DE3113899C2 - Drehschlaghammer zur Niederbringung von Gesteinsbohrlöchern - Google Patents

Abstract

Einrichtung zum schneidenden Drehschlagbohren von Bohrlöchern mit einem hohlen Gehäuse (1) mit Meißel (2). Innerhalb des Gehäuses (1) ist ein Schlagorgan (8) mit Möglichkeit einer hin- und hergehenden Bewegung und der Zusammenwirkung mit dem Meißel (2) zur Übertragung von Schlagimpulsen auf diesen angeordnet. Das Schlagorgan (8) teilt den Arbeitsraum (6) des Gehäuses (1) in eine Hingangkammer (9) und eine Rückgangkammer (10), welche über im Gehäuse (1) ausgeführte Verteilungsmittel mit einer Quelle eines unter Druck stehenden Fluidums zur hin- und hergehenden Bewegung des Schlagorgans (8) wechselweise in Verbindung gesetzt werden. Es sind regelbare Drosselmittel vorhanden, die mit den Verteilungsmitteln einstellbar in zwei Endlagen ständig verbunden sind, in einer von denen sie die teilweise Zuführung des Fluidums zur hin- und hergehenden Bewegung des Schlagorgans (8) mit minimaler kinetischer Energie gewährleisten, in der zweiten Endlage aber vollständig überdeckt werden, indem sie die volle Zuführung des Fluidums in die Hingang- und die Rückgangkammer (9, 10) über die Verteilungsmittel zur Bewegung des Schlagorgans (8) mit maximaler kinetischer Energie gewährleisten. Es sind Steuermittel vorgesehen, die mit dem Meißel (2) und den regelbaren Drosselmitteln für die Einstellung derselben in die erste Lage beim Kontakt des Meißels (2) mit weichem Gestein und in die zweite Lage beim Kontakt des Meißels (2) mit festem Gestein in Verbindung stehen.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Drehschlaghammer zur Niederbringung von Gesteinsbohrlöchern, wie er insbesondere im Bergbau, vorwie- gend in Tagebauen, zum Bohren von Sprenglöchern verwendet wird, aber auch in der Geologie, im Bauwesen, in der Kommunalwirtschaft und in anderen Industriegebieten Anwendung findet, wo das Bohren von Bohrlöchern unter schwierigen Verhältnissen, insbesondere in Gesteinen veränderlicher Festigkeit, erforderlich ist.

Da ein Drehschlaghammer gewöhnlich nur für das Niederbringen von Bohrungen in Gesteinen einer bestimmten Festigkeit optimiert ist, ist das Bohren in Ge-

bo steinen mit schroff abwechselnden Schichten verschiedener Festigkeit problematisch, zumal die Schichten in unterschiedlicher Mächtigkeit und Festigkeit ohne bestimmte Gesetzmäßigkeit aufeinander folgen.

Die Erfindung geht aus von dem im Oberbegriff des

b5 Patentanspruchs 1 umrissenen Stand der Technik, der durch die DE-OS 30 27 393 oder 30 21 474 belegt ist. Diese Druckschriften zeigen Tieflochbohrhämmer, bei denen die Druckmittelzufuhr zum Schlagkolben beim

Anbohren von Hohlräumen, also wenn der Meißel in seine vorderst mögliche Endstellung durchfällt, gedrosselt wird Bei der in der letztgenannten Druckschrift beschriebenen Vorrichtung ist darüber hinaus eine Drossel im Druckmittelzufuhrweg vorgesehen, mittels der ein höherer Druck in der Vorwärtshub-Kamrr.er des Arbeitsraums aufrechterhalten werden kann, wenn der Schlagkolben seine vorderste tndstellung erreicht hat.

Während bei üiesen bekannten Ausbildungen? zwar die Gefahr von den Hammer unzulässig beanspruchenden Leerschlagen beseitigt ist. geschieht doch keine Anpassung der Schlagenergie an die Festigkeit des jeweils anstehenden Gesteins. Dies ist bei den eingangs erwähnten erschwerten Betriebsbedingungen als Nachteil anzusehen.

