DE4312171C1 - Hydraulisches Schlaggerät für eine Bohrvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein hydraulisches Schlaggerät für eine Bohrvorrichtung, mit dem Schläge auf einen Bohrstrang ausgeübt werden können, der in das Erdreich hinein vorgeschoben und dabei gedreht wird.

Aus DE-OS 25 12 731 und DE-AS 24 61 633 sind hydraulische Schlaggeräte bekannt, die einen in einem Arbeitszylin­ der bewegbaren Arbeitskolben und einen in einem Steuer­ zylinder bewegbaren Steuerkolben aufweisen. Der Ar­ beitskolben führt einen Arbeitshub aus, an dessen Ende er auf einen mit dem Bohrgestänge verbundenen Amboß schlägt, und anschließend einen Rückhub. Die Arbeits­ hübe und Rückhübe des Arbeitskolbens werden von dem Steuerkolben gesteuert, der seinerseits in Abhängigkeit von der jeweiligen Stellung des Arbeitskolbens gesteu­ ert wird. Der Steuerkolben weist verschiedene Arbeits­ flächen auf, die dem Lieferdruck bzw. dem vom Arbeits­ zylinder kommenden Steuerdruck ausgesetzt sind und er steht ferner unter der Wirkung einer mechanischen Fe­ der, die auf ihn eine Vorspannung ausübt.

Bekannt sind ferner Schlaggeräte, die ein gesondertes Ventil aufweisen, das die Zufuhr des Lieferdrucks zu dem Steuerzylinder bzw. zu dem Arbeitszylinder erst dann ermöglicht, wenn der Lieferdruck einen bestimmten Grenzwert überstiegen hat. Damit soll erreicht werden, daß ein zu geringer Lieferdruck nicht bereits den Ar­ beitskolben in Bewegung setzt. Bei einem geringen Lie­ ferdruck würde der Arbeitskolben sehr langsame Bewegun­ gen ausführen und dabei einen Arbeitshub mit sehr ge­ ringer Schlagenergie auf den Amboß ausüben. Durch das zusätzliche Ventil, das den Lieferdruck erst dann wirk­ sam werden läßt, wenn er einen vorgegebenen Grenzwert überstiegen hat, wird sichergestellt, daß der Arbeits­ kolben erst dann arbeitet, wenn der Lieferdruck die erforderliche Höhe hat, um Schläge mit einer bestimmten Mindestenergie auf den Amboß auszuüben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein hydrauli­ sches Schlaggerät für eine Bohrvorrichtung zu schaffen, mit dem auf einfache Weise und ohne ein zusätzliches Drucksteuerventil sichergestellt wird, daß der Arbeits­ kolben erst bei Erreichen eines vorgegebenen Mindest- Lieferdrucks betätigt wird, wobei dieser Mindest-Lie­ ferdruck während des Betriebes des Schlaggerätes auf einfache Weise variiert werden kann.

