DE69114280T2 - Hammereinrichtung. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hammervorrichtung, vorzugsweise einen In-Loch-Hammer, der ein Gehäuse, einen Kolben, einen Bohrmeißel und Betätigungsmittel für den Kolben aufweist, um den Bohrmeißel häufig zu schlagen. Die Erfindung betrifft auch einen Kolben und einen Bohrmeißel an sich.
• Bei In-Loch-Hämmern wird die kinetische Energie des Kolbens durch elastische Schwingungen durch den Bohrmeißel und schließlich zu dem Gestein übertragen. Diese Übertragung wird jedoch nicht in optimaler Weise durchgeführt, da der Kolben mit dem Bohrmeißel bezüglich Länge und Masse nicht in Verbindung steht. Auch arbeitet der Bohrmeißel mit dem Gestein nicht in bester Weise zusammen.
• Bei In-Loch-Hämmern nach dem Stand der Technik wurde der Anpassung des Kolbens an den Bohrmeißel wenig Aufmerksamkeit geschenkt, wenn der Bohrmeißel eine Massenkonzentration an dem Ende hat, das dem Gestein zugekehrt ist.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Energieübertragung von dem Kolben auf das Gestein über den Bohrmeißel weiter zu verbessern. Dies wird verwirklicht, indem man auch auf die Verteilung der Impedanz in dem Kolben und dem Bohrmeißel einer Hammervorrichtung seine Aufmerksamkeit richtet, wie in den beigefügten Ansprüchen definiert ist.
• Nachfolgend wird eine Ausführungsform eines In-Loch-Hammers nach der vorliegenden Erfindung beschrieben, wobei man sich auf die beigefügten Zeichnungen bezieht, worin Figur 1 schematisch den Kolben und den Bohrmeißel eines In-Loch-Hammers nach der vorliegenden Erfindung beschreibt; Figur 2 das Verhältnis der aufgebrachten Kraft zu dem Eindringen für einen an einer Gesteinsoberfläche arbeitenden Bohrmeißel zeigt Figur 3 in einem Diagramm das Verhältnis des Wirkungsgrades zu dem Verhältnis ZM/ZT zeigt Figur 4 in einem Diagramm die Beziehung des Wirkungsgrades zu dem Verhältnis TM/TT zeigt Figur 5 in einem Diagramm das Verhältnis des Wirkungsgrades zu dem Parameter 13 zeigt; und Figur 6 ein Diagramm beschreibt, das die Druckund Zugbeanspruchungen in dem Kolben und dem Bohrmeißel zeigt.
• In Figur 1 werden der Kolben 10 und der Bohrmeißel 11 schematisch gezeigt. Wie aus Figur 1 ersichtlich ist, haben der Kolben 10 und der Bohrmeißel 11 relativ zueinander eine umgekehrte Form.
• Der Kolben 10 hat zwei Teile 10a und 10b. Der Teil 10a hat die Länge LM1 und die Impedanz ZM1, während der Teil 10b die Länge LT1 und die Impedanz ZT1 hat. Der Bohrmeißel 11 hat zwei Teile 11a und 11b. Der Teil 11a, d.h. der Kopf des Bohrmeißels, hat die Länge LM&sub2; und die Impedanz ZM&sub2;, während der Teil 11b, d.h. der Schaft des Bohrmeißels, die Länge LT&sub2; und die Impedanz ZT2 hat.
• Wenn Belastungsschwingungsenergie durch Kolben und Bohrmeißel übertragen wird, wurde herausgefunden, daß der Einfluß durch Veränderungen in der Querschnittsfläche A, dem Young- Modul E (Elastizitätsmodul E) und der Dichte 8 in einem Parameter Z, Impedanz genannt, zusammengefaßt werden können. Die Impedanz Z = AE/c, wobei c = (E/8) 1/2, d.h. die elastische Schwingungsgeschwindigkeit. Jede Kombination von A, E und δ die einem bestimmten Wert der Impedanz Z entspricht, ergibt dasselbe Ergebnis bezüglich der Übertragung der Belastungsschwingungsenergie.
• Es sollte darauf hingewiesen werden, daß die Impedanz Z in einem bestimmten Querschnitt, quer zu der axialen Richtung des Kolbens 10 und des Bohrmeißels 11 bestimmt wird, d.h. die Impedanz Z ist eine Funktion entlang der axialen Richtung des Kolbens 10 und des Bohrmeißels 11.
• Daher ist es in dem Rahmen der vorliegenden Erfindung natürlich möglich, daß die lmpedanzen Z für die verschiedenen Teile 10a, 10b, 11a und 11b leicht variieren können, d.h. ZM1, ZT1, ZT2 und ZM2 müssen keinen konstanten Wert innerhalb jedes Teils haben, können aber in der axialen Richtung dieser Teile 10a, 10b, 11a und 11b variieren. In der praktischen Form des Kolbens 10 und des Bohrmeißels 11 werden häufig z.B. Umfangsnuten und/oder -naben recht häufig vorgesehen. Auch kann es z.B. nötig sein, eine Umfangsschulter vorzusehen.
