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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zum horizontalen
Erdbohren, insbesondere zum Bohren in Gestein und Fels, sowie eine Schlagspitze
und ein Verfahren zum Starten eines Schlagwerkzeugs.
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Aus
der
DE 44 33 533 C1 ist
eine Bohrvorrichtung mit einem hydraulischen Schlagwerk und einem
Bohrkopf mit Düsenöffnungen
bekannt, bei dem das Schlagwerk und die Düsenöffnungen mit derselben Druckmittelquelle
verbindbar sind.
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Die
beschriebene Vorrichtung geht aus von dem Problem, daß bei herkömmlichen
Bohrgeräten mit
einem Schlagwerk und einer Flüssigkeitszufuhr zwei
Druckmittelquellen erforderlich sind, da zwei Arten von Druckmitteln
zugeführt
werden müssen.
Die zwei Druckmittelquellen führen
zu einem komplizierteren Aufbau der Rammbohrvorrichtung. Zudem müssen mehrere
Druckmittelleitungen vorgesehen sein, die im praktischen Betrieb
häufig
eine Quelle für Betriebsstörungen darstellen.
In der
DE 44 33 533
C1 wird nun vorgeschlagen, ein Bohrgerät mit hydraulischem Schlagwerk
zu verwenden und die Düsenöffnungen
des Bohrgerätes
und das Schlagwerk mit derselben Druckflüssigkeitsquelle zu verbinden.
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Diese
bekannte Vorrichtung löst
zwar das Problem, die Medienzufuhr für das Schlagen und für das Spülen auf
eine Zuleitung zu beschränken, zwingt
jedoch den Betreiber, auf eine hydraulische Bohrvorrichtung zurückzugreifen
und damit die den hydraulischen Schlagwerken eigenen Nachteile in Kauf
zu nehmen.
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In
der US-Patentschrift 4 858 703 ist eine pneumatische Rammbohrvorrichtung
beschrieben, bei der die Flüssigkeit
dem Druckraum des Schlagkol bens zugeführt wird und über diesen
mittels der den Schlagkolben antreibenden Druckluft durch den Schlagkolben
zu einer Düse
am Kopf des Rammbohrgerätes
befördert
wird. Die Druckluft bewirkt somit, daß die Flüssigkeit schlagartig aus der
Kammer herausgepresst wird.
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Das
beschriebene Gerät
besitzt zwar eine gemeinsame Kammer und eine Durchleitung für die Druckluft
und Bohrflüssigkeit
innerhalb der Rammbohrvorrichtung, greift jedoch, wie alle weiteren
bekannten Geräte,
auf eine getrennte Zufuhr von Druckluft und Bohrflüssigkeit
zurück,
so daß eine Vereinigung
der beiden Leitungen erst im Bohrgerät erfolgt.
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Aus
WO 92/01138 A1 ist ein zum horizontalen Bohren geeigneter Schlagbohrhammer
bekannt. Dieser weist eine im Bohrwerkzeug axial verschiebliche
Schlagspitze mit einem zentralen Medienkanal auf. Der Schlaghammer
ist konstruktiv so gestaltet, daß das als Antriebsmedium verwendete
Wasser ebenso als Spülmedium
eingesetzt werden kann. Dazu muß allerdings
die Bohrvorrichtung angehoben werden, um so eine Bewegung der Schlagspitze
und des Hammers relativ zu dem Gehäuse zu erreichen. Dadurch ergibt
sich der Nachteil, daß für das Ausbringen
der Spülflüssigkeit
eine vorherige Unterbrechung des Bohrvorgangs erforderlich ist.
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Davon
ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes
Verfahren und ein System zum horizontalen Erdbohren sowie eine verbesserte
Schlagspitze und ein verbessertes Verfahren zum Starten eines Schlagwerkzeugs
zu schaffen, die eine vereinfachte Betriebsmittelzufuhr aufweisen.
