DE3431100A1 - Hydraulischer rammhammer mit unterschiedlicher schlagerzeugung durch freien oder oder beschleunigten fall des baerkoerpers - Google Patents

Description

• Gegenwärtiger Stand der hydraulischen Rammtechnik
• Beim Studium der Betriebsweise schlagender hydraulischer Rammhämmer wird erkennbar, daß diese sich hinsichtlich des Wirkprinzips in zwei Hauptgruppen unterteilen lassen. Erstens sind zu nennen die herkömmlichen sogenannten Freifallhämmer. In neuerer Zeit sind zunehmend Hämmer im Gebrauch, bei denen der schlagende Teil nicht nur hydraulisch angehoben, sondern zusätzlich zu seiner natürlichen Endbeschleunigung mit hydraulischer Kraft abwärtsgetrieben wird. Diese unterschiedlichen Bauweisen haben einen weitreichenden Einfluß auf die äußeren Dimensionen und das Konstruktionsgewicht von Ramahämmern, wie nachfolgend verdeutlicht wird.
• Bei Freifallhämmern ist die erreichbare Schlagenergie bekanntlich direkt proportional der Fallhöhe des Bärkörpers, die normalerweise 1,5 bis höchstens 2 m nicht überschreitet. Aus der relativ hohen Fallhöhe resultiert eine beträchtliche Gesamtbauhöhe des Ramshammers.
• Alternativ zu den Freifallhämmern ist der Schlaghub bei den Hämmern, bei denen der Bärkörper eine zusätzliche aktive Abwärtsbeschleunigung durch eine hydraulische Kraft erfährt, wesentlich kurzer, in der Regel etwa halb so groß, so daß sich daraus eine viel kompaktere Gesamtkonstruktion ergibt. Andererseits muß in diesem Fall aber das den Bärkörper umgebende Hammergehäuse oder Hammergestell so schwer ausgelegt werden, daß die bei der Abwärtsbeschleunigung des Bärkörpers wirksame hydraulische Kraft nach oben hin gestützt wird, also das Hammergestell mit Anbauten nicht nach oben abhebt.
• Hingegen können beim Freifallhammer die den Bärkörper umgebenden Teile so leicht wie nur irgend möglich gestaltet werden.
• Welche Probleme einer Rammarbeit mit den zwei verschiedenen Hammerbauarten anhaften, wird nachstehend zu erklären versucht, Hier wird insbesondere der allgemeine Baubetrieb genannt, wo an einem ortsveränderlichen Trägergerät (Ramabagger, Rammgerust) mit einer hoch aufragenden und neigungseinstellbaren Hammerführung (Mäkler), an dem der Hammer samt Rammgut (Pfahl) gleitbar gehakert sind.
• Es ist einleuchtend, daß besonders bei Schrägrammung mit großer Neigung die Standfestigkeit gegen Umkippen der gesamten Rammeinrichtung dann gefährdet ist, wenn sich der Rammhammer bei Beginn des Schlagens am obersten Ende der Hammerführung befindet. Man ist daher aus Gründen der Arbeitssicherheit gezwungen, mit einem möglichst leichten Hammer, auf keinen Fall schwerer als zulässig, die Rammarbeit anzufangen. Mit zunehmender Eindringtiefe des Pfahles in den Grund verbessert sich sukzessive die Standsicherheit der Rammeinrichtung, andererseits aber nimmt der Rammfortschritt je nach Bodenbeschaffenheit immer mehr ab, so daß unter Uinständen die Schlagenergie des verwendeten Rammhammers nicht mehr ausreicht. Weder die oben beschriebenen Freifallhämmer noch die schweren Hämmer mit aktiver Beschleunigung sind hier gleichermaßen nicht ganz befriedigend.
• Ein gegenüber dem jetzigen Stand der Technik fortschrittlich konzipierter Rammhammer müßte daher konsequenterweise leicht und kompakt, andererseits aber eine größere Schlagleistung erbringen, als es den bisher gewohnten Vorstellungen in Bezug auf Baugröße und Gewicht entspricht.