• Es sollte auch darauf hingewiesen werden, daß selbst wenn z.B. die Teile 10a und 10b unterschiedliche Impedanzen ZM1 bzw. ZT1 haben müssen, es möglich ist, den Kolben 10 mit einer im allgemeinen konstanten Querschnittsfläche auszuführen, indem in den Teilen 10a und 10b unterschiedliche Materialien benutzt werden.
• Es ist auch notwendig, einen weiteren Parameter zu definieren, nämlich einen Zeitparameter T. Die Definition ist T = L/c, wobei L die Länge des in Frage stehenden Teils ist und c die elastische Schwingungsgeschwindigkeit in dem in Frage stehenden Teil ist. Somit gilt für den Teil 10a TM1 = LM1/CM1, für den Teil 11a TM2 = LM2/CM2, für den Teil 10b TT1 = LT1/CT1 und für den Teil 11b TT2 = LT2/CT2. Der Grund für die Notwendigkeit, einen Zeitparameter T anstelle der Länge L zu haben, besteht darin, daß unterschiedliche Teile aus unterschiedlichen Materialien bestehen können, die unterschiedliche Werte bezüglich der elastischen Schwingungsgeschwindigkeit c haben.
• Innerhalb des Rahmens der vorliegenden Erfindung ist es auch möglich, daß z.B. der Teil 10a aus mehreren Unterteilen bestehen kann, die unterschiedliche elastische Schwingungsgeschwindigkeit C haben. In einem solchen Fall wird der Zeitparameter T für jeden Unterteil berechnet, und der Gesamtwert des Zeitparameters T für den gesamten Teil 10a ist die Summe der Zeitparameter T für jeden Unterteil.
• Figur 2 zeigt das Verhältnis der auf das Gestein aufgebrachten Kraft F zur Eindringung u in das Gestein. Die Linie k&sub1; veranschaulicht das Verhältnis der Kraft F und der Eindringung u, wenn das Gestein mit einer Kraft F belastet wird. Somit gilt k&sub1; = F/u während der Belastungsfolge, und k&sub1; ist eine Konstante. Die Kraft F&sub1; entspricht der Eindringung u&sub1;. Das Entlasten der Kraft F wird durch die Linie k&sub2; veranschaulicht. Somit gilt k&sub2; = F/u während der Entlastungsfolge, und k2 ist eine Konstante. Wenn vollständiges Entlasten stattgefunden hat, besteht eine verbleibende Eindringung u&sub2;, was bedeutet, daß eine bestimmte Arbeit auf das Gestein ausgeführt wurde, wobei diese Arbeit durch die dreieckige gepunktete Fläche veranschaulicht wird. Der Betrag der Arbeit, den diese Fläche darstellt, wird als W definiert.
• Die kinetische Energie des Kolbens 10, wird als Wk definiert, wenn er sich gegen den Bohrmeißel 11 bewegt.
• Wie oben festgestellt wurde, ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Wirkungsgrad zu maximieren, welcher als das Verhältnis W/Wk definiert ist.
• Die vorliegende Erfindung basiert auf dem Gedanken, daß die Massenverteilung des Kolbens 10 derart ist, daß anfangs eine geringere Masse, d.h. der Teil 10b, den Bohrmeißel 11 berührt. Daraufhin folgt eine größere Masse, d.h. der Teil 10a. Es hat sich herausgestellt, daß durch eine solche Anordnung fast die gesamte kinetische Energie des Kolbens über den Bohrmeißel in das Gestein übertragen wird.
• Der wichtigste Parameter sind die lmpedanzverhältnisse ZM1/ZT1 und ZM2/ZT2. Dieser Parameter sollte in einem bestimmten Intervall liegen. Um einen optimalen Wirkungsgrad zu haben, ist es auch wichtig, daß die Zeitparameterverhältnisse TM1/TT1 und TM2/TT2 in einem bestimmten Intervall liegen.
• In Figur 3 zeigt ein Diagram das Verhältnis des Wirkungsgrades W/Wk zu dem Impedanzverhältnis ZM/ZT, wobei dieses Verhältnis sowohl für den Kolben 10 als auch für den Bohrmeißel 11 gültig ist. Beim Erstellen des Diagramms in Figur 3 gilt TM/TT = 0,5 und β = 1, siehe weiter unten, was die Definition von 13 betrifft. Wie man aus Figur 3 sehen kann, befindet sich das Maximum von W/Wk innerhalb des Intervalls 3,0 - 5,5, vorzugsweise 3,5 - 4,5 von ZM/ZT. In diesem bevorzugten Intervall ist der Wirkungsgrad W/Wk größer als 95%. Der größte Wirkungsgrad W/Wk wird erreicht, wenn gilt ZM/ZT = 4.
• Da der Wirkungsgrad W/Wk seinen Höchstwert hat, wenn ZM/ZT = 4, kann daraus geschlossen werden, daß die theoretisch bevorzugte Form diese ist, wenn die unterschiedlichen Teile 10a, 10b, 11a, 11b des Kolbens 10 und des Bohrmeißels 11 jede eine konstante Impedanz Z in ihren axialen Richtungen haben. Auch sollten die Teile 10a und 11a dieselbe Impedanz und die Teile 10b und 11b dieselbe Impedanz haben. Dies geschieht in den praktischen Ausführungsformen wahrscheinlich nicht, siehe oben. Daher sollte erneut betont werden, daß die Impedanzen ZM1, ZT1, ZT2 und ZM2 nicht konstante Werte zu haben brauchen, sondern daß sie in axialer Richtung der entsprechenden Teile 10a, 10b, 11a bzw. 11b variieren können. Die einzige Beschränkung besteht darin, daß die Verhältnisse ZM1/ZT1 und ZM2/ZT2 in den Intervallen liegen, die in den anliegenden Ansprüchen festgesetzt sind.
