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Seismische Energiequelle
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Die Erfindung bezieht sich auf eine seismische Energiequelle für sprengstofflose,
geophysikalische messungen gemäß Oberbegriff des Anspruches 1.
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Fahrbare Energiequellen zur sprengstofflosen Impulserzeugung bei der
Ausführung seismischer messungen sind bereits bekannt. Außer Verfahren mit sehr
schweren Fallgewichten
haben sich vor allem vibrationsseismische
Verfahren durchgesetzt, bei welchen ein an einem Fahrzeug angeordneter Vibrator
beispielsweise über eine drahtlose Funkverbindung ein von einem meßwagen ausgesandtes
elektrisches Steuersignal erhält, das einen vorgegebenen Frequenzbereich durchläuft.
Dieses Signal wird in eine mechanische Bewegung des Vibrators umgewandelt und in
den Erdboden abgestrahlt. Die so erzeugten Schallwellen werden dann nach ihrer reflexion
an Schichtgrenzen mittels von im Gelände ausgelegten Geophonen und einer im ifleßwagen
befindlichen meßeinrichtung aufgenommen und ausgewertet.
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Diese Verfahren wurden inzwischen so weit entwickelt, daß in der-fZualität
der ffleßergebnisse praktisch keine Unterschiede mehr zwischen vibrationsseismischen
und sprengseismischen Messungen bestehen.
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Schwierigkeiten ergeben sich jedoch bei der Erkundung oberflächennaher
Verwitterungsschichten mit Hilfe von Refraktionswellen oder fleflexionswellen.
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Schwierigkeiten gibt es auch bei sprengseismischen Erkundungen, beispielsweise
in solchen Gebieten, wo wegen der Bebauung keine ausreichenden Schußmöglichkeiten
bestehen und wo schwere Fahrzeuge mit sprengstofflosen
Energiequellen
nicht eingesetzt werden dürfen oder zu unwirtschaftlich wären, weil mit diesen die
Verwitterungsschichten nicht erfaßt werden und so ohnehin eine Ergänzung dabei unvermeidlicher
Profillücken erforderlich ist.
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Der Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, eine leichte, schnell
und zuverlässig arbeitende, vielseitig einsetzbare sprengstoffiose seismische Energiequelle
zu schaffen, die bei möglichst einfacher Anwendung auch eine Ermittlung der oberen
Erdschichtungen ermöglicht und die gestattet, auch die Lücken zu erkunden, die bisher
z.S.
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mit Rücksicht auf Gebäude bei den herkömmlichen Reflexionsverfahren
in den Profilen gelassen werden mußten.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine seismische Energiequelle erfindungsgemäß
im wesentlichen mit den merkmalen des Anspruches 1 ausgeführt.
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In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen
der Erfindung angegeben.
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Nach dem Hauptmerkmal der Erfindung ist als impulserzeugende Erregervorrichtung
ein Hydraulikhammer mit Einzelschlageteuerung vorgesehen.
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Wie bei seismischen Untersuchungen üblich, kann auch bei der Erfindung
die iYieß- und Registriereinrichtung von der oder
den Energiequellen
getrennt in einem gesonderten meßwagen untergebracht sein, der mit der Einzelschlag-Steuereinrichtung
des erfindungsgemäß vorgesehenen auf- und absenkbar am Chassis eines geländegängigen
Fahrzeuges angebrachten Hydraulikhammers in Funkverbindung steht.
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In Arbeitsstellung wird der Hammer mit seiner Grundplatte auf den
Boden aufgesetzt, wobei die zusätzliche Belastung mit einem Teil der Fahrzeugmasse
für einen guten Bodenkontakt und eine für eine möglichst große Beschleunigung der
Hammermasse notwendige Gegenkraft sorgt. Die am Boden angebrachte Grundplatte ist
gegenüber dem Hammergehäuse beispielsweise durch Schwingmetalle oder andere Federelemente
entkoppelt, um zu vermeiden, daß am -Hamnergehäuse auftretende Störimpulse in den
Erdboden uieitergeleitet werden.
