DE2726118A1

DE2726118A1 - Oszillatorgesteuerte hydraulische schlagvorrichtung

Info

Publication number: DE2726118A1
Application number: DE19772726118
Authority: DE
Inventors: Makoto Matsuda; Takeo Watanabe
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Priority date: 1976-06-09
Filing date: 1977-06-10
Publication date: 1977-12-15
Also published as: FR2354460B1; FR2354460A1; GB1584792A; DE2726118C3; DE2726118B2

Description

PA raiMTAN WALTE A. GRÜNECKER

O)PL-INU

H. KINKEUDEY W. STOCKMAIR

DR ING AeCICALTECH

K. SCHUMANN

on fen Nat opu PHvs

P. H. JAKOB

DlPL-(NG

G. BEZOLD

OR HER NAT · OPL-OCM

8 MÜNCHEN

MAXIMILIANSTRASSE

10. Juni 1977

MITSUI ENGINEERING AND SHIPBUILDING COMPANY LIMITED
6-4, Tsukiji 5-chome, Chuo-ku, Tokyo, Japan

Oszillatorgesteuerte hydraulische Schlagvorrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf eine oszillatorgesteuerte hydraulische Schlagvorrichtung und betrifft insbesondere eine solche Vorrichtung mit Einrichtungen zum Steuern
des Hubs eines ein Bohrwerkzeug beaufschlagenden Kolbens.

Eine bekannte Art von hydraulischen Schlagvorrichtungen arbeitet mit einer rückgekoppelten Steuerung, bei welcher die die Hin- und Herbewegung eines ein Bohrwerkzeug beauf-

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schlagenden Kolbens bewirkende Umsteuerung der Druckspeisung eines doppeltwirkenden Zylinders durch einen Schieber erfolgt, welcher seinerseits in Abhängigkeit von den Bewegungen des Kelbens betätigt wird. Derartige Schlagvorrichtungen weisen verschiedene Mangel auf. Da die Bewegungsfrequenz des Schiebers unmittelbar von der des Kolbens abhängig ist, sind die Schlagfrequenz und die Schlagenergie nicht unabhängig voneinander veränderbar. Wird nämlich der auf den Kolben einwirkende hydraulische Druck zur Verringerung der Schlagenergie verringert, so verringert sich auch die Schlagfrequenz aufgrund der langsameren Bewegung des Kolbens. Der Betrieb eines solchen Bohrers läßt sich daher kaum auf Änderungen des zu bohrenden Materials, beispielsweise Gesteins, abstimmen. Insbesondere bei Schlagdrehbohrern ist es jedoch erforderlich, die Drehzahl des Bohrers, die Schlagfrequenz, die Schlagenergie, den Vorschub usw. optimal aufeinander abzustimmen und die Drehzahl des Bohrers in Abhängigkeit von Änderungen der Schlagfrequenz zu verändern, um eine gute Bohrleistung zu erzielen. Für eine derartige Abstimmung sind komplizierte und aufwendige Steuereinrichtungen notwendig.

Es wurde ferner festgestellt, daß eine verbesserte Energie übertragung vom Kolben auf das Bohrwerkzeug erzielbar ist, wenn die Zeitspanne, während welcher der Kolben das Werkzeug nach dem Aufschlag belastet,um ein gewisses Maß verlängert wird. Diese Zeitspanne ist im folgenden als Druckperiode bezeichnet. In herkömmlichen Schlagvorrichtungen ist diese Druckperiode praktisch gleich Null.

Da diese herkömmlichen Schlagvorrichtungen mit rückgekoppelter Steuerung arbeiten, ist ein Totpunkt vorhanden. Je nach der relativen Stellung des Kolbens und des Schiebers beim Stillsetzen der Vorrichtung ist es daher möglich, daß die Vorrichtung voh *«Mos| nicht wieder anläuft.

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Um ein sicheres Anlaufen zu gewährleisten, muß daher häufig eine zusätzliche Starteinrichtung vorgesehen sein.

Einige Schlagvorrichtungen der genannten Art sind mit einem Balgen- oder Membran-Druckspeicher ausgerüstet, um beim Rückwärtshub des Kolbens gewonnene Energie für den Aufschlaghub auszunützen und dadurch den Wirkungsgrad der Vorrichtung zu verbessern. Im Hinblick auf die Ansprechzeit und die Belastbarkeit eines solchen Druckspeichers läßt sich die Schlagfrequenz dabei nicht nennenswert steigern.

Ferner gibt es bekannte oszillatorgesteuerte hydraulische Schlagvorrichtungen, welche jedoch bei der Verwendung in industriellen Ausrüstungen ebenfalls gewisse Mangel aufweisen. Vorrichtungen mit einem mit einer exzentrischen Masse arbeitenden mechanischen Oszillator sind sehr schwer und unhandlich. Ein elektrischer Oszillator oder Schwingungserzeuger ist zwar auf einfache Weise steuerbar und ermöglicht die Erzielung einer hohen Schwingungsfrequenz, es ist jedoch schwierig, eine hohe Leistungsabgabe zu erzielen. Mit einem Motor und/oder pneumatischem Druck arbeitende Vorrichtungen erzeugen übermäßigen Lärm. Vorrichtungen mit elektro-hydraulischen Servoventilen können zwar eine hohe Leistungsabgabe erzielen, sie sind jedoch sehr aufwendig und unter den rauhen Einsatzbedingungen von Bau- oder Bergwerksmaschinen kaum verwendbar.

Es wurden bereits auch Vorrichtungen für die Erzeugung von Druckschwingungen vorgeschlagen, bei denen die selbsterregte Schwingung eines hydraulischen Ventils ausgenützt wird. In Vorrichtungen, welche einen solchen Schwingungserzeuger zum Erzeugen des Steuerdrucks verwenden, konnten zwar einige der vorstehend genannten Mangel bis zu einem gewissen Grade beseitigt werden, in anderer Hinsicht sind solche Vorrichtungen jedoch nocht nicht voll befrie-

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digend für die Verwendung in Schlagdrehbohrern, Gesteins-Schlagbohrern und dergl.. Da nämlich bei den erzeugten Druckschwingungen nur ziemlich kleine Druckunterschiede auftreten, kann eine solche Vorrichtung nicht zur Erzeugung der Steuerdrücke für Maschinen verwendet werden, von denen eine hohe Leistungsabgabe gefordert ist. Ist eine solche Vorrichtung darüber hinaus so ausgebildet, daß der Kolben zur Erzielung einer hohen Schlagenergie mit seiner höchsten Geschwindigkeit auf das Werkzeug aufschlägt, dann erfordert das Umsteuern des die Bewegungen den Kolben steuernden Ventils eine beträchtliche Zeitspanne, bevor der Kolben nach dem Aufschlag auf dem Werkzeug seinen Rückwärtshub beginnt. Dadurch verlängert sich also die tote Zeit, während welcher sich der Kolben in Anlage am Werkzeug befindet, so daß sich der Wirkungsgrad bzw. die Leistung der Vorrichtung eher verringert als erhöht.

Wird eine derartige Vorrichtung in einem Schlagdrehbohrer verwendet, in welchem das Bohrwerkzeug mittels eines Motors od. dergl. in Drehung versetzt wird, so ergibt sich ein übermäßig starker Verschleiß des Bohrwerkzeugs. Zur Erzielung einer befriedigenden Leistung bzw. eines guten Wirkungsgrads ist es ferner vorteilhaft, beim Rücklauf des Kolbens mittels elastischer Einrichtungen, etwa einer Schraubenfeder oder eines Druckspeichers, Energie zu speichern, welche dann beim Vorwärtshub des Kolbens in kürzester Zeit freigesetzt wird, so daß der Kolben vor dem Aufschlag auf dem Werkzeug auf eine hohe Geschwindigkeit beschleunigt wird. In dieser Hinsicht ist die für den Aufschlaghub des Kolbens benötigte Zeit vorzugsweise kürzer als die für den Rücklauf des Kolbens benötigte. In herkömmlichen Einrichtungen für die Erzeugung von Druckschwingungen sind die Zeitspannen, während welcher ein hoher und ein niedriger Druck aufrechterhalten wird, einander jedoch im wesentlichen gleich.

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Dadurch ist dann auch die für den Aufschlaghub benötigte Zeit im wesentlichen gleich der für den Rücklauf benötigten.

Ein wichtiges Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer oszillatorgesteuerten hydraulischen Schlagvorrichtung, welche unter den verschiedensten geologischen Bedingungen die Schlagenergie eines Kolbens wirksam auf ein Bohrwerkzeug zu übertragen vermag.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer auch in gebirgigem Gelände ohne Schwierigkeit verwendbaren Schlagvorrichtung.

Ferner bezweckt die Erfindung die Schaffung einer hydraulischen Schlagvorrichtung, in welcher eine selbsterregte Schwingung eines hydraulischen Ventils als Steuerdruckquelle verwendet wird.

Die Erfindung schafft eine oszillatorgesteuerte hydraulische Schlagvorrichtung mit einem durch ein wechselndes Ausgangssignal eines Oszillators betätigten Steuerschieber zum Umsteuern des hydraulischen Drucks in einem doppeltwirkenden Zylinder zur Erzeugung einer Hin- und Herbewegung eines ein Bohrwerkzeug beaufschlagenden Kolbens. Die hydraulische Schlagvorrichtung umfaßt ferner Einrichtungen zum Steuern des Übergangs zwischen dem Rücklauf und dem Aufschlaghub des Kolbens sowie Einrichtungen zum Verändern der Dauer des Aufschlaghubs und des Rücklaufs.

