DE2657711C2

DE2657711C2 - Hydraulische Schlagvorrichtung, insbesondere für Gesteinsbohrhämmer

Info

Publication number: DE2657711C2
Application number: DE2657711A
Authority: DE
Inventors: Lionel Arthur Painswick Stroud Gloucestershire Reynolds
Original assignee: Af Hydraulics Ltd Gloucester Gb
Current assignee: Af Hydraulics Ltd Gloucester Gb
Priority date: 1975-12-23
Filing date: 1976-12-20
Publication date: 1983-12-08
Also published as: SE7614493L; ZA767452B; GB1499170A; CA1042760A; FR2336567B1; FR2336567A1; DE2657711A1; AU501332B2; AU2060076A; SE428824B; US4103746A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine hydraulische Schlagvorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.

Bei einem bekannten Gesteinsbohrhammer (US-PS 41 316) ist dem Schlagmotor, der über einem in einem Zylinder hin- und herbeweglich geführten Schlagkolben auf die Werkzeugaufnahme einwirkt, eine Umsetzeinrichtung hydraulisch in Reihe nachgeschaltet, welche während des Rückhubs des Schlagkolbens die Werkzeugaufnahme zur Neuausrichtung der Werkzeugschneidflächen um einen vorbestimmten Drehwinkel umsetzt. Hierbei ist in der zur Umsetzeinrichtung führenden Hydraulikleitung eine Drossel vorgesehen, die während des Rückhubs des Schlagkolbens einen Druckabfall verursacht, was zu einem geringfügigen Anstieg des Drucks in der zur Umsetzeinrichtung führenden DruckmitteUeitung gegenüber dem in den anderen Teilen der Schaltung vorherrschenden Druck führt Aufgrund der hierbei auftretenden Druckdifferenz erfolgt das Umsetzen der Werkzeugaufnahme über die Umsetzeinrichtung. Beim Rückhub des Schlagkolbens ergibt sich eine erhebliche Energierückkopplung, weil zu Beginn des Rückhubs die Federung von Werkzeugaufnahme und Schlagkolben einen Rückprall erzeugt, der einen entsprechenden Hochdruckimpuls in der Druckmittelleitung zur Folge hat Dessen Abbau wird durch die bezeichnete Drossel bei dem bekannten Bohrhammer bewirkt, was zur Folge hat, daß die durch den Rückprall bedingte kinetische Energie ungenutzt aufgebraucht wird.

Aufgabe der Erfindung ist die Ausnutzung dieser zu Beginn des Rückhubs des Schlagkolbens sich in einem Hochdruckimpuls in der Druckmittelauslaßleitung des Schlagmotors manifestierenden Energie.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs I angegebenen Merkmale gelöst, wobei zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung durch die in den Unteransprüchen angegebenen Merkmale gekennzeichnet sind.

Die Erfindung zeichnet sich durch eine Leitungsverbindung zwischen Schlagmotor und Umsetzeinrichtung aus, mittels welcher der durch den Rückprall des Schlagkolbens nach Aufschlag auf das Werkzeug im hydraulischen Druckmittel hervorgerufene Hochdruckauslaßimpuls weitgehend ungedrosselt vom Schlagmotor zur Umsetzeinrichtung hin übertragbar ist Die beim Rückprall des Schlagkolbens auftretende Energie geht damit nicht ungenutzt verloren, vielmehr wird sie zum Umsetzen der Werkzeugaufnahme während des Rückhubs des Schlagkolbens herangezogen, um die Werkzeugschneidflächen für den nächsten Arbeitshub neu zu positionieren.

Nach einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Umsetzeinrichtung ein Schaltventil zugeordnet ist, welches zweckmäßigerweise als Zweiwegeventil ausgebildet ist In der Einschaltstellung stellt das Ventil die Leitungsverbindung zwischen dem Schlagmotor und der Umsetzeinrichtung her, wohingegen das Ventil in der anderen Stellung den Schlagmotor mit einem Bypass zur Umsetzeinrichtung über eine Drossel verbindet, wodurch bei Nichtbenötigung der Umsetzeinrichtung dann die Schlagfrequenz des Schlagmotors geregelt werden kann.

