Die Erfindung betrifft einen fluidbestätigten Schlaghammer mit einem Arbeitskolben und einem Steuerkolben, die sich gegenseitig steuern, wobei der Arbeitskolben abwechselnd Schläge auf ein Einsteckende und Rückhübe ausführt nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Ein fluidbetätigter Schlaghammer, von dem der Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ausgeht, ist bekannt aus EP 0 203 282. Bei diesem Schlaghammer schlägt der Arbeitskolben auf das Einsteckende, wobei der vordere (dem Einsteckende zugewandte) Umkehrpunkt der Kolbenbewegung fest ist, während die Grösse des Rückhubes in Abhängigkeit von einem externen hydraulischen Steuerdruck verändert werden kann, indem wahlweise bestimmte Steuerleitungen, die in den Arbeitszylinder hineinführen, verschlossen oder geöffnet werden. Durch Veränderung der Rückhublänge kann die Schlagenergie der Einzelschläge des Arbeitskolbens verändert werden. Es ist zweckmässig, das Einsteckende in dem Hammergehäuse mit einem axialen Freiraum auszustatten, so dass das Einsteckende durch die Schläge vorbewegt werden kann, ohne das Hammergehäuse zu belasten.
Aus DE 3 336 540 A1 ist ein hydraulischer Schlaghammer bekannt, bei dem das Einsteckende in dem Hammergehäuse einen axialen Freiraum hat. Das Einsteckende ist als hydraulischer Ringkolben ausgebildet, wobei die von ihm begrenzte Kammer ein Flüssigkeitskissen bildet, das die Schläge des Arbeitskolbens dämpft, wenn die Bohrstange nicht gegen Fels anliegt. Es ist ein Ventil vorgesehen, das die vom Ringkolben begrenzte Kammer wechselseitig mit Druck beaufschlagt und drucklos macht. Die Druckbeaufschlagung dieser Kammer erfolgt beim Rückhub des Arbeitskolbens, um das Einsteckende in die rückwärtige Endposition zu bringen.
Beim Einsatz eines Schlaghammers für Erdbohrungen wird mit dem Einsteckende des Schlaghammers ein Bohrstrang aus Bohrrohren verbunden, an dessen vorderem Ende eine Bohrkrone angebracht ist. Zum Vortreiben des Bohrstranges im Bohrloch drückt auf das Hammergehäuse eine Vorschubvorrichtung, die das Hammergehäuse nach vorne (gegen das Bohrloch) treibt, während der Arbeitskolben Schläge auf das Einsteckende ausübt. Zum Herausziehen des Bohrgestänges aus dem Bohrloch wird das Hammergehäuse zurückgezogen. Dabei kann es vorkommen, dass der Bohrstrang oder die Bohrkrone im Bohrloch hängenbleibt und das Zurückziehen behindert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen fluidbetätigten Schlaghammer zu schaffen, der das Zurückzie hen eines Bohrgestänges mit Schlagunterstützung erleichtert.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäss mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen.
Bei dem erfindungsgemässen Schlaghammer kann der vordere Umkehrpunkt des Arbeitskolbens, der durch eine bestimmte Kolbenposition definiert ist, durch eine Verstelleinrichtung derart variiert werden, dass der Arbeitskolben bei seinem Schlag entweder das Einsteckende in dessen rückwärtiger Position erreicht oder das Einsteckende in dessen vorderer Position. Die Position des Einsteckendes in dem Freiraum ergibt sich in Abhängigkeit davon, ob das Hammergehäuse vorgeschoben oder zurückgezogen wird. Beim Vorschieben, also beim normalen Bohrbetrieb, befindet sich das Einsteckende - bezogen auf das Hammergehäuse - in seiner hinteren Endposition, weil das Hammergehäuse gegen das Einsteckende drückt, um dieses vorzuschieben.
Beim Zurückziehen des Hammergehäuses befindet sich dagegen das Einsteckende in seiner vorderen Endposition - wiederum bezogen auf das Hammergehäuse -, weil das Einsteckende durch den Bohrstrang zurückgehalten wird, während auf das Hammergehäuse eine Rückzugskraft wirkt. Die wählbaren vorderen Umkehrpunkte, die durch Steuernuten im Arbeitszylinder definiert sind, sind so gelegt, dass der Arbeitskolben sowohl beim Vorschieben des Hammergehäuses als auch beim Zurückziehen stets auf das Einsteckende treffen kann, um die jeweils höchste Schlagenergie abzugeben, und beim Auftreffen die Umsteuerung des Arbeitskolbens zum Rückhub erfolgt.
