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Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Bohrlöchern in
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sehr hartem Gestein mit Hilfe einer pneumatisch oder hydraulisch angetriebenen
Impulsbohrmaschine Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Herstellen von Bohrlöchern in sehr hartem Gestein mit Hilfe einer pneumatisch
oder hydraulisch angetriebenen lmpulsbohrmaschine.
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In sehr harte Gesteine, z.B. Felsen, Marmor, Kohle, Erze, Beton, usw.
lassen sich oftmals nur sehr schwer Bohrlöcher einbringen. In der Bohrlochtechnik
allgemein wurde bislang mit unterschiedlichen Verfahren und mit den verschiedensten
Hilfsmitteln und Werkzeugen gearbeitet.
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Im wesentlichen konzentrieren sich die Verfahren entweder auf ein
Hämmern mit Meißeln oder auf ein Drehen eines an der Spitze mit Schneiden versehenen
Werkzeugen.
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Pneumatische Hämmer, z.BO beim Einsatz im Straßenbau, in Steinbrüchen
und dergleichen, arbeiten nur mit hämmernden Schlägen in Achsrichtung. Das zertriümnerte
Material wird durch Schräghalten des Hammers aus dem Bohrloch mehr oder weniger
hämmernd herausgebrochen und dadurch das Bohrloch systematisch erweitert, nicht
nur in Vortriebsrichtung, sondern auch seitlich hierzu.
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Andere Verfahren arbeiten drehend mit einem an der Spitze mit Schneiden
versehenen Werkzeug, mit dem Material aus dem Bohrloch geschnitten und geschabt
wird und mit dessen in die Umfangsflächen spiralförmig geschnittenen Gängen das
zerkleinerte Material aus dem Bohrloch gefördert wird.
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Ein weiteres Beispiel ist in der hydraulischen Bohrlochtechnik der
Einsatz eines Bohrmeißels beim Rotary-Tiefloehbohren für Wasser, Erdöl und Erdgas.
Hier werden an rotierenden Bohrkronen angeordnete Rollenmeißel eingesetzt, die an
ihrem Umfang mit Schneiden versehene Rollen ausweisen Um zu grösseren Bohrleistungen
zu kommen, wurden dem Werkzeug die verschiedensten Normen gegeben, aber die große
Anzahl unterschiedlicher Meißel führen eine rotierende Bewegung aus, aus der die
Frequenz ihres Aufsetzens auf das Gestein abgeleitet ist.
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:?i;tr die Herstellung sehr kleiner Löcher sind Schlagbohrmaschinen
bekannt geworden, die in erster Linie in der Bauindustrie eingesetzt werden. Ihre
Verbreitung ist so groß, daß sie bereits in vielen Haushalten als Bastlergerät eingang
gefunden haben. Bei einer Schlagbohrmaschine wird von der drehenden Bewegung über
zwei aufeinander ratschende Zahnscheiben eine Folge von mechanischen Impulsen in
Achsrichtung hergestellt und auf das Bohrwerkzeug gekoppelt, Da die Bohrarbeit beim
Herstellen grösserer Bohrlöcher in sehr hartem Gestein zeitraubend ist und der erzelbare
Vortrieb oft nur wenige Zentimeter pro rag beträgt, wäre es vorteilhaft, wenn man
unabhängig von der Bohrlochtiefe im günstigsten Frequenzbereich hämmern und zugleich
drehen, schneiden und schaben könnte, um die Bohrung voranzutreiben.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Möglich keit zu schaffen,
mittels eines druckmittelbetätigten Bohrers drehend und mit von der Drehzahl unabhängiger
Frequenz hämmernd oder wahlweise nur drehend oder nur hämmernd sehr hartes Gestein
in relativ kurzer Zeit zu zerschlagen und zu zerkleinern.
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Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, dass sich besonders gute
Ergebnisse beim Zerschlagen von Gestein im Bohrloch dann erzielen lassen, wenn es
möglich wird, Frequenzen und Amplituden einer Schwingung beim Bohren ständig zu
variieren und sich dem jeweiligen Gestein während des Arbeiteprozesses anzupassen.
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Die Erfindung besteht darin, dass man das Werkzeug der Bohrmaschine,
das kraftschlüssig vom Antrieb der Drehbewegung erhält, unter Anwendung von hydraulischen
oder pneumatischen Impulsen zusätzlich mit einer schwingenden bzw. oszillierenden
Bewegung durch einen von einem Steuergerät ausgehenden, pulsierenden Druckmittelstrom
beaufschlagt.
