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Verfahren und Vorrichtung zum Rotary-Bohren in Giefloch-
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bohranlagen Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum
Rotary-Bohren in Tieflochbohranlaen, bei dem eine Bohrkrone gleichmä2ig edreht wird,
und eine Bohrvorricntung, bestehend aus einem Bohrstrang, welcher aus der Bohrkrone,
dem Bohrgestänge und einer Mitnehmerstange aufgebaut ist, aus einem Bohrturm, in
welchem der am unteren Ende mit einer Bohrkrone versehene Bohrstrang aufgehängt
ist und in welchem ein Drehtisch für die Erzeugung einer Drehkraft auf den Bohrstrang
an der Mitnenmerstange angeordnet ist, und aus Vorrichtungen zur Erzeugung einer
gleichmäßigen Drehkraft sowie aus einer Spülvorrichtung.
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bei der Herstellung kurzer Bohrungen in Gestein und
Mineralien
ist es seit langem bekannt, den Bohrer nicht nur drehend, sondern auch schlagend
zu bewegen. Heute ist nahezu in jedem Haushalt eine sogenannte Schlagbohrmaschine
vorhanden, mit weloner ein Bohrwerkzeug drehend und schlagend in das zu bohrende
Material vorgetrieben wird.
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Bei der Durchführung von Tiefbohrungen mit dem Rotary-Verfahren bestehen
jedoch nicht diejenigen Mittel, wirksam Stoßkräfte auf die Bohrkrone zu übertragen,
was vielerlei Gründe hat. So kann man bei der mechanischen Schlagerzeugung einer
Handbohrmaschine die Scrllagfrequenz nicht unabhängig ändern. So treten bei einer
Handbohrmaschine nicht die Probleme auf, die bei einem Bohrstrang auftreten, der
viele hundert Meter lang ist. Aus diesem Grunde führt man Tiefbohrungen weiterhin
nur mit drehender Antriebskraft durch, wenn auch sich bei sehr hartem Gestein nur
Bohrleistungen von wenigen Zentimetern pro Arbeitstag erreichen lassen. Bei den
außerordentlich hohen Kosten, die bei der Durchführung von Tiefbohrungen auftreten
und die nicht nur in hohen Anschaffungskosten für das Gerät, sondern auch in sehr
hohen Lohnkosten bestehen, ist dieses ein Zeichen dafür, wie schwierig es ist, beim
Durchführen von Tiefbohrungen außer mit drehenden Kräften noch zusätzlich mit schlagenden
Kräften zu arbeiten.
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Es ist die Aufgabe der vorlieenden Erfindung, Möglichkeiten zu schaffen,
auch bei der Durchführung von Giefbohrungen neben der drehenden Bewegung in Bohrrichtung
wirkende
Impulskräfte an der Bohrkrone angreifen zu lassen.
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Die Erfindung besteht darin, daß man der auf die Bohrkrone wirkenden
Drehbewegunag e--ne von der Drehbewegung abhängige schwingende Bewegung überlagert.
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Dabei ist es zweckmäßig, für die Erzeugung der schwinwenden Bewegung
eine veränderbare Frequenz vorzusehen.
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Diese schwingende Bewegung veränderbarer Frequenz kann auf zweierlei
Weise erzeugt werden: Im einen Falle läßt man einen in Bohrrichtung schwingenden
Kolben unter dem influß von hydraulischen Impulsen wirksam werden, im anderen Falle
l-Jt man an dem Bohrstrang eine um diesen drehende Bewegung auf den Bohrstrang übertragen.
Die veränderbare Frequenz ist eine notwendige Voraussetzung, um bei der Länge der
Bohrstränge mit solchen Frequenzen arbeiten zu können, welche nicht in Gebieten
liegen, in denon sich auf dem Bohrstrang derartige stehende Wellen ausbilden, bei
denen das Ende des Bohrstranges mit einer Nullamplitude in Bohrrichtung stillsteht.