In vorteilhafter Weise ist schließlich parallel zur Umsetzeinrichtung eine Drossel vorgesehen, die bevorzugt verstellbar ausgebildet ist Hierüber kann der Anteil der für die Umsetzeinrichtung herangezogenen Energie aus dem Hochdruckauslaßimpuls eingestellt werden. Falls, wie es zweckmäßig ist, die Umsetzeinrichtung durch einen Kolbenmotor gebildet ist, ist die Drossel vorteilhafterweise durch einen Bypasskanal im Kolben oder Zylinder des Kolbenmotors gebildet

Im Falle einer eigenen hydraulischen Antriebsquelle für die Vorrichtung arbeitet diese normalerweise unter konstanten Strömungsbedingungen. Dann ist die Schlagwirkung, insbesondere die Schlagfrequenz, abhängig von den Charakteristika am Auslaß. Dabei wird angestrebt, daß diese mehr oder weniger konstant gehalten werden. In diesem Fall wird als Bypassdrossel normalerweise eine feste Drossel gewählt, um die errechneten Auslaßcharakteristika zu liefern.

Bei einem Betrieb unter konstanten Druckbedingungen, wie dies zum Beispiel beim Einsatz im Bergbau der

Nach der grafischen Darstellung der F i g. 2 ist der Druck in der AuslaBieitung 23 über die Zeit während eines Rückhubs des Schlagkolbens aufgetragen. Dieses Diagramm zeigt eine hervortretende anfängliche Spitze, während der Schlagteil 136 von der Werkzeugaufnahme 15 zurückprallt; der schraffierte Teil A unterhalb der Spitze stellt eine beachtliche Energiemenge dar, die in den Hammer von der Werkzeugaufnahme 15 aus rückgeleitet wird. Normalerweise ging diese Energie bisher voll verloren; nun wird sie in der Drossel 26 abgeführt, wenn die Umsetzeinrichtung nicht in Betrieb ist Wenn jedoch die Umsetzeinrichtung verwendet wird, wird die normalerweise vergeudete Energie ausgenutzt, um die Buchse 16 und damit die Werkzeug-

Fall ist, kann jedoch eine einstellbare Bypassdrossel eingesetzt werden, wodurch die Umsetzbewegung entsprechend den Erfordernissen anpaßbar ist Insbesondere ergibt sich bei einer veränderlichen Bypassdrossel eine Regelung der Schlagfrequenz umgekehrt proportional zu Drehmoment und Geschwindigkeit Eine Verminderung der Schlagenergie hat hierbei einen Anstieg des Drehmoments zur Folge und umgekehrt

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Umsetzeinrichtung durch einen Kolbenmotor gebildet, wobei der Kolbenhub infolge Freigabe einer Auslaßöffnung begrenzt ist Der Hub wird so gewählt daß der Hochdruckauslaßimpuls ausgenützt wird, der normalerweise vergeudete Energie darstellt

und/oder es wird die Auslaßöffnung freigelegt so daß ¹⁵ aufnahme 15 schrittweise bei Beginn jedes Rückhubes die normale Auslaßströmung niedrigen Drucks für die zu drehen, wodurch die Schneidflächen des Werkzeugs

in eine neue Stellung gebracht werden, in der sie bereit für den nächsten vorwärts gerichteten Schneidhub sind. Der Winkel, um den das Werkzeug gedreht wird, kann beispielsweise etwa 30° pro Hub betragen.

Der stufenweise Antrieb für die Buchse 16 ist durch eine Klinke 27 gegeben, weiche die auf der Buchse ausgebildeten Sperrzähne 28 umfaßt; diese Klinke ist mit einer Kolbenstange 29 eines Kolbens 30 des Kolbenmotors verbunden. Der Kolben 30 geht im Zylinder 25 in Antriebsvorwärtsrichtung hin und her und wird durch den Auslaßdruck in der Leitung 23 über das Ventil 24 bewegt Der Kolben 30 wird in der freien Rückhubrichtung durch die Rückstellfeder 31 bewegt. Jeder Vorwärtshub des Kolbens 30 ist begrenzt wenn letzterer eine Auslaßöffnung 32 im Zylinder 25 freilegt; diese ist so positioniert und die Anordnung so getroffen, daß die Motorverschiebung des Kolbens etwa die Zeit 7*0 (F i g. 2) entsprechend dem schraffierten Bereich A

