DE2323558A1 - Fluessigkeitsstrahl-schneidgeraet - Google Patents

Description

Patentanwälte
Dipl.-Ing.W.Beyer
Dipl.-Wirtsch.-Ing. B.Jochem

Frankfurt am Main Staufenstrasse 36

Atlas Copco Aktiebolag
Nacka / Schweden

Flüssigkeitsstrahl-Schneidgerät.

Die Erfindung: bezieht sich auf Flüssigkeitsstrahl-Schneidgeräte zum Erodieren von Löchern oder Schlitzen in harten und brüchigen Materialien wie Fels, Erz, Kohle, Erdformations Schichtungen u.dgl.

Bei Flüssigkeitsstrahl-Schneidgeräten kann eine Anzahl νση Vorteilen dadurch gewonnen werden, daß der Auslaßdurchmesser bzw. StrÖmüngsquerschnitt der Düse in dem den Flüssigkeitsstrahl hoher Geschwindigkeit erzeugenden Generator vergrößert wird. Ein erster Vorteil besteht darin, daß der Anteil des gesamten Energieverlustes in der Reibung gegenüber den Wandungen des erodierten Schlitzes oder Loches abnimmt. Dies führt zu einem höheren Staudruck bei jeder beliebigen gegebenen Tiefe unterhalb der bearbeiteten Oberfläche und demzufolge einer höheren Rate an ausgebrachtem Material. Ein zweiter Vorteil ist die größere Wahrscheinlichkeit, daß der Strahl auf eine Schwächelinie in dem bearbeiteten Material wie eine Korngrenzfläche oder einen Riß auftrifft. Ein dritter Vorteil liegt darin, daß die Ero^sionszone über mehr als eines der das bearbeitete Material ausmachenden Kristalle ausgedehnt werden kann. Dies bedeutet, daß die Kristalle des Materials durch den

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Flüssigkeitsstrahl in einen mehr oder weniger unversehrten, unbeschränkten Zustand erodiert werden können und sich deshalb leichter entfernen lassen.

Normalerweise können diese Vorteile jedoch in der Praxis wegen des Nachteils nicht genutzt werden, der darin besteht, daß erweiterte Düsen zum Schneiden größerer Löcher oder Schlitze einen sich selbst verbietenden Zuwachs im Leistungseingang zu dem Flüssigkeitsstrahlerzeuger erfordern, wenn sie noch auf einem ausreichend hohem Druckniveau arbeiten sollen.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Flüssigkeitsstrahl-Schneidgerät der eingangs genannten Art zu schaffen, in welchem die oben erwähnten möglichen Vorteile vergrößerter Düsendurchmesser bei wesentlich geringerem Energieverbrauch nutzbar sind, als er in Fällen größerer Düsendurchmesser erforderlich wäre. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Gehäuse,eine darin angeordnete Druckkammer zum Zuführen von Flüssigkeit zu dieser Druckkammer, eine an die Druckkammer angeschlossene Düse, Auslaßmittel in der Düse mit einem im Vergleich zum Querschnitt der Druckkammer verengten Strömungsquerschnitt, einem sich konisch verjüngenden Kanal in der Düse zwischen der Druckkammer und den Auslaßmitteln mit dem Gehäuse vereinigte Mittel zur Erzeugung eines außergewöhnlich hohen Druckes in der Druckkammer, durch welche ein Flüssigkeitsstrahl hoher Geschwindigkeit von der Druckkammer über den konisch verjüngten Kanal durch den verengten Strömungsquerschnitt der Auslaßmittel austreibbar ist, und Kittel für den Vorschub des Gehäuses in (Querrichtung zu diesem Flüssigkeitsstrahl, wobei der Strömungsquerschnitt der Düse quer zur Vorschubrichtung des Gehäuses verteilt und ausgerichtet ist.

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Durch die Erfindung wird somit ein Flüssigkeitsstrahlßchneidgerät geschaffen, bei welchem der Strömungsquerschnitt der Auslaßmittel der Strahldüse auf eine Weise verteilt und ausgerichtet ist, die den aus der Düse austretenden Strahl in die Lage versetzt einen breiten Schlitz bzw. ein großes Loch ohne übermäßigen Energieverbrauch zu erodieren.

Die Erfindung wird nachstehend in Verbindung mit einigen Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnung näher erläutert, wobei auch Merkmale zur vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung verdeutlicht werden. Es zeigen:

Fig· 1 einen Längsschnitt durch ein Flüssigkeitsstrahl-Schneidgerät gemäß der Erfindung,

Fig. 2 in größerem Maßstab einen Längsschnitt nach

Linie 2-2 in Fig. 1 zur Illustration des ^ Düsenabschnittes des in Fig. 1 gezeigten Schneidgerätes,

Fig. $ eine teilweise weggebrochene Stirnansicht der Düsenanordnung nach Fig. 2,

Fig. 4- einen Längsschnitt ähnlich Fig. 2 durch eine abgeänderte Düsenausführungsform,

Fig. 5 eine Stirnansicht der Düse nach Fig. 4,

Fig. 6 eine Stirnansicht ähnlich der nach Fig. 5»

jedoch von einer dritten Düsenausführung und

Fig. 7 einen herausgebrochenen Teil eines Längsschnittes durch eine weitere Ausführungsform der Düse,

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Das in Fig. 1 gezeigte Flüssigkeitsstrahl-Schneidgerät besitzt ein Gehäuse 1, in welchem eine Druckkammer 2 in Form einer zylindrischen Durchgangsbohrung enthalten ist· In dem Gehäuse 1 ist fdrner eine Düse 3 vorgesehen, die durch eine Düsenbuchse 4 koaxial zur Druckkammer 2 abgestützt ist. Die Düsenbuchse 4- ist in das Gehäuse 1 eingeschraubt. Die Druckkammer 2 nimmt verschieblich die Kolbenstange 5 eines Differentialkolbens 6 auf, der dazu dient, einen außergewöhnlich hohen Druck in der Kammer 2 zu erzeugen. Der Kopf des Kolbens 6 ist in einem Zylinder7 verschieblich aufgenommen, der zwischen einem vorderen und einem hinteren Endstück 8 bzw. 9 eingespannt ist. Die Endstücke 8, 9 und der Zylinder 7 sind an dem Gehäuse 1 mit Hilfe von Zugbolzen 10 angebracht. Hydraulikleitungen 11, 12 führen zu den entgegengesetzten Enden des Zylinders und sind an diese über-ein Umschaltventil 13 angeschlossen, durch welches die Leitungen 11 und 12 abwechselnd mit einer Flüssigkeitsdruckquelle bzw. einem Sammelgefäß 15 verbind-

bar sind.

An die Druckkammer 2 ist eine Speisepumpe 16 angeschlossen, durch welche Flüssigkeit, vorzugsweise Wasser der Druckkammer 7 durch eine Leitung 17 zuführbar ist. Die Leitung setzt sich im hinteren Endteil 9 fort und führt zu einem Bohransatz 18 an diesem, der verschieblich innerhalb des Kolbens 6 aufgenommen ist/ Der Rohransatz 18 steht mit einem inneren Kanal 19· in der Kolbenstange 5 in Verbindung. Die vom Bohrstück 18 zu dem Kanal 16 geleitete Flüssigkeit strömt über ein Bückschlagventil 20 am vorderen Ende der Kolbenstange 5 "und hält'die Druckkammer 2 gefüllt mit Flüssigkeit.

Das Gehäuse 1 ist auf Führungsstangen 71» 72 verschieblich geführt, die einen Teil des herkömmlichen Maschinenrahmens (nicht dargestellt) bilden. Zur Führung; sind zwei Führungs-

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lager 23 am Gehäuse 1 mittels Bolzen 10 befestigt, und diese Führungslager 23 gleiten auf der Führungsstange 22. Eine vom hinteren Endteil 9 getragene Führungshülse 24 ist auf der Führungsstange 21 verschieblich. Das Gehäuse 1 kann in Querrichtung auf den Führungsstangen 21, 22 mittels einer Vorschubkette 25 hin und herbewegt werden, die an einen geeigneten Vorschubmotor (nicht dargestellt) angeschlossen ist, wodurch die Düse 3 veranlaßt wird, sich längs einer Gesteins- oder anderen Oberfläche 35 zu bewegen, um eine Anzahl von Löchern oder Schlitzen 35a in diese hinein zu schneiden·

Die Düse 3 besteht aus hartem und dauerhaftem Material wie Wolframkarbid und ist mit einem inneren, konisch verjüngten Kanal 26 versehen. Der Kanal 26 verjüngt sich von der Druckkammer 2 gegen die Auslaßmittel der Düse und ergibt einen Strömungsquerschnitt für die Flüssigkeit, der im Verhältnis zum Strömungsquerschnitt der Druckkammer 2 zur Erzeugung eines sehr hohen Druckes in der Druckkammer eingeengt ist. Der gesamte Kegelwinkel des konisch verjüngten Kanals liegt in der Größenordnung von 12 bis 15°·

Wie die Fig. 2 und 3 zeigen, in denen die erste Ausführungsform der Erfindung beschrieben ist, sind die Auslaßmittel der Düse 3 in bezug auf ihren Strömungsquerschnitt in einer Längsmittelebene der Düse 3 verteilt und ausgerichtet und insbesondere in zwei Auslässe 27, 28 unterteilt, die sich im wesentlichen mit Abstand parallel längs der Düse erstrecken. Die Weite der Auslässe ist in der Größenordnung von 0,5. üs 2mm bemessen und beträgt vorzugsweise 1mm für Flüssigkeitsstrahl-Schneidgeräte mittlerer Leistung und Größe. Der Auslaßabstand kann in der Größenordnung von 2.bis 10mm, abhängig von der Kristallstruktur des zu erodja?enden Materials liegen, beispielsweise bei 3mm im Falle von Granit.

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Im Betrieb wird Druckflüssigkeit von der Druckmittelquelle 14 über das Umschaltventil 13 zugeführt, wodurch der Differentialkolben 6 veranlaßt wird, sich im Zylinder 7 hin und herzubewegen und dadurch als Druckverstärker mittels seiner Kolbenstange 5 zu arbeiten. Die Pumpe 16 liefert Flüssigkeit über die Leitung 17» das Bohrstück 18, den Kanal 19 in die Kolbenstange 5 und das Rückschlagventil 20 zur Druckkammer 2, um diese während des Rückhübs der Kolbenstange 5 von der Düse 3 zu füllen. Bei jedem Hüb in Richtung auf die Düse 3 erzeugt die Kolbenstange 5 einen sehr hohen Druck in der Druckkammer 2. Der Kolben 6 hat eine große Fläche, die 8 bis 24 mal größer als die Querschnittsfläche der Druckkammer 2 sein kann, und als Ergebnis hiervon wird der Druck der Druckmittelquelle 14 auf den Kolben 6, der in der Größenordnung von 0,25 bis 0,35 kilobar betragen kann, in der Druckkammer 2 bis auf einen Druck in der Größenordnung von 3 bis 10 kilobar verstärkt. Nach federn Druckverstärkungshub schließt das Rückschlagventil 19 und unterbricht die Flüssigkeitszufuhr von der Pumpe 16 zur Druckkammer 2. Mit j'edem Druckverstärkungshüb wird ein Flüssigkeitsstrahl hoher Geschwindigkeit aus der Druckkammer 2 durch den eingeengten Strömungsquerschnitt der Düse 3» der von den Auslassen 27, 28 dargestellt wird, kräftig ausgetrieben.

Die hin- und hergehende Bewegung des Gehäuses 1, die mit Hilfe der Kette 25 bewirkt wird, erfolgt gemäß der- Darstellung in Fig. 1 in einer Vorschubrichtung lotrecht zu der die Auslässe 27» 28 enthaltenden Ebene, wie durch die Pfeile 30 dargestellt ist. Dies ergibt eine maximale Schneidbreite für den intermittierenden Strahl hoher Geschwindigkeit, der von der Düse 3 ausgeht. Abhängig von dem kristallinen Charakter und der Größe der Kristallkörner des zu schneidenden Materials kann die Tiefe des

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erzeugten Schlitzes 35' bzw. der Reihe von Löchern durch entsprechende Einstellung der Schneidbreite eingestellt werden. Die optimalen Schneidbedingungen können somit durch Einstellung der Winkelstellung der die Düsenaunlüose 27» enthaltenden Ebene im Verhältnis zur Vorschubrichtung 30 ermittelt werden. Zu diesem Zwecke wird die Düsenbuchse im Gehäuse 1 gelöst, und ein Griff 31, cLer am vorderen Ende der Düse 3 mittels einer Madenschraube 32 befestigt ist, ermöglicht die Drehung der Düse 3 um die Achse der Druckkammer 2. Dadurch kann die Ebene der Auslässe 27, 28 im Verhältnis zur Vorschubrichtung 30 derart eingestellt werden, daß die optimale Nutζschneidweite zwischen den Auslassen und 28 geschaffen wird. Die ausgewählte Stellung wird durch Anziehen der Düsenbuchse 4- arretiert, woraufhin das Schneidgerät erneut in Betrieb genommen wird.

Bei der Ausführungsform nach den Fig. 4- und 5 hat die Düse wiederum einen konisch verjüngten Kanal 26 wie zuvor, je-, doch sind ihre Auslaßmittel durch einen ungeteilten Strömungsquerschnitt in Form eines einzigen Auslasses 34· gebildet, der im Verhältnis zur Düse 33 in einer Längsmittelebene derselben abgeflacht ist. Die Länge des Auslasses 34-kann mit 2 bis 4-mm bemessen werden, während die Weite 0,5 bis 1mm beträgt.

Bei der dritten dargestellten Ausführungsform der Erfindung nach Fig. 6 hat die Düse wiederum einen unterteilten verengten Strömungsquerschnitt, der durch drei Auslässe 37, 38, 39 bestimmt ist, die sich in Abständen voneinander von dem nicht dargestellten, jedoch ähnlich dem Kanal 26 ' nach Fig. 4- ausgebildeten Kanal in der Düse 36 erstrecken. Die Auslässe 37, 38, 39 enden in Mündungen von vorzugsweise 1mm Größe, die in Dreiecksstellung mit einer Seitenlänge von 3 bis 10mm zueinander angeordnet sind«

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In Fig. 7 ist die dort dargestellte modifizierte Düse 41 mit einem Paar von Auslassen 42, 43 versehen, die zu einem Punkt im Abstand vor der Stirnseite der Düse 41 konvergieren«

Die vorbeschriebenen Flüssigkeitsstrahl-Schneidgerätedüsen sind ebenso geeignet für die Anwendung in Verbindung mit an sich bekannten hydraulischen Strahlerzeugern derjenigen Art, bei denen der Strahl fortgesetzt statt nur intermittierend erzeugt wird.

Patentansprüche

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Claims (6)

Patentansprüche

1. Flüssigkeitsstrahl-Schneidgerät zum Erodieren von Löchern oder Schlitzen in harten und brüchigen Materialien wie Pels, Erz, Kohle, Erdformationsschichtungen u.dgl., gekennzeichnet durch ein Gehäuse (1) eine darin angeordnete Druckkammer (2), Mittel (16 bis 19) zum Zuführen von Flüssigkeit zu dieser Druckkammer (2), eine an die Druckkammer (2) angeschlossene Düse (3) Auslaßmittel (27, 28; 34-; 37, 36, 39; 4-2, 4-3) in der Düse (3) mit einem im Vergleich zum Querschnitt der Druckkammer (2) verengten Strömungsquerschnitt], einem sich konisch verjungenden Kanal (26) in der Düse (3) zwischen der Druckkammer (2) und den Auslaßmitteln (27, 28; 34-; 37»38,39;42,4-3) mit dem Gehäuse vereinigte Mittel (6) zur Erzeugung eines außergewöhnlich hohen Druckes in der Druckkammer (2), dui^ch welche ein Flüssigkeitsstrahl hoher Geschwindigkeit von der Druckkammer über den konisch verjüngten Kanal (26) durch den verengten Strömungsquerschnitt der Auslaßmittel austreibbar ist, und Mittel (21, 22, 23, 24-, 25) für den Vorschub des Gehäuses (1) in Querrichtung zu diesem Flüssigkeitsstrahl, wobei der Strömungsquerschnitt der Düse (3) quer zur Vorschubrichtung (30) des Gehäuses (1) verteilt und ausgerichtet ist.

2. Flüssigkeitsstrahl-Schneidgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der sich konisch verjüngende Kanal (26) koaxial zur Düse (3) gerichtet ist.

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3. Flüssigkeitsstrahl-Schneidgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsquerschnitt der Auslaßmittel durch einen einzigen Auslaß (354·) bestimmt ist, der im Verhältnis zur Düse (3) abgeflacht ist'.

4. Flüssigkeitsstrahl-Schneidgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsquerschnitt der Auslaßmittel durch ein Paar von Auslassen (27, 28) bestimmt ist, die sich mit Abstand parallel zueinander längs der Düse (3) erstrecken·

5. Flüssigkeitsstrahl-Schneidgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsquerschnitt der Auslaßmittel durch drei Auslässe (37»38, 39) bestimmt ist, die sich untereinander mit' Abstand parallel längs der Düse erstrecken und in ein Dreieck begrenzenden Mündungen enden.

6. Flüssigkeitsstrahl-Schneidgerät nach einem der vorhergehenden' Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß in dem Gehäuse (1) Mittel (4, 3I) zum Einstellen der Winkellage der Auslaßmittel (27, 28; 34; 37; 38I 39» 42, 43) im Verhältnis zur Vorschubrichtung (30) und dadurch der Schneidbreite des Flüssigkeitsstrahls vorgesehen sind.

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