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Diese Erfindung betrifft einen hydraulischen Schlagantrieb der Art wie in dem Oberbegriff von
Ansprach 1 definiert. Insbesondere betrifft sie eine Loch-Gesteinsbohrmaschine.
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Eine Loch-Gesteinsbohrmaschine dieser Art ist aus dem Patent US-A-5,107,944 dieses
Anmelders bekannt. Bei der dort beschriebenen Maschine ist das Ventil ein Spulen-Ventil mit
zwei Steuerflächen, um das Ventil zwischen seinen beiden stabilen Stellungen hin- und
herzuschalten. Eine der wird während des Bohrvorgangs ständig unter Druck gesetzt
und die andere wird durch einen Steuerdurchlaß, der Öffnungen zur Oberfläche des
Kolbenhammers besitzt, der sich in Gleitkontakt mit dem Zylinder befindet, unter Druck gesetzt und
drucklos gemacht. Die Gleitfläche des Kolbenhammers weist eine Steuerrille auf, die in axialer
Richtung lang ist, so dass die Führungsfläche des Kolbenhammers lang ist. Eine lange
Führungsfläche ist nachteilig für die erwartete Lebensdauer. Ferner wird durch das Leck der
beiden Zylinderkammern für den Antrieb des Kolbenhammers der Leistungsgrad gemindert.
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Diese Erfindung hat zur Aufgabe, einen Kolbenhammer mit kürzeren Führungsflächen zu
schaffen, dadurch die erwartete Lebensdauer des Kolbenhammers und seiner Führungsflächen
und den Leistungsgrad zu erhöhen. Zu diesem Zweck weist die Erfindung die Merkmale auf,
wie sie in den Ansprüchen definiert sind.
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Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, die eine Ausführungsform
der Erfindung zeigen, beschrieben.
Die Fig. 1 und 2 zeigen in Seitenansicht eine erfindungsgemäße
Loch-Gesteinsbohrmaschine; Fig. 1 zeigt den hinteren Teil der Maschine und Fig. 2 zeigt den vorderen Teil,
wobei ein Zwischenstück der Maschine nicht dargestellt, ist.
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Die in den Figuren dargestellte Loch-Gesteinsbohrmaschine hat ein Gehäuse, dessen Hauptteil
ein zylindrisches Rohr 12 ist, das einen inneren Absatz 13 sowie an jedem Ende ein
Innengewinde aufweist.
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Ein Bohrmeißel 14 wird in dem Gehäuse mittels einer Bohrhülse 15, die in das Rohr
12 eingeschraubt wird. Die Bohrhülse 15 befindet sich mit dem Bohrmeißel in Keilverbindung.
Der Bohrmeißel 14 wird in dem Gehäuse durch die Bohrhülse 15 und eine Führungsmuffe 16
geführt, und ein Anschlagring 17 verhindert, dass der Bohrmeißel herausfällt. Der Bohrmeißel
14 ist daher auf einem begrenzten Weg in dem Gehäuse axial verschiebbar und kann sich nicht
gegenüber dem Gehäuse drehen. In herkömmlicher Weise weist der Bohrmeißel 14 einen
axialen Spülfluid-Durchlaß auf der an dessen Vorderseite in Spülfluid-Ausstoßlöchern endet.
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Eine Führungsmuffe 18 kommt an dem Absatz 13 in Anlage, und eine Abstandshülse 19
kommt an der Führungsmuffe 18 in Anlage. Ein Ventilgehäuse 20 mit einem rückwärtigen
Kopf 38 kommt an der Abstandshülse 19 in Anlage, und eine rohrförmige Filterhalterung 21
mit einem Filter 21a kommt an dem rückwärtigen Kopf 38 des Ventilgehäuses 20 in Anlage.
Ein rückwärtiger Kopf 22 des Maschinengehäuses wird in das hintere Ende des Rohrs 12
eingeschraubt und ist so angeordnet, daß er die Teile 18, 19, 20,38, 21 gegen den Absatz 13
klemmt. Diese Teile 18, 19, 20, 38, 21 wirken zusammen als Feder, und ihre Gesamtlänge ist
dergestalt, daß sie zusammengedrückt werden, wenn der rückwärtige Kopf 22 eingeschraubt
ist. Vorzugsweise beträgt die axiale Druckverkürzung insgesamt 0,4-2 mm. Die
Abstandshülse 19 trägt auf Grund ihrer dominierenden Länge und ihres vergleichsweise schmalen
Stahlbereichs im Querschnitt am meisten zu dieser Druckverkürzung bei. Sie ist geeignet, um
mindestens 0,3 und vorzugsweise um 0,8-3 Tausendstel ihrer Länge zusammengedrückt zu werden.
