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Tieflochhammer
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Die Erfindung betrifft einen Tieflochhammer zur Befestigung am Ende
eines hohlen Bohrstranges, mit einem in einem Arbeitszylinder bewegbaren, druckmittelbetriebenen
Arbeitskolben, einem den Arbeitskolben steuernden und seinerseits von dem Arbeitskolben
gesteuerten, in einem Steuerzylinder bewegbaren Steuerkolben, einer Bohrkrone, auf
deren Schaft der Arbeitskolben direkt oder über ein Zwischenstück schlägt und mit
Austrittsöffnungen zum Abführen des den Steuerzylinder bzw. den Arbeitszylinder
verlassenden Druckmittels zum Zwecke des Rückspülens des abgeschlagenen Bohrgutes.
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Beim Bohren in steinigen Böden verwendet man Schlagbohrvorrichtungen,
bei denen am Ende eines hohlen Bohrstranges eine Bohrkrone angeordnet ist, die rotiert
und auf die gleichzeitig Schläge ausgeübt werden, um das Gestein zu zertrümmern.
Wenn die
Schlagvorrichtung am rückwärtigen Ende des Bohrstranges
angeordnet ist, gelangt nur wenig Schlagenergie an die Bohrkrone, weil die Schläge
von dem langen Bohrstrang gedämpft werden und weil ein Teil der Schlagenergie am
Ende des Bohrstranges reflektiert wird, wobei sich die hinlaufenden und die reflektierten
Stoßwellen überlagern und schwächen bzw. teilweise auslöschen. Um Verluste von Schlagenergie
im Bohrstrang zu vermeiden, ist es bekannt, Tieflochhämmer einzusetzen, die am vorderen
Ende des Bohrstrangs angeordnet sind und Schläge auf den Schaft der Bohrkrone ausüben.
Derartige Tieflochhämmer werden in der Regel mit Druckluft betrieben. Die den Tieflochhammer
verlassende Abluft tritt am vorderen Ende des Bohrstranges bzw.
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an der Bohrkrone aus und wird zum Rückspülen des abgeschlagenen Bohrgutes
aus dem Bohrloch benutzt.
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Druckluftbetriebene Hämmer haben aber den Nachteil eines geringen
Wirkungsgrades.
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Tieflochhämmer, die mit Ö1 betrieben werden, erfordern eine zusätzliche
Rücklaufleitung durch den gesamten Bohrstrang hindurch, weil das Rücklauföl nicht
zum Rückspülen benutzt werden kann. Das Rücklauföl muß daher durch den Bohrstrang
hindurch abgeführt werden.
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Der hierfür erforderliche zusätzliche Kanal macht den Einsatz komplizierter
Bohrstangen erforderlich. Außerdem treten Abdichtungsprobleme beim Verbinden der
Bohrstangen auf.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Tieflochhammer der
eingangs genannten Art zu schaffen, der bei Verwendung eines einfachen hohlen Bohrstranges
- also ohne Rückführungsleitung für das Bohrmedium -mit hohem Wirkungsgrad betrieben
werden kann, eine hohe Schlagenergie auf die Bohrlochsohle bringt und bei dem das
Druckmedium zur Rückspülung des Bohrgutes verwendbar ist.
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Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, daß der Arbeitszylinder
und der Steuerzylinder Hydraulikzylinder sind und daß das Druckmittel Wasser ist.
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Der erfindungsgemäße Tieflochhammer ist ein hydraulischer Tieflochhammer,
der mit Wasser betrieben ist.
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Nachdem das unter Druck zugeführte Wasser, nachdem es den Steuerzylinder
und den Arbeitszylinder durchlaufen hat, entspannt worden ist, wird es durch den
noch vorhandenen Restdruck zur Bohrlochsohle getrieben und entweicht anschließend
längs der Außenwand des Bohrstranges, wobei Bohrgut mitgenommen und rückgespült
wird. Der Tieflochhammer kann sowohl zum Überlagerungsbohren eingesetzt werden,
bei dem die Bohrlochwand durch ein Außenrohr abgestützt wird, als auch zum Bohren
ohne eine derartige Wandabstützung.
