DE3141855C2 - Hydraulisches Arbeitswerkzeug - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Düsenkopf zum Anschluß an eine Hochdruckwasserleitung zum Erzeugen von Hochdruckwasserstrahlen mit drehbar angeordneten Düsen. Um den Düsenkopf konstruktionsmäßig einfach zu gestalten und keine fremdbetätigten Antriebe zum Drehen oder Abbremsen der Düsen zu benötigen, ist ein von dem Hochdruckwasser betriebener Wassermotor vorgesehen, dessen drehender Teil mit einem die Düsen tragenden Kopfteil verbunden ist und der Antrittskanäle für Hochdruckwasser derart aufweist, daß das Hochdruckwasser auf das drehende Teil ein Drehmoment ausübt. Ein derartiger Düsenkopf kann insbesondere zum Bohren von Löchern in Materialien, wie Kohle, Stein usw., verwendet werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein hydraulisches Arbeitswerkzeug nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Zum Bohren von Löchern in Gestein o. dgl. ist es bekannt, Hochdruckwasserstrahlvorrichtungen zu verwenden, wobei die Bohrarbeit von aus Düsen unter hohem Druck, etwa 500 oder 1000 bar oder mehr, austretenden Wasserstrahlen ausgeführt wird. Um die Bohrarbeit effektiver zu gestalten, wurde bereits versucht, den die Düsen tragenden Düsenkopf zu drehen, während eine axial gerichtete und angeordnete Düse zusammen mit einer weiteren Düse verwendet wurden, die außermittig angeordnet und schräg auf das Material gerichtet ist. Letztere bestimmt den Lochdurchmesser und erstere sorgt für ein Zerschlagen des Bohrkerns. Der Düsenkopf wird hierbei durch einen hydraulischen Antrieb bzw. einen Fremdantrieb um seine Achse in Drehung versetzt, wobei niedrige Drehzahlen zur Anwendung gelangen. Abgesehen davon, daß die Vorrichtung relativ kompliziert ist, arbeiten diese Düsen mit einem geringen wasserhydraulischen Wirkungsgrad und einem entsprechend hohen Energieaufwand.

Aus der US-PS 38 44 362 ist ein Bohrgerät bekannt, das einen mechanisch wirkenden, diamantbesetzten Bohrkopf aufweist, wobei eine hohle feststehende Achse vorgesehen ist, die zur Zuführung von Druckmittel in der hohlen Achse gelagert ist, Rotationsdüsen aufweist und einen Arbeitskopf trägt, der ebenfalls mit Austrittsöffnungen für Druckmittel stirnseitig versehen ist. Diese Austrittsöffnungen sind jedoch sehr eng und dienen nur zum Wegspülen von abgeschabtem Gut, während der Arbeitskopf selbst die mechanische Bohrarbeit leistet und daher einem starken Verschleiß unterworfen ist. Außerdem soll die durch die Austrittsöffnungen austretende Flüssigkeit den Arbeitskopf kühlen. Die Zuführung des Druckmittels erfolgt von der Rückseite des Gehäuses her über ein Rohr oder einen in einem Rohr geführten Schlauch zum Inneren des Läufers als auch zu Rückstoßdüsen an der Rückseite eines an der hohlen Achse angebrachten Zuführkopfes, die dem Vorschub des Bohrwerkzeugs dienen. Eine derartige Konstruktion ist aufgrund der notwendigen Lager, Buchsen und Dichtungen nicht nur sehr aufwendig, sondern führt auch zu einem starken Verschleiß infolge der auch in Achsrichtung Kräfte aufnehmenden Lagerung des Läufers. Die Lebensdauer eines mechanisch arbeitenden Bohrkopfes ist infolge des Abriebs nur gering, ebenso wie die erzielbare Vorschubgeschwindigkeit beim Bohren.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein hydraulisches Arbeitswerkzeug entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, das konstruktionsmäßig sehr einfach und bei dem der Verschleiß minimal gehalten ist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst.