An sich ist aus der DE-AS 12 26 060 eine Gesteinsbohrvorrichtung bekannt, bei der die Schlagstärke des Kolbens mittels einer einstellbaren Drosseleinrichtung geregelt werden kann, jedoch geschieht dies auch hier nicht in automatischer Anpassung an die Festigkeit der anstehenden Gesteinsschichten.

Ausgehend von diesen Nachteilen der brannten Ausbildungen liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Drehschlaghammer zur Niederbringung von Gesteinsbohrlöchern in Gesteinen veränderlicher Festigkeit zu schaffen, bei dem das zugeführte Druckmittel in Abhängigkeit von der Festigkeit der zu bohrenden Gesteine umverteilt und die Schlagenergie des Schlagkolbens auf diese Weise automatisch an die jeweiligen Betriebsbedingungen angepaßt wird.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Durch diese erfindungsgemäße Ausbildung wird es möglich, die kinetische Energie des Schlagkolbens sich in Abhängigkeit von der Festigkeit der Gesteine automatisch einstellen zu lassen, so daß die Bohrlöcher in Gesteinen mit veränderlichem Festigkeitskoeffizienten im jeweils optimalen Betrieb niedergebracht werden.

Zweckmäßige Weiterbildungen dieses Erfindungsvorschlags sind in den Unteransprüchen angegeben.

Nachfolgend wird die Erfindung durch die Beschreibung eines Ausfühnmgsbeispiels an Hand der Zeichnungen weiter erläutert; es zeigt

Fig. ! einen Drehschlaghammer im Längsschnitt;

Fig. 2 den Schnitt nach Linie 11-11 der Fig. 1;

Fig. 3 den Schnitt nach Linie I1I-1II der Fig. 1;

F i g. 4 ein elastisches Element in Form einer zylindrischen Feder;

F i g. 5 den Schnitt nach Linie V-V der F i g. 4.

Der beispielsgemäße Drehschlaghammer zur Herstellung von Gesteinsbohrlöchern besitzt ein Gehäuse 1 mit einem an einer Stirnseite drehfest und längsverschiebbar befesiigten Meißel 2 zur Zerstörung von Gesteinen, wobei an der anderen Stirnseite ein Einsteckende 3 zum Verbinden mit einer Bohrstange 4 befestigt ist, mittels welcher eine axiale Andruckkraft und ein Drehmoment in den Drehschlaghammer eingeleitet werden.

Der Innenraum des Gehäuses 1 ist durch eine Trennwand 5 in einen Arbeitsraum 6 und einen Speiseraum 7 unterteilt. Dieser ist ständig mit einer Druckmittelquelle verbunden. Der Arbeitsraum 6 ist durch einen im Arbeitsraum 6 hin- und herbeweglichen Schlagkolben 8 in eine Vorwärtshubkammer 9 und eine Rückhubkammer 10 unterteilt. Am Ei(He jedes Vorwärtshubs trifft der Schlagkolben auf den Meißel 2 auf und überträgt Schlagimpulse auf diesen.

Im Körper des Schlagkolbens 8 ist ein Verteiiungsraum 11 und eine Verteilungseinrichtung vorgesehen: die letztere besteht aus einem Kanal 12, mittels desseii über den Speiseraum 7 die Rückhubkammer 10 mit der Druckmittelquelle verbindbar ist, sowie einem Kanal 13. mittels dessen über den Speiseraum 7 und den Verteilungsraum 11 die Vorwärtshubkammer 9 mit der Druckmittelquelle verbindbar ist.

Im Schlagkolben 8 ist eine Axialbohrung 14 ausgeführt, in die dichtend ein Stutzen 15 hineinragt, dessen

ίο eines Ende durch die Axialbohrung 16 in der Trenn wund 5 geführt ist und dessen anderes Ende dadurch mit der Atmosphäre ständig verbunden ist. daß im Schlagkolben 8 eine vom Vei teilungsraum 11 ausgehende axiale Entlüftungsbohrung (die eine Fortsetzung in einer im Meißel 2 ausgeführten Entlüftungsbohrung findet) ausgeführt ist und der Stutzen 15 die Verbindung mit der Schlagkolbenentlüftungsbohrung auch bei den Rückhüben des Schlagkolbens behält, wenn der Verteilungsraum 11 von der Atmosphäre dadurch getrennt wird.

daß sich das untere Ende des Stutzen? '5 auf oder in die Schiagkoibenentiuftungibuhrungiegi.

Zur Zuführung des Druckmittels aus dem Speiseraum 7 zu der Vorwärtshubkammer 9 und der Rückhubkammer 10 sind im Stutzen 15 Fenster 17 ausgeführt, die abwechselnd über den Kanal 12 mit der Rückhubkammer 10 und über den Verteilungsraum 11 und den Kanal 13 mit der Vorwärtshubkammer 9 in Verbindung kommen, so daß diese abwechselnd aus dem Speiseraum 7 druckbeaufschlagt werden.

JO Zur Anpassung der Schlagfrequenz bzw. der kinematischen Energie des Schlagkolbens an die jeweiligen Gegebenheiten, und zwar ;;ur Einstellung dieser Betriebsparameter von einem minimalen bis zu einem maximalen Wert ist eine Umverteilung des Druckmittels zwi-

J5 sehen dem Arbeitsraum 6 und der Atmosphäre vorgesehen. Dies kann durch verschiedene regelbare Drosseleinrichtungen zustande gebracht werden, die an einer beliebigen Stelle angeordnet sein können und ck:ren Steuerung ebenfalls auf verschiedene Weise erfolgen kann.

Irr. betrachteten beispielsgemäßen Drehschlaghammer gehört zur regelbaren Drosseleinrichtung der Stutzen 15 und besteht aus einem relativ zum Stutzen 15 beweglichen Schieberelement 18. das zusammen mit dem Stutzen 15 eine Drosselöffnung bildet, deren Größe sich in Abhängigkeit von der Größe der relativen Verschiebung des Schieberelementes 18 ändert.

Das Schieberelement 18. auf dessen Außenfläche Kanäle 19 ausgeführt sind, die zum Speiseraum 7 hin geschlossen sind und zusammen mit dem Stutzen die eigentliche Drosselöffnung bilden, kann sich in bezug auf den Stutzen 15 zwischen zwei Endlagen verschieben, in deren "iner der Speiserauin 7 ständig mit der Atmosphäre in Verbindung steht und in deren anderer der Kanal 19 vollständig durch das Schiebertlement 18 überdeckt ist, so daß das Druckmittel vollständig die Vorwärtshubkammer 9 und die Rückhubkammer 10 des Schlagkolbens 8 beaufschlagt.

Die Steuerung der Drosseleinrichtung kann auf verschiedene Weise erfolgen, beispielsweise durch mechanische, elektrische oder magnetische Betätigung.

Bei mechanischer Betätigung hat die Steuereinrichtung ein Fühlelement, das ein mechanisches elastisches Element oder auch ein elektrischer, magnetischer oder

b5 ähnlicher Geber sein kann.

Zur Durchführung eines optimalen Bohrbetriehs beim Bohren von Gesteinen mit wechselnder Festigkeit soll die Steuerung die kinetische Energie des Schlagkol-

bens in Abhängigkeit von der Festigkeil der zu bohrenden Gesteine ändern und anpassen.

In der betrachteten Ausführung des Drehschlaghammers wird die kinetische Energie des .Schlagkolbens durch Änderung der Zufuhr des Druckmittels in den Arbeitsraum 6 verändert. Dies geschieht durch Abzweigung eines Teils des Druckmittels und Entlassung desselben in die Atmosphäre ohne Arbeitsleistung. Dieser Teil gelangt nicht in den Arbeitsraum 6. sondern verläßt das Schlagwerk über die Drosseleiririchiung 15/18, deren Drosselöffnung sich in Abhängigkeit von der Festigkeit der anstehenden Gesteine automatisch einstellt, und zwar durch entsprechende Einstellung der Längsabmessung eines elastischen Elements, das auf die Drosselcinrichtung einwirkt.

Durch entsprechende Einstellung des Schieberelementes 18 zwischen zwei Endlagen kommt es zu einer angepaßten Drosselung der nicht arbeitsleistend entlassenen Druckmittelmenge. In der einen Endlage wird dem Arbeitsraum 6 nur so viel Druckmittel zugeführt, daß eine hin- und hergehende Bewegung des Schlagkolbens 8 zustande kommt, aber keine Schlagimpulse auf den Meißel 2 ausgeführt werden. In der anderen Endlage wird die Entlassung von Druckmittel über die regelbare Dros.scleinrichtung abgesperrt, wodurch der Arbeitsraum 6. d. h. abwechselnd die Vorwärtshubkammer 9 und die Rückhubkammer 10 voll beaufschlagt werden und die hin- und hergehende Bewegung des Schlagkolbens 8 mit maximaler kinetischer Energie stattfindet.

Als elastisches Eminent können verschiedenartige Federn, beispielsweise gewendelte Federn, räumliche Federn. Tellerfedern usw. verwendet werden, aber auch gummielastische Elemente aus Kautschukprodukten oder synthetischen Werkstoffen.

Im beispielsgemäßen Drehschlaghammer ist das elastische Element 20 im Speiseraum 7 angeordnet und von außen durch eine Hüise 2i geschützt, die zur installation der Steuereinrichtung im Gehäuse 1 dient. Die Hülse 21 ist in das Gehäuse 1 eingeschraubt und klemmt mit ihrer vorderen Stirnseite die auf einem Gehäuseabsatz aufliegende Trennwand 5 fest. Im hinteren Ende der Hülse 21 ist ein Einsteckende 3 drehfest aber begrenzt längsverschieblich gelagert.

Das Einsteckende 3 ist an der inneren Stirnseite mit dem elastischen Element 20 über eine Einstellmutter 22 und eine Sicherungsscheibe 23 verbunden, die mitteis einer Stange 24 mit dem Schieberelement 18 in Verbindung stehen. Die Einstellmutter 22 gestattet eine Voreinstellung der Größe der Drosselöffnung der Drosselverläuft wie folgt:

In der Alisgangslage gemäß F i g. I wird von der Bohrstange 4 keine Axialkraft auf das Einsteckende 3 übertragen und der Speiseraum 7 steht über die offene ^r> Drosseleinrichtung 15/18 mit der Atmosphäre in Verbindung. Das Druckmittel strömt aus dem Speiseraum 7 in die Atmosphäre aus.

Wenn der Meißel 2 von der Bohrstange 4 her auf das anstehende Gestein gedrückt wird, wirken axiale

ίο Druckkräfte, die vom Gehäuse 1 und die Hülse 21 auf das elastische Element 20 übertragen werden, so daß dieses sich zusammendrückt und es zu einer Relativverschiebung der Einstellmiitter 22 mit der Sicherungsscheibe 23 bezüglich der Innenfläche der Hülse 21

ij kommt. Dadurch verstellt die mit der Einstellmutter 22 verbundene Stange 24 das Schieberelement 18 innerhalb des Stutzens 15 nach unten bzw. zum Meißel 2 hin. so daß die Drosselöffnung der Drosseleinrichtung 15/18 sich verkleinert.

m Das Druckmittel wird in Abhängigkeit von der Größe der Drosselöffnung umverteilt, indem jetzt nur noch ein Teil ohne Arbeitsleistung in die Atmosphäre entweicht und der andere Teil in den Arbeitsraum 6 gelangt.

Bei vollständig geschlossener Drosselöffnung der

>^r> Drosseleinrichtung strömt das Druckmittel vollständig durch die Fenster 17 im Stutzen 15 zur Arbeitsleistung. Es gelangt zunächst über den Kanal 12 in die Rückhubkammer JO des Schlagkolbens 8, nämlich wenn sich dieser in der unteren Endlage befindet und den Meißel 2

jo berührt, und treibt den Schlagkolben 8 unter Erhöhung des Drucks in der Rückhubkammer 10 nach oben in Richtung zur Trennwand 5. Die Bewegung des Schlagkolbens 8 dauert an, bis die Fenster 17 in den Verteilungsraum 11 eintreten.

Während dieses Rückhubs ist die Vorwärtshubkammer 9 über den Kanal 13 und den Verteilungsraum 11 ständig mit der Atmosphäre verbunden, uiiu zwar bis zum Eintritt der Fenster 17 in den Verteilungsraum 11. In dieser Stellung legt sich der Boden des Verteilungsraums 11 gegen das untere Stirnende des Stutzens 15, so daß die nach unten wegführende Entlüftungsbohrung im Schlagkolben überdeckt und der Verteilungsraum 11 von der Atmosphäre getrennt wird. Dadurch wird auch die Verbindung der Vorwärtshubkammer 9 mit der Atmosphäre unterbrochen.

Jetzt gelangt das Druckmittel über den Verteilungsraum U und den Kanal 13 in die Vorwärtshubkammer 9. Der in dieser auf den Maximalwert ansteigende Druck beschleunigt den Schlagkolben 8 in umgekehrter Rich-

einrichtung 15/18. und die Sicherungsscheibe 23 gestat- so tung nach unten, bis dieser mit maximaler kinei^:"eher tet eine ständige Fixierung dieser Voreinstellung. Die Energie in seiner Endlage auf den Meißel 2 auftrifft und Lage der Einstellmutter 22 gegenüber der Sicherungs- diesem einen Schlag zur Bohrsohle hin versetzt. Des scheibe 23 wird durch einen Stift 25 fixiert. weiteren wiederholt sich der Vorgang wie beschrieben.

Das elastische Element 20 selbst ist ein Zylinder, in Bei einer Veränderung der Festigkeit des anstehendessen Körper über die gesamte Länge desselben ge- 55 den Gesteins ändert sich die von der Bohrstange 4 her genläufige Quernuten 26 eingearbeitet sind. Diese sind wirkende Andrückkraft und damit auch die Kraftbeaufschlagung des elastischen Elements 20. Dadurch wiederum ändert sich dessen Längsabmessung und damit die Drosselöffnung der Drosseleinrichtung 15/18. Auf diese

Zylinder gleichsam ein Paket von flachen Ringen dar- 60 Weise kommt es zu einer automatischen Anpassung der stellt, die mittels diametral gelegener Stege miteinander kinetischen Energie des Schlagkoibens 8 bei dessen verbunden sind. Ein solcher Federzylinder hat bei geringen Außenabmessungen eine große Federelastizität
und erlaubt große Veränderungen der Längsabmessung
zur Steuerung der Drosseieinrichtung. Auch ist er wi- 65
derstandsfähig gegen hohe statische und dynamische
Belastungen.
Der Betrieb des beschriebenen Drehschlaghammers

abwechselnd entlang der Längsachse in zueinander senkrechten Ebenen ausgeführt

Die Nuten 26 haben eine soiehe Abmessung, daß der Schlagbewegungen an die Festigkeil: der gebohrten Gesteine.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Drehschlaghammer zur Niederbringung von Gesteinsbohrlöchern,

mit einem Gehäuse (1), an dessen einem Ende drehfest und längsverschiebbar ein Bohrmeißel (2) befestigt und innerhalb dessen eine Trennwand (5) angeordnet ist. die den Innenraum des Gehäuses in einen meißelseitigen Arbeitsraum (6) und einen meißelabseitigen Speiseraum (7) unterteilt, der mit einer Druckmittel-Quelle und über eine Axialbohrung (16) in der Trennwand mit dem Arbeitsraum verbunden ist,

mit einem im Arbeitsraum hin- und herbeweglichen Schlagkolben (8), der den Arbeitsraum in eine Vorwärtshubkammer (9) und eine Rückhubkammer (10) teilt, die wechselweise über im Schlagkolben ausgebildete Druckmittelverteilungs-Einrichtungen und den Speiser jum mit der Druckmittel-Quelle verbindbar sind.

