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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft pneumatische Bodenstechwerkzeuge,
und insbesondere eine bewegliche Meißelkopfvorrichtung für pneumatische Schlagwerkzeuge.
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Hintergrund
der Erfindung
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Pneumatische
Schlagbodenstechwerkzeuge sind seit Jahrzehnten kommerziell erfolgreiche
Produkte. Selbstvortreibende pneumatische Bodenstechwerkzeuge werden
dazu verwendet, um Rohrleitungen, elektrische Leitungen und informationsübertragende
Kabel, wie etwa unterirdisch verlegte Glasfaserkabel, unterhalb
der Erdoberfläche
mit minimalem Eingriff an der Oberfläche zu verlegen. Diese Werkzeuge
umfassen als Hauptkomponenten einen torpedoförmigen Körper mit einer nach vorne zusammenlaufenden
Spitze und einem offenen hinteren Ende, einen Luftzufuhrschlauch,
der in das hintere Ende des Werkzeugs eintritt und es mit einem
Luftkompressor verbindet, einen Kolben oder ein Schlagelement, das
zu einer hin- und hergehenden Bewegung innerhalb des Werkzeugs gelagert
ist, und einen Luftverteilungsmechanismus, um eine schnelle hin-
und hergehende Bewegung des Schlagelements zu bewirken.
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Im
Fall von hartem oder steinigem Boden ist es oft erwünscht, pneumatische
Bodenwerkzeuge einzusetzen, die bewegliche Bits oder Meißel an dem spitzen
Nasenabschnitt des Werkzeugs aufweisen, um die Schlagkraft zu konzentrieren.
US-Patent 6,273,201, erteilt am 2. August 2001, deren Inhalt hier
durch Bezugnahme aufgenommen wird, beschreibt beispielsweise eine
hin- und hergehende (vordere) Vortriebsvorrichtung mit einem beweglichen
Meißelkopf,
der axial unabhängig
von dem Rest der Vortriebsvorrichtung ist. Dieser Aufbau vereinfacht
die Übertragung
von Schlagenergie direkt auf das vordere Ende der Vortriebsvorrichtung,
wodurch die Effektivität
in hartem Boden verbessert wird.
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In
vielen Fällen
werden Schlagvortriebsvorrichtungen aus einem in die Erde gegrabenen Schacht
gestartet. Die Vortriebsvorrichtung wird in Betrieb genommen, wenn
das die Vortriebsvorrichtung mit Druckluft versorgende Luftventil
geöffnet wird,
was das Schlagelement zu schlagen beginnen lässt. Das Vorderende der Vortriebsvorrichtung
wird gegen die Seitenwand des Schachtes gedrückt, bis die Vortriebsvorrichtung
weit genug in die Erde eindringt, so dass genügend Reibungskraft zwischen dem
Vortriebsvorrichtungskörper
und dem Boden erzeugt wird, um die Vortriebsvorrichtung gegen die pneumatischen
Reaktionskräfte,
die beim Zurückbewegen
des Schlagelements erzeugt werden, an Ort und Stelle festzuhalten.
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Das
Einbringen von pneumatischen Schlagwerkzeugen mit größerem Durchmesser,
z.B. im Bereich von 10 cm Durchmesser (4 Zoll), ist tendenziell zu
Beginn viel schwieriger als bei kleineren Werkzeugen mit Durchmesser
im Bereich von 5 cm (2 Zoll). Wenn das Schlagelement den Meißel und
dann den Amboss schlägt,
erzeugt es eine Reaktionskraft, die zunächst dazu tendiert, den beweglichen
Kopf oder Meißel
des Werkzeugs vorwärtszubewegen
und dann den Werkzeugkörper
hinterherzuziehen. Dann bewegt sich das Schlagelement in Vorbereitung
auf den nächsten
Hub nach hinten. Wenn das Schlagelement seine Richtung umkehrt und
sich nach vorne für den
nächsten
Schlag unter Einwirkung der Druckluft in der hinteren Druckkammer
bewegt, tritt eine Schwierigkeit auf. Die Reaktionskraft auf Grund
dieser Operation führt
tendenziell dazu, den Werkzeugkörper
rückwärts zu bewegen.
