DE4424081A1 - Fluidbetätigter Schlaghammer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen fluidbestätigten Schlag­ hammer mit einem Arbeitskolben und einem Steuerkolben, die sich gegenseitig steuern, wobei der Arbeitskolben abwechselnd Schläge auf ein Einsteckende und Rückhübe ausführt.

Ein fluidbetätigter Schlaghammer, von dem der Oberbe­ griff des Patentanspruchs 1 ausgeht, ist bekannt aus EP 0 203 282. Bei diesem Schlaghammer schlägt der Arbeits­ kolben auf das Einsteckende, wobei der vordere (dem Einsteckende zugewandte) Umkehrpunkt der Kolbenbewegung fest ist, während die Größe des Rückhubes in Abhängig­ keit von einem externen hydraulischen Steuerdruck ver­ ändert werden kann, indem wahlweise bestimmte Steuer­ leitungen, die in den Arbeitszylinder hineinführen, verschlossen oder geöffnet werden. Durch Veränderung der Rückhublänge kann die Schlagenergie der Einzel­ schläge des Arbeitskolbens verändert werden. Es ist zweckmäßig, das Einsteckende in dem Hammergehäuse mit einem axialen Freiraum auszustatten, so daß das Ein­ steckende durch die Schläge vorbewegt werden kann, ohne das Hammergehäuse zu belasten.

Beim Einsatz eines Schlaghammers für Erdbohrungen wird mit dem Einsteckende des Schlaghammers ein Bohrstrang aus Bohrrohren verbunden, an dessen vorderem Ende eine Bohrkrone angebracht ist. Zum Vortreiben des Bohrstran­ ges im Bohrloch drückt auf das Hammergehäuse eine Vor­ schubvorrichtung, die das Hammergehäuse nach vorne (ge­ gen das Bohrloch) treibt, während der Arbeitskolben Schläge auf das Einsteckende ausübt. Zum Herausziehen des Bohrgestänges aus dem Bohrloch wird das Hammerge­ häuse zurückgezogen. Dabei kann es vorkommen, daß der Bohrstrang oder die Bohrkrone im Bohrloch hängenbleibt und das zurückziehen behindert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen fluid­ betätigten Schlaghammer zu schaffen, der das Zurückzie­ hen eines Bohrgestänges mit Schlagunterstützung er­ leichtert.

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

Bei dem erfindungsgemäßen Schlaghammer kann der vordere Umkehrpunkt des Arbeitskolbens, der durch eine bestimm­ te Kolbenposition definiert ist, durch eine Verstell­ einrichtung derart variiert werden, daß der Arbeitskol­ ben bei seinem Schlag entweder das Einsteckende in des­ sen rückwärtiger Position erreicht oder das Einstecken­ de in dessen vorderer Position. Die Position des Ein­ steckendes in dem Freiraum ergibt sich in Abhängigkeit davon, ob das Hammergehäuse vorgeschoben oder zurückge­ zogen wird. Beim Vorschieben, also beim normalen Bohr­ betrieb, befindet sich das Einsteckende - bezogen auf das Hammergehäuse - in seiner hinteren Anschlagposi­ tion, weil das Hammergehäuse gegen das Einsteckende drückt, um dieses vorzuschieben. Beim Zurückziehen des Hammergehäuses befindet sich dagegen das Einsteckende in seiner vorderen Anschlagposition - wiederum bezogen auf das Hammergehäuse -, weil das Einsteckende durch den Bohrstrang zurückgehalten wird, während auf das Hammergehäuse eine Rückzugskraft wirkt. Die wählbaren vorderen Umkehrpunkte, die durch Steuernute im Arbeitszylinder definiert sind, sind so gelegt, daß der Arbeitskolben sowohl beim Vorschieben des Hammergehäu­ ses als auch beim Zurückziehen stets auf das Ein­ steckende treffen kann, um die jeweils höchste Schlag­ energie abzugeben, und beim Auftreffen die Umsteuerung des Arbeitskolbens zum Rückhub erfolgt.

Dadurch, daß die Schläge das Einsteckende auch beim Zurückziehen des Hammergehäuses mit ungebremster Schlagenergie erreichen, werden Schlagenergie-Impulse auf das Einsteckende ausgeübt, die sich auf das Bohr­ gestänge übertragen und dessen Herausziehen aus dem Bohrloch erleichtern.