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Die Bodenplatte, die Entkopplungselemente, der Hydraulikhammer sowie
das Fahrzeug und eine ggf. zusätzlich vorgesehene Auflast werden sorgfältig aufeinander
abgestimmt, um bei maximaler Schlagenergi,e einen ausreichenden Stbrabstand zu gewährleisten.
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Ein von einem meßwagen gesendeter Auslösebefehl in Form eines Impuletelegrammes
wird in dem erfindungegemaß auegerüsteten Fahrzeug von einem Funkgerät empfangen
und an eine Auslöseschaltung weitergeleitet, die das Impulstelegramm zunächst überprüft
und bei passender Kennung einen Aualöseimpuls an die Einzelechlag-Steuereinrichtung
des in
seine Arbeitsstellung abgesenkten Hammers weiterleitet.
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In der abgesenkten Arbeitsstellung des Hammers wird der von einer
hydraulischen Druckquelle gelieferte Druck über eine im Hydraulikkreis des Hammers
liegende, magnetgesteuerte Steuerventilanordnung so zugeführt, daß die aus einem
Kolben bestehende Hammermasse in einem Zylinder des Hammergehäuses in eine angehobene
Bereitschaftsstellung gebracht und dort durch den hydraulischen Druck festgehalten
wird. Durch einen Auslöseimpuls wird nun der selbsttätig rückstellbare Steuermagnet
durch ein von der Steuereinrichtung geliefertes, zeitlich begrenztes Erregersignal
eingeschaltet und bewegt den Steuerschieber aus seiner Ausgangslage in eine Stellung,
in welcher der umgesteuerte, hydraulische Druck die Hammermasse explosionsartig
beschleunigt, die dann mit gröptmöglicher Schlagenergie auf einen am unteren Zylinderende
sitzenden, vorzugsweise aus einem an der Grundplatte befestigten Dorn bestehenden
Amboß auftritt.
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Die Zeitdauer des eingeschalteten Erregerstromes ist/so bemessern,
daß der Steuermagnet etwa im Zeitpunkt des Rückpralls der Hammermasse vom Amboß
wiede I bgsschaltet wird.
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Dadurch kehrt die magnetbetätigte Ventilanordnung wieder in ihr. Ausgangslage
zurück, in welcher der Hydraulikdruck die Hammermasse wieder in ihre Bereitscheftestellung
anhebt und dort solange festhält, bis durch ein neues Auslösesignal
ein
weiterer Schlag ausgelöst wird.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung enthält die Steuereinrichtung
eine einstellbare Zeitverzögerungsstufe, die eine Synchronisierung mehrerer Hammergeräte
zuläßt, die somit gleichzeitig oder ggf. zeitlich gestaffelt durch einen vom wagen
gesendeten Ruslösebefshl auslösbar sind.
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Das unverzögerte Auslösesignal wird bei dieser Ausführung der Erfindung
gleichzeitig einem in der Steuereinrichtung vorgesehenen Zähler als Startsignal
zugeführt. Ein aus einem Beschleunigungsaufnehmer bestehender Impulsgeber, der vorzugsweise
an der Grundplatte des Hammergerätes angeordnet ist, ist ebenfalls an den Zähler
angeschlossen und liefert einen den Zeit-Nullpunkt der messung festlegenden Impuls,
der das Stoppsignal für den Zähler bildet.
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Die so ermittelte, am Zähler angezeigte Zeitdifferenz zwischen dem
Einsatzpunkt de,s Auslösesignals bis zum Zeitpunkt des ausgelösten Schlagimpulses
ermöglicht dem Seßpersonal mit Hilfe der vorgesehenen Zeitverzögerungsglieder eine
einfache Abstimmung der Auslösezeitpunkte der Schläge mehrerer bei einer messung
eingesetzter Hammergeräte.
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Der durch den Schlag ausgelöste Impuls erzeugt in dem der Steuereinrichtung
vorgeschalteten Auslösegerät gleichzeitig
ein Impulstelegramm,
welches über die bestehende Funkverbindung zur ifleßeinrichtung im I8eßwagen gesendet
wird und den für die Auswertung benötigten Zeit-Nullpunkt der jeweiligen ifleßaufzeichnung
kennzeichnet.