Während
des normalen Betriebs, wenn die Vortriebsvorrichtung vollständig in
einem Bohrloch steckt, absorbiert die Reibung zwischen der Oberfläche des
Werkzeugkörpers
und der umgebenden Erde diese Reaktionskraft, was es dem Werkzeug
ermöglicht,
eine Nettovorwärtsbewegung
durch den Boden auszuführen.
Wenn die Vortriebsvorrichtung jedoch gerade eingebracht wird und nur
der Kopf vom Boden umgeben ist, können die durch die Rückwärtsbewegung
des Schlagelements erzeugten Reaktionskräfte bewirken, dass der bewegliche
Kopf seinen Eingriff mit dem Boden verliert, was es erforderlich
macht, dass eine Bedienungsperson eine entgegengesetzte Kraft aufbringt,
bis die Vortriebsvorrichtung weit genug in den Boden eingedrungen
ist, so dass die Reibung zwischen der Vortriebsvorrichtung und dem
Boden die Vortriebsvorrichtung festhält. In weichem Boden kann die
Reibung zwischen dem Vortriebsvorrichtungskörper und dem Boden unter Umständen nicht
ausreichen, um die Vortriebsvorrichtung festzuhalten, was das Starten
ungewöhnlich
erschweren kann.
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Die
meisten bekannten Bodenstechwerkzeuge vom Typ mit beweglichem Meißel haben
eine Metallfeder oder Metallfedern verwendet, um den Meißel nach
hinten vorzuspannen, um den Meißel
in seine Startposition zurückzuführen, nachdem
er von dem Schlagelement geschlagen worden ist, und um Reaktionskräfte während des
Vorwärtshubs
des Schlagelements teilweise zu absorbieren, die andernfalls tendenziell
dazu führen
würden,
den Werkzeugkörper
nach hinten zu bewegen, insbesondere beim Starten der Vorrichtung.
US-Patent 5,095,998, erteilt am 17. März 1992, zeigt beispielsweise
eine solche Anordnung, wobei der Inhalt dieser Veröffentlichung
durch Bezugnahme hierin aufgenommen ist. Die Verwendung von Federn
in dieser Anwendung eröffnet
jedoch kritische Aspekte im Hinblick auf Haltbarkeit und Konstruktion.
Pneumatische Schlagvortriebsvorrichtungen arbeiten normalerweise
bei einer relativ hohen Schlagfrequenz, typischerweise im Bereich
von 250 bis 600 Schlägen
pro Minute. Nimmt man eine mittlere Vortriebsgeschwindigkeit von
30 cm pro Minute und eine Bohrstrecke von 90 m pro Tag an, kann
eine Schlagvortriebsvorrichtung 50 Millionen Schlägen pro
Jahr un terzogen werden. Unter diesen Bedingungen können bei
einer Feder Ermüdungsbrüche auftreten.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Ein
Bodenstechwerkzeug gemäß der Erfindung
umfasst ein längliches,
rohrförmiges
Werkzeuggehäuse
mit einem vorderen Amboss, der eine in Längsrichtung durch den Amboss
verlaufende Bohrung aufweist. Ein Schlagelement bewegt sich innerhalb
einer Innenkammer des Gehäuses
hin und her, um Schläge
auf eine vordere Schlagfläche
des Ambosses auszuüben,
um das Werkzeug durch den Boden vorwärtszutreiben. Ein Meißel mit
einem Vorderkopf und einem nach hinten verlaufenden Meißelschaft
gleitet innerhalb der Bohrung des Ambosses, wobei der Meißel zwischen
einer am weitesten hinten liegenden Position, in der ein hinterer
Endbereich des Meißelschaftes
aus der Bohrung des Ambosses vorsteht, um einen Anfangsschlag von
dem Schlagelement zu erhalten, und einer am weitesten vorne liegenden
Position beweglich ist, in der das Schlagelement auf eine hintere
Schlagoberfläche
des Ambosses schlägt.