Die Filterhalterung 21 kann etwa den gleichen Querschnittbereich wie die Abstandshülse 19
aufweisen, aber sie ist kürzer, und ihr Beitrag zu der Federwirkung ist daher geringer. Der
rückwärtige Kopf 38 des Ventilgehäuses 20 wird auf diese Weise gegen den Hauptteil des
Ventilgehäuses 20 geklemmt. Der rückwärtige Kopf 22 des Maschinengehäuses ist so
angeordnet, dass er an eine herkömmliche Bohrer-Rohrleitung angeschraubt wird, die die
Drehbewegung an die Bohrmaschine überträgt und auch Hydraulikantriebsfluid in Form von
Druckwasser zur Bohrmaschine transportiert. Auf diese Weise wird der ringförmige Zwischenraum
58 an der Rückseite des Ventilgehäuses 20 kontinuierlich mit gefiltertem, unter Druck
stehenden Wasser gefüllt. Beim Zusammenbauen der Maschine werden alle Teile 18, 19, 20, 38, 21
locker aufeinandergesetzt, wodurch das zusammenhauen vereinfacht wird und der Bedarf an
axialen Toleranzen verringert wird. Die zusätzliche Toleranz wird durch das axiale, federnde
Zusammendrücken aufgenommen. Alle Teile gleiten leicht in dem Maschinengehäuse und
können daher ggf bei einem Auseinandernehmen der Maschine leicht entfernt werden.
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Ein Rohr 23
ist Teil Ventilgehäuses 20. Ein Kolbenhammer 24 mit einem durchgehenden
Kanal 25 wird an seinem vorderen Ende in der Führungsmuffe 18 geführt. Das hintere Ende 27
des Kolbenhammers 24 ragt in eine ringförmige Zylinderkammer 26 (Antriebskammer), die in
dem Ventilgehäuse 20 zwischen dem hülsenartigen vorderen Abschnitt 35 des Ventilgehäuses
und dem Rohr 23 des Ventilgehäuse gebildet ist. Auf diese Weise wird das hintere Ende des
Kolbenhammers 24 von den Wänden der Zylinderkammer 26, d. h. von dem Ventilgehäuse 20
geführt. Das hintere Ende 27 des Kolbenhammers 24 hat eine Rille 28 mit einer hinteren
Stirnwand 29, so daß der Kolbenhammer 24 eine bestimmte äußere Führungsfläche 30 hinter der
hinteren Stirnwand 29 aufweist. Der Kolbenhammer 24 weist auch eine innere Führungsfläche
31 von bestimmter Länge auf Zweckmäßigerweise könnte die äußere und die innere
Führungsfläche 30, 31 ungefähr die gleiche Länge haben. Die tatsächliche Länge der
Führungsflächen wird durch die Führungsflächen 18 (am vorderen Ende des Kolbenhammers) und 30, 31
(am hinteren Ende des Kolbenhammers) bestimmt, und sie nimmt nur einen geringen Teil der
Länge des Kolbenhammers 24 ein. Die tatsächliche Führungslänge beträgt weniger als 20%
der Länge des Kolbenhammers. Der größere Teil 32 des Kolbenhammers 24 befindet sich
zwischen diesen Führungsflächen und befindet sich weit von der Abstandshülse 19 des
Maschinengehäuses 12 entfernt. Um einen möglichst schweren Kolbenhammer verwenden 24 im Vergleich zu dessen
kann zweckmäßigerweise der größere Teil 32 des Kolbenhammers 24 im Vergleich zu dessen
geführten Endabschnitten in radialer Richtung verbreitert werden.
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Die Führungsfläche 33 des Kolbenhammers, die an der Führungsmuffe 18 gleitet, hat einen
kleineren Durchmesser als die Führungsfläche 30, die an dem Ventilgehäuse 20 gleitet, so daß
der Kolbenhammer in der vorderen Antriebskammer 34, die axial zwischen der Führungsmuffe
18 und dem Ventilgehäuse 20 gebildet ist, einen abgestuften Kolbenbereich aufweist. Wenn die
Rille 28 und die vordere Führungsfläche 33 den gleichen Durchmesser haben, dann wird dieser
abgestufte Bereich von dem Bereich 36, d. h. von dem Bereich der hinteren Stirnwand 29 der
Rille 28, dargestellt. Dieser abgestufte Bereich ist kleiner als der ringförmige Kolbenbereich 37
in der hinteren Zylinderkammer 26.