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Die Auswertung der erfindungsgemäßen Einzelschlagmessung ist im Vergleich
zu vibrationsseismischen Messungen einfach, und die erzeugten Profile können auch
ohne die obenerwähnten Nachteile und Schwierigkeiten einfach und genau in Lücken
von Schußseiemikprofilen eingesetzt werden.
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Weitere Vorzüge und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen
sowie aus der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung, in welchen die Erfindung
anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles näher erläutert und dargestellt ist.
Es zeigen Fig. 1 eine erfindungsgemäße Energiequelle mit fahrbereitem Fahrzeug und
angehobenem Hydraulikhammer, Fig. 2 eine erfindungsgemäße Energiequelle in Arbeitsstellung
mit abgesetztem und mit einem Teil der Fahrzeugmasse belastetem Hydraulikhammer,
Fig. 3 eine vereinfachte Übersicht einer vollständigen rneßanordnung für seismische
Untersuchungen mit einer erfindungsgemäßen
Energiequelle und einem
damit in Funkverbindung stehenden rneßwagen, Fig. 4 ein vereinfachtes Blockschaltbild
der über Funk ansteuerbaren Auslöse- und Steuereinrichtung des erfindungsgemäß als
Erregervorrichtung vorgesehenen Hydraulikhammers mit Einzelschlagsteuerung.
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Fig. 5 eineechematisch vereinfachte Darstellung eines Hydraulikhammers
mit einer im Hydraulikkreis liegenden, durch einen Steuermagneten betätigbaren Steuerventilanordnung,und
Fig. 6 einen Impuleplan zur Veranschaulichung der Arbeitsweise der in Fig. 4 und
5 gezeigten Anordnung.
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Eine in Fig. 1 und 2 dargestellte erfindungsgemäße Energiequelle zeigt
al. impulserzeugende Erregervorrichtung einen an einem Fahrzeug 10 angeordneten
Hydraulikha.mer 12 mit Einzelechlagsteuerung auf. Der Hydraulikhammsr ist mittels
einer hydraulisch betätigbaren Hubvorrichtung 14 derart schwenkbar am Fahrzeugchassis
16 angelenkt gdaß er durch Umschaltung ci.. von einer Hydraulikquelle gelieferten
Druckes
wahlweise in die angehobene Stellung gemäß Fig. 1 oder in die abgesenkte Arbeitastellung
gem.
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Fig. 2 gebracht werden kann.
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Der Hydraulikhammer 12 weist eine über eine Anzahl von beispielsweise
vier oder sechs Entkopplungselementen 18 mit dem Hammergehäuse 20 verbundene Grundplatte
22 auf.
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Die Hubvorrichtung 14 weist im wesentlichen eine hydraulische Kolben-Zylinder-Einheit
24 auf, deren eines Ende 26 am Fahrzeugchausses 16 schwenkbar gelagert ist, während
das andere Ende bei 28 an einem 9uerstück angelenkt ist, welches zwei seitlich angeordnete
Arme 30 eines den Hydraulikhammer tragenden Schwenkrahmens verbindet.
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Die an gegenüberliegenden Fahrzeugseiten angeordneten abgewinkelten
Tragarme 30 sind an einem Ende bei 32 am Fahrzeugchauseis 16 und am anderen Ende
an seitlich vom Hammergehäuse vorstehenden Lagerzapfen 34 gelagert.
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Eine Führungsstange 36 ist mit ihrem einen Ende bei 38 ebenfalls schwenkbar
an einer querverbindung der seitlichsn Arme des Schwenkrahmens abgelenkt. Das freie
Ende der Führungestange 36 ist beim Auf- und Abschwenken des Hydraulikhammers in
einem oben am Hammergehäuse 20 vorgesehenen Auge verschiebbar und sorgt für eine
sichere
Führung der bei der Schwenkbewegung relativ zueinander
schwenkbaren Teile des hydraulisch betätigten Hubmechanismus.
