DE2053335C - Schlagvorrichtung, insbesondere fur Gesteinsbohrer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schlagvorrichtung, inssondere für Gesteinsbohrer, mit einem Gehäuse für ien hin- und hergehenden Antriebskolben sowie ien von diesem angetriebenen Hammerkolben und ier zwischen dem Antriebskolben und dem Hamsrkolben mit einem elastischen Druckmedium speisiren Antriebskammer.

Bei Schlagvorrichtungen der vorstehend beschrienen Gattung (vgl. deutsche Auslegeschrift 126, deutsche Patentschrift 654 146 und franzöiche Patentschrift 616 408) sind die Kammern vor und hinter dem Antriebskolben bzw einem Hilfskolben über Leitungen od. dgl. miteinander verbunden. Dabei ist der Aufbau so getroffen, daß kurz vor Erreichen der Endlagen der Antriebskolben bzw. Hilfskolben gegen ein Luftkissen arbeitet und durch dieses abgebremst sowie umgelenkt wird. Zur Erzielung der gewünschten Schlagenergie sind daher bei diesen bekannten Schlagvorrichtungen entsprechend große wirksame Kolbenflächen erforderlich. Das führt zu entsprechend großen Massen, die abgebremst und beschleunigt werden müssen. Die Beschleunigung des Hammerkolbens erfolgt im wesentlichen über das in die Antriebskammer eingespeiste vom Antnebskolben beaufschlagte Druckmedium. — Die mit den bekannten Schlagvorrichtungen erzielbare Schlagfolge befriedigt nicht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schlagvorrichtung der eingangs beschriebenen Gattung so zu gestalten, daß bei kleinen Abmessungen eine große Energie zum Hammerkolben überführbar sowie gleichzeitig eine schnelle Schlagfolge erzielbar ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einer Schlagvorrichtung der eingangs beschriebenen Gattung dadurch gelöst, daß die Einspeisung des elasti sehen Druckmediums in die Antriebskammer derart gesteuert wird, daß die Antriebskammer bereits am Anfang des Arbeitshubes des Antriebskolbens mit elastischem Druckmedium gefüllt ist und das Druckmedium beim Arbeitshub des Antriebskolbens in der Antriebskammer zu einem elastischen Hochdruckkissen zusätzlich komprimierbar ist.

Der durch die Erfindung erzielte technische Fortschritt ist vor allem darin zu sehen, daß die wirksame Kolbenfläche des Hammerkolbens durch ein elastisches Medium mit wesentlich erhöhtem Druck beaufschlagt wird. Diese Maßnahme ermöglicht eine wesentliche Reduzierung in der Dimensionierung des Hammerkolbens und damit eine Reduzierung seiner Masse, insbesondere beim Arbeitshub ist so eine wesentlich größere Beschleunigung des Hammerkolbens und damit eine entsprechende Erhöhung der Schlagfolge erzielbar.

Die Erfindung läßt sich auf verschiedene Weise weiter ausbilden. Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform besteht darin, daß zur Speisung der Antriebskammer mit elastischem Druckmittel im Gehäuse eine vom Antriebskolben in seiner rückwärtigen Endlage freigebbare und während seiner Vorwärtsbewegung zum Hammerkolben abdeckbare Einlaßöffnung vorgesehen ist. Eine definierte Begrenzung des Rückhubes vom Hammerkolben läßt sich in bekannter Weise dadurch erzielen, daß für den Hammerkolben ein ihn beim Rückschlag abfangender Hilfskolben vorgesehen ist, auf den die kinetische Energie des Hammerkolbens übertragbar ist, und durch welchen der Hammerkolben vor dem nachfolgenden Hub in Optimallage gegenüber dem Antriebskolben zur Ausnutzung der Schlagenergie gestoppt ist und daß der Hilfskolben als Ringkolben den Hammerkolben umschließt und beide Kolben Bundringe aufweisen, durch welche beim Rückschlag des Hammerkolbens dessen kinetische Energie an den Hilfskolben durch Schlagwirkung übertragbar ist. Eine besonders kurzbauende Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebskolben als Ringkolben den Hammerkolben umschließt und letzterer einen Flansch aufweist, auf welchen die Triebkraft des Antriebskol-