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

Bei dem erfindungsgemäßen hydraulischen Schlaggerät weist die Vorspannvorrichtung, die den Steuerkolben in eine Vorzugslage treibt, eine fluidbetätigte Stellein­ richtung auf, welcher ein Steuerdruck zur Veränderung der Vorspannung zugeführt wird, um die Größe der auf den Steuerkolben wirkenden Vorspannkraft in Abhängig­ keit von dem Steuerdruck zu verändern. Der Steuerkolben weist unterschiedlich große Arbeitsflächen auf, die dem Lieferdruck ausgesetzt sind, wodurch auf den Steuerkol­ ben eine Kraft wirkt, die von der Größe des Liefer­ drucks abhängig ist. Dieser Kraft wirkt die Vorspannung entgegen. Der Steuerkolben ist erst arbeitsfähig, wenn die durch den Lieferdruck erzeugte Kraft die Größe der Vorspannkraft übersteigt. Da die eine dieser beiden Kräfte dem Lieferdruck proportional ist, die Vorspann­ kraft aber nicht, existiert ein Grenz-Lieferdruck, der überschritten werden muß, um die Größe der Vorspann­ kraft zu überwinden. Unterhalb dieses Grenz-Liefer­ drucks bleibt der Steuerkolben in derjenigen Position, in die er von der Vorspannkraft getrieben wird. Auf diese Weise wird der Steuerkolben inaktiv gehalten, solange der Lieferdruck unterhalb des Grenzwertes liegt. Solange der Steuerkolben inaktiv ist, kann auch der Arbeitskolben nicht bewegt werden, so daß das Schlaggerät stillsteht, wenn der Lieferdruck unterhalb des Grenzwertes liegt. Nach der Erfindung ist die Vor­ spannkraft durch eine druckbetätigte oder fluidbetätig­ te Stelleinrichtung verändert. Hierzu kann eine Steuerleitung vorgesehen sein, in der sich ein Druck­ steuerventil befindet, mit dem der Steuerdruck manuell variiert werden kann. Bei einer bevorzugten Ausfüh­ rungsform der Erfindung wird der Steuerdruck zur Ver­ änderung der auf den Steuerkolben einwirkenden Vorspan­ nung von dem Arbeitsdruck einer hydraulischen Antriebs­ einrichtung der Bohrvorrichtung abgeleitet. Diese An­ triebseinrichtung kann beispielsweise ein Drehmotor zum Drehen eines Bohrstranges oder ein Vorschubmotor zum Vorschieben des Bohrstranges sein. Die Vorspannung des Steuerkolbens wird in Abhängigkeit vom Bohrwiderstand verändert. Dadurch wird erreicht, daß bei großem Bohr­ widerstand Schläge nur mit hoher Schlagenergie auf den Bohrstrang ausgeübt werden, während bei geringem Bohr­ widerstand Schläge mit kleinerer Schlagenergie ausgeübt werden.

Die von dem erfindungsgemäßen hydraulischen Schlaggerät erzeugte Schlagenergie ist unabhängig von der Lieferka­ pazität der hydraulischen Druckquelle, die den Liefer­ druck erzeugt. Eine hydraulische Druckquelle, die einen Druck von beispielsweise 100 bar liefern kann, hat eine begrenzte Lieferkapazität, d. h. sie kann pro Zeitein­ heit nur eine begrenzte Literzahl von Hydraulikflüssig­ keit mit diesem Druck liefern. Verlangt der von der Druckquelle versorgte Verbraucher eine größere Menge an Hydraulikflüssigkeit, so sinkt der Lieferdruck ab. Ein anderer Grund für das Absinken des Lieferdrucks besteht in der Drosselwirkung der von der Druckquelle zum Ver­ braucher führenden Leitungen. Bei großer Liefermenge verursachen diese Leitungen große Druckverluste. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des hydraulischen Schlaggerätes wird erreicht, daß bei geringen Lieferra­ ten die Schläge mit geringerer Schlagfrequenz ausge­ führt werden, weil der Steuerkolben solange wartet, bis sich am Schlaggerät der benötigte Druck aufgebaut hat. Danach erfolgt die Durchführung des Arbeitshubes des Arbeitskolbens mit der dem Grenzdruck entsprechenden Schlagenergie. Die Einzelschläge werden also immer mit voller Schlagenergie ausgeführt, deren Größe dem Grenz­ druck entspricht, unabhängig von der Lieferkapazität der Druckquelle.

Wenn die auf den Steuerkolben wirkende Vorspannung in Abhängigkeit von dem Bohrwiderstand verändert wird, werden bei geringem Bohrwiderstand die Schläge mit re­ lativ geringer Schlagenergie und hoher Frequenz ausge­ führt. Bei großem Bohrwiderstand werden die Schläge dagegen mit hoher Schlagenergie und geringer Schlagfre­ quenz ausgeführt. Dadurch wird unter variierenden Be­ dingungen immer die größtmögliche Bohrleistung erzielt.

Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnun­ gen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Bohrvorrichtung, die das hydrauli­ sche Schlaggerät nach der Erfindung enthält,

Fig. 2 eine schematische Darstellung des inneren Auf­ baus des Schlaggerätes bei einer ersten Ausfüh­ rungsform der Erfindung und

Fig. 3 eine Darstellung des Steuerkolbens mit der Vor­ spannvorrichtung bei einer zweiten Ausführungs­ form der Erfindung.

