DE2610990A1

DE2610990A1 - Verfahren und vorrichtung zur daempfung des rueckschlags bei gesteinsbohrmaschinen

Info

Publication number: DE2610990A1
Application number: DE19762610990
Authority: DE
Inventors: Kurt Holger Andersson; Carl Goesta Bernhard Edwall; Bo Erik Forsberg
Original assignee: Atlas Copco AB
Current assignee: Atlas Copco AB
Priority date: 1975-03-18
Filing date: 1976-03-16
Publication date: 1976-09-30
Also published as: US4068727A; CA1040943A; IT1057428B; FR2304450B1; AU1208276A; FI760639A; DE2610990B2; SE398066B; ZA761453B; GB1507610A; SE7503038L; FR2304450A1

Description

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

Frankfurt/Main Staufenstraße

Atlas Copeο AB

Nacka / Schweden

Verfahren und Vorrichtung zur Dämpfung des Rückschlags bei Gesteinsbohrmascbinen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Dämpfung des Rückschlags eines mittels eines Hammerkolbens schlagend betriebenen Arbeitswerkzeugs beim Gesteinsbohren, auf welches über die Gesteinsbohrmaschine eine Vorschubkraft ausgeübt wird, sowie eine zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Vorrichtung.

Bei herkömmlichen Gesteinsbohrrmschinen wird der Rückschlag des Arbeitswerkzeugs gedämpft durch eine Schraubenfeder oder durch Tellerfedern. Solche Federn sind empfindlich bei großen Amplituden. Dies bedeutet, daß eine verhältnismäßig große Vorschubkraft auf die Gesteinsbohrmaschine ausgeübt werden muß, um eine wirksame Rückschlagdämpfung zu erzielen. Die große Vorschub— kraft bedeutet ihrerseits wiederum, daß die Vorschublaffette und die Bohrausleger, welche die Gesteinsbohrmaschine tragen, kräftig und schwer ausgebildet werden müssen,

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ORIGINAL

Bei handgeführten Gesteinsbohrmaschinen ist auch schon vorgeschlagen worden, durch ein Luftkissen zu verhindern, daß die Rückschläge vom Arbeitswerkzeug auf den Handgriff und die Hand der Bedienungsperson übertragen v/erden. Bei dieser Konstruktion kann das Werkzeugfutter eine kurze Entfernung nach rückwärts in die i.TiKchine gleiten, wenn das Arbeitswerkzeug und seine vordere Führung zurückschlagen. Diese Bewegung wird durch ein Luf fckier-.en gebremst, welches sich zwischen einer vorderen Endfläche am '."nsehinengehäuse ur.d einem Flansch am beweglichen Grund des Zylinders des IVaschinengehäuses befindet. Nachteilig ist, daß nach jedem Rückschlag dieser Flansch wieder gegen eine Anschlagfläche am Vorderteil des Maschinengehäuses gedrückt wird. Diese Stellung bestimmt somit den Punkt, wo der Hamir.erkolben auf das "'erkzeug trifft.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs bezeichneten Art zu schaffen, welche im Vergleich zu bisher bekannter Dämpfungsvorrichtungen mit Stahlfedern eine beträchtliche Verringerung der auf die Gesteinsbohrmaschine ausgeübten Vorschub— kraft gestatten und für die Bestimmung des Auftreffpunkts des Hammerkolbens auf das Werkzeug ohne mechanischen Anschlag auskommen.

Kit der Erfindung wurde weiterhin angestrebt, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Rückschlagdämpfung zu schaffen, welche dazu führen, daß die Dämpfungsvorrichtung gleichzeitig auch ein Axiallager für ein rotierendes Werkzeugfutter bildet, so daß sich eine wesentliche Vereinfachung und Verbilligung der Gesteinsbohrmaschine ergibt.

