DE4415281A1 - Fluidbetätigter Schlaghammer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen fluidbetätigten Schlagham­ mer zum Vortreiben von Gegenständen im Erdboden, und insbesondere einen Schlaghammer, mit dem ein Bohrge­ stänge in den Boden hinein vorgetrieben werden kann.

Aus DE-A-25 12 731 und DE-A-24 61 633 sind hydraulische Schlaghämmer bekannt, die einen in einem Arbeitszylin­ der bewegbaren Arbeitskolben aufweisen. Der Arbeitskol­ ben führt einen Arbeitshub aus, an dessen Ende er auf einen mit dem Bohrgestänge verbundenen Amboß schlägt, und anschließend einen Rückhub. Die Arbeitshübe und Rückhübe des Arbeitskolbens werden von einem Steuerkol­ ben gesteuert, der seinerseits in Abhängigkeit der je­ weiligen Stellung des Arbeitskolbens gesteuert wird.

Derartige Schlaghämmer eignen sich für einen wirksamen Vortrieb von Gegenständen in das Erdreich.

Schwierigkeiten ergeben sich häufig, wenn Gegenstände, wie z. B. Bohrrohre wieder aus dem Boden herausgezogen werden sollen. An dem unteren Ende eines Bohrstranges befindet sich einen kegelige Bohrkrone. Beim Zurückzie­ hen des Bohrstranges zieht sich diese Bohrkrone mit einem Dübeleffekt am Bohrloch fest. Üblicherweise wird dann beim Zurückziehen der Schlaghammer betätigt, um das Bohrgestänge in Vibration zu versetzen und das Rohr freizubekommen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen fluid­ betätigten Schlaghammer zu schaffen, der nicht nur in der Lage ist, Gegenstände in das Erdreich hinein wirk­ sam vorzutreiben, sondern auch, das Herausziehen we­ sentlich zu erleichtern.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen.

Der erfindungsgemäße Schlaghammer ermöglicht dieselbe Betriebsart wie übliche Schlaghämmer, wobei der Ar­ beitskolben Schläge auf ein vorne angeordnetes Übertra­ gungselement ausführt. Darüberhinaus ermöglicht der Schlaghammer aber auch eine Betriebsart, bei der der Arbeitskolben bei seinem Rückhub Schläge ausführt, die dann in rückwärtige Richtung gerichtet sind. Die Um­ steuerung zwischen beiden Betriebsarten erfolgt durch eine Steuereinrichtung. Der erfindungsgemäße Schlagham­ mer ist somit gewissermaßen ein Doppelschlaghammer, der zwischen beiden Schlagrichtungen umgeschaltet werden kann. Beim Rückwärtsschlagen werden nicht nur Vibratio­ nen erzeugt sondern nach hinten gerichtete Schläge, wodurch das Freikommen des zurückzuziehenden Gegenstan­ des erleichtert wird. Bei nach hinten gerichteten Schlägen wird entweder die im Arbeitszylinder gebildete Bewegungsbahn im Arbeitskolben verkürzt oder die Rück­ hubbewegung des Arbeitskolbens wird, z. B. durch ver­ zögertes Umschalten, verlängert. Während bei normalem Arbeitsbetrieb der Arbeitskolben auf das vorne angeord­ nete Übertragungselement schlägt und beim Rückhub hy­ draulisch abgebremst wird, übt der Arbeitskolben beim Rückwärtsbetrieb Schläge auf das Hammergehäuse aus, wodurch das Hammergehäuse in rückwärtige Richtung be­ schleunigt wird und den mit ihm verbundenen zurückzu­ ziehenden Gegenstand mitnimmt.

Die Erfindung ist insbesondere beim Bohren mit einem drehenden Bohrgestänge anwendbar, eignet sich aber auch zum Vortreiben und Zurückziehen anderer Gegenstände, z. B. Spundbohlen. Der Schlaghammer ist vorzugsweise am rückwärtigen Ende des Bohrrohrs als Außenhammer ange­ ordnet, jedoch kann er auch als Tieflochhammer ausgebil­ det sein, der im Zuge eines Bohrstranges nahe der Bohr­ krone angeordnet ist.

Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnun­ gen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine er­ ste Ausführungsform des Schlaghammers,

Fig. 2 eine abgewandelte Ausführungsform der am rück­ wärtigen Ende des Hammergehäuses angeordneten Steuereinrichtung und

Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine dritte Ausfüh­ rungsform des Schlaghammers.

Der in Fig. 1 dargestellte Bohrhammer weist ein Hammer­ gehäuse 20 auf, in dem ein Arbeitszylinder 21 enthalten ist. In dem Arbeitszylinder 21 ist der Arbeitskolben 22 geführt. Das vordere Ende des Arbeitskolbens 22 schlägt auf ein Übertragungselement 23, das in dem Hammergehäu­ se 20 in Grenzen längsverschiebbar geführt ist. Das Übertragungselement 23 ist das Einsteckende eines Bohr­ gestänges, wobei die Rohre des Bohrgestänges an einem Gewinde 24 befestigt werden.

Mit "vorne" ist jeweils diejenige Richtung bezeichnet, die zum Bohrgestänge hinweist und mit "hinten" die ent­ gegengesetzte Richtung.

Der Arbeitskolben 22 weist eine nach vorne gerichtete ringförmige Arbeitsfläche 25 auf, die den vorderen Zy­ linderraum 26 begrenzt. Dieser Zylinderraum 26 ist über eine Leitung 27 ständig mit einer Druckleitung P ver­ bunden. Die Arbeitsfläche 25 begrenzt einen verdickten Abschnitt 28 des Arbeitskolbens. Die andere Begrenzung des Abschnitts 28 wird von einer Arbeitsfläche 29 ge­ bildet, an die sich ein dünnerer Abschnitt 30 an­ schließt. Hinter dem dünneren Abschnitt 30 folgt wieder ein dickerer Abschnitt 31, dessen rückwärtiges Ende von einer Arbeitsfläche 32 gebildet wird. Die Arbeitsfläche 32 begrenzt den rückwärtigen Zylinderraum 33 des Ar­ beitszylinders 21. Die Arbeitsfläche 32 ist größer als die Arbeitsfläche 25.

Von der Arbeitsfläche 25 steht ein Schaft 22a des Ar­ beitskolbens nach vorne ab und von der Arbeitsfläche 32 steht ein Schaft 22b nach hinten ab.

Die Arbeitsfläche 25 bewegt sich entlang einer Steuer­ nut 34 im vorderen Zylinderraum 26. Die Arbeitsfläche 29 bewegt sich entlang einer Steuernut 35. Im Bereich des dünneren Abschnitts 30 des Arbeitskolbens mündet eine mit der Rücklaufleitung R verbundene Leitung 36 in den Arbeitszylinder 21. Die Steuernuten 34 und 35 sind an eine Steuerleitung 37 angeschlossen. Der rückwärtige Zylinderraum 33 des Arbeitszylinders ist an eine Be­ triebsleitung 38 angeschlossen.

Die Steuerung des Arbeitskolbens 22 erfolgt durch den Steuerkolben 41, der in dem Steuerzylinder 40 bewegbar ist. Der Steuerkolben 41 ist als hohle Hülse ausgebil­ det. Da der Steuerzylinder 40 mit der Druckleitung 27 verbunden ist, herrscht im Innern des Steuerkolbens 41 stets der volle hydraulische Druck. Der Steuerkolben 41 weist an einem Ende eine erste Arbeitsfläche A1 auf, die ständig dem Druck ausgesetzt ist und radiale Rillen aufweist, so daß der Druck an ihr angreifen kann. Am entgegengesetzten Ende des Arbeitskolbens befindet sich eine zweite Arbeitsfläche A2, die kleiner ist als die Arbeitsfläche A1. Der Steuerkolben ist mit einem Ring­ kragen 42 versehen, der an einem Ende durch eine Steu­ erfläche A3 und am entgegengesetzten Ende durch eine stets drucklose Fläche A4 begrenzt ist, die mit der Rücklaufleitung R verbunden ist. Die Steuerfläche A3 ist dem Druck der Steuerleitung 37 ausgesetzt. Der Steuerkolben 41 ist ferner mit einer Ringnut 43 verse­ hen, die in jeder Stellung des Arbeitskolbens mit der Rücklaufleitung R in Verbindung steht. Die Druckleitung 27 ist an einen Druckgasspeicher 44, der als Puffer zur Glättung der hydraulischen Druckstöße wirkt, ange­ schlossen.