Bei Zufuhr von Druckfluid bewegt ein Verteilungsmechanismus das
Schlagelement hin und her. Eine vordere Kammer, die durch das Gehäuse und
den Meißelschaft
definiert wird, vermindert sich in ihrem Volumen, wenn sich der
Meißel
in Bezug auf das Gehäuse
vorwärtsbewegt,
und der Verteilungsmechanismus umfasst Durchgänge, die komprimiertes Fluid
in die vordere Kammer leiten, wobei die vordere Kammer so gestaltet
ist, um eine Gasfeder (Luftfeder) zu bilden, die mit einem solchen
Druckfluid arbeitet.
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In
einem Aspekt umfasst der Verteilungsmechanismus eine Fluideinlassleitung,
die in den Bohrungen des Ambosses angebracht ist, und das Schlagelement
umfasst einen radialen Anschluss und der Meißelschaft hat einen radialen
Durchgang darin, der Druckfluid aus dem radialen Anschluss der Einlassleitung
zu der vorderen Kammer leitet, die dazu gestaltet ist, um unter Verwendung
des Druckfluids eine Luftfeder zu bilden. Die Erfindung schafft
ferner einen verbesserten Mechanismus, um einen beweglichen Meißel an dem
Werkzeugkörper
lösbar
zu befestigen, wobei der Mechanismus eine Gegenmutter verwendet,
die zwischen dem Meißelkopf
und dem Amboss eingebaut ist. Diese und andere Merkmale der Erfindung
werden weiter in der folgenden detaillierten Beschreibung weiter
beschrieben.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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Für ein vollständigeres
Verständnis
der Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung wird nun auf
die detaillierte Beschreibung der Erfindung zusammen mit den zugehörigen Figuren
Bezug genommen, in denen entsprechende Bezugszeichen in den verschiedenen
Figuren auf entsprechende Teile Bezug nehmen und in denen:
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1 eine
Längsschnittansicht
eines pneumatischen Bodenstechwerkzeugs gemäß der Erfindung zeigt, die
die Stellung des Schlagelements in dem Moment zeigt, wenn es in
Kontakt mit dem Meißelschaft
kommt,
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2 eine
Längsschnittansicht
des pneumatischen Bodenstechwerkzeugs aus 1 ist, die die
Lage des Meißels
und des Schlagelements zeigt, nachdem das Schlagelement auf den
Meißelschaft geschlagen
hat,
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3 eine
Längsschnittansicht
des pneumatischen Bodenstechwerkzeugs aus 1 zeigt, die
die Stellung des Schlagelements nach Abschluss des Schlaghubs illustriert,
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3A ein
vergrößerter Bereich
aus 3 ist, der die Dichtungen zwischen dem Schlagelement des
Bodenstechwerkzeugs und einer Fluidzufuhrleitung illustriert, die
durch eine Bohrung in dem Schlagelement verläuft,
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4 bis 6 vergrößerte Teilschnittansichten
entsprechend 1 bis 3 zeigen,
wobei der vordere Abschnitt des Werkzeugs detaillierter dargestellt
ist,
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7 eine
Querschnittsansicht eines pneumatischen Bodenstechwerkzeuges gemäß der Erfindung
mit einer verkürzten
Lufteinlassleitung zeigt,
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8 eine
Querschnittsansicht des Schlagelements aus 1 bis 3 entlang
der Linie A-A' aus 1 zeigt,
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9 eine
Längsschnittansicht
einer weiteren Ausführungsform
mit Belüftungsdurchgängen zeigt,
und
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10 eine
Längsschnittansicht
einer anderen Ausführungsform
der Erfindung unter Verwendung eines Ventils anstelle einer Luftzufuhrleitung zeigt.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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Während die
Herstellung und Anwendung verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung
im Folgenden detailliert diskutiert werden, sollte anerkannt werden,
dass die vorliegende Erfindung eine Reihe von erfinderischen Konzepten
bereitstellt, die in einer großen
Vielfalt von spezifischen Zusammenhängen einsetzbar sind. Die spezifischen Ausführungsformen,
die hierin diskutiert sind, sollen lediglich spezifische Arten der
Herstellung und der Verwendung der Erfindung illustrieren und sollen
den Umfang der Erfindung nicht einschränken.