Im folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht einer hydraulischen Schlagvorrichtung mit einer dazugehörigen Leitungsanordnung in einer ersten Ausführungsform der Erfindung, mit einem Kolben in der Stellung 7O98BO71210

zu Beginn des Rücklaufs,

Fig. 2 eine Fig 1 entsprechende Schnittansicht mit dem Kolben in seiner Stellung zu Beginn des Aufschlaghubs,

Fig. 3 eine Fig. 1 entsprechende Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform der Erfindung mit dem Kolben in seiner Stellung zu Beginn des Rücklaufs,

Fig. 4 eine Fig. 3 entsprechende Schnittansicht mit dem Kolben in der Stellung zu Beginn des Aufschlaghubs,

Fig. 5 eine Fig. 1 entsprechende Schnittansicht einer dritten Ausführungsform der Erfindung mit einer dazu gehörigen Leitungsanordnung,

Fig. 6 eine Schnittansicht eines Schlagdrehbohrers mit einer hydraulischen Schlagvorrichtung in einer vierten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 7 eine vergrößerte Teil-Schnittansicht der Ausführungsform nach Fig. 6 beim Rücklauf des Kolbens,

Fig. 8 eine Fig. 7 entsprechende Schnittansicht beim Aufschlaghub des Kolbens,

Fig. 9 eine vergrößerte Teil-Schnittansicht einer Schlagvorrrichtung in einer fünften Ausführungsform der Erfindung,

Fig.10 eine Fig. 1 entsprechende Schnittansicht einer hydraulischen Schlagvorrichtung in einer sechsten Ausführungsform der Erfindung, mit dem Kolben in der Stellung zu Beginn seines Rücklaufs,

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Fig. 11 eine Fig. 10 entsprechende Schnittansicht mit dem Kolben in der Stellung zu Beginn des Aufschlaghubs,

Fig. 12 eine Schnittansicht einer hydraulischen Schlagvorrichtung in einer siebten Ausführungsform der Erfindung, mit einem hydraulischen Oszillator,

Fig.13 eine Ansicht im Schnitt entlang der Linie XIII-XIII in Fig. 12,

Fig. 14 bis 17 Fig. 13 entsprechende Ansichten zur Erläuterung der Wirkungsweise des Oszillators,

Fig. 18 ein Zeitdiagramm zur Darstellung der Beziehungen zwischen dem Steuerdruck und eines oszillierenden Teils des in der Ausführung nach Fig. 12 verwendeten Oszillators,

Fig. 19 eine Draufsicht auf ein Teil einer zweiten Ausführungsform eines in der Ausführung nach Fig. 12 verwendbaren Oszillators zum Erzeugen von Druckschwingungen,

Fig. 20 eine Draufsicht auf eine dritte Ausführungsform eines in der Ausführung nach Fig. 12 verwendbaren Oszillators zum Erzeugen von Druckschwingungen und

Fig. 21 eine Ansicht im Schnitt entlang der Linie XXI-XXI in Fig. 19 und 20.

Eine in einer ersten Ausführungsform der Erfindung in Fig. 1 und 2 dargestellte hydraulische Schlagvorrichtung hat einen doppeltwirkenden Zylinder 1, ein Drosselventil 2, einen Steuerschieber 3, einen Oszillator 4, eine Pumpe 5» einen Vorratsbehälter 6 und die verschiedenen Teile miteinander verbindende Leitungen.

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Im Zylinder 1 ist ein ein Bohrwerkzeug beaufschlagender Kolben 7 hin und her verschieblich geführt. Das eine Ende des Kolbens 7 beaufschlagt ein Bohrwerkzeug 8, etwa einen Bohrmeißel od_t dergl.. Der Kolben 7 hat zwei Stufen 9i 10, welche zusammen mit der Zylinderwandung eine vordere und eine hintere Zylinderkammer 11 bzw. begrenzen. Diese sind durch den Kolben 7 umgebende Dichtungen 13 druckfest abgedichtet. Der Zylinder weist eine Reihe von Druckmitteldurchlässen 14 bis 21 auf. Ein erster Durchlaß 14 ist nahe dem dem Bohrwerkzeug 8 zugewandten Ende des Zylinders angeordnet, ein weiterer Durchlaß 21 nahe dem gegenüberliegenden Ende des Zylinders 1, drei Durchlässe I5, 16, 17 sind im mittleren Teil der vorderen Zylinderkammer 11 und drei weitere Durchlässe 18, 19» 20 im mittleren Teil der hinteren Zylinderkammer 12 angeordnet. Mit den Durchlässen I5 bis 20 verbundene Ventile 22 bis 27 ermöglichen wahlweise das Absperren der einzelnen Durchlässe.

Der Steuerschieber 3 ist in zwei Stellungen betätigbar und weist vier Anschlüsse auf. Im Schieber 3 ist ein Steuerglied 3I mit drei zylindrischen Steuerkolben 28, 29, 30 hin und her verschieblich geführt. Die Bewegungen des Steuerglieds 31 werden durch den Oszillator 4 gesteuert bzw. bewirkt. Zu diesem Zweck ist der Oszillator über Leitungen 34, 35 mit zwei Steuerdruckkammern 32, 33 aii den Enden des Steuerschiebers 3 verbunden. Bei dem Oszillator 4 kann es sich wahlweise um einen elektrischen, hydraulischen, mechanischen oder sonstigen Oszillator handeln, welcher in der Lage ist, die Hin- und Herbewegung des Steuerglieds 31 zu bewirken.

Die Pumpe 5 saugt aus dem Vorratsbehälter 6 ein Druckmittel an und fördert es unter Steuerung durch den Steuerschieber 3 abwechselnd zur vorderen und zur hinteren Zylinderkammer 11 bzw. 12.

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Die Pumpe 5 ist über eine Leitung 36 mit dem Vorratsbehälter 6 und über eine Leitung 55 mit einem Einlaß 54 des Steuerschiebers 5 verbunden. Ein Anschluß 37 des Steuerschiebers 3 ist über eine Leitung 38 mit dem Durchlaß 14 des Zylinders 1 verbunden. Ein zweiter Anschluß 39 des Schiebers 3 ist über eine Leitung 40 und davon abzweigende Leitungen 41, 42, 43 mit den Ventilen 25, 26, und über diese mit den Durchlässen 18, 19, 20 des Zylinders 1 verbunden. Eine weitere Zweigleitung 44 verbindet die Leitung 40 über das Drosselventil 2 und ein weiteres Leitungsteil 45 mit dem Durchlaß 21 des Zylinders. Die Durchlässe 15i 16, 17 des Zylinders sind über die Ventile 22, 23, 24 und weitere Zweigleitungen 46, 47, 48 mit einer Sammelleitung 49 und über diese mit dem Vorratsbehälter 6 verbunden. Zwei weitere Anschlüsse 50, 51 des Steuerschieners 3 sind über Leitungen 52, 53 mit dem Vorratsbehälter 6 verbunden. An der die Pumpe 5 mit dem Steuerschieber 3 verbindenden Leitung 55 sind ein Druckspeicher 56 und ein Rückschlagventil 57 vorgesehen, um eine möglichst vollständige Ausnützung der Energie zu gewährleisten. Der Druckspeicher 56 und das Rückschlagventil 57 können jedoch gegebenenfalls auch weggelassen werden.

Im Hinblick auf die nun folgende Beschreibung der Wirkungsweise der Vorrichtung sei angenommen, daß die Ventile 22, 25, 27 geschlossen und die Ventile 23, 26 offen sind, und daß der Kolben 7 nach dem Aufschlag auf dem Werkzeug 8 im Begriff steht, seinen Rücklauf zu beginnen.

Sobald ein vom Oszillator 4 erzeugtes Drucksignal die Steuerdruckkammer 32 des Steuerschiebers 3 erreicht, beginnt das Steuerglied 31 sich nach recht zu verschieben, so daß der vorderen Zylinderkammer 11 über die Anschlüsse 54, 37 die Leitung 38 und den Durchlaß 14 ein Druckmittel zugeführt wird. Gleichzeitig wird die hintere Zylinder-

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kammer 12 überden Durchlaß 19, die Leitungen 42, 40, die Anschlüsse 39 und 51 und die Leitung 53 druckentlastet. Dadurch strömt das Druckmittel aus der hinteren Zylinderkammer 12 zurück in den behälter 6 und der Kolben 7 bewegt sich nach rechts.

