafen. Der

die Fläche 112 des Ventils 102 beaufschlagende Mediumdruck bewirkt,

. daß das Ventil mit einer Verlagerung nach link· gemäß der Darstellung in Fig. 3 beginnt, wenn der die Fläche 158 beaufschlagende Mediuelrttök

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ausreichend hoch wird, um das Verschlußglied 136 zu öffnen. Wenn sich das Ventil 102 verschoben hat, um die Hochdruckzuleitung II4 mit der Nut 98 in Verbindung zu setzen, beaufschlagt Hochdruckmedium die Fläche 70, um zu bewirken, daß der Hammer zur Ruhe kommt und dann in die entgegengesetzte Richtung (nach links) im Schlaghub beschleunigt wird, unmittelbar vor dem Schlagen gegen das Glied 56 gelangt der Kanal 7² in Verbindung mit der Nut 90, und Hoohdruokmedium wird erneut der Kammer 154 zugeleitet, um zu bewirken, daß sich das Ventil 102 in die in Fig» 3 gezeigte Eosition verschiebt.

Wie aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich ist, kann durch Regulierung des Mediumdrucks, mit dem der Kolben I42 beaufschlagt wird, und dadurch wird die Kompression der Feder 144 bestimmt, die Bewegung des Verschlußglieds I36, um den Druck in der Kammer 154 zu reduzieren, geregelt werden, und damit kann eine Verschiebung des Ventils 102 geändert werden, and zwar in bezug auf die Position des Hammers 66, Wenn der Druck, mit. dem der Kolben I42 beaufschlagt wird, auf den Zudruck erhöht wird, öffnet sich das Verschlußglied 156 nicht, und das Ventil 102 wird nur verschoben, nachdem der Kanal J2 im Hammer die Nuten 92 und 96 in Verbindung miteinander setzt, und das Ergebnis ist eine maximale Hammerhublänge und eine größere Geschwindigkeit beim Schlag. Entspreohend kann eine im wesentlichen stufenlose Regelung der Hublänge und der Schlagenergie, die vom Hammer geliefert wird, durch die Zeitregelung der Verschiebung des Ventils 102 erreicht werden. Wenn das Ventil 102 sehr kurz nach dem Beginn der Verbindung der Nut 92 mit der Nut 94 verschoben wird, ist die Hammerhublänge kurz, und die Hammerge-

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schwindigkeit beim Schlag wird verringert. Deshalb ist auch die Schlagenergie relativ gering. Wenn der Hammerhub kurz ist, ist die Gesamtzeit zum Durchlaufen eines Schwingtakts gering, und die Schwingfrequenz und der Aufprall können erhöht werden. Wenn uiungekehrt der Hammerhub relativ groß ist_t nimmt die Schlagfrequenz ab. Die Gesamtenergierate, die auf das Bohrgestänge und den Meißel übertragen wird, kann jedoch im wesentlichen konstant bleiben, und die Schlagenergie pro Schlag des Hammers 66 kann geregelt werden, um für die größte Eindringrate entsprechend der Gesteinsart und dem Bohrmeißel zu sorgen.

Es ist bei hydraulisch betriebenen Schlagbohrmaschinen der hier beschriebenen allgemeinen Art festgestellt worden, die insbesondere auch durch ein verschiebbares Ventil zum Bewirken eines Schwingens des Kolbenhammers bestimmt sind, daß dann, wenn die Bohrmaschine mit progressiv kleiner werdenden Hammerhublängen betrieben wird, der Widerstand gegen ein Fließen des Arbeitsmediums durch die Bohrmaschine relativ zu den Strömungsverhältnissen bei dem Arbeiten mit größeren Hublängen zunimmt. Das führt zu einen höheren Betriebsdruck für eine bestimmte Eingangsfließrate des Arbeitsmediums. Um für einen Betrieb der Bohrmaschine mit maximal zulässiger Leistung zu sorgen und zu verhindern, daß in die Bohrmaschine eine zu hohe Eingangsleistung eingegeben wird, ist es deshalb wünschenswert, den Durchfluß und den Druck des hydraulischen Arbeitsmediums so zu regulieren, daß eine konstante Rate des Mediumenergieeingangs zur Bohrmaschine aufrechterhalten wird.