Dadurch, dass die Schläge das Einsteckende auch beim Zurückziehen des Hammergehäuses mit ungebremster Schlagenergie erreichen, werden Schlagenergie-Impulse auf das Einsteckende ausgeübt, die sich auf das Bohrgestänge übertragen und dessen Herausziehen aus dem Bohrloch erleichtern.
Vorzugsweise ist die Verstelleinrichtung für den vorderen Umkehrpunkt des Arbeitskolbens in Abhängigkeit von der Bewegungsrichtung der das Hammergehäuse bewegenden Vorschubvorrichtung gesteuert, und zwar derart, dass beim Vorschub der rückwärtige der vorderen Umkehrpunkte eingestellt ist, während bei Rückzug des Hammergehäuses der vornliegende der vorderen Umkehrpunkte eingestellt ist. Allerdings muss nicht zwangsläufig beim Zurückziehen der Schlagbetrieb durchgeführt werden. Es ist möglich, eine manuelle Steuereinrichtung vorzusehen, um beim Zurückziehen den Schlagbetrieb einzuschalten oder abzustellen. Ferner kann die Einschaltung des Schlagbetriebes automatisch dann erfolgen, wenn die Last der Vorschubvorrichtung oder diejenige des Drehantriebes beim Zurückziehen einen Grenzwert übersteigt.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass auch für den hinteren Umkehrpunkt eine Verstelleinrichtung vorgesehen ist, die derart betätigbar ist, dass der hintere Umkehrpunkt des Arbeitskolbens einen Maximalwert einnimmt, bei dem der Arbeitskolben rückwärts gerichtete Schläge gegen das Gehäuse ausübt. Diese Schläge übertragen sich vom Gehäuse auf das Einsteckende und bewirken rückwärts gerichtete Impulse auf das Bohrgestänge. Beim Zurückziehen und bei gleichzeitig schlagendem Betrieb des Arbeitskolbens werden auf das Ein steckende Schläge mit der doppelten Frequenz wie beim Vorschubbetrieb ausgeführt, nämlich einmal direkte, nach vorne gerichtete Schläge, und zum anderen über das Hammergehäuse nach hinten wirkende Schläge.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 ein schematisches Schnittbild durch den Schlaghammer während des Arbeitsbetriebes, wobei der Arbeitskolben gerade einen vorderen Umkehrpunkt erreicht hat,
Fig. 2 einen vergrösserten Ausschnitt aus Fig. 1 und
Fig. 3 die Situation beim Zurückziehen des Hammergehäuses und in der rückwärtigen Stellung des Arbeitskolbens.
Der Schlaghammer weist ein langgestrecktes Gehäuse 10 auf, in dem ein Arbeitszylinder 11 ausgebildet ist. In dem Arbeitszylinder 11 ist der Arbeitskolben 12 axial bewegbar. Der Arbeitskolben 12 schlägt auf das Einsteckende 13, das axial verschiebbar im Hammergehäuse geführt ist und eine Verzahnung 14 aufweist, in die ein (nicht dargestellter) Drehantrieb eingreift, um das Einsteckende 13 zu drehen. Am vorderen Ende 15 des Einsteckendes 13 wird ein (nicht dargestelltes) Bohrgestänge angeschraubt, das über das Einsteckende 13 gedreht und mit Schlägen beaufschlagt wird.
Die Verzahnung 14 des Einsteckendes 13 ist in einem axialen Freiraum 16 untergebracht, in dem das Einsteckende eine vordere und eine hintere Endposition einnehmen kann. In Fig. 1 ist die (bezogen auf das Hammergehäuse) hintere Endposition 13a und in Fig. 3 die vordere Endposition dargestellt.
Mit "vorne" ist die Richtung zum Ende 15 bzw. zum Bohrgestänge hin bezeichnet, während "hinten" die Gegenrichtung bezeichnet.
Zur Steuerung der Bewegung des Arbeitskolbens 12 dient das Steuerventil 20. Dieses weist einen Steuerkolben 21 auf, der in einem Steuerzylinder 22 bewegbar ist. Der Steuerkolben 21 ist hohl. Er weist eine axial durchgehende Bohrung auf. Das eine Ende des Steuerzylinders 22 ist mit einer Druckleitung 24 verbunden, so dass im Innern des hohlen Steuerkolbens 21 und an dessen Stirnseiten stets der volle Lieferdruck P herrscht. Eine mit dem \l-Rücklauf R verbundene drucklose Rücklaufleitung 25 ist mit einer ringförmigen Nut 26 des Steuerzylinders 22 verbunden. Diese Nut 26 ist über einen Kanal 27 mit einer weiteren Nut 28 sowie mit einer Verstelleinrichtung 30 verbunden, von der mehrere Zweigleitungen 31 seitlich in den Arbeitszylinder 11 hineinführen.