Nachdem sich der Kolben 7 um ein bestimmtes Stück nach rechts bewegt hat, gibt seine Stufe 9 den Durchlaß 16 frei, so daß das Druckmittel aus der vorderen Zylinderkammer 11 über den Durchlaß 16 zum Behälter 6 zurückströmt. Dadurch wird die den Kolben 7 nach rechts beschleunigende Kraft aufgehoben, so daß sich der Kolben nun allein durch seine Trägheit weiterbewegt. Dabei erreicht dann die Stufe 10 des Kolbens 7 den Durchlaß 19 und sperrt diesen ab, so daß nun das in der hinteren Zylinderkammer 12 vorhandene Druckmittel allein über den Durchlaß 21, das Drosselventil 2 und die Leitungen 44, zum Behälter zurückströmen kann. Die Strömung des Druckmittels wird dabei durch das Drosselventil 2 gedrosselt und der Kolben 7 dadurch abgebremst. Bei Verwendung eines verstellbaren Drosselventils ist es möglich; die Drosselung auf die Geschwindigkeit des Kolbens abzustimmen.

Ändert sich dann das Drucksignal des Oszillators 4 dergestalt, daß es nun der Steuerdruckkammer 33 des Steuerschiebers 3 zugeführt wird, so bewegt sich das Steuerglied 31 nach links, und das von der Pumpe 5 geförderte Druckmittel strömt nun der hinteren Zylinderkammer zu (Fig. 2). Dabei gelangt das Druckmittel zunächst allein über den Durchlaß 21 und das Drosselventil 2 in die hintere Zylinderkammer 12. Hat sich dann der Kolben 7 so weit nach links bewegt, daß seine Stufe 10 den Durchlaß freigibt, so strömt das Druckmittel anschließend in der Hauptsache über diesen Durchlaß 19 in die Zylinderkammer Zu Beginn der Bewegung des Kolbens 7 nach links strömt ein Teil des in der vorderen Zylinderkammer 11 enthaltenen Druckmittels über den Durchlaß 16 direkt zum Behälter 6,

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bis die Stufe 9 des Kolbens den Durchlaß 16 sperrt, worauf das Druckmittel dann allein über den Steuerschieber 3 zurückströmt.

Bei Wiederholung der vorstehend beschriebenen Vorgänge führt der Kolben 7 eine Folge von Schlagen auf das Bohrwerkzeug 8.

Die in der vorderen Zylinderkammer 11 mündenden Durchlässe 15» 16» 17 und die in der hinteren Zylinderkammer mündenden Durchlässe 18, 19, 20 können mittels der ihnen zugeordneten Ventile wahlweise geöffnet oder versperrt werden, um das Ende des Rücklaufs des Kolbens 7 zu bestimmen bzw. die Abbremsung des Kolbens am Ende des Rücklaufs auf die jeweiligen Arbeitsbedingungen, etwa die Elastizität oder sonstige Eigenschaften von Gestein abzustimmen.

Die erfindungsgemäße hydraulische Schlagvorrichtung ist nicht nur für einen Schlagbohrer verwendbar, sondern unter Zusatz eines herkömmlichen Drehantriebs, etwa eines hydraulischen Motors od. dergl. für den Antrieb des Bohrwerkzeugs auch für einen Schlagdrehbohrer. In einem solchen Falle kann die Schlagfrequenz gleichförmig auf einem vorbestimmten Wert gehalten werden, auch wenn die Schlagenergie in Abhängigkeit vom abnehmenden Widerstand des Gesteins beim Bohren verringert wird. Dadurch ist es nicht notwendig, wie dies bei herkömmlichen selbstgesteuerten hydraulischen Schlagvorrichtungen der Fall ist, die Drehzahl des Bohrwerkzeugs unter Verwendung aufwendiger Steuereinrichtungen, etwa einer Pumpe mit veränderlicher Förderleistung od. dergl., zu verändern. Dadurch ist die Vorrichtung insgesamt äußerst einfach und wenig aufwendig.

Eine in einer zweiten Ausführungsform der Erfindung in

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Fig. 3 und 4 dargestellte hydraulische Schlagvorrichtung umfaßt einen doppeltwirkenden Zylinder 101, einen Druckspeicher 102, ein Rückschlagventil 103, einen Steuerschieber 104, einen Oscillator 105, eine Pumpe 106, einen Vorratsbehälter 107 und die einzelnen Teile miteinander verbindende Leitungen.

Im Zylinder 101 ist ein ein Bohrwerkzeug 109 beaufschlagender Kolben 108 hin und her verschieblich geführt. Der Kolben 108 hat zwei Stufen 110, 111, welche zusammen mit den Zylinderwandungen eine vordere Zylinderkammer 112 in dem dem Bohrwerkzeug 109 zugewandten Ende des Zylinders und eine hintere Zylinderkammer 113 begrenzen. Die Zylinderkammern sind durch den Kolben 108 umgebende Dichtungen 114 druckfest abgedichtet. Der Zylinder 101 hat eine Reihe von Durchlässen 115 bis 119· Ein erster Durchlaß ist nahe dem dem Bohrwerkzeug 109 zugewandten Ende des Zylinders 101 angeordnet, ein weiterer Einlaß 119 nahe dem anderen Ende des Zylinders, und drei weitere Einlasse 116, 117» 118 münden im mittleren Teil der hinteren Zylinderkammer 113. Die zuletzt genannten Durchlässe sind mittels Stopfen 120 verschließbar. In Fig. 1 ist lediglich der mittlere Einlaß 117 offen.

Der Steuerschieber 104 ist in zwei Stellungen betätigbar und weist vier Anschlüsse auf. Er enthält ein gleitend darin verschiebliches Steuerglied 124 mit drei zylindrischen Steuerkolben 121, 122, 123. Die Hin- und Herbewegung des Steuerglieds 124 ist mittels des Oszillators 105 bewirkbar. Zu diesem Zweck ist der Oszillator 105 über zwei Leitungen 127» 128 mit Steuerdruckkammern 125, 126 an den beiden Enden des Steuerschiebers 104 verbunden. Bei dem Oszillator 105 kann es sich um einen elektrischen, hydraulischen, mechanischen oder sonstigen Oszillator handeln, welcher in der Lage ist, die Hin- und Herbewegung des Steuerglieds 124 zu bewirken.

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Die die Teile der Vorrichtung miteinander verbindenden Leitungen sind so angeordnet, daß ein von der Pumpe 106 aus dem Vorratsbehälter 107 angesaugtes Druckmittel unter hohem Druck über dqn Steuerschieber 104 abwechselnd zur vorderen und zur hinteren Kammer 112 bzw. 113 des Zylinders 101 gefördert wird.

Die Pumpe 106 ist über eine Leitung 129 mit dem Behälter

107 und über eine Leitung I3I mit einem Einlaß I30 des Steuerschiebers 104 verbunden. Eine Leitung 133 verbindet einen Anschluß I32 des Steuerschiebers 104 mit dem ersten Durchlaß 115 des Zylinders 101, und ein Anschluß 134 des Steuerschiebers ist über eine Leitung 135 und von dieser abzweigende Leitungen 136, 137» 138 mit den Durchlässen 116, 117» 118 und über eine weitere von der Leitung 135 abzweigende Leitung 139» das Rückschlagventil 103 und eine weitere Leitung 140 mit dem Durchlaß 119 des Zylinders verbunden. Das Rückschlagventil 103 verhindert das Zurückströmen des Druckmittels aus der hinteren Zylinderkammer 113 zum Steuerschieber 104. Der Druckspeicher 102 ist über ein Leitungsteil 141 an der Leitung angeschlossen, und zwei weitere Anschlüsse 142, 143 des Steuerschiebers sind über Leitungen 144, 145 mit dem Vorratsbehälter 107 verbunden.

Fig. 3 zeigt den Zustand nach dem Aufschlag des Kolbens

108 auf dem Bohrwerkzeug 109 und vor dem Beginn des Rücklaufs des Kolbens 108. Sobald das vom Oszillator IO5 erzeugte Drucksignal die Steuerdruckkammer 125 des Steuerschiebers 104 erreicht, bewegt sich das Steuerglied nach rechts, so daß das Druckmittel über die Anschlüsse 130, 132, die Leitung 133 und den Durchlaß 115 der vorderen Zylinderkammer 112 zugeführt wird. Die hintere Zylinderkammer 113 ist dabei über den Durchlaß 117» die Leitungen 137» 135 und die Anschlüsse 13^» 143 druckentlastet, so daß das darin enthaltene Druckmittel bei der

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Bewegung des Kolbens 108 nach rechts in den Behälter 107 zurückströmt.

Nachdem sich der Kolben ^08 um ein bestimmtes Stück nach rechts bewegt hat, sperrt seine Stufe 111 den Durchlaß 117 ab. Das aus der hinteren Zylinderkammer 113 verdrängte Druckmittel strömt nun über den Durchlaß 119 und die Leitung 140 aus und, da es durch das Rückschlagventil 103 daran gehindert ist, zum Behälter 107 zurückzuströmen, in den Druckspeicher 102. Dadurch wird nun die Bewegung des Kolbens 108 durch die federnde Wirkung des Druckspeichers 102 elastisch abgebremst und damit der Rückprall am Ende des Rücklaufs gedämpft. Die Wirkung des Druckspeicher kann hier ohne Schwierigkeiten den Arbeitsbedingungen des Bohrers angepaßt werden, indem der Durchlaß 117 geschlossen und einer der beiden anderen Durchlässe 116, 118 geöffnet wird, was durch Versetzen der Stopfen 120 geschehen kann.

