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Die Erfindung betrifft eine Rammbohrvorrichtung mit einem pneumatischen Antrieb und einer hydraulischen Umsteuerung der Bewegungsrichtung.
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Rammbohrvorrichtungen, wie sie insbesondere für die Herstellung von horizontalen Erdbohrungen verwendet werden, werden in der Regel mittels eines Schlagkolbens angetrieben, der innerhalb des Gehäuses hin- und herbewegt wird und dabei, je nach gewünschter Bewegungsrichtung der Vorrichtung auf eine vordere oder hintere Schlagfläche prallt. Die dadurch übertragene kinetische Energie des Schlagkolbens sorgt für eine Beschleunigung der Rammbohrvorrichtung innerhalb des Erdreichs.
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Im Allgemeinen wird eine Umsteuerung der Bewegungsrichtung dadurch erreicht, dass die mittlere Lage (zwischen den zwei Wendepunkten) des Schlagkolbens von einer vorderen zu einer hinteren Stellung – oder anders herum – verschoben wird. Somit trifft der Schlagkolben, je nach Stellung, entweder auf die vordere oder hintere Schlagfläche auf und definiert dadurch die Bewegungsrichtung der Vorrichtung.
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Ausführungen bekannt, mit denen die mittlere Lage des Schlagkolbens verschoben und folglich die Bewegungsrichtung der Vorrichtung verändert werden kann.
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DE 295 18 159 U1 offenbart eine Rammbohrvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Aus der
DE 39 09 567 A1 eine Rammbohrvorrichtung bekannt, bei der ein Steuerrohr fest mit einer Druckluftzufuhr verbunden ist. Das Steuerrohr ist sowohl längsaxial als auch rotatorisch über eine vorgespannte Schraubenfeder mit einem gehäusefesten Bauteil verbunden. Die Feder zwingt das Steuerrohr, auf dem ein Schlagkolben axial beweglich angeordnet ist, in eine vordere Stellung (Vorlaufstellung) und verriegelt es in dieser Stellung durch eine Vierteldrehung in eine entsprechende Verriegelungsnut. Zum Umsteuern der Vorrichtung wird das Steuerrohr durch eine Vierteldrehung der Druckluftzufuhr entgegen der Federvorspannung entriegelt, so dass das Steuerrohr unter dem Einfluss der Druckluft und entgegen der längsaxialen Federkraft in eine hintere Stellung (Rücklauf) verschoben wird. Wie in der vorderen Stellung verriegelt das Steuerrohr dort unter dem Einfluss der rotatorisch vorgespannten Feder.
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Um wieder auf Vorlauf zu schalten, wird das Steuerrohr wiederum mittels der Druckluftzufuhr gedreht und zudem die Höhe des Luftdrucks soweit abgesenkt, dass die längsaxiale Federkraft die Kraft, die durch die Druckluft auf das Steuerrohr wirkt, übersteigt. Somit bewegt sich das Steuerrohr automatisch in seine vordere Position.
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Zum Umsteuern einer Rammbohrvorrichtung gemäß der
DE 39 09 567 A1 muss somit das Steuerrohr durch eine Drehung der Druckluftzufuhr rotiert und zusätzlich die Höhe des Luftdrucks zeitweise abgesenkt werden.
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Ein anderes Beispiel für eine Umsteuerung einer pneumatischen Rammbohrvorrichtung beschreibt die
DE-OS 21 05 229 . Auf einer Steuerbuchse sitzt axial verschiebbar ein Schlagkolben. Die Steuerbuchse weist mehrere Steueröffnungen auf, die teilweise dem Vorlauf und teilweise dem Rücklauf zuzuordnen sind. Ein Steuerrohr, durch dessen Innenraum Druckluft dem Gerät zugeführt wird und das ebenfalls Steueröffnungen aufweist, die, je nach rotatorischer Stellung des Steuerrohrs, sich mit einem Teil der Steueröffnungen in der Steuerhülse decken, befindet sich innerhalb der Steuerbuchse. Eine Schraubenfeder, die zwischen Steuerrohr und Steuerhülse angeordnet ist, zwingt die zwei Bauteile in eine gegenseitige, durch eine Feder-Nut-Kombination definierte Endstellung.