Vorzugsweise ist die Verstelleinrichtung für den vor­ deren Umkehrpunkt des Arbeitskolbens in Abhängigkeit von der Bewegungsrichtung der das Hammergehäuse bewe­ genden Vorschubvorrichtung gesteuert, und zwar derart, daß beim Vorschub der rückwärtige der vorderen Umkehr­ punkte eingestellt ist, während bei Rückzug des Hammer­ gehäuses der vornliegende der vorderen Umkehrpunkte eingestellt ist. Allerdings muß nicht zwangsläufig beim Zurückziehen der Schlagbetrieb durchgeführt werden. Es ist möglich, eine manuelle Steuereinrichtung vorzuse­ hen, um beim Zurückziehen den Schlagbetrieb einzuschal­ ten oder abzustellen. Ferner kann die Einschaltung des Schlagbetriebes automatisch dann erfolgen, wenn die Last der Vorschubvorrichtung oder diejenige des Dreh­ antriebes beim Zurückziehen einen Grenzwert übersteigt.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß auch für den hinteren Umkehrpunkt eine Verstelleinrich­ tung vorgesehen ist, die derart betätigbar ist, daß der hintere Umkehrpunkt des Arbeitskolbens einen Maximal­ wert einnimmt, bei dem der Arbeitskolben rückwärts ge­ richtete Schläge gegen das Gehäuse ausübt. Diese Schlä­ ge übertragen sich vom Gehäuse auf das Einsteckende und bewirken rückwärts gerichtete Impulse auf das Bohrge­ stänge. Beim Zurückziehen und bei gleichzeitig schla­ gendem Betrieb des Arbeitskolbens werden auf das Ein­ steckende Schläge mit der doppelten Frequenz wie beim Vorschubbetrieb ausgeführt, nämlich einmal direkte, nach vorne gerichtete Schläge, und zum anderen über das Hammergehäuse nach hinten wirkende Schläge.

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

Es zeigen

Fig. 1 ein schematisches Schnittbild durch den Schlag­ hammer während des Arbeitsbetriebes, wobei der Arbeitskolben gerade einen vorderen Umkehrpunkt erreicht hat,

Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 1 und

Fig. 3 die Situation beim Zurückziehen des Hammerge­ häuses und in der rückwärtigen Stellung des Arbeitskolbens.

Der Schlaghammer weist ein langgestrecktes Gehäuse 10 auf, in dem ein Arbeitszylinder 11 ausgebildet ist. In dem Arbeitszylinder 11 ist der Arbeitskolben 12 axial bewegbar. Der Arbeitskolben 12 schlägt auf das Ein­ steckende 13, das axial verschiebbar im Hammergehäuse geführt ist und eine Verzahnung 14 aufweist, in die ein (nicht dargestellter) Drehantrieb eingreift, um das Einsteckende 13 zu drehen. Am vorderen Ende 15 des Ein­ steckendes 13 wird ein (nicht dargestelltes) Bohrge­ stänge angeschraubt, das über das Einsteckende 13 ge­ dreht und mit Schlägen beaufschlagt wird.

Die Verzahnung 14 des Einsteckendes 13 ist in einem axialen Freiraum 16 untergebracht, in dem das Einsteck­ ende eine vordere und eine hintere Anschlagposition einnehmen kann. In Fig. 1 ist die (bezogen auf das Ham­ mergehäuse) hintere Anschlagposition 13a und in Fig. 3 die vordere Anschlagposition dargestellt.

Mit "vorne" ist die Richtung zum Ende 15 bzw. zum Bohr­ gestänge hin bezeichnet, während "hinten" die Gegen­ richtung bezeichnet.

