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Vorrichtung an Vibratoren
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung an Vibratoren mit einem in einem Arbeitszylinder hin-, und zurück beweglichen, eine Arbeitskolbenstange aufweisenden Arbeitskolben und einem beweglichen Ventilkörper zur Steuerung der Zuführung von Druckflüssigkeit aus einer hydraulischen Druckquelle zum Arbeitszylinder, wobei die vom Unterschied zwischen dem Querschnitt des Arbeitskolbens und der Arbeitskolbenstange bestimmte Oberfläche der mit der Kolbenstange verbundenen Seite des Kolbens während des Betriebes unter dem Einfluss des Flüssigkeitsdruckes der genannten Druckquelle steht, wogegen die der Arbeitskolbenstange abgekehrte Kolbenseite mit der Druckquelle bzw.
mit einem Auslass abwechselnd in Abhängigkeit von der Lage des Ventilkörpers verbunden ist, so dass der Kolben abwechselndin der Arbeitsrichtung gegen den die Kolbenstangenseite beeinflussenden Druck und in der Zurückführungsrichtung nur durch diesen Druck verschoben wird. Ein bekannter hydraulischer Vibrator dieser Art kann mit einer hohen Frequenz, z. B. 4000 - 6000 Hüben per Minute sowie mit einer hohen Leistung arbeiten und besitzt gleichzeitig nur geringe Dimensionen. Der Vibrator ist mit grossem Vorteil beispielsweise zum Antrieb von Gesteinsbohrern anwendbar.
Wenn der Vibrator als Schlagmaschine angewendet wird, ist seine Kolbenfläche, die von der Druckflüssigkeit bei der Bewegung des Kolbens in der Arbeits- oder Schlagrichtung beeinflusst wird, ebenso gross wie die Querschnittsfläche der Kolbenstange. Für mittelgrosse Maschinen beträgt beispielsweise die Querschnittfläche der Kolbenstange zirka 5 cm2, damit die Maschine mit einer geeigneten Flüssigkeitsmenge undeinemgeeignetenDruckarbeiten soll. Eine so geringe Querschnittsfläche würde einem Kolbenstangendurchmesser von zirka 25 mm entsprechen und für Maschinen für höheren Druck und geringere Flüssigkeitsmengen würde dieser Durchmesser noch kleiner werden, was bedeutet, dass die Kolbenstange zu schwach werden würde um grössere Kräfte übertragen zu können.
Eine Vergrösserung des Kolbenstangendurchmessers und damitdes Kolbendurchmessers bei unveränderter wirksamer Oberfläche, ist aber nicht ohne weiters möglich, weil auch die auf die entgegengesetzte Seite wirkende Kraft nicht verändert werden darf.
Die Erfindung vermeidet die angeführten Nachteile und ermöglicht eine Kompensierung der Kolbendurchmesservergrösserung in der Weise, dass der Arbeitskolben auf seiner der Arbeitskolbenstange abge- kehrten Seite einen Verlängerungsteil z. B. in der Form einer Balance-oder Hilfskolbenstange od. dgl. aufweist, der durch die Stirnwand des Arbeitszylinders ragt, wodurch die wirksame, der Druckflüssigkeit ausgesetzte Kolbenfläche auf der den Verlängerungsteil aufweisenden Kolbenseite entsprechend verringert wird, so dass der Durchmesser der die Arbeit übertragenden Kolbenstange vergrössert werden kann, ohne dass man von. der oben. an. gegebenen.
Forderung absieht. So kann die für die Kolbenbewegung in der Arbeitsrichtung wirksame der Druckflüssigkeit ausgesetzte Kolbenfläche etwa ebenso gross sein, wie die Querschnittsfläche der die Arbeit übertragenden Kolbenstange. Durch diese Massnahme können somit der Durchmesser der Arbeitskolbenstange und deren Querschnittsfläche ebenso wie die Kolbenfläche in einem bestimmten Verhältnis zueinander je nach Bedarf beliebig vergrössert werden. Ein besonders grosser Vorteil wird erzielt, wenn der Durchmesser der Hilfskolbenstange etwa ebenso gross oder grösser als der Durchmesser des Ventilkörpers ist. Durch diese Massnahme kann das Ventil und der Kolben als eine Einheit koaxial zueinander in das Vibratorgehäuse eingebaut werden.