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Bei diesem Vorgehen erreicht man eine besonders hohe Bohrleistung,
weil es möglich wird, das stoßende und drehende Arbeiten des Bohrers an das zu zerschlagende
Gestein anzupassen. Man kann somit in der Resonanz oder dicht neben der Resonanz
arbeiten, man kann dem Werkzeug in Achsrichtung stoßende und in Drehrichtung schwingende
Impulse überlagern, man kann beliebige Kombinationen dieser Schwingungsvorgänge
einstellen.
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Da man die günstigsten Dreh- und Schlagfrequenzen meist nicht genau
kennt, ist es zweckmässig, wenn man die Frequenz der schwingenden Bewegung ständig
zwischen einem oberen und
einem unteren Grenzwert verändert.
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Sehr vorteilhaft ist es auch, wenn man die schwingende Bewegung in
Form von in zeitlichem Abstand eingeführten Impulsen erzeugt. Als zweckmässig hat
es sich erwiesen, dass die Impulse bei Impulsbeginn einen starken Krattanstieg und
dann bis zum Impulsende eine gleichmässige oder sich gleicheässig ändernde Kraft
aufweisen. Man kann auch im ständigen Wechsel das Werkzeug einmal mit einem Impuls
in Achsrichtung und einmal mit einem Impuls in Drehrichtung beaufschlagen.
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Für die Durchführung dieses Verfahrens benutzt man eine Vorrichtung,
die aus einem Steuergerät für ein hydraulisches oder pfleumatisches Druckmedium
mit intermittierend austretenden Druckimpulsen und einem damit beaufschlagten Arbeitskolben,
der an das von einer anderen Kraftquelle gedrehte Werkzeug gekoppelt ist, in einem
Zylinder besteht. Auf diese Weise gelingt es am einfachsten, neben der ständigen
Drehbewegung auch eine oszillierende oder schwingende Bewegung dem Werkzeug zusätzlich
aufzuzwingen.
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Vorteilhaft ist es, wenn das Steuergerät ein drehender oder schwingender
Steuerschieber ist, mit welchem zu mindest an die eine Seite des Kolbens im Zylinder
in wechselnder Folge einmal eine Druckleitung, das andere Mal eine Rücklaufleitung
angeschlossen wird. Es können dabei auch mehrere Druckleitungen angeschlossen werden,
die beispielsweise Drucke unterschiedlicher Höhe enthalten.
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Vorteilhaft ist es, wenn bei einer Tandemanordnung von Steuergerät
und Arbeitszylinder das Drehmoment der Bohrmaschine übertragende Antriebswelle gleichzeitig
als Drehschieber ausgebildet ist, wobei sich der Arbeitskolben ebenfalls auf dieser
zelle befindet und seine Hubbewegungen über Gleitmuffen auf eine zweite, über Zahnräder
synchron laufende Welle überträgt, die das Werkzeug rotierend und zugleich pulsierend
mit variablen Frequenzen und amplituden antreibt.
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Um besonders günstige Kurvenformen des Druckverlaufes der Druckimpulse
zu erzielen, ist es zweckmässig, wenn die Schlitze und Öffnungen für den Druckmittelstrom
im Steuerschieber das Steuergerätes mit in Kurvenform gestalteten Kurven ausgestattet
sind.
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Um die verschiedenen Impuls frequenzen einstellen zu können, ist es
zwedmässig, als Antrieb für den drehenden Siwerschieberkolben ein auf verschiedene
Drehzahlen vorzugsweise kontinuierlich einstellbarer Antriebsmotor vorgesehen ist.
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Ist der Steuerschieberkolben des Steuergerätes sowohl drehals auch
verschiebbar, so kann hierdurch die Amplitude der Druckimpulse, deren Impulsform
und deren Abstand eingestellt werden, wenn die Öffnungen würzen Durchtritt des Druckmittels
entsprechend ausgestaltet werden. Denn durch eine Verschiebung eines drehenden Steuerschieberkolbens
lassen sich die Öffnungsweiten der für den Durchtritt des Druckmittels vorgesehenen
Öffnungen auf verschiedene Größen einstellen. Bei einem schwingenden Steuerschieber
lassen sich die Öffnungsweiten
durch ein Verdrehen um wenige Gradänderungen
einstellen.