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Bei hydraulischen Bohrhämmern erfolgt die Druckmittelzufuhr über den
Steuerzylinder zum Arbeitszylinder stoßweise. Bei jedem Arbeitshub muß eine große
Druckmittelmenge in kurzer Zeit zur Verfügung stehen, während beim Rückhub die benötigte
Druckmittelmenge
geringer ist. Strömungswiderstände im Zuführungssystem
des Druckmittels verzögern den für jeden Schlag erforderlichen Druckaufbau, wodurch
sich die Schlagzahl verringert. Um dies zu vermeiden, werden hydraulische Bohrhämmer
mit Gasdruckspeichern ausgerüstet, die sich beim Rückhub aufladen und beim Arbeitshub
entladen, um die kurzzeitig erforderliche große Druckmittelmenge zur Verfügung zu
stellen. Die bekannten Gasdruckspeicher lassen sich jedoch nicht oder nur unter
Schwierigkeiten in einen Bohrstrang einsetzen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist bei einem hydraulich
betriebenen Tieflochhammer druckseitig vor dem Arbeitszylinder ein Gasdruckspeicher
angeordnet, der ein fest mit dem Bohrstrang verbundenes Gehäuse, ein in dem Gehäuse
angeordnetes, drehfest mit dem Gehäuse verbundenes koaxiales Rohr mit seitlichen
Löchern und in einem Ringraum zwischen Gehäuse und Rohr eine ringförmige Membran
aufweist. Das Gehäuse des Gasdruckspeichers ist somit Bestandteil des Tieflochhammers
und/oder ist drehfest mit dem Bohrstrang verbunden, so daß es sich mit diesem dreht.
Der Gasraum, der von dem Gehäuse und von der Membran begrenzt wird, verläuft koaxial
zum Bohrstrang und atmet in radialer Richtung, wobei sie sich bei geringem Hydraulikdruck
von außen her gegen das gelochte Rohr legt und dieses umschließt. Ein besonderer
Vorteil besteht darin, daß der genannte Gasdruckspeicher voll in den Bohrstrang
integriert ist, außer der Membran keine beweglichen Teile enthält und bei geringem
Strömungswiderstand für das Hydraulikmedium eine langgestreckte schlanke Bauform
hat. Die Kapazität des Gasdruckspeichers wird im wesentlichen durch seine Länge
bestimmt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Steuerzylinder
druckseitig vor dem Arbeitszylinder koaxial zu diesem angeordnet und eine Steuerleitung
und eine weitere Leitung verlaufen in Längsrichtung durch die Wände des Steuerzylinders
und des Arbeitszylinders. Der Steuerzylinder ist in Längsrichtung gegenüber dem
Arbeitszylinder versetzt, so daß der Arbeitszylinder einen möglichst großen Durchmesser
im Innern des Bohrstranges haben kann. Der Steuerkolben ist vorzugsweise als hohle
Steuerhülse ausgebildet, deren Innenraum einen ständig dem Hochdruck ausgesetzten
Druckraum bildet, durch welchen der Hochdruck dem Arbeitszylinder zugeführt wird.
Die Druckleitung, die einen möglichst großen Strömungsquerschnitt haben sollte,
wird daher nicht durch die Zylinderwände von Steuerkolben und Arbeitskolben geführt,
sondern durch Axialbohrungen der betreffenden Kolben hindurch. Die Axialbohrung
des Arbeitskolbens weist einen unter einer Ringfläche für den Rückhub angeordneten
Auslaß auf. Dadurch, daß die Druckleitung koaxial durch beide Kolben hindurchgeführt
ist, brauchen die Zylinderwände nur die als Steuerleitungen und als Rücklaufleitung
wirkenden Bohrungen zu enthalten, die einen relativ kleinen Durchmesser haben können.