Erreicht darauf dann das vom Oszillator 105 erzeugte Drucksignal über die Leitung 128 die andere Steuerdruckkammer 126 des Steuerschiebers 104, so bewegt sich das Steuerglied 124 nach links, so daß das von der Pumpe 106 geförderte Druckmittel nun der hinteren Zylinderkammer zugeführt wird (Fig. 4). Gleichzeitig damit wird die vordere Zylinderkammer 112 druckentlastet, so daß der Kolben 108 seinen Aufschlaghub beginnt. Bein übergang vom Rücklauf auf den Aufschlaghub, also unmittelbar nach dem Umsteuern des Steuerschiebers 104 ist der im Druckspeicher herrschende Druck höher als der Förderdruck der Pumpe 106. Dadurch strömt das vorher in den Druckspeicher 102 eingedrungene Druckmittel in kürzester Zeil in die hintere Zylinderkammer 113 zurück und bewirkt eine plötzliche Beschleunigung des Kolbens 108 Der Rückstrom des Druckmittels aus dem Druckspeicher 102 setzt sich solange fort, bis der im Druckspeicher herrschende Druck gleich dem Förderdruck der Pumpe 106 ist. Anschließend wird der

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Kolben 108 allein von der durch den Förderdruck der Pumpe 106 hervorgerufenen Kraft vorwärts getrieben, bis er auf dem Bohrwerkzeug 109 aufschlägt.

Bei Wiederholung der vorstehend beschriebenen Vorgänge führt der Kolben eine Folge von Schlagen auf das Bohrwerkzeug 109·

In dieser Ausführungsform dient der Druckspeicher 102 dazu, den Rücklauf des Kolbens abzubremsen und dadurch den Rückprall zu dämpfen. Die Hin- und Herbewegungen des Kolbens 108 werden allein durch die vom Oszillator 105 erzeugten Druckschwingungen gesteuert. Dadurch liegt die erzielbare Schlagfrequenz höher als bei bekannten Ausführungen. Wird dabei jedoch ein Balgen- oder Membran-Druckspeicher verwendet, so ergeben sich bei stärkerer Erhöhung der Schlagfrequenz Schwierigkeiten im Hinblick auf die Ansprechzeit und Festigkeit des Druckspeichers. Wird dagegen, wie in Fig. 5 dargestellt, ein Druckspeicher in Form einer als Teil der Schlagvorrichtung selbst ausgebildeten starren Kammer 146 mit einem darin enthaltenen kompressiblen Strömungsmittel verwendet, so kann die Schlagfrequenz durch Steigerung des Förderdrucks weiter erhöht werden, ohne daß dabei Schwierigkeiten im Hinblick auf die Festigkeit entstehen.

Fig. 6 bis 9 zeigen die Verwendung einer erfindungsgemäßen hydraulischen Schlagvorrichtung in einem Schlagdrehbohrer. Dieser setzt sich zusammen aus einem Drehantrieb 201, einer Schlagvorrichtung 202 und einem Bohrwerkzeug 203· Der Drehantrieb 201 umfaßt einen hydraulischen Motor 204, einen Satz Zahnräder 205 bis 207, eine von einem Zahnkranz umgebenen drehbaren Muffe 208, einer hydraulischen Druckquelle 209 und einem Rücklaufbehälter 210. Das Bohrwerkzeug sitzt in der drehbaren Muffe, so daß es gleichzeitige Dreh- und Schlagbewegungen ausführen kann. Fig. 7 zeigt als vergrößerten Ausschnitt

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aus Fig. 6 die Schlagvorrichtung 202. Diese umfaßt einen Differentialzylinder 211, einen das Bohrwerkzeug 203 beaufschlagenden Kolben 212, einen Steuerschieber 213, einen Oszillator 214-, einen Druckspeicher 215, ein Rückschlagventil 216, eine hydraulische Druckquelle 217, einen Rücklaufbehälter 218 und die einzelnen Teile miteinander verbindende Leitungen.

Der Kolben 212 ist hin und her verschieblich im Zylinder 211 geführt. Er hat zwei Stufen 219, 220, welche zusammen mit den Zylinderwandungen eine vordere und eine hintere Zylinderkammer 221 bzw. 222 begrenzen. Das die vordere Zylinderkammer 221 durchsetzende Teil des Kolbens hat einen kleineren Durchmesser als das die hintere Zylinderkammer 222 durchsetzende, so daß die der vorderen Kammer 221 zugwandte Kolbenfläche größer ist. Die Zylinderkammern sind durch den Kolben umgebende Dichtungen 223 druckfest abgedichtet.

Der Steuerschieber 213 ist in zwei Stellungen betätigbar und weist drei Anschlüsse auf. Im Steuerschieber 213 ist ein Steuerglied 224- verschieblich geführt. Zwei in St uerdruckkammern 225, 226 an den Enden des Steuerschiebers 213 sitzende Federn 227 bzw. 228 halten das Steuerglied 224- in einer neutralen Stellung.

Der Oszillator 214- ist über eine Leitung 229 mit einem Druckmittel gespeist und leitet dieses über zwei Leitungen 230, 231 abwechselnd zu den Steuerdruckkammern 225, 226 des Steuerschiebers 213· Bei der Hin- und Herbewegung des Steuerglieds 224- verdrängtes Druckmittel strömt über die Leitungen 230 bzw. 231 zum Oszillator 214 zurück und fließt zusammen mit dem für den Antrieb des Oszillators verwendeten Druckmittel über eine weitere Leitung 232 ab.

Bei dem Oszillator kann es sich um einen elektrischen, mechanischen, hydraulischen oder sonstigen Oszillator

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handeln, sofern ein solcher nur in der Lage ist, die Hin- und Herbewegung des Steuerglieds 224 zu bewirken.

Die hintere Zylinderkammer 222 ist über eine Leitung 233, ein Rückschlagventil 216 und eine Leitung 234 mit der Druckquelle 217 verbunden. Zwischen dem Rückschlagventil 216 und der Zylinderkammer 222 ist der Druckspeicher 215 über eine Leitung 235 an der Leitung 233 angeschlossen. Im mittleren Teil des Zylinders 211 münden in der hinteren Zylinderkammer 222 drei durch die Bewegungen des Kolbens gesteuerte Durchlässe 236, 237, 238, welche über eine Leitung 239 mit der Steuerdruckkammer 225 des Steuerschiebers 213 verbunden sind.

Die vordere Zylinderkammer 221 ist über eine Leitung 240, den Steuerschieber 213 und eine weitere Leitung 241 mit der Druckquelle 217 und über die Leitung 240, den Steuerschieber 213 und eine andere Leitung 242 mit dem Rücklaufbehälter 218 verbunden.

Für die folgende Beschreibung der Wirkungsweise sei angenommen, daß der Kolben 212 nach dem Aufschlag auf dem Bohrwerkzeug 203 vor dem Beginn seines Rücklaufs steht (Fig. 7)· Da in diesem Zustand ein hoher Druck in der hinteren Zylinderkammer 222 herrscht, gelangt dieser Druck über den Durchlaß 236 und die Leitung 239 zur Steuerdruckkammer 225 des Steuerschiebers 213, so daß dieser ohne Vorliegen eines Drucksignals vom Oszillator 214 betätigt wird. Dadurch wird der Druck nun sowohl der vorderen als auch der hinteren Zylinderkammer 221 bzw. 222 zugeleitet, so daß sich der Kolben 212 aufgrund der Differenz zwischen seinen Stirnflächen in Rücklaufrichtung zu bewegen beginnt. Das dabei aus der hinteren Zylinderkammer 222 verdrängte Druckmittel wird durch das Rückschlagventil 216 aufgehalten und strömt daher in den Druckspeicher 215·

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Gegen Ende des Kolbenrücklaufs erzeugt der Oszillator ein Drucksignal, welches den Steuerschieber 213 in die in Fig. 8 gezeigte Stellung bringt, so daß die vordere Zylinderkammer 221 druck«ntlastet wird. Dabei wirkt auf die die vordere Zylinderkammer begrenzende Kolbenfläche eine Kraft P, χ Aj, (worin P. der in der vorderen Zylinderkammer 221 vorhandene Gegendruck ist). Auf die die hintere Zylinderkammer 222 begrenzende Kolbenfläche wirkt dagegen eine Kraft P χ A_R. Da P. wesentlich kleiner ist als P, ist auch P_fe χ Α_ρ kleiner als P χ A_R. Dementsprechend beginnt der Kolben 212 nun seinen Aufschlaghub. Die beim Rücklauf des Kolbens im Druckspeicher 215 gespeicherte potentielle Energie wird beim Aufschlaghub des Kolbens vieder in Form von kinetischer Energie freigesetzt.

Bei Wiederholung der vorstehend beschriebenen Vorgänge führt der Kolben 212 eine Folge von Schlagen auf das Bohrwerkzeug 203, während dieses dabei unabhängig von der Hin- und Herbewegung des Kolbens 212 durch den hydraulischen Motor in Drehung versetzt wird.