Es ist im Rahmen der Erfindung festgestellt worden, daß die von einer

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Bedienungsperson vorgenommene Regulierung der Mediumzuflußrate zur Bohrmaschine bei der Änderung der Hammerhublänge schwierig ist und sehr viel Zeit erfordert und häufig nicht zu verbesserten Bohrraten führt. Das ist der Fall, weil es bei der "Änderung der Hublänge erforderlich ist, nach der Kombination von Mediumdruck und Burchflußrate zu suchen, die den gewünschten Leistungseingang zur Bohrmaschine erbringt, welche zur schnelleren Bohrrate führt, nach, der gestrebt wird, indem die Hammerschlagenergie geändert wird. Entsprechend ist ee sehr erwünscht, eine Druckmittelquelle zu haben, die automatisch geregelt wird, um einen konstanten Mediumleistungseingang zur Bohrmaschine liefern zu können, unabhängig von der Änderung in der Hammerhublänge.

Bei dem Gesteinbohrsystem nach Fig. 3 wird die Eingangsmediumleistung zur Bohrmaschine so reguliert, daß sie im wesentlichen konstant ist, und zwar durch eine, besondere Art von Hydraulikpumpe mit veränderlieher Verdrängung. Diese Pumpe weist Regelungen auf, die die Durchflußrate automatisch entsprechend Änderungen im Abgabedruck regulieren, der ! auftritt, während die Hublänge des Bohrmaschinenhammers eingestellt j

wird. Obgleich verschiedene Arten von Pumpen und Regelungen dafür eingerichtet werden können, um automatisch Medium unter einer im wesentlichen konstanten Leistung zuzuleiten, handelt essich bei der in Fig. 3 gezeigten Pumpe um eine Ausführung, die von der Firma New York Brake Co., Watertown, N.Y., unter der Bezeichnung Dynapower mit der Typenbezeichnung Modell 45t Phase IV hergestellt wird und die mit einem i Konstantleietungs-Regelmechanismue ausgerüstet ist, der an der Pumpe sitzt und durch die Bezugszahl 37 gekennzeichnet ist.

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Die in Pig. 4 gezeigte graphische Darstellung zeigt die Grundleistungscharakteristik der Pumpe 36 an. Die AbsziaMe der Kurve ist mit V "bezeichnet und stellt den größer werdenden Augsgangsmediumvoluinenfluß !

t der Pumpe 36 dar. Die Ordinate ist mit P "bezeichnet und stellt einen ;

größer werdenden Abgabemediumdruck dar. Die Linie 168 gibt eine Linie

im wese%ntlichen konstanter Mediumleistung wieder, die von der Pumpe ._:

36 abgegeben wird. Die Pumpe 36 kann an irgendeinem Punkt an der Linie ' zwischen dem Punkt I70 der maximalen Yolumenverdrängung und dem Punkt
172 maximalen Drucks arbeiten, wie das durch die eingebaute Regelung

37 bestimmt wird, die für die betreffende Pumpe vorgesehen ist, die
hier beschrieben worden ist.

In dem schematischen Regelkreis nach Fig. 3 sind die herkömmlichen .

Bauteile wie Wärmeaustauscher, der Pumpenauffüllkreis und Ableitungen ^: von der Pumpe 36 und deas Regelventil I50 weggelassen worden, um die
Dinge klarer und übersichtlicher zu machen. Druckmedium wird aus der | Pumpe 36 durch den Fließweg 314 abgeleitet, der die Bohrmaschine 24

. i

und das Regelventil I50 versorgt. Aus der Bohrmaschine 24 abgegebenes !

i Medium wird durch die Rückleitung 88 zur Pumpe zurückgeleitet, und

diese Leitung wird in bezug auf den Abgabedruck der Pumpe auf einem
niedrigen Druck gehalten.