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Dadurch ist es möglich, die Wandstärken der beiden Zylinder zu verringern
und die Kolbendurchmesser zu vergrößern, um eine hohe Schlagzahl pro Minute und
eine hohe Schlaggeschwindigkeit und Schlagenergie zu erzielen.
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Wenn der mit Wasser oder einer Wasseremulsion betriebene Tieflochhammer
durch Unterbrechung der Druckzufuhr abgestellt wird, besteht die Gefahr, daß Schmutz
von der Bohrlochsohle in das Innere des Tieflochhammers hereingespült wird. Um dies
zu vermeiden, ist in dem Weg des Wassers zwischen dem hohlen Teil des Bohrstranges
und den Austrittsöffnungen ein Rückschlagventil angeordnet.
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Dieses Rückschlagventil wird beim Betrieb des Tieflochhammers durch
den Vordruck geöffnet gehalten, schließt sich aber selbsttätig unter Federwirkung,
wenn der Druck zu tief absinkt. Das Rückschlagventil ist vorzugsweise im Druckweg
vor dem Steuerzylinder und dem Arbeitszylinder angeordnet, und insbesondere zwischen
dem Druckspeicher und dem Steuerzylinder. An dieser Stelle steht genügend Platz
für das Rückschlagventil, das einen möglichst großen Durchlaßquerschnitt haben sollte,
zur Verfügung.
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Es hat sich erwiesen, daß eine vollständige Abdichtung des Arbeitskolbens
gegenüber dem Arbeitszylinder in der Praxis nicht möglich ist, so daß stets Wasser
in die Schlagräume eindringt, in denen die beiden Enden des Arbeitszylinders geführt
sind. Wenn die Wassermengen in den Schlagräumen zu groß werden, werden die Bewegungen
des Arbeitskolbens durch das Wasser gedämpft. Insbesondere beim Arbeitshub (Schlag)
würde ein erheblicher Teil der Schlagenergie durch das Wasserpolster verlorengehen.
Um dies zu vermeiden, ist der untere und/oder der obere Schlagraum des Arbeitszylinders,
in welchem sich das jeweilige Ende des Arbeitskolbens bewegt, durch eine Querbohrung
mit einer durch die Wand des Arbeitszylinders hindurchgehenden,
zu
den Austrittsöffnungen führenden Rücklaufleitung verbunden. Durch diese Querbohrung
wird der jeweilige Schlagraum während der Kolbenbewegungen selbsttätig entwässert.
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Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung näher erläutert.
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Es zeigen: Fign. 1, 2 und 3 einen Längsschnitt durch übereinander
angeordnete Teile des Tieflochhammers während des Endes des Rückhubes des Arbeitskolbens
und Fign. 4 und 5 Darstellungen gemäß Fign. 2 und 3 am Ende des Arbeitshubes.
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Der Tieflochhhammer 10 ist am vorderen Ende eines rohrförmigen hohlen
Bohrstranges 11 befestigt. Der Bohrstrang 11 ist durch das Gehäuse 12 des Gasdruckspeichers
13 und durch das Gehäuse 14 verlängert. Die Gehäuse 12 und 13 haben im wesentlichen
den gleichen Außendurchmesser wie der Bohrstrang 11 und sie bestehen jeweils aus
einem Rohr. Am vorderen Ende des Gehäuses 14 ist der Bohrkronenhalter 15 befestigt,
der den Schaft 16 der Bohrkrone 17 aufnimmt. Der Kopf 18 der Bohrkrone 17 ragt aus
dem Bohrkronenhalter 15 heraus.
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In ein Innengewinde des vorderen Endes des Bohrstranges 11 ist ein
Muffenteil 19 eingeschraubt, das eine Axialbohrung 20 aufweist, die mit dem Inneren
des Bohrstranges 11 in ständiger Verbindung steht. Ein Ansatz des Muffenteiles 19
ist in ein Innengewinde des Gehäuses 12 eingeschraubt, so daß das Muffenteil 19
das Gehäuse 12 mit dem Bohrstrang 11 verbindet. In ein Innengewinde des anderen
Endes des Gehäuses 12 ist ein weiteres Muffenteil 21 eingeschraubt, welches durch
eine Gewindeverbindung mit dem rohrförmigen Gehäuse 14 verbunden ist. Auch das Muffenteil
21 weist eine durchgehende Axialbohrung 20 auf.