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Vorteilhaft ist es, wenn die Vorrichtung zur Erzeugung der Schwingungsbewegung
unmittelbar zwischen Werkzeug und Drehantrieb liegt. Vorteilhaft kann es sein, als
Druckmittel zur Antrieb der Bohrmaschine ein an anderer Stelle benutztes Spül- oder
Kühlmittel auszunutzen.
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Das Wesen der vorliegenden Erfindung ist nachstehend anhand von in
der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es
zeigen: Fig. 1 eine schematische Ansicht des Aufbaues der Impuls bohrmaschine, Fig.
2 eine schematische Darstellung eines einfachen Drehschiebers in zwei verschiedenen
Arbeitsstellungen, Fig. 3 einen Hydraulikschaltplan, Fig. 4 ein praktisches Ausführungsbeispiel
der Impulsbohrmaschine.
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Im wesentlichen besteht die Impulsbohrmaschine aus fünf Teilen, die
in Fig. 1 näher dargestellt sind: Aus einem Bohrer b mit einer Werkzeughalterung
B aus einem Arbeitszylinder C aus einem Steuergerät D aus einer Kupplung E und einem
Getriebe F sowie aus einem Rydromotor oder einem anderen Drehantrieb G.
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Durch den Stutzen H tritt das Druckmittel in die Maschine ein, durch
den Austrittsstutzen z verlässt das Druckmittel die Maschine.
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In dem gezeichneten Ausführungsbeispiel ist die Tandemanordnung wegen
kleinster Außendurchmesser sicherlich die Vorteilhafteste. Die Reihenfolge zwischen
Werkzeug und Antriebsmaschine kann jedoch geändert werden. Auch ist es möglich,
das Druckmittel am vorderen Ende der lmpulsbohrmaschine austreten zu lassen, um
dieses z.B. als Spül- oder Schmiermittel zu verwenden.
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Zweckmässig baut man die Bohrvorrichtung so, dass dieVorrichtung zur
Erzeugung der Schwingungsbewegung ein Kolben in einem Arbeitszylinder ist und eine
an diesem Zylinder angeschlossene Vorrichtung zur Erzeugung von Druckimpulsen vorgesehen
ist. Auf diese Weise lässt sich sehr einfach eine Schwingung mit veränderbarer Frequenz
und mit veränderbarer Amplitude schaffen, die ggsignet ist, dem Werkzeug die notwendigen
Impulse in Bohrrichtung zu erteilen.
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Die Vorrichtung zur Erzeugung von Druckimpulsen (Steuergerät) kann
ein drehender oder schwingender Steuerschieber sein, mit welchem zumindest gegen
die eine Seite des Kolbens im Arbeitezylinder in wechselnder Folge einmal eine Druckleitung,
das andere Mal die REcklaufleitung angeschlossen wird.
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Der drehende oder schwingende Steuerschieber weist sehr einfache Möglichkeiten
auf, um die Impulsform und die Impulsfrequenz zu verändern.
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Eine Möglichkeit zur bestimmten Gestaltung von Impuls formen und auch
zu deren Veränderung besteht darin, dass die Sdtitze und Öffnungen für den Drucknitteldùrchlass
im Steuerschieber mit in Kurvenform gestalteten Kanten ausgestattet sind. Durch
von der Rechtockfore abweichende Schlitze und Öffnungen lassen sich unterschiedliche
Dmpuls formen erzeugen.
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Die Frequenz lässt sich bei einem schwingenden Steuerschieber leicht
dadurch veriieren, dass als Antrieb ein Nockenrad vorgesehen ist, dessen Antriebsmotor
auf verschiedene Drehzahlen einstellbar ist.
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Bei einem dreh enden Steuerschieberkolben lässt sich die Frequenz
leichter dadurch ändern, dass als Antrieb ein auf verschiedene Drehzahlen einstellbarer
Antriebsmotor vorgesehen ist.
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Der Steuerschieberkolben eines Drehschiebers kann sowohl dreh-, als
auch verschiebbar ausgebildet sein. Bei einem dreh enden Steuerschieber ist die
Antriebsdrehzahl des Steuerkolbens maßgebend für die erzeugten Druckfrequenzen.
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Eine zusätzliche Verschiebung des drehenden Steuerschieberkolbens
bewirkt eine Veränderung der Durchlassmengen und bei N = const. eine Veränderung
der Drücke.