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Gemäß der Erfindung
wird ein pneumatisches Bodenwerkzeug mit beweglichem Meißel mit einer
Vorderkammer mit variablem Volu men ausgestattet, die mit einem Fluid
unter Druck gesetzt wird, wie etwa Druckluft, um eine Luftfeder
zu bilden. Die Luftfeder hebt einen erheblichen Anteil der Reaktionskraft
auf, die erzeugt wird, wenn das Schlagelement des Werkzeugs während des
Vorwärtshubs
des Schlagelements beschleunigt wird. Die auf diese Weise reduzierte
Reaktionskraft führt
zu einer erheblichen Reduzierung der Kraft, die von der Bedienungsperson
angewendet werden muss, wenn das Werkzeug eingebracht wird, und
reduziert die Neigung des Meißels,
sich aus dem umgebenden Boden zu lösen und/oder sich rückwärts in dem
Bohrloch zu bewegen.
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Unter
Bezugnahme auf die 1 bis 4 umfasst
ein erfindungsgemäßes pneumatisches
Bodenstechwerkzeug 10 mit einer beweglichen Meißelanordnung
einen Luftverteilungsmechanismus 12 zum Hin- und Herbewegen
eines Schlagelements 14, das innerhalb eines länglichen,
rohrförmigen
Werkzeuggehäuses 16 angeordnet
ist. Der Luftverteilungsmechanismus 12 umfasst einen Umkehrmechanismus,
der durch Drehen des Luftzufuhrschlauchs in einer im Stand der Technik
bekannten Weise betätigt
wird. Ein bevorzugter Luftverteilungsmechanismus zur Verwendung
mit der vorliegenden Erfindung ist z.B. in US-Patent 5,603,381,
erteilt am 18. Februar 1997, beschrieben, deren gesamter Inhalt
durch Bezugnahme aufgenommen ist. Druckluft wird durch einen Schlauch 11 zum
Luftverteilungsmechanismus 12 geleitet, der das Schlagelement 12 zur
Hin- und Herbewegung innerhalb des Gehäuses 16 veranlasst.
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Das
Gehäuse 16 ist
zylindrisch und durch Pressformung oder anderweitige Bearbeitung
an seinem vorderen Ende mit einer Nase 20 mit reduziertem
Durchmesser ausgebildet. Der Amboss kann jedoch statt dessen auch
in einer mit einem Gewinde versehenen Vorderöffnung des Gehäuses durch
Verschraubung befestigt sein, was die Nase 20 mit reduziertem
Durchmesser und die Anwendung eines Pressformvorgangs zu ihrer Herstellung überflüssig macht.
Das Schlagelement 14 gleitet innerhalb des Gehäuses 16,
um Vorwärtsschläge auf einen
beweglichen Meißelschaft 18 und
auf einen Amboss 22 auszuüben, der im Presssitz in der
vorderen Endöffnung des
Gehäuses 16 sitzt.
Der Amboss 22 ist vorzugsweise ein Stahlrohr, das im Presssitz
innerhalb der vorderen Endöffnung
es Gehäuses 16 sitzt;
der Ausdruck Amboss, wie er hier verwendet wird, bezieht sich jedoch
auch auf einen entsprechenden Bereich eines einstückigen Werkzeugkörpers oder
auf ein separates Teil, das durch Gewindeverbindung wie oben beschrieben
in dem Gehäuse
befestigt ist. Ein kegelstumpfförmiger
vorderer Endbereich des Ambosses 22 hat eine äußere Oberfläche, die
an einer entsprechend geformten inneren Oberfläche der Nase 20 des
Gehäuses 16 anliegt,
um den Amboss 22 im Gehäuse 16 zu
halten.
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Mit
Bezugnahme auf 4 umfasst der Amboss 22 eine
mittige Bohrung 28 mit einem nach vorne offenen Abschnitt 30 mit
großem
Durchmesser, einem sich verjüngenden Übergangsabschnitt 31 und einem
nach hinten offenen Abschnitt 32 mit kleinem Durchmesser.