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am weitesten vom Hammerkolben 21 entfernt. Während seines Arbeitshubes zum Hammerkolben 22 verschließt der Antricbskolbcn 23 dann die Einlaßöffnung 26 und bildet durch eine geschlossene Antriebskammer 25 aus. Da diese Antriebskammer 25 mit Preßluft gespeist wurde, wird der Druck in ihr während des Arbeils- und Kompressionshubes des Anliicbskolbens 23 vervielfacht. Dieser hohe Druck ermöglicht es. einen Hammerkolben 22 mil kleiner Wirkungsfläche und ohne besondere Unterschiede in seinem Masseni|uerschnitl über seine gesamte Länge zu verwenden. Hin Hammerkolben 22 mit derart gleichmäßigem Masseni|iierschnitt über seine gesamte Länge ist insofern äußerst vorteilhaft, als dadurch kaum zu Lrmüdungen führende Spannungen im Bohistahl auftreten. Wenn auch die wirksame Fläche des Hammcrkolbens 22 klein ist. ermöglicht das den hohen Druck übertragende 1 lochdruckkissen dennoch die Verwendung eines schweren Hammerkolbens 22. Dadurch ermöglicht diese Art und Weise der Kraftübertragung die Verwendung eines Hammerkolbens 22 mit sehr \ οι teilhafter Form und geeignetem Gewicht, so daß geringere Spannungen im Bohrslahl auftreten als bei üblichen Sclilagvorrichtungen.

Die Schlagvorrichtung 2 besitzt außerdem einen Hilfsringkolhcn 24, welcher den Hammerkolben 22 als Hülse umschließt. Dieser Hilfskolben 24 trägt am einen linde einen einwärts weisenden Bundring 27, welcher mit einem nundring 28 am Hammerkolben /usammenwirkt. Dieser Hilfskolben 24 soll den Rückschlag des Hammerkolbens 22 begrenzen und den Hummerkolben 22 in einem vorgegebenen Abstand vom Anlriebskolben 23 abfangen, und zwar ungeachtet der Riickprallenergic, welche vom Bohistahl herrührt. Infolgedessen wird die kinetische Energie des Hammcrkolbcns 22 durch den Hilfskolben 24 absoibierl. wenn die Bundringe 27 und 28 aufeinandertreffen, so daß der Hammerkolben 22 in der vorgegebenen Lage angehalten wird. Da diese Lage ein Kriterium für die gesamte Schlagenergie darstellt, muß unbedingt diiiauf geachtet werden, daß der Hammerkolben 22 vor dem nächsten Hub stets in dieser Lace verbleibt.

Da», Gewicht des Hilfskolben 24 sollte etwa 40"« höher sein als das des Hammerkolbens 22. um sicherzugehen, daß der Hammcrkolben 22 nach dem Auf-1 reffen auf den Hilfskolben 24 stillsteht.

Der Hilfskolben 24 wird in seiner Ruhelage durch auf seine obere Stirnfläche einwirkende Preßluft gegen ilen unteren Stirndeckel 29 des Gerätes gedrückt. Dies ist dadurch möglich, da Preßluft stets durch einen Ringspalt zwischen dem Hammerkolben 22 und dem Gehäuse 4 in eine oberhalb des Hilfskolbens 24 ausgebildete Kammer 30 eintritt, so daß sie auf die obere Stirnfläche des Hilfskolbens 24 einwirken kann. Der Raum zwischen der Unterkante des Hilfskolbens und dem Stirndeckel 29 des Gehäuses steht mit der Atmosphäre in Verbindung.

Wenn der Hammcrkolbcn 22 vom Antriebskolbcn 23 nach unten getrieben wird, geschieht folgendes: Der Hammerkolben 22 bewegt sich so lange nach unten, bis er auf das nicht dargestellte Ende des Bohrstahls trifft. Dann ändert der Hammerkolben 22 einmal infolge der Rückprailenergie seitens des Bohrstahls und zum anderen infolge des Preßluftkissens innerhalb der Kammer 31 seine Richtung. Ein beträchtlicher Teil der Rückprailenergie des Hammerkolbens 22 wird an den Anlricbskolben 23 durch das Luftkissen innerhalb der Antriebskammer 25 übermittelt. Wenn der Hammerkolben 22 seine oberste Endlage erreicht, schlägt sein Bundring 28 gegen den Bundring 27 des Hilfskolbens 24, so daß die verbleibende kinc-S tische Energie in ihm an den Hilfskolben 24 übertragen wird. Dadurch wird der Hammerkolben 22 in der vorgegebenen Lage angehalten, während der Hilfskolben 24 beginnt, sich nach oben zum Antricbskolbcn 23 hin zu bewegen. Der Hilfskolben 24 wird hierbei ίο jedoch durch das Luftkissen in der Antriebskammer 30 verzögert und wieder in seine Ruhelage zurüekgedrückt.