Eine Alternativausführung des Mechanismus zur Regelung der Bewegung
des Mediumverteilerventils 102 ist in Fig. 5 und 6 gezeigt. Fig. 6 ist ein Längsschnitt im wesentlichen in der gleichen Ebene wie die Ansicht der in Fig. 3 gezeigten Bohrmaschine. Das Ausführungsbeispiel nach Fig.

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5'und 6 weist einen Gehäuseteil I74 auf, der dem Gehäuseteil 46 entspricht, und zwar im wesentlichen in jeder Hinsicht, außer was besonders angegeben ist. Der Gehäuseteil 174 weist mehrere Kanäle 175 auf, die in die Bohrung 64 zwischen den Ringausnehmungen 92 und $6 öffnen. Die Kanäle 175 sind in gestaffelter Weise in bezug auf die Längsachse der Bohrung 64 angeordnet.

Das Ausfuhrungsbeispiel nach Fig. 5 und 6 weist außerdem einen Gehäuseteil 178 auf, der abnehmbare am Gehäuseteil 174 befestigt ist und eine abgestufte Bohrung 180 aufweist, die an gegenüberliegenden Enden durch Gewindestöpsel 181 und I84 verschlossen ist. Der abnehmbare Gehäuseteil 178 weist ferner mehrere Kanäle I76 auf, die in die Bohrung 180 öffnen und die mit den betreffenden Kanälen 175 in einer Flucht liegen. In Pig. 5 sind bestimmte Einzelteile weggelassen worden, und ein Teil des Gehäuseteils I78 ist weggebrochen, um die gestaffelte Anordnung der Kanäle 175-176 zu zeigen. Wie in Fig. 5 und 6 gezeigt ist, j steht die Hut 96 mit der Bohrung 810 und den Kanälen 175-176 in Yer- .[ bindung. Ein abgestufter Kolben 182 sitzt in der Bohrung 180 und ist in die in Fig. 6 gezeigte Position durch eine Schraubenfeder 185 gespannt. Der Kolben 182 weist einen einstückigen Yorsprung I83 auf, der die Bewegung des Kolbens zum Stöpsel 181 hin begrenzt und die Feder 185 führt. Der Kolben 182 weist ferner eine querliegende Fläche 186 am Ende des Kolbens auf, das dem Vosprung I83 gegenüberliegt. Der Fließweg I46, der vom Regler ISO führt, ist so angeschlossen, daß Druckmedium geleitet wird, um die Kolbenfläche 186 zu beaufschlagen.

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Mit dem Einleiten von Druckmedium zum Beaufschlagen der Kolbenfläche 186 unter veränderlichem Druck, wie das durch den Druckregler I50 bestimmt wird, kann der Kolben 182 so bewegt werden, daß einer oder mehrere der Kanäle 175-176 bedeckt werden, um damit die Verbindung von Druckmedium in der Kammer 154 und im Fließweg I58 zur Nut 96 entsprechend der Position der Regelkänte 73 am Kolbenhammer 66 zu bestimmen. Die Kanäle 175-176 befinden sich in einer solchen Anordnung, daß das Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 und 6 auch für eine im wesentlichen stufenlose Regelung der Hammerhublänge und der Schlagenergie sorgt. Der Vorteil des Ausführungsbeipsiels nach Fig. 5 und 6.zur Regelung der Bewegung des Ventils 102 besteht darin, daß der Beginn der Bewegung des Ventils verzögert wird und die Gesamtzeit zum Verschieben des Ventils, nachdem die Bewegung einmal eingeleitet ist, etwas schneller als bei der Ausführung nach Fig. 3 ist. Eine schnellere Bewegung des Ventils 102 neigt dazu, ein Lecken von Hochdruckmedium aus der Nut 120 über die Nut 122 zur Niederdrucknut 126 im Ventil zu verhindern. Ferner kann auch ein schnelleres Verschieben des Ventils 102 au3 der in Fig. 3 gezeigten Position danzu neigen, die im Akkumulator 78 gespeicherte Energie zu erhöhen, die während der Phase der Arretierung der Bewegung des Hammers 66 während seines Rückhubs absorbiert wird.