In dieser Ausführungsform ist die Schlagfrequenz durch die Schwingungsfrequenz des Oszillators 214 bestimmt und kann daher durch Änderung des Speisedrucks für den Oszillator 214 variiert werden. Die Schlagenergie kann durch Änderung des den Kolben 212 beaufschlagenden Drucks der Druckquelle oder des Drucks eines im Druckspeicher eingeschlossenen Gases variiert werden. Außerdem kann auch die Druckperiode durch zeitliche Einstellung des an meinem der Durchlässe 236, 237 oder 238 abgenommenen Drucksignals variiert werden. Somit können also die Schlagfrequenz, die Schlagenergie, die Drehzahl des Bohrwerkzeugs und die Druckperiode unabhängig voneinander variiert werden, so daß sich die Arbeitsweise des Bohrers der Härte des Gesteins anpassen läßt, ohne daß dazu,

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wie bei bekannten Vorrichtungen, aufwendige Einrichtngen wie Pumpen mit veränderlicher Förderung usw. notwendig sind.

Das Verhältnis zwischen der die vordere Zylinderkammer 221 begrenzenden Kolbenfläche A^ und der die hintere Zylinderkammer 222 begrenzenden Kolbenfläche A_R ist in dieser Ausführungsform größer als 1:1, jedoch kleiner als 2:1. Dadurch ist eine Folge von kräftigen Aufschlägen des Kolbens auf dem Bohrwerkzeug gewährleistet. Dies kommt auf folgende Weise zustande: Vom Oszillator 214 empfängt der Steuerschieber 213 ein von der Stellung des Kolbens 212 vollkommen unabhängiges alternierendes Signal und außerdem ein weiters Signal von der hinteren Zylinderkammer 222 am Ende des Aufschlaghubs. Der Rücklauf wird also durch ein von der hinteren Zylinderkammer 222 abgegebenes Signal ausgelöst, während der Übergang zum Aufschlaghub durch das Signal des Oszillators 214 bev/irkt wird. Zwischen dem Signal des Oszillators 214 und dem von der Stellung des Kolbens 212 abhängigen Signal aus der Zylinderkammer 222 besteht jedoch eine Phasendifferenz unbestimmter Größe.

Falls nun etwa das vom Oszillator erzeugte Signal für den Rücklauf des Kolbens 212 dem von der Stellung des Kolbens 212 abhängigen Signal sehr weit nacheilt, so eilt dann auch das den Kolben für den Aufschlaghub umsteuernde Signal sehr weit nach, wodurch der Kolben zu weit zurücklaufen würde. Wird jedoch das vom Oszillator erzeugte Signal für den Rücklauf des Kolbens 212 schon in der Mitte des Aufschlaghubs empfangen, bevor der Kolben auf dem Bohrwerkzeug 203 aufschlägt, so setzt der Rücklauf des Kolbens zu früh ein, d.h. der Kolben 212 bewegt sich zwar in und her, schlägt dabei jedoch nicht auf dem Werkzeug 203 auf.

Um dies zu vermeiden, empfiehlt es sich, die Geschwindig-

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keit des Kolbens 212 beim Rücklauf soweit zu steigern, daß das von der Stellung des Kolbens abhängige Signal in jedem Falle früher empfangen wird als das vom Oszillator 214 erzeugte Umstei^ersignal. Um dies zu erreichen, muß die für den Rücklauf des Kolbens 212 benötigte Zeitspanne länger sein als die für den Aufschlaghub benötigte. Um dies zu gewährleisten, ist lediglich darauf zu achten, daß die beim Aufschlaghub auf den Kolben 212 einwirkende Kraft größer ist als die beim Rücklauf darauf einwirkende. Diese Bedingung ist erfüllt, wenn PA_R - PwAp größer ist als PAj₁ - PA^, wobei P. wiederum der Gegendruck in der vorderen Kammer 221 ist. Nimmt man der Einfachheit halber an, daß P. = 0, so ist A-p : A_R kleiner als 2. Da jedoch andererseits Aj₁ größer ist als A_R, ergibt sich daraus, daß A^₁ : A^ größer als 1 und kleiner als 2 ist.

In der beschriebenen Ausführung sind die Durchlässe 236, 237» 238 für die Abnahme des Betätigungsdrucks für den Steuerschieber 213 aus der hinteren Kammer 222 in der Bewegungsrichtung des Kolbens 212 hintereinander angeordnet. Die Durchlässe können wahlweise offen oder durch Stopfen 243 verschlossen sein, so daß sich der Zeitpunkt der Betätigung des Steuerschiebers 213 und dadurch die Länge der Druckperiode mühelos variieren läßt. Der Zeitpunkt der Betätigung des Steuerschiebers und damit die Dauer der Druckperiode könnten auch dadurch variiert werden, daß in einer einen einzigen Durchlaß 236 mit dem Steuerschieber 213 verbindenden Leitung 239 ein verstellbares Drosselventil 244 vorgesehen wird (Fig. 9)·

Fig. 10 und 11 zeigen eine hydraulische Schlagvorrichtung in einer sechsten Ausführungsform der Erfindung. Diese umfaßt einen doppeltwirkenden Zylinder 401, einen Druckspeicher 402, Rückschlagventile 403, 404, einen Steuer-

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schieber 405» einen Oszillator 406, eine Pumpe 407, einen Rücklaufbehälter 408 und die verschiedenen Teile miteinander verbindende Leitungen.

Im Zylinder 401 ist ein ein Bohrwerkzeug 410 beaufschlagender Kolben 409 hin und her verschieblich geführt. Der Kolben 409 hat zwei Stufen 411, 412, welche zusammen mit den Zylinderwandungen eine vordere und eine hintere Zylinderkammer 413 bzw. 414 begrenzen. Die Zylinderkammern sind durch den Kolben 409 umgebende Dichtungen 415 druckfest abgedichtet. Der Zylinder 401 weist ferner eine Reihe von Druckmitteldurchlässen 416 bis 423 auf. Ein erster Durchlaß 416 ist nahe dem dem Bohrwerkzeug 410 zugewandten Ende des Zylinders 401 angeordnet, und ein zweiter Durchlaß 423 nahe dem gegenüberliegenden Ende des Zylinders, jeweils drei Durchlässe 420, 421, 422 bzw. 417, 418, 419 sind in gegenseitigen Längsabständen im mittleren Teil der hinteren bzw. der vorderen Zylinderkammer 414 bzw. 413 vorgesehen. Die Durchlässe 417 bis 422 sind wahlweise mittels Stopfen 424 verschließbar. In Fig. 10 sind die Durchlässe 418, 421 offen.

Der Steuerschieber 405 ist in zwei Stellungen betätigbar und hat vier Anschlüsse. Im Steuerschieber 405 ist ein drei zylindrische Steuerkolben 425, 426, 427 aufweisendes Steuerglied 428 hin und her verschieblich geführt. Die Hin- und Herbewegung des Steuerglieds 428 wird durch den Oszillator 406 bewirkt. Zu diesem Zweck ist dieser über jeweils eine Leitung 431, 432 mit Steuerdruckkammern 429, 430 an den beiden Enden des Steuerschiebers 405 verbunden. Bei dem Oszillator 406 kann es sich um eine beliebige Ausführung handeln, welche in der Lage ist, die Hin- und Herbewegung des Steuerglieds 428 zu bewirken.

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Die beschriebenen Teile sind über Leitungen derart miteinander verbunden, daß von der Pumpe 407 aus dem Behälter 408 angesaugtes Druckmittel unter hohem Druck abwechselnd der vorderen und d^r hinteren Zylinderkammer 413 bzw. 414 zugeführt wird. Die Pumpe 407 ist über eine Leitung 433 mit dem Behälter 408 und über eine andere Leitung 435 mit einem Einlaß 434 des Steuerschiebers verbunden. Eine Leitung 437 verbindet einen Anschluß 436 des Steuerschiebers mit dem ersten Durchlaß 416 des Zylinders 401, und ein anderer Anschluß 438 des Steuerschiebers 405 ist über eine Leitung 439 und davon abzweigende Leitungen 440, 441, 442 mit den Durchlässen 420, 421, 422 sowie über eine weitere von der Leitung 439 abzweigende Leitung 443, das eine Rückschlagventil 403 und eine weitere Leitung 444 mit dem zweiten Durchlaß 423 des Zylinders 401 verbunden. Das Rückschlagventil verhindert den Rückstrom des Druckmittels aus der hinteren Zylinderkammer 414 zum Steuerschieber 405· An der Leitung 444 ist über eine Zweigleitung 445 der Druckspeicher 402 angeschlossen. Ferner ist die Leitung 444 über Leitungen 446, 447, 448, 449, ein anderes Rückschlagventil 404 und eine weitere Leitung 450 mit den Durchlässen 417, 418, 419 in der vorderen Zylinderkammer 413 verbunden. Das Rückschlagventil 404 verhindert den Rückstrom des Druckmittels aus der Leitung 450 zu den Durchlässen 417, 418, 419. Zwei weitere Anschlüsse 451, 452 des Steuerschiebers 405 sind über Leitungen 453» mit dem Rücklaufbehälter 408 verbunden.

In der in Fig. 10 gezeigten Stellung steht der Kolben nach dem Aufschlag auf dem Werkzeug 410 vor dem Beginn seines Rücklaufs.