Infolge dieser Verwendung eines Luftkissens zur Kraftübertragung arbeitet die erfindungsgemäßc Schlagvorrichtung bei hoher Frequenz mit einem kurzen Hub und ergibt eine hohe Schlagenergie pro Hub, während die zur Ermüdung führenden Spannungen im Bohrstahl gering sind. Die Festlegung der Ausgangslagc des Hammerkolbens 22 vor jedem Arbcitsluib durch den Hilfskolben 24 hilft gleichfalls mit, pro Zeiteinheit insgesamt eine sehr hohe Schlagleislungzu erreichen.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung ging es vor allem darum, die Gesulfitlauge des Gerätes so kurz wie möglich zu halten. Aus diesem Grunde ist der Hammerkolben 17 innerhalb des Antriebskolbens 118 angeordnet. Mit anderen Worten, der Anlriebskolben 118 ist als Ringkolben ausgebildet und umschließt den Hammerkolben 117. Der Ablauf der Bewegungsvorgänge bei diesem Gerät entspricht im wesentlichen dem Ablauf bei dem vorbeschriebenen Gerät.

Das Anlriebsteil besteht hier aus einem Gehäuse 101 mit darin ausgebildeter kreisringförmiger Zylinderkammer 102, in welcher ein Ringkolben 103 hin und her bewegbar ist. Innerhalb des Ringkolbcns 103 ist eine kreisringförmige Kammer 104 ausgebildet, welche über eine Öffnung 105 in der Innenwandung des Ringkolbens 103 r.owie Kanäle 106 und 107 im Gehäuse 101 mit einer Druckmiltelquellc in Verbindung steht. Die von der Druckmitlelqucllc herkommende Leitung ist mit dem Gerät über einen Anschlußnippel 108 verbunden. Wenn auch zur Vereinfachung der Tciminologic nachstehend Luft als Arbeitsmedium genannt wird, so kann doch auch für dieses Gerät jedes geeignete elastische Medium verwendet werden. Der Ringkolben 103 sowie das Gehäuse 101 besitzen Öffnungen 109 bzw. 110 bis 113. während das Gehäuse 101 außerdem Verteilerkanäle 114 und 115 zur Verteilung der Preßluft an die Kammern an den Enden des Ringkolbens aufweist, um diesen in hin- und hergehende Bewegung zu versetzen. Außerdem besitzt das Gehäuse 101 zwei Auslaßöffnungen 116'und 116".

Wenn der Ringkolben 103 sich zu einer seiner Endlagen, d. h. der oberen in F i g. 2 hinbewegt, geschieht folgendes: Zunächst schließt der Kolben die Auslaßöffnung 116' in der oberen Zylinderkammer. Dann kommen die Öffnungen 109 und 111 miteinander in Verbindung, so daß Preßluft von der Kammer 104 innerhalb des Ringkolbens 103 strömen kann und diese füllt. Als nächstes deckt der Ringkolben 103 die öffnung 110 des Verteilerkanals 114 ab und schließt die Zylinderkammer. Anschließend preßt der Ringkolben 103 die Luft in der Zylinderkammer zusammen und wird durch das entstehende Luftkissen zurückgeschleudert, so daß er beginnt, sich in entgegengesetzter Richtung zu bewegen. Dabei wird durch Freigabe

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der öffnung 110 der Verteilerkanal 114 wieder geöffnet, so daß Preßluft wieder in die Zylinderkammer eindringen und den Ringkolben 103 in seiner neuen Richtung vorwärts treiben kann. Dabei wird die öffnung 109 in der Kolbenwandung von der 21ylinderwandung abgedeckt und die Auslaßöffnung 116' von der Oberkante des Ringkolbens 103 freigegeben, so daß die Preßluft aus der Zylinderkammer ins Freie entweichen kann. In der anderen Endlage des Ringkolbens 103 gehen die entsprechenden Vorgänge vor sich.

Die Schlagvorrichtung besteht bei diesem Ausführungsbeispiel aus einem Hammerkolben 117, einem Antriebskolben 118 und einem Hilfskolben 119. Der Antriebskolben 118 treibt den Hammerkolben 117 über ein Luftkissen an. Der Antriebskolben 118 wird durch einen Flansch an der Innenwandung des Ringkolbensl03 gebildet. Dieser Flansch umschließt ebenso wie der Ringkolbän 103 den Hammerkolben 117. Letzterer besitzt ebenfalls einen kreisringförmigen Flansch 120, welcher mit dem Antriebskolben 118 zusammenwirkt. Der Antriebskolben 118 und der Flansch 120 schließen eine kreisringförmige Antriebskammer 121 ein, in welcher ein Hochdruckkissen mit hohem Druck die Antriebskräfte vom Antriebskolben 118 an die Hammerkolben 117 überträgt. Der Hochdruck wird dadurch erreicht, daß die Antriebskammer 121 mit Preßluft von der Kammer 104 innerhalb des Ringkolbens 103 durch eine Einlaßöffnung 122 gespeist wird. Die Antriebskammer 121 bildet einen Druckverstärker, wenn der Antriebskolben 118 während seines Arbeitshubes die eingeschlossene Luftmenge zusammenpreßt. Der Antriebskolben 118 treibt in F i g. 2 den Hammerkolben 117 durch das die Kraft übertragende Luftkissen nach unten. Dadurch wird der Hammerkolben 117 nach unten gegen das obere Ende eines Bohrstahles getrieben und erteilt diesem den entsprechenden Schlag. Infolge der Rückprallwirkung vom Bohrstahl und infolge des Luftdruckes des Luftkissens in der Kammer 123 vor dem Flansch 120 wird der Hammerkolben 117 zurückgeschleudert. Der Hauptteil der Rückprallenergie des Hammerkolbens wird dem Antriebskolben 118 über das Luftkissen innerhalb der Kammer 121 übertragen.