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Das Ventilgehäuse 20 enthält ein Spulen-Ventil 40 mit drei Steuerflächen A1, A2, A3, die sich
in drei ringförmigen Steuerkammern 45, 46, 47 befinden. Der Wirkbereich der Fläche A3 ist
ein abgestufter Bereich, da der Durchmesser der Gleitfläche des Ventils 40, die sich bei der
Fläche A1 befindet, größer ist als der Durchmesser der Gleitfläche, die sich bei der Fläche A2
befindet. Das Verhältnis zwischen diesen Bereichen ist A3 < A1 < A2 + A3. Der Bereich A2 ist
größer als der Bereich A3, und zweckmäßigerweise können A1 und A2 gleich groß oder
ungefähr gleich groß sein und ungefähr doppelt so groß wie A3.
Es ist eine weitere ringförmige Kammer 48 vorhanden und sie ist zu der ringförmigen Kammer
47 hin offen, wenn das Ventil 40 sich in seiner dargestellten Stellung befindet. Wenn sich das
Ventil 40 in seiner anderen Stellung befindet, trennt ein Absatz 49 im Ventilgehäuse die
Kammern 47 und 48. Das Ventil 40 weist eine Reihe großer Löcher 50 und zwei kleine Löcher 51
auf.
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Eine Steuerleitung 52 verläuft zwischen der ringförmigen Kammer 46 und der hinteren
Zylinderkammer 26 und weist eine Steueröffnung 53 auf, die in die hintere Zylinderkammer 26
führt. Eine weitere Steuerleitung 54 verläuft zwischen der ringförmigen Kammer 45 und der
hinteren Antriebskammer 26 und weist Steueröffnungen 55 und 56 auf, die in die
Antriebskammern 26 bzw. 34 führet Einzahl paralleler Kanäle 57 führen in axialer Richtung durch
das Ventilgehäuse 20 und verbinden die vordere Antriebskammer 34 mit dem kontinuierlich
unter Druck gehaltenen Zwischenraum 58 an der Rückseite des Ventilgehäuses 20. Eine
Anzahl Kanäle 59 verbinden eine Reihe von Öffnungen 60, die in die hintere Zylinderkammer 26
fuhren, mit einer Reis von Öffnungen 61, die in die ringförmige Kammer 48 fuhren. Eine
Anzahl Kanäle verbinden eine Reihe von Öffnungen 62, die in die ringförmige Kammer 47 führen,
mit dem kontinuierlich unter Druck gehaltenen Zwischenraum 58 an der Rückseite des
Ventilgehäuses 20.
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Es wird nun ein Betriebszyklus der Maschine beschrieben.
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Angenommen, das Ventil 40 befindet sich in seiner dargestellten Stellung und der
Kolbenhammer 24 hat gerade seinen Arbeitshub nach vorne begonnen, um auf den Bohrmeißel 14 zu
schlagen. (Der Kolbenhammer 24 ist in seiner Aufschlagstellung dargestellt) Das Ventil 40
verbindet durch die Öffnungen 62, 61 und 60 die hintere Zylinderkammer 26 mit der Kammer
58, die kontinuierlich unter Druck steht. Die Steuerfläche A1 des Ventils steht während des
gesamten Arbeitshubs des Kolbenhammers 24 unter Druck, da zuerst die Steueröffnung 56 der
Steuerleitung 54 zu der kontinuierlich unter Druck gehaltenen vorderen Antriebskammer 34
geöffnet ist und dann, kurz nachdem die Öffnung 56 geschlossen wird, statt dessen die
Steuer
öffnung 55 der Steuerleitung 54 zu der unter Druck stehenden hinteren Antriebskammer 26
geöffnet wird. Wie dargestellt, kann die Länge der Führungsfläche 30 des Kolbenhammers
dergestalt sein, dass beide Öffnungen 56 und 55 während eines kurzen Zeitraums geschlossen
sind, wobei dieser aber so kurz ist, daß es den Druck in der Steuerleitung 54 nicht
beeinträchtigt. So lange die Steueröffnung 53 der Steuerleitung 52 geschlossen ist, bleibt das Ventil 40
daher stabil in seiner dargestellten vorderen Stellung, da der Bereich A1 dem Bereich A3
überdeckt. Das Leck der ringförmigen Kammer 46 verhindert einen Druckaufbau in der
ringförmigen Kammer 46.