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Die
Aufgabe wird durch die Gegenstände
der unabhängigen
Ansprüche
1, 5, 13 und 23 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die
Erfindung erlaubt es, eine gemeinsame Zuleitung für die Druckluft
und die Bohrflüssigkeit
zu verwenden. Dadurch kann die Bauweise der Zuleitung und des Bohrgerätes vereinfacht
werden. Dies ist insbesondere beim Bohren mit Gestänge von
Vorteil, da sich nunmehr ein Gestänge mit einem einzigen Medienkanal
verwenden läßt, über den
dann die Druckluft und das Bohrmedium wechselweise oder gleichzeitig
der Bohrvorrichtung zugeführt
werden können.
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Beim
schlagenden Vortrieb der Bohrvorrichtung kann somit das Schlaggerät über den
im Gestänge
vorhandenen Kanal mit Druckluft versorgt und betrieben werden, während für das Bohren
die Druckluftzufuhr und damit der schlagende Vortrieb unterbrochen
und der Bohrvorrichtung über
dieselbe Zuleitung ein Bohrmedium zugeleitet werden kann. Das Bohrmedium
kann insbesondere beim Felsbohren als Kühlflüssigkeit, vorzugsweise Wasser,
dem Bohrkopf zugeleitet werden. Die Zuleitung kann über die
Druckkammer des Schlagkolbens erfolgen, die einen Verbindungskanal
zu dem Bohrkopf aufweisen kann. Beim Umschalten auf den schlagenden
Vortrieb kann dann wieder die Druckluftquelle an die Zuleitung,
z.B. über
ein Schaltelement angeschlossen, das Bohrmedium aus der Zuleitung
und der Expansionskammer des Schlagkolbens herausgedrückt und der
Schlagkolben nun in herkömmlicher
Weise betrieben werden.
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Das
Bohrgerät
kann aber erfindungsgemäß auch ausschließlich mit
Druckluft oder mit einer Mischung aus Druckluft und Flüssigkeit
betrieben werden. Zu letzterer Variante kann die Flüssigkeit
in der Druckluft verdüst
werden. Dies kann mit Hilfe einer im Luftstrom angeordneten Düse erfolgen.
Vorzugsweise besitzt das Bohrgerät
eine Zuleitung zu dem Druckraum und ausgehend von dem Druckraum
einen Abluftkanal und einen Kanal zu den Austrittsdüsen des
Bohrkopfes, der durch den Kolben verlaufen kann. Beim Betrieb mit
Druckluft entweicht hierbei ein Teil der Luft auch über den
Bohrkopf, während
beim Betrieb mit Flüssigkeit
ein Teil der Flüssigkeit über den
Abluftkanal entweichen kann.
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Bei
einer anderen Ausführungsform
werden die Kanäle
jeweils durch eine bestimmte Kolbenstellung verschlossen, so daß jeweils
nur der Abluftkanal für
die Druckluft oder der Bohrkopfkanal für das Spülmedium frei ist.
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Die
Erfindung erlaubt es, nicht nur über
die Zuleitung, sondern auch über
den Expansionsraums des Schlagkolbens sowohl die Druckluft als auch
das Bohrmedium sowie auch eine Mischung aus beiden zu führen und
damit erhebliche Konstruktionskosten einzusparen.
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Gemäß der Erfindung
kann die Bohrvorrichtung eine axial bewegliche Spitze aufweisen,
die eine besonders konzentrierte Übertragung des Schlagimpulses
bewirkt. Sie kann auch ein Übermaß aufweisen
und es so durch axiales Verschieben der Bohrvorrichtung erlauben,
den Schlagkolben aus einer möglichen
Totlage (Gleichgewichtslage) zu bringen. Dabei wird die Bohrvor richtung
bewegt, während
die Schlagspitze aufgrund ihres Übermaßes im Erdreich fixiert
bleibt und mit einem kolbenseitigen in den Kolbenraum hineinragenden
Fuß einen
Impuls auf den Kolben überträgt. Vorzugsweise
dient dieser Fuß gleichzeitig
zur Übertragung
des Schlagimpulses von dem Schlagkolben auf die Schlagspitze beim
schlagenden Vortrieb der Bohrvorrichtung.