Der rückwärtige Zylinderraum 32 des Arbeitszylinders 11 ist über eine als Wechselleitung 33 bezeichnete Leitung mit einer Umfangsnut 34 des Steuerzylinders 22 verbunden. Durch den rückwärtigen Zylinderraum 32 erstreckt sich ein Ansatz 35 des Kolbens nach hinten. Der Ansatz 35 führt durch einen abgedichteten Bereich 36 hindurch in eine hintere Kammer 37.
Nach vorne schliesst sich an den Ansatz 35 ein dicker Kolbenbereich 38 an, der abdichtend an der Wand des Arbeitszylinders entlangstreicht. Darauf folgt eine Nut 39 und auf diese folgt ein dickerer Kolbenabschnitt 40. An den Kolbenabschnitt 40 schliesst sich ein dünnerer Ansatz 41 an, der durch einen Dichtungsbereich 42 des Gehäuses hindurchgeht und in eine vordere Kammer 43 hineinragt, in der sich der rückwärtige Schaft 44 des Einsteckendes 13 befindet.
An die Druckleitung 24 ist der Druckeinlass einer Verstelleinrichtung 45 angeschlossen, die mindestens zwei Auslässe aufweist, welche alternierend mit dem Druckeinlass verbunden werden können. Der eine Auslass ist mit einer Steuernut 46 und der andere mit einer Steuernut 47 des Arbeitszylinders verbunden. Diese Steuernuten können von der Steuerkante 48 des Arbeitskolbens überstrichen werden.
Zwischen der Steuernut 46 und den Zweigleitungen 31 ist am Arbeitszylinder eine weitere ringförmige Nut 60 vorgesehen, die über eine Steuerleitung 61 mit dem vorderen Zylinderraum 62 des Steuerzylinders 22 verbunden ist.
Der bisher beschriebene Schlaghammer arbeitet beim Bohren wie folgt: Auf das Gehäuse 10 wirkt eine nach vorne gerichtete Vorschubkraft, so dass das Einsteckende 13 sich in der hinteren Endposition 13a gemäss Fig. 1 befindet. Der Arbeitskolben 21 schlägt auf das Einsteckende 13, wobei in Fig. 1 das Ende der nach vorne gerichteten Schlagbewegung dargestellt ist. Die Verstelleinrichtung 45 verbindet die Steuernut 46 mit der Druckleitung 24. Sobald die Steuerkante 48 die Steuernut 46 freigegeben hat, was unmittelbar beim Auftreffen des Arbeitskolbens auf das in der rückwärtigen Endposition befindliche Einsteckende 13 geschieht, gelangt Druck durch die Verstelleinrichtung 45, die Steuernut 46 und die Nut 39 zur Steuerleitung 61, wodurch der Steuerkolben 21 gemäss Fig. 1 und 2 nach rechts geschoben wird, also in diejenige Stellung, in der er den Rückhub des Arbeitskolbens bewirkt.
In dieser Stellung wurden die Nuten 26 und 34 des Steuerzylinders durch eine Ringnut 49 des Steuerkolbens verbunden, so dass die Wechselleitung 33 mit der Rücklaufleitung 25 verbunden und der rückwärtige Zylinderraum 32 drucklos wird. Durch den auf die vordere Kolbenfläche 50 des Arbeitskolbens wirkenden Druck wird der Arbeitskolben dann in die Rückzugsstellung bewegt.
Wenn die die Nut 39 begrenzende Steuerkante 51 eine offene Zweigleitung 31 passiert, wird die Steuerleitung 61 drucklos, so dass der Steuerkolben 21 wieder seine vordere Endlage einnimmt. Dabei gelangen radiale Durchlässe 52 am Ende der Wand des Steuerkolbens 21 in den Bereich der Ringnut 34, so dass der im Innern des Steuerkolbens herrschende Druck über die Wechselleitung 33 in den rückwärtigen Zylinderraum 32 gelangt. Die Kolbenfläche 54, die den rückwärtigen Zylinderraum 32 begrenzt, hat eine grössere Fläche als die vordere Kante 50, die ständig dem Hochdruck ausgesetzt ist.
In Fig. 3 ist gestrichelt die hintere Endposition 13a dargestellt, die das Einsteckende 13 einnimmt, wenn das Gehäuse 10 vorgeschoben wird. Der vordere Umkehrpunkt P1 des Arbeitskolbens 12 ist dann erreicht, wenn die Steuerkante 48 in den Bereich der Steuernut 46 gelangt.