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Die Axialbohrung 20 der Muffenteile 19 und 21 sind an ihren einander
zugewandten Enden im Durchmesser erweitert. In den erweiterten Bereichen nehmen
sie die Enden eines Rohres 22 auf, dessen Wand mit zahlreichen Löchern 23 versehen
ist. In dem Ringraum zwischen dem Rohr 22 und dem Gehäuse 12 befindet sich eine
schlauchförmige Membran 24, deren Enden als Wulstringe 25 ausgebildet sind. Die
Wulstringe 25 liegen in halbkreisförmigen Ringnuten der Ansätze der Muffenteile
19, 21 und des Gehäuses 12. Die Membran 24 und das Gehäuse 12 umschließen einen
ringförmigen Gasraum 26, der beispielsweise mit Stickstoff gefüllt ist. Die Füllung
erfolgt durch eine mit einem Stopfen 27 abdichtend verschlossene Öffnung in der
Wand des Gehäuses 12. Zwischen der Membran 24 und dem Rohr 22 wird ein ringförmiger
Ausdehnungsraum 28 gebildet, in den durch die Löcher 23 das Hydraulikmedium eindringen
kann, wobei das in dem Raum 26 befindliche Gas zusammengedrückt wird. Bei geringem
Hydraulikdruck im Rohr 22 wird die
Membran 24 durch den Gasdruck
von außen her gegen das Rohr 22 gedrückt, das sie dann eng umschließt. Das Rohr
22 und das Gehäuse 12 bilden somit Endanschläge für die Membran 24. Damit die Membran
in dem Einspannungsbereich nicht um Kanten herum verformt wird, sind die Stirnwände
29 der Ansätze der Muffenteile 21 bogenförmig derart ausgebildet, daß ihr Durchmesser
sich zum Rohr 22 hin stetig, d.h. ohne kantigen Übergang, verringert. Die Stirnwände
29 haben Aus auf flächen, die sich zum freien Ende hin an die Wand des Rohres 22
anschmiegen.
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In Strömungsrichtung des Wassers, das durch den Rohrstrang 11 unter
Druck zugeführt wird, ist in das Gehäuse 14 hinter den mit dem Muffenteil 21 verbundenen
Gewindeabschnitt das Rückschlagventil 30 eingeschraubt.
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Ein Gehäusekörper 31 des Rückschlagventils 30 ist mit Außengewinde
in das entsprechende Innengewinde des Gehäuses 14 geschraubt. Der Gehäusekörper
31 enthält eine Ventilkugel 32, die von einer Feder 33 entgegen der Strömungsrichtung
gegen einen Ventilsitz gedrückt wird und den Durchtrittskanal 34 versperrt. Das
Ventilgehäuse 31 ist durch eine Abstandsbuchse 34 von einem Ring 35, der eine Axialbohrung
36 aufweist, getrennt.
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Der Ring 35 stützt den Steuerzylinder 37 ab, der ebenfalls in dem
Gehäuse 14 angeordnet ist und dessen zylindrische Außenfläche eng von der Innenfläche
des Gehäuses umschlossen wird. Im Innern des Steuerzylinders 37 ist der Steuerkolben
38, der als hohle Steuerhülse ausgebildet ist, axial verschiebbar. Die Axial-
bohrung
des Steuerkolbens 38 schließt sich axial an die Öffnung 36 an, so daß im Innern
des Steuerkolbens 38 stets der Hochdruck herrscht. Beide Stirnflächen 39, 40 des
Steuerkolbens 38 sind ebenfalls ständig dem Hochdruck ausgesetzt. Da die untere
Stirnfläche 40 größer ist als die obere Stirnfläche 39 wird der Steuerkolben 38,
wenn keine anderen Kräfte auf ihn einwirken, nach oben, also gegen den Ring 35,
gedrückt. Der Steuerkolben 38 weist einen radial abstehenden Ringkragen 41 auf,
dessen obere Stirnseite die Steuerfläche 42 bildet. Die Steuerfläche 42 ist zusammen
mit der oberen Stirnseite 39 größer als die untere Stirnseite 40, so daß der Steuerkolben
38 nach unten gedrückt wird, wenn an der Steuerfläche 42 der Hochdruck herrscht.
