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Die Erfindung betrifft eine Schlag- oder Stossvorrichtung mit einem wechselweise an Kopf- und
Bodenfläche durch Druckmittel beaufschlagbaren Arbeitskolben, der sich in einem Zylinder hin-und herbewegt, wobei der Zylinder für den Zu-und Abfluss des Druckmittels und der Kolben an seiner Mantelfläche axiale
Kanäle zur Weiterführung des Druckmittels aufweisen.
Bei derartigen Vorrichtungen sollen die Werkzeuge oft auch in Rotation versetzt werden, z. B. in
Gesteinsbohrmaschinen, damit die Schneiden der Bohrkrone das Gestein zwischen jedem Schlag in einer neuen
Stellung angreifen. Besonders zweckmässig ist die Erfindung für solche Zwecke, doch ist sie nicht nur hierauf beschränkt. Sie kann auch für Werkzeuge, die schlagende oder vibrierende Bewegungen ohne Rotation ausführen sollen, angewendet werden, z. B. für einen Meissel eines Brechgerätes für hartgefrorene Erde oder für den
Schlagdeckel eines Spunt- oder Pfahlrammaggregats.
Die Erfindung kann auch in einer Einrichtung ohne besonderes Werkzeug, z. B. durch Benutzung der in dem Zylinder selbst entstehenden Vibration, verwendet werden.
Durch Ausbildung des Arbeitskolbens mit grosser Masse im Verhältnis zum Zylinder kann der Kolben frei arbeiten, und es können die Vibrationen im Zylinder ausgenutzt werden, z. B. für Bodenverfestigung u. a. m.
Derartige Stoss- und Schlagmechanismen sind gern mit Druckluft mit 6 bis 7 kp/cm2 Druck angetrieben worden. Bei Komprimierung der Luft geht ein bedeutender Teil der zugeführten Energie in Wärme verloren.
Ferner sind die Energieverluste in der Arbeitsmaschine selbst gross, so dass der Wirkungsgrad einer gewöhnlichen, mit Druckluft angetriebenen Gesteinsbohrmaschine in der Regel unter 20% beträgt. Andere Probleme sind : hohes Geräuschniveau, Kondens- und Frostprobleme, Verhältnisse, die bei Druckölantrieb wesentlich günstiger sind.
Während der letzten Jahre hat eine schnelle Entwicklung von Komponenten zur Effektübertragung mittels Drucköl im Bereich von 100 bis 300 kp/cm2 stattgefunden, unter anderem für Kolbenbewegungen in einer Reihe Arbeitsmaschinen. Ebenfalls kann Energiezufuhr für rotierende Bewegung mit wesentlich höherem Wirkungsgrad als bei Druckluft erfolgen. Es ist daher naheliegend, bei Gesteinbohrmaschinen Druckölbetrieb zu benutzen, unter anderem wegen des bedeutend höheren Wirkungsgrades.
Mehrere derartige Versuche liegen vor, z. B. die norwegischen Patentschriften Nr. 98724, Nr. 99065, Nr. 100622, Nr. 110602 und Nr. 117234, die Schweizer Patentschrift Nr. 420014 und die brit. Patentschrift Nr. 1, 004, 692.
Unter anderem bei Gesteinsbohrmaschinen wird hohe Schlagfrequenz gefordert, von zirka 2000 Schlägen/min und aufwärts. Dies bedingt schnelles Umwechseln der Zulauf-und Retourverbindung für den Flüssigkeitsstrom zur Boden- und zur Kopfseite des Kolbens. Die vorbekannten Lösungen, z. B. diejenigen, die die oben genannten Patente beschreiben, weisen nun den grossen Nachteil auf, dass sie dieses Umwechseln nur durch besondere und komplizierende Ventilorgane erreichen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, diese Mängel zu beseitigen und eine Schlag- und Stossvorrichtung der eingangs geschilderten Art zu schaffen, bei der die Umsteuerung der Kolbenbewegung auf möglichst einfache Weise ohne zusätzliche Ventileinrichtungen erreicht wird.
Die Erfindung löst diese Aufgabe im wesentlichen dadurch, dass der Kolben mittels eines Motors relativ zum Zylinder in Drehung versetzbar ist und die Kanäle zumindest einen der beiden an die Kopf- oder Bodenfläche des Kolbens angrenzenden Zylinderräume alternierend mit der Zu- bzw. Abflussbohrung verbinden, so dass die Kanäle zur Umsteuerung der Hin- und Herbewegung des Kolbens dienen. Der sich drehende Kolben steuert seine Auf- und Abbewegung also selbst, wozu keine komplizierenden Ventilorgane notwendig sind, sondern lediglich die entsprechenden, ganz einfach herstellbaren Kanäle im Kolben.
Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen genauer beschrieben, in der
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einen Schnitt durch die Sperrvorrichtung von oben gesehen, Fig. 6 noch eine Ausführungsform und Fig. 7, in vergrössertem Massstab, einen Schnitt durch Zylinder und Kolben im Bereich der Einlauf- und Auslasskanäle zeigen.
Eine Stossbohrmaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass Arbeitskolben, Bohrstange und Bohrkrone fest miteinander verbunden sind, so dass die Bohrkrone zwischen jedem Arbeitsschlag vom Boden des Bohrloches abgehoben wird, um alsdann mit grosser Kraft gegen den Boden gestossen zu werden. Die in Fig. 1 gezeigte Ausführungsform umfasst einen Rotationsmotor-l--mit Zufuhrkanal--A--und Ablaufkanal-B-für das Antriebsmedium. Der Rotationsmotor kann vorzugsweise für hydraulischen Antrieb gebaut werden, kann
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der entsprechende, entgegengesetzt gehende Nuten aufweist, so dass der Kolben dazu gezwungen wird, mit derselben Geschwindigkeit, jedoch mit freier axialer Bewegung zu rotieren.
Der Arbeitskolben --4-- besitzt zwei Abschnitte-5 und 6-auf jeder Seite des eigentlichen Kolbens --7-- mit geringerem Durchmesser als der Kolben--7-. Der Zylinder-8-umschliesst den Kolben so, dass ringförmige Arbeitskammern-9 und 10-an jeder Seite des Kolbens --7-- entstehen. Der Kolben ist ferner mit längsgehenden Nuten-11 und 12--für das Druckmedium versehen. Die Nuten münden abwechselnd in die ringförmigen Kammern--9 und 10--. In dem Zylinder sind ferner der Kanal--C-für den Zulauf des Druckmediums und der Kanal
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eigentliche Kolben --7-- ist dicht im Zylinder-8-geführt und verhindert einen direkten überlauf.
Das in die Ringkammer --9-- eindringende Drucköl wird also den Kolben mit grosser Kraft hinabdrücken. Beim
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Ablaufleitung verbunden, wodurch der Kolben bodenseitig beaufschlagt wird und seine Bewegungsrichtung ändert.
Die Umdrehungsgeschwindigkeit des Rotationsmotors wird im Verhältnis zu der Masse der arbeitenden Einzelteile (Kolben, Verbindungshülse, Bohrstange und Krone) den Ringflächen und dem maximalen Arbeitsdruck des Antriebsmediums geregelt, so dass zwischen jedem Wechsel der auf den Kolben einwirkenden Kraftrichtung passende Schlaglänge erzielt wird.
Der Zylinder ist ferner mit dem Zulaufkanal--E--für Spülwasser oder Spüldruckluft versehen. Dieser mündet in einen ringförmigen Kanal --42--, der über eine Bohrung --43-- im Kolben mit einer zentralen Bohrung durch die Verbindungshülse-13-, die Bohrstange --14-- und die Bohrkrone --15-- in Verbindung steht. Bohrstaub wird dadurch von der Krone und aus dem Bohrloch fortgespült.
Fig. 2 zeigt eine andere Ausführungsform für Schlagbohrung, d. h., dass der Arbeitskolben mit der Bohrstange nicht fest verbunden ist, sondern auf diese schlägt. Der Kolben --16-- ist hier mit einer zentralen Bohrung für eine eigene Welle --17--, die über längsgehende Nuten-18 und 19-die Rotation auf einen
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verbunden ist, ausgebildet. Anstatt die ganze Bohrstange zwischen jedem Stoss anzuheben, wird hier nur der Kolben--16--angehoben. Am Ende des Arbeitsschlages schlägt dieser mit grosser Kraft gegen den Nackenadapter, wodurch die Energie in Form einer Druckwelle durch die Bohrstange auf die Krone übertragen wird.
Fig. 3 zeigt eine dritte Ausführungsform mit zwei Rotationsmotoren. Motor--21--dreht hier lediglich den Kolben, während ein eigener Motor --22-- über das Zahnrad--23--und das Zwischenrad--24-das Zahnrad --25-- auf dem Nackenadapter--26--antreibt. Hier kann man die Rotationsgeschwindigkeit unabhängig von der Schlagfrequenz regeln. Im übrigen ist die Wirkung wie oben beschrieben.