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Fig. 3 zeigt in einer vereinfachten Übersichtsdarstellung eine vollständige
Untersuchungseinrichtung mit einem erfindungsgemäß an einem Fahrzeug 10 angeordneten
Hydraulikhammer 12 als Vorrichtung zur Erregung von Einzelschlägen.
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Diese Energiequelle steht in Funkverbindung mit einem meßwagen 50,
an dessen meß- und Aufzeichnungseinrichtung eine mit 52 angedeutete Anordnung am
Erdboden aufgestellter Geophone angeschlossen ist, welche die durch einen Schlag
des Hydraulikhammers 12 ausgelösten Reflexionssignale empfangen und an die meßeinrichtung
weiterleiten.
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Fig. 4 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild einer im Fahrzeug 10
untergebrachten Auslöse- und Steuereinrichtung zur Auslösung von Einzelschlägen
des am Fahrzeug angeordneten Hydraulikhammers 12.
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Die Steuereinrichtung enthält im wesentlichen einen Steuergenerator
60 mit einem eingangsseitigen Verzögerungsglied 62. Am Ausgang des Steuergenerators
ist ein selbsttätig rückstellbarer Steuermagnet 64 einer im Hydraulikkreis des Hammers
liegende Steuerventilanordnung angeschlossen, siehe auch Fig. 5* Den Betriebsdruck
des
Hydraulikhammers liefert eine über einen Druckanschluß 66 und
eine flückflußleitung 68 angeschlossene hydraulische Druckquelle 70.
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Die Einzelschlag-Steuereinrichtung weist außerdem einen über einen
Paralleleingang angesteuerten Zähler 72 auf, der außerdem mit einem an der Grundplatte
22 des Hydraulikhammers 12 angeordneten Beschleunigung-saufnehmer 74 verbunden ist.
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Für die Eingabe eines Auslösesignals sind als weitere Einheiten eine
Prüf- und Auslöseschaltung 76 und ein Funkgerät 78 vorgesehen. Die Prüf- und Auslöseschaltung
ist beispielsweise ein Gerät der auch bei sprengseismischen Untersuchungen zur funkgesteuerten
Schußauslöeung eingesetzten Bauart.
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Die schematisch vereinfachte Schnittdarstellung in Fig. 5 zeigt den
grundsätzlichen Aufbau eines erfindungegemäß vorgesehenen Hydraulikhammers mit einer
in seinem Hydraulikkreis liegenden, über einen Steuermagneten betätigbaren Steuerventilanordnung
zur Auslösung von Einzelschlägen.
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In dem bei der praktischen Ausführung aus mehreren Teilen zusammengesetzten
Hammergehäuse 12 ist eine als Kolben 80 ausgebildete Hammermasse durch den umsteuerbaren
hydraulischen Druck in einer Zylinderbohrung auf- und abbewegbar.
Die
Zylinderbohrung weist vorzugsweise einen oberen Abschnitt B2 geringeren Durchmessers
und einen demgegenüber stufenartig erweiterten unteren Abschnitt 84 auf.
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Der Kolben 82 ist mit ringförmigen oberen und unteren Ansätzen 86
und BB entsprechend unterschiedlichen Durchmessers in den zugehörigen Zylinderabechnitten
82 und 84 im wesentlichen druckdicht geführt.
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Ein fest mit der Grundplatte 22 verbundener Dorn steht durch eine
druckdichte Führungsbohrung 92 des Hammergehäuses als Amboß in das untere Zylinderende
vor. Die hier durch Federsymbole veranschaulichten Entkoppelungselemente 18 A und
18 B, mit welchen die Grundplatte 22 am Gehäuse 12 befestigt ist, lassen eine für
die gewünschte Entkopplung notwendige Ausgleichsbewegung zwischen dem Hammergehäuse
20 und dem Dorn 90 zu.
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Durch die vm Schaft des Hammerkolbens 80 vorspringenden ringförmigen
Ansätze 86 und 88 werden in der Zylinderbohrung 82 ein oberer Druckraum 96 und,
ein unterer Druckraum 98 sowie ein dazwischen liegender Ausgleichsraum 100 begrenzt.