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Die Nut sitzt in der Innenseite der Steuerhülse und hat einen zick-zack-förmigen Verlauf, so dass das Steuerrohr mit der sich in der Nut bewegenden Feder eine kombinierte rotatorische und translatorische Bewegung ausführt.
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Ein Umschalten der Bewegungsrichtung erfolgt nun dadurch, dass die Druckluftversorgung zeitweise abgeschaltet wird. Dadurch verschiebt die Feder das Steuerrohr relativ zu der Steuerhülse in eine Wendespitze der Zick-Zack-Nut. Wird die Druckluft wieder zugeschaltet, so wird das Steuerrohr wieder entgegen der Federkraft in die nächste Wendespitze der Nut geschoben. Bei jedem Abschalt-Zuschalt-Zyklus dreht sich das Steuerrohr relativ zu der Steuerhülse um 90°. Nun überdecken sich entweder die Steueröffnungen für den Vorlauf oder den Rücklauf der beiden Bauteile. Die Rammbohrvorrichtung bewegt sich dabei entweder vorwärts oder rückwärts.
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Durch erneutes Ab- und wieder Zuschalten rotieren das Steuerrohr und die Steuerhülse wiederum gegeneinander um 90°, so dass sich die übrigen Steueröffnungen der zwei Bauteile überdecken. Die Bewegungsrichtung der Vorrichtung wurde umgekehrt.
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Die Umsteuerung einer Vorrichtung gemäß der
DE-OS 21 05 229 erfordert ein Abschalten der Druckluftzufuhr. Dadurch können sich Probleme beim erneuten Start des Schlagkolbens ergeben. Zudem besteht die Gefahr, dass Wasser und Erdreich aufgrund des kurzzeitig fehlenden Überdrucks innerhalb der Vorrichtung in diese eindringt. In beiden Fällen muss das Rammbohrwerkzeug dann durch eine Ausgrabung geborgen werden, was in einem deutlichen Mehraufwand und einem erheblichen Zeitverlust resultiert.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte pneumatisch angetriebene Rammbohrvorrichtung zu schaffen, deren Bewegungsrichtung ohne Beeinflussung der Druckluftzufuhr umgeschaltet werden kann, und eine einfache Konstruktion der Umsteuerung vorliegt, bei der die Möglichkeit gegeben ist, Frequenz und Schlagintensität des Schlagkolbens zu beeinflussen.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen sind in den abhängigen Patentansprüchen genannt.
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Die Erfindung sieht vor, ein Rammbohrgerät, das pneumatisch mittels eines über eine erste Zuleitung zugeführten Antriebsdruckgases (vorzugsweise Druckluft) angetrieben wird, mittels eines Druckfluids, das dem Rammbohrgerät unabhängig von der Antriebsdruckluft zugeführt wird, von dem Vorlauf in den Rücklauf und umgekehrt umzusteuern. Das Umsteuern kann somit ohne Beeinflussung der Zufuhr des Antriebsdruckgases erfolgen.
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Eine erfindungsgemäße Rammbohrvorrichtung weist demnach zumindest einen innerhalb eines Gehäuse gelagerten, mittels eines Antriebsdruckgases (insbesondere Druckluft) in einer zyklischen Hin- und Herbewegung angetriebenen Schlagkolben auf, wobei der Schlagkolben in einer ersten Schaltstellung auf eine vordere Schlagfläche auftrifft, um die Rammbohrvorrichtung in einer ersten Bewegungsrichtung anzutreiben, und in einer zweiten Schaltstellung auf eine hintere Schlagfläche auftrifft, um die Rammbohrvorrichtung in einer zweiten Bewegungsrichtung anzutreiben, und wobei die Umschaltung zwischen den Bewegungsrichtungen durch ein Verschieben der mittleren Position des Schlagkolbens innerhalb des Gehäuses erfolgt. Die Rammbohrvorrichtung ist erfindungsgemäß zudem dadurch gekennzeichnet, dass das Verschieben der mittleren Position des Schlagkolbens durch eine Druckflüssigkeit erfolgt, die der Rammbohrvorrichtung unabhängig von der Antriebsdruckluft zugeführt wird. Das Umsteuern der Bewegungsrichtung erfolgt hydraulisch. Die Verwendung einer Druckflüssigkeit weist den Vorteil auf, dass diese im Wesentlichen inkompressibel ist und daher eine exakte Steuerung der Position des Schlagkolbens innerhalb des Gehäuses der Vorrichtung einfach umgesetzt werden kann.