Vorstehende Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Vorschubkraft über eine mit Druckfluid beaufschlagte Dämpfungskanmer und einen darin axial verschieb— lieh geführten, drehfest mit dem Arbeitswerkzeug in Eingriff stehenden Dämpfungskolben auf dieses ausgeübt und die Vor-

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schubkraft und/oder der Druck in der Dämpfungskanrnmer im Verhältnis zu den in Gegenrichtung auftretenden Kräften einschliei?"¹.ic>! der RückFchlagl-rräfte derart eingeh te-] ] t worden, da3 der Dämpfungnkolben in mittleren Stellungen in der Dämpfunf^kammer ohne axiale Berührung des i.'aschinengehäuses gehalten wird, welche vorbestimmten Stellungen des Arbeitswerkzeugs zum Zeitpunkt des Aufschlags des Hammerkolbens entsprechen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch den hinteren Teil einer Gesteinsbohrmaschine gemäß der Erfindung,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch den vorderen Teil der Gesteinsbohrmaschine,

Fig. 3 einen Querschnitt nach Schnittlinie IIT-III in Fig. ?.

In Fig. 1 ist das Gehäuse einer Gesteinsbohrmaschine insgesamt mit 10 bezeichnet. Darin ist eine Zylinderbüchse 11 eingesetzt, welche die Arbeitskammer 12 eines Hammerkolbens 13 bildet. Letzterer hat seitliche Kolbenstangen 14,15» die nach beide:·! Seiten aus der Arbeitskammer 12 herausragen. Der Hanrnerkolben 13 ist mittels der Kolbenstangen 14, 15 im Gehäuse 10 geführt, die zu diesem Zweck in beidseitig der Arbeitskammer 12 angeordneten FührungsbüchBen 16, 17 gleiten, Es ist für die Führung des im Ausführungsbeispiel beschriebenen Hammerkolbens 13 charakteristisch , daß die Führung ausschließlich über die Büchsen 16, 17 erfolgt, hingegen der Kolbenkopf keinen Führungskontakt mit der Zylinderbüchse 11 hat. Dies wird dadurch erreicht, daß das Spiel zwischen den Büchsen 16, 17 und den Kolbenstangen 14, 15 kleiner ist als das Spiel zwischen dem Kopf des Kolbens 13 und der Zylinder—

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Der Hanmerkolben 13 schlägt während des Betriebs mit seinem vorderen Ende auf den Schaft eines Arbeitswerkzeugs 18, v/elches in den vorderen Teil des Gehäuses 10 eingesetzt ist. Im hinteren Teil des Gehäuses ist ein Spülflüssigkeitsrohr befestigt, welches sich in herkömmlicher Weise durch den Harune rkolben 13 erstreckt und dem Arbeitswerkzeug 18 Spülflüssigkeit zuführt.

Im Gehäuse 10 befindet sich weiterhin ein ringförmiges, axial verschiebliches Druckluftverteilerventil 20 von der Art eines Schiebers. Dieses hat die Funktion, Druckluft abwechselnd in den vorderen und hinteren Teil der Arbeitskammer 12 zu leiten, so daß der Hammerkolben 13 hin— und hergehend angetrieben wird. Die Druckluft wird dem Ventil 20 von einen äußeren Anschluß 21 über einen Kanal 23 und eine Ringkarur.er 22 zugeführt. Diese für den Antrieb des Werkzeugs benutzte Druckluft ist ölfrei. In einer seiner beiden Endstellungen, und zwar der zeichnerisch in Fig. 1 dargestellten, leitet das Ventil 20 die Druckluft von der Ringkammer 22 zum vorderen Teil der Arbeitskammer 12, so daß der Hammerkolben 13 rückwärts gedruckt wird, also einen Rückhub ausführt. Die Druckluft wird in diesem Fall vom Ventil 20 über einen Kanal 24 und eine oder mehrere Einlaßöffnungen 25 in der Zylinderbüchse 11 in die Arbeitskammer 12 eingeleitet. Die Zylinderbüchse 11 ist außerdem mit einer Anzahl Auslaßöffnungen 26 versehen.