Eine rohrförmige
Hülse 34 hat
einen Gewindeendbereich 38, der in Gewinde an der Innenseite
des vorderen Abschnitts 30 mit großem Durchmesser der Bohrung 28 geschraubt
ist, um die Hülse 34 festzuhalten.
Eine runde Gegenmutter 40 ist auf den Endbereich 38 der
Hülse 34 vor
den Amboss 22 geschraubt. Die Gegenmutter 40 hat
vier Sacklöcher 41 an
ihrer Seite, die in 90° Abstand
zueinander liegen und die die Verwendung eines Spanners zum Festziehen
der Mutter 40 gegen die Vorderfläche des Ambosses 22 erlauben.
Die durch das Anziehen der Mutter 40 erzeugte Klemmspannung
verhindert, dass die Gewindeverbindung zwischen der Hülse 34 und
der Bohrung 28 des Amboss sich während des Werkzeugbetriebs
löst. Der
Kopfaufbau kann abgenommen werden, indem zunächst die Gegenmutter 40 gelöst und dann
die Hülse 34 aus
der Bohrung 28 herausgeschraubt wird.
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Der
Meißelschaft 18 ist
gleitfähig
in der rohrförmigen
Hülse 34 gelagert,
wobei ein hinteres Ende 36 des Meißelschaftes mit kleinerem Durchmesser durch
einen sich nach hinten öffnenden
Abschnitt 32 der Bohrung 28 mit kleinem Durchmesser
erstreckt. Der Meißelschaft 18 ist
in der Hülse 34 zwischen
der in 4 gezeigten Position, wo das hintere Ende 36 des
Schaftes durch den Amboss 22 vorsteht, und der in 5 gezeigten
Position beweglich, wo das hintere Ende 36 im Inneren des
Ambosses ist. Der Meißelschaft 18 umfasst
ein mit Gewinde versehenes Vorderende 42, einen Mittelbereich 44,
der durch die Hülse 34 verläuft und
eine Abdichtungsschulter 46 mit vergrößertem Durchmesser. Die Abdichtungsschulter 46 mit
vergrößertem Durchmesser
ist nach hinten abgeschrägt
zu dem hinteren Ende 36 des Schaftes 18 mit kleinem
Durchmesser, um so zu dem Innenprofil der Bohrung 28 zu
passen. Eine Lagerabdichtung 48 verläuft um den äußeren Umfang der Schulter 46,
um eine gasdichte Abdichtung zwischen der Schulter 46 und
der Innenwand der Bohrung 28 zu bilden. Ähnliche
Lagerabdichtungen 49 sind zwischen dem hinteren Ende 36 des
Meißelschaftes 18 und
dem Abschnitt 32 der Bohrung 28 mit kleinem Durchmesser
und zwischen dem Mittelabschnitt 44 und der Hülse 34 angeordnet.
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Wie
dargestellt, ist ein abgestufter Meißelkopf 50 am vorderen
Gewindeende 42 des Meißelschaftes 18 montiert.
Der Meißelkopf 50 umfasst
eine ringförmige
Wand 53, die eine axial verlaufende mittige Öffnung 52 bildet.
Ein Loch 54 mit kleinerem Durchmesser, das sich von der
mittigen Öffnung 52 nach
vorne erstreckt, umfasst ein Innengewinde zum Befestigen des Meißelkopfes 50 auf
dem Gewindeende 42 des Meißelschaftes 18. Die Öffnung 52 ist
so bemessen, um das vordere Ende 56 der Hülse 34 aufzunehmen,
und eine Dichtung 58, die um den Umfang des Vorderendes 56 der
Hülse 34 verläuft, bildet eine
gasdichte Abdichtung zwischen der Hülse 34 und der Innenwand
der mittigen Öffnung 52.
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Wie
am Besten in 3 illustriert, verläuft eine
Fluidzufuhrleitung 60 aus einer mittigen Bohrung 62,
die in dem Meißelschaft 18 gebildet
ist, in eine koaxial verlaufende Bohrung 66, die durch
das Schlagelement 14 bis zu einer hinteren Schlagelementkammer 64 mit
variablen Volumen verläuft.