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Unter „Rammbohrvorrichtung” wird jedes Gerät verstanden, welches in einem bestehenden oder zu erstellenden Kanal stoßweise bewegt wird, um eine Bohrung zu erstellen oder aufzuweiten oder ein bestehendes Rohr zerstörend oder nicht zerstörend zu ersetzen oder zu reinigen, Leitungen in bestehende Rohre oder andere Langkörper einzuziehen sowie sämtliche Vorrichtungen für Bauarbeiten des unterirdischen Vortriebs.
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Die Rammbohrvorrichtung im Sinne der Erfindung ist nicht auf unterirdische Erdarbeiten beschränkt. So können beispielsweise Leitungen, in denen ein Erdbohrgerät betrieben wird, auch oberirdisch verlaufen.
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Es ist ein Führungsrohr vorgesehen, das direkt oder indirekt unbeweglich mit dem Gehäuse der Rammbohrvorrichtung verbunden ist. Auf dem Führungsrohr ist eine Steuerhülse und auf der Steuerhülse ein Schlagkolben jeweils axial verschiebbar angeordnet.
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Der Schlagkolben kann sich unter dem Einfluss des zugeführten Antriebsdruckgases auf der Steuerhülse hin- und herbewegen, wobei Steueröffnungen in einem regelmäßigen zeitlichen Abstand geöffnet und geschlossen werden und so nacheinander verschiedene Arbeitskammern der Rammbohrvorrichtung an das Antriebsdruckgas angeschlossen oder von dieser getrennt werden.
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Die Außenfläche des Führungsrohrs und die Innenfläche der Steuerhülse bilden mit entsprechend angeordneten ringförmigen Kanten eine ringförmige Druckkammer, die von der Druckflüssigkeit gefüllt wird. Die Größe der Druckkammer wird durch die relative längsaxiale Lage der zwei Bauteile zueinander definiert und kann durch entsprechendes Verschieben variiert werden. Zur Fixierung oder Variation der Größe der Druckkammer ist vorgesehen, die Höhe des Drucks der Druckflüssigkeit in Abhängigkeit von dem Außendruck oder einer anderen Gegenkraft, beispielsweise einer Federkraft, zu variieren.
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Die Druckkammer kann neben der Ringform eine beliebige Form aufweisen. Insbesondere kann die Druckkammer lediglich von einem Teilkreis des Außen- bzw. des Innenumfangs des Führungsrohrs bzw. der Steuerhülse gebildet werden.
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Die Größe der Druckkammer definiert die mittlere Position des hin- und hergehenden Schlagkolbens in dem Gehäuse. Somit kann direkt über die Höhe des Drucks der Druckflüssigkeit beeinflusst werden, ob der Schlagkolben auf eine vordere oder hintere Schlagfläche der Rammbohrvorrichtung auftrifft.
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Zudem kann, da die erfindungsgemäße Steuerung ermöglicht, die mittlere Position des Schlagkolbens stufenlos zu verstellen, der Hub des Schlagkolbens und daraus folgend dessen Frequenz sowie dessen Schlagintensität beeinflusst werden.
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Zur Versorgung der Druckkammer mit der Druckflüssigkeit kann vorgesehen sein, eine zusätzliche Fluidleitung innerhalb des Steuerrohrs anzuordnen.
