DE19830415C2 - Impulsschlagwerk - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Impulsschlagwerk, das beispielsweise dazu geeignet ist, eine Sonde in den Boden einzutreiben.

Für Erdbohrungen werden normalerweise hydraulische Schlaghämmer verwendet, die dazu geeignet sind, Bohrlöcher von großem Durchmesser zu erzeugen. Es gibt aber Anwendungen, bei denen eine relativ kleinformatige Sonde in ein Erdreich eingetrieben werden soll. Hierfür eignen sich hydraulische oder pneumatische Hämmer nicht.

Aus US-Z: IBM Technical Disclosure Bulletin, Vol. 36, No. 03, März 1993, S. 175-178 ist ein Impulsschlagwerk bekannt, welches einen Stapel aus Piezoelementen enthält, welcher auf einen elektrischen Impuls hin einen Flugkolben beschleunigt. Der federnd aufgehängte Flugkolben prallt auf eine Lastzelle und wird von dieser zurückgeworfen.

In US 1 966 446 ist ein Schlagwerk beschrieben, welches an einer länglichen Stange eine Schlagspitze aufweist. Die Stange wird von einem piezoelektrischen Element auf einen elektrischen Impuls hin zur Durchführung eines Schlages beschleunigt. Die Vorrichtung kann zum Gesteinsbohren verwendet werden.

DE-OS 20 26 084 beschreibt eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Hochspannungsimpulses mittels eines Schlages auf einen piezoelektrischen Block. Der auf diese Weise erzeugte Druckspannungsimpuls wird zum Zünden einer Blitzlichteinrichtung verwendet. Zur Vermeidung von prellschlaginduzierten Fehlzündungen wird der Hochspannungs- Zündimpuls über eine Funkenstrecke geführt, die nur vom Hauptschlag überwunden werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Impulsschlagwerk zu schaffen, das mit kleinen Abmessungen und mit geringem mechanischem Aufwand hergestellt werden kann und eine präzise Ansteuerung ermöglicht.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen.

Das erfindungsgemäße Impulsschlagwerk arbeitet mit ei­ nem Piezoelement. Das Piezoelement dehnt sich bei An­ legen einer Spannung in Bruchteilen einer Sekunde um ein gewisses Maß aus. Dieses plötzliche Ausdehnen wird einerseits dazu benutzt, einen Stoß auf einen Amboß auszuüben, und andererseits dazu, einen Flugkolben in rückwärtiger Richtung zu beschleunigen. Der Flugkolben erhält somit eine kinetische Energie, die in einer Fe­ dervorrichtung gespeichert und anschließend wieder auf den Flugkolben entladen wird. Der Flugkolben übt dann über das Piezoelement einen Schlag auf den Amboß aus. Dieser Schlag kann am Piezoelement elektrisch detek­ tiert werden, um die nächste elektrische Aktivierung des Piezoelements auszulösen.

Das erfindungsgemäße Impulsschlagwerk kann mit hoher Schlagfrequenz betrieben werden, wobei die Schlagfre­ quenz im einzelnen von dem Feder-Masse-System der Fe­ dervorrichtung und des Flugkolbens abhängt. Ein beson­ derer Vorteil besteht darin, daß das Impulsschlagwerk ausschließlich mit elektrischer Energie betrieben wird, die über ein Kabel leicht zugeführt werden kann. Das Impulsschlagwerk kann daher in einen Bohrkörper inte­ griert werden, welcher sich nach Art eines Maulwurfs im Erdreich fortbewegt.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Steuergerät die durch die Schlag­ einwirkung am Piezoelement entstehende Spannung detek­ tiert und daraufhin eine Steuerspannung an das Piezo­ element anlegt. Dadurch wird erreicht, daß die Steuer­ spannung in Form eines Impulses jeweils im richtigen Zeitpunkt an das Piezoelement angelegt wird, nämlich dann, wenn der Flugkolben seinen Schlag gerade beendet und das Piezoelement komprimiert hat. Ausgehend von diesem Kompressionsstand wird an das Piezoelement eine Spannung angelegt, die das Ausdehnen des Piezoelements bewirkt. Auf diese Weise ist es möglich, das Piezoele­ ment zeitgerecht jeweils im optimalen Zeitpunkt anzu­ steuern. Das Piezoelement, der Flugkolben und der Amboß bilden ein komplexes oszillierendes System.

In Vorwärtsrichtung werden die Schläge impulsartig aus­ geführt, während die Rückwärtsbewegung des Flugkolbens durch die Federvorrichtung sanft abgefangen wird.