Ein vom Oszillator 406 abgegebenes Drucksignal erreicht nun die Steuerdruckkammer 429 des Steuerschiebers 405, so daß sich das Steuerglied 428 nach rechts bewegt und das

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Druckmittel unter hohem Druck über die Anschlüsse 434, 436, die Leitung 437 und den Durchlaß 416 in die vordere Zylinderkammer 413 gelangt. Die hintere Zylinderkammer 414 ist dabei über den Durchlaß 421, die Leitungen 441, 439» die Anschlüsse 438, 452 des Steuerschiebers 405 und die Leitung 454 druckentlastet. Das in der hinteren ZyIinderkammer 414 vorhandene Druckmittel kann daher zum Rücklaufbehälter 408 strömen, während sich der Kolben 409 nach rechts bewegt.

Nachdem sich der Kolben 409 um ein bestimmtes Stück zurück-, d.h. nach rechts bewegt hat, erreicht seine Stufe 411 den Durchlaß 418, wodurch die vordere Zylinderkammer 413 nun mit der hinteren Kammer 414 strömungsverbunden ist. Daher strömt das Druckmittel nun von der vorderen Zylinderkammer 413 über den Durchlaß 418, die Leitungen 448, 446, das Rückschlagventil 404, die Leitungen 450, 444 und den Durchlaß 423 in die hintere Zylinderkammer 414. Aus der hinteren Zylinderkammer 414 strömt das Druckmittel über den Durchlaß 421 und den Steuerschieber 405 zurück zum Behälter 408, bis der Durchlaß 421 von der Stufe 412 des Kolbens 409 erreicht und abgesperrt wird. Daraufhin ergibt sich dann durch das Vorhandensein des ersten Rückschlagventils 403 ein hoher Druck in der vorderen sowie in der hinteren Zylinderkammer 413 bzw. 414, so daß die den Kolben 409 rückv;ärts bewegende Kraft aufgehoben ist. Der Kolben 409 bewegt sich jedoch aufgrund seiner Trägheit weiter nach rechts und verdrängt dabei das Druckmittel aus der hinteren Zylinderkammer 414 in den Druckspeicher 402. Der Druckspeicher dämpft den Rückprall am Ende des Kolbenrücklaufs und speichert die kinetische Energie des Kolbens 409 in Form von potentieller Energie. Da die Durchlässe 417 bis 422 wahlweise geöffnet oder mittels der Stopfen 424 geschlossen werden können, läßt sich die Wirkung des Druckspeichers sowie der Zeitpunkt, zu welchem die den Kolben rückwärts bewegende Kraft auf-

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gehoben wird, je nach den Arbeitsbedingungen des Kolbens 409 einstellen.

Wird dann das Drucksignal, des Oszillator 406 umgesteuert, so daß es über die Leitung 432 die Steuerdruckkammer 430 des Steuerschiebers 405 erreicht, so bewegt sich das Steuerglied 428 nach links, und das unter Druck von der Pumpe 407 geförderte Druckmittel wird über den Steuerschieber 405 der hinteren Zylinderkammer 414 zugeleitet. Die vordere Zylinderkamraer 413 ist dabei druckentlastet, so daß der Kolben 409 seinen Vorwärtshub beginnt (Fig. 11). Unmittelbar nach dem Beginn des Vorwärts- oder Aufschlaghubs ist der im Druckspeicher 402 herrschende Druck höher als der Förderdruck der Pumpe 407· Dementsprechend wird das im Druckspeicher 402 vorhandene Druckmittel in kürzester Zeit in die hintere Zylinderkammer 414 entleert und der Kolben 409 daher plötzlich beschleunigt, bis der Innendruck des Druckspeichers 402 gleich dem Förderdruck der Pumpe 407 ist. Anschließend wird der Kolben 409 allein von der durch den Förderdruck der Pumpe 407 erzeugten Kraft vorwärtsbewegt, bis er auf dem Werkzeug 410 aufschlägt. Bei Wiederholung der beschriebenen Vorgänge führt der Kolben 409 eine Folge von Schlagen auf das Bohrwerkzeug 410.

Fig. 12 und 13 zeigen eine siebte Ausfuhrungsform einer hydraulischen Schlagvorrichtung mit einem Oszillator als Steuerdruckquelle. Die dargestellte Anordnung umfaßt einen Oszillator 501, einen hydraulischen Druckverstärker 502 und die eigentliche Schlagvorrichtung 503.

Der Oszillator 501 hat ein Gehäuse 504 mit einem Deckel und einen in Wälzlagern 507 gelagerten Schwingflügel 505. Im Gehäuse 504 sind eine zylinderscheibenförmige Kammer 5O8 und ein zylindrischer Lagersitz 509 geformt. Vom Umfang des Gehäuses 504 verläuft ein zylindrischer Einlaß 510 in Richtung auf die Kammer 508. Der Einlaß ist

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über zwei Bohrungen 511» 512 mit der Kammer 508 verbunden. Die Bohrungen 511» 512 divergieren in einem vorbestimmten Winkel Θ, so daß sie an voneinander entfernten Stellin in der Kammer ausmünden. An der den Bohrungen 511» 512 gegenüberliegenden Seite hat die Kammer 508 zwei symmetrisch zueinander angeordnete Auslässe 513, 514· In Umfangsrichtung der Kammer 508 gleichsinnig um einen Winkel θ^, welcher auch gleich Null sein kann, gegenüber den Bohrungen 511» 512 versetzt münden zwei Steuerdruckauslässe 515, 5I6 in der Kammer 508 aus.

Der SchwingflügeC 505 hat ein scheibenförmiges mittleres Teil, dessen Durchmesser kleiner ist als der der Kammer 5Ο8. Zwei in gleitender Anlage an der Innenfläche der Kammer 508 befindliche Flügelteile 517, 518 stehen an einander gegenüberliegenden Stellen des Mittelteils hervor. In dem dem Einlaß 510 zugewandten Flügelteil 517 ist ein überbrückungsdurchlaß 519 in Form einer Ausnehmung geformt. Eine einstückig mit dem Schwingflügel geformte Welle steht oben und unten über den Schwingflügel hervor.

Der Deckel 5Ο6 enthält einen zylindrischen Lagersitz 521, die Steuerdruckauslässe 515» 516 mit dem hydraulischen Druckverstärker 502 verbindende Bohrungen 522, 523 und zwei hervorstehende Anschläge 524, 525, an denen der Schwingflügel 505 in seinen Endstellungen in Anlage kommt. Der Schwingflügel 505 ist in den Lagern 507 gegenüber dem Gehäuse 504 und dem in dieses eingeführten Deckel 506 frei verdrehbar gelagert und begrenzt zusammen mit den Wandungen der Kammer 508 zwei halbringförmige Druckkammern 526, 527. Das auslaßseitige Flügelteil 518 des Schwingflügels 505 ragt zwischen die beiden Anschläge 524, 525 und begrenzt die Bewegungen des Schwingflügels in zwei Endstellungen.

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Der hydraulische Druckverstärker 502 weist ein Gehäuse 530, ein Steuerglied 531» ein Paar Federn 532 und eine Einstellschraube 533 auf. Das Steuerglied 531 hat drei zylindrische Steuerkolben 535-» 536, 537 und sitzt zwischen den beiden Federn 532 in einer zylindrischen Bohrung 534 des Gehäuses, welche an einem Ende durch die Einstellschraube 533 verschlossen ist. Das Gehäuse 530 hat ferner zwei Bohrungen 522, 523» welche die Steuerdruckauslässe 515, 516 des Oszillators 501 mit einer linken bzw. einer rechten Steuerdruckkammer 538 bzw. 539 in der zylindrischen Bohrung 534- verbinden. Zwischen den Steuerkolben 535» 536 und 536, 537 des Steuerglieds 531 in der zylindrischen Bohrung 534- gebildete Auslässe führen zu einer Rückfühieitung 5^0» und eine Hochdruckzuleitung 541 mündet im mittleren Teil der zylindrischen Bohrung 534- aus. Zwei zwischen den Steuerkolben 535, bzw. 536, 537 ausmündende Bohrungen des Gehäuses 530 verbinden die zylindrische Bohrung 53^ mit der eigentlichen Schlagvorrichtung 503·

Die Schlagvorrichtung 503 hat ein Gehäuse 550 und einen ein Bohrwerkzeug 553 beaufschlagenden Kolben 551. Der Kolben 551 ist hin und her verschieblich in einem Zylinder 552 geführt und unterteilt diesen in eine vordere und eine hintere Zylinderkammer 554- bzw. 555, welche über die Bohrungen 5^2 bzw. 5^3 mit der zylindrischen Bohrung 534 des hydraulischen Druckverstärkers 502 verbunden sind.