Die Bohrung 66 ist so gestaltet, um dem Schlagelement 18 zu
erlauben, über
die Leitung 60 zu gleiten, wenn sich das Schlagelement 18 hin-
und herbewegt. Eine Dichtung 70 verhindert Leckagen zwischen
der Leitung 60 und der Bohrung 66. Die Zufuhrleitung 60 ist vorzugsweise
aus einem flexiblen Kunststoffmaterial gebildet und in dem Meißelschaft 18 mittels
eines geeigneten Klebstoffs und/oder durch Gießen der Leitung auf die Kontur
der Bohrung 62 befestigt.
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Mit
Bezug auf die 4 bis 6 ist die
Versorgungsleitung 60 mit radial verlaufenden Anschlüssen 72 ausgebildet,
die mit einem ringförmigen
Raum 74 zwischen der Versorgungsleitung und der Innenwand
der Bohrung 62 kommunizieren. Einer oder mehrere zweite
Anschlüsse 76 verlaufen
von dem ringförmigen
Raum 74 durch den Meißelschaft 18 und öffnen sich
in eine ringförmige
vordere Kammer 78 mit variablen Volumen, die zwischen dem
Amboss, dem Meißelschaft 18 und
der Hülse 34 gebildet ist.
Die Leitung 60 bildet zusammen mit dem radialen Anschluss 72,
dem ringförmigen
Raum 74 und dem zweiten Anschluss 76 eine Fluidleitung
oder -durchgang aus der hinteren Schlagelementkammer 64 zu der
vorderen Kammer 78, was es ermöglicht, die Kammer mit Druckluft
aus der hinteren Schlagelementkammer unter Druck zu setzen.
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Mut
Bezug auf die 1 bis 3 wird, wenn
das Werkzeug 10 in den Boden eingebracht wird, Druckluft
durch den Luftverteilungsmechanismus 12 in die hintere
Schlagelementkammer 64 zugeführt, was das Schlagelement
nach vorne beschleunigt (von links nach rechts). Die das Schlagelement 14 nach
links beschleunigende Kraft beschleunigt das Werkzeuggehäuse 16 nach rechts. Während des
Einbringens muss die Bedienungsperson diese Kraft dadurch kompensieren,
dass sie das Werkzeug gegen die Wand des Einbringungsschachtes drückt. 1 und 4 zeigen
das Werkzeug 10 in dem Moment, wenn das Schlagelement 14 das hintere
Ende 36 des Meißelschaftes 18 berührt.
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2 illustriert
die Position des Meißelkopfes 50 und
des Meißelschaftes 18,
nachdem das Schlagelement 14 auf den Meißelschaft 18 geschlagen
hat. Der Schaft 18 und der Meißelkopf 50 sind durch
das Schlagelement 14 nach vorne getrieben worden, bis das
hintere Ende 36 des Schaftes 18 vollständig innerhalb
der Bohrung 28 des Ambosses 22 liegt. Die Vorwärtsbewegung
des Meißelschaftes 18 in
Bezug auf den Amboss 22 und das Werkzeuggehäuse 16 öffnet eine
Lücke 80 zwischen
dem Meißelkopf 50 und
der Gegenmutter 40. Dann trifft das Schlagelement 14 auf
den Amboss 22, was das Werkzeuggehäuse 16 nach links
treibt und die Lücke 80 schließt. Gleichzeitig
kehrt der Luftverteilungsmechanismus 12 den Druckluftfluss
aus der hinteren Schlagelementkammer 64 in die vordere
Schlagelementkammer 82 um, was das Schlagelement 14 von rechts
nach links beschleunigt.
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Wenn
das Schlagelement 14 von rechts nach links beschleunigt
wird, beschleunigt eine entsprechende Reaktionskraft das Werkzeuggehäuse 16 von
links nach rechts, was der Tendenz entspricht, das Gehäuse 16 aus
dem Bohrloch heraus zu treiben. Während das Schlagelement von
links nach rechts bewegt wird, entlüftet der Luftverteilungsmechanismus 12 die
vordere Schlag-elementkammer 82 (3) auf Atmosphärendruck,
was die Rückwärtsbewegung
des Schlagelements in der in 3 gezeigten
Position stoppt, worauf der Zyklus wiederholt wird.