Zur Steuerung der Bewegung des Arbeitskolbens 12 dient das Steuerventil 20. Dieses weist einen Steuerkolben 21 auf, der in einem Steuerzylinder 22 bewegbar ist. Der Steuerkolben 21 ist hohl. Er weist eine axial durchge­ hende Bohrung auf. Das eine Ende des Steuerzylinders 22 ist mit einer Druckleitung 24 verbunden, so daß im In­ nern des hohlen Steuerkolbens 21 und an dessen Stirn­ seiten stets der volle Lieferdruck P herrscht. Eine mit dem Öl-Rücklauf R verbundene drucklose Rücklaufleitung 25 ist mit einer ringförmigen Nut 26 des Steuerzylin­ ders 22 verbunden. Diese Nut 26 ist über einen Kanal 27 mit einer weiteren Nut 28 sowie mit einer Verstellein­ richtung 30 verbunden, von der mehrere Zweigleitungen 31 seitlich in den Arbeitszylinder 11 hineinführen.

Der rückwärtige Zylinderraum 32 des Arbeitszylinders 11 ist über eine als Wechselleitung 33 bezeichnete Leitung mit einer Umfangsnut 34 des Steuerzylinders 22 verbun­ den. Durch den rückwärtigen Zylinderraum 32 erstreckt sich ein Ansatz 35 des Kolbens nach hinten. Der Ansatz 35 führt durch einen abgedichteten Bereich 36 hindurch in eine hintere Kammer 37.

Nach vorne schließt sich an den Ansatz 35 ein dicker Kolbenbereich 38 an, der abdichtend an der Wand des Arbeitszylinders entlangstreicht. Darauf folgt eine Nut 39 und auf diese folgt ein dickerer Kolbenabschnitt 40. An den Kolbenabschnitt 40 schließt sich ein dünnerer Ansatz 41 an, der durch einen Dichtungsbereich 42 des Gehäuses hindurchgeht und in eine vordere Kammer 43 hineinragt, in der sich der rückwärtige Schaft 44 des Einsteckendes 13 befindet.

An die Druckleitung 24 ist der Druckeinlaß einer Ver­ stelleinrichtung 45 angeschlossen, die mindestens zwei Auslässe aufweist, welche alternierend mit dem Druck­ einlaß verbunden werden können. Der eine Auslaß ist mit einer Steuernut 46 und der andere mit einer Steuernut 47 des Arbeitszylinders verbunden. Diese Steuernuten können von der Steuerkante 48 des Arbeitskolbens über­ strichen werden.

Zwischen der Steuernut 46 und den Zweigleitungen 31 ist am Arbeitszylinder eine weitere ringförmige Nut 60 vor­ gesehen, die über eine Steuerleitung 61 mit dem vorde­ ren Zylinderraum 62 des Steuerzylinders 22 verbunden ist.

Der bisher beschriebene Schlaghammer arbeitet beim Boh­ ren wie folgt: Auf das Gehäuse 10 wirkt eine nach vorne gerichtete Vorschubkraft, so daß das Einsteckende 13 sich in der hinteren Anschlagposition 13a gemäß Fig. 1 befindet. Der Arbeitskolben 21 schlägt auf das Ein­ steckende 13, wobei in Fig. 1 das Ende der nach vorne gerichteten Schlagbewegung dargestellt ist. Die Ver­ stelleinrichtung 45 verbindet die Steuernut 46 mit der Druckleitung 24. Sobald die Steuerkante 48 die Steuer­ nut 46 freigegeben hat, was unmittelbar beim Auftreffen des Arbeitskolbens auf das in der rückwärtigen An­ schlagposition befindliche Einsteckende 13 geschieht, gelangt Druck durch die Verstelleinrichtung 45, die Steuernut 46 und die Nut 39 zur Steuerleitung 61, wo­ durch der Steuerkolben 21 gemäß Fig. 1 und 2 nach rechts geschoben wird, also in diejenige Stellung, in der er den Rückhub des Arbeitskolbens bewirkt. In die­ ser Stellung wurden die Nuten 26 und 34 des Steuerzy­ linders durch eine Ringnut 49 des Steuerkolbens verbun­ den, so daß die Wechselleitung 33 mit der Rücklauflei­ tung 25 verbunden und der rückwärtige Zylinderraum 32 drucklos wird. Durch den auf die vordere Kolbenfläche 50 des Arbeitskolbens wirkenden Druck wird der Arbeits­ kolben dann in die Rückzugsstellung bewegt.