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Bei der hydraulisch erfolgenden Umsteuerung, ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung vorgesehen, dass die Fluidleitung als Hydraulikleitung ausgebildet ist und bis zu mindestens einer Austrittsöffnung für die Druckflüssigkeit im Bereich des Bohrkopfs führt. Dazu kann die Hydraulikleitung durch den Schlagkolben geführt werden, dessen Stirnseite eine entsprechende Durchgangsbohrung aufweist.
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Die Austrittsöffnung für die Druckflüssigkeit kann dazu dienen, eine Spülflüssigkeit im Bereich des Bohrkopfs in das Erdreich einzuleiten, so dass dieses aufgeweicht wird und einfacher verdrängt werden kann. Als Spülflüssigkeit können neben Wasser Bohrflüssigkeiten zum Einsatz kommen, deren Eigenschaften durch Beimischen von Zusatzstoffen den jeweiligen Bohrverhältnissen angepasst werden können.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Bohrkopf eine Mehrzahl von Austrittsöffnungen auf, die vorteilhafterweise kreisförmig in gleichmäßiger Teilung auf dem Umfang des Bohrkopfs angeordnet sind. Dadurch kann erreicht werden, dass die Spülflüssigkeit möglichst gleichmäßig in das Erdreich im Bereich des Bohrkopfs eingeleitet wird.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, die Spülflüssigkeit unter Druck einseitig aus der Rammbohrvorrichtung herauszuleiten. Die somit entstehende Seitenkraft führt zu einem seitlichen Ablenken der Vorrichtung, die für eine Richtungskorrektur genutzt werden kann.
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Für den Fall mehrerer, kreisförmig angeordneter Austrittsöffnungen können Mittel, beispielsweise schaltbare Mehrwegeventile, vorgesehen sein, mit denen der Spülmittelfluss durch die einzelnen Austrittsöffnungen geregelt werden kann.
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Vorteilhafterweise kann in der Hydraulikleitung, insbesondere in dem Abschnitt zwischen einem Zulauf für die Druckkammer und der oder den Austrittsöffnungen im Bereich des Bohrkopfs, ein Druckbegrenzungsventil angeordnet sein.
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Das Druckbegrenzungsventil kann beispielsweise dazu dienen, bis zu einem bestimmten Druckniveau in der Hydraulikleitung die Austrittsöffnungen von der Druckversorgung abzusperren. Somit wird erst nach dem Überschreiten eines Grenzwerts des Drucks Spülflüssigkeit in das Erdreich eingeleitet. Im Druckbereich unterhalb des Grenzwerts kann somit der Flüssigkeitsdruck ausschließlich für das Umsteuern der Bewegungsrichtung verwendet werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Druckkammer so ausgelegt, dass bei einem hohen Druck die Steuerhülse mitsamt dem Schlagkolben in Richtung einer Schaltstellung für eine Vorwärtsbewegung der Rammbohrvorrichtung verschoben wird. Wird dagegen der Druck weiter abgesenkt, verschiebt sich die Steuerhülse mitsamt dem Schlagkolben unter dem Einfluss der Antriebsluft oder einer anderen Kraft und entgegen dem Flüssigkeitsdruck in der Druckkammer in Richtung einer Schaltstellung für eine Rückwärtsbewegung der Vorrichtung.
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Durch eine derartige Ausführung der Druckkammer kann in Verbindung mit einem Druckbegrenzungsventil in der Hydraulikleitung erreicht werden, dass der Ausfluss von Spülflüssigkeit in das Erdreich im Rückwärts-Betrieb der Vorrichtung gestoppt ist.