• Eine weitere herausragende Eigenschaft der schlagenden Hydraulikhammer sind die bei bekannten Konstruktionen anzutreffenden Eigenbau-Steuerungen, welche für die Auf- und Niederbewegung des Schlagkörpers zuständig sind. Aufgrund ihrer dominierenden Rolle im Hammerbetrieb richtet sich das Augenmerk auf besondere Merkmale wie technischer Aufwand und Bauvolumen. Es sind beispielsweise bei herkömmlichen hydraulischen Rammhämmern Ventilkomponenten zu finden, die ebenso hoch sind, wie die maximale Fallhöhe des Bärkörpers beträgt, weil diese entweder direkt oder indirekt mit dem sich auf- und niederbewegenden Bärkörper korrespondieren.
• Erfindungsgedanken und Aufgabe Aus der Erkenntnis heraus, daß die in der Hydraulik unverzichtbare Fertigungsgüte und Sorgfalt einerseits und die nicht immer wirtschaftlichen Losgrößen (Einzelfertigung) andererseits zu einem erheblichen Kostenanteil der Hydraulik, gemessen an den Gesamtkosten des Hammers, führen, wird hier ein neuer Weg beschritten.
• Erfindungsgemäß beinhaltet demnach die vorliegende Hydraulikhammer-Ausführung einen hydraulischen Signalteil bzw. variierbaren hydraulischen Steuerungsautomatismus, welcher die Verwendung eines für schnelle Ii schaltvorgänge geeigneten Industriehydraulik-Wegeventiles als Umsteuerventil möglich macht, anstelle einer Eigenbausteuerung. Selbstverständlich kann ein solches Ventil auch in Selbstanfertigung bereitgestellt werden, doch wäre dies nach dem oben gesagten sinnwidrig und nur in besonderen Fällen vertretbar. Für das Industriehydraulik-Wegeventil spricht auch der Vorteil der genormten Anschlußmaße.
• Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, gegenüber dem umschriebenen Stand der Technik einen hydraulischen Ramshammer, insbesondere dafür eine hydraulische Steuerungseinrichtung zu schaffen, die es ermöglicht, den Rammhammer sowohl auf herkömmliche Weise als Freifallhammer zu betreiben und außerdem alternativ mit zusätzlicher aktiver Fallgeschleunigung des schlagenden Teiles.
• Unter Hinweis auf den beschriebenen Fall aus dem allgemeinen Baubetrieb ist dabei wesentlich, daß der Hammer als Freifallhammer in Leichtbauweise ausgestaltet wird und zugleich kurzhubig wie ein Hammer mit aktiver Fallbeschleunigung. Um den Leichtbauhammer aber, wie oben gefordert, im Bedarfsfall mit beträchtlich erhöhter Schlagenergie betreiben zu können, muß vor der Umschaltung von Freifall auf beschleunigten Fall des Bärkörpers der Hammer durch Ballast beschwert werden, um der nach oben gerichteten Reaktionskraft widerstehen zu können. Auf praxisgerechte Weise läßt sich das Ballastgewicht z. B. mit einer hydraulischen Zange an das Hammergehäuse anschließen.
• Es ist auch möglich, durch die Kraft eines druckmittelbeaufschlagten Zylinders eine statische Auflast auf den Hammer aufzuspannen.
• Auf den konkreten Anwendungsfall im allgemeinen Baubetrieb bezogen, bedeutet dies, daß der Hammer bei Beginn des Schlagens im oberen, statisch gefährdeten Bereich der Rammeinrichtung als Leichtbauhammer im freien Fall zu schlagen beginnt und dann in der unteren, statisch gefahrlosen Zone beschwert wird und mit erheblich größerer Wucht die Rammarbeit fortsetzt.
• Der wahlweise Betrieb im freien oder beschleunigten Fall ist aber auch für alle diejenigen Hammer von Vorteil, wo das Konstruktionsgewicht nur eine untergeordnete Rolle spielt und von vornherein auf die maximale Schlagenergie bei beschleunigtem Fall ausgelegt ist, z. B. bei "freireitendem" Einsatz in Offshore-Anwendungen.
• Die folgenden Zeichnungen unterstützen zum Teil das Verständnis der vorangegangenen Ausführungen und bilden die Grundlage für die folgende Funktionsbeschreibung.