Patentansprüche

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Claims

Patentansprüche

Hydraulisch betriebe»· und von einer Pumpe alt Druckmedium gespeiste Oestein-Schlagbohraaschins, gekennzeichnet durch i ein Gehäuse (46) mit einer Zylinderbohrung (64)» ein schlagaufnehmendes Glied (56), einen duroh Druckmediumbeaufschlagung hubbewegbaren Kolbenhammer (66), der in der Bohrung (64) sitzt und mit der Druckmediumbeaufsohlagung Schläge auf das schlagaufnehmende Glied (56) überträgt, ein Ventil (102) zur Hubbewegung mit der Druckbeaufschlagung zur Bestimmung des Stroms von Druckmedium zu der und aus der Bohrung (64) zum Bewirken einer Hubbewegung des Hammers (66) und einen Fließweg (158, 92, 95t 134) in Verbindung mit der Bohrung (64) zum Leiten von Druokmedium zum Bewirken einer Hubbewegung des Ventils (102), ein Hegelglied (136) in Zuordnung zum Fließweg (134) zur Regelung des Hediumdruoks im FIieBweg (158) zur Bestimmung der Bewegung des Ventils (102) sur Xnderung der vom Hammer (66) auf das schlagaufnehmende Glied (56) übertragenen.Sphlagenergiβ sowie eine Hegelvorrichtung/zur Be- /(150) tätifung des Segelfliede (156) zur Bestimmung der Bewegung des Ventils (102).

2, Qestein-Sohlafbohrmaschine nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß das Regelglied (136) auf ein Medium- druoksifnal mm Bewirken einer Bestimmung der Bewegung des Ventile (102) aniprioht.

5* Gestein-Sohlagbohrmasohine nach Anspruch 2, daduroh g β -

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709816/0734 > or,_{9Wal iNSP£CTH)}

kennzeichnet, daß die Regelvorrichtung (150) einen einstellbaren Druckregler aufweist und daß ein Fließweg (I46) den Druckregler mit dem Regelglied (I36) verbindet, derart, daß das Mediumdrucksignal, daß das Regelglied (136) beaufschlagt, so veränderbar ist, daß für eine im wesentlichen kontinuierlich veränderliche Regelung der Schlagenergie gesorgt werden kann, die vom Hammer auf das schlagaufnehmende Glied übertragen wird.

4· Gestein-Schlagbohrmaschine nach Anspruch 5» kombiniert mit einer fahrbaren bzw. transportfähigen Bohrvorrichtung (1O) mit einem Gestell (12) und mit einer Stützlafette (16) am Gestell, die eine bewegliche Abstützung für die Gestein-Schlagbohrmaschine (24) bildet, sowie mit einer Bedienungsstation (42) am Gestell, wobei der Druckregler (150) ein Bedienungsglied (15²) aufweist, das sich in der Bedienungsstation (42) befindet und eine Fernbedienung des Ventils (102) zur Änderung der Schlagenergie gestattet, die auf das schlagaufnehmende Glied übertragbar ist.

5, Gestein-Schlagbohrmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe (36) eine Pumpe veränderlicher Verdrängung ist.

6. Gestein-Schlagbohnnaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pampe (36) eine Regelung (37) zum Versorgen der Gestein-Schlagbohrmaschine mit im wesatlichen konstanter Leistung aufweist*

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7. Gestein-Schlagbohrmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Regelglied (136) auf einen "bestimmten Druck im Fließweg (I36) zum Öffnen desselben anspricht, derart, daß dadurch für eine kontrollierte Bewegung des Ventils (102) gesorgt wird, und daß auf das Regelglied (I36) ein Kolben (I42) einwirkt, der so betätigbar ist, daß das Regelglied zum Schließen des Pließwegs (134) vorspannbar ist.

8. Gestein-Schlagbohrmaschine nach Anspruch 7» gekennzeichnet durch eine zwischen dem Regelglied (I36) und dem Kolben (142) sitzende Feder (144) zum Ermöglichen einer schnellen Bewegung des Regelglieds (I36) in Erwiderung auf eine Druckkraft, mit der das Regelglied beaufschlagt wird, die die Kraft überschreitet, mit der das Regelglied beaufschlagt wird und die von einem Druckmediumsignal herrührt, mit dem der Kolben (14²) beaufschlagt wird.