Es sind ferner mit Druckflüssigkeit arbeitende Schlagwerkzeuge bekannt, bei denen Kolben und Steuerorgan entweder koaxial oder mit ihren Achsen parallel zueinander angeordnet sind und einen Hilfskolben aufweisen. Bei diesen Schlagwerkzeugen sind die entgegengesetzten Kolbenflächen abwechselnd von der
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Druckflüssigkeit beaufschlagt, während der Zylinderraum der nicht druckbeaufschlagten Kolbenseite mit dem Auslass verbunden ist.
Der Durchmesser des Hilfskolbens der bekannten Vorrichtung kann aber nicht willkürlich verändert werden, ohne auch die Kraftverhältnisse zu verändern, weil die Oberfläche des Hilfskolbens dem gleichen Druck wie der Kolben ausgesetzt wird. Eine Vergrösserung des Durchmessers des Kolbens erhöht folglich die Druckkraft der unter Druck stehenden Kolbenseite und vermindert die Kraft zur Zurückführung des Kolbens. Es ist also bei diesen bekannten Vorrichtungen nicht möglich, eine Veränderung des Arbeitskolben- tangendurchmessers unter Beibehaltung eines unveränderten-Verhältnisses zwischen, den in. entgegengesetzten Richtungen wirkenden Kräften zu erzielen.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand von zwei, in der Zeichnung schematisch im Längsschnitt gezeigten Ausführungsformen näher beschrieben.
In Fig. l bezeichnet 10 einen Zylinder, in dem ein Kolben 11 axial beweglich ist. Der Kolben sitzt auf einer Arbeitskolbenstange 12 od. dgl., die durch die eine Endwandung des Zylinders dicht geführt ist und deren Querschnittsfläche vorzugsweise etwa die Hälfte der Querschnittsfläche des Kolbens 11 beträgt.
Eine Ventilspindel 13 ist in einem Ventilgehäuse 14 axial beweglich gelagert, das mit dem Zylinder 10 zusammengebaut oder mit diesem in einem Stück ausgeführt ist. Vorzugsweise verlaufen die Bewegungsrichtungen des Kolbens und der Ventilspindelparallel zueinander. Die Ventilspindel weist zwei Kämme oder Schiebeventilköpfe 15-16 auf, die in eine Bohrung 17 im Ventilgehäuse passen und in Abhängigkeit von ihrer Lage in diesem die Verbindung zwischen einem Ringraum 18 bzw. 19und einem zum Zylinderraum über den Kolben 11 führenden Kanal 20 öffnen oder schliessen. Eine Leitung 21 von einer Druckflüssigkeitsquelle (Pumpe) steht über eine Abzweigleitung 22 in ständiger offener Verbindung mit dem Raum unterhalb des Kolbens 11 und durch eine zweite Zweigleitung 23 in Verbindung mit dem Ringraum 18.
Vom Ringraum 19 geht eine Abzugsleitung 24oder eine Rückführleitung zur Pumpe..
Die Bewegungen des Kolbens 11 werden auf die Spindel 13 mittels einer von zwei gegeneinander gespannten Federn 25,26 übertragen. In der schematischen Figur ist die Kolbenstange 12 mit einem Mitnehmerarm 27 versehen, der mit Spielraum auf den aus dem Ventilgehäuse herausragenden Teil 28 der Ventilspindel 13 aufgesetzt ist. Die Federn liegen zweckmässig mit Vorspannung mit einem Ende gegen den Arm 27 und mit dem andern gegen den Anschlag 29 bzw. 30 auf der Ventilspindel an. Wenn sich der Kolben 11 nach der einen oder andern Richtung hin bewegt, erfolgt zuerst ein Zusammendrücken der entsprechenden Feder und dann eine Bewegung der Ventilspindel.
Aufderder Arbeitskolbenstange12entgegengesetzten Seite des Kolbens besitzt der Kolben einen Verlängerungsteil in Form einer Balance-oder Hilfskolbenstange 12a, so dass die in der Zeichnung gezeigte, der Druckflüssigkeit beim Arbeitshub ausgesetzte wirksame obere Kolbenfläche verringert und zu dem oben angegebenen Zweck etwa ebenso gross wird wie die Querschnittsfläche der Kolbenstange 12.
Der Vibrator arbeitet in folgender Weise : Auf die Unterseite des Kolbens 11 wirkt stets eine Kraft ein, die gleich dem spezifischen Druck der Flüssigkeit multipliziert mit der ausserhalb der Kolbenstange 12 befindlichen ringförmigen Kolbenfläche ist. Wenn die Ventilspindel 13 sich in einer solchen Lage befindet, dass der Ventilkopf 16 die Verbindung zwischen dem oberen Zylinderraum und dem Abzug 24 offen lässt, während die Druckflüssigkeitszufuhr durch die Leitung 23 vom Ventilkopf 15 gesperrt wird, wird also der Kolben einer aufwärts gerichteten Kraft unterworfen, deren Wert der halben Kolbenfläche multipliziert mit dem spezifischen Flüssigkeitsdruck entspricht.
Wenn die Ventilspindel 13 anderseits sich in einer oberen Lage befindet, in der der Auslass 24 gesperrt ist, während Druci {flüssigkeit über die Ausnehmung 18 dem oberen Kolbenraum zugeführt wird, wird die Oberseite des Kolbens einer Kraft ausgesetzt, die gleich der wirksamen, oberen, um die Hilfskolbenstange 12a befindlichen Kolbenfläche multipliziert mit dem spezifischen Flüssigkeitsdruck ist. Gleichzeitig wirkt jedoch auf die Kolbenunterseite, die unter ständigem Druck der Druckquelle steht, eine aufwärts gerichtete Kraft. Damit der Kolben 11 sich im Gleichgewicht befindet, soll daher der Druck auf die obere Kolbenseite geringer sein als der Druck auf die untere Kolbenseite.
Dies kann in der in Fig. 1 gezeigten neutralen Lage der Ventilspindel 13 erreicht werden, in der die Zufuhr von Druckflüssigkeit durch die Leitung 23 und der Abfluss von Flüssigkeit durch die Leitung 24 gedrosselt sind, so dass der spezifische Flüssigkeitsdruck im Oberteil des Zylinders geringer wird als der im Unterteil des Zylinders. Die beweg-
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neutrale Lage einzunehmen, und auch nach der Beeinflussung durch eine äussere Kraft sind sie bestrebt, die neutrale Lage wieder einzunehmen. Sie werden jedoch am Verbleiben in der neutralen Lage durch die federnde Verbindung zwischen Kolben 11 und Ventilspindel 13 gehindert. Wenn der Kolben unter dem Ein-
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geführt wordenVentilspindel 13 nach oben verschoben wird. Dadurch wird die Zufuhr von Druckflüssigkeit durch die Leitung 23 geöffnet, während der Abzug 24 gesperrt wird.
Der Druck auf die Oberseite des Kolbens 11 überwiegt, und der Kolben wird nach unten geführt. Dies bewirkt wiederum, dass die Feder 26 gespannt wird und ihrerseits die Ventilspindel 13 nach abwärts zieht. Die Druckflüssigkeitszufuhr nach dem oberen Zylinderraum wird unterbrochen und statt dessen die Verbindung mit dem Abzug geöffnet. Die auf den Kolben 11 nach oben gerichteten Kräfte erhalten das Übergewicht, so dass der Kolben sich nach aufwärts bewegt. Alles dies bewirkt, dass eine schnelle hin und her gehende Bewegung des Kolbens 11 und somit der
Ventilspindel entsteht. Die neutrale Lage wird immer durchschritten. Die Frequenz der Bewegung der beiden Organe wird sehr hoch.
Bei Beginn eines neuen Hubes bewegt sich somit der Kolben 11 mit wachsender Geschwindigkeit, wobei er die Ventilspindel 13 in der gleichen Richtung mit sich nimmt ; es ist jedoch zu bemerken, dass die Ventilspindel auf Grund ihrer Masse und der Federverbindung mit dem Kolben sich verzögert, wobei die Feder entsprechend der Beschleunigungskraft für die Bewegung der Ventilspindel gespannt wird.
Wenn die Ventilspindel die neutrale Lage durchschritten hat und in eine solche Lage kommt, dass der Flüssigkeitsdruck auf den Kolben entgegengesetzt wird, wird der Arbeitskolben angehalten und erhält eine entgegengesetzte Bewegungsrichtung, die Ventilspindel bewegt sich jedoch weiter bis das Federsystem in die Nulllage gekommen und ausreichend in der andern Richtung belastet worden ist, um die Ventilspindel bis zum Anhalten verzögern und dann die Bewegung in der andern Richtung einleiten zu können.
Die Frequenz und Amplitude des Vibrators bzw. des Kolbens desselben können durch Änderung derDimensionen der Federn 25,26 geregelt werden. Eine Regelung kann auch innerhalb gewisser Grenzen durch Änderung des Flüssigkeitsdruckes und der Flüssigkeitsmenge erreicht werden. Der Flüssigkeitsdruck kann z. B. 50 - 100 kf/cm2 betragen. Bei einem Ausführungsbeispiel mit 5 - 6000 Hüben per Minute betrug der Druck 70 kg/cm und der Flüssigkeitsverbrauch 120 l per Minute, die Schlagenergie 6, 4 kgm/Hub, die Hublänge 8 mm und die Kolbengeschwindigkeit 6,5 m per Sekunde. Die Erfindung ist jedoch durch diese Zahlen nicht begrenzt.
Die Druckflüssigkeit kann z. B. Öl oder Wasser sein. Beim Bohren von Löchern im Gestein wird den Bohrlöchern Spülwasser zugeführt. Der Bedarf des Vibrators an Antriebsflüssigkeit stimmt etwa mit dem Bedarf an Spülwasser überein. Es ist daher möglich, beim Bohren in grösserer Tiefe, z. B. in einigen hundert Metern, den Vibrator mit Wasser von der Bodenfläche zu betreiben, da die potentielle Energie des Wassers für den Antrieb ausreicht. Die Kolbenstange 12 kann unmittelbar mit dem Bohrer verbunden sein, so dass beide zusammen vibrieren, oder es können auch die Kolbenstange 12 bzw. die mit dieser verbundenen Organe ihre Vibrationsbewegung auf die Bohrerstange übertragen.
Die Erfindung kann auf verschiedenen andern Gebieten, z. B. bei Schacht- und Lademaschinen angewendet werden, wobei der Vibrator mit den Schachtorganen verbunden wird, um deren Einführung in das zu transportierende Material zu erleichtern. Weitere Beispiele für zweckmässige Anwendungsgebiete sind das Losschütteln von Material in Silos und Behältern, der Vorschub von Material in Vorschubrinnen sowie das Entwässern von verschiedenem Material z. B. Verdickung von Pülpe.
Wird die Maschine als Schlagmaschine ausgenutzt, so wird der Anschlag zwischen der Kolbenstange und dem Werkzeug derart abgepasst, dass der Anschlag erfolgt bevor die Kolbenbewegung von einem entgegengesetzten Flüssigkeitsdruck beeinflusst wird. Beim Bremsen des Arbeitskolbens holt die Ventilspindel den Arbeitskolben ein und führt die Umkehrung der Bewegungsrichtung durch.
Wenn durch Anwendung eines Druckminderungsventils od. dgl. der Druck der Flüssigkeit, die der mit der Kolbenstange 12 verbundenen Seite des Kolbens zugeführt wird, beispielsweise niedriger ist als der Flüssigkeitsdruck in der Leitung 23, können dennoch die auf die beiden Seiten des Kolbens wirkenden Kräfte der Flüssigkeit oder der Flüssigkeiten durch entsprechende Wahl des Verhältnisses zwischen dem Aussendurchmesser des Kolbens und der Kolbenstange gleich gross gemacht werden.
Gemäss Fig. 2 bezeichnet 42 den Arbeitskolben, der in einem Zylinder 31 beweglich ist und dessen Teil 43a hohl ist sowie die für die Bewegungsübertragung auf die Schieberventilkörper 36,38 erforderlichen Federn 44,44a enthält, die zu beiden Seiten eines Anschlags 43 im Kolben und einer Scheibe 45 bzw. 45a auf der Ventilspindel 37 eingespannt sind. Der Ventilkörper 36,38 ist koaxial zum Kolben 42 angeordnet und besitzt den gleichen Durchmesser wie die auf der im Verhältnis zum Teil 43a entgegengesetzten Seite des Kolbens angebrachte Hilfskolbenstange 54. Die Verlängerung des Teils 43a bildet die die Arbeit überführende Kolbenstange 12. Die Druckflüssigkeitszufuhrleitung zum Arbeitszylinder 31 auf der einen Seite des Kolbens 12 ist mit 60 bezeichnet.
In der in Fig. 2 gezeigten neutralen Lage oder Mittel-Lage schliesst das Ventilorgan 36 den Einlass 61 und das Ventilorgan 38 hat den Auslass 63 eben geschlossen. Wenn sich die Teile beim Anlassen in dieser
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Lage befinden, müssen sie einen äusseren Impuls erhalten, um aus ihrer Lage gebracht zu werden, z. B. dadurch, dass die Kolbenstange 12 des Arbeitskolbens 42 nach oben verschoben wird, wobei sie mittels der Federn 44, 44a und der Ventilspindel 37 die Ventilkörper 36,38 nach oben mitnimmt. Der Einlass 61 wird vom Ventilorgan jetzt freigelegt, und das Druckmedium wird über den Kana] 65 zur oberen.