Auf der anderen Seite ist es oftmals erforderlich, mit Frequenzen zu arbeiten, die
nicht im Resonanzbereich des Bohrstranges liegen. Denn beim Arbeiten mit Frequenzen,
die mit den Resonanzfrequenzen des Bohrstranges übereinstimmen, kann eine Beschädigung
des Bohrstranges erfolgen.
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Dieses Arbeiten außerhalb der Resonanzfrequenzen des Bohrstranges
bringt zwar eine kleinere Bohrleistung, da im Resonanzbereich verständlicherweise
die Amplituden und damit die auf das Gestein übertragbaren Kräfte sehr viel größer
sind.
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Um jedoc@ die hervorragende Wirkung der großen Amplituden im Resonanzfalle
wenigstens teilweise nutzen zu können, ist es zweckmäßig, wenn man die Frequenz
der schwingenden Bewegung ständig zwischen einem oberen und einem unteren Grenzwert
verändert. Wenn ran dieses nur schnell genug tut, kann man den Resonanzbereich s@hr
schnell durchlaufen, so daß keine Schäden am Bohrgestänge und an der Bohrkrone auftreten,
aber Amplituden erzeugt werden, deren Wirkung erheblich besser ist als die ilirkung
der Amplituden außerhalb des Resonanzbereic@es.
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Zweckmäßig ist es, wenn man die schwingende Bewegung sowohl als Dreh-
als auch als Längsschwingung in Achsrichtung auf die Bohrkrone ausübt. Denn die
Drehschwingung wandelt sich selbsttätig in eine Längsschwingung, wenn nan die Drehschwingung
am Bohrstrang wirksam werden läßt. Denn nit einer zunehmenden Verdrehung verkürzt
sich der Bohrstrang, während er sich mit einer abnehmenden Verdrehung verlängert.
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Als besonders zweckmäßig ist es anzusehen, die schwingende Bewegung
in Form von in zeitlichem Abstand eingeführten Impulsen zu erzeugen. Denn hierdurch
wird es möglich, die Schwingungen so zu gestalten, daß sich optimale Bohrergebnisse
erzielen lassen. Insbesondere ist dieses dann der Fall, wenn die Impulse bei Impulsbeginn
einen starken Kraftanstieg und dann bis zum Impulsende eine gleichmäßig oder sich
gleichmäßig ändernde Kraft aufweisen.
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Bei Anwendung dieses Verfahrens gelingt es, auch in Tiefbohranlagen
im Rotary-Verfahren härteste Gesteine in relativ
kurzer Zeit zu
zerschlagen und aus den Bohrloch zu fördern. Der besoere Vorteil dieses Verfahrens
liegt in der Möglichkeit der Anwendung verschiedenster Frequenzen, die es gewährleisten,
daß die Bohrkrone immer wieder in Bereiciien arbeitet, in denen sich unter der Wirkung
der in Bohrrichtung verlaufenden Kraftimpulse das Gestein relativ leicht zerschlagen
läßt. Dabei bleiben die Vorteile des ;Rotary-VerfUlrens erhalten: Der Bohrstrang
wird mit dosiertem Druck dem Gestein angepaßt und fördert ständig optimale Mengen
an zerschlagenem Gestein.
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Dieses Verfahren führt man mit einer herkömmlichen Rotary-Bohrvorrichtung
für Tiefbohranlagen durch, die durch eine Vorrichtung zur SrzeugunO einer Schwingungsbewegung
an der Bohrkrone erfindungsgemäß ergänzt ist.
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Zweckmäßig baut man die Bohrvorrichtung so, daß die Vorrichtung zur
Erzeugung der Schwingungsbewegung ein Kolben in einem Hydraulikzylinder ist, und
daß eine an diesem Hydraulikzylinder angeschlossene Vorrichtung zur Erzeugung von
Druckölimpulsen vorgesehen ist. Auf diese Weise läßt sich in sehr einfacher gleise
eine Schwingung veränderbarer Frequenz und veränderbarer Amplitude schaffen, die
geeignet ist, der Bohrkrone die notwendigen Impulse in Bohrrichtung zu erteilen.