Das bisher beschriebene Schlaggerät arbeitet wie folgt:
In dem in Fig. 1 dargestellten Zustand ist die Be­ triebsleitung 38 über das Innere des Steuerkolbens 41 mit der Druckleitung 27 verbunden, so daß auf die Ar­ beitsfläche 32 der volle Druck wirkt. Da die Arbeits­ fläche 32 größer ist als die Arbeitsfläche 25, auf die ebenfalls der volle Druck wirkt, führt der Arbeitskol­ ben 22 seinen nach vorne gerichteten Arbeitshub aus, an dessen Ende er auf das Übertragungselement 23 schlägt. Sobald die Steuerfläche 25 die Steuernut 34 passiert hat, wird die Steuerleitung 37 von der Druckleitung 27 abgetrennt. Wenn die Steuerfläche 29 die Steuernut 35 passiert hat, wird die Steuerleitung 37 über die Nut 35 mit der Leitung 36 verbunden und dadurch drucklos. So­ mit wirkt auf die Steuerfläche A3 des Steuerkolbens 41 kein Druck mehr. Der Steuerkolben wird gemäß Fig. 1 nach oben bewegt, weil die Kraft, die auf die Arbeits­ fläche A1 ausgeübt wird, die Kraft übersteigt, die von dem selben Druck auf die Arbeitsfläche A2 ausgeübt wird. Wenn der Steuerkolben seine obere Endstellung erreicht hat, wird die Betriebsleitung 38 von dem Lie­ ferdruck getrennt und über die Ringnut 43 mit der Rück­ laufleitung R verbunden. Dadurch wird der Rückhub des Arbeitskolbens 22 bewirkt. Sobald beim Rückhub die Nut 35 von dem verdickten Kolbenteil 28 abgesperrt ist und die Nut 34 von der Arbeitsfläche 25 freigegeben wird, entsteht in der Steuerleitung 37 der volle Druck, der auf die Steuerfläche A3 wirkt und den Steuerkolben in die untere Endstellung treibt. Die Summe der Steuerflä­ chen A2 und A3 ist größer als die Steuerfläche A1.

Es sei angenommen, daß das Hammergehäuse 20 zum Vor­ treiben des Bohrstranges nach vorne gedrückt wird. Der Bohrstrang stützt sich an der Bohrlochsohle ab, so daß das Übertragungselement 23 in das Hammergehäuse 20 hin­ eingedrückt wird. Diese axiale Bewegung des Übertra­ gungselements 23 wird durch Keilnuten 45 begrenzt, die in einer Ausnehmung 46 des Hammergehäuses 20 in Grenzen bewegbar sind. Bei Vorschub des Hammergehäuses 20 be­ findet sich das Übertragungselement 23 in seiner rück­ wärtigen Endstellung, in der der Schaft 22a des Ar­ beitskolbens Schläge auf das als Amboß wirkende Über­ tragungselement 23 ausübt. Bei jedem Schlag kann sich das Übertragungselement 23 innerhalb des von dem Hohl­ raum 46 gebildeten Freiraumes axial bewegen. Wird das Hammergehäuse 20 dagegen zurückgezogen, so nimmt das Übertragungselement 23 innerhalb des Hohlraums 46 seine vordere Endstellung ein. Hierbei wird das Übertragungs­ element von dem Schaft 22a des Arbeitskolbens nicht mehr erreicht. Die Vorwärtsbewegung des Arbeitskolbens wird vielmehr durch Dämpfung des in dem vorderen Zylin­ derraum 26 enthaltenen Hydraulikmediums abgebremst.

