DE2744659A1

DE2744659A1 - Hydraulischer kolbenmotor

Info

Publication number: DE2744659A1
Application number: DE19772744659
Authority: DE
Inventors: Antony Dobson Barber
Original assignee: Compair Construction and Mining Ltd
Current assignee: Compair Holman Ltd
Priority date: 1977-09-22
Filing date: 1977-10-04
Publication date: 1978-04-13
Also published as: FR2367201A1; US4161989A; ES463028A1; PL201384A1; GB1538528A; ZA775737B

Description

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_ Telefon JBtef 496

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Patentanwalt Dr.-Ing. R. Liesegang

COMPAlR CONSTRUCTION AND MINING LTD.
P 096 30

Hydraulischer Kolbenmotor

Die Erfindung betrifft einen hydraulischen Kolbenmotor und hat die Schaffung eines einfachen wirkungsvollen Motors zum Gegenstand. Bei üblichen Kolbenmotoren für Schlagbohrmaschinen werden getrennte Ventile eingesetzt, die jedoch Komplikationen und Schwierigkeiten im Betrieb verursachen können. Es wurde daher vorgeschlagen, einen Motor ohne Ventile zu verwenden, bei dem die Speisung von Flüssigkeit durch vom Kolben gesteuerte öffnungen gesteuert wird. Derartige Konstruktionen sind entweder unzweckmäßig kompliziert oder nicht verläßlich oder nur mit einem kleinen Wirkungsgrad behaftet.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine einfache und wirksame Anordnung unter Berücksichtigung der Tatsache vorzuschlagen, daß für den Wirkungsgrad eines derartigen Motors eine theoretische Begrenzung gegeben ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem hydraulischen Kolbenmotor mit einem Kolben und Zylinder gemäß der Erfindung vorgesehen, daß eine Kolbenfläche dem Druck in einer

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Kompressionskammer ausgesetzt ist, welche Über vom Kolben gesteuerte öffnungen an seinem einen Hübende einem Speisedruck und an seinem anderen Hubende dem dem Auslaßdruck ausgesetzt ist, während zwischen diesen Hubendbereichen ein Kompressions-/Expansionsweg zurückgelegt wird, während dessen die Kompressionskammer abgeschlossen ist und die in ihr enthaltene Flüssigkeit alternativ Über einen größeren Druckbereich expandiert und über einen kleineren Druckbereich komprimiert wird.

Der hier verwendete Ausdruck "Auslaß" soll nicht bedeuten, daß der entsprechende Druck atmosphärisch ist. Z.B. kann der Auslaß des Kolbenmotors zum Antrieb eines Drehmotors für einen drehenden Sch tag-Bohrkopf verwendet werden.

Es ist notwendig, Mittel zur Erzeugung einer RUckkehrbewegung des Kolbens aus der Richtung vorzusehen, in welcher die Flüssigkeit in der Kompressionskammer komprimiert wird. Dies kann mittels eines Luftpolsters oder einer Feder oder durch Verdoppeln der Anordnung erreicht werden, so daß der Kolben doppeltwirkend ist.

Vorzugsweise wird der Einfachheit halber der Speisedruck zu einer entgegengesetzten Stirnfläche des Kolbens gefuhrt.

So hat der Kolben bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung zwei entgegengesetzte Stirnflächen ,vonjaenen eine einem Druck in der Druckkammer ausgesetzt ist, welche ständig mit einer Quelle konstanten Druckes kommuniziert, während die andere Kolbenfläche mit der Kompressionskammer kommuniziert.

Vorzugsweise wird der von einer gemeinsamen Druckquelle stammende Druck sowohl der Druckkammer als auch der Kompressionskammer zugeführt. In diesem Fall ist die der Kompressionskammer ausgesetzte wirksame Kolbenfläche größer als die der Druckkammer ausgesetzte Fluche, z.B. etwa doppelt so groß.

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Durch eine Rechnung kann gezeigt werden, daß eine wünschenswerte Größe des Volumens der Kompressionskammer etwa gleich dem doppelten des wirksamen Elastizitätsmoduls für den Druck (= Kehrwert der Kompressibilität) der Flüssigkeit multipliziert mit dem von dem Druck in der Kompressionskammer ausgesetzten Kolbenfläche überstrichenen Volumen und dividiert durch den Speisedruck ist. In der Praxis kann dies nicht weniger als etwa 100-mal gleich dem von d^r <·'<-■■· '■■ _k in der Kompressionskammer ausgesetzten Kolbenfläche überstrichenen bzw. verdrängten Volumen sein.