• Es zeigen Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau des gesamten Hammers, größtenteils geschnitten dargestellt.
• Fig. 2 Ein Funktionsbild in Schnittdarstellung, aus dem der gesamte hydraulische Energie- und Signalfluß ersichtlich ist, bei Hammerbetrieb im "freien Fall".
• Fig. 3 Eine Schaltposition des Umschaltventiles bei "freiem" Fall".
• Fig 4 Eine Schaltposition des Uhnschaltventiles bei "beschleunigtem Fall".
• Fig. 5 Ein Funktionsbild, aus dem der gesamte hydraulische Energie-und Signalfluß erkennbar ist, bei Hammerbetrieb im "beschleunigten Fall".
• Funktionsbeschre ibung Figur 1 Der Hammer-Querschnitt gemäß Figur 1 zeigt das Umsteuerventil 1, welches auf dem Querhaupt 2 befestigt wird. Ebenfalls an das Querhaupt 2 von unten starr angeschraubt ist die Kolbenstange 3. Der Zylinder 4 ist oben und unten durch Federelemente 5 in den Bärkörper 6 kraftschlüssig eingespannt und bewegt sich zusammen mit diesem auf und nieder. Die äußere Führungsbuchse 7 des zweiseitig wirkenden Zylinders 4 liegt eingebettet in ein Lager aus Elstomerwerkstoff 8, so daß dem Zylinder 4 im Bärkörper 6 eine minimale kardanische Bewegung gestattet ist. Der Bärkörper hat ein Schmiermitteldepot 9 mit Niederdrucköl-Zulauf durch die Bohrung 10 aus dem Hydraulik-Kreislauf, ferner oben und unten spezielle Dichtungspakete 11. Das Hammergehäuse 12 hat einen Luftventilationskanal 13 und ist am oberen Ende als Träger für das Querhaupt 2 und außerdem als stabiler Schutzmantel für die unverzichtbaren Hydrospeicher 14 ausgebildet. In bekannter Weise sind sowohl dem Hochdruckanschluß 15 als auch dem Rucklaufanschluß 16 einer oder mehrere Hydrospeicher 14 zugeordnet, welche hier in Bezug auf Arbeitssicherheit und Unfallschutz an sehr vorteilhafter Stelle placiert sind. 17 ist die Aufschlagplatte und 18 als Beispiel für das Rammgut ein Rohrpfahl. Der obere Festanschlag 19 sorgt für eine Hubbegrenzung des Bärkörpers nach oben und ist besonders wichtig, wenn der Hammer als Ziehgerät benutzt wird.
• Der gesamte hydraulische Energie- und Signalteil ist bis zu eimem gewissen Grade von den Prellschlägen und Stößen während des Rammens abisoliert. Der Stoßisolierung dienen erstens die Federelemente 5, die Stoßabsorber aus Elastomerwerkstoff oder andere elastische Glieder 20 sowie das verformbare Querlager 8 und die unteren Anschläge 21.
• Figur 2 (und Figur 3) Maßgeblich für den wahlweisen Betrieb des Hammers im freien oder beschleunigten Fall des Bärkörpers 6 ist die Schaltstellung des Hubbegrenzungskolbens 22. Bei permanenter Druckbeaufschlagung am Anschluß 23 ist der Hammerbetrieb auf "freien Fall" arretiert.
• Im Moment sitzt der Bärkörper 6 noch auf der Aufschlagplatte 17 und der Aufwärtshub beginnt gerade. Der Hauptkolben 24 des Umsteuerventiles 1 befindet sich durch die Kraft der Feder 25 in Anfangsposition für den Bewegungsbeginn des Bärkörpers 6 bzw. Zylinders 4 nach oben.
• Die gezeichnete Schaltstellung des Umschaltventiles 1 ist identsich mit der Schaltstellung "Null" des ebenfalls dargestellten Sinnbildes nach DIN ISO 1219. Vom Hochdruckanschluß 15 strömt das hydrostatische Druckmittel (Hochdrucköl) durch das Umsteuerventil 1 in die energieführende Leitung 26 zum aktiven Zylinderhubraum 27, wodurch der Aufwärtshub des Zylinders 4 und mit diesem der Bärkörper 6 eingeleitet wird. Hierbei pflanzt sich der beim Anheben entstehende hydrostatische Druck über die momentan passive signalführende Leitung 28 und das Rückschlagventil 29 bis in den Ringkanal 30 fort und befindet sich dort in Warteposition. Die Druckfortpflanzung aus dem Ringkanal 30 durch die signalführende Leitung 31 in die Ventilkammer 32 ist hier ohne Bedeutung.