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Es
wird nun auf 1 Bezug genommen. Wenn die Bedienungsperson
während
des Vorwärtshubs
des Schlag-elements 14 es nicht schafft, die Reaktionskraft,
die das Werkzeuggehäuse 16 nach rechts
beschleunigt, während
das Schlagelement 14 nach links beschleunigt wird, zu kompensieren,
bewegt sich das Gehäuse 16 nach
rechts, öffnet
die Lücke 80 (wie
in 5 dargestellt) zwischen dem Meißelkopf 50 und
der Gegenmutter 40. Wenn sich die Lücke 80 auf die maximal
mögliche
Breite öffnet,
trifft die Hülse 34 auf
die Schulter 46 des Meißelschaftes 18 nach
Art eines Gleithammers, was unerwünschte Effekte verursacht.
Der Meißelkopf 50 und
möglicherweise
das Gehäuse 16 können die
Reibungskräfte, die
den Meißelkopf
und das Gehäuse
in der Bohrung festhalten, bevor das Schlagelement 14 auf
den Meißelschaft 18 schlägt, überwinden.
Wenn die Reibungskräfte,
die den Meißelkopf 50 im
Bohrloch halten, überwunden
werden, kann der Meißelkopf 50 aus
dem Bohrloch zurückgezogen
werden (von rechts nach links), was den während des vorhergehenden Zyklus
des Schlagelements 14 erreichten Vorwärtsschritt zunichte macht.
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Das
Werkzeug 10 der Erfindung reduziert die Wahrscheinlichkeit
dieser unerwünschten
Effekte, indem die Größe der Reaktionskraft
teilweise mit einer Luftfeder kompensiert wird. Die Gasfeder in
der vorderen Kammer 78 wird erzeugt, wenn die Kammer durch
die Leitung 60 unter Druck gesetzt wird. Damit sich die
Lücke 80 öffnet, wenn
das Schlagelement 14 nach vorne beschleunigt wird, muss
die Hülse 34 sich gegen
die Schulter 46 des Meißelschaftes 18 bewegen,
wodurch der Druck in der vorderen Kammer 78 überwunden
wird, wenn das Volumen der Kammer reduziert wird. Die erforderliche
Kraft, um den Druck in der vorderen Kammer 78 zu überwinden,
gleicht im Wesentlichen die Reaktionskraft aus, die das Werkzeuggehäuse 16 beschleunigt,
was die Kraft erniedrigt, die die Bedienungsperson aufbringen muss.
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Zum
Beispiel im Fall eines Werkzeugs mit einem Körperdurchmesser von 2,2 Zoll
(56 mm) und einem Schlagelementdurchmesser von 1,614 Zoll (41 mm)
berechnet sich die Reaktionskraft, wenn das Schlagelement 14 beschleunigt
wird, auf etwa 38,5 N (155 pound), unter Annahme eines Druckes der Druckluft
von 70 hPa (100 psig). Die berechnete Kraft zur Überwindung des Druckes in der
vorderen Kammer 78 ist 20 N (83 pounds), was zu einer Nettokraft von
17,9 N (72 pounds) führt,
die benötigt
wird, um das Werkzeuggehäuse 16 festzuhalten,
wenn das Schlagelement 14 von links nach rechts während des Vorwärtshubs
des Schlagelements beschleunigt wird. Daher muss die Bedienungsperson
des Werkzeugs nur 17,9 N (72 pounds) anstatt 38,5 N (155 pounds)
kompensieren. Der Effekt wird im Fall von Bodenstechwerkzeugen mit
größerem Durchmesser noch
verstärkt.
Ferner wird die Reduzierung des Kraftbetrages, der zur Kompensation
der Reaktionskraft benötigt
wird, ohne die Verwendung einer Metallfeder erreicht, wodurch Bruch-
und Konstruktionsprobleme, die damit verbunden sind, umgangen werden.