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Bei einem oszillierenden Steuerschieberkolben benutzt man die Schwingfrequenz
des Kolbens zur Erzeugung einer bestimmten
Frequenz der hydraulischen
Impulse. Zusätzlich lässt sich der oszillierende Steuerschieberkolben noch während
seines Hubes verdrehen. Dadurch erhält man ebenfalls variable Durchflusswert.
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Die Ausbildung des von einem Antriebsmotor angetriebenen Drehschiebers
ist einfacher Ausführung ohne Längsverschiebung und seine Wirkungsweise geht aus
Fig. 2 hervor.
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Die Darstellung zeigt schematisch die Abwicklung des Umfanges des
Drehschiebers in Verbindung mit dem Arbeitskolben in beiden Endlagenstellungen und
hierzu die Aufteilung des Stromes.
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Bei hydraulischer Betätigung des Drehschiebers erfolgt dr Oeleintritt
durch eine Einlassöffnung ii Ge@äuse und eine Verbindung zu einer umlaufenden Ringut
des Drehschiebers.
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Rechts und links dieser Ringut sind um T80° versetzt Je eine oder
zwei achsial angeordnete Öltaschen am Umfang eingefräst.
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Außerdem sind zu den Öltaschen gehörend eine oder zwei korrespondierende
Ölbohrungen am Umfang versetzt angeordnet, die nach innen verlaufen und das Druckmittel
mit einer axial gerichteten Bohrung zu der Ölaustritts-Ringnut fuhren.
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Im Drehschiebergehäuse sind ebenfalls radiale Bohrungen vorgesehen,
die bei einer Umdrehung des Drehschiebers mit den Öltaschen und Bohrungen des Schiebers
zur Überdeckung kommen.
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Demzufolge wird bei Eintritt des Druckmittels in die Ringnut
im
Schnitt @@@@WWdie Ölbohrung @ mit der Kolbenseite des Arbeitszylinders kurzgeschlossen
Das auf verdrängte Öl fliesst gleichzeitig itber die Bohrung II zur Ölaustritts-Ringnut.
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Nach einer halben Umdrehung des Drehschiebens wird die Ölbohrung @@@
mit dem Druckmittelzufluss kurzgeschlossen.
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I und III bleiben dabei verschlossen.
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Das Druckmittel beaufschlagt nummehr in umgekehrter Weise die Kolbenseite
III. Der Arbeitskolben bewegt sich in die andere Endlagenstellung und schiebt das
öl über Bohrung maus.
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Durch die Wahl dieses Drehschiebers wird der Druckmittelzufluss intermittierend
in zwei Ölsträme geteilt. Die Frequenz ämdert sich mit der Drehzahl. Die Durchflussmengenänderung
variiert dem Druck.
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Das Druckmittel für einen "Impulsdrilling"als Bohrgerät wird durch
eine spezielle Station zur Verfügung gestellt.
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Fig. 3 zeigt den Hydraulikschaltplan. Wie zu ersehen ist, stellt eins
Pump- und Speicherstation das Druckmittel für den Bohrer bzw. Meißel bereit. Die
Hydraulikpumpe K und der ölmotor G, der den Bohrer antreibt, bilden ein sogenanites
hydrostatisches Getriebe im offenen Kreislauf.
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Zwischen Pumpe und Ölmotor besteht eine Druckmittelzulaufleitung.
Die Rückflussleitung führt zum Öltank. Die Hydraulikpuipe K wird von dem Motor M
angetrieben. Die Pumpe K pumpt Öl ans dem Vorratsbehälter L in die Leitung N.
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Von dieser Druckölleitung N ist ein Abzweig geschaffen, der zu den
Dvuill beyveu@@vs O führt. Diese dienen dazu, den Druck in der Leitung N auf einem
konstanten Wert zu erhalten und überschüssig in die Druckleitung N gepumptes Drucköl
in den Ölvorratsbehälter L zurückzuführen. Für den Fall, dass besonders starke Druckölentnahmen
zeitweise auftreten, sind zwei Speicher P vorgesehen, die kurzzeitige, sehr starke
Druckölentnahmen so ausgleichen können, dass der Druck in der Leitung N erhalten
bleibt. Der Anschluss dieser Leitung N an den Eingangsstutzgen U in die Antriebsmaschine
ist nicht dargestellt. Uber das Abzweigventi; Q gelangt Druckflüssigkeit in den
Antriebsmotor R für den Steuerschieber S. leber die Leitung Nt fließt Druckmedium
in den Arbeitszylinder C hinein. Der Rücklauf erfolgt über die Rücklaufleitung T,
in welcher noch zusätzliche Aggregate U,V vorgesehen sein können, um über eine Drosslung
des Rücklaufes beispielsweise bestimmte Impulsformen zu erzeugen.