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Zudem kann durch eine entsprechende Auslegung des Druckbegrenzungsventils der Ausfluss von Spülflüssigkeit in das Erdreich im Vorwärts-Betrieb der Vorrichtung zu- oder abgeschaltet werden, ohne eine Umkehr der Bewegungsrichtung der Vorrichtung auszulösen. Dazu kann der hydraulische Druck je nach gefordertem Schaltzustand des Spülmittelausflusses entweder oberhalb (Spülmittelausfluss zugeschaltet) oder knapp unterhalb (Spülmittelausfluss abgeschaltet) des Grenzwerts des Druckbegrenzungsventils eingestellt werden. Die Schaltstellung der Druckkammer kann davon unberührt bleiben.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht, eine Rammbohrvorrichtung pneumatisch mit einem möglichst gleichmäßigen – hinsichtlich des Drucks und/oder des Volumenstroms – Antriebsdruckgaststrom zu betreiben und das Umsteuern der Bewegungsrichtung mittels einer unabhängig von dem Antriebsdruckgas zugeführten Druckflüssigkeit auszuführen. Dadurch können Fehlsteuerungen aufgrund schwankenden pneumatischen Drucks des Antriebgases verhindert werden. Zudem kann ein Ziehen oder Drehen an der Druckluftzufuhr, wie es in der Regel im Stand der Technik für das Umsteuern der Bewegungsrichtung vorgesehen ist, entfallen.
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Besonders vorteilhaft ist, wenn eine Druckflüssigkeit, die zum Umsteuern der Bewegungsrichtung verwendet wird, in das Erdreich eingeleitet wird, um dieses aufzuweichen und/oder eine Seitenkraft zu erzeugen, die zum Richtungssteuern der Vorrichtung ausgenutzt wird.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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In den Zeichnungen zeigt:
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1: eine geschnittene Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Rammbohrvorrichtung;
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2: den hinteren Abschnitt der Rammbohrvorrichtung aus 1 in einer vergrößerten Darstellung und
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3: den vorderen Abschnitt der Rammbohrvorrichtung aus 1 in einer vergrößerten Darstellung.
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Die dargestellte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rammbohrgeräts besteht im Wesentlichen aus einem Gehäuse 1, in das ein Bohrkopf 2 eingeschraubt ist. Ein Schlagkolben 3 bewegt sich unter dem Einfluss von Druckluft in dem Gehäuse hin und her, wobei der Schlagkolben 3 innerhalb jeder Periode, in Abhängigkeit von seiner mittleren Position (zwischen den zwei Wendepunkten), entweder auf eine vordere Schlagfläche 4 oder eine hintere Schlagfläche 5 auftrifft. Die dabei übertragene Stoßenergie führt zu einer Beschleunigung des Gehäuses 1.
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Die mittlere Position des Schlagkolbens 3 und folglich die Bewegungsrichtung der Rammbohrvorrichtung wird durch die Position der Steuerhülse 6 bestimmt.
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Die Steuerhülse 6 sitzt innerhalb des Schlagkolbens 3 und, je nach Stellung der beiden Bauteile zueinander, verdeckt oder gibt Steueröffnungen 7 in der Wand des Schlagkolbens 3 frei. Bei geöffneten Steueröffnungen 7 füllt sich der äußere Arbeitsraum 8 mit Druckluft, so dass der Schlagkolben 3 aufgrund der größeren Fläche im Vergleich zu derjenigen des inneren Arbeitsraums 9 in Richtung des hinteren Endes (rechts in der 1) der Rammbohrvorrichtung bewegt wird. Hat sich der Schlagkolben 3 ausreichend weit nach hinten verschoben, verschließt die Steuerhülse 6 die Steueröffnungen 7 zunächst und gibt diese dann auf der gegenüberliegenden Seite wieder frei, wodurch der Druck in der Arbeitskammer 8 auf Atmosphärendruck entspannt wird. Dadurch übersteigt der Druck in der inneren Arbeitskammer 9 denjenigen der äußeren Arbeitskammer 8, so dass sich der Schlagkolben 3 wieder nach vorne in Richtung Bohrkopf 2 der Vorrichtung bewegt.
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Zum Umsteuern der Bewegungsrichtung von Vorlauf auf Rücklauf ist vorgesehen, die Steuerhülse 6 innerhalb des Gehäuses 1 nach hinten zu verschieben. Dadurch wird gleichzeitig die mittlere Position des Schlagkolbens 3 versetzt.