• In Figur 4 zeigt ein Diagramm die Beziehung des Wirkungsgrades W/Wk zu dem Zeitverhältnis TM/TT, wobei das Verhältnis sowohl für den Kolben 10 als auch für den Drehmeißel 11 gültig ist. Beim Erstellen des Diagramms in Figur 4 gilt ZM/ZT = 4 und β = 1, für die Definition von 13 siehe unten. Wie man aus Figur 4 sieht, liegt der Höchstwert W/Wk innerhalb des Intervalls 0,35 - 0,75, vorzugsweise 0,4 - 0,6 von TM/TT. In diesem bevorzugten Intervall liegt der Wirkungsgrad W/Wk gut über 90%. Der größte Wirkungsgrad wird erreicht, wenn gilt TM/TT = 0,5. Somit hat man die optimale Form nach der vorliegenden Erfindung dann, wenn TM1 gleich TM2 ist und TT1 gleich TT2 ist.
• Wenn man die Ergebnisse nach dieser Erfindung bezüglich des Impedanzverhältnisses ZM/ZT und des Zeitverhältnisses TM/TT in Bemessungsarbeit verwendet, ist es auch notwendig, einen Parameter, genannt β, einzuführen. Dieser Parameter β = 2 LH k&sub1;/AT2ET2,wobei LH=LT2+LM2; k&sub1; ist die in Figur 2 veranschaulichte Konstante; AT2 ist die Querschnittsfläche des Teiles 11b; und ET2 ist das Young-Modul für den Teil 11b.
• In Figur 5 wird das Verhältnis des Wirkungsgrades W/Wk zu dem Parameter 13 gezeigt. Wenn das Diagramm von Figur 5 erstellt wird gilt ZM/ZT = 4 und TM/Tt = 0,5. Aus Figur 5 kann man sehen, daß der Wirkungsgrad W/Wk für einen anwachsenden Wert von 13 abnimmt. Daher ist es wichtig, daß genau passende Werte für LH und AT2 gewählt werden und daß auch ein Material gewählt wird, das ein richtiges Young-Modul ET2 hat. Aus praktischen Gründen ist es nicht möglich, β einen zu kleinen Wert zu geben, obwohl der Wirkungsgrad W/Wk für einen abnehmenden Wert für β anwächst.
• Ein äußerst wichtiges, vorteilhaftes Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß der Kolben und der Bohrmeißel einer Hammervorrichtung nach der vorliegenden Erfindung während der Gesteinszerkleinerungsarbeitsperiode der Spannungsschwingung keinen Zugbeanspruchungen unterworfen werden, die erwähnenswert wären. Somit kann die ursprüngliche Beanspruchungsschwingung mehrere Male innerhalb des Systems reflektiert werden, ohne irgendwelche nennenswerte Zugbeanspruchungsschwingungen zu erzeugen. In Figur 6 werden die höchste positive(Zug)Beanspruchung und die höchste negative (Druck)Beanspruchung in jedem Querschnitt des Kolbens 10 und des Bohrmeißels 11 gezeigt in dem Diagramm sind die gezeigten Beanspruchungen dimensionslos, da sie auf eine Vergleichsbeanspruchung bezogen sind. Aus Figur 6 kann gesehen werden, daß im allgemeinen nur der Kolben 10 irgendwelchen Zugbeanspruchungen unterworfen wird und daß der Wert dieser Beanspruchungen vernachlässigbar ist. Es sollte darauf hingewiesen werden, daß da in dem Kolben und dem Bohrmeißel nach der vorliegenden Erfindung Zugbeanspruchungen fast nicht vorliegen, diese Details eine längere Lebenszeit haben als entsprechende Details in einem herkömmlichen In-Loch-Hammer. Die Zugbeanspruchungen sind es, welche die Ermüdung der Details bzw. Teile dieser Art verursachen.
• Die Diagramme nach den Figuren 3, 4, 5 und 6 wurden unter Benutzung eines Computerprogramms erstellt, welches Schlaggesteinsbohren simuliert. Das Computerprogramm wurde jedoch nur verwendet, um die Theorien der vorliegenden Erfindung zu bestätigen, nämlich daß der Kolben 10 und der Bohrmeißel 11 eine umgekehrte Form haben.
• Es sollte hervorgehoben werden, daß die vorliegende Erfindung in keiner Weise auf einen In- Loch-Hammer beschränkt ist, sondern auch in sogenannten Gesteinesbrechern und Hartgesteinbaggermaschinen anwendbar ist. Allgemein gesprochen kann die Erfindung in einem Kolben- Bohrmeißelsystem verwendet werden, wo der Kolben direkt auf den Bohrmeißel wirkt. Es besteht auch keine Begrenzung, was die Betätigung des Kolbens betriffi. Das bedeutet, daß eine solche Betätigung durch z.B. ein hydraulisches Medium, durch Luft oder durch beliebige andere geeignete Mittel durchgeführt werden kann.