Die Überlappung der Öffnungen kann so gestaltet sein, daß der Druckanstieg während der Kompression in dem Zyklus und der Druckabfall während der Expansion etwa gleich der halben Differenz zwischen dem Speisedruck und dem Auslaßdruck ist.

Die Erfindung ist insbesondere bei Kolbenmotoren für Schlagwerkzeuge mit Vorteil anwendbar, in welchem Fall der Kolben mit einem Hammer kombiniert wird.

Bei einer Ausführung der Erfindung schlägt der Hammer auf ein Werkzeug am Ende des Kolbens jenseits der Kompressionskammer, so daß der Schlag am Ende eines Hubes erfolgt, während dessen die Kompressionskammer sich verkleinert.

Bei einer alternativen Anordnung ist der Motor von Ende zu Ende umgekehrt,und ein Schlag erfolg am Ende eines Arbeitshubes,während dessen das Volumen der Kompressionskammer zunimmt. Im vorherigen Fall ist der Weg des Kolbens von seiner hintersten Stellung bis zum Schließen der Auslaßöffnung wesentlich größer als der Weg, währenddessen die Druck-Einlaßöffnung offen ist und der Stoß oder Schlag erfolgt.

Die Erfindung ist insbesondere, jedoch nicht ausschließlich in Verbindung mit einer drehenden Schlagbohrmaschine anwendbar. Bei einer derartigen Anwendung wird eine Schlagwirkung oft nur bei ungewöhnlich schwierigen Verhältnissen verlangt, und es ist daher insbesondere wünschenswert, daß der* die Schlagwirkung erzeugende Motor so einfach und billig wie möglich ist.

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Dies trifft für den Motor nach der Erfindung zu.

^ie Erfindung ist im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel mit weiteren Einzelheiten näherjerläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines hydraulischen Kolbenmotors im Längsschnitt, der an ein drehendes Schlagwerkzeug, das in strichpunktierter Darstellung gezeigt ist, angesetzt ist und

Fig. 2 und 3 im Maßstab vergrößerte Schnitte durch den Motor nach Fig. 1, wobei der Kolben in unterschiedlichen Stellungen dargestellt ist.

Der Motor umfaßt einen in einem Zylinder 12 gleitenden Kolben 10, der an einem Ende, das im folgenden als vorderes Ende bezeichnet ist, in eine vordere Kolbenstange 14 und am hinteren Ende in eine hintere Kolbenstange 16 übergeht. Der Kolben und die beiden Kolbenstangen bilden zusammen einen Hammer, der mit seinem vorderen Ende mit hoher Frequenz, z.B. 100 Hz., auf ein Werkzeug schlägt. Der Durchmesser der vorderen Kolbenstange 14 ist geringfügig kleiner als derjenige des Kolbens, während der Durchmesser der hinteren Kolbenstange 16 einen Zwischenwert hat, so daß die vordere wirksame Kolbenfläche 15 des Kolbens etwa doppelt so groß wie die wirksame Kolbenfläche 17 des Kolbens ist.

Die hintere Ringfläche des Kolbens ist ständig in Verbindung mit einer Druckkammer 20, welche über einen Anschluß 21 mit einer Quelle von unter Druck, z.B. in der Größenordnung von 100 Bar , stehender Flüssigkeit ist.

Die vordere Ringfläche 15 des Kolbens ist zu einer Kompressionskammer hin offen, welche ein Vielfaches des Volumens aufweist, das von der ringförmigen Kolbenfläche 15 Überstrichen wird. Die Kompressionskammer hat einen vorderen Teil 25, welcher die vordere Kolbenstange 14 umgibt, und einen hinteren Teil 26, welcher mit dem vorderen Teil Über Längsbohrungen 27 in Verbindung steht.