Das Impulsschlagwerk eignet sich besonders - jedoch nicht ausschließlich - zum Einbringen einer Sonde in ein Erdreich. Es kann mit geringem mechanischem Aufwand ausgebildet werden und hat bei geringem Gewicht eine relativ hohe Schlagleistung.

Um bei jedem Schlag oder Rückhub des Flugkolbens eine Drehung der Bohrspitze zu verursachen, ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, daß an dem Flugkolben und an einem den Flugkolben ent­ haltenden Gehäuse zusammengreifende Rotationsrampen vorgesehen sind, die bei der Bewegung des Flugkolbens eine Drehung des Gehäuses verursachen. Dadurch wird ein Festfressen der Bohrspitze verhindert.

Das Piezoelement kann entweder an dem Amboß oder an dem Flugkolben befestigt sein oder auch lose zwischen die­ sen beiden Teilen angeordnet sein.

Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnun­ gen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Impulsschlag­ werkes am Beginn des Rückhubs des Flugkolbens,

Fig. 2 das Impulsschlagwerk nach Fig. 1 am Beginn der Schlagbewegung des Flugkolbens und

Fig. 3 eine konstruktive Ausführungsform mit Drehung des Gehäuses und der Bohrspitze.

In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 und 2 ist in einem langgestreckten rohrförmigen Gehäuse 10 ein Flugkolben 11 angeordnet, der sich in Längsrichtung des Gehäuses bewegen kann. An einem Ende des Gehäuses 10 befindet sich ein Amboß 12, der mit einer Bohrspitze 13 versehen ist. Diese Bohrspitze 13 kann auswechselbar bzw. variabel sein. An dem Amboß 12 ist das Piezoele­ ment 14 befestigt. Dieses besteht aus einem piezoelek­ trischen Körper, der an zwei einander gegenüberliegen­ den Flächen Elektroden 15, 16 aufweist. Wenn an die Elektroden 15, 16 eine Spannung angelegt wird, dehnt sich das piezoelektrische Element quer zur Richtung des zwischen den Elektroden 15, 16 entstehenden elektrischen Feldes aus.

Am rückwärtigen Ende 17 des Gehäuses 10 ist eine Feder­ vorrichtung 18 abgestützt, welche den Flugkolben 11 in Richtung auf das Piezoelement 14 drückt. Die Federvor­ richtung 18 ist hier eine Schraubenfeder, jedoch könnte sie auch als Federkombination, Gasdruckfeder oder auf andere Weise ausgebildet sein. Wichtig ist, daß die Federvorrichtung 18 einen Energiespeicher bildet, der durch die Rückwärtsbewegung des Flugkolbens 11 aufge­ laden wird und sich anschließend unter Beschleunigung des Flugkolbens in Richtung auf den Amboß 12 entlädt.

Die Elektroden 15, 16 des Piezoelements sind über elek­ trische Leitungen 19, 20 mit einem Steuergerät 21 ver­ bunden. Die Leitungen 19, 20 sind vorzugsweise zu einem flexiblen Kabel zusammengefaßt, das aus dem Bohrloch herausführt, so daß die Steuereinheit 21 außerhalb des Bohrlochs angeordnet werden kann. Die Steuereinheit 21 enthält den Versorgungsteil und die elektronischen Kom­ ponenten zur Steuerung bzw. Aktivierung des Piezoele­ ments 14. Sie enthält einerseits eine Detektoreinheit, die die an den Elektroden 15, 16 anstehende Spannung detektiert, und anderersets eine Impulserzeugungsein­ heit zum Anlegen eines kurzzeitigen Spannungsimpulses an die Elektroden 15, 16.

Das Piezoelement 14 ist mit dem Amboß 12 verbunden. Der Flugkolben 11 wird von der Federvorrichtung 18 gegen das Piezoelement 14 gedrückt. Wird in diesem Zustand gemäß Fig. 1 eine Spannung an die Elektroden 15, 16 ge­ legt, dehnt sich das Piezoelement 14 aus. Dadurch wird der Flugkolben 11 beschleunigt und nach dem Rückstoß­ prinzip wird die gleiche Kraft auch in die entgegenge­ setzte Richtung ausgeübt, also in Richtung auf den Am­ boß 12. Der Amboß 12 treibt also die Bohrspitze 13 vor.

In Fig. 2 ist der Zustand dargestellt, daß die Feder­ vorrichtung 18 am Ende des Rückhubes komprimiert ist.