In seiner anderen, nicht dargestellten Endstellung leitet das Ventil 20 Druckluft von der Ringkammer 22 zum hinteren Teil der Arbeitskammer 12, so daß dadurch der Hammerkolben in Vorwärtsrichtung angetrieben wird, also einen Arbeitshub ausführt. In dieser Stellung steht die Ringkammer 22 in Verbindung mit einer Ringnut 27 in der hinteren Führungsbüchse 17· Die Ringnut 27 befindet sich in gewisser Entfernung vom vorderen Ende der Führungsbüchse 17 und kann deshalb durch die Kolbenstange 15 von der Arbeitskammer 12 abgetrennt werden.

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'Während die zum Betrieb des Hammerkolbens verwendete Druckluft ölfrei ist, dient ein besonderes Schmiersystem zur Zufuhr von Schmiermittel zu denjenigen Bereichen des Gehäu·» ses 10, in welchen die Kolbenstangen 14, 15 geführt werden, nämlich zu den Führungsbüchsen 16, 17. Ein äußerer Anschluß für ölhaltige Druckluft ist in der Zeichnung mit 28 bezeichnet. Bei dem dargestellten Schlagraotor sind im Anschluß daran verschiedene Kanäle vorgesehen, um die ölbeladene Druckluft zu den Führungsbüchsen 16, 17 zu leiten. Außerdem wird bei dem Ausführungsbeispiel die ölhaltige Druckluft dazu benutzt, das Verteilerventil 20 umzusteuern. Auf diese Weise wird auch das Venitl geschmiert. Das Volumen der ölhaltigen Druckluft ist nur ein kleiner Teil des gesamten Druckluftverbrauchs des Schlagmotors. Außerdem schlägt sich das mit der Druckluft als Ölnebel zugeführte Schmiermittel fast vollständig in der Kaschine nieder, so daß Ümweltschadigungen vermieden werden.

Um die vordere Führungsbüchse 16 zu schmieren, ist diese mit einer Ringnut 29 versehen, die mit einem Kanal 30 im Gehäuse 10 für die Zufuhr ölhaltiger Druckluft in Verbindung steht. Der Kanal ist nur der einfacheren Darstellung wegen außerhalb des Gehäuses gezeichnet. Bei praktischen Ausführungen führt er durch das Gehäuse unmittelbar zum äußeren Anschluß 28.

Das Arbeitswerkzeug 18 wird durch ein rotierend a.ntreib— bares büchsenförmiges Futter 31, in dem der Schaft des Werkzeugs axial verschieblich, aber undrehbar geführt ist, mitgenommen. Die Büchse 31 wird durch einen Motor 32 über Zahnräder 33, 34 angetrieben. Sie sitzt drehfest und axial beweglich in dem Zahnrad 34 und hat einen sich nach hinten erstreckenden zylindrischen Bereich 35. Das Zahnrad 34 ist mittels Kegelrollenlagern 41, 42 im Gehäuse 10 gelagert. Der zylindrische Bereich 35 setzt sich nach hinten in einem Ringkolben 36 fort, der eine Verzögerunga-oder Dämpfungskammer 40 begrenzt. Die Dämpfungskammer 40 steht über einen Kanal 37 mit dem Kanal 30 in Verbindung, wobei in den Kanal

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ein Rückschlagventil 33 eingesetzt ist. Der Druck in der Dämpfungskammer 40 wird mittels eines Reduzierventils 39 eingestellt.