• Nachdem sich der Zylinder 4 mit Bärkörper 6 so weit angehoben hat, daß die Querbohrung 33 der signalführenden Leitung 34 mit dem unter Druck stehenden Ringkanal 30 Kontakt erhalten hat, beginnt die sogenannte "Obere Umsteuerung".
• Durch die jetzt aktivierte signalführende Leitung 34 wird der Druckuntersetzer 35 beaufschlagt, welcher seinerseits durch sein unterschiedliches Flächenverhältnis einen wesentlich kleineren öldruck als in der signalführenden Leitung 34 in die Ventilkammer 36 überführt.
• Hierdurch schaltet das Umsteuerventil schlagartig um und hat dann die Schaltposition, wie dies in Fig. 3 deutlich dargestellt ist. Bei der Umsteuerung verdrängt der Kolben 24 ein Ulvolumen aus der Ventilkammer 32 durch die momentan passive signalführende Leitung 31 in den immer passiven und nur mit Rücklaufdruck beanspruchten Zylinderhubraum 37. Von dort besteht erstens durch die RückEührleitung 38 Verbindung zum Rücklaufanschluß 16 und zweitens durch die Bohrung 10 die schon erwähnte Niederdruckölzufuhr zum Schmiermitteldepot 9 des Bärkörpers 6. Das Teil 39 ist ein Dichtringträger mit radialer Freiheit.
• Figur 3 Aus Fig. 3 ist deutlich zu sehen, wie der Hubbegrenzungskolben 22 es nicht zuläßt, daß der Hauptkolben 24 bei der "Oberen Umsteuerung" einen vollen Hub machen kann, sondern nur von der Schaltstellung "Null" in die Mittelstellung "a" springt. Siehe Sinnbild. Dadurch ist der Hochdruckanschluß 15 mit beiden energieführenden Leitungen 26 und 40 verbunden. Vorausgesetzt, daß die Kolbenstange 3 an beiden Enden den gleichen Durchmesser hat, heben sich nun die hydraulischen Kräfte in den Zylinderhubräumen 27 und 41 in ihrer Wirkung gegenseitig auf.
• Der zweifach wirkende Zylinder 4 bleibt trotz der herrschenden Drücke passiv, so daß nun der Bärkörper 6 lediglich durch seine eigene Schwerkraft nach unten fällt. Während der Fallbewegung fördert die Hydraulikpumpe, mit der der Hammer betrieben wird, in diejenigen Hydrospeicher 14, welche mit dem Hochdruckanschluß 15 verbunden sind. Es findet somit bei Hammerbetrieb im "freien Fall" keine Energievergeudung statt.
• Es folgt die "Untere Umsteuerung". Die Querbohrung 42 der signalführenden Leitung 31 befand sich währen des Abwärtshubes in Verbindung mit dem passiven Zylinderhubraum 37. Sobald die Querbohrung 42 in den Ringkanal 30 einmündet, wird der Ventilkammer 32 der volle Arbeitsdruck zugeführt. Es entsteht schlagartig am Hauptkolben 24 ein Kräfte-Ungleichgewicht, hervorgerufen durch den noch bestehenden, untersetzten Druck in der Ventilkammer 36 und dem vollem Druck aus der Ventilkammer 32, wodurch sich der Kolben 24 in die Ursprungs-Schaltstellung gemäß Figur 2, Ventil Schaltstellung "Null" zurückschiebt. Anbeiwird auch der Druckuntersetzer 35 in seine ursprüngliche Lage zurückbewegt. Das Rückschlagventil 43 gestattet, daß sich der Federraum des Druckuntersetzers 35 sowie die Ventilkammer 36 während der nun folgenden Bärkörper-Hubphase wieder gänzlich mit Ul füllen können.
• Figur 4 Für den Betrieb des Rammhammers bei beschleunigtem Fall des Bärkörpers 6 wird der Hubbegrenzungskolben 22 des Umschaltventiles 1 umgestellt und zwar, wie es in Fig. 4 gezeigt ist, also durch Druckeingabe am Anschluß 44. Aus Fig. 4 und Fig. 5 ist erkennbar, daß der Hauptkolben 24 nun nicht mehr durch den Hubbegrenzungskolben 22 blockiert wird. Die wechselseitig am Hauptkolben 24 angreifenden Kräfte schieben diesen jeweils in die Enstellungen "Null" und "b", die Mittelstellung "a" wird in Millisekunden überfahren.