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Die Enden des Kolbens steuern Ringöffnungen im Zylinder. So steuert das hintere Ende des Kolbens eine Druck-Einlaßöffnung 30, welche die Kompressionskammer über die Längsbohrungen 27 großen Querschnitts mit der Druckkammer 20 und damit mitjdem Druckanschluß 21 verbinden. Das vordere Ende des Kolbens steuert eine Auslaßöffnung 31, welche über eine Kupplung 33 mit dem Tank In Verbindung steht, so daß ein Auslaß zur Kompressionskammer besteht.

Die hinter Fläche der hinteren Kolbenstange 16 ist dem Umgebungsdruck über einen kombinierten Schalldämpfer und mikroporösen Kunststoff!lter 32 ausgesetzt .

Die Wirkungsweise ist wie folgt! Ausgehend von der hintersten Stellung des Kolbens gemäß Fig. 2 ist die Auslaßöffnung 31, welche die Kompressionskammer 25, 26 und daher das vordere Ende 15 des Kolbens mit dem Tank verbindet, offen, während der Speisedruck auf die kleine hintere Kolbenfläche 17 des Kolbens geleitet wird und diesen vorwärtstreibt. An einem bestimmten Punkt des Vorwärtshubes des Kolbens schließt seine Vorderkante die Auslaßöffnung , so daß die Kompressionskammer abgeschlossen und die Flüssigkeit in ihr komprimiert wird und der Druck vom Auslaßdruck auf einen Zwischenwert ansteigt. Am Ende dieses Teils des Hubes, der als Kompressions-/ Expansionsweg bezeichnet werden kann, öffnet die Hinterkante des Kolbens die Druckeinlaßöffnung 30 gemäß Fig. 3 und läßt Speisedruck von dem Speiseanschluß 21 Über die Druckkammer 20 zur Kompressionskammer 25 , 26 strömen, so daß der Druck in der letzteren schnell auf den Speisedruck ansteigt. Von diesem Punkt an wirkt der weiteren Vorwärtsbewegung des Kolbens der auf die vordere Stirnfläche 15 des Kolbens rückwärts wirkende Speisedruck entgegen, wobei die vordere Fläche 15 größer als die hintere Fläche 17 ist, auf welche der Speisedruck ebenfalls wirkt. Nach einer kurzen Weiterbewegung unter diesen Bedingungen schlägt der Hammer auf das V/erkzeug und wird verzögert, während er seine Energie dem Werkzeug mitteilt.

Der Kolben beginnt dann seine Rückkehrbewegung unter Wirkung des auf die größere vordere Fläche 15 des Kolbens und die kleinere hintere Fläche 17 wirkenden Speisedivickes.

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Nach einem kurzen Rückwärtsweg schließt die Hinterkante des Kolbens die Druckeinlaßöffnung 30, so daß die Kompressionskammer wieder abgeschlossen wird und die Flüssigkeit in ihr von einem Speisedruck zu einem Zwischendruck expandiert.

An einem weiteren Punkt der Rückkehrbewegung öffnet die Vorderkante des Kolbens die Auslaßöffnung 31, so daß der Druck in der Kompressionskammer schnell auf den Auslaßdruck absinkt. Für den Rest der Rückkehrbewegung wirkt der Auslaßdruck auf die vordere Kolbenfläche 15 des Kolbens während der Speisedruck auf die hintere Fläche 17 wirkt und damit als Puffer zur Verzögerung des Kolbens wirkt. Wenn der Kolben seine hinterste Stellung erreicht, ist der Zyklus vollständig und wiederholt sich wie beschrieben.

Wie oben angegeben, ist der beschriebene Kolbenmotor bei einem drehenden Schlagbohrkopf anwendbar, und Fig. 1 zeigt den Motor in dieser Anwendung, wobeiider Schlagbohrkopf in Umrissen dargestellt ist. Der Bohrkopf hat einen hydraulischen Drehmotor 50, ein Untersetzungsgetriebe 51, welches ein mit Nuten versehenes Werkzeug 52 dreht, das die Schläge des Kolbens 10 erhält, und an seinem vorderen Ende eine Verbindung 53 zu einer Bohrstange. Diese Teile können von üblicher Bauart sein und brauchen hier nicht im einzelnen beschrieben zu werden.

Bei einer alternativen, nicht gezeigten Anordnung ist der Aufbau wie oben beschrieben, jedoch virtuell von Ende zu Ende umgekehrt, so daß der Schlag auf das Werkzeug am Ende des von dem Speisedruck,der auf die größere und die kleinere Kolbenfläche wirkt, erzeugten Hubes anstatt am Ende des Hubes stattfindet, der durch den Speisedruck unter Einwirkung auf die kleinere Kolbenfläche bei Wirken des Auslaßdruckes auf die größere Kolbenfläche erzeugt wird. Jede dieser Anordnungen hat ihre Vorteile; die zuerst beschriebene und in den Zeichnungen dargestellte Anordnung kann zu bequemeren Verbindungen der Zulauf- und Rücklaufschläuche führen, während die modifizierte Anordnung den Einbau eines vorderendigen Puffers erleichtem kann.

Die Anordnung wie sie in den Zeichnungen dargestellt ist, wobei der größere Teil der Kompressionskammer am rückwärtigen Ende angeordnet ist, hat die Vorteile, daß

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eine Kammer zweckmäßiger Größe (z.B. nicht weniger als das Hundertfache und typisch etwa das Hundertdreißigfache des von der kleineren Kolbenfläche überstrichenen Volumens ) bequem untergebracht werden kann, und ferner, daß alternative Druckkammern bei sonst der Norm entsprechenden Standardwerkzeugen eingesetzt werden können, z.B. um eine Änderung des Speisedruckes oder der Flüssigkeit zu ermöglichen.

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Claims

Ansprüche

1.) Hydraulischer Kolbenmotor mit Kolben und Zylinder, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kolbenfläche (15) dem Druck in einer Kompressionskammer (25,26) ausgesetzt ist, welche über vom Kolben (10) gesteuerte öffnungen (30,31) an seinem einen Hubendbereich einem Speisedruck und an seinem anderen Hubendbereich dem Auslaßdruck (bei 31) ausgesetzt ist, während zwischen diesen Hubendbereichen ein Kompressions-/Expansionsweg zurückgelegt wird, währenddessen die Kompressionskammer (25,26) abgeschlossen ist und die in ihr enthaltene Flüssigkeit alternativ über einen größeren Druckbereich expandiert und Über einen kleineren Druckbereich komprimiert wird.

2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (10) zwei entgegengesetzte Stirnflächen (15,17) aufweist, von denen eine (17) dem in einer ständig mit einer Quelle konstanten Druckes verbundenen Druckkammer(2u) .herrschenden Druck ausgesetzt ist, während die andere (15) mit der Kompressionskammer (25,26) kommuniziert.

3. Motor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck einer gemeinsamen Druckquelle der Druckkammer (20) und der Kompressionskammer (25,26) zugeführt wird.

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4. Motor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die der Kompressionskammer (25,26) ausgesetzte wirksame Kolbenfläche (15) größer als die der Druckkammer (20) ausgesetzte wirksame Kolbehfläche (17) ist.

5. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen der Kompressionskammer (25,26) etwa 2-mal gleich dem wirksamen Druck-Elastizitätsmodul (= Kehrwert der Kompressibilität) der hydraulischen Flüssigkeit multipliziert mit dem von der Kolbenfläche (15), welche dem Druck in der Kompressionskammer (25,26) ausgesetzt ist, verdrängten Volumen und dividiert durch den Speisedruck ist.

6. Motor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen der Kompressionskammer (25,26) nicht kleiner als etwa 100-maI das von der dem Druck darin ausgesetzten Kolbenfläche verdrängte Volumen ist.

7. Motor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

daß die Stellungen der Öffnungen (30,31) relativ zueinander derart sind,daß die Erhöhung des Druckes während der Kompression und der Druckabfall während der Expansion etwa gleich der halben Differenz zwischen Lieferdruck und Auslaßdruck sind.

8. Schlagwerkzeug mit einem Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (10) mit einem Hammer kombiniert ist.

9. Drehendes Schlagwerkzeug nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch einen Bohrkopf und Mittel zum DreSen des Bohrers, während der Hammer Schläge erzeugt.

10. Werkzeug nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Hammer am Ende des Hubes, während dessen der Kompressionsraum verkleinert wird, auf ein Werkzeug aufschlägt.

11. Werkzeug nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der .Hammer am Ende des Hubes, während dessen der Kompressionsraum expandiert, auf ein Werkzeug schlägt. 809815/0693

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