DE1043247B - Bohrgeraet fuer den Bergbau mit durch einen Kurbeltrieb unter Zwischenschaltung von Federn in Schwingungen versetzter Bohrstange - Google Patents

Description

Es sind Bohrgeräte bekannt, bei denen durch einen Kurbeltrieb unter Zwischenschaltung von Federn die Bohrstangen in axiale schwingende Bewegungen versetzt werden. Die Anordnung der Federn ist so getroffen, daß es sich nach den Begriffen der Schwingungslehre um einen mittelbaren Federkraftantrieb handelt.

Jedes aus Masse und elastischen Mitteln bestehende Schwingungssystem hat eine Eigenschwingungszahl bzw. Eigenfrequenz und entsprechend dem Maß der Dämpfung eine gedämpfteEigenschwingungszahl bzw. gedämpfte Eigenfrequenz. Wird ein solches Schwingungssystem z. B. von einem Kurbeltrieb erregt, dessen Frequenz unter der Eigenfrequenz des Sehwingungssystems liegt, so schwingt dieses System unter der Resonanz. Stimmen die Frequenz des erregenden Kurbaitriebes und die Eigenfrequenz des Schwingungs'systems überein, so entsteht Resonanz.

Die bisher bekannten Bohrgeräte dieser Art sind in ihrem Antrieb so abgestimmt, daß die Schwingungen unter oder in der Resonanz liegen. Dadurch sind diese Geräte mit Nachteilen behaftet, die nachstehend erläutert werden.

Bei einem Bohrgerät für den Bergbau läßt es sich grundsätzlich nicht vermeiden, daß je nach der erforderlichen Lochtiefe die Längen der Bohrstangen während des Bohrens geändert werden. Mit der veränderten Bohrstangenlänge ändert sich das Gewicht bzw. die schwingende Masse der Bohrstangen. Diese Veränderung der schwingenden Masse der Bohrstangen hat zwangläufig zur Folge, daß sich die Schwingungsamplitude der Bohrstangen ändert. Aber nicht allein, daß sich die Schwingungsamplitude mit der Längenänderung der Bohrstangen ändert, sondern auch die Dämpfung des Schwingungssystems infolge Reibung der Bohrstangen an der Bohrlochwandung ist Veränderungen unterworfen, die ebenfalls die Sehwingungsamplkude der Bohrstangen stark beeinflussen.

Die Brauchbarkeit der durch einen Elektromotor angetriebenen Geräte dieser Art wird durch die beiden erläuterten Veränderlichen bereits nachteilig beeinflußt. Bei den meisten Geräten wird jedoch für den Antrieb ein Preßluftmotor verwendet. In diesem Falle ergibt sich zusätzlich ein schwerwiegender Nachteil, der darin besteht, daß der Druck der verwendeten Preßluft im Bergbau vor Ort starken Schwankungen unterworfen ist. Die Schwankungen des Luftdruckes bewegen sich in der Größenordnung bis zu minus 20 % des allgemein festgelegten Normaldruckes von 5 atü. Mit diesen Schwankungen ist eine Verminderung der Drehzahl bzw. der Frequenz des erregenden Antriebs in etwa dem gleichen Größenverhältnis verbunden. Eine Veränderung der Frequenz des Er-Bohrgerät für den Bergbau

mit durch einen Kurbeltrieb

unter Zwischenschaltung von Federn

in Schwingungen versetzter Bohrstange

Anmelder:
HWF Hartmetall-Werkzeug-Fabrik

Karl Bayer & Co._r
Burghaun (Kr. Hünfeld)

Karl Bayer, Burghaun (Kr. Hünfeld),
ist als Erfinder genannt worden

regers hat zur Folge, daß sich ebenfalls die Schwingungsamplitude der Bohrstangen ändert.