9. Gestein-Schlagbohrmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Kanäle (175» 176) im Abstand längs der Bohrung (64) angeordnet sind und mit der Bohrung in Verbindung stehen, und daß die Gestein-Schlagbohrmaschine ein Regelglied (182) aufweist, das so betätigbar ist, daß es in eine Position zum mindestens teilweisen Blockieren eines oder mehrerer der Kanäle (175) zur Regelung des Mediumdrucks bewegbar ist, mit dem das Ventil (102) beaufschlagt wird.

10. Gestein-Schlagbohrmaschine nach Anspruch 9» dadurch g e -

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kennzeichnet, daß die Position des Regelglieds (182) durch ein Druckmediumsignal*von der Regelvorrichtung (150) bestimmt ist.

11. Gestein-Schlagbohrmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (102) mindestens zwei gegenüberliegende Druckflächen (108, 112) aufweist, die auf die Beaufschlagung durch Druckmedium zur Bewegung des Yentils ansprechen, wobei eine der Flächen (108) in einer Kammer (154) sitzt, die mit dem Fließweg (158) in Verbindung setzbar ist, daß der Hammer (66) einen Ringkanal (72) aufweist, der zum Zusammenwirken mit dem Fließweg (15,8) vorgesehen ist, der aus der Kammer (154) in die Bohrung (64) öffnet, und daß der Kanal (72) zum Zusammenwirken mit dem Fließweg (158) zur Verbindung des Fließwegs (158) mit dem Fließweg (95i 134) vorgesehen ist, wenn sich der Hammer (66) vom schlagaufnehmenden Glied (56) wegbewegt.

12. Gestein-Schlagbohrmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Hammer (66) eine erste Druckfläche (68), die durch Druckmedium zum kontinuierlichen Drücken des Hämmere vom schlagaufnehmenden Glied weg beaufschlagbar ist, und eine zweite Druckfläche (70) aufweist, die durch Druckmedium beaufschlagbar let, das durch das Ventil (102) geregelt ist, derart, daß der Hammer bus schlagaufnehmenden Glied hin bewegt wird, und daß die Bewegung des Ventils (102) zum Zuleiten von Druckmedium zur Bewegung des Kolbenhammers zum schlagaufnehmenden Glied hin als Folg· einer Reduktion im Mediumdruck in der Kammer (154) bewirktbar ist.·

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15. Hydraulisch "betriebene Gestein-Schlagbohrmaschine zur Versorgung mit Mediumdruck von einer Pumpe, gekennzeichnet durch ein Gehäuse (46) mit einer zylindrischen Bohrung (64)» ein schlagaufnehmendes Glied (56)t einen durch Druckmedium hubbewegbaren Kolbenhammer (66), der in der Bohrung (64) sitzt und auf eine Druckmediumbeaufschlagung zum Übertragen von Schlagen auf das schlagauf©nehmendes Glied (56) anspricht, und ein Yentil (102) zur Regelung des Stroms an Druckmedium zur Bohrung und aus der Bohrung zur Hubbewegung des Hammers (66), wobei das Ventil (102) so betätigbar ist, daß die Bewegung des Hammers zur änderung der vom Hammer auf das schlagaufnehmende Glied übertragenen Schlagenergie regelbar ist, und wobei die Pumpe (36) eine Regelung (37) zur Versorgung der Gestein-Schlagbohrmaschine (24) mit Druckmedium mit veränderlichem Druck und veränderlicher Durchflußrate entsprechend der Änderung der vom Hammer auf das schlagaufnehmende Glied Übertragenen Sohlagenergie aufweist, derart, daß die in die Gestein-Sohlagbohrmaschine eingegebene Mediumleistung im wesetnlichen konstant bleibt. !

i 14· Geetein-Sohlagbohrmaschine nach Anspruch I3, dadurch ge- ' kennzeichnet, daß die Pumpe (36) eine Pumpe veränderlicher; Verdrängung ist.

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