Claims (11)

1. Hammervorrichtung, vorzugsweise ein In-Loch-Hammer, die ein Gehäuse, einen Kolben (10), einen Bohrmeißel (11) und Betätigungsmittel für den Kolben (10) aufweist, um häufig den Bohrmeißel (11) zu schlagen, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (10) und der Bohrmeißel (11) relativ zu einander eine umgekehrte Form hinsichtlich der Impedanz Z haben, d.h. der Kolben (10) einen Teil (10a) an seinem rückwärtigen Ende mit der Impedanz ZM1 hat, wobei der Teil (10a) einem Teil (11a) an dem Vorderende des Bohrmeißels (11) entspricht, der Teil (11a) die Impedanz ZM2 hat und ein Teil (10b) an dem Vorderende des Kolbens (10) die Impedanz ZT1 hat, wobei der Teil (10b) einem Teil (11b) an dem rückwärtigen Ende des Bohrmeißels (11) entspricht, und der Teil (11b) die Impedanz ZT2 hat, und daß die Verhältnisse ZM1/ZT1 und ZM2/ZT2 in dem Intervall 3,0 - 5,5 liegen.

2. Hammervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verhältnisse ZM1/ZT1 und ZM2/ZT2 in dem Intervall 3,5 - 4,5, vorzugsweise in der Größenordnung von 4 liegen.

3. Hammervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (10) und der Bohrmeißel (11) bezüglich einander eine umgekehrte Form hinsichtlich eines Zeitparameters T haben, d.h. wobei der Teil (10a) an dem rückwärtigen Ende des Kolbens (10) den Zeitparamter TM1 hat, wobei der Teil (10a) dem Teil (11a) an dem Vorderende des Bohrmeißels (11) entspricht, und der Teil (11a) den Zeitparamter TM2 hat; und der Teil (10b) an dem Vorderende des Kolbens (10) den Zeitparamter TT1 hat, wobei der Teil (10b) dem Teil (11b) an dem rückwärtigen Ende des Bohrmeißels (11) entspricht, der Teil (11b) den Zeitparamter TT2 hat und daß die Verhältnisse TM1/TT1 und TM2/TT2 in dem Intervall 0,35- 0,75 liegen.

4. Hammervorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verhältnisse TM1/TT1 und TM2/TT2 in dem Intervall 0,4 - 0,6, vorzugsweise in der Größenordnung von 0,5 liegen.

5. Kolben (10), der in einer Hammervorrichtung benutzt werden soll, vorzugsweise einem In- Loch-Hammer, der ferner ein Gehäuse, einen Bohrmeißel (11) und Betätigungsmittel für den Kolben (10) aufweist, um den Bohrmeißel (11) häufig zu schlagen, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (10) an seinem rückwärtigen Ende einen Teil (10a) hat, der die Impedanz ZM1 hat, daß der Kolben (10) an seinem Vorderende einen Teil (10b) hat, der die Impedanz ZT1 hat, und daß das Verhältnis ZM1/ZT1 in dem Intervall 3,0 - 5,5 liegt.

6. Kolben (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis ZM1/ZT1 in dem Intervall 3,5 - 4,5, vorzugsweise in der Größenordnung von 4 liegt.

7. Kolben (10) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil (10a) an dem rückwärtigen Ende des Kolbens (10) einen Zeitparameter TM1 hat, wobei der Teil (10b) an dem Vorderende des Kolbens (10) einen Zeitparameter TT1 hat und daß das Verhältnis TM1/TT1 in dem Intervall 0,35 - 0,75 liegt.

8. Kolben (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis TM1/TT1 in dem Intervall 0,4 - 0,6, vorzugsweise in der Größenordnung von 0,5 liegt.

9. Bohrmeißel (11), der dazu bestimmt ist, in einer Hammervorrichtung benutzt zu werden, vorzugsweise einen In-Loch-Hammer, die ferner ein Gehäuse, einen Kolben (10) und Betätigungsmittel für den Kolben (10) aufweist, um den Bohrmeißel (11) häufig zu schlagen, dadurch gekennzeichnet, daß der Bohrmeißel (11) an seinem Vorderende einen Teil (11a) hat, der die Impedanz ZM2 hat, wobei der Bohrmeißel (11) an seinem rückwärtigen Ende einen Teil (11b) hat, der die Impedanz ZT2 hat, und daß das Verhältnis ZM2/ZT2 in dem Intervall 3,0 - 5,5 liegt.

10. Bohrmeißel nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis ZM2/ZT2 in dem Intervall 3,5 - 4,5, vorzugsweise in der Größenordnung von 4 liegt.

11. Bohrmeißel (11) nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil (11a) an dem vorderen Ende des Bohrmeißels (11) den Zeitparameter TM&sub2; hat, daß der Teil (11b) an dem rückwärtigen Ende des Bohrmeißels (11) den Zeitparameter TT2 hat, und daß das Verhältnis TM2/TT2 in dem Intervall 0,35 - 0,75, vorzugsweise in dem Intervall 0,4 - 0,6 und am meisten bevorzugt in der Größenordnung von 0,5 liegt.