Vorstehende Darlegungen lassen erkennen, mit welchen Nachteilen die bisher bekannten Bohrgeräte dieser Art behaftet sind. Von ausschlaggebender Bedeutung für eine nutzbringende Verwendung solcher Geräte ist jedoch die aus dem Schwingungsvorgang hergeleitete Leistung in Form von Schlagarbeit an den Schneiden des Bohrwerkzeuges. Die Größe dieser Schlagarbeit ergibt sich aus der Beziehung

Hierbei bedeutet A die Schlagarbeit in mkg, m die schwingende Masse und ν die Geschwindigkeit dieser Masse während des Schwingungsvorganges. Die Geschwindigkeit ν ergibt sich aus der Beziehung ν = a · w. In dieser Beziehung bedeutet α die Schwingungsamplitude und w die Schwingungsfrequenz. Die Formeln zeigen, daß die aus dem Schwingungsvorgang hergeleitete Schlagarbeit hauptsächlich von der Schwingungsamplitude bestimmt wird. Die Schlagarbeit darf aber keinen wesentlichen Veränderungen unterworfen werden, wenn mit dem Bohrgerät ein leistungsfähiges Bohren gewährleistet sein soll.

Bei unter der Resonanz arbeitenden Schwingungen haben Änderungen der Masse, der Dämpfung und der Erregerfrequenz zur Wirkung, daß das Schwingungssystem je nach Fall außer Takt gerät und zum Stillstand kommt. Bei einem in der Resonanz arbeitenden Schwingungssystem hat insbesondere eine Verringerung der Erregerfrequenz zur Folge, daß das System in den Bereich unter der Resonanz gerät

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und somit zu einem Schwingungssystem unter der Resonanz wird. Schwingungssysteme in der Resonanz und unter der Resonanz sind sehr labil und reagieren auf jeden äußeren Einfluß der vorbeschriebenen Art. Außerdem hat sich herausgestellt, daß zur Erzielung von Bohrleistungen auf das Bohrgerät in axialer Richtung eine Druckkraft ausgeübt werden muß. Je nach der verlangten Bohrleistung muß diese Druckkraft bemessen sein. Bei Bohrgeräten, die unter oder in der Resonanz schwingen, hat jedoch bereits eine geringe Druckkraft in axialer Richtung zur Folge, daß das Schwingungssystem außer Takt gerät und zum Stillstand kommt.

Um die beschriebenen Nachteile zu beseitigen bzw. zu verhindern, sind die verschiedenartigsten Lösungen versucht worden. Einen Lösungsversuch bildet der Gegenstand der deutschen Patentschrift 560 200. Es handelt sich hierbei um ein unter der Resonanz arbeitendes Schwingungssystem (s. Seite 1, Zeile 20), bei dem man den Einfluß der veränderlichen Dämpfung ausschalten will. Man benutzt zu diesem Zweck ein sogenanntes »Zweimassensystem«, bei dem zwei schwingbare Massen so zueinander abgestimmt sind, daß von einer Masse auf die andere eine Leistungsübertragung bei Belastung stattfinden kann. Durch den Gegenstand dieser Patentschrift wird lediglich dem Einfluß entgegengewirkt, der durch veränderliche Dämpfung entsteht. Die Schwingungsmassen und die Erregerfrequenz bleiben dagegen konstant. Einer Änderung dieser Komponenten kann bei dieser bekannten Einrichtung nicht entgegengewirkt werden.

Ein weiterer Lösungsversuch stellt der Gegenstand der schweizerischen Patentschrift 251491 dar. Es handelt sich hierbei wiederum um ein »Zweimassensystem«, bei dem jede der beiden Massen mit einer Eigenschwingungszahl schwingt. Bei auftretender Änderung der Dämpfung gibt in diesem Falle eine Hilfsmasse Leistung an die Betriebsmasse ab. Die Leistungsabgabe der Hilfsmasse wird durch einen als Elektromagnet ausgebildeten Erreger jeweils ergänzt. Aber auch bei diesem Gegenstand bleiben die Massen und die Erregerfrequenz konstant. Es wird lediglich dem Einflüsse einer Änderung der Dämpfung auf die Betriebsmasse entgegengewirkt. Außerdem handelt es sich um eine direkt an der Schwingungsmasse angreifende Erregerkraft. Dem Einfluß einer fortgesetzten Änderung der Masse und einer Änderung der Erregerfrequenz kann nicht entgegengewirkt werden.

Einen Lösungsversuch bildet auch der Gegenstand der schweizerischen Patentschrift 103 301, Fig. 8. Nach den Lehren der Schwingungstechnik handelt es sich bei diesem Gegenstand um einen mittelbaren Federkraftantrieb mit einer schwingenden Masse, d. h. einem sogenannten »Einmassensystem«. Die Frequenz des Erregers stimmt mit der Eigenfrequenz des Schwingungssystems überein. Das System arbeitet somit in Resonanz. Bei näherer Betrachtung ergibt sich jedoch, daß diese bekannte Vorrichtung mit Nachteilen behaftet ist, die ihre Verwendung als Bohrgerät im Bergbau ungeeignet machen.

