DE4143418C2 - Drucklufthammer mit veränderbarer Rückhublänge des Arbeitskolbens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Drucklufthammer der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.

Derartige Drucklufthämmer werden für Erd- und Gesteins­ bohrungen eingesetzt. Sie können in Verbindung mit Bohrgeräten benutzt werden, die einen Bohrstrang mit Bohrkrone von einer Lafette aus vortreiben und drehen. Dabei ist der Drucklufthammer in der Regel als Tief­ lochhammer ausgebildet, der im Zuge des Bohrstranges unmittelbar hinter der Bohrkrone angeordnet ist. Ferner können Drucklufthämmer als Handhämmer, sogenannte Preß­ lufthämmer, ausgebildet sein, die von Hand geführt wer­ den, um Abbrucharbeiten oder Erd- und Gesteinsarbeiten durchzuführen. Im Falle eines Handhammers besteht die Bohrkrone in der Regel aus einem einfachen Bohrmeißel.

Bei Drucklufthämmern mit Stiftbohrkrone wird die vom Arbeitskolben aufgebrachte Schlagenergie über die Bohr­ krone auf die zum Spalten des Gesteins vorgesehenen Hartmetallstifte bzw. Hartmetallschneiden weiterge­ leitet. Die Schlagfrequenz wird von der zugeführten Druckluftmenge bzw. von der Durchlaßmenge des Druck­ lufthammers bestimmt. Durch Rotation des gesamten Bohr­ werkzeugs wird die Bohrlochsohle zerspalten, abgetragen und das Bohrklein durch die sich entspannende und ab­ strömende Abluft im Ringspalt zwischen Bohrrohr und Bohrlochinnenwand nach außen befördert.

Die Bohrleistung wird im wesentlichen durch folgende Faktoren bestimmt:
Die Einzelschlagenergie, die bei jedem Schlag von dem Arbeitskolben auf die Bohrkrone ausgeübt wird;
die Anzahl und die Fläche der Bohrkronenstifte, auf die die Schlagenergie verteilt wird und die diese Energie in Eindring- und Spalterzeugungs­ arbeit umsetzen;
die Schlagfrequenz;
den Andruck des Bohrwerkzeugs auf der Bohrloch­ sohle;
die Bohrgutabführung bzw. das Freiblasen oder Freispülen der Bohrlochsohle von Bohrklein.

Die für Lufthämmer benötigte Antriebsenergie wird von Kompressoren geliefert. Üblicherweise beträgt der Lie­ ferdruck etwa 7 bis 10 bar bei einer Liefermenge von etwa 5 m³/min.

Auf Baustellen werden in neuerer Zeit Hochdruckkompres­ soren eingesetzt, die einen Druck in der Größenordnung von 20 bar liefern. Mit solchen Hochdruckkompressoren werden auch die auf der Baustelle zum Einsatz kommenden Lufthämmer betrieben, selbst wenn diese Lufthämmer ur­ sprünglich für einen Druck von 7 bis 10 bar ausgelegt waren. Für den Hochdruckbetrieb sind keine Veränderun­ gen am Prinzip des Drucklufthammers vorgenommen worden; allenfalls sind bestimmte Komponenten mit höherer Festigkeit oder größerer Materialstärke ausgeführt wor­ den. Dies führt dazu, daß dieselben Drucklufthämmer in einem weiten Bereich des Lieferdrucks zwischen etwa 7 bar und 25 bar betrieben werden. Bei höherem Liefer­ druck steigen Schlagfrequenz und Schlagenergie, jedoch wird die Bohrleistung nicht in gleichem Maß verbessert. Dies liegt daran, daß es für die Bohrleistung wesent­ lich auf die Schlagenergie pro Bohrkronenstift ankommt. Die Bohrleistung ist nur dann optimal, wenn die Schlag­ energie pro Bohrkronenstift in einem bestimmten Bereich gehalten wird. Oberhalb dieses Bereichs wird die Spalt­ tiefe des Gesteins (Spaltarbeit) nicht wesentlich ver­ bessert, obwohl der Druckluftverbrauch stark steigt. Die Bohrleistung bleibt also weit hinter der instal­ lierten Kompressorleistung zurück. Es ergibt sich ein schlechter Wirkungsgrad. Hinzukommt, daß bei hoher Schlagenergie des Arbeitskolbens Prellschläge am Amboß entstehen. Solche Prellschläge führen zu einer enormen Beanspruchung von Bohrkronenschaft und Arbeitskolben, mit der Folge, daß häufig Schaftbrüche und Kolbenbrüche auftreten. Bei handgeführten Drucklufthämmern entstehen bei zu hohem Lieferdruck durch die Prellschläge außer­ dem erhebliche Körperbelastungen für den Bediener, mit der Gefahr gesundheitlicher Schädigungen, insbesondere des Knochenbaus.