Die andere Stirnfläche 43, die den Ringkragen 41 nach unten begrenzt, steht über
eine Ringnut 44 in ständiger Verbindung mit einer Rücklauf leitung 45. Die Rücklaufleitung
45 ist mit einer weiteren Ringnut 46 verbunden, neben der eine dritte Ringnut 47
angeordnet ist. Die Ringnuten 46 und 47 im Steuerzylinder 37 werden in der oberen
Stellung des Steuerkolbens 38 von einer Ringnut 48 dieses Steuerkolbens überbrückt
und somit untereinander verbunden. Die Ringnut 47 steht mit einer weiteren Leitung
49 in Verbindung. Die Steuerfläche 42 steht über eine Ringnut 50 mit einer Steuerleitung
51 in Verbindung.
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Der Steuerzylinder 38 weist außerdem eine Radialbohrung 52 auf, die
bei angehobenem Steuerkolben verschlossen ist, bei abgesenktem Steuerkolben aber
im Bereich der Ringnut 47 liegt.
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An den Steuerzylinder 37 schließt sich in axialer Richtung der Arbeitszylinder
53 an, der ebenfalls von dem rohrförmigen Gehäuse 14 dicht umschlossen ist. Der
obere Teil des Arbeitszylinders 53 besteht aus einem Rohr 54, das längslaufende
Bohrungen für die Rücklaufleitung 45, die weitere Leitung 49 und die Steuerleitung
51 aufweist.
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Diese Bohrungen umgeben die Axialbohrung 55 zur Aufnahme des oberen
Endes des Arbeitskolbens 56. An das Rohrstück 54 schließt sich ein weiteres Rohr
57 an, das den unteren Teil des Arbeitszylinders 53 bildet. Im Bereich des unteren
Rohres 57, dessen Längsbohrung größer ist als diejenige des Rohrteils 54, weist
der Arbeitskolben 56 zwei verdickte Abschnitte 58 und 59 auf, zwischen denen sich
eine Ringnut 60 befindet. Die untere Ringfläche 61 des unteren Abschnitts 59 ist
kleiner als die obere Ringfläche 62 des oberen Abschnitts 58. Die Steuerleitung
51 steht mit einer Ringnut 62 in Verbindung, welche von der Ringfläche 61 überstrichen
wird, wenn der Arbeitskolben 56 in die Nähe seiner oberen Endstellung gekommen ist.
Die obere Ringfläche 63 des unteren Abschnitts 59 überstreicht die Ringnut 62, wenn
der Arbeitskolben seine untere Endstellung erreicht bzw. auf den Schaft 16 der Bohrkrone
17 schlägt.
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Der Arbeitszylinder 53 ist gegen den Druckraum 64 des Steuerzylinders
37 durch eine Stirnwand 65 begrenzt, die einen Durchlaß für ein Rohr 66 aufweist.
Das Rohr 66 ist mit einem verdickten Kopf ausgestattet, der in einer Ausnehmung
der Stirnwand 65 sitzt und von einer Lochscheibe 67 fixiert wird. Das Innere des
Rohres 66
steht mit dem Druckraum 64 in Verbindung und ragt von
der Stirnwand 65 in das Innere des Arbeitszylinders 53 hinein. Das freie Ende des
Rohres 66 taucht in eine Axialbohrung 68 des Arbeitskolbens 56 ein. Die Axialbohrung
erstreckt sich von dem oberen Ende des Arbeitskolbens bis in einen Bereich unterhalb
der Ringfläche 61, wo sie mit einem Querkanal 69 in Verbindung steht.