Die Federvorrichtung entspannt sich und treibt daher den Flugkolben 11 nach vorne. Beim Auftreffen des Flug­ kolbens auf das Piezoelement entsteht an den Elektroden 15, 16 eine Spannung, die von der Steuereinheit 21 de­ tektiert wird. Eine vorgegebene kurze Zeit nach der Detektion dieser Spannung wird das Piezoelement 14 von der Steuereinheit 21 aktiviert, indem ein Spannungsim­ puls erzeugt wird. Hierdurch wiederholt sich der be­ schriebene Vorgang. Durch das Aktivieren des Piezoele­ ments 14 in dem Augenblick, in dem der Flugkolben 11 das Piezoelement komprimiert hat, erhöht sich die Lei­ stung des Schlagwerks. Die beim Auftreffen des Flugkol­ bens auf das Piezoelement entstehende elektrische La­ dung (Spannung) dient als Auslöser für einen weiteren Spannungsimpuls der Steuereinheit. Dies hat zur Folge, daß das Impulsschlagwerk wenig Energie verbraucht.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 besteht das Gehäuse 10 aus einem Außenrohr. Die Bohrspitze 13 ist an das vordere Ende des Gehäuses 10 angeschraubt und sie enthält einen auswechselbaren Amboß 12. In dem Ge­ häuse 10 befindet sich ein Führungsrohr 25, das an ei­ nem mit dem Gehäuse 10 verbundenen Endstück 26 be­ festigt ist. Das Endstück 26 enthält eine Entlüftungs­ öffnung 27 sowie eine Öse 28 zur Befestigung des in den Boden einzubringenden Teiles. Die Entlüftungsöffnung 27 dient zur Be- und Entlüftung des Ringraumes 29, der zwischen dem Gehäuse 10 und dem Führungsrohr 25 gebil­ det ist.

Im Führungsrohr 25 ist der Flugkolben 11 mit engem Spiel längsverschiebbar geführt. Das Piezoelement 14 ist hier am vorderen Ende des Flugkolbens 11 befestigt und bewegt sich zusammen mit dem Flugkolben. Die Elek­ troden und elektrischen Leitungen sind nicht darge­ stellt. Das untere Ende des Führungsrohres 25 ist an dem Amboß 12 geführt. An diesem Ende befinden sich Öff­ nungen 36, die zur Entlüftung mit dem Ringraum 29 in Verbindung stehen.

Die Federvorrichtung 18 befindet sich im Innern des Führungsrohres 25. Von dem Endstück 26 steht ein erstes Steuerteil 30 in Richtung auf den Flugkolben 11 ab und von dem Flugkolben 11 steht ein zweites Steuerteil 32 in Gegenrichtung ab. Die beiden Steuerteile 30 und 32 haben jeweils eine schräge Steuerfläche 34 bzw. 35. Sie überlappen sich gegenseitig, wobei die Steuerflächen 34, 35 aneinander anliegen. Bei einer Linearbewegung des Flugkolbens 11 wird durch die Steuerteile 30,32 auf das Gehäuse 10 ein Drehimpuls ausgeübt, wodurch das Gehäuse 10 zusammen mit der Bohrspitze 13 um die vertikale Längsachse herum gedreht wird. Dadurch wird verhindert, daß die Bohrspitze 13 stets mit der gleichen Orientie­ rung gegen die Bohrlochsohle schlägt und sich fest­ frißt.

Claims (4)

1. Impulsschlagwerk, mit einem Flugkolben (11), der längs einer Bewegungsbahn geführt ist, einem Amboß (12), auf den der Flugkolben (11) schlägt, einer Federvorrichtung (18), die beim Entfernen des Flugkolbens von dem Amboß gespannt wird, einem zwischen Amboß (12) und Flugkolben (11) angeord­ neten Piezoelement (14) und einer das Piezoelement (14) betätigenden Steuereinheit (21), die nach jedem Schlag das Piezoelement (14) zum Zurücksto­ ßen des Flugkolbens (11) aktiviert.

2. Impulsschlagwerk nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Steuergerät (21) die durch die Schlageinwirkung am Piezoelement (14) entstehende Spannung detektiert und daraufhin eine Betäti­ gungsspannung an das Piezoelement (14) anlegt.

3. Impulsschlagwerk nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Betätigungsspannung eine vorge­ gebene Zeit nach dem Detektieren der Spannung an­ gelegt wird.

4. Impulsschlagwerk nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Flugkolben (11) und an einem den Flugkolben enthaltenden Gehäuse (10) zusammengreifende Steuerflächen (34, 35) vor­ gesehen sind, die bei der Bewegung des Flugkolbens (11) eine Verdrehung des Gehäuses verursachen.