Der Betreiber einer Bohreinrichtung bezieht in der Regel das Bohrgerät, den Kompressor, den Druckluft­ hammer und die Bohrkrone von jeweils anderen Her­ stellern. Dadurch kommt in der Regel eine nicht-abge­ stimmte Kombination von Komponenten zum Einsatz. Der Betreiber ist nicht in der Lage, diese Komponenten so zu wählen, daß eine optimale Bohrleistung mit hohem Wirkungsgrad bei geringer Materialbeanspruchung er­ reicht wird.

Aus GB 21 57 220 A ist ein hydraulischer oder pneuma­ tischer Hammer mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 bekannt. Dieser Hammer weist außer einem in einem Arbeitszylinder bewegbaren Arbeitskolben einen zusätzlichen Steuerzylinder auf, in dem ein Steuerkolben bewegbar ist. Der Arbeitskolben steuert in Abhängigkeit von seiner Kolbenstellung die Druckzufuhr zum Steuerzylinder und der Steuerkolben steuert in Ab­ hängigkeit von seiner Stellung die Druckzufuhr zum Ar­ beitszylinder. Die Steuerteile zur Steuerung des Ar­ beitskolbens sind somit am Steuerkolben und am Steuer­ zylinder angeordnet. Der Arbeitszylinder weist zwei axial gegeneinander versetzte Ringnuten auf, die durch ein druckgesteuertes Pilotventil entweder miteinander verbunden oder voneinander getrennt werden können. Das Pilotventil kann nur eine Öffnungs- oder Schließstel­ lung einnehmen, so daß entweder nur eine Ringnut wirk­ sam ist oder beide Ringnuten gemeinsam wirksam sind. Wenn das Pilotventil offen ist, wird der Rückhub des Arbeitskolbens schneller beendet, so daß die Hubhöhe verringert und die Hubfrequenz erhöht wird. Der Steuer­ druck für die Betätigung des Pilotventils kann entweder manuell oder auch in Abhängigkeit von dem Lieferdruck verändert werden. Die Steuereinrichtung für das Pilot­ ventil ist entfernt von der Schlagvorrichtung ange­ ordnet. Dieser Drucklufthammer hat einen komplexen und wegen des separaten Steuerzylinders auch einen volumi­ nösen Aufbau. Er eignet sich beispielsweise nicht als Tieflochhammer, der im Zuge eines Bohrstranges einge­ setzt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Druck­ lufthammer der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art zu schaffen, der mit unterschiedlichen Lieferdrücken betrieben werden kann und in einem weiten Bereich von Lieferdrücken eine gute Bohrleistung mit hohem Wirkungsgrad bei geringer Materialbeanspruchung ergibt.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen.

Bei dem erfindungsgemäßen Drucklufthammer wird das Volumen des Arbeitszylinders entsprechend einem Steuer­ druck verändert. Bei großem Steuerdruck wird das Volu­ men verkleinert und bei kleinem Steuerdruck wird es vergrößert. Bei verkleinertem Volumen des Arbeitszy­ linders wird beim Rückhub des Arbeitskolbens der für die Umsteuerung erforderliche Druck schneller aufgebaut als bei großem Volumen. Dadurch wird die Schlagzahl erhöht. Bei hohem Steuerdruck tritt somit eine größere Schlagzahl ein als bei niedrigem Steuerdruck. Die Stellvorrichtung ist in den Arbeitszylinder integriert, so daß der Drucklufthammer einen kompakten Aufbau hat.

Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, am Druckluft­ hammer eine Verstellvorrichtung vorzusehen, die ent­ weder unmittelbar am Hammergehäuse vorgesehen ist oder über eine Übertragungseinrichtung fernbetätigt werden kann. Es ist auch möglich, eine pneumatische Verstell­ einrichtung vorzusehen, deren Druck unabhängig vom Lieferdruck der Druckluft manuell eingestellt werden kann. Solche manuellen Einstellvorrichtungen ermög­ lichen es dem Benutzer, die Hublänge des Arbeitskolbens zu beeinflussen.

Vielfach ist der Benutzer nicht in der Lage, die rich­ tige Hublänge einzustellen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist daher vorgesehen, daß die Hublänge in Abhängigkeit vom Lieferdruck automa­ tisch gesteuert wird. Diese automatische Stelleinrich­ tung ist im Drucklufthammer angeordnet, so daß sämt­ liche Druckverluste in dem zum Drucklufthammer führen­ den Leitungssystem oder Gestänge berücksichtigt werden.

Der Lieferdruck, der die Stelleinrichtung betätigt, ist nicht derjenige Druck, den der Kompressor liefert, son­ dern der am Drucklufthammer unmittelbar auftretende Druck, der auch die Beschleunigung des Arbeitskolbens bewirkt.

Der Lieferdruck am Drucklufthammer braucht nicht unver­ ändert zur Steuerung der Stelleinrichtung benutzt zu werden. Es ist vielmehr auch möglich, eine z. B. propor­ tionale Druckumwandlung vorzunehmen und die Stellein­ richtung mit einem vom Lieferdruck abhängigen Druck zu steuern.