Fig. 4 zeigt eine andere Ausführungsform der Erfindung, bei der der Rotationsmotor durch einen Sperrmechanismus ersetzt ist. Der Arbeitskolben --27-- ist hier teils mit rechtgehenden Nuten-28-in Eingriff mit dem Sperrad--30--und mit linksgehenden Nuten--29--in Eingriff mit dem Sperrad --31--. Beide Sperräder können sich frei in einer Rotationsrichtung drehen, werden aber in entgegengesetzter Richtung von den Sperren--32 und 33--gesperrt. Fig. 5 zeigt im Schnitt den Sperrmechanismus von oben gesehen.
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Sperrad--30--verriegeln,Sperrad --31-- erlauben, frei mitzurotieren. Wenn der Kolben in die untere Umkehrstellung gelangt ist, wurde er so weit gedreht, dass die Ölläufe umgesteuert sind, so dass der Kolben zurückgetrieben wird.
Dadurch treten die Sperren --33-- in Wirkung und verriegeln das Sperrad --31--, während das Sperrad --30-- jetzt frei mitrotieren kann.
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gezwungen, mizurotieren.
Fig. 6 zeigt noch eine Ausführungsform, die im Äusseren der nach Fig. 1 gleicht, wobei aber der Kolben - 36-- lediglich Nuten zu der oberen Ringkammer --37-- besitzt, während die untere Ringkammer
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mit dem Auslaufkanal verbunden und der Druck entlastet, wodurch der Kolben von dem kontinuierlichen Druck in der Kammer --38-- zurückgeschoben wird. Der gesamte Zyklus wiederholt sich erneut. Wenn die Ringfläche des Kolbens in der Kammer --37-- doppelt so gross wie die Fläche in der Kammer --38-- ist, wird die Axialkraft in beiden Richtungen gleich. Es können jedoch auch andere Verhältnisse aktuell sein, ebenso wie die Ringkammern von vorhergenannten Ausführungen nicht gleich zu sein brauchen.
Ein Nachteil der Ausführung gemäss Fig. 6 im Verhältnis zu früheren Ausführungen ist, dass der Retourölstrom pulsierender wird.
Weitere Alternativen sind denkbar, z. B. eine Sperrwellenrotation für den Arbeitskolben, wie in Fig. 4 gezeigt, kombiniert mit separatem Rotationsmotor für die Bohrstange, wie in Fig. 3 gezeigt.
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Bei allen Alternativen ist ein grosser Querschnitt der ölkanäle wichtig, damit Ölgeschwindigkeiten und Drosselverluste durch die schnellen Wechsel des Ölstromes gemässigt werden.
Fig. 7 zeigt einen Schnitt in grösserem Massstab durch Zylinder und Kolben im Bereich von Einlauf- und Auslaufkanälen. Anstatt eines einzigen Einlaufkanals und eines einzigen Auslaufkanals sind hier im Zylinder - neun Einlaufkanäle-43-, die über nicht gezeigte Verzweigungen mit der Einlaufleitung in
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zum Kolben in neun Läufe werden die Geschwindigkeit und dadurch die Effektverluste im Antriebsmedium gemässigt. Selbstverständlich kann auch eine andere Anzahl von Kanälen vorgesehen sein, die unter anderem von der Grösse der Maschine abhängt.
Um das Pulsieren des Flüssigkeitstromes auszugleichen, können die Zufuhr- bzw. Ablaufleitungen mit Akkumulatoren versehen werden. Diese können entweder auf der Bohrmaschine selbst eingebaut oder ein Stück entfernt in den Leitungen angebracht sein. Ferner muss die Hydraulikanlage Ventile für das Anlassen und Anhalten besitzen und es müssen Sicherungen gegen Überdruck, beispielsweise durch Festbohren, Filter u. a. m, vorgesehen sein, was aber ausserhalb des Rahmens dieser Erfindung liegt.
Als Druckmedium wird vorzugsweise ein gutes Hydrauliköl benutzt, aber auch Benutzung von Öl-Wasser-Emulsionen, reinem Druckwasser oder andern Flüssigkeiten ist denkbar, wo dies gegebenenfalls zweckmässig ist.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Schlag- oder Stossvorrichtung mit einem wechselweise an Kopf- und Bodenfläche durch Druckmittel beaufschlagbaren Arbeitskolben, der sich in einem Zylinder hin- und herbewegt, wobei der Zylinder Bohrungen für den Zu- und Abfluss des Druckmittels und der Kolben an seiner Mantelfläche axiale Kanäle zur Weiterführung
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zum Zylinder in Drehung versetzbar ist und die Kanäle zumindest einen der beiden an die Kopf-oder Bodenfläche des Kolbens angrenzenden Zylinderräume alternierend mit der Zu- bzw. Abflussbohrung verbinden, so dass die Kanäle zur Umsteuerung der Hin- und Herbewegung des Kolbens dienen.
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