Wenn die die Nut 39 begrenzende Steuerkante 51 eine offene Zweigleitung 31 passiert, wird die Steuerleitung 61 drucklos, so daß der Steuerkolben 21 wieder seine vordere Endlage einnimmt. Dabei gelangen radiale Durch­ lässe 52 am Ende der Wand des Steuerkolbens 21 in den Bereich der Ringnut 34, so daß der im Innern des Steu­ erkolbens herrschende Druck über die Wechselleitung 33 in den rückwärtigen Zylinderraum 32 gelangt. Die Kol­ benfläche 54, die den rückwärtigen Zylinderraum 32 be­ grenzt, hat eine größere Fläche als die vordere Kante 50, die ständig dem Hochdruck ausgesetzt ist.

In Fig. 3 ist gestrichelt die hintere Anschlagposition 13a dargestellt, die das Einsteckende 13 einnimmt, wenn das Gehäuse 10 vorgeschoben wird. Der vordere Umkehr­ punkt P1 des Arbeitskolbens 12 ist dann erreicht, wenn die Steuerkante 48 in den Bereich der Steuernut 46 ge­ langt.

Wenn sich das Einsteckende 13 in der vorderen Anschlag­ position 13b befindet, also beim Zurückziehen des Ge­ häuses 10, wird die Verstelleinrichtung 30 umgesteuert, so daß sie den Weg zur Steuernut 46 sperrt und statt dessen den Weg zur Steuernut 47 öffnet. Der vordere Um­ kehrpunkt des Arbeitskolbens ist erst erreicht, wenn die Steuerkante 48 in den Bereich der Steuernut 47 ge­ langt, die durch die Verstelleinrichtung 30 mit der Druckleitung 24 verbunden ist. Für den Arbeitskolben ergibt sich dann der zweite vordere Umkehrpunkt P2, der um das Maß der Länge des Freiraums 16 gegenüber P1 vor­ verlegt ist.

Die Verstelleinrichtungen 30 und 45 enthalten jeweils Stellschieber, die durch den Druck in einer gemeinsamen Steuerleitung 55 gesteuert werden. Die Steuerleitung 55 ist mit dem Steuereingang der Verstelleinrichtung 45 unmittelbar und mit dem Steuereingang der Verstellein­ richtung 30 über ein Rückschlagventil 53 verbunden. Wenn der Druck der Steuerleitung 55 unterhalb eines vorbestimmten Wertes liegt, ist der Druck der Drucklei­ tung 24 auf die Steuernut 46 durchgeschaltet. Über­ steigt der Druck den Grenzwert, dann sperrt die Ver­ stelleinrichtung die Steuernut 46 ab und öffnet die Steuernut 47.

Die Verstelleinrichtung 30 wird normalerweise durch den Druck einer weiteren Steuerleitung 56 so gesteuert, daß in Abhängigkeit vom Steuerdruck dieser Leitung mehr oder weniger Zweigleitungen 31 mit der Rücklaufleitung 25 verbunden werden. Die Verstelleinrichtung 30 enthält zu diesem Zweck einen druckabhängig bewegbaren Schie­ ber, dessen Position vom Steuerdruck abhängt. Mit dem Druck in der Steuerleitung 56 kann somit der rückwärti­ ge Umkehrpunkt des Arbeitskolbens in Stufen verändert werden. Wenn der Druck an der Steuerleitung 55 den vor­ gegebenen Grenzwert übersteigt, wird die Verstellein­ richtung 30 zwangsweise in diejenige Position gebracht, in der nur die äußerste Zweigleitung 31a mit der Rück­ laufleitung 25 verbunden ist, während alle anderen Zweigleitungen 31 gesperrt sind. Dies bedeutet, daß der rückwärtige Umkehrpunkt des Arbeitskolbens so weit zu­ rückliegt, daß der Arbeitskolben gegen die Rückwand 57 des Gehäuses schlägt, so daß auf das Gehäuse rückwärts­ gerichtete Schläge ausgeübt werden, die auf das in der vorderen Anschlagposition befindliche Einsteckende 13 übertragen werden. Die Verstelleinrichtungen 30 und 45 können durch den Druck in der Steuerleitung 55 zeit­ gleich (synchron) geschaltet werden, so daß die Hublän­ ge des Arbeitskolbens zugleich nach vorne und hinten verlängert wird. Es ist aber auch möglich, bei einem niedrigeren Wert des Steuerkolbens zunächst die eine Verstelleinrichtung zu schalten und bei Erreichen eines höheren Wertes des Steuerdrucks die andere Verstellein­ richtung.

Der Steuerdruck in der Steuerleitung 55 zum Umschalten der Verstelleinrichtungen 30 und 45 kann manuell einge­ schaltet werden. Vorzugsweise ist dieser Druck jedoch mit der Bewegungsrichtung der auf das Hammergehäuse wirkenden Vorschubvorrichtung gekoppelt, so daß der Druck nur aufgebracht wird, wenn die Vorschubvorrich­ tung rückwärts läuft. Läuft die Vorschubvorrichtung dagegen vorwärts, ist die Leitung 55 drucklos, wodurch die unter Vorspannung stehenden Schieber der Verstell­ einrichtungen 30 und 45 den Ruhezustand einnehmen.

Der Druck in der weiteren Steuerleitung 56 kann eben­ falls manuell einstellbar sein. Vorzugsweise ist der Druck in dieser Steuerleitung 56 jedoch abhängig von der Last einer externen Vorrichtung, wie beispielsweise des Drehantriebes oder der Vorschubvorrichtung, um die Hubhöhe des Arbeitskolbens lastabhängig zu verstellen.

Claims (5)

1. Fluidbetätigter Schlaghammer mit
einem Gehäuse (10), das eine Druckleitung (24) und eine Rücklaufleitung (25) aufweist,
einem in dem Gehäuse (10) ausgebildeten Ar­ beitszylinder (11), in dem ein Arbeitskolben (12) bewegbar ist, der abwechselnd vorwärtsge­ richtete Schläge auf ein Einsteckende (13) und Rückhübe ausübt,
einem in einem Steuerzylinder (22) bewegbaren Steuerkolben (21), der in Abhängigkeit von der Stellung des Arbeitskolbens (12) gesteuert ist und seinerseits die Fluidzufuhr zum Arbeitszy­ linder (11) steuert,
wobei der vordere Umkehrpunkt (P1) des Arbeits­ kolbens (12) erreicht ist, wenn der Arbeitskol­ ben auf das Einsteckende (13) schlägt,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Einsteckende (13) in dem Gehäuse (10) ei­ nen axialen Freiraum (16) hat und zwischen minde­ stens einer vorderen (13b) und mindestens einer hinteren (13a) Anschlagposition bewegbar ist, und daß eine Verstelleinrichtung (45) vorgesehen ist, mit der der vordere Umkehrpunkt (P1, P2) des Arbeitskolbens (12) derart veränderbar ist, daß der Arbeitskolben das Einsteckende auch in dessen vorderer Anschlagposition (13b) mit ungebremster Aufschlagenergie erreicht.

2. Schlaghammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Verstelleinrichtung (45) in Abhängig­ keit von der Bewegungsrichtung einer das Gehäuse (10) axial bewegbaren Vorschubvorrichtung derart gesteuert ist, daß der der vorderen Anschlagposi­ tion (13b) des Einsteckendes (13) entsprechende vordere Umkehrpunkt (P2) dann eingestellt ist, wenn die Vorschubvorrichtung das Gehäuse (10) zu­ rückzieht.

3. Schlaghammer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine weitere Verstelleinrichtung (30) für den hinteren Umkehrpunkt des Arbeitskol­ bens (12) vorgesehen ist, durch die der hintere Umkehrpunkt auf einen Maximalwert einstellbar ist, bei dem der Arbeitskolben (12) beim Rückhub Schlä­ ge gegen das Gehäuse (10) ausübt.

4. Schlaghammer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß beide Verstelleinrichtungen (30, 45) ge­ meinsam gesteuert sind.

5. Schlaghammer nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Verstelleinrich­ tung (30) von dem Druck einer ersten Steuerleitung (55) auf den Maximalwert des hinteren Umkehrpunk­ tes und von dem Druck einer zweiten Steuerleitung (56) auf andere Werte des hinteren Umkehrpunktes einstellbar ist.