von Hand bedient wird, dargestellt Da es sich bis auf die ³⁵ braucht Anders ausgedrückt, die ansonsten vergeudete Umsetzeinrichtung 10 um einen bekannten Aufbau Energie des Hammers 11 wird verwendet um die handelt werden Konstruktion und Arbeitsweise des Umsetzeinrichtung 10 zu betätigen, wogegen nach der Hammers 11 im folgenden nur sehr allgemein Zeit 7*0 der Hammer 11 frei austrägt und das beschrieben. Der Hammer umfaßt ein Gehäuse 12 und Vorhandensein der Umsetzeinrichtung 10 die Wirkung einen Schlagmotor 13 mit einem Kolbenteil 13a und ⁴⁰ der Hin- und Herbewegung des Schlagkolbens nicht einem Schlagelementteil 136. Das Gehäuse umfaßt eine nachteilig beeinflußt So braucht die Differentialfläche Druckkammer 14, in der der hydraulische Druck die 22, um die Rückstellung des Kolbenelementes 13 Hübe des Schlagkolbens erzeugt welcher seinerseits auf herbeizuführen, nicht vergrößert zu werden, selbst wenn eine Werkzeugaufnahme 15 schlägt welche lösbar in die Auslaßströmung dazu verwendet wird, die Umsetzeinem Halter mit einer Drehbuchse 16 an einem Ende ⁴⁵ einrichtung 10 zu betätigen. Dies ist wichtig, weil der

Umsetzeinrichtung nicht ausgenutzt wird. Die durch den Rückprall bedingte und sich im Hochdruckauslaßimpuls manifestierende Energie wird somit ausgenützt wohingegen der normale Auslaß des Schlagmotors mit dem hin- und herbeweglichen Schlagkolben nicht behindert wird.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Darin zeigt

F i g. 1 schematisch einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform,

Fig.2 ein Diagramm des Druckzustands in der Druckmittelauslaßleitung während des Rückhubs des Schlagkolbens bei der Ausführungsform nach F i g. 1,

Fig.3 schematische Einzelheiten einer weiteren Ausführungsform sowie

F i g. 4 ein Diagramm ähnlich F i g. 2, jedoch für die Ausführungsform gemäß F i g. 3.

In F i g. 1 ist schematisch ein Schlagbohrhammer, der

des Gehäuses 12 gehalten ist

Das abwechselnde Unterdrucksetzen und Entlasten der Kammer 14 wird durch ein selbsttätiges zyklisch arbeitendes Ventil 17 geregelt das am anderen Ende des Gehäuses 12 untergebracht ist Das Ventil wird von einer hydraulischen Druckquelle über eine Zuführleitung 18 gespeist Ein handbetätigtes Ein/Ausventil 19, welches ebenfalls in das Gehäuse 12 eingebaut ist regelt den Einlaß von Druckmittel in den Hammer.

Wirkungsgrad des Hammers in Beziehung steht zur Größe der Rückhubdifferentialfläche 22, und zwar umgekehrt proportional.

Die Seitenfläche des Kolbens 30 oder der Wandung des Zylinders 25 ist mit einem nicht dargestellten kleinen Bypassdrosselkanal versehen, die ein Abwürgen des Schlagkolbens verhindert wenn sich die Werkzeugaufnahme hinsichtlich ihrer Umsetzung festgefressen haben sollte. Die durch diesen Kanal geschaffene Größe

Das Gehäuse 12 beinhaltet auch eine Druckkammer ⁵⁵ der Drossel bestimmt auch den Anteil der vergeudeten 20, die während der Betätigung des Hammers dem verfügbaren Austrittsenergie, die nun tatsächlich vollen hydraulischen Druck über eine innere Leitung 21
ausgesetzt ist Dieser Druck wirkt auf eine Ditferentialfläche 22 des Schlagkolbens und erzeugt den Rückhub
des Kolbens, wenn die Kammer 14 mit der Auslaßleitung 23 über das Ventil 17 verbunden ist

Ein handbetätigtes am Gehäuse 12 gelagertes Ventil leitet selektiv den Druckmittelauslaß entweder in einen Zylinder 25 eines Kolbenmotors der Umsetzeinrichtung 10 oder direkt an einer Quelle über eine Drossel, die so gewählt ist, daß sie die Schlagfrequenz des Hammers regelt, wenn die Umsetzeinrichtung nicht erforderlich ist.

nun tatsacnncn in

Umsetzbewegung umgeformt wird. Im allgemeinen ist die verfügbare Auslaßenergie A wesentlich größer als die, die erforderlich ist, um die We^kzeugaufnahme 15 bei den Rückprallhüben zu drehen. Bei diesen handgeführten Einrichtungen ist die erreichte Drehmomentverminderung wichtig, da ein Mann die Einrichtung g-igen das normalerweise verfügbare volle Moment nicht halten kann.