Wenn sich das Einsteckende 13 in der vorderen Endposition 13b befindet, also beim Zurückziehen des Gehäuses 10, wird die Verstelleinrichtung 30 umgesteuert, so dass sie den Weg zur Steuernut 46 sperrt und stattdessen den Weg zur Steuernut 47 öffnet. Der vordere Umkehrpunkt des Arbeitskolbens ist erst erreicht, wenn die Steuerkante 48 in den Bereich der Steuernut 47 gelangt, die durch die Verstelleinrichtung 30 mit der Druckleitung 24 verbunden ist. Für den Arbeitskolben ergibt sich dann der zweite vordere Umkehrpunkt P2, der um das Mass der Länge des Freiraums 16 gegenüber P1 vorverlegt ist.
Die Verstelleinrichtungen 30 und 45 enthalten jeweils Stellschieber, die durch den Druck in einer gemeinsamen Steuerleitung 55 gesteuert werden. Die Steuerleitung 55 ist mit dem Steuereingang der Verstelleinrichtung 45 unmittelbar und mit dem Steuereingang der Verstelleinrichtung 30 über ein Rückschlagventil 53 verbunden. Wenn der Druck der Steuerleitung 55 unterhalb eines vorbestimmten Wertes liegt, ist der Druck der Druckleitung 24 auf die Steuernut 46 durchgeschaltet. Übersteigt der Druck den Grenzwert, dann sperrt die Verstelleinrichtung die Steuernut 46 ab und öffnet die Steuernut 47.
Die Verstelleinrichtung 30 wird normalerweise durch den Druck einer weiteren Steuerleitung 56 so gesteuert, dass in Abhängigkeit vom Steuerdruck dieser Leitung mehr oder weniger Zweigleitungen 31 mit der Rücklaufleitung 25 verbunden werden. Die Verstelleinrichtung 30 enthält zu diesem Zweck einen druckabhängig bewegbaren Schieber, dessen Position vom Steuerdruck abhängt. Mit dem Druck in der Steuerleitung 56 kann somit der rückwärtige Umkehrpunkt des Arbeitskolbens in Stufen verändert werden. Wenn der Druck an der Steuerleitung 55 den vorgegebenen Grenzwert übersteigt, wird die Verstelleinrichtung 30 zwangsweise in diejenige Position gebracht, in der nur die äusserste Zweigleitung 31a mit der Rücklaufleitung 25 verbunden ist, während alle anderen Zweigleitungen 31 gesperrt sind.
Dies bedeutet, dass der rückwärtige Umkehrpunkt des Arbeitskolbens so weit zurückliegt, dass der Arbeitskolben gegen die Rückwand 57 des Gehäuses schlägt, so dass auf das Gehäuse rückwärtsgerichtete Schläge ausgeübt werden, die auf das in der vorderen Endposition befindliche Einsteckende 13 übertragen werden. Die Verstelleinrichtungen 30 und 45 können durch den Druck in der Steuerleitung 55 zeitgleich (synchron) geschaltet werden, so dass die Hublänge des Arbeitskolbens zugleich nach vorne und hinten verlängert wird. Es ist aber auch möglich, bei einem niedrigeren Wert des Steuerkolbens zunächst die eine Verstelleinrichtung zu schalten und bei Erreichen eines höheren Wertes des Steuerdrucks die andere Verstelleinrichtung.
Der Steuerdruck in der Steuerleitung 55 zum Umschalten der Verstelleinrichtungen 30 und 45 kann manuell eingeschaltet werden. Vorzugsweise ist dieser Druck jedoch mit der Bewegungsrichtung der auf das Hammergehäuse wirkenden Vorschubvorrichtung gekoppelt, so dass der Druck nur aufgebracht wird, wenn die Vorschubvorrichtung rückwärts läuft. Läuft die Vorschubvorrichtung dagegen vorwärts, ist die Leitung 55 drucklos, wodurch die unter Vorspannung stehenden Schieber der Verstelleinrichtungen 30 und 45 den Ruhezustand einnehmen.
Der Druck in der weiteren Steuerleitung 56 kann ebenfalls manuell einstellbar sein. Vorzugsweise ist der Druck in dieser Steuerleitung 56 jedoch abhängig von der Last einer externen Vorrichtung, wie beispielsweise des Drehantriebes oder der Vorschubvorrichtung, um die Hubhöhe des Arbeitskolbens lastabhängig zu verstellen.