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Die Vorrichtung zur Erzeugung von Druckölimpulsen kann ein drehender
oder schwingender Steuerschieber sein, mit welchem zumindest gegen die eine Seite
des Kolbens im
Hydraulikzylinder in wechs@lnder Folge einmal eine
Druckleitung, das andere lial die Rücklaufleitung angeschlossen wird. Dieser drehende
oder schwingende Steuerschieber weist sehr einfache Möglicäkeiten auf, um die Impulsform
und die Impulsfrequenz zu verändern: Eine Möglichkeit zur bestimmten Gestaltung
von Impulsformen und auch zu deren Veranderung besteht darin, daß die Schlitze und/oder
Öffnungen für den Öldurchlaß im Steuerschieber mit in Kurvenforn gestalteten Kanten
ausgestattet sind. Durch von der ltechtecktorm abweichende Schlitze und Öffnungen
lassen sich dann unterschiedlichste Impulsformen erzeugen.
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Die Frequenz läßt sich bei einem schwingenden Steuerschieberkolben
leicht dadurch variieren, daß als Antrieb ein Nockenrad vorgesehen ist, dessen Antriebsmotor
auf verschiedene Drehzahlen einstellbar ist. Bei einem drehenden Steuerschieberkolben
läßt sich die Frequenz leicht dadurch verändern, daß als Antrieb ein auf verschiedene
Drehzahlen einstellbarer Antriebsmotor vorgesehen ist.
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Dabei ist es zweckmäßig, wenn der Kolben des Steuerschiebers sowohl
dreh- als auch verschiebbar ist. Handelt es sich um einen drehenden Steuerschieber,
so ist die Antriebsdrehzahl des Steuerkolbens maßgebend fiir die erzeugten hydraulischen
Druckfrequenzen. sinne Verschiebung des drehenden Steuerschieberkolbens bewirkt
eine Veränderung der Durchlaßmengen und damit eine Veränderung der Drucke. Denn
wenn'die einander gegenüberliegenden Öffnungen der Kanäle im Steuerschieberkolben
und im Steuerschiebergehäuse nicht voll miteinander fluchten, ändern sich die Durchlaßgrößen.
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Umgekehrt ist es bei einem schwingenden Steuerschieberkolben: Hier
benutzt man die Schwingfrequenz des Kolbens zur
Erzeugung einer
bestimmten Frequenz der hydraulischen Impulse. Durch eine Verdrehung des längsschwingenden
Steuerschieberkolbens läßt sich erreichen, daß die Durchlaßschlitze und Öffnungen
im Kolben und im Gehäuse verschieden stark miteinander fluchten und somit unterschiedliche
Durchlaßwerte ergeben.
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Zweckmäßig ist es, sowohl eine Vorrichtung für die ständige Drehung
als auch eine Vorrichtung für die ständige Verschiebung des Steuerschieberkolbens
vorzusehen.
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Die Vorrichtung zur Erzeugung der Schwingungsbewegung kann im Bohrturm,
vorzugsweise oberhalb des Drehtisches angeordnet sein. Sie kann aber auch im Bohrstrang
dicht oberhalb der Bohrkrone angeordnet sein und von der Spülflüssigkeit angetrieben
werden.
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Ist dieses der Fall, dann ist es zweckmaßiJ, daß dem hydraulischen
Antri.ebsmotor für den drehenden Steuerschieber ein Ventil einer von diesem Antriebsmotor
bewerten Ventilsteuerung vorgeschaltet ist, mit welchem die den Antriebsmotor antreibende
Flüssigkeitsmenge auf ständig wechselnde Werte einstellbar ist. Auf diese Weise
wird gewährleistet, daß auch bei gleichmäßigem Fluß des Spülmittels sowohl die Drehfrequenz
als auch die Amplitude sich ständig ändert.
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Das diesen der vorliegenden Erfindung ist anhana von in der Zeichnung
schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen
näher erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 eine Bo@ranla@e mit Vorrichtung zur Erzeugung der linearen Schwingung
über Tage, Fig. 2 ein Hydraulikschema der Vorrichtung zur Erzeu gung der linearen
Schwingung, Fig. 3 eine sc@ematische Darstellung eines schwingenden Steuerschiebers,
Fig. 4 eine sc@ematische Darstellung eines drehenden Steuerschiebers, Fig. 5 eine
Bohranla@e mit einer Vorrichtung zur Erzeugung der linearen Schwingung unter Tage,
Fi». 5 einen Schnitt durch den Schwingungsgeber der Fig. 5.
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Die Bohranlage zur Fig. 1 weist einen aus vielen Bohrröhren zusammengesetzten
Bohrstrang 1 auf, an dessen unterem Sunde die Bohrkrone 2 befestigt ist. Die Bohrkrone
2 ist im allgemeinen ein Rollenmeißel. Am oberen Ende des Bohrstranges 1 befindet
sich die Mitneh@erstange 3. Der gesamte Bohrstrang hängt an einem Flaschenzugnaken
4, w@lcher mitsamt dem Flaschenzug vom nicht dargestellten Bohrturm getragen wird.
Der gesamte Bohrstrang 1 mits@mt der Mit@ehmerstange 3 und der Bohrkrone 2 ist hohl
ausgebildet. Durch ihn wird eine Spülflüssigkeit, die über den Spülschlauch 5 und
den Spülkopf 6 in das Innere des Bohrstranges eingeführt wird, bis zur Bohrkrone
2
refünrt. An der Außenseite des Bohrstranges 1 steigt die im Inneren des Bohrstranges
nach unten .eführte Flüssigkeit wieder @ach oben und trägt die von der Bonrkrone
zerkleinerten Gesteine @it nach oben.
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.Das Bohrloch ist durcn abgesenkte Rohre 7 verronrt.
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Die mit Gesteinteilen beladene Flüssigkeit wird durch die Bohrschlammrückleitung
8 abgeführt.
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Der Drehantrieb des Bohrstranges 1 erfolgt von einem Drehmotor 9,
welc@er einen Drehtisch 10 antreibt. Dieser Drehtisch 10 treibt seinerseits die
Mitnehmerstange 3 an.
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In der schematischen Darstellung der Fig. 1 sind im Bereich der Mitnehmerstange
3 zwei Vorrichtungen A und B zur Erzeujurig einer linearen Schwingung an der Bohrkrone
dargestellt. In der praktischen Ausführung wird aus Gründen der Kostenersparnis
zweckmäßigerweise nur eine von diesen Vorricatun-en vorgesehen sein. Die Vorrichtung
A dient zur Erzeugung einer linearen, in Bohrrichtung gerichteten Schwingung. Die
Vorrichtung B dient zur Erzeugung einer Drehschwinejung. Bei der Länge des Bohrstranges
setzt sich die Drehschwingung am unteren Ende des Bohrstranges in eine lineare Schwinung
um, da bei stärkerer Verdrehung der Bohrstrang kürzer wird, bei schwächerer Verdrehung
länger wird.
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Die die lineare Schwingung erzeugende Vorrichtung A, die lineare Kraftimpulse
in den Bohrstrang 1 einleitet, weist einen Hydraulikzylinder 11 auf, in welchem
ein Hydraulikkolben
12 verschiebbar angeordnet ist, w@lcher fest
mit der Mitnehmerstange 3 verbunden ist. Zwei Hydraulikleitungen 13 verbinden einen
Steuerschieber 14 it den beiden Anschlüssen an den doppelt wirkenden Hydraulikzylinder
11. Der Steuerschieber 14 ist einerseits an die Druckölquelle 15, eine hydraulische
Pumpe, andererseits an die zum Ölbehälter 16 führende Rücklaufleitung 17 angeschlossen.