Die in Fig. 1 dargestellte Bohrvorrichtung weist ein Bohrgestänge 10 auf, das aus mehreren hintereinander­ geschraubten Bohrstangen besteht und am vorderen Ende mit einer Bohrkrone 11 versehen ist. Das rückwärtige Ende des Bohrgestänges 10 ist mit einem Bohrgerät 12 verbunden, das auf einem Schlitten 13 montiert ist. Der Schlitten 13 ist längsverschiebbar auf einer Lafet­ te 14 geführt. Der Antrieb des Schlittens 13 erfolgt über einen Vorschubmotor 15, der über eine Kette 13a den Schlitten 13 entlang der Lafette 14 bewegt. Der Vorschubmotor 15 ist ein Hydraulikmotor. Er bewirkt, daß die Bohrkrone mit einer Vorspannkraft gegen die Bohrlochsohle gedrückt wird. Der Vorschubmotor 15 ist über eine Druckleitung 15a mit einer (nicht dargestell­ ten) hydraulischen Druckquelle verbunden und über eine Rücklaufleitung 15b mit einem (nicht dargestellten) Tank. Der hydraulische Druck in der Druckleitung 15a vergrößert sich in Abhängigkeit von dem Vorschubwider­ stand, den das Bohrloch der Bohrkrone 11 entgegensetzt.

Das Bohrgerät 12 weist ferner einen hydraulischen Dreh­ motor 16 zum Drehen des Bohrgestänges 10 auf. Der Dreh­ motor 16 ist mit einer hydraulischen Druckleitung 16a und mit einer hydraulischen Rücklaufleitung 16b verbun­ den. Wenn der Drehwiderstand des Bohrgestänges 10 steigt, erhöht sich der Druck in der Druckleitung 16a.

Auf das rückwärtige Ende des Bohrgestänges 10 wirkt das hydraulische Schlaggerät 17, das mit einer hydrauli­ schen Druckleitung 17a und einer Rücklaufleitung 17b verbunden ist.

Von den Druckleitungen 15a und 16a führen Steuerleitun­ gen 18 und 19 zu dem Schlaggerät 17, was später noch erläutert wird.

Eine erste Ausführungsform des hydraulischen Schlagge­ räts 17 ist in Fig. 2 dargestellt. Das Schlaggerät 17 weist in einem Gehäuse 20 einen Arbeitszylinder 21 auf, in dem ein Arbeitskolben 22 geführt ist. Das vordere Ende des Arbeitskolbens 23 schlägt auf einen Amboß 24, der mit dem rückwärtigen Ende des Bohrgestänges 10 ver­ bunden ist, so daß die Schläge auf das Bohrgestänge übertragen werden.

Der Arbeitskolben 22 weist eine nach vorne gerichtete ringförmige Arbeitsfläche 25 auf, die den vorderen Zy­ linderraum 26 begrenzt. Dieser Zylinderraum 26 ist über eine Leitung 27 ständig mit der Druckleitung 17a ver­ bunden. Die Arbeitsfläche 25 begrenzt einen verdickten Abschnitt 28 des Arbeitskolbens. Die andere Begrenzung des Abschnitts 28 wird von einer Steuerfläche 29 ge­ bildet, an die sich ein dünnerer Abschnitt 30 an­ schließt. Hinter dem dünneren Abschnitt 30 folgt wieder ein dickerer Abschnitt 31, dessen rückwärtiges Ende von einer Arbeitsfläche 32 gebildet wird. Die Arbeitsfläche 32 begrenzt den rückwärtigen Zylinderraum 33 des Ar­ beitszylinders 21. Die Arbeitsfläche 32 ist größer als die Arbeitsfläche 25.