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Bei
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann
die Zuleitung der Druckluft bzw. des Bohrmediums so ausgestaltet
sein, daß eine
wahlweise Zuleitung in die Druckkammer zur Zuschaltung des Schlagantriebs
und/oder in die Kanäle
für die
Kühlung,
Spülung
oder Schmierung der Bohrwerkzeuge möglich ist.
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Bei
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
ist die Zu- oder Abschaltung des Schlagantriebs durch ein Ventil
oder eine verschließbare Durchgangsbohrung
verwirklicht, welches ein Verschließen der Zuleitung des Mediums
in den Druckraum des Schlagkolbens für den Modus Spülen und/oder
Kühlen
bei gleichzeitig abgeschaltetem Schlagantrieb zuläßt. Dabei
kann die Durchgangsbohrung oder das Ventil innerhalb einer in der
Erdbohrvorrichtung vorgesehenen Druckkammer angeordnet sein, wobei
die Druckkammer ein besonders schnelles und zuverlässiges Zuschalten
des Schlagantriebs nach dessen Stillstand gewährleistet.
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Vorteilhaft
ist es ferner, wenn die Druckkammer als innerhalb des Gehäuses axial
zwischen zwei Positionen verschiebbar gelagertes Druckrohr ausgebildet
ist, wobei das Ventil oder die Durchgangsbohrung in einer Position
offen und in einer zweiten Position geschlossen ist. Dies erlaubt
eine besonders einfache Betätigung
der Steuermittel, die auch über
ein Zug- oder Schubmittel des Bohrgerätes, wie beispielsweise ein
Gestänge
oder Seil, erfolgen kann.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist das Druckrohr innerhalb eines Steuerrohrs der Erdbohrvorrichtung
angeordnet, wobei das Steuerrohr die Durchgangsbohrung in einer
Position freigibt und in einer zweiten Position verschließt. Dabei
kann das Druckrohr durch ein Federelement in einer Grundstellung
mit verschlossenem Ventil bzw. verschlossener Durchgangsbohrung
gehalten werden. Dies erlaubt es auf besonders vorteilhafte Art und
Weise, eine Zuschaltung des Schlagantriebs in Abhängigkeit
von dem auf das Gestänge
bzw. das Zug- oder Schubmittel wirkenden Kraft vorzusehen.
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Ferner
kann die Kammer bzw. das Druckrohr mit einer den Schlagkolben zum
Bohrwerkzeug hin durchlaufenden Versorgungsleitung verbunden sein. Bei
konstantem Mediendruck läßt sich
somit eine durchgehende Spülung
oder Kühlung
des Bohrwerkzeuges bei gleichzeitigem beliebigem Zu- oder Abschalten
des Schlagantriebs erreichen. Vorzugsweise bewirkt ein Verschieben
des Druckrohres in die "geschlossen" Stellung der Zuleitung
für den
Druckraum des Schlagkolbens gleichzeitig ein Verschließen der
Abluftkanäle.
Dies kann über
Schieber im Bereich der Abluftkanäle erreicht werden.
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Unter "Erdbohrvorrichtung" ist insbesondere jedes
Gerät zu
verstehen, welches in einem bestehenden oder zu erstellenden Kanal
bewegt wird, um eine Pilotbohrung zu erstellen oder aufzuweiten
oder ein bestehendes Rohr zerstörend
oder nicht zerstörend
zu ersetzen, zu reinigen, Leitungen in bestehende Rohre oder andere
Langkörper
einzuziehen sowie sämtliche
Vorrichtungen für
Bauarbeiten des unterirdischen Vortriebs. Das Erdbohrgerät im Sinne
dieser Erfindung ist von seiner Natur jedoch nicht auf unterirdische
Arbeiten beschränkt.
So können
beispielsweise Leitungen, die von einer Erdbohrvorrichtung gereinigt
werden, auch oberirdisch verlaufen.