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Die Axialbohrung 68, in der über den Druckraum 64 bzw.
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den Hohlraum des Steuerkolbens 38 und das Rohr 66 stets der Hochdruck
herrscht, bewirkt, daß die untere Ringfläche 61 des Arbeitskolbens ständig dem Hochdruck
ausgesetzt ist.
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Wenn der Arbeitskolben 56 bei seinem Rückhub die in Fig. 2 dargestellte
Position erreicht hat, legt die Ringfläche 61 die Ringnut 62 frei, so daß der Druck
aus der Leitung 69 in die Steuerleitung 51 gelangen kann. Dieser Druck wirkt auf
die Steuerfläche 42 des Steuerkolbens 38 und treibt diesen in die untere Endstellung
(Fig. 4). Nun gelangt die Öffnung 52 in den Bereich der Ringnut 47, wodurch Druck
aus dem Innern des hohlen Steuerkolbens in die weitere Leitung 49 gelangt. Diese
Leitung 49, die in Längsrichtung durch das Rohrstück 54 verläuft, mündet in den
Arbeitsraum 70, der von der großen oberen Ringfläche 62 begrenzt wird. Dadurch wird
der Arbeitskolben 56 nach unten beschleunigt und gegen den Schaft 16 der Bohrkrone
17 geschlagen. Wenn die Ringfläche 63 die Ringnut 62 freigegeben hat, wird diese
Ringnut 62 über eine ebenfalls an der Innenseite des Rohres 57 vorgesehene weitere
Ringnut
71 mit der Rücklauf leitung 45 verbunden. Hierdurch wird die Steuerleitung 51 drucklos,
so daß die Steuerfläche 42 ebenfalls drucklos wird. Der Steuerkolben 38 wird in
seine obere Endlage gedrückt. Die weitere Leitung 49 wird jetzt wieder über die
Ringnut 48 mit der Rücklaufleitung 45 verbunden, so daß der Arbeitsraum 70 des Arbeitszylinders
53 drucklos wird. Die auf die Ringfläche 61 einwirkende Kraft treibt den Arbeitskolben
56 hoch und die beschriebenen Vorgänge wiederholen sich.
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Der Arbeitskolben 56 weist an seinen beiden Enden je einen zylindrischen
Schaft 56a bzw. 56b auf, der in dem Arbeitszylinder 53 geführt ist, und der gegenüber
dem Arbeitszylinder durch Dichtungen 72 abgedichtet ist. Die Schlagräume 73 und
74, in denen sich die Enden der Kolbenschäfte 56a und 56b bewegen, sind über Querbohrungen
mit der Rücklaufleitung 45 verbunden, damit Wasser, das die Dichtungen 72 passiert
und in die Schlagräume 73, 74 gelangt, abgeführt werden kann.
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Die Rücklaufleitung 45, in der ein geringer Wasserdruck herrscht,
setzt sich bis in den Bohrkronenhalter 15 (Fig. 3) hinein fort. Der Bohrkronenhalter
15 weist zu diesem Zweck eine Längsbohrung auf, die in eine Innenringnut 77 mündet.
Die Innenringnut 77 steht mit Querbohrungen 78 des Schaftes 16 in Verbindung, welche
zu einer Axialbohrung 79 führen. Die Axialbohrung 79 erstreckt sich durch den Schaft
16 hindurch bis in die Bohrkrone 18 hinein und verzweigt sich dort in mehrere Schrägbohrungen
80, die in Austrittsöffnungen 81 der Bohrkrone 17 münden. Auf diese Weise gelangt
das für
den Antrieb des Tieflochhammers verwendete Wasser an die
Bohrlochsohle. Das aus den Austrittsöffnungen 81 austretende Wasser wird zum Rückspülen
des abgelösten Bohrgutes außerhalb des Bohrstranges benutzt.
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