Die Ausführungsform nach F i g. 3 nun benutzt die gleiche Hammergrundkonstruktion wie die Ausführungsform der Fi g. 1; in diesem Fall jedoch umfaßt die Umsetzeinrichtune einen Getrieberotationsmotor 40.

Hierbei sind kämmende Getrieberäder 41 und 42 vorgesehen, wobei das Getrieberad 42 die Drehbuchse 16 nach der ersten Ausführungsform ersetzt. Der Schaft der Werkzeugaufnahme 15 wird in einer hexagonalen durchgehenden Bohrung 43 des Getrieberads 42 ^r> aufgenommen. Der Getriebemotor 40 ist mit einer Auslaßleitung vom Ventil 24 in der gleichen Weise wie der Kolbenmotor 10 geschaltet; in diesem Falle jedoch ist eine variable Drossel parallel zum Motor 40 geschaltet.

So ist die Anordnung nach F i g. 3 noch besser geeignet, wenn sie aus einer in einer Strecke eines Bergwerks befindlichen Quelle gespeist wird. In diesem Fall beeinflußt die Veränderlichkeit der Drossel 44 nicht nur die Drehkraft, sondern auch die Schlageigenschaf- ι⁵ ten des Hammers und macht es möglich, daß die Schiag- und Umsetzenergie einander zugemessen werden können. So wird bei voll offener Drossel 44 eine maximale Schlagfrequenz bei niedrigem Moment und niedriger Geschwindigkeit der Umsetzeinrichtung erreicht. Dagegen wird bei voll geschlossener Drossel 44 eine minimale Schlagfrequenz bei hohem Moment und hoher Geschwindigkeit der Umsetzeinrichtung erreicht. So kann eine variable Drossel in ähnlicher Weise parallel zur Umsetzeinrichtung 10 der ersten Ausführuiigsform geschaltet werden, wobei in diesem Fall der beschriebene Bypasskanal normalerweise in Fortfall kommen kann.

F i g. 4 zeigt grafisch die Auslaßdruckcharakteristiken mit der variablen Drossel 44 der Anordnung nach Fig.3. Die voll ausgezogene Linie 45 zeigt den Austrittsdruckimpuls bei einer typischen mittleren Einsteilung der Drossel 44. Die gestrichelte Linie zeigt den veränderten Impuls für maximale Drosselung, wogegen die gestrichelte Linie 47 den impuls für eine minimale Drosselung durch die Drossel 44 erkennen läßt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Hydraulische Schlagvorrichtung, insbesondere für Gesteinsbohrhämmer, mit einem Schlagmotor, der aus einem in einem Zylinder hin- und herbeweglich geführten Schlagkolben besteht, und mit einer dem Schlagmotor hydraulisch in Reihe nachgeschalteten Umsetzeinrichtung für eine Werkzeugaufnahme, gekennzeichnet durch eine Leitungsverbindung zwischen Schlagmotor (13) und Umsetzeinrichtung (10), mittels welcher der durch den Rückprall des Schlagkolbens (13a, t3b) nach Aufschlag auf das Werkzeug (15) im hydraulischen Druckmittel hervorgerufene Hochdruckauslaßimpuls im wesentlichen ungedrosselt vom Schlagmotor >5 (13) zur Umsetzeinrichtung (10) hin übertragbar ist

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein. Ein-/Ausschaltventil (24) für die Umsetzeinrichtung (10).

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (24) als Zweiwegeventil ausgebildet ist, welches in der Einschalt stellung die Leitungsverbindung zwischen Schlagmotor (13) und Umsetzeinrichtung (10) herstellt und in der Ausschaltstellung eine Leitungsverbindung zwischen Schlagmotor (13) und einem Bypass zur Umsetzeinrichtung (10) über eine Drossel (26) herstellt

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Umsetzeinrichtung (10) eine Drossel (44) geschaltet ist ^o

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Drossel (44) verstellbar ist

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß die Umsetzeinrichtung (10) durch einen Kolbenmotor (25, 30) gebildet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Drossel (44) durch einen Bypasskanal im Kolben (30) oder Zylinder (25) des Kolbenmotors gebildet ist

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungsverbindung zwischen Schlagmotor (13) und Umsetzeinrichtung (10) an einem Ende des Zylinders (25) des Kolbenmotors mündet, gegen welches der Kolben durch eine Feder (31) rückstellbar ist, wobei im Zylinder (25) eine Öffnung (32) vorgesehen ist, welche am Ende des Arbeitshubs durch den Kolben (30) freigelegt und mit dem Auslaß verbunden ist.

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