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Der
Begriff "Kanal" im Sinne der vorliegenden
Erfindung erfaßt
jede Art von Erdleitung sowie unterirdischer oder oberirdischer
Rohrleitung, Erdbohrung einschließlich Felsbohrung, die sich
durch Einsatz eines entsprechenden Werkzeugs aufweiten, zerstören, aufschneiden
oder reinigen läßt.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels
des näheren
erläutert.
In der Zeichnung zeigen:
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1 die erfindungsgemäße Bohrvorrichtung;
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2 die Bohrvorrichtung der 1 mit Abscheider und seitlicher
Flüssigkeitsleitung
in offener Düsenstellung;
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3 die Bohrvorrichtung der 2 in geschlossener Düsenstellung;
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4 der Bohrkopf der Bohrvorrichtung
gemäß 1 mit offener Düsenstellung;
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5 der Bohrkopf der 4 bei geschlossener Düsenstellung
und
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6 eine Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Bohrvorrichtung
mit einer Einrichtung zum Zu- und Abschalten der Druckluftzufuhr
zu dem Schlagkolben.
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Die
Bohrvorrichtung 1 weist einen Bohrkopf 2 und einen
Korpus 3 auf. Der Bohrkopf 2 besteht aus einer
Meißelspitze 20 und
einem Bohrwerkzeug 22. Die Meißelspitze 20 weist
eine zentrale Bohrung als Medienkanal 24 auf und ist axial
verschiebbar in dem Bohrwerkzeug 22 gelagert. Das Bohrwerkzeug 22 weist
eine Austrittsdüse 26 auf,
die mit einem Medienkanal 24 in der Meißelspitze 20 zur Deckung
gebracht ist, wenn die Meißelspitze
in ihrer hinteren Position angeordnet ist. In dieser Position ragt
das kolbenseitige Ende 28 der Meißelspitze 20 in den
Innenraum des Korpus 3, so daß ein in diesem Korpus beweglich
gelagerter Schlagkolben 30 in seiner vorderen, bohrkopfseitigen
Position mit seiner Stirnfläche 32 auf
das kolbenseitige Ende (Meißelfuß) 28 auftrifft und
eine axiale Verschiebung der Meißelspitze 20 in Vortriebsrichtung
bewirkt.
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Die
Meißelspitze 20 ist
in dem Bohrwerkzeug 22 durch eine Sicherung 80 gesichert,
die die axiale Endlage in Vortriebsrichtung festlegt.
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Die
Meißelspitze 20 weist
gegenüber
dem Bohrwerkzeug 22 ein Übermaß 21 auf, so daß eine Längsverschiebung
auch mittels der Reibung mit dem den Bohrkopf umgebenden Erdreich,
z.B. durch Ziehen, an der Bohrvorrichtung erfolgen kann.
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Da
der Medienkanal 24 der Meißelspitze 20 nur in
der hinteren Position mit der Austrittsdüse 26 des Bohrwerkzeugs 22 zur
Deckung gebracht ist, ist der Medienkanal 24 in der vorderen
Axialposition der Meißelspitze 20 verschlossen.
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Die
erfindungsgemäße Bohrvorrichtung weist
einen herkömmlichen
Schlagantrieb mit einem Schlagkolben 30 und einer Steuerung 34 mit
Steuerbuchse 36, einer Steuerkante 38, einem Steuerrohr 40,
den üblichen
Elastikblöcken 42, 44 und
einem Abluftkanal 46 auf. Im Steuerrohr 40 verläuft ein
mit dem Kanal eines angeschlossenen Gestänges in Verbindung stehender
Medienkanal 64, der auf einer Achse mit einem Medienkanal 54 im
Schlagkolben 30 und dem Medienkanal 24 in der
Meißelspitze 20 liegt. Der
Schlagkolben weist die übliche
Kanalführung
für die
druckluftvermittelte Kolbenbewegung und entsprechende Kanäle für die Umsteuerung
mittels der Steuerkante 38 der Steuerbüchse 36 auf.