Der rückwärtige Schaft 22b des Arbeitskolbens ragt in einen Hohlraum 50 des Hammergehäuses 20 hinein. Von der entgegengesetzten Seite, also von hinten, ragt in den Hohlraum 50 ein Anschlagteil 51, das mit einem Kolben 52 versehen ist, welcher sich in einem Zylinder 53 be­ wegt. Der Kolben 52 und der Zylinder 53 bilden eine Steuereinrichtung 54 zur Veränderung der Weglänge des Arbeitskolbens 22 in den Arbeitszylinder 21. Die vor­ dere und die rückwärtige Zylinderkammer des Zylinders 53 sind jeweils über eine Leitung 55 bzw. 56 mit einem Steuerventil 57 verbunden, das diese Leitungen mit Drücken zur Steuerung des Kolbens 52 beaufschlagt. Wenn die Leitung 56 mit Druck beaufschlagt ist und die Lei­ tung 55 drucklos ist, wird der Kolben 52 in seine vor­ dere Endstellung getrieben, in der er das Anschlagteil 51 vorschiebt. Bei dem Rückhub des Arbeitskolbens 22 schlägt dieser dann gegen das Anschlagteil 51. Der Schlag wird über das in dem rückwärtigen Teil des Zy­ linders 53 eingeschlossene Hydraulikmedium auf das Ham­ mergehäuse 20 übertragen, das dadurch einen Schlag in rückwärtiger Richtung erhält. Ist der Kolben 52 dagegen in seiner rückwärtigen Endstellung, so erfolgt die Um­ steuerung des Arbeitskolbens 22 so früh, daß der Ar­ beitskolben das Anschlagteil 51 nicht erreicht und so­ mit keinen Schlag auf das Anschlagteil ausübt.

Wenn das Bohrgestänge vorgetrieben werden soll, befin­ det sich der Kolben 52 in seiner rückwärtigen Endstel­ lung und das Übertragungselement 23 befindet sich eben­ falls in seiner rückwärtigen Endstellung. Der Arbeits­ kolben 22 übt bei seinem Arbeitshub Schläge auf das Übertragungselement 23 aus. Beim Rückhub erreicht er das Anschlagteil 51 nicht.

Wenn das Bohrgestänge zurückgezogen werden soll, wird das Hammergehäuse 20 zurückgezogen, wodurch das Über­ tragungselement 23 im Hammergehäuse seine vordere End­ stellung einnimmt und beim Arbeitshub vom Arbeitskolben 22 nicht mehr erreicht wird. Der Kolben 52 nimmt seine vordere Endstellung ein, so daß das Anschlagteil 51 in den Arbeitszylinder hinein vorgeschoben ist. Der Ar­ beitskolben übt nun bei seinem Rückhub Schläge auf das Anschlagteil 51 und somit auf das Hammergehäuse 20 aus.

Das Steuerventil 57 ist zweckmäßigerweise in Abhängig­ keit von der Bewegungsrichtung des Hammergehäuses 20 betätigt, wobei es das Vorschieben des Anschlagteils 51 automatisch dann bewirkt, wenn das Hammergehäuse 20 zurückgezogen wird und das Zurückziehen des Anschlag­ teils 51 bewirkt, wenn das Hammergehäuse 20 vorge­ drückt wird.

Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 2 weist die Steu­ ereinrichtung 54a ein Anschlagteil 58 in Form eines Keilstücks auf, das quer zum Arbeitszylinder 21 beweg­ bar ist und eine Anschlagfläche für den Schaft 22b des Arbeitskolbens bildet. Das Anschlagteil 58 ist an einer Schrägfläche 59 geführt und es wird von einer seitlich angreifenden Kolbenzylindereinheit 60 quer zum Arbeits­ zylinder bewegt. Dabei verändert sich die axiale Lage der Anschlagfläche 58a. Die Kolbenzylindereinheit 60 ist so gesteuert, daß sie das Anschlagteil 58 nicht nur in dessen Endlagen festhalten kann, sondern auch in jeder Zwischenlage. Somit ist es möglich, die Position der Anschlagfläche 58a stufenlos einzustellen. Dadurch kann die Schlagenergie variiert werden, mit der der Arbeitskolben gegen das Anschlagteil 58 schlägt. Die Kolbenzylindereinheit 60 wird durch ein externes Steu­ erventil gesteuert.

Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 3 besteht die Steuereinrichtung aus einem Ventil, das zwischen der Steuerleitung 37 und der Steuernut 34 angeordnet ist und das in einem Leitungsabschnitt 37a einen Schieber 62 enthält, mit dem der Leitungsabschnitt 37a abge­ sperrt werden kann, so daß die Steuernut 34 wirkungslos wird. Die Funktion der Steuernut 34 übernimmt eine Steuernut 34a, die hinter der Steuernut 34 angeordnet und ständig mit der Steuerleitung 37 verbunden ist. Bei Vorschubbetrieb der Bohrvorrichtung wird die Beendigung des Rückhubes des Arbeitskolbens dann eingeleitet, wenn die Steuerfläche 25 die Steuernut 34 passiert. Der Ar­ beitskolben führt dann noch den Rest seines Rückhubes aus, ohne daß der Schaft 22b das rückwärtige Ende des Hohlraumes erreicht. Beim Zurückziehen des Hammergehäu­ ses wird jedoch die Leitung 37a versperrt. Die Umsteue­ rung erfolgt jetzt nicht mehr durch die Steuernut 34 sondern durch die zurückliegende Steuernut 34a, wodurch die Umschaltung von Rückhub auf Vorschub verzögert wird. Hierdurch wird erreicht, daß der Schaft 22b gegen das Ende des Hohlraums 25 schlägt, so daß der Arbeits­ kolben beim Rückhub einen Schlag auf das Hammergehäuse 20 ausübt.

Der Schieber 62 der Steuereinrichtung 54b kann hydrau­ lisch oder pneumatisch betätigt werden, es ist jedoch auch möglich, ihn elektromagnetisch oder manuell zu betätigen.

Claims (7)

1. Fluidbetätigter Schlaghammer zum Vortreiben von Gegenständen im Erdboden mit
einem Hammergehäuse (20), das einen Arbeitszy­ linder (21) enthält, in dem ein Arbeitskolben (22) bewegbar ist,
einer Steuereinrichtung (40, 41) zum Einleiten von Druckfluid in den Arbeitszylinder (21) der­ art, daß der Arbeitskolben (22) abwechselnd vorwärts gerichtete Arbeitshübe und Rückhübe ausführt,
wobei der Arbeitskolben (22) beim Arbeitshub gegen ein Übertragungselement (23) schlägt, welches die Schläge auf den vorzutreibenden Gegenstand überträgt dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuereinrichtung (54; 54a; 54b) vorgesehen ist, die im betätigten Zustand bewirkt, daß der Arbeitskolben (22) bei seinem Rückhub gegen einen rückwärtigen Anschlag des Hammergehäuses schlägt.

2. Schlaghammer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß das Übertragungselement (23) in Schlag­ richtung verschiebbar an dem Hammergehäuse (20) geführt ist und beim Zurückziehen des Hammergehäu­ ses vorn bleibt und von dem Arbeitskolben (22) nicht erreicht wird.

3. Schlaghammer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (54; 54a) ein Anschlagteil (51; 58) aufweist, das am rückwär­ tigen Ende des Arbeitszylinders (21) angeordnet und in Längsrichtung des Arbeitszylinders ver­ stellbar ist, um die Bewegungslänge innerhalb des Arbeitszylinders zu verändern.

4. Schlaghammer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß das Anschlagteil (51) einen hydraulisch am Hammergehäuse (20) abgestützten Kolben (52) oder Zylinder aufweist.

5. Schlaghammer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß das Anschlagteil (58) einen quer zu dem Arbeitszylinder (21) bewegbaren Keil aufweist.

6. Schlaghammer nach einem der Ansprüche 1 bis 5 da­ durch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (54b) ein Absperrorgan (62) aufweist, das in betä­ tigtem Zustand die Umsteuerung des Arbeitskolbens (22) von Rückhub auf Arbeitshub verzögert.

7. Schlaghammer nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigung der Steuereinrichtung (54; 54a; 54b) mit der Bewegungs­ richtung des Hammergehäuses (20) gekoppelt ist derart, daß nur bei einer Rückwärtsbewegung des Hammergehäuses (20) Rückhubschläge ausgeführt wer­ den.