Hierdurch wird erreicht, daß die Düsen des Arbeitskopfes durch einen abgezweigten Teil des Hochdruckwassers in Drehung versetzt werden. Es lassen sich sehr hohe Drehzahlen über 5000 U/min, in der Regel im Bereich zwischen 10 000 und 20 000 U/ min, erreichen, die überraschenderweise zu einer wesentlich verbesserten Schneidwirkung der austretenden Wasserstrahlen führen, so daß auch ein wesentlich geringerer Energieaufwand, verbunden mit einer wesentlich erhöhten Bohrgeschwindigkeit, für eine durchzuführende Arbeit erforderlich ist. Die Drehzahl kann durch entsprechende Ausbildung und Anzahl der Austrittskanäle sowie durch den Druck des Wassers

reguliert werden. Die Ausbildung des Arbeitswerkzeugs ist sehr einfach und ermöglicht eine schwimmende Lagerung des Läufers, der vorzugsweise in einem Gehäuse angeordnet ist, ohne daß Lager oder Dichtungen notwendig sind. Die Düsen können zu diesem Zweck symmetrisch zur Drehachse angeordnet werden, allerdings kann bei nicht symmetrischer, d. h. einseitiger Anordnung ihrer Austrittsöffnungen eine größere Kraft punktuell aufgebracht werden.

Ein derartiges Arbeitswerkzeug kann nicht nur zum Bohren verwendet werden, obwohl dies ein bevorzugter Anwendungszweck hierfür ist, sondern auch zum Schneiden, Fräsen, Oberflächenbearbeiten, wie Entgraten o. dgl. und Reinigen, etwa bei stark verschmutzten Rohren, Materialien, wie Kohle, Stein, Beton, Metalle ο. dgl. können ohne weiteres hiermit z. B. bearbeitet werden.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Abbildung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Der im Schnitt dargestellte Düsenkopf besteht aus einem Wassermotor 10 und einem Düsen 11 tragenden Arbeitskopf 12, das getrennt von dem Wassermotor 10 dargestellt und im vergrößerten Maßstab wiedergegeben ist.

Der Wassermotor 10 besteht aus einem Gehäuse 13, das mit mehreren Bohrungen 14 für die Wasserzufuhr zum Inneren des Gehäuses 13 versehen ist. Die Bohrungen 14 münden in einer zylindrischen Mittelbf.hrung 15 des Gehäuses 13, die an dem dem Arbeitskopf 12 abgewandten Ende unter Ausbildung einer Schulter 16 erweitert ist. In die Mittelbohrung 15 sind zwei Buchsen 17 eingesetzt, z. B. eingepreßt, von denen sich eine mit einer Schulter 17' an der Schulter 16 abstützt, während sich die andere Buchse 17 mit ihrer Schulter 17' an der Stirnseite des Gehäuses 13 abstützt. Zwischen den einander zugekehrten Endkanten der Buchsen 17 münden die Bohrungen 14.

Von den Buchsen 17 wird ein Läufer 18 aufgenommen, der mit einer stirnseitig endenden axialen Sacklochbohrung 19 versehen ist. Der Läufer 18 besitzt eine ringförmige Schulter 20 im erweiterten Bereich der Mittelbohrung 15 benachbart zur Schulter 17' der in der Mittelbohrung 15 sitzenden Buchse 17. Ferner ist der Läufer 18 an beiden Enden jeweils mit einem Gewinde

21 versehen und wird in dem Gehäuse 13 durch eine Mutter 22 und eine Unterlegscheibe 23 gehalten. Der Abschnitt des Gewindes 21, der gegenüber der Mutter >»

22 vorsteht, ist mit einer Gewindebohrung 24 im Arbeitskopf 12 verschraubt, wobei die Mutter 22 hierbei gleichzeitig als Kontermutter für den Arbeitskopf 12 dient.

Die Sacklochbohrung 19 des Läufers 18 ist an ihrem ϊ·*> inneren Ende mit radial nach außen gerichteten Kanälen 25 versehen, die in einem Ringraum 26 auf der Außenseite des Läufers 18 benachbart zu dessen Schulter 20 enden. Der Ringraum 26 wird außenumfänglich von einer Hülse 27 begrenzt, die mit einer weiteren Hülse 28 verpreßt ist, die den Ringraum 26 axial begrenzt und mit dem hinteren Gewinde 21 des Läufers 18 verschraubt ist. Von dem Ringraum 26 gehen mehrere Kanäle 29 aus, die zwischen den Hülsen 27 und 28 verlaufen und in die Hülse 28 außenseitig axial mit *" Steigung, d. h. Schraubenlinien- oder spiralförmig eingearbeitet sind. Ferner ist der Läufer 18 im Bereich der Bohrungen 14 mit mehreren Bohrungen 30 versehen, die die Mittelbohrung 15 mit der Sacklochbohrung 19 verbinden.