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Der
Medienkanal 54 im Schlagkolben 30 weist eine expansionsraumseitige Öffnung mit
einer Düse 56 auf.
Die Düsenöffnung legt
fest, welcher Anteil der Druckluft beim Betrieb des Schlagkolbens 30 über den
Kolbenkanal 54 entweicht. Die Öffnung der Düse 56 ist
so bemessen, daß die
entweichende Druckluft zu keinem dem Vortrieb des Schlagkolbens 30 behindernden
Druckverlust führt.
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Beim
schlagenden Vortrieb, d.h. Betrieb der Bohrvorrichtung mit Druckluft
wird die Druckluft in üblicher
Weise über
eine dafür
vorgesehene Leitung einem Expansionsraum 10 des Korpus 3 zugeführt. Die Druckluft
bewirkt in der üblichen
Weise ein schlagartiges Verschieben des Schlagkolbens 30 in
seine vordere Position, wobei der Schlagkolben 30 mit seiner Stirnfläche 32 auf
den Meißelfuß 28 trifft
und dadurch den Schlagimpuls auf die Meißelspitze 20 überträgt. In der
Regel wird dieser Schlagimpuls nur zu einer geringfügigen Axialverschiebung
des Meißels
führen, solange
die Ortsbrust einen gewissen Widerstand entgegensetzt.
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Durch
die Umsteuerung wird die Bewegungsrichtung des Schlagkolbens 30 nun
wieder umgekehrt, wobei die Druckluft über die Abluftkanäle 46 in
der üblichen
Weise entweicht.
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Bei
Betrieb der Bohrvorrichtung 1 mit Wasser wird der vormals
als Druckluftkanal verwendete Medienkanal für die Zuleitung von Bohrflüssigkeit
verwendet. Dabei strömt
die Bohrflüssigkeit
durch den Medienkanal 64 im Steuerrohr in den Expansionsraum 10,
füllt diesen
auf und strömt über die
Düse 56 durch
den Medienkanal 54 in den Medienkanal 24 der Meißelspitze 20 ein.
Durch den über
das Bohrgestänge
auf die Bohrvorrichtung ausgeübten
Vortriebsdruck und den auf die Meißelspitze 20 ausgeübten Gegendruck
befindet sich die Meißelspitze 20 bei
dieser Verfahrensweise in ihrer hinteren kolbenseitigen Position.
Gleichzeitig befindet sich der Schlagkolben 30 aufgrund
der in der Expansionskammer 10 befindlichen Bohrflüssigkeit
weitgehend in seiner vorderen Position, so daß eine direkte Verbindung zwischen
dem Medienkanal 54 des Schlagkolbens 30 und dem
Medienkanal 24 der Meißelspitze 20 besteht.
Gleichzeitig ist der Medienkanal 24 mit der Austrittsdüse 26 des
Bohrwerkzeugs 22 zur Deckung gebracht, so daß die Bohr flüssigkeit
aus dem Bohrkopf austritt und zum Kühlen und Spülen dienen kann.
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Soll
die Bohrvorrichtung 1 nun wieder mit Druckluft betrieben
werden, wird die Druckmittelquelle von Bohrflüssigkeit auf Druckluft umgeschaltet, wobei
die Druckluft über
die Medienkanäle 64, 54, 24 und
den Expansionsraum 10 die Bohrflüssigkeit aus der Bohrvorrichtung
herausdrückt,
bis der Schlagkolben 30 wieder anspringt.
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Befindet
sich der Schlagkolben 30 in einer Totlage, bei der die
Steuerkante 38 zur Hälfte über der
Steueröffnung
des Schlagkolbens liegt, und so ein Anspringen des Schlagkolbens
unterbleibt, kann die Bohrvorrichtung 1 zurückgezogen
werden, wobei sich die Meißelspitze 20 aufgrund
ihres Übermaßes gegenüber dem
Bohrwerkzeug 22 axial verschiebt. Dadurch wird die Verbindung
zwischen dem Medienkanal 24 und der Austrittsdüse 26 getrennt.