Zu Beginn des Betriebs befindet sich der Schwingflügel beispielsweise in der in Fig. 14 gezeigten Stellung. Dadurch strömt das über den Einlaß 510 zugeführte Druckmittel durch die Einlaßbohrung 512 in die rechte halbringförmige Druckkammer 527 und verläßt diese über den Auslaß 514· Der das Flügelteil 518 beaufschlagende hydraulische Druck bewirkt dabei eine Drehung des Schwing-

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flügeis 505 über die in Fig. 15 dargestellte in die in Fig. 16 gezeigte Stellung. In dieser Stellung wirkt auf den Schwingflügel 505 keine ihn weiter im Uhrzeigersinn zu verdrehen trachtende Kraft mehr ein. Der Schwingflügel 505 setzt jedoch seine Drehung im Uhrzeigersinn fort, bis die für die Drehung von der Stellung nach Fig. 14 in die in Fig. 16 gezeigte Stellung zugeführte Kraft aufgezehrt ist. Dies geschieht durch den Widerstand des Druckmittels und durch die von dem nun über die Einlaßbohrung 5II einströmenden Druckmittel im Gegenzeigersinn auf den Schwingflügel 505 ausgeübte Kraft. Dadurch kommt dann der Schwingflügel in der in Fig. 17 gezeigten Stellung zum Stillstand. In dieser Stellung beaufschlagt nur das über die linke Einlaßbohrung 511 zugeführte Druckmittel das Flügelteil 518 des Schwingflügels, so daß dieser seine Bewegung umkehrt und über die in Fig. 16 und 15 dargestellten in die in Fig. 14 gezeigte Stellung zurückschwingt. Bei fortgesetzter Zufuhr des Druckmittels vollführt der Schwingflügel 505 eine Folge der vorstehend beschriebenen Schwingungen, ohne dabei in Anlage an den Anschlägen 524, 525 zu kommen.

Durch die vorstehend beschriebenen Schwingungen des Schwingflügels 505 werden die beiden Steuerdruckauslässe 515* 5I6 abwechselnd mit dem Überbrückungsdurchlaß 519 in dem einen Flügelteil 517 und mit der jeweils zugeordneten halbringförmigen Druckkammer 525 bzw. 526 strömungsverbunden. Dadurch wird den beiden Steuerdruckkammern des hydraulischen Druckverstärkers 502 abwechselnd ein hoher, im wesentliche dem Speisedruck des Oszillators entsprechender, und ein niedriger, im wesentlichen dem Gegendruck in der jeweiligen halbringförmigen Druckkammer entsprechender, Druck zugeführt. In der dargestellten Ausführungsform sind die Steuerdruckauslässe 515» 516 jeweils um den Winkel Θ,, im Uhrzeigersinn gegenüber den Einlaßbohrungen 511» 512 versetzt. Dadurch ist die Zeitspanne, während welcher der höhere Druck am Steuerdruck-

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auslaß 516 ansteht, kürzer als die Zeitspanne, während welcher der niedrigere Druck daran liegt. Bei dem anderen Steuerdruckanlaß 515 sind die Verhältnisse genau umgekehrt .

Der Steuerdruck wird über die Bohrungen 522, 523 der linken bzw. rechten Steuerdruckkammer 538 bzw. 539 des hydraulischen Druckverstärkers 502 zugeführt. Dadurch werden die beiden Enden des Steuerglieds 531 abwechselnd mit hohem und niedrigem Druck beaufschlagt, so daß sich das Steuerglied hin und her bewegt.

Bei Vorhandensein des höheren Drucks in der linken Steuerdruckkammer 538 und des niedrigeren Drucks in der rechten Kammer 539 bewegt sich das Steuerglied 531 nach rechts, so daß das unter hohem Druck über die Zuleitung 54-1 zugeführte Druckmittel über die Bohrung 5^-2 in die linke oder vordere Zylinderkammer 55^- des Zylinders der Schalgvorrichtung 503 strömt und sich der Kolben 551 dementsprechend nach rechts bewegt. Das in der rechten oder hinteren Zylinderkammer 555 enthaltene Druckmittel entweicht dabei über die Bohrung 5^3ι die zylindrische Bohrung 534- und die Rückführleitung 5^0.

Wird der Steuerdruck dann umgesteuert, so daß nun der höhere Druck in der rechten und der niedrige Druck in der linken Steuerdruckkammer 539 bzw. 538 herrscht, so bewegt sich das Steuerglied 531 nach links. Dadurch strömt nun das Druckmittel über die Zylindrische Bohrung 534 des Druckverstärkers 502 und die Bohrung 5^3 in die rechte Zylinderkammer 555 des Zylinders 552 der Schlagvorrichtung, so daß sich der Kolben 551 nach links bewegt. Das in der linken Zylinderkammer 554- enthaltene Druckmittel entweicht dabei über die Bohrung 54-2, die zylindrische Bohrung 53^ und die Rückführleitung 540. Auf diese Weise vollführt der Kolben 551 der Schlagvorrichtung 503 eine Folge von Schlagen auf das Bohrwerkzeug

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in Abhängigkeit von der Schwingungsfrequenz des durch den Oszillator 501 gelieferten Steuerdrucks. In der gezeigten Ausführungsform ist die Zeitspanne, über welche der höhere Druck an dem einen Steuer.druckauslaß 516 ansteht, kürzer als die Zeitspanne, während welcher der höhere Druck am anderen Auslaß 515 ansteht. Dementsprechend ist die für den Aufschlaghub der Schlagvorrichtung benötigte Zeitspanne kürzer als die für den Kolbenrücklauf benötigte.

In Pig. 18 sind die zeitlichen Beziehungen zwischen den Stellungen des Schwingflügels 505 und dem Hub des das Bohrwerkzeug beaufschlagenden Kolbens grafisch dargestellt. Die waagerechte Achse gibt hier den Zeitverlauf an, und die senkrechte Achse unter A den Verdrehungswinkel θ des Schwingflügels 505» unter B den das Steuerglied des Druckverstärkers beaufschlagenden Steuerdruck, unter C den der Schlagvorrichtung zugeführten Arbeitsdruck und unter D die Hin- und Herbewegungen des Kolbens der Schlagvorrichtung. Unter A ist die Drehung des Schwingflügels 505 aus einer Neutralstellung im Uhrzeigersinn als positiv und im Gegenzeigersinn als negativ dargestellt. Unter B ist der der linken Steuerdruckkammer 538 des Druckverstärkers zugeführte Druck als gestrichelte Linie und der der rechten Kammer 539 zugeführte Druck durch eine ausgezogene Linie dargestellt.

Da die Steuerdruckauslässe in der beschriebenen Ausführung um den Winkel θ^. im Uhrzeigersinn gegenüber den Einlaßbohrungen versetzt sind, dauert der Rücklauf des Kolbens der Schlagvorrichtung länger als der Aufschlaghub (Fig. 18D), Fig. 18B zeigt das Ergebnis der Verwendung einer herkömmlichen Einrichtung zum Erzeugen von Druckschwingungen. Dabei wird der Steuerdruck den beiden Steuerdruckkammern 538, 539 über gleich lange Zeitspannen zugeführt. Darüber hinaus sind die Druckänderungen hier äußerst gering.

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Während der Einlaß 510 in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform so angeordnet ist, daß seine Achse vom Umfang des Gehäuses 504 zum Mittelpunkt der Kammer 508 verläuft, zeigen Fig. 19,.bis 21 eine Ausführungsform eines Oszillators 501, in welcher die Achse des Einlasses parallel zur Achse der zylindrischen Kammer verläuft. Während ferner in den Ausführungsformen nach Fig. 12 bis 17 und 19 des Winkel Q, größer als Null ist, zeigen Fig. 20 und 21 eine Anordnung, in welcher der Winkel θ* gleich Null ist. In diesem Falle ist die für den Aufschlaghub benötigte Zeitspanne gleich lang wie die für den Kolbenrücklauf benötigte, wie anhand von Fig. 18A und 18C aus der Beziehung zwischen der Stellung des Schwingflügels und dem Steuerdruck zu erkennen ist. Im übrigen entspricht die Ausführungsform nach Fig. 20 und 21 der vorstehend beschriebenen.

Wie vorstehend beschrieben ermöglicht der erfindungsgemäße Oszillator 501 die Erzeugung eines Steuerdrucks, bei welchem die Hochdruck- und Niederdruckperioden verschieden lang sein können. Dadurch lassen sich die für die Hin- und Herbewegungen des Kolbens benötigten Zeiten auf optimale Werte für die Verwendung der Schlagvorrichtung in einem hydraulischen Schlagbohrer, einem Schlagdrehbohrer und dergl. einstellen. Dadurch kann die Energie des Kolbens mit einem hohen Nutzungsgrad auf ein Gestein übertragen werden, und die Zeiten, während welcher sich der Kolben in Anlage am Bohrwerkzeug befindet, ohne dabei jedoch irgendwelche Arbeit zu verrichten, können erheblich verkürzt werden. Bei Verwendung der Schlagvorrichtung in einem Schlagdrehbohrer, in welchem das Bohrwerkzeug durch einen Motor od. dergl. in Frehung versetzt wird, läßt sich der Verschleiß des Bohrwerkzeugs beträchtlich verringern. Da mittels der erfindungsgemäßen Anordnung ferner Steuerdrücke mit sehr großen Druckunterschieden erzeugbar sind, ist eine sehr hohe Ausgangs-

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leistung einer damit arbeitenden Vorrichtung erzielbar.

Sämtliche aus der Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung hervorgehende IJerkmale und Vorteile der Erfindung, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumlicher Anordnungen und Verfahrensschritten, können sowohl für sich als auch in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.