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Dazu weist die Rammbohrvorrichtung ein Führungsrohr 10 auf, das mit dem Gehäuse 1 und einer Zuleitung 14 für die Druckluft verbunden ist. Die Steuerhülse 6 sitzt axial (in den durch die Kanten 21 definierten Grenzen) verschiebbar auf dem Führungsrohr 10. Durch die Anordnung der Kanten 21 auf dem Innenumfang der Steuerhülse 6 und dem Außenumfang des Führungsrohrs 10 wird erreicht, dass die zwei Bauteile eine ringförmige Druckkammer 11 bilden, deren Größe durch die relative Bewegung der Bauteile zueinander verändert wird.
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Eine Hydraulikleitung 12 verläuft innerhalb des Führungsrohrs 10 und erstreckt sich bis in den vorderen Bereich der Vorrichtung. Über einen Anschluss (Zulauf 13) wird die Druckkammer mit Spülflüssigkeit aus der Hydraulikleitung 12 gespeist.
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In der dargestellten Ausführungsform verläuft die Hydraulikleitung 12 innerhalb der Druckluftzufuhr 14 und innerhalb des Führungsrohrs 10. Gleichsam ist es möglich, die Hydraulikleitung 12 ganz oder im wesentlichen außerhalb der Druckluftzufuhr 14 und/oder des Führungsrohrs 10 anzuordnen.
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Über den Druck in der Druckkammer 11 in Verbindung mit dem Gegendruck, der innerhalb des inneren Arbeitsraums 9 auf die Steuerhülse 6 wirkt, kann die relative Position der Steuerhülse 6 im Gehäuse 1 verändert werden. Auf diese Weise kann der Kolbenhub und folglich die Schlagzahl verändert und die Bewegungsrichtung der Rammbohrvorrichtung umgesteuert werden.
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Die Hydraulikleitung 12 erstreckt sich weiter durch den Schlagkolben 3, der entsprechende Bohrungen aufweist, bis zu dem Bohrkopf 2 der Vorrichtung. Die dargestellte Ausführungsform des Bohrkopfs 2 stellt einen Mehrstufenkopf dar. Dieser besteht aus einem Meißel 15 mit einem aufgesetzten Stufenkonus 16. Das hintere Ende des Meißels ragt zu einem geringen Teil in den äußeren Arbeitsraum 8, so dass der Schlagkolben 3 zunächst auf den Meißel 15 trifft und diesen sowie den Stufenkonus 16 in das vor der Rammbohrvorrichtung liegende Erdreich vortreibt. Dadurch wird eine gezielt hohe Einleitung der Stoßenergie in das Erdreich ermöglicht.
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Erst wenn die hintere Kante des Meißels 15 in einer Ebene mit der Schlagfläche 4 ist, wird die verbliebene Energie auf das Gehäuse übertragen, so dass es dann mit dem Meißel 15 sowie dem Stufenkonus 16 mitbewegt wird.
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Die Bewegung, die der Meißel relativ zu dem Gehäuse 1 der Rammbohrvorrichtung ausführt, kann von der Hydraulikleitung 12 zugelassen werden, indem diese beispielsweise elastisch ausgelegt ist. Eine weitere Möglichkeit ist, dass die Hydraulikleitung 12 mit einer Überlänge, die der Relativbewegung des Meißels 15 in dem Gehäuse 1 entspricht, ausgelegt ist.
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Innerhalb einer Ventilkammer 17 des Meißels 15 ist ein Druckbegrenzungsventil 18 angeordnet. Das Druckbegrenzungsventil 18 öffnet bei einem bestimmten Druck innerhalb der Hydraulikleitung 12 und gibt einen Kanal 19 frei, der längs innerhalb des Meißels 15 verläuft und zu zwei Austrittsöffnungen 20 in der Meißelspitze führt. Durch die Austrittsöffnungen 20 tritt bei geöffnetem Ventil 18 Spülflüssigkeit unter Druck in das Erdreich aus. Die Spülflüssigkeit dient dazu, das Erdreich vor dem Stufenkonus 16 aufzuweichen, so dass ein besserer Bohrfortschritt erreicht werden kann.