Die dadurch entstehende schlagartige Zustandsänderung des Druckmediums im
Expansionsraum 10 bewirkt ein Verschieben des Kolbens aus
der Totlage (Gleichgewichtslage) und somit ein Anspringen des Kolbens.
Sollte diese Verschiebung des Kolbens 30 die Totlage nicht überwinden,
kann die Bohrvorrichtung über
das Gestänge
schlagartig nach vorne geschoben werden, wodurch der Kolben 30 vermittels des über die
Meißelspitze 20 auf
die Stirnfläche 32 des
Kolbens 30 ausgeübten
Impulses zurückschnellt und
so in jedem Falle aus der Gleichgewichtslage gebracht wird.
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Mit
der beschriebenen Vorrichtung läßt sich ein
schlagender Vortrieb mit Druckluft mit einem bohrenden Vortrieb
kombinieren, bei dem mit Bohrflüssigkeit
gespült
wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung
weist trotz dieser Doppelfunktion einen einfachen Aufbau auf und
erfordert des weiteren keine aufwendig gestalteten Zuleitungen bzw.
kann auf einen Kanal zurückgreifen.
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Die
erfindungsgemäße Bohrvorrichtung 1 kann
aber auch beim Schlagen mit Bohrflüssigkeit versorgt und so ohne Überhitzung
des Bohrwerkzeugs 22 und unter Abtransport des Bohrkleins
betrieben werden. Hierzu wird der Bohrvorrichtung ein Luft-Wassergemisch
zugeführt.
Bis zu einer bestimmten Wasserkonzentration läßt sich der Schlagkolben 30 der
Bohrvorrichtung 1 mit wassergeschwängerter Luft betreiben, so
daß bei
gleichzeitig schlagendem Vortrieb Bohrflüssigkeit aus der Austrittsdüse 26 austritt.
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Die
erfindungsgemäße Bohrvorrichtung 1 kann
aber auch einen Abscheider 74 aufweisen, der eine Trennung
von Wasser und Luft in der Bohrvorrichtung erlaubt und bei entsprechender
Anordnung dafür
Sorge trägt,
daß dem
Schlagkolben im wesentlichen Luft und der Austrittsdüse im wesentlichen Wasser
zugeführt
wird. Eine solche Ausführungsform ist
in den 2 und 3 dargestellt.
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Der
Bohrflüssigkeit
können
filmbildende Zusätze
beigemischt werden, so daß die
Bohrflüssigkeit gleichzeitig
zu einer Verringerung der Reibung zwischen Schlagkolben und Laufbuchse
des Schlagkolbens führt.
Der Schlagkolben kann auch Gleitbänder 58, beispielsweise
aus PTFE, aufweisen, wobei diese bevorzugt mit einer Bohrvorrichtung
mit Abscheider 74 betrieben werden.
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In
dem in 6 dargestellten
Ausführungsbeispiel
weist der Kanal eine Einrichtung zum Zu- und Abschalten der Zuleitung
der Druckluft bzw. des Bohrmediums in Form eines verschiebbar gelagerten Druckrohres 110 mit
einer Druckkammer 100 und einer Bohrung 120 auf.
Das Druckrohr 110 ist zwischen zwei Positionen 112 und 114 verschiebbar
und verschließt
in Position 112 die Verbindung zum Druckraum des Schlagkolbens,
so daß der
Kolben zum Stillstand kommt. Durch eine Feder 150 wird
das Druckrohr 110 im Grundzustand in der Position 112 gehalten,
so daß eine
Zuschaltung des Schlagantriebs erfolgt, wenn die Kraft der Feder 150 durch äußeren Druck etwa über das
Schubgestänge
aufgrund eines bestimmten Widerstandes in der Ortsbrust überwunden
wird.
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In
der Grundstellung sind gleichzeitig die Abluftkanäle 180 durch
einen Schieber 160 verschlossen, wobei die Verbindung des
Kanals zum Bohr- bzw.
Schlagwerkzeug frei bleibt.