• Figur 5 Das Arbeitsspiel des auf "beschleunigten Fall" eingestellten Ramm=hanners beginnt in gleicher Weise wie für den freien Fall. Die Ausgangsposition des Umsteuerventiles 1 ist dabei die Schaltstellung "Null" gemäß Fig. 4.
• In Fig. 5 hat die "Obere Umsteuerung" bereits stattgefunden. Es spielt hier das Rückschlagventil 29 eine Rolle. Es verhindert, daß unmittelbar nach dem Sprung des Kolbens 24 in die Schaltstellung "b" das Steueröl vom Druckübersetzer 35 in den drucklos gewordenen oberen Zylinderhubraum 27 zurückströmt. Durch die "Obere Umsteuerung" wird der untere Zylinderhubraum 41 mit dem Hochdruckanschluß 15 verbunden, der obere Zylinderhubraum 27 dagegen mit dem Niederdruck-Rücklaufanschluß 16.
• Somit fällt der Bärkörper 6 nicht nur durch seine natürliche Schwerkraft nach unten, sondern durch die zusätzliche Zylinderkraft mit ungefähr zweifacher Erdbeschleunigung, wodurch sich auch die Schlagenergie verdoppelt.
• Für die nun folgende "Untere Umsteuerung" ist anzumerken, daß diese im Gegensatz zur Freifall-Version dann einsetzt, wenn die Querbohrung 45 der signalführenden Leitung 46 mit dem unter Druck stehenden Zylinderhubraum 41 Kontakt bekommt. Die Positionen 45 und 46 sind konstruktiv also nicht identisch mit 42 und 31 und müssen durch ein Absperrmittel voneinander getrennt werden.
• Weitere Ausgestaltungen und Ergänzungen a) Druckuntersetzer (35) Dieser kann vollständig entfallen, wenn das linke Kolbenteil 24 a des Umsteuerventiles 1 im Durchmesser wesentlich kleiner ausgeführt wird als der übrige Kolben-Außendurchmesser.
• b) Hubhöhen-Veränderung Ein praxisgerechter Rammhammer muß mit unterschiedlicher Wucht schlagen können. Durch die wahlweise Betriebsweise des beschriebenen Rammhammers mit "freiem Fall" oder " beschleunigtem Fall" ergibt sich bereits eine unterschiedliche Wucht beim Aufschlag des Bärkörpers 6 auf die Aufschlagplatte 17. In der bisherigen Funktionsbeschreibung wurde stets der volle Zylinderhub bzw. Bärkörperhub behandelt. Wenn außer der beschriebenen singnalführenden Leitung 34 eine weitere oder mehrere mit Querbohrungen wie 33 in unterschiedlicher Höhe angeordnet werden, sind auch entsprechend mehrere Hubhöhen des Bärkörpers realisierbar.
• Bereits mit nur einer zusätzlichen signalführenden Leitung sind insgesamt vier Schlagenergie-Abstufungen möglich. Es darf dabei immer nur eine signalführende Leitung geöffnet sein.
• c) Schlagziehen Die obere und untere Umsteuerung kann so weit nach oben verlegt werden, daß der Bärkörper 6 fortwährend gegen den oberen Anschlag 19 des Hammergehäuses 12 anschlägt.
• d) Zwe ikomponenten- Schmiersystem Eine zufriedenstellende und zuverlässige Schmierung des Bärkörpers 6 im zylindrischen Hammergehäuse 12 ist vor allem bei der Schrägrammung bedeutsam, weil hierbei erhebliche Reibungsverluste und Verschleiß entstehen.
• Weil das für den Hammerbetrieb verwendete hydrostatische Druckmittel nicht zwangsläufig auch das bestgeeignete Schmiermittel für die Bärkörperschmierung sein muß, wird das Schmiermitteldepot 9 von außen durch das Hammergehäuse 12 hindurch mit dem optimalen Schmiermedium vorgefüllt. Es ergibt sich daraus ein Zweikomponenten-Schmiersystem, bestehend aus einer schmierenden Komponente und einer komprimierenden Komponente durch die Druckmittel zuführung aus dem Hydraulikkreislauf.