Die Arbeitsfläche 25 bewegt sich entlang einer Steuer­ nut 34 im vorderen Zylinderraum 26. Die Steuerfläche 29 bewegt sich entlang einer Steuernut 35. Im Bereich des dünneren Abschnitts 30 des Arbeitskolbens mündet eine mit der Rücklaufleitung 17b verbundene Leitung 36 in den Arbeitszylinder 21.

Die Steuernuten 34 und 35 sind an eine Steuerleitung 37 angeschlossen. Der rückwärtige Zylinderraum 33 des Ar­ beitszylinders ist an eine Betriebsleitung 38 ange­ schlossen.

Die Steuerung des Arbeitskolbens 22 erfolgt durch den Steuerkolben 41, der in dem Steuerzylinder 40 bewegbar ist. Der Steuerkolben 41 ist als hohle Hülse ausgebil­ det. Da der Steuerzylinder 40 mit der Druckleitung 27 verbunden ist, herrscht im Innern des Steuerkolbens 41 stets der volle hydraulische Druck.

Der Steuerkolben 41 weist an einem Ende eine erste Ar­ beitsfläche A1 auf, die ständig dem Druck ausgesetzt ist und radiale Rillen aufweist, so daß der Druck an ihr angreifen kann. Am entgegengesetzten Ende des Ar­ beitskolbens befindet sich eine zweite Arbeitsfläche A2, die kleiner ist als die Arbeitsfläche A1. Der Steuerkolben ist mit einem Ringkragen 42 versehen, der an einem Ende durch eine Steuerfläche A3 und am entge­ gengesetzten Ende durch eine Arbeitsfläche A4 begrenzt wird. Die Arbeitsfläche A4 ist mit der Rückleitung 17b verbunden und daher ständig drucklos. Die Steuerfläche A3 ist dem Druck der Steuerleitung 37 ausgesetzt.

Der Steuerkolben 41 ist mit einer Ringnut 43 versehen, die in jeder Stellung des Arbeitskolbens mit der Rück­ laufleitung 17b in Verbindung steht.

An die Druckleitung 17a ist ein Gasdruckspeicher 45 angeschlossen, der einen Gasraum 46 und einen Hydrau­ likraum 47 enthält, die durch eine flexible Membran 48 voneinander getrennt sind. Der Gasdruckspeicher 45 dient als Puffer zur Glättung des hydraulischen Drucks.

Das bisher beschriebene Schlaggerät arbeitet wie folgt: In dem in Fig. 2 dargestellten Zustand ist die Be­ triebsleitung 38 über das Innere des Steuerkolbens 41 mit der Druckleitung 27 verbunden, so daß auf die Ar­ beitsfläche 32 der volle Druck wirkt. Da die Arbeits­ fläche 32 größer ist als die Arbeitsfläche 25, auf die ebenfalls der volle Druck wirkt, führt der Arbeitskol­ ben 22 seinen Arbeitshub aus, an dessen Ende er auf den Amboß 24 schlägt. Sobald die Arbeitsfläche 25 die Steu­ ernut 34 passiert hat, wird die Steuerleitung 37 von der Druckleitung 27 abgetrennt. Wenn die Steuerfläche 29 die Steuernut 35 passiert hat, wird die Steuerlei­ tung 37 über die Nut 35 mit der Leitung 36 verbunden und dadurch drucklos. Somit wirkt auf die Steuerfläche A3 des Steuerkolbens 41 kein Druck mehr. Der Steuerkol­ ben wird nach links bewegt, weil die Kraft, die auf die Arbeitsfläche A1 ausgeübt wird, die Kraft übersteigt, die von demselben Druck auf die Arbeitsfläche A2 ausge­ übt wird. Wenn der Steuerkolben seine linke Endstellung erreicht hat, wird die Betriebsleitung 38 von dem Lie­ ferdruck getrennt und über die Ringnut 43 mit der Rück­ laufleitung 17b verbunden. Dadurch wird der Rückhub des Arbeitskolbens 22 bewirkt. Sobald beim Rückhub die Nut 35 von dem verdickten Abschnitt 28 abgesperrt ist und die Nut 34 von der Arbeitsfläche 25 freigegeben wird, entsteht in der Steuerleitung 37 der volle Druck, der auf die Steuerfläche A3 wirkt und den Steuerkolben in die rechte Endstellung treibt. Die Summe der Flä­ chen A2 und A3 ist größer als die Arbeitsfläche A1.