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Wenn der Kolbenhammer 24 bei seinen Arbeitshub die Steueröffnung 53 der Steuerleitung 52
öffnet, direkt nachdem er die Steueröffnung 55 der Steuerleitung 54 geöffnet hat, stehen die
Steuerleitung 52 und die ringförmige Kammer 46 unter Druck, und da der Bereich A2, der
dann unter Druck gesetzt wird, gleich groß ist wie der Bereich A1, der bereits unter Druck
steht, bilden diese Bereiche einen Ausgleich untereinander und der Bereich A3 drückt das
Ventil in seine hintere Stellung zurück, die nicht dargestellt ist. Die Löcher 51 im Ventil 40
sind dann zur ringförmigen Kammer 46 geöffnet, aber sie sind so klein, daß sie nicht
verhindern, daß die ringförmige Kammer 46 unter Druck gesetzt wird. Das Leck durch die Löcher 51
ist so gering, daß es den Leistungsgrad insgesamt nicht merklich beeinträchtigt. Das Ventil 40
wird durch seine Nase 65, die eine Dämpfungskammer abschneidet, gedämpft, so daß das
Ventil eine Verzögerung erfährt, bevor es seine nicht dargestellte hintere Stellung erreicht, und
daher keine Tendenz zeigt, zurückzuspringen. Die ringförmige Kammer 48 ist von der
ringförmigen Kammer 47 abgeschnitten und statt dessen mit dem Ventilinneren durch die Löcher
50 in dem Ventil verbunden. Durch das Rohr 23 ist das Ventilinnere kontinuierlich zu dem
Kanal 25 im Kolbenhammer geöffnet, und der Kanal 25 ist immer zu dem Spülfluid-Durchlaß
in dem Bohrmeißel 14 geöffnet. Die hintere Antriebskammer 26 wird daher in dem Augenblick
außer Druck gesetzt, in dem der Kolbenhammer 24 seine Aufschlagstellung erreicht, und die
kontinuierlich unter Druck gehaltene vordere Antriebskammer 34 beginnt, den Kolbenhammer
rückwärts in seinen Rückhub zu treiben.
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Die axialen Stellungen der Steueröffnungsgemäß und 5 zueinander können variiert werden, und
die Steueröffnung 53 muß sich nicht axial vor der Öffnung 55 befinden.
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Das Wasser, das während des Rückhubs des Kolbenhammers 24 aus der hinteren
Antriebskammer 26 fließt, wird dadurch als Spülfluid verwendet, um die Abfälle aus dem Bohrloch zu
spülen.
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Wenn die hinter Antriebskammer 26 außer Druck gesetzt wird, werden die Steuerflächen A1
und A2 beide außer Druck gesetzt, da sowohl die Öffnung 55 der Steuerleitung 52 als auch die
Steueröffnung 53 der Steuerleitung 52 zu der hinteren Antriebskammer 26 hin offen sind.
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Bei seinem Rückhub schließt der Kolbenhammer 24 die Öffnungen 55 und 53. Die ringförmige
Kammer 46 wird jedoch ohne Druck bleiben, und zwar nun durch die kleinen Löcher 51 des
Ventils. Sodann öffnet der Kolbenhammer 24 die Öffnung 56 der Steuerleitung 54, so daß die
Steuerleitung 54 und die ringförmige Kammer 45 von der vorderen Antriebskammer 34 unter
Druck gesetzt wird und die Fläche A1 unter Druck gesetzt wird. Da die Fläche A2 nicht unter
Druck gesetzt ist, drückt die Fläche A1 das Ventil in seine vordere Stellung, in der es
dargestellt ist. Während des letzten Teils der Vorwärtsbewegung des Ventils 40 werden die beiden
kleinen Löcher 51 im Ventil von der ringförmigen Kammer 46 abgeschnitten, und das in der
Kammer 46 und der Steuerleitung 52 eingeschlossene Wasser dämpft das Ventil, bevor das
Ventil seine Endstellung erreicht, da gegen die Steuerfläche A2 ein Druck aufgebaut wird.
Dieer Druck kann nicht so hoch sein, daß er die stabile Lage des Ventils in seiner vorderen
Stellung gefährdet, da die Reihe großer Löcher 50 in dem Ventil zu der ringförmigen Kammer 46
geschlossen ist. Das Leck durch die Löcher 50 zusammen mit dem Leck hinter dem Ende des
Ventils 40 ist vergleichsweise groß, und ist größer als das Leck in die geschlossene Öffnung
53. Das Ventil setzt nun die hintere Antriebskammer 26 über die Öffnung 62, 61, 60 und die
Kanäle 59 zwischen den Öffnungen 61 und 60, so daß der Kolbenhammer abgebremst wird,
die Richtung wechselt und in seinem Arbeitshub beschleunigt wird, wie oben beschrieben, und
der Zyklus sich wiederholt.