Claims (6)

PATENTANSPRUCHE* HYDRAULISCHER RAMMHAMMER MIT UNTERSCHIEDLICHER SCHLAGERZEUGUNG DURCH FREIEN ODER BESCHLEUNIGTEN FALL DES BARKoRPERS, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: X Das Umsteuerventil ist ein Wegeventil mit drei Schaltstellungen und Fixierung einer Grundschaltung (der Nullstellung) durch Federkraft.

1.1 Für den Hammerbetrieb bei freiem Fall des Bärkörpers werden zwei Schaltstellungen beansprucht, nämlich die Grundschaltstellung und die nächstliegende zweite Schaltstellung, die eine Mittelstellung ist, 1.11 wobei die dritte Ventilschaltstellung durch eine Hubbegrenzung blockiert wird.

1.2 Für den Hammerbetrieb bei beschleunigtem Fall des Bärkörpers werden ebenfalls zwei Schaltstellungen beansprucht, es sind dies die Grundschaltstellung und die dritte Schaltstellung, 1.21 wobei die Mittelstellung beim Schaltvorgang in Millisekunden überfahren wird und wirkungslos bleibt.

* Die Patentansprüche sind gemäß den Empfehlungen des Deutschen Patentamts nach Merlanalen gegliedert.

1.3 Der Hauptkolben des Umsteuerventiles hat in der Regel durchgängig einen konstanten Außendurchmesser, 1.31 kann jedoch auch mit abgestuftem Außendurchmesser versehen werden, 1.32 womit der dem Signalteil zuzuordnende Druckuntersetzer überflüssig wird.

1.4 In der Regel ist ein Druckuntersetzer erforderlich.

2. Der zweiseitig wirkende Hydraulikzylinder besteht aus einer feststehenden Kolbenstange 2.1 mit einem unteren Dichtringträger 2.2 und einem Zylinder mit zwei aktiven Hubräumen, 2.21 einem passiven Hubraum 2.22 und einem Ringkanal im unteren Gleitlager.

2.3 Kolbenstange und Zylinder sind so ausgebildet, daß diese neben ihrer Hauptaufgabe als sekundärer Energie-Erzeuger, 2.31 auch als Impulsgeber für den Steuerungsautomatismus des Umschaltventiles dienen, 2.32 in dem in die Kolbenstange und den Zylinder signalführende Leitungen und ein Rückschlagventil integriert sind.

3 Der Bärkörper wird im zylindrischen Hammergehäuse durch ein Zweikomponenten-Schmiersystem geschmiert, charakterisiert 3.1 durch eine schmierende Komponente, 3.11 welche identisch ist mit dem optimalen Schmiermedium 3.12 und extern eingefüllt wird, 3.2 sowie einer komprimierenden Komponente, 3.21 durch Zuführung aus dem Hydraulik-Kreislauf.

3.3 Das Schmiermitteldepot befindet sich am Außenumfang des Bärkörpers 3.31 und wird beidseitig abgedichtet durch Spezial-Dichtungspakete.

4. Die als bauliche Einheit zu verstehende hydraulische Baugruppe ist in vertikaler und horizontaler Richtung von den extremen Stoßbeanspruchungen abisoliert, 4.1 durch Federelemente am Zylinder, 4.12 durch Einbettung der äußeren Zylinder-PLhrungsbuchse, welche im Bärkörper gleitet, in ein Zwischenlager aus Elastomer-Werkstoff, 4.13 durch vertikale und horizontale Einlagerung des Querhauptes in stoßabsorbierende Glieder.

5. Die Kinematik der sekundären Energieerzeugung ist gegenüber starren Han,merkonstruktionen günstig, 5.1 weil die Flucht der Kolbenstange nicht identisch sein muß mit der translatorischen Achse der Hubbewegung des Bärkörpers.

6. Die Hydraulikspeicher sind im optimalen Schutzraum innerhalb der oberen Hammergehäuse-Verlangerung angeordnet.