Der Läufer 18 ist mit radialem und axialem Spiel in dem Gehäuse 10 angeordnet.

Der Düsen 11 tragende Arbeitrkopf 12 besitzt z.B. eine sich in Radialrichtung erstreckende, mit der Gewindebohrung 24 in Verbindung stehende Bohrung 31, von der aus sich die Düsen 11 bildenden Kanäle zur Stirnseite des Arbeitskopfs 12 erstrecken.

Das Gehäuse 10 wird von einer nicht dargestellten Halterung aufgenommen, über die die Hochdruckwasserzufuhr erfolgt. Das Hochdruckwasser tritt durch die Bohrungen 14 in die Mittelbohrung 15 und von dort über die Bohrungen 30 in die Sacklochbohrung 19 ein. Von hier gelangt das Hochdruckwasser einerseits zu den Düsen 11, um dort als Hochdruckwasserstrahlen auszutreten, und andererseits über die Kanäle 25 in den Ringraum 26, um von dort über die Kanäle 29 rückwärts auszutreten. Infolge der Steigerung der Kanäle 29 abweichend von der Axialrichtung wird durch das dort hindurchströmende Hochdruckwasser ein Drehmoment auf den Läufer 18 ausgeübt, das diesen in Rotation versetzt Infolge der Rotation des Läufers 18 dreht sich damit auch der mit dem Läufer 18 verschraubte Arbeitskopf 12 und damit die Düsen 11.

Neben den Kanälen 29 kann der Läufer 18 mit einer zentrischen Axialbohrung 32 versehen sein, um eine Rückstoßkompensation zwischen dem aus den Düsen 11 austretenden Wasser einseits und dem aus den Austrittskanälen 29 und eventuell der Axialbohrung 32 austretenden Wasser zu bewirken, falls dies für die schwimmende Lagerung des Läufers 18 in dem Gehäuse 13 notwendig ist.

Gleichzeitig dient das Hochdruckwasser auch zur Schmierung des Läufers 18. Lager für den Läufer 18 erübrigen sich daher. Der Läufer 18 ist freitragend oder schwimmend gelagert. Dichtungen werden ebenfalls nicht benötigt, das Hochdruckwasser kann frei austreten. Damit beim Anlaufen kein Staudruck entsteht und ein axialer Schub nach hinten vermieden wird, kann eine Öffnung 33 in dem Gehäuse 10 im Bereich der Schulter 20 vorgesehen sein. Die Buchsen 17 dienen als Anlaufhilfe.

Die Drehzahlregelung des Läufers 18 erfolgt durch die Anzahl und die Steigung der Kanäle 29 ebenso wie durch den Wasserdruck. Drehzahlen größer 5000 U/ min, insbesondere in der Größenordnung von 10 000 bis 20 000 U/min werden ohne weiteres erreicht. Die verwendeten Wasserdrücke liegen in der Größenordnung von 300 bar und darüber und können 1000 bar und mehr erreichen.

Der dargestellte Arbeitskopf 12 ist zum Bohren von Löchern geeignet und besitzt zu diesem Zweck zwei im wesentlichen axial leicht nach außen gerichtete Düsen 11 sowie zwei weitere radial einwärts davon angeordnete nach innen geneigte Düsen 11, wobei die Düsen 11 in einer Axialebene symmetrisch zur Achse angeordnet sind. Durch die äußeren Düsen 11 wird der Durchmesser des zu bohrenden Lochs bestimmt, während die inneren Düsen 11 dazu dienen, den Bohrkern, der durch die äußeren Düsen 11 nicht beseitigt wird, zu zerschlagen. Zwar kann der Arbeitskopf 12 kreisförmigen Umfang besitzen, jedoch ist es zum Entferr.en des abgetragenen Ma;;rials zweckmäßig, ihn abweichend hiervon beispielsweise mit rechteckiger Stirnseite zu versehen. Anstelle der symmetrisch zur Axialebene angeordneten Düsen 11 können diese auch vorteilhaft nur einseitig, d. h. beispielsweise nur die beiden linken Düsen 11 in der

Abbildung, vorgesehen sein.