Der gleiche Gegenstand ist auch in der deutschen Patentschrift 402 486, Abb. 1, enthalten. Es handelt sich um ein verhältnismäßig ungedämpftes schwingendes System mit einer ausgeprägten Eigenfrequenz. Das System arbeitet in Resonanz. Diese Bedingung ist nur erfüllt, wenn die Erregerfrequenz mit der Eigenfrequenz des Schwingungssystems übereinstimmt. Verringert sich die Erregerfrequenz, so gerät das System aus der Resonanz in den Bereich unter der Resonanz. Die schwingende Masse, im einen Falle (schweizerische Patentschrift 103 301) der Stößel α und im anderen Falle (deutsche Patentschrift 402 486) der Körper 1, verändert sich nicht. Ebenso verändert sich nicht die Dämpfung. Es handelt sich in beiden Patentschriften um einen schwingenden Schlaghammer. Als Bohrgerät für den Bergbau ist der Gegenstand denkbar ungeeignet. Schon allein die Tatsache macht den Gegenstand für ein leistungsfähiges Bohren ungeeignet, daß nach jedem Schlag

ίο des schwingenden Hammers auf das Bohrgestänge (Werkzeug) das schwingende System wieder aufgeschaukelt werden muß, um eine Schlagleistung zu erzeugen. Abgesehen von diesem Nachteil haben Massenvergrößerungen der Bohrstangen durch Längenänderung und Vergrößerung der Dämpfung durch Reibung der Bohrstangen im Bohrloch zur Folge, daß die Schlagleistung des schwingenden Schlaghammers wirkungslos wird.

Bei dem Bohrgerät gemäß der Erfindung sind die

ao vorbeschriebenen Nachteile beseitigt. Die Zeichnung stellt in Abb. 1 und 2 ein solches Gerät dar, in dem a die schwingende Bohrstange bedeutet. Die Bohrstange α ist mit einer Aufnahmebüchse b fest verbunden. In Abb. 1 sind α und b die schwingende Masse.

In Abb. 2 kommt zu dieser schwingenden Masse noch zusätzlich ein Massenbeitrag durch das eingezeichnete doppelseitige Kugellager mit Kugelkäfig. Das schwingende System besteht aus der vorbezeichneten Masse und den Federn c und d als elastische Mittel. Das Ganze ist ein schwingendes »Einmassensystem«. Die Anordnung der Federn c und d ist so getroffen, daß es sich um einen »mittelbaren Federkraftantrieb« handelt, d. h., die Masse wird durch die Federn d am Maschinengehäuse / abgestützt. Die Erregung der schwingenden Masse erfolgt jedoch vom Kurbeltrieb e mittelbar über eine zwischenigeschaltete Feder c. Es bleibt hierbei dem Erfinder überlassen, an Stelle des erregenden Kurbeltriebes e andere Erregermittel, wie Nockenwellen, Nockenscheiben, Stößel, Magnete oder preßluftbetriebene Kolben, zu verwenden. In jedem dieser Fälle bleibt aber der »mittelbare Federkraftantrieb« bestehen.

Das wesentlich, neue Merkmal des Gerätes nach den Abb. 1 und 2 gegenüber den bisher bekannten Vorrichtungen der gleichen Art besteht darin, daß die Frequenz des erregenden Kurbeltriebes über der ungedämpften bzw. gedämpften Eigenfrequenz des schwingenden Systems liegt. Das schwingende System wird somit in Schwingungen versetzt, die über der Resonanz liegen.

Die Resonanz bei Schwingungen ist ein bisher durch die Schwingungslehre noch unerforschtes Gebiet. Ein unter der Resonanz arbeitendes Schwingungssystem arbeitet ruhig, sofern nicht durch äußere Einflüsse der bereits beschriebenen Art Störungen verursacht werden. In der Resonanz treten jedoch bei einem Schwingungssystem ungeordnete Massenkräfte auf, die rechnerisch nicht zu erfassen sind. Das Schwingungssystem gerät in Unruhe. Die Massenkräfte haben die Tendenz, unendliche Werte anzunehmen. Die Resonanz hat zumeist eine Zerstörung des Schwingungssystems zur Folge, wenn die Massenkräfte nicht durch starke Dämpfung verringert werden.