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Der eigentliche Druckzylinder 82, 84 kann vorzugsweise durch obere
und untere Trennwändet102 und 104 begrenzt sein, die zur Verbesserung der Kolbenführung
konzentrische Bohrungen 106 bzw. 108 aufweisen, in welchen die Schaftenden des Hammerkolbens
80 druckdicht geführt sind.
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Diese Trennwände teilen am unteren und oberen Zylinderende leichter
zugängliche Einbauräume 110 für den Anschlag 94 und 112 für den Dorn 90 ab. Durch
die untere Trennwand 104 und den Einbauraum 112 wird außerdem eine verbesserte Abdichtung
gegen den Austritt von Hydraulikflüssigkeit srreicht.
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In dem über die Druckanschlußleitung 66 und die Rückflußleitung 68
mit der Hydraulikquelle 70 verbundenen Hydraulikkreis des Hammers ist in einer zylindrischen
Bohrung 114 des Hammergehäuses 20 geführter Steuerschieber 116 üblicher Bauart vorgesehen,
der für die Umsteuerung der Hydraulikflüssigkeit zwei ringförmige Ansätze 11ß und
120 aufweist.
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Der Steuerschieber 116 ist mit Hilfe des Steuermagneten 64 betätigbar,
der aus einem üblichen Hubmagneten mit einer an den Steuergenerator 60 in Fig. 4
angeschlossenen Erregerspule 122, einem in die Spule eintauchenden magnetstück 124
und einer Rückstellfeder 126 besteht. Das Magnetstück des am Hammergehäuses 20 befestigten
Hubmagneten 64 ist über eine Stange 128 mit dem Steuerschieber 116 verbunden.
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Der Hydraulikkreis des Hammers weist bei der dargestellten Ausführung
einen Kanal 130 auf, über welchen der obere Druckraum 96 des Hammerzylinders 82,
84 ständig mit der Druckleitung 66 verbunden ist, während ein Zweigkanal 132 von
der Druckleitung 66 zum Arbeitszylinder 114 des Ventilschiebers
116
verläuft. Zur Vermeidung eines stärkeren Druckabfalls während des Arbeitstaktes
ist der Druckanschluß 66 über einen weiteren Zweigkanal 134 ständig mit einem Hochdruckspeicher
136 verbunden.
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Die Rückflußleitung 68 ist über einen Kanal 140 ständig mit dem Ausgleichsraum
100 des Kammerzylinders 82, 84 und über einen Zweigkanal 142 mit einem Ausgleichsraum
144 für den Rückflußdruck verbunden.
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Eine Abzweigung 152 des Kanals 148 führt ebenfalls zum Zylinder 186
und ist durch den unteren Ringansatz 120 des Steuerschiebers 116 verschließbar.
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Schließlich ist der untere Druckraum 98 des tlammerzylinders 82, 84
über einen Verbindungsknal 154 ständig mit dem zwischen den Ringansätzen 118 und
120 liegenden Raum des Steuerschieber-Zylinders 114 verbunden.
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In der dargestellten Ausgangslage des magnetbetätigten Steuerschiebers
116 wird der hydraulische Druck vom Druckanschluß 66 in die obere und untere Druckkammer
96 und 98 des Hammerzylinders 82, 84 eingespeist. Die flückflußleitung 68 ist mit
dem Ausgleichsraum 100 des llammerzylinders und den AUsgleichsräumen 14U und 150
des Steuerschieber-Zylinders 114 verbunden, während der Zweigkanal 152 durch den
unteren Ringansatz 120 des Steuerschiebers 116 gesperrt ist.
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Da die mit Druck beaufschlagte Fläche des unteren Ringansatzes 88
des Hammerkolbens größer ist als die davon abgekehrte, ebenfalls mit Druck beaufschlagte
Schulterfläche des oberen Ringansatzes 86, wird die Hammermasse durch den eingeschalteten
hydraulischen Druck nach oben bewegt und in der dargestellten angehobenen Bereit
-schaftastellung gehalten, BeiiErregung des Hubmagneten 64 wird der Steuerschieber
116 vom Magnetstück 124 für eine durch die vorgebbare Länge des Steuerimpulses bestimmte
Zeitdauer nach unten gezogen.