Durch Anbringung einer Ausirittsöffnung für Hochdruckwasser in der nicht dargestellten Halterung für den Düsenkopf kann ferner ein solcher Rückstoß ausgeübt werden, daß sich der Düsenkopf mit seiner Halterung und dem dazugehörigen Hochdruckwasserschlauch selbst anstellen kann, zumal der Läufer 18 rückstoßkompensiert ist, so daß etwa im Falle des Bohrens von Löchern sich die Einrichtung in das bereits bis dahin gebohrte Loch ohne zusätzliche Hilfsmittel hineinschiebt, um die richtige Anstellung zum Bohren beizubehalten.

Wenn infolge der Notwendigkeit von mehreren Kanälen 29 zur Rückstoßkompensaiion zur schwimmenden Lagerung des Läufers 18 die Drehzahl zu groß werden würde, können auch Kanäle 29 mit gegenläufiger Steigung vorgesehen werden, wodurch die Drehzahl jedoch begrenzt wird. Die gewünschte Rückstoßkompensation kann auch durch die zentrische Axialbohrung 32 erreicht werden.

Ferner ist es möglich, das Gehäuse 10 drehbar anzuordnen, mit dem dann der Arbeitskopf 12 verbunden wird, während der Läufer 18 dann der Ständer ist. Dann sind die Kanäle 29 in dem Gehäuse 10 anzubringen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

1. Patentansprüche:

   L Hydraulisches Arbeitswerkzeug, aus einem an eine Hochdruckleitung anschließbaren Ständer und einem koaxial zu diesem angeordneten Läufer mit Axialbohrung, der mit jeweils einer nach rückwärts gerichteten Komponente versehene, mit seiner Axialbohrung in Verbindung stehende Austrittskanäle für das Druckmittel aufweisender, durch die Kanäle ausgestoßenes Druckmittel drehbarer Antrieb ausgebildet ist und stirnseitig einen mit Düsen zum Ausstoßen des Druckmittels versehenen Arbeitskopf trägt, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckmittel-Austrittskanäle (29) des Drehmotors rückwärts aus diesem austreten und einen Gesamtquerschnitt aufweisen, der auf eiiie Kompensation der von den Düsen (11) des Arbeitskopfes (12) ausgeübten Rückstoßkraft abgestellt ist
2. 2. Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochdruckmitteizufuhr zum Drehantrieb des Läufers (18) zwischen den Düsen (11) des Arbeitskopfes (12) und den Austrittskanälen (29) des Läufers (18) in Form von radial gerichteten Durchtrittsöffnungen (14, 30) in Ständer (13) und Läufer (18) ausgebildet ist, von denen die des Läufers (18) mit dessen Axialbohrung (19) in Verbindung steht
3. 3. Werkzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ständer (13) ein außenliegendes Gehäuse ist, das den Läufer (18) aufnimmt.
4. 4. Werkzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ständer von dem außenliegenden Läufer umfaßt wird.
5. 5. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittskanäle (29) im Läufer (18) in Axialrichtung schraubenlinien- oder spiralförmig auf einer Zylinderfläche verlaufend angeordnet sind.
6. 6. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Läufer (18) gegenüber dem Ständer (13) mittels einer Buchsenlagerung(17) schwimmend gelagert ist.
7. 7. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Läufer (18) zwei Hülsen (27, 28) trägt, zwischen denen die Austrittskanäle (29) gebildet sind.
8. 8. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zu den Austrittskanälen (29) gegenläufige Austrittskanäle im Läufer (18) zu dessen Drehzahlbegrenzung vorgesehen sind.
9. 9. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine zentrale axiale Bohrung (32) im Läufer (18) vorgesehen ist, die auf der den Austrittsöffnungen der Düsen (11) des Arbeitskopfes (12) abgewandten Seite des Läufers (18) ausmündet und mit dessen Axialbohrung (19) in Verbindung steht.
10. 10. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der hintere Teil des Läufers (18) in einem erweiterten Bereich des fco Ständers (13) liegt und dieser erweiterte Bereich eine Radialöffnung (33) im Bereich einer Schulter (20) des Läufers (18) aufweist.