Bei einer kurzzeitigen Durchfahrung der Resonanzstufe in den Bereich über dieser Resonanzstufe tritt wieder ein vollkommen ruhiges Arbeiten des Schwingungssystems ein. Voraussetzung dabei ist, daß die Stabilität des Schwingungs-systems das kurzzeitige Durchfahren der Resonanzstufe übersteht. Umfang-

reiche Untersuchungen haben ergeben, daß ein über der Resonanz arbeitendes Schwingungssystem rechnerisch wieder erfaßt werden kann. Voraussetzung dabei ist, daß die Erregerfrequenz ein bestimmtes Mehrfaches der Eigenfrequenz des Systems beträgt. Es muß der niedrigste Wert der Erregerfrequenz mindestens das l,10fache der Eigenfrequenz betragen. Günstig liegen die Werte, wenn die Erregerfrequenz etwa das 1,5- bis 2fache der Eigenfrequenz beträgt.

Über der Resonanz, d. h. etwa ab dem niedrigsten Verhältnis der Eigenfrequenz zur Erregerfrequenz, haben sich die Massenkräfte wieder geordnet. Das gesamte Schwingungssystem hat eine Stabilität angenommen, die es innerhalb bestimmter Grenzen gegen äußere Einflüsse unempfindlich macht. Von besonderer Bedeutung bei einem Bohrgerät ist, daß die von dem Bohrwerkzeug zu leistende Schlagarbeit sich nicht wesentlich ändert, da hiervon der Erfolg für die nutzbringende Anwendung eines solchen Gerätes abhängig" ist. Diese Schlagarbeit wird bei einem über der Resonanz arbeitenden Gerät durch Änderung der schwingenden Masse kaum nachteilig beeinflußt. Im Gegensatz zu den bisher bekannten Geräten wird bei einer Verringerung der schwingenden Masse die Schlagarbeit größer. Die gleiche Feststellung ergibt sich auch bei einer Verringerung der Er reger frequenz. Auch in diesem Falle wird die Schlagarbeit größer. Durch eine Änderung der Dämpfung infolge Reibung der Bohrstangen an der Bohrlochwand wird die Schwingungsamplitude nicht beeinflußt. Auch kann bei einem solchen Gerät zur Erzielung eines höheren Bohrfortschrittes zusätzlich in axialer Richtung ein erheblicher Druck ausgeübt werden, ohne daß eine nachteilige Beeinflussung des Schwingungsvorgangs bzw. eine Verringerung der Schlagarbeit eintritt.

Bei dem Gegenstand der Erfindung wird nur eine schwingende Masse verwendet. Es handelt sich somit um ein sogenanntes »Einmassensystem«. Dadurch wird das Gerät in seinen Abmessungen klein und handlich gehalten. Die Bauart ist einfach und betriebssicher. Durch die Anordnung des schwingenden Systems als »mittelbaren Federkraftantrieb« ist ein stoß- und erschütterungfreies Arbeiten des Gerätes gewährleistet. An Stelle der in der Zeichnung dargestellten Schraubenfedern können auch andere elastische Mittel, wie Blattfedern, Gummipuffer oder Luftpolster, ίο verwendet werden.

Claims (2)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Bohrgerät für den Bergbau mit durch einen Kurbeltrieb unter Zwischenschaltung von Federn in Schwingungen versetzter Bohrstange der Art, daß die Federn sowie die mit einer Befestigungs-büchse fest verbundene Bohrstange ein schwingendes Einmassensystem bilden, bei dem die Anordnung der Federn so getroffen ist, daß es sich um einen mittelbaren Federkraftantrieb handelt, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des erregenden Antriebs mindestens das 1,1 Of ache der ungedämpften bzw. der gedämpften Eigenfrequenz des über der Resonanz arbeitenden Schwingungssystems beträgt.

2. Bohrgerät nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch andere, an sich bekannte erregende Mittel, wie Nockenscheiben, Nockenwellen, Stößel, Magnete oder preßluftbetriebene Kolben.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 285 790, 287 819,

392, 402 486, 555 798, 560 200, 666 552;

französische Patentschriften Nr. 501 361, 902 537, 765;

schweizerische Patentschriften Nr. 103 301, 251 491.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen