DE3233506C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schlagmaschine, wie sie zum Eintreiben von Pfählen, Rohren und dergl. ins Erdreich verwendet wird. Weitere Anwendungsgebiete sind das Niederbringen von Bohrungen in verdichtbaren Böden oder das Verdichten der Böden selbst, die Zer­ trümmerung verschiedener Materialien oder die Verwen­ dung als Handschlagmaschine, Ramme oder Vibrator.

Die Erfindung geht aus von einer Schlagmaschine der im Oberbegriff des Anspruchs 1 vorausgesetzten Bauart. Eine solche Maschine ist aus der DE-AS 11 32 067 be­ kannt.

Ein Vorteil von Maschinen dieser Art ist die Möglich­ keit der Verwendung im Erdreich oder unter Wasser, weil aus dem Schlagwerk keine Luft auspufft, und die­ ses nur mittels der über den Schlauch eingeleiteten Druckwechsel betrieben wird.

Nachteilig ist bei der bekannten Maschine jedoch, daß keine Möglichkeit der Umsteuerung der Richtung der durch die Schläge erzeugten Bewegung gegeben ist. Die bekannte Maschine ist eine Ramme zur Entnahme von Ge­ birgsproben, z. B. bei Baugrunduntersuchungen, und das Schlagwerk muß bei Bedarf mechanisch, z. B. mittels eines Seils, zurückgeholt werden. Soweit in der ge­ nannten Druckschrift Ausbildungen mit Umsteuermög­ lichkeit gezeigt sind, handelt es sich um solche, die eine Druckversorgung beider Kammern des Schlagwerkge­ häuses über je einen Schlauch benötigen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Weiterbil­ dung der Schlagmaschine der gattungsgemäßen Art in der Weise, daß mit geringstmöglichem konstruktivem Aufwand eine Umsteuerungsmöglichkeit der Schlagrich­ tung geschaffen wird.

Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale. Bei dieser erfindungsgemäßen Ausbildung wird nur durch die Zuschaltung des Volumens des Gas­ aufnahmegefäßes zum Volumen der Arbeitskammer des Gas­ druckpulsators eine Verlagerung der mittleren Schlag­ kolbenposition, um die herum dieser seine Schläge aus­ führt, nach hinten erreicht, so daß dieser gegen die rückwärtige Wand des Schlagwerkgehäuses schlägt und dieses seine Bewegungsrichtung ändert. Die Konstruk­ tion bleibt einfach und behält alle ihre eigenen Vor­ teile, insbesondere die Speisung des rundum geschlos­ senen Schlagwerks durch nur einen Schlauch und der Wegfall von Luftauspufföffnungen.

Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben, wobei diese dazu dienen, zur Erhöhung der spezifischen, d. h. auf das Maschi­ nengewicht bzw. das Maschinenvolumen bezogenen Lei­ stung das Druckniveau in Schlagwerk und Gasdruckpul­ sator erhöhen zu können.

Die Erfindung wird nachfolgend durch die Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen weiter erläutert. Es zeigt

Fig. 1 schematisch eine Schlagmaschine entsprechend der Erfindung;

Fig. 2 eine erste Ausführungsvariante einer Zusatz­ ausbildung zur Erhöhung des Druckniveaus;

Fig. 3 eine zweite Ausführungsvariante einer Zusatz­ ausbildung zur Erhöhung des Druckniveaus.

Die Schlagmaschine besteht aus einem Schlagwerk 1 und einem Gasdruckpulsator 2. Das Schlagwerk 1 hat ein hohles zylindrisches Gehäuse 3, in dem sich ein Schlagkolben 5 hin- und herbewegen kann, welcher den Innenraum des Gehäuses in eine vordere Kammer 6 und eine hintere Kammer 7 veränderlichen Volumens unter­ teilt. Die Kammern 6, 7 stehen ständig über einen Drosselkanal 8 miteinander in Verbindung, der in Form eines Spalts zwischen dem Schlagkolben 5 und dem Ge­ häuse 3 ausgeführt ist.

Der Gasdruckpulsator 2 hat in der betrachteten Aus­ führungsvariante ein hohles zylindrisches Gehäuse 9 in dem ein Verdrängerkolben 10 hin- und hergehende Bewegungen ausführen kann, und der zusammen mit dem Gehäuse eine geschlossene Arbeitskammer 11 veränder­ lichen Volumens bildet.

In der Seitenwand des Gehäuses 9 befindet sich eine Druckausgleichsbohrung 12, durch die das gasförmige Betriebsmedium zum Ausgleich von Leckverlusten nach­ gesaugt wird. Je nach der Lage des Verdrängerkolbens ist die Bohrung 12 entweder zur umgebenden Atmosphäre offen oder durch die Seitenflächen des Verdrängerkol­ bens 10 geschlossen.

Die Arbeitskammer 11 steht ständig mit der hinteren Kammer 7 des Schlagwerks über einen biegsamen Schlauch 13 in Verbindung.

Der Verdrängerkolben 10 wird von einem Elektromotor, Verbrennungsmotor, Zapfwelle oder anderen geeigneten Antrieb über einen Kurbelmechanismus, Koppelschleife, Kurvengetriebe oder dergl. angetrieben.

Es sei erwähnt, daß das Gehäuse 9 des Pulsators 2 und der Verdrängerkolben 10 nicht unbedingt zylin­ drisch sein müssen. Der Querschnitt des Gehäuses 9 und des Kolbens kann z. B. quadratisch oder von anderer Form sein. Auch kann der Druckpulsator 2 z. B. in Form eines linearen Elektromotors ausgeführt sein, wobei der Anker den Verdrängerkolben darstellt und seine Hin- und Herbewegung im Innern des hohlen Sta­ tors des Motors ausführt, der an der Stelle des Ge­ häuses 9 tritt.

Der die Kammern 6 und 7 des Schlagwerks verbindende Drosselkanal 8 kann im Körper des Schlagkolbens 5 oder im Körper des Gehäuses 3 ausgeführt sein. Das Funktionsprinzip der Maschine ändert sich dadurch nicht.

Zum Gasdruckpulsator 2 gehört ein mit dessen Arbeits­ kammer 11 über eine Absperreinrichtung 15 verbindba­ res Gasaufnahmegefäß 14 in Form einer geschlossenen Kammer, deren Volumen mit dem Volumen der Arbeitskam­ mer 11 des Pulsators 2 vergleichbar ist. Die Absperr­ einrichtung 15 kann in Form eines Ventils, Kükenhahns, Schiebers oder dergl. ausgeführt werden.

Im normalen Vorwärtsschlagbetrieb ist die Absperrein­ richtung 15 geschlossen. Der Antrieb des Gasdruck­ pulsators 2 ist eingeschaltet und dessen Verdränger­ kolben 10 führt eine nach einem periodischen Gesetz ablaufende hin- und hergehende Zwangsbewegung aus. Dabei verändert sich der Luftdruck in der Arbeitskam­ mer 11 und folglich auch in der ständig mit ihr durch den Schlauch 13 in Verbindung stehenden hinteren Kam­ mer 7 des Schlagwerks ebenfalls nach einem periodi­ schen Gesetz, und zwar mit der gleichen Periode, mit der sich der Verdrängerkolben 10 bewegt.

Weil die Kammern 6 und 7 des Schlagwerks über den Drosselkanal 8 miteinander verbunden sind, ist der Druck in diesen Kammern nicht gleich. Unter Einwir­ kung des sich periodisch ändernden Druckunterschieds in den Kammern 6 und 7 des Schlagwerks führt der Schlagkolben 5 eine periodische Hin- und Herbewegung aus, wobei der auf die vordere Wand des Gehäuses 3 Schläge ausführt. Das beim Betrieb der Maschine un­ vermeidliche Entweichen von Luft aus der Arbeitskam­ mer 11 des Pulsators wird automatisch durch die Zufuhr neuer Luft durch die Bohrung 12 im Gehäuse 9 des Pul­ sators kompensiert.

Die wichtigsten konstruktiven Parameter, von denen die Betriebskennwerte der Maschine abhängen, sind

• - Masse und Querschnittsfläche des Schlagkolbens;
• - Fläche des Durchlaßquerschnitts des Drosselkanals 8, der die Kammern 6 und 7 des Schlagwerks verbindet;
• - Volumen der Kammern 6 und 7 in den Endstellungen des Schlagkolbens 5;
• - Länge und Durchlaßquerschnitt des Innenkanals des Schlauchs 13;
• - wirksame Fläche des Verdrängerkolbens 10;
• - Amplitude und Frequenz der Bewegung des Verdränger­ kolbens 10;
• - Lage der Druckausgleichsbohrung 12 in der Seiten­ wand des Gehäuses 8 des Pulsators;
• - mittlerer Druck des gasförmigen Mediums in der Ar­ beitskammer 11 des Pulsators.

Bei richtiger Auswahl der aufgezählten Parameter ist der mittlere Druck in der vorderen Kammer 6 des Schlag­ werks und auch in der hinteren Kammer 7 wesentlich höher als der Druck des umgebenden Mediums. Dabei übersteigt das Druckgefälle zwischen diesen Kammern ebenfalls wesentlich (um ein Mehrfaches) den Druck des umgebenden Mediums sowohl beim Arbeitsgang, als auch beim Leerlauf des Schlagkolbens 5.

Der Betrieb einer Maschine, deren Pulsator nicht zy­ lindrisch ist oder auf oben beschriebene Art die Form eines linearen Elektromotors hat, verläuft nach dem gleichen Prinzip.

Im beschriebenen Betrieb geschieht kein Auspuff des verbrauchten gasförmigen Mediums in die Atmosphäre. Das in der Maschine eingeschlossene gasförmige Medium dient ständig als Energieüberträger, wobei nur die möglichen unbedeutenden Verluste dieses Mediums in die Atmosphäre kompensiert werden. Damit ist der Be­ trieb der Maschine unabhängig von den Umweltbedingun­ gen. Die Maschine kann in verschiedenen Medien einge­ setzt werden, z. B. unter Wasser, in schüttbaren Me­ dien usw. Durch den Wegfall des Auspuffs verringert sich auch die Lärmentwicklung beim Betrieb der Maschine.

Unter Einwirkung der Schläge dringt das Gehäuse 3 des Schlagwerks in das Erdreich ein und hinterläßt einen Kanal mit verdichteten Wänden.

Die Umsteuerung der Bewegungsrichtung wird vorgenom­ men, wenn es notwendig ist, das Schlagwerk 1 sich zu­ rück bewegen zu lassen. Hierzu wird durch Öffnen der Absperreinrichtung 15 das Gasaufnahmegefäß 14 mit der Arbeitskammer 11 des Pulsators verbunden. Dies än­ dert einen der wichtigsten Parameter des Pulsators, nämlich das Volumen seiner Arbeitskammer. Dadurch schlägt der Schlagkolben 5 bei seiner Hin- und Her­ bewegung auf die hintere Wand des Gehäuses 3, also in Rückwärtsrichtung. Unter der Einwirkung dieser Schläge bewegt sich das Schlagwerk 1 zurück durch den bereits fertigen Kanal.

Die Leistungsdaten der Maschinen erhöhen sich bei ei­ ner Anhebung des Druckniveaus des Arbeitsmediums. Hierzu hat die in Fig. 2 abgebildete Maschine eine Quelle 16 erhöhten Drucks, die an die Druckausgleichs­ bohrung 12 im Gehäuse 9 angeschlossen ist. Die Maschine hat eine Pumpvorrichtung 17, um den erhöhten Druck der Quelle 16 konstant zu halten. Die Pumpvorrichtung 17 besitzt einen unbeweglich mit dem Gehäuse 9 des Pul­ sators verbundenen Zylinder 18, in dem ein Pumpkolben 19 zusammen mit dem Verdrängerkolben 10 des Pulsators eine hin- und hergehende Zwangsbewegung ausführt. Die im Zylinder 18 gebildete Arbeitskammer 20 der Pump­ vorrichtung 17 ist über ein am Ausgang der Kammer 20 angeordnetes Rückschlagventil 21 und einen Kanal 22 mit der Druckquelle 16 verbunden. Das Rückschlagventil 21 läßt die Luft nur in die Quelle 16 einströmen und ver­ hindert einen Luftstrom in entgegengesetzter Richtung.

In der Seitenwand des Pumpzylinders 18 befindet sich eine Bohrung 23, durch die in der hinteren Lage des Pumpkolbens 19 Luft nachgesaugt wird.

Eine andere Besonderheit der in Fig. 2 abgebildeten Maschine ist die hinter dem Verdrängerkolben 10 gele­ gene und dessen Rückenfläche beaufschlagende Ent­ lastungskammer 24, welche über eine Leitung 25 eben­ falls an die Quelle 16 erhöhten Drucks angeschlossen ist. Der Druck in der Entlastungskammer 24 entlastet die Antriebskinematik des Verdrängerkolbens 10, wel­ che an der Stange 26 angreift.

Die Beschreibung der Pumpvorrichtung ist hier als Bei­ spiel angegeben. Natürlich kann die Pumpvorrichtung auch anders ausgeführt werden, z. B. in Form eines kleinen Kompressors mit autonomem Antrieb oder einer mit einem Druckminderer versehenen Preßluftflasche.

Im Betrieb dieser Maschine bewegt sich der Pumpkol­ ben 19 der Pumpvorrichtung zusammen mit dem Verdrän­ gerkolben 10 hin und her. Beim Vorwärtsgang wird die in der Kammer 20 befindliche Luft zusammengedrückt, bis der Überdruck in der Kammer 20 das Rückschlagven­ til 21 öffnet und die komprimierte Luft durch den Ka­ nal 22 in die Druckquelle 16 drückt. Bei der rückläu­ figen Bewegung des Pumpkolbens 19 verhindert das Rück­ schlagventil 21 ein Rückströmen der Luft, so daß in der Kammer 20 ein Vakuum entsteht. Schließlich gibt der Pumpkolben 19 die Bohrung 23 frei, so daß eine frische Portion Luft aus der Atmosphäre in die Kammer 20 nachgesaugt wird. Beim neuerlichen Vorwärtshub wiederholt sich der beschriebene Funktionszyklus. Die Druckquelle 16 wird auf einen bestimmten Überdruck relativ zum Druck der Außenatmosphäre aufgeladen. So­ bald der Druck in der Quelle diesen Wert erreicht, hört die weitere Luftförderung auf. Die Größe dieses Drucks hängt vom Verdichtungsgrad der Luft in der Kam­ mer 20 ab und wird durch die konstruktiven Parameter der Pumpvorrichtung bestimmt. Wenn die Pumpvorrich­ tung 17 keine Luft in die Quelle 16 pumpt, wird prak­ tisch keine Energie verbraucht, weil die gesamte ver­ dichtete Luft in der Kammer 20 beim Rückwärtshub re­ expandiert. Die Pumpvorrichtung 17 bringt also nur in der Anlaufphase der Maschine den Druck der Quelle 16 auf den vorgegebenen Wert und hält diesen dann unter Kompensierung möglicher Luftverluste konstant.

Im übrigen funktioniert die in Fig. 2 abgebildete Ma­ schine ebenso wie die in Fig. 1 abgebildete. Insbe­ sondere hat das in Fig. 2 nicht mehr gezeigte Gasauf­ nahmegefäß 14 die gleiche Funktion. Nur ist die spe­ zifische Leistung dieser Maschine höher, da ihre Kam­ mern bei erhöhtem Druck betrieben werden.

Eine noch einfachere Möglichkeit der Erhöhung des Druckniveaus ist in Fig. 3 gezeigt. Die Besonderheit der in Fig. 3 abgebildeten Maschine ist das der Druck­ ausgleichsbohrung 12 zugeordnete Rückschlagventil 27. Dieses läßt das gasförmige Medium nur in die Arbeits­ kammer 11 einströmen, nicht aber entweichen.

Das Vorhandensein dieses Rückschlagventils 27 be­ wirkt eine Erhöhung des mittleren Drucks in der Ar­ beitskammer 11 des Pulsators und folglich auch in den Kammern des Schlagwerks. Wenn nämlich der Verdränger­ kolben 10 bei seiner Hin- und Herbewegung die Bohrung 12 freigibt, ist der Druck in dieser Kammer niedriger als der atmosphärische Druck. Deshalb strömt bei je­ dem Zyklus frische Luft in die Kammer 11. Bei der fol­ genden Verbindung der Luft in der Arbeitskammer 11 ist ein Entweichen der Luft in umgekehrter Richtung wegen des Rückschlagventils 27 nicht möglich. Weil die Luft nur in einer Richtung in die Arbeitskammer 11 strömen kann, stellt sich ein höherer mittlerer Druck in dieser Kammer ein. Die Erhöhung des Drucks in der Arbeitskammer 11 des Pulsators führt wieder zu einer Erhöhung der spezifischen Leistung der Maschine. Im übrigen funktioniert die Maschine ebenso wie die in Fig. 1 abgebildete, insbesondere bezüglich der Funktion des auch in Fig. 3 nicht mehr gezeigten Gasaufnahme­ gefäßes 14.

Claims (3)

1. Schlagmaschine
mit einem Schlagwerk (1) aus einem von der Atmosphäre abgeschlossenen Gehäuse (3), in dem ein Schlagkolben (5) hin- und herbeweglich ist, welcher den Innenraum des Schlagwerkgehäuses (3) in eine vordere Kammer (6) und eine hintere Kammer (7) unterteilt, wobei diese durch einen Drosselkanal (8) verbunden bleiben und
mit einem Gasdruckpulsator (2) aus einem Gehäuse (9), in dem ein hin- und hergehend angetriebener Ver­ drängerkolben (10) das Volumen einer Arbeitskammer (11) periodisch verändert und eine Druckausgleichsbohrung (12) in der Wand des Pulsatorgehäuses (9) periodisch überdeckt, und
mit einem eine der Kammern (6, 7) des Schlagwerks (1) mit der Arbeitskammer (11) des Gasdruckpulsators verbindenden Schlauch (13),
gekennzeichnet durch ein mittels einer Absperrvor­ richtung (15) mit der Arbeitskammer (11) des Gasdruck­ pulsators (2) verbindbares Gasaufnahmegefäß (14) in Form einer geschlossenen Kammer, deren Volumen etwa dem Volumen der Arbeitskammer (11) entspricht.

2. Schlagmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Ausgleichsbohrung (12) an eine Quelle (16) erhöhten Drucks angeschlossen ist.

3. Schlagmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Ausgleichsbohrung (12) mit einem Rück­ schlagventil (27) versehen ist, welches in Richtung der Arbeitskammer (11) öffnet.