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Dadurch wird die llochdrucklei tung 132 durch den oberen Ringabsatz
118 des Steuerschiebers 116 gesperrt, während die untere Druckkammer 98 des Hammerzylinders
82,84 durch Freigabe des Zweigkanals 152 mit der Rückflußleitung 68 und der Ausgleichskammer
144 verbunden wird.
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Der über die Leitung 130 zugeführte Druck beschleunigt jetzt den Hammerkolben
80 nach unten, so daß dieser mit maximal möglicher Energie auf den Dorn 90 aufschlägt.
Die Schlagenergie wird über die fest mit dem Dorn 90 verbundene Grundplatte 22 in
den Erdboden abgestrahlt.
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Bei Beendigung des Steuerimpulses wird die Erregung des Steuermagneten
64 abgeschaltet, und der Steuerschieber 116 wird durch die ückstellfeder 124 oder
ggf. hydraulisch wieder in seine dargestellte Ausgangslage zurückbewegt.
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Die Verbindung der unteren Druckkammer 98 mit der Niederdruckseite
wird dadurch unterbrochen, und die Kammer g8
wird wieder an die
Hochdruckseite angeschlossen. Der Kolben wird dadurch, wie bereits beschrieben,
wieder in seine durch den Anschlag 94 festgelegte obere Bereitschaftsstellung bewegt
und dort durch den llydraulikdruck festgehalten, bis durch ein neues Auslösesignal
ein weiterer Schlag ausgelöst wird.
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Der zeitliche Gesamtablauf der beschriebenen Auslösung eines Einzelschlages
wird durch den Impulaplan in Fig. 6 veranschaulicht.
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Ein als Auslösebefehl vom Seßwagen 50, sishe Fig. 3, gesendetes, aus
einem Impulstelegramm a bestehendes Kennwort wird, siehe Fig. 4, vom Funkgerat 78
empfangen und an das Auslösesystem 76 weitergeleitet, welches nach einer Identitätsprüfung
einen Ausläseimpuls b an die Steuereinrichtung 62, 60 liefert und gleichzeitig den
Zähler startet, Der Steuergenerator 60 erzeugt dann nach Ablauf der an der Verzögerungsstufe
beispielsweise zwischen 0 und 99 ms einstellbaren Verzögerung ein Steuerimpuls c
zur Erregung des Hubmagneten 64. Die Zeitdauer des Steuerimpulses c ist beispielsweise
zwischen 25 und 250 ms einstellbar.
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Das Ansprechen des Auslösemagneten wird durch die Kurve d angedeutet,
wobei die eigentliche Einschaltzeit mit d1 bezeichnet ist, während d2 und d3 die
Anzugs- bzw. Abfallzeit des magneten anzeigen.
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Die Einschaltung des Hubmagneten bewirkt die bereits beschriebene
Umsteuerung des hydraulischen Druckes, durch die ein mechanischer Schlagimpuls e
des Hydraulikhammers ausgelöst wird.
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Der Hammeraufschlag wird von dem an der Grundplatte 22 des Hydraulikhammers
angebrachten Geophon 74 aufgenommen, welches dann einen Impuls f gleichzeitig an
den Zähler 72 und an die Auslöseschaltung 76 liefert. Dieser Impuls stoppt den Zähler
72 der Steuereinrichtung des Hammers, der dann die Zeitdifferenz zwischen der Eingabe
des Auslösesignales b und dem dadurch ausgelösten Hammerschlag e in ms anzeigt.
Gleichzeitig wird durch den Impuls f in der Auslöseschaltung 76 ein Impulstelegramm
ausgelöst, welches über das Funkgerät 78 zum wagen 50 gesendet und dort von der
Meßeinrichtung als Zeitpunkt Null für die meßaufzeichnung registriert wird.
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A n s p r ü c h B