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Statt des ölmotors kann @uch eine Turbine zum Antrieb der Impulsbohrmaschine
dienen.
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Die Hydraulikpumpe K ist als Regelpumpe vorgesehen und mit einem Druckregler
ausgerüstet. Demzufolge passt sich die Förderleistung der Pumpe dem eingestellten
Druck automatisch an.
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Der konstruktive Aufbau einer Impulsbohrmaschine geht aus Fig. 4 hervor,
wie Sm .S-hnittbild zu ersehen ist, wird der hierbei vorgesehene Drehschieber über
ein Getriebe
von einer Turbine angetrieben und überträgt die Drehbewegung
kraft schlüssig und variabel auf das Werkzeug, das seinerseits gleichzeitig vom
Drehschieber nachgeschlateten Arbeitskolben seine Hubbewegungen variabel überlagert
erhält.
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Aus dem Schnittbild der Fig. 4 geht weiterhin hervor, in welcher Weise
der Druckmittelfluss stattfindet und wie die räumlichen Anordnung, d.h. dieTandembauweise
für das pulsierende Werkzeug vorgenommen ist.
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Das Druckmittel tritt bei 1 ein und wird über die Tasche 2 r Kolbenseite
3 des Arbeitszylinders geleitet, um diesen nach links zu verschieben. Das auf der
Kolbenseite 4 verdrängte Druckmittel kann gleichzeitig über die korrespondierende
Bohrung 9 und über innere Kanäle zum Druckmittelausfluss 6 abgeleitet werden.
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Bei Verdrehung der Welle um 180° tritt der umgekehrte Druckmittelfluss
ein. Die Kolbenseite 4 wird zuerst beaufschlagt und schiebt den Arbeitskolben nach
rechts.
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Zwischen vorderer und hinterer Bohrung des Arbeitskolbens ist für
die jeweiligen Räume eine Ausgleichsbohrung vorgesehen.
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Die Anordnung von Steuergerät und Arbeitszylinder in Hintereinander
schaltung ermöglicht einen günstigen Kraft fluss.
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Im Steuergehäuse a dreht sich die das Drehmoment der Impulsbohrmaschine
übertragende Antriebswelle b, welche gleichzeitig als Drehschieber ausgebildet ist.
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Der auf dieser Welle angeordnete Arbeitskolben d bewegt sich pulsierend
im Zylinder c. Der Arbeitskolben über trägt seine Hubbewegungen über Gleitinuffe
e, Mitnehmer f und Gleitschuh i auf eine zweite über Zahnräder g und h synchron
laufende Wolle k, mit Axial-Gleitlager 1 und treibt somit rotierend und pulsierend
das Werkzeug an.
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auf diese Weise entsteht die pneumatisch mechanische oder hydraulische-mechanische
Impulsbohrmaschine, deren Frequenzen und amplituden sich dem sehr harten Gestein
während des Arbeitsprozesses anpassen lassen.
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Zusammenfassend liegen der Erfindung folgende Vorteile gegenüber der
bisherigen Bohrtechnik zugrunde: - Impulsbohren durch einen pneumatisch oder hydraulisch
angetriebenen, hämmernden und drehenden Bohrer oder Meißel, wobei die eine oder
andere Bewegung variabel überlagert wird, um sich dem Gestein anzupassen - durch
die Tandem anordnung von Bohrer, libeitszylnder, Steuergerät, Getriebe und Turbine
oder in einer anderen Reihenfolge, werden kleinste Außendurchmesser der Impulsbohrmasch@@erzielt,
die insbesondere beim Tieflochbohren von großer Bedeutung sind - unter Verwendung
eines Drehschiebers mit Aufteilung des Druckmittelstromes wird eine größere Schlagintensität,
d.h. Bohrleistung erzielt. Außerdem erfolgt eine Anpassung an das Jeweils zu bearbeitende
Gestein.
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L e e r s e i t e