und mit Einrichtungen, durch welche die Zuführung des Druckmittels zum Arbeitsraum in bestimmten axialen Relativstellungen zwischen Meißel und Gehäuse drosselbar ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Zuführung des Druckmittels in den Arbeitsraum (6) von einer Drosseleinrichtung aus einem in der Axialbohrurig (16) der Trennwand (5) gehalterten, den Schlagkolben (8) führenden, mit einer Axialbohrung und rnit Radialbohrungen versehenen Stutzen (!5) und einem in der Axialbohrung des Stutzens geführten, gegenüber dem Stutzen (15) und den Einrichtungen (11,12, 13) zur Yertei'ung des Druckmittels in die Vorwärtshub- und Rücrihubkammer (9,10) axial verschieblichen, einstellbaren Schieberelement (IS)gesteuert ist,

in dessen einer Endlage der Speiseraum (7) mit der Atmosphäre verbunden und das Druckmittel nur teilweise dem Arbeitsraum (6) zuführbar ist sowie der Schlagkolben (8) nur mit minimaler kinetischer Energie arbeitet

und in dessen anderer Endlage der Ableitungsweg für das Druckmittel in die Atmosphäre vollständig verschlossen und das Druckmittel ungedrosselt der Vorwijrtshub- und der Rückhubkammer (9, 10) zuführbar ist sowie der Schlagkolben (8) mit maximaler kinetischer Energie arbeitet,

wobei die Einrichtung (20) zur Steuerung der Druckmittel-Zuführung in den Arbeitsraum (6) derart mit dem Meißel (2) und der Drosseleinrichtung (15, 18) verbunden ist, daß in Angleichung an den vom anstehenden Gestein auf den Meißel (2) ausgeübten Gegendruck beim Kontakt des Meißels (2) mit weichem Gestein der Schlagkolben (8) mit der minimalen kinetischen Energie und beim Kontakt mit Festgestein mit der maximalen kinetischen Energie arbeitet.

2. Drehschlaghammer nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß im Schlagkolben (8) ein Verteilungsraum (11) ausgebildet ist, der mit der Vorwärtshubkammer (9) und der Drosseleinrichtung (15, 18) eine Druckmittel-Verbindung aufweist, die in der ersten Endlage des Schieberelements (18) den Speiseraum (7) mit der Atmosphäre ständig verbindet und in dessen zweiter Endlage vollständig verschlossen ist.

3. Drehschlaghammer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die im Schlagkolben (8) ausgebildeten Druckmittelverteilungseinrichtungen Kanäle (13, 12) sind, die den Verteilungsraum (11) mit der Vorwärtshubkammer (9) und die Rückhubkammer (10) mit dem Speiseraum (7) verbinden, wobei im Schlagkolben (8) zusätzlich eine Axialbohrung (14) vorgesehen ist, in die die Kanäle (12) münden, welche die Rückhubkammer (10) mit dem Speiseraum (7) in Verbindung setzen, daß der Stutzen (15) mit seinem einen Ende in der Axia!bohrung\16) der

ίο Trennwand (5) angeordnet ist und mit seinem anderen Ende in den Verteilungsraum (11) durch die Axialbohrung (14) des Schlagkolbens (8) unter Abdichtung hineinragt, daß im Stutzen (15) Fenster (17) ausgebildet sind, die zur über die Kanäle (12) des Schlagkolbens (8) erfolgenden wechselweisen Verbindung der Rückhubkammer (10) mit der Druckmittelquelle während der hin- und hergehenden Bewegung des Schlagkolbens (8) bestimmt sind.

4. Drehschlaghammer nach Anspruch 3, dadurch

gekennzeichnet, daß die gesteuerte Öffnung der Drcsseleinrichtung (15, 18) von Kanälen (!9) gebildet ist. die auf der Außenfläche des Schieberelementes (18) ausgeführt und auf Seite des Speiseraumes (7) geschlossen sind.

5. Drehschlaghammer nach einem der Ansprüche 1 —4. dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Steuertag der Druckmittelzufuhr in den Arbeitsraum (6) in Form eines elastischen Elements (20) ausgebildet ist, welches mit dem Schieberele-

jo ment (18) zu dessen Steuerung in Abhängigkeit von der Längenänderung des elastischen Elements (20) verbunden ist.

6. Drehschlaghammer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Element (20) im

j5 Speiseraum (7) angeordnet und mit dem Schieberelement (18) mittels einer durch den Stutzen (15) verlaufenden Stange (24) verbunden ist.

7. Drehschlaghammer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Element (20) als Zylinder ausgebildet ist, in dessen Körper über die gesamte Länge gegenläufige Quernuten (26) eingearbeitet sind.