ίο Um den Hammerkolben 117 in einem entsprechenden Abstand vom Antriebskolben 118 anzuhalten, welcher in bezug auf die gesamte Schlagleistung kritisch ist, besitzt das Gerät wiederum einen Hilfskolben 119. Dieser Hilfskolben ist am rückwärtigen Ende des Gerätes, dem oberen Ende der F i g. 2, angeordnet und soll die kinetische Energie des Hammerkolbens II? beim Auftreffen des hinleren Endes des Hamrnerkolbens 117 auf ihn absorbieren und den Hammerkolbcn 117 in einem vorgegebenen Abstand vom Antriebs-

ao kolben 118 anhalten. Durch den Aufprall des Hammerkolbens 117 auf den Hilfskolben 119 erhält dieser eine gewisse Geschwindigkeit, welche durch Einwir kung der Preßluft von der Preßluftquelle her verzögert wird. Diese Preßluft wirkt ständig auf die Ober-

as seite des Hilfskolbens 119 und drückt diesen ebenfalK in seine Ruhelage zurück.

Wenn auch bei den in den Figuren dargestellten vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfin dung die Anschlüsse für den Bohrstahl nicht dargc stellt sind, so können die vorbeschriebenen erfindungsgemäßen Schlagvorrichtungen selbstverständlieh, wie dies bei Gesteinsbohrern allgemein üblich ist mit irgendeinem geeigneten Bohrfutter für einer Bohrstahl und einer geeigneten Vorrichtung versehei werden, um den Bohrstahl in Drehung zu versetzen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

1. Patentansprüche:

   I. Schlagvorrichtung, insbesondere für Gesteinsbohrer, mit einem Gehäuse für einen hin- und hergehenden Antriebskolben sowie einen von diesem angetriebenen Hammerkolben und einer zwischen dem Antriebskolben und dem Hammerkolben mit einem elastischen Druckmedium speisbaren Antriebskammer, dadurch gekenn- " zeichnet, daß die Einspeisung des elastischen Druckmediums in die Antriebskammer (25, 121) derart gesteuert wird, daß die Antriebskammer (25, 121) bereits am Anfang des Arbeitshubes des Antriebskolbens (23, 118) mit elastischem Druckmedium gefüllt ist und das Druckmedium beim Arbeitshub des Antriebskolbens (23, 118) in der Antriebskammer (25, 121) zu einem elastischen Hochdruckkissen zusätzlich komprimierbar ist.
2. 2. Schlagvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dab zur Speisung eier Antriebskammer (25, 121) mit elastischem Druckmittel im Gehäuse (4, 101) eine vom Antriebskolben (23, 118) in seiner rückwärtigen Endlage freigebbare und während seiner Vorwärtsbewegung zum Hammerkolben (22, 117) abdeckbare Einlaßöffnung (26, 122) vorgesehen ist.
3. ?. Schlagvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß für den Hammerkolben ein ihn beim Rückschlag abfangender Hilfskolben (24, fJ9) vorgesehen ist, auf den die kinetische Energie des Hammerkolbens (22, 117) übertragbar ist und durch weichen der Hammerkolben (22, 117) vor dem nachfolgenden Hub in Optimallage gegenüber dem Antriebskolben zur Ausnutzung der Schlagenergie gestoppt ist und daß der Hilfskolben als Ringkolben (24) den Hammerkolben (22) umschließt und beide Kolben Bundringe (27, 28) aufweisen, durch welche beim Rückschlag des Hammerkolbens (22) dessen kinetische Energie an den Hilfskolben (24) durch Schlagwirkung übertragbar ist.
4. 4. Schlagvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebskolben als Ringkolben (118) den Hammerkolben (117) umschließt und letzterer einen Flansch (120) aufweist, auf welchen die Triebkraft des Antriebskolbens (118) über ein in einer kreisringförmigen Antriebskammer(121) ausbildbares elastisches Hochdruckkissen übertragbar ist.