Die bisher beschriebene Schlagvorrichtung arbeitet bei jeder Größe des in der Druckleitung 17a herrschenden Lieferdrucks, also bereits bei sehr kleinen Liefer­ drücken, da für die Funktion des Steuerkolbens die Grö­ ße des Drucks unerheblich ist.

Der Steuerkolben 41 enthält in seinem Inneren einen Ringkragen 50, an dem eine Vorspannvorrichtung 51 an­ greift. Die Vorspannvorrichtung 51 weist eine schrau­ benförmige Feder 52 auf, die gegen den Ringkragen 50 drückt und an einem Teller 53 abgestützt ist. Der Tel­ ler 53 ist mit einem Kolben 54 verbunden, welcher in einem Zylinder 55 geführt ist. Die Kolbenzylinderein­ heit bildet eine druckbetätigte Stelleinrichtung 56 zur Veränderung der Vorspannung, die den Steuerkol­ ben 41 in seine eine Endlage treibt. Der Zylinder 55 ist an eine Steuerleitung 57 angeschlossen, in der ein Steuerdruck zur Veränderung der Vorspannung herrscht. Diese Steuerleitung 57 ist entweder mit der Leitung 18 oder der Leitung 19 in Fig. 1 verbunden, so daß der Steuerdruck in Abhängigkeit von dem Druck des Vorschub­ motors 15 oder in Abhängigkeit von dem Druck des Dreh­ motors 16 erzeugt wird.

Die Größe der von der Vorspannvorrichtung 51 erzeugten Vorspannkraft, die auf den Steuerkolben 41 ausgeübt wird, hängt ab von der Größe des in der Steuerleitung 57 herrschenden Steuerdrucks. Dieser Steuerdruck steht in keiner proportionalen Beziehung zu dem in der Druck­ leitung 17a des Schlaggerätes 17 herrschenden Liefer­ drucks. Die von dem Steuerdruck erzeugte Vorspannkraft, die auf den Steuerkolben 41 einwirkt und vom Liefer­ druck der Druckleitung 17a unabhängig ist, bestimmt die Größe desjenigen Lieferdrucks in der Druckleitung 17a, der überschritten werden muß, damit der Steuerkolben 41 sich bewegen kann. Wenn der Steuerdruck in Leitung 57 hoch ist, ist die auf den Steuerkolben einwirkende Vor­ spannkraft groß, so daß es eines großen hydraulischen Lieferdrucks in der Druckleitung 17a bedarf, um den Steuerkolben 41 zu bewegen. Ist der Steuerdruck dagegen klein, so genügt ein kleiner Lieferdruck in der Druck­ leitung 17a, um den Steuerkolben zu bewegen.

Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel treibt die Vorspannvorrichtung den Steuerkolben 41 in die (linke) Endlage, in der der rückwärtige Zylinder­ raum 33 des Arbeitszylinders 21 drucklos ist. Folglich nimmt der Arbeitskolben bei geringem Lieferdruck, der nicht ausreicht, um den Steuerkolben in die andere End­ stellung (nach rechts) zu bewegen, die Rückhubposition ein. Abweichend hiervon ist es auch möglich, die Vor­ spannvorrichtung in der entgegengesetzten Richtung wir­ ken zu lassen, also gemäß Fig. 1 von links nach rechts. In diesem Fall würde die Vorspannvorrichtung den Steu­ erkolben in der in Fig. 1 dargestellten Lage festhal­ ten, solange der Lieferdruck gering ist. Dies ent­ spricht einer Stellung, bei der der Arbeitskolben den Amboß 24 berührt.

Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 3 weist die Vor­ spannvorrichtung 51 ebenfalls einen Kolben 54 auf, der in einem Zylinder 55 bewegbar ist. Der Kolben 54 drückt über ein Rohr 60 gegen den Ringkragen 50 des Steuerkolbens 41. Das Rohr 60 weist Öffnungen 61 auf, so daß der Druck in der Leitung 27 in das Innere des Rohres gelan­ gen kann. Der Druckraum des Zylinders 55 ist an eine Gasfeder 62 angeschlossen, während der vordere Zylin­ derraum über eine Leitung 64 mit der Rücklaufleitung 17b verbunden ist. Die Gasfeder 62 besteht aus einem Gasdruckspeicher, der ähnlich ausgebildet ist wie der Gasdruckspeicher 45. In der Steuerleitung 57 befindet sich eine Drossel 63.

Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 3 hat die Gas­ druckfeder 62 die Funktion, die bei dem Ausführungsbei­ spiel von Fig. 1 die mechanische Feder 52 hat. Die Fe­ dern erlauben, daß der Steuerkolben 41 sich entgegen der Wirkung der erzeugten Vorspannung bewegen kann, wenn die Summe der auf die Flächen A2 und A3 wirkenden Kräfte größer ist als die Summe der Druckkraft, die auf die Fläche A1 wirkt und der Vorspannkraft. Die Vor­ spannkraft ist somit elastisch.

Der Steuerdruck, der in dem Zylinder 55 herrscht, ist ein Maß für die Größe des Grenzdrucks der Druckleitung 17a, bei dem der Steuerkolben 41 zu arbeiten beginnt.

Claims (7)

1. Hydraulisches Schlaggerät für eine Bohrvorrich­ tung, mit einem in einem Arbeitszylinder (21) bewegbaren Arbeitskolben (22), einem in einem Steuerzylinder (40) bewegbaren Steuerkolben (41), der mindestens eine Steuerflä­ che (A3) aufweist, auf die der in Abhängigkeit von der Position des Arbeitskolbens (22) wechselnde Druck einer vom Arbeitszylinder (21) kommenden Steuerleitung (37) einwirkt, einer vom Steuerzylinder (40) in den Arbeitszylin­ der (21) führenden Betriebsleitung (38), die zur Durchführung von Arbeitshub und Rückhub des Ar­ beitskolbens (22) abwechselnd mit Druck und Rück­ lauf verbunden wird, und einer den Steuerkolben (41) in eine Endlage treibenden, nachgiebig vorgespannten Vorspannvor­ richtung (51), dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannvorrichtung (51) eine druckbetä­ tigte Stelleinrichtung (56) aufweist, welcher ein Steuerdruck zur Veränderung der Vorspannung zuge­ führt wird, um die Größe der auf den Steuerkolben (41) wirkenden Vorspannkraft in Abhängigkeit von dem Steuerdruck zu verändern.

2. Hydraulisches Schlaggerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerdruck zur Verände­ rung der auf den Steuerkolben (41) wirkenden Vor­ spannung von dem Arbeitsdruck einer hydraulischen Antriebseinrichtung der Bohrvorrichtung abgeleitet ist.

3. Hydraulisches Schlaggerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerdruck von dem Ar­ beitsdruck eines Drehmotors (16) zum Drehen eines Bohrgestänges (10) abgeleitet ist.

4. Hydraulisches Schlaggerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerdruck von dem Ar­ beitsdruck eines Vorschubmotors (15) zum Vorschie­ ben eines Bohrgestänges (10) abgeleitet ist.

5. Hydraulisches Schlaggerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspann­ vorrichtung (51) eine Feder (52) aufweist, deren eines Ende gegen den Steuerkolben (41) drückt und deren anderes Ende von einer mit dem Steuerdruck beaufschlagten Kolbenzylindereinheit abge­ stützt ist.

6. Hydraulisches Schlaggerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vor­ spannvorrichtung (51) eine gegen den Steuerkolben (41) drückende Gasfeder (62) aufweist.

7. Hydraulisches Schlaggerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannvorrichtung (51) eine hydraulische Kolbenzylindereinheit aufweist, deren Zylinder (55) mit der Gasfeder (62) verbunden und an eine den Steuerdruck lie­ fernde Steuerleitung (57) angeschlossen ist.