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Leerseite

Claims

ΓΑΤΕ!NTAfJWf.^TE A. GRUNECKER H. KINKELDEY DR-ING OH ING AeE(CALTECH K. SCHUMANN DRAERMAT tWL-PHY^i P. H. JAKOB OPU-ING G. BEZOLD DR RER NAT DIPU-OCM 8 MÜNCHEN MAXIMILIANSTRASSE P a t_e_5_t_a_n_s_g_r_ü_c h_e

1. Hydraulische Schlagvorrichtung mit einem durch ein alternierendes Signal eines Oszillators betätigbaren Steuerschieber zum Steuern der hydraulischen Druckspeisung eines doppeltwirkenden Zylinders für die Hin- und Herbewegung eines ein Bohrwerkzeug beaufschlagenden Kolbens, gekennzeichnet durch Einrichtungen (2, 15 bis 21) zum Steuern des Übergangs vom Rücklauf zum Aufschlaghub des Kolbens (7) und durch Einrichtungen zum Variieren der Dauer des Aufschlaghubs und des Rücklaufs des Kolbens.

2. Hydraulische Schlagvorrichtung mit einem durch ein alternierendes Signal eines Oszillators betätigbaren Steuerschieber zum Steuern der hydraulischen Druckspeisung eines doppeltwirkenden Zylinders für die Hun- und Herbewegung eines ein Bohrwerkzeug beaufschlagenden Kolbens, gekennzeichnet durch einen nahe dem hinteren Ende einer hinteren Kammer (12) des Zylinders (1) angeordneten Durchlaß (21), durch eine den hinteren Durchlaß mit dem Steuerschieber ((3) verbindende

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TELEFON (OB») 92 28 02 TELEX 0S-3O3B0 TELEGRAMME MONAPAT TELEKOPlERER

ORIGINAL INSPECTED

erste Leitung (45, 44, 40), durch ein in der ersten Leitung angeordnetes Drosselventil (2), durch eine Anzahl von zwischen dem mittleren Teil des Zylinders und dem nahe dem Ende angeordneten Durchlaß angeordneten Ersten Hilfsdurchlässen (18, 19, 20), welche mit der ersten Leitung verbunden sind, durch einen nahe dem dem Bohrwerkzeug (8) zugewandten Ende des Zylinders in einer vorderen Kammer (11) desselben angeordneten vorderen Durchlaß (14), durch eine den vorderen Durchlaß mit dem Steuerschieber verbindende zweite Leitung (38), durch eine Anzahl von zwischen dem mittleren Teil des Zylinders und dem vorderen Durchlaß in der vorderen Kammer angeordneten zweiten Hilfsdurchlässen (15» 16» 17)» durch einen Druckmittelbehälter (6), und durch eine die zweiten Hilfsdurchlässe mit dem Druckmittelbehälter verbindende dritte Leitung (49).

3. Oszillatorgesteuerte hydraulische Schlagvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Drosselventil (2) verstellbar ist.

4. Oszillatorgesteuerte hydraulische Schlagvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Hilfsdurchlässe (18 bis 20 bzw. 15 bis 17) in Richtung der Kolbenbewegung nebeneinander angeordnet und mittels ihnen zugeordneter Absperreinrichtungen (25 bis 27 bzw. 22 bis 24) wahlweise absperrbar und freigebbar sind.

5· Oszillatorgesteuerte hydraulische Schlagvorrichtung mit einem durch ein alternierendes Signal eines Oszillators betätigbaren Steuerschieber zum Steuern der Druckspeisung eines doppeltwirkenden Zylinders für die Hin- und Herbewegung eines ein Bohrwerkzeug beaufschlagenden Kolbens, gekennzeichnet durch einen nahe dem hinteren Ende einer hinteren Kammer (113) des Zylin-

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ders (101) angeordneten hinteren Durchlaß (119), durch einen mit dem hinteren Durchlaß verbundenen Druckspeicher (102), durch eine den hinteren Durchlaß mit dem Steuerschieber (104) verbindende Leitung (140, 139, 135), durch ein in der Leitung angeordnetes Rückschlagventil (103) und durch eine Anzahl von zwischen dem mittleren Teil des Zylinders und dem hinteren Durchlaß in der hinteren Kammer des Zylinders angeordneten Hilfsdurchlässen (116, 117, 118), welche mit dem Steuerschieber strömungsverbunden sind.

6. Oszillatorgesteuerte hydraulische Schlagvorrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsdurchlässe (116, 117, 118) in einer in Richtung der Kolbenbewegung verlaufenden Reihe angeordnet sind und daß Einrichtungen (120) zum wahlweisen öffnen oder Absperren der Hilfsdurchlässe vorhanden sind.

7. Oszillatorgesteuerte hydraulische Schlagvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckspeicher (102) eine ein Strömungsmittel enthaltende Kammer aufweist.

8. Hydraulische Schlagvorrichtung, gekennzeichnet durch einen Differentialzylinder (202), durch einen im Zylinder angeordneten und mit diesem eine vordere und eine hintere Zylinderkammer (221 bzw. 222) begrenzenden Kolben (212), dessen der vorderen Zylinderkammer zugewandte Fläche (219) größer ist als die der hinteren Zylinderkammer zugewandte Fläche (220), durch Einrichtungen (216, 217, 233) für die konstante Speisung der hinteren Zylinderkammer mit einem hohen hydraulischen Druck, durch einen Oszillator (214), durch eine erste Einrichtung (236 bis 238) zum Erzeugen von die Stellung des Kolbens angebenden Signalen, und durch einen Steuerschieber (213) zum Steuern der Druckspeisung der vorderen

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Zylinderkammer für die Hin- und Herbewegung des dabei ein Bohrwerkzeug (203) beaufschlagenden Kolbens, wobei der Steuerschieber in Abhängigkeit von Signalen des Oszillators und der ersten Einrichtung betätigbar ist.

9. Hydraulische Schlagvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen den der vorderen und der hinteren Zylinderkammer (221 bzw. 222) zugewandten Kolbenflächen (219 bzw. 220) größer als 1:1, jedoch kleiner als 2:1 ist.

10. Hydraulische Schlagvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Einrichtung einen am Ende eines Aufschlaghubs des Kolbens (212) freigebbar im Zylinder (202) angeordneten Durchlaß (236), eine den Durchlaß mit dem Steuerschieber (213) verbindende Leitung (239) und ein in der leitung angeordnetes verstellbares Drosselventil (244) zum Variieren der Ansprechzeit des Steuerschiebers aufweist.

11. Hydraulische Schlagvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Einrichtung eine Anzahl von in Richtung der Kolbenbewegung nebeneinander in der hinteren Zylinderkammer (222) angeordneten und jeweils mit dem Steuerschieber (213) strömungsverbundenen Durchlässen ( 236, 237» 238) und Einrichtungen (243) zum wahlweisen öffnen oder Verschließen der Durchlässe aufweist, so daß die Ansprechzeit des Steuerschiebers durch wahlweises öffnen und Schließen der Durchlässe variierbar ist.

12. Hydraulische Schlagvorrichtung nach Anspruch 5» ferner gekennzeichnet durch einen nahe dem vorderen Ende einer vorderen Kammer (413) des Zylinders (401) angeordneten und mit dem Steuerschieber (405) verbundenen Durchlaß, durch eine Anzahl von zwischen dem

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mittleren Teil des Zylinders und dem vorderen Durchlaß in der vorderen Zylinderkammer angeordneten Hilfsdurchlässen (417 bis 419)ι durch eine die Hilfsdurchlässe der vorderen Zylinderkammer njit dem Druckspeicher (402) verbindende Leitung (445 bis 450) und durch ein in der Leitung angeordnetes Rückschlagventil (404) zum Verhindern des Rückstroms des Druckmittels vom Druckspeicher zu den Hilfsdurchlässen der vorderen Zylinderkammer.

13. Hydraulische Schlagvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsdurchlässe (420 bis 421) der hinteren Zylinderkammer (414) und die Hilfsdurchlässe (417 bis 419) der vorderen Zylinderkammer (413) jeweils in einer in Richtung der Kolbenbewegung verlaufenden Reihe im Zylinder angeordnet sind und daß Einrichtungen (424) zum wahlweisen öffnen und Schließen der Hilfsdurchlässe der vorderen und der hinteren Zylinderkammer vorhanden sind.

14. Oszillator für die Verwendung in einer hydraulischen Schlagvorrichtung, welche einen durch ein alternierendes Signal des Oszillators betätigbaren Steuerschieber zum Steuern der Druckspeisung eines doppeltwirkenden Zylinders für die Hin- und Herbewegung eines ein Bohrwerkzeug beaufschlagenden Kolbens aufweist, gekennzeichnet durch eine ringförmige Kammer (5O8), durch ein in der Kammer angeordnetes, scheibenförmiges Schwingungsteil (505)» durch wenigstens zwei an dem Schwingungsteil hervorstehende Sperrteile (517» 518), durch wenigstens zwei durch einen vorbestimmten Umfangswinkel (Θ) voneinander getrennt in der Kammer mündende hydraulische Druckeinlässe (511» 512), durch wenigstens zwei Steuerdruckauslässe (515» 516)» welche um einen vorbestimmten gleichen Winkel (Θ,-) gleichsinnig gegenüberdem jeweils zugeordneten Druckeinlaß versetzt angeordnet sind, und durch eine in einem der Sperrteile (517)

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geformte Ausnehmung (519) zum abwechselnden Verbinden jeweils eines Druckeinlasses mit dem ihm zugeordneten Steuerdruckauslaß und danach des anderen Druckeinlasses mit dem diesem zugeordneten Steuerdruckauslaß.

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