Die "beschriebene Vorrichtung arbeitet wie folgt:

Pig. 1 und 2 zeigen den Hammerkolben 13 in derjenigen Stellung, in welcher er auf das 7/erkzeug 18 trifft. Die Funktionsweise des Schlagmotors ist in der schwedischen Patentanmeldung 74 02 347-4 näher beschrieben. Durch geeignete V.'ahl des Drucks im Kanal 30 wird das Luftkissen in der Dämpfungskammer 40 so vorgespannt, daß die dadurch auf den Dämpfungskolben 36 ausgeübte Kraft wesentlich kleiner ist als die Vorschubkraft. Es sei nunmehr angenommen, daß die Vorschubkraft aufgebracht wird, ohne daß der Schlagmotor läuft. Dies bedeutet, daß die Luftfeder soweit zusammengedrückt wird, daß ihr Druck der Vorschub— kraft entspricht. Wenn dann der Schlagmotor angelassen wird, lassen die sich dabei einstellenden Rückschläge die Luftfeder ausdehnen, woraufhin das Eindringen in das Gestein fortgesetzt wird. In diesem Fall wird somit die Maschine während der ersten Sekunden mit einer zu weit hinten liegenden Schlagstellung arbeiten. Die resultierende Rückschlagkraft ist abhängig von der Schlagstellung, die stabilisiert wird, wenn die Rückschlagkraft gleich der Vorschubkraft minus der Federkraft ist. Es versteht sich, daß in diesem Zusammenhang mit der ochlagstellur.g diejenige Stellung des Werkzeugs 18 bezeichnet wird, bei welcher der Hammerkolben 13 auf den '"erkzeugschaft trifft. Es versteht sich weiterhin, daß irit der resultierenden Rücksohlagkraft diejenige resultierende Kraft gemeint ist, "welcher das Gehäuse 10 während des Betriebs des Schlagmotors ausgesetzt ist. Diese Kraft besteht im we seitlichen a.us der Summe der Kräfte, verursacht durch die am Werkzeug auftretenden Rückschlag— Stoßwellen und der Druckdifferenz zwischen den beiden Seiten des Hammerkolbens 13. Die Schlagstellung wird somit derart eingestellt, da.? die Gleichung

= P-K
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erfüllt ist, wobei bedeuten:

R den I.Tittelwert der a.uf das Gehäuse r/irkenden resultierenden Rückschlagkraft;

F die auf das Gehäuse ausgeübte Vorschubkraft und

K die auf das Gehäuse wirkende Federkraft.

Druckluftverluste durch Leckage aus der Dämpfungskamner 40 werden automatisch über das Rückschlagventil 38 ausgeglichen.

Uh die erwähnte Punktion zu erhalten, muß sichergestellt sein, daß die Vorwärtsbewegung der Büchse 31 ur.cl somit auch des Dämpfungskolbens 36 nicht durch irgendeiner mechanischen Anschlag begrenzt wird. Solch ein Anschlag würde die Luftfeder einer ihrer Punktionen berauben, nämlich der, den Bohrstahl gegen das Gestein anzudrücken, "!enn zugelassen wird, daß der Dämpfungskolben und die Büchse 31 an einem Anschlag zur Anlage komnen, so geschieht dies, wenn sich das Gehäuse während seiner Schwingbewegungen in seinen mittleren hinteren Umkehr^tellungen befindet. Die Futterbüchse 31 liegt dann nicht mehr axial an der Bohrstange an, die in diesem I.'oment frei ist. Da der Schlag auf das V.'erkzeug ungefähr dann erfolgt, wenn sich das Gehäuse in seiner hinteren Umkehrstellung befindet, hat die Bohrstange gerade in dem Augenblick, wo der Schlag erfolgt, nur ungenügenden Kontakt mit dem Gestein.

Durch die Erfindung wird eine ständige axiale Berührung zwischen dem Bund am Arbeitswerkzeug 18 und der Futterbüchse 31 erreicht. Dazu ist es andererseits erforderlich, daß kein anderer axialer Kontakt zwischen einer Fläche der Futterbüchse 31 und des Dämpfungskolbens 36 einerseits und des Gehäuses 10 der Gesteinsbohmaschine andererseits stattfindet. Dies bedeutet, daß während des Betriebs eine nicht durch mechanische Anschläge, sondern nur durch die einge—

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stellten Kräfte "bestimmte, freie Schlagstellung beibehalten wird.