Der Steuerschieber 14 verbindet in ständig wechselnder Folge jede der beiden Hydraulikleitungen
13 einmal mit der Druckölquelle 15, das andere Mal mit der Rücklaufleitung 17. Diese
Verbindung wird zweckmäßigerweise so vorgenommen, dafS in den Raum oberhalb des
Kolbens 12 immer eine etwas größere Druckölmenge eingelassen wird, als wäiirend
des darauf folgenden Anschlusses an die Rücklaufleitung aus diesem Raum wieder austritt.
Entsprechend wird in dem Raum unter dem Kolben ständig eine etwas kleinere Menge
Drucköl eingelassen, als während der Zeit des Anschlusses an die Rücklaufleitung
aus diesem Raum herausgelassen wird. Auf diese Weise wird ein vibrierender Vorschub
in Richtung nach unten erzeugt. Die S-tärke und die Schwingungsfrequenz ist hierbei
mittels des Steuerschiebers 14 einstellbar.
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Die Vorrichtung B zur Erzeugung einer Drehschwingung weist einen hydraulischen
Motor 18 auf, w@lches ein Drehkolbenmotor sein kann. Dieser ist über die gestrichelt
dargestellten @ydraulikleitungen 19 mit dem Steuersc@ieber 14 verbunden. Auch nier
wird die Dre@schwingung dadurch erzeugt, daß ständig im einen lakt eine etwas größere
Flüssigkeitsmenge zugeführt wird, als im Gegentakt in die Rücklaufleitung 17 gegeben
wird.
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Das hydraulikschema ist im einzelnen in Fig. 2 dargestellt.
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Fig. @ zeigt eine schematische Darstellung eines schwingenden Steuerschiebers.
In dem Gehäuse 20 des Steuerschiebers ist der Steuerkolben 21 mit den Verbindungskanälen
29 und 30 längsverschiebbar angeordnet. An dem einen PJnde des Steuerkolbens 21
ist eine Feder 31 angeordnet, welche die am anderen Ende des Steuer@olbens 21 befestigte
+iolle 24 deren die Nockenscheibe 23 drückt. Die Nockenscheibe 23 wird durch einen
nicht dargestellten Antribsmotor in Drehbewegung versetzt. Die Drenzanl der Nockenscheibe
23 ist bestimmend für die Frequenz der in die Leitung 13 austretenden Druckölimpulse.
Auch hier wird das Drucköl in einer Druckölquelle 15, einer hydraulischen Pumpe
z. 3., erzeugt. Es fließt durch das Gehäuse des Steuerschiebers bis zum Kanal 29
im Steuerschieberkolben, durch den es in die Leitung 13 austreten kann, die in den
Hydraulikzylinder 11 führt, in welchem der Kolben 12 verschiebbar angeordnet ist.
Das Drucköl tritt aus der Leitung 29 in die Leitung 13 ein, wenn die beiden Leitungen
miteinander in einer bestimmten Stellung des Steuerschieberkolbens 21 fluchten.