Die Erfindung ist vorzugsweise anwendbar bei Tiefloch­ hämmern, die im Zuge eines Bohrstranges angeordnet sind, sowie bei Hand- bzw. Abbruchhämmern. Bei letzte­ ren wird durch das Konstanthalten der Einzelschlag­ energie verhindert, daß reflektierte Energie in die Handgelenke bzw. Arme des Bedieners übertragen wird und zu gesundheitlichen Schäden führt.

Bei Kompressoren, deren Luftdruck nicht regelbar ist, oder bei Kompressoren, die an mehrere Luftabnehmer an­ geschlossen sind, welche Luftdruck benötigen, erfolgt eine selbsttätige Anpassung des Drucklufthammers an den Lieferdruck, mit der Folge, daß die Schlagenergie unab­ hängig vom Lieferdruck im wesentlichen konstant gehal­ ten wird und bei hohem Lieferdruck lediglich die Schlagfrequenz erhöht wird. Die Komponenten des Druck­ lufthammers werden geschont und ihre Lebensdauer wird erhöht.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.

Die Zeichnung zeigt einen Teilschnitt durch die in einem Rohrstrang enthaltene Einstellvorrichtung, die Bestandteil des Drucklufthammers ist.

Der Drucklufthammer ist ein Tieflochhammer mit einem langgestreckten rohrförmigen Hammergehäuse 10, aus dem am vorderen linken Ende der Kopf einer nicht darge­ stellten Bohrkrone vorsteht, welche in dem Hammerge­ häuse 10 verschiebbar geführt ist.

In dem Hammergehäuse 10 ist ein rohrförmiger Innenzy­ linder 22 angeordnet, in dem ein Arbeitskolben 16 ver­ schiebbar geführt ist. Der Arbeitskolben 16 übt ab­ wechselnd Arbeitshübe und Rückhübe aus. Am Ende eines nach vorne also nach links gerichteten Arbeitshubes schlägt er auf den am rückwärtigen Ende der Bohrkrone vorgesehenen Amboß auf. Zu beiden Enden des Arbeits­ kolbens 16 befinden sich Zylinderräume, von denen in der Zeichnung nur der rückwärtige Zylinderraum 24 darge­ stellt ist. Entlang des Innenzylinders 22 erstreckt sich ein Kanal 25, durch den die in der Zeichnung von rechts zugeführte Druckluft über die gesamte Länge des Innenzylinders 22 transportiert wird. Der Innenzylinder 22 weist Steuerbohrungen auf, die mit Steuerflächen des Arbeitskolbens 16 zusammenwirken, um am Ende eines Arbeitshubes den vorderen Zylinderraum mit Druckluft zu beaufschlagen und den Rückhub einzu­ leiten, bei dem die im rückwärtigen Zylinderraum 24 befindliche Luft komprimiert wird. Das Umschalten von Rückhub auf Arbeitshub erfolgt in Abhängigkeit von dem im rückwärtigen Zylinderraum 24 herrschenden Druck.

Am rückwärtigen Endbereich des Innenzylinders 22 ist ferner eine Unterstützungsbohrung 30 vorgesehen, durch die Druckluft in den rückwärtigen Zylinderraum 24 ge­ langt.

Ein Stellkolben 38b einer Stelleinrichtung 37 bildet die rückwärtige Stirnwand des Arbeitszylinders. Der Stellkolben 38b, der vom Druckraum 43 aus mit dem Lieferdruck beaufschlagt wird, ist von einer Feder 42 an einem Ringkragen 91 des Innenzylinders 22 abgestützt. Ein mit einem Entspan­ nungskanal 93 verbundener Ringraum 94 ist auf der dem Druckraum 43 abgewandten Seite eines Kragens 95 des Stellkolbens 38b angeordnet. Der Arbeitskolben 16 ist voll, d. h. ohne eine Bohrung.

Die Stelleinrichtung 37 bewirkt ausschließlich eine druckabhängige Verkleinerung des Volumens des Arbeits­ zylinders.

Claims (2)

1. Drucklufthammer mit einem in einem Arbeitszylinder bewegbaren Arbeitskolben (16), der über einen Amboß Schläge auf eine Bohrkrone ausübt, einer Umsteuereinrichtung, die die Druckluftzufuhr zu den Zylinderräumen (24) zu beiden Enden des Arbeitskolbens (16) derart steuert, daß der Arbeitskolben (16) einen Rückhub und anschließend einen vorwärts gerichteten Arbeitshub mit einem Aufprall auf den Amboß ausführt, und mit einer Stelleinrichtung (37), mit der die Rückhublänge veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Stelleinrichtung (37) einen Stellkolben (38b) aufweist, der den rückwärtigen Zylinderraum (24) begrenzt, und daß der Stellkolben (38b) mit einem Steuerdruck beaufschlagt und gegen den Steuerdruck durch eine Feder (42) vorgespannt ist.

2. Drucklufthammer nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Steuerdruck in Abhängigkeit vom Lieferdruck am Drucklufthammer automatisch gesteuert ist.