Versuche mit einer erfindungpgemäßen Vorrichtung haben gezeigt, daß im Vergleich zu Dämpfungsvorrichtungen mit Stahlfedern dieselbe Bohrgeschwindigkeit mit einer ungefähr 30fo niedrigeren Vorschubkraft erzielt werden kann.

Da auch der Dämpfungskolben 36 in der Dämpfungskammer 40 rotiert, wirkt die Luftfeder gleichzeitig auch noch als Drucklager für die rotierende Futterbüchse 31.

Es rurcle v.-eiterhin festgestellt, daß bei Verwendung der er— findungogemäßen Dämpfungsvorrichtung der durch die Bohrstangen verursachte Lärm geringer ist als bei herkömmlichen Dämpfungsvorrichtungen mit Stahlfedern. Dies ist auf die bessere Anlage des Bohrstahls am Gestein zurückzuführen«

Patentansprüche

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Claims

Patentansprüche

Verfahren zur Dämpfung des Pückachlags eines mittels eines Hammerkolbens schlagend betriebenen Arbeitswerkzeuge beim Gesteinsbohren, auf welches über die Ge-Steinsbohrmaschine eine Vorschubkraft ausgeübt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorschubkraft über eine mit Druckfluid be aufschlag— te Dämpfungskammer und einen darin axial verschieblich geführten, drehfest mit dem Arbeitswerkzeug in Eingriff stehenden Dämpfungskolben auf dieses ausgeübt und die Vorschubkraft und/oder der Druck in der Dämpfungskammer im Verhältnis zu den in Gegenrichtung auftretenden Kräften einschließlich der Rückschlagkräfte derart eingestellt werden, daß der Dämpfung«kolben in mittleren Stellungen in der Dämpfungskammer ohne axiale Berührung des Metallgehäuses gehalten wird, welche vorbestimmten Stellungen des Arbeitswerkzeugs zum Zeitpunkt des Aufschlags des Hammerkolbens entsprechen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungskammer kontinuierlich mit Druckfluid beaufschlagt wird.
3· Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß das in der Dämpfungskam— mer eingeschlossene Druckfluidkissen zur axialen Lagerung des den Rückdruck des Arbeitswerkzeugs aufnehmenden Dämp— fungskolbens benutzt wird.
4. Vorrichtung zur Dämpfung des Rückschlags eines drehend und mittels eines Hammerkolbens schlagend betriebenen Arbeitswerkzeugs einer Gesteinsbohrmaschine, über deren Gehäuse auf das Arbeitswerkzeug eine Vorschubkraft aus—

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übbar ist, gekennzeichnet durch eine über einen Kanal (30, 37) mit Druckfluid beaufschlagte Dämpfungskammer (40) im Gehäuse (10) und einen darin v/ährend des Betriebs axial anschlagfrei ver— schieblichen, mit dem Arbeitswerkzeug (18) drehfest in Eingriff stehenden und dieses axial abstützenden Dämp-» fungskolben (36).
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß der Kanal (30,37) ständig unter Druck steht.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Dämpfungskolben (36) eine innere Führung (16) hat.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß das die innere Führung bildende Teil (16) gleichzeitig als Führung für eine in Schlagrichtung weisende Kolbenstange (14) am flammerkolben (13) dient.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß das Führungsteil (16) eine Büchse ist, auf deren äußerer Mantelfläche der als Ringkolben ausgebildete Dämpfungskolben (36) geführt ist.
9. "Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet·, daß der Schaft des Arbeitswerkzeugs (18) in einen vorderen büchsenförmigen Fortsatz (31, 35) des Dämpfungskolbens (36) eingesteckt ist.

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