Fluchtet der Kanal 30 mit der zum Ölvorratsbehälter 16 führenden Leitung 17, dann
kann Öl aus dem Hydraulikzylinder 11 in den Ölbehälter 16 austreten. Durch die Größe
und Form der Ausnehmungen 32, 33, die am Ende der Kanäle 29, 30 angeordnet sind,
kann die Impulsform und die Impulsdauer der in die Leitung 13 austretenden hydraulischen
Impulse bestimmt werden. Da diese Austrittsöffnungen 32, 33 unterschiedliche Form
haben, ist es vorgesehen, daß der linear schwingende Steuerschieberkolben 21 auch
verdrehbar ist, um unterschiedliche Impulsformen bzw. unterschiedliche Schwingungsformen
einstellen
zu können. Für die Verdrehung des Steuerschieberkolbens
21 dient eine Verzahnung 25, die auf seine nde anebracht ist. In diese Verzahnun@@greift
ein Zahnrad 26 an, welches mit einem Antriebsmotor 28 über eine Bremskupplung 27
gekoppelt ist. Mit der Bremskupplung 27 kann im Bremszusband das Zahnrad 26 und
damit die Verza@nung 25 und der steuerschieberkolben 21 festgelegt werden. Im Kupplungszustand
ist das Zahnrad 26 mit dem Motor 28 kraftschlüssig verbunden.
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In Fig. 4 ist die sc@ematische Darstellung eines drehenden Steuerschiebers
gezeigt. In einem nicht dargestellten Gehäuse befindet sich der drehbare Steuerkolben
32, dessen Welle 33 mittels eines Antriebsmotors 34 über die Kette 35 angetrieben
wird. Der rotierende Steuerschieber 32 weist zwei Ausnehmungen 36, 37 auf. @ber
diese Ausnehmungen ist einerseit die Druckölleitung von der Pumpe 16, andererseits
die Rücklaufleitung 17 mit der zum Hydraulikzylinder 11 führenden Leitung 1) zu
verbinden. Größe und Form der Ausnehmungen bestimmen die erzeugten Schwingungsimpulse.
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Durch eine axiale Verschiebung des rotierenden Steuerschiebers 32
läßt sich die Größe und Gestalt der Impulse ändern. Die Frequenz der Druckölimpulse
läßt sich mittels der Drehzahl des Antriebsmotors 34 einstellen.
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In Fig. 5 ist eine T30hranlage mit einer Vorrichtung 38 zur Erzeugung
ender linearen Schwingung unter Tage dargestellt. Diese Vorrichtung 38 befindet
sich dicht über der Bohrkrone 2. Diese Vorrichtung 38 ist in Fig. 6 in einem schematischen
schnitt dargestellt. An den Rohrstrang 1 ist das Gehäuse der Vorrichtung 38 angeschlossen.
Die Vorrichtun
- 38 wird durch die Spülmittelleitung 39 durchsetzt.
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Von dieser zweigt eine Stichleitung 40 zu dem Ventil 41 ab. Das Ventil
41 bestimmt diejenige Menge Spülmittel, die zu dem Hydromotor 42 gelangen kann.
Der Hydromotor weist beidseitig einen Wellenausgang auf. Der eine Wellenausgang
ist mit der Steuervorrichtung für das Ventil 41 über die zelle 43 gekoppelt. Zwischen
dieser Steuervorrichtung und der Welle 43 ist noch ein Untersetzungsgetriebe angeordnet.
Der andere Wellenausgang ist mit der Welle 44 -ekoppelt, die dem Antrieb des Steuerschiebers
45 dient. In den Steuerschieber 45 führt eine Stichleitung 46 von der Spülmittelleitung
39. An die Außenseite der Vorrichtung 38 führt eine Stichleitung 51, die als Rücklaufleitung
dient. ueber die Leitung 47 werden die im Steuerschieber 45 erzeugten Druckölimpulse
in den Arbeitszylinder 48 eingeführt, der ringförmig ausgebildet ist. In diesem
ist ein Kolben 49 verschiebbar, welcher über Kolbenstangen 50 mit der Bohrkrone
2 verbunden ist.
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Die Ausführung der Vorrichtung 38 kann auch in anderer Weise erfolgen:
Es ist z.B. möglich, die gesamte Spülmittelmenge den Steuerschieber durchfließen
zu lassen.
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Es können andere Ausbildungen des Steuerschiebers gewählt werden.
Es können andere Ventilausführungen gewählt werden.
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L e e r s e i t e