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Mit
Bezug auf 7 ist eine alternative Ausführungsform
eines Bodenstechwerkzeugs 100 in jeder Hinsicht im Wesentlichen
identisch mit dem Werkzeug 10 auf 1 bis auf
die Zufuhrleitung 102. Wie dargestellt, verläuft die
Zufuhrleitung 102 nur teilweise in den Meißelschaft 18,
was die Notwendigkeit der radial verlaufenden Anschlüsse 72 erübrigt.
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9 ist
eine weitere alternative Ausführungsform
der Erfindung, wobei das Bodenstechwerkzeug 110 im Wesentlichen
identisch mit dem Werkzeug 10 auf 1 ist, außer dass
ein spezieller Lüftungsdurchgang
hinzugefügt
ist. Wenn die Dichtungen des Werkzeugs zu lecken beginnen, verschlechtert
sich die Effektivität
der Luftfeder auf Grund von Druck in dem Raum hinter der Schulter 46,
der dem Druck in der Kammer 78 entgegenwirkt. Lüftungsdurchgänge 111 bis 113 sind
hinter der Schulter 46 des Meißelschaftes 18 mit
vergrößertem Durchmesser
vorgesehen, um sicherzustellen, dass der Druck auf der Hinterseite
dieses Kolbens sehr niedrig bleibt. Der Durchgang 111 verläuft radial durch
den Amboss 22 von der Oberfläche des ge neigten Übergangsabschnitts 31 und öffnet sich
in eine oder mehrere nach außen
offene, nach vorne verlaufende Nuten 112 an der Außenseite
des Ambosses 22. Die Enden dieser Nuten 112 kommunizieren
mit einer ringförmigen
Lücke 113 zwischen
der Gegenmutter 40 und dem Gehäuse 16. Die Lücke 113 ist
gegenüber
der Umgebungsatmosphäre
offen.
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Die
Aufrechterhaltung eines niedrigen Druckes auf der Hinterseite der
Schulter 46 stellt sicher, dass der auf die Vorderseite
der Schulter angewendete Druck für
eine maximale Kraft in Rückwärtsrichtung
sorgt, um den Meißelschaft
zurückzusetzen. Dieser
Aspekt der Erfindung kann auch in Verbindung mit bekannten Konstruktionen
verwendet werden, die eine Schraubenfeder (US-Patent 5,095,998 wie
oben zitiert) anstelle der hier beschriebenen Luftfeder verwenden.
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10 illustriert
eine weitere Ausführungsform
der Erfindung, wobei die Leitung 60 und zugehörige Strukturen
vollständig
fortgelassen sind. Statt dessen wird ein zentrales Ventil 121 durch
eine relativ große,
haltbare Feder 123 gegen einen Sitz 122 gedrückt. Das
Ventil 122 ist in der zentralen Bohrung 124 des
Meißelschaftes 126 angebracht
und dichtet die Kammer 178 ab. Während des Teils des Zyklus, bei
dem die vordere Druckkammer vor dem Schlagelement 14 unter
Druck gesetzt wird, drückt
dieser Druck das Ventil 121 um eine kurze Strecke zurück und komprimiert
die Feder 123 leicht und öffnet die Durchgänge, die
zu der Kammer 78 führen.
Die Kammer 78 bleibt dann während der Entlüftungsphase des
Zyklus unter Druck, weil das Ventil 121 sich unter der
Wirkung der Feder 123 schließt, wenn der Druck vor dem
Schlagelement 14 abfällt.
Diese Ausführungsform
vermeidet die Notwendigkeit, eine Luftzufuhrleitung vorzusehen und
kann daher bessere Haltbarkeit als die vorhergehenden Ausführungsformen haben.
Während
bestimmte Ausführungsformen
der Erfindung für
die Zwecke dieser Offenbarung illustriert worden sind, können zahlreiche Änderungen
in dem Verfahren und der Vorrichtung der Erfindung, die hier präsentiert
ist, durch Fachleute ausgeführt
werden, wobei solche Änderungen
in dem Umfang der vorliegenden Erfindung wie in den folgenden Patentansprüchen definiert
enthalten sein sollen.