Seite des Arbeitskolbens 42 gedrückt, desea wirksame Fläche grösser ist als die untere, dem Flüssigkeitsdruck von der Leitung 60 ständig ausgesetzte, wirksame Fläche der Kolbenseite. Der Arbeitskolben bewegt sich deshalb nach abwärts und nimmt das Ventilsystem 36,38 mit sich, jedoch mit einer gewissen Verzögerung infolge der Elastizität der Federn 44,44a. Wenn das Ventilorgan 36 wieder den Einlass 61 bei der abwärtsgehenden Bewegung schliesst, hört die Zufuhr von Druckmedium zur Oberseite des Arbeitskolbens auf. Nach kur- zer Zeit öffnet der Ventilkörper 38den Auslass 63, so dass der Druck auf die Oberseite des Kolbens entlastet wird und der Kolben 42 die umgekehrte Bewegungsrichtung erhält.
Der Vorgang wiederholt sich nun und der Arbeitskolben mit der Kolbenstange 12 erhält auf diese Weise eine schnelle hin und her gehende vibrierende Bewegung. Im Beharrungszustand bewegen sich der Arbeitskolben und das Ventilsystem als zwei in gewissem Grad frei schwingende Massen, die durch das Federsystem 44, 44a gekuppelt sind, in dem die Federn stets gegen den dazwischenliegenden Anschlag 43 gedrückt werden. Die Federn 44, 44a werden abwechselnd zusammengedrückt, je nachdem ob sich der Kolben nach der einen oder andern Richtung bewegt, und das als Bewegungsübertragungsorgan dienende Federsystem 44, 44a bewirkt, dass das Ventilsstern sich im Beharrungszustand sogar in entgegengesetzter Richtung zum Kolben 42, jedoch im Takt mit diesem bewegt.
Die Hilfskolbenstange 54 in Fig. 2 hat die gleiche Aufgabe wie die Hilfskolbenstange 12a in Fig. l, und die obere wirksame Fläche des Kolbens 42 ist etwa ebenso gross wie die Querschnittsfläche der Kolbenstange 43a, 12, was durch die Hilfskolbenstange 54 erreicht wird. Im übrigen arbeitet die Vorrichtung im wesentlichen in gleicher Weise wie die gemäss Fig. l.
Die Auslässe 62 und 64 können auch mit der Atmosphäre in Verbindung stehen. Weiterhin können die Federn 25,26 bzw. 44, 44a durch eine einzige Feder ersetzt werden, die in die Verbindung zwischen dem Ventilsystem und dem Kolben eingespannt ist und bei der Bewegung des Kolbens in der einen bzw. andern Richtung abwechselnd als Druck- bzw. Zugfeder arbeitet.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Vorrichtung an Vibratoren mit einem in einem Arbeitszylinder hin-und zurück beweglichen, eine Arbeitskolbenstange aufweisenden Arbeitskolben und einem beweglichen Ventilkörper zur Steuerung der Zuführung von Druckflüssigkeit aus einer hydraulischen Druckquelle zum Arbeitszylinder, wobei die-vom Unterschied zwischen dem Querschnitt des Arbeitskolbens und der Arbeitskolbenstange bestimmte Oberfläche der mit der Kolbenstange verbundenen Seite des Kolbens während des Betriebes unter dem Einfluss des Flüssigkeitsdruckes der genannten Druckquelle steht, wogegen die der Arbeitskolbenstange abgekehrte Kolbenseite mit der Druckquelle bzw.
mit einem Auslass abwechselnd in Abhängigkeit von der Lage des Ventilkörpers verbunden ist, so dass der Kolben in der Arbeitsrichtung gegen den die Kolbenstangenseite beeinflussenden Druck und in der Zurückführungsrichtung nur durch diesen Druck verschoben wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitskolben (11) auf seiner der Arbeitskolbenstange (12) abgekehrten Seite einen Verlängerungsteil (12a) z. B. in der Form einer Balance- oder Hilfskolbenstange od. dgl. aufweist, der durch die Stirnwand des Arbeitszylinders (10) ragt.