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Technischer Hintergrund
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Die vorliegende Erfindung betrifft
einen Im-Loch Schlagbohrhammer zum Gesteinsbohren und einen darin
verwendeten Kolben.
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Beschreibung des Standes
der Technik
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Ein dem Stand der Technik entsprechender Kolben
wird in der EP-B1-0 336 010 beschrieben. Der Kolben umfasst einen
zentralen Kanal, an welchen Leitungen angeschlossen sind. Die Leitungen sorgen
für Luftverteilung
an Boden- und Oberseitenkammern über
Umfangsnuten in dem Kolben. Der bekannte Kolben ist geometrisch
komplex und nicht in Hinblick auf Impedanz konstruiert. Zusätzlich hat der
bekannte Hammer ein umkehrbares Gehäuse, in welches Nuten für das Leiten
von Arbeitsluft eingearbeitet sind. Dies ermöglicht es in dem Luftstrom
mitgeführtem Öl, die Schnittstelle
zwischen dem Kolben und der Innenfläche des Gehäuses zu erreichen, um diese
Schnittstelle zu schmieren. Das Vorhandensein der luftführenden
Nuten in dem Gehäuse
trägt jedoch dazu
bei, das Gehäuse
zu schwächen,
und erschwert dessen Herstellung. Es wäre wünschenswert, ein stärkeres Gehäuse bereitzustellen,
welches verhältnismäßig einfach
herzustellen ist und trotzdem für das
Schmieren der Schnittstelle sorgt.
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Ein anderer Im-Loch-Hammer wird in
dem U.S. Patent Nr. 4,015,670 beschrieben, wobei der Kolben sich
auf einem hohlen Luftzufuhrrohr auf- und abbewegt, welches sich
durch ein zentrales Loch des Kolbens hindurch erstreckt. Die Durchgänge für das Leiten
von Druckluft von dem Luftzufuhrrohr zu Kammern oberhalb und unterhalb
des Kolbens sind vollständig
in dem Kolben ausgebildet, um die Auf- und Abbewegung des Kolbens
zu bewirken. Das bedeutet, dass sich einige der Durchgänge von
dem zentralen Loch zu einer oberen Oberfläche des Kolbens erstrecken
und andere Durchgänge
sich von dem zentralen Loch zu einer untere Oberfläche des
Kolbens erstrecken. Ein im Zusammenhang mit solch einer Anordnung
auftretendes Problem ist, dass, wenn die untere Oberfläche des
Kolbens auf den Bohrmeißel aufschlägt, die
Enden der in der unteren Oberfläche befindlichen
Durchgänge
zumindest teilweise von dem Bohrmeißel blockiert werden. Auch
können
die Aufschläge
dazu führen,
dass Risse in der unteren Oberfläche
um die Durchgangsenden herum auftreten.
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Ziele der Erfindung
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Es wäre wünschenswert, einen wirksamen Im-Loch-Bohrhammer
bereitzustellen, welcher verhältnismäßig einfach
herzustellen ist und welcher ein Minimum an Teilen enthält.
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Ein weiteres Ziel ist es, einen Kolben
für einen
Im-Loch-Bohrhammer bereitzustellen, welcher eine gute Schmierung
an zusammenwirkenden Oberflächen
bereitstellt.
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Ein zusätzliches Ziel ist es, einen
Kolben für einen
Im-Loch-Bohrhammer bereitzustellen, welcher wirtschaftlich herzustellen
ist.
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Beschreibung der Zeichnungen
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Diese und andere Ziele der vorliegenden
Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung bevorzugter
Ausführungsformen
davon in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen erkennbar,
in denen
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Die 1A, 1B, 1C und 1D einen Im-Loch-Bohrhammer
gemäß der vorliegenden
Erfindung in einem Längsschnitt
in erster, zweiter, dritter beziehungsweise vierter Position zeigen,
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2A einen
Kolben gemäß der vorliegenden
Erfindung in einem Längsschnitt
zeigt,
die 2B und 2C Ansichten des Kolbens
von 2A von unten beziehungsweise
von oben zeigen,
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2D einen
der vorliegenden Erfindung entsprechenden Kolben in einer Seitenansicht
zeigt,
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3A eine
Längsschnittansicht
eines Luftzufuhrrohres ist,
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3B eine
Querschnittsansicht entlang der Linie 3B–3B in 3A ist,
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4 eine
Längsschnittansicht
eines oberen Abschnitts des Zufuhrrohres und eines daran montierten
Ventils ist,
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5 eine
teilweise weggebrochene Ansicht eines Rohrbefestigungsstiftes ist,
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6 eine
Längsschnittansicht
eines Gehäuses
ist,
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7 eine
Längsschnittansicht
einer Büchse
aus Nylon® ist,
und
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8 eine
Längsschnittansicht
durch ein Dichtungsteil ist.
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Detaillierte Beschreibung
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung
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In den 1A, 1B, 1C und 1D wird
eine bevorzugte Ausführungsform
eines der vorliegenden Erfindung entsprechenden Im-Loch-Bohrhammers gezeigt.
Der Hammer 10 umfasst ein umkehrbares äußeres zylindrisches Gehäuse 11,
welches über
ein Oberteil 14 an einen nicht gezeigtes drehbares Bohrgestängestrang
anschließbar
ist, durch welchen Druckluft geleitet wird. Das Oberteil hat ein
mit dem Gehäuse 11 verbundenes äußeres Schraubengewinde 14A.
Die innere Wand des Gehäuses 11 ist
frei von luftdurchgangbegrenzenden Nuten und auf diese Weise stark
und relativ einfach herzustellen. (Teil-Rückhaltenuten 11B können sich – nur aus Gründen des
Zurückhaltens,
nur falls ein umkehrbares Gehäuse 11 verwendet
wird – in
einem Abschnitt der inneren Wand in Kontakt mit dem Kolben vorgesehen
werden, siehe 6). Ein
Hammerkolben 16 bewegt sich in dem zylindrischen Gehäuse 11 auf und
ab, und Druckluft wird abwechselnd direkt zu dem oberen und unteren
Ende des Kolbens gelenkt, um seine Auf- und Abbewegung in dem Gehäuse zu bewirken.
Jeder abwärts
gerichtete Schlag des Kolbens fügt
einen Aufprallstoß auf
den Ambossabschnitt 30 eines Bohrmeißels 13 hinzu, der
in einem Antriebsteil 12 an dem unteren Abschnitt des zylindrischen
Gehäuses 11 montiert
ist. Wie aus den 1A – 1D erkennbar, haben der Kolben 16 und
der Bohrmeißel 13 eine
im wesentlichen umgekehrte (invertierte) Form in Relation zueinander.
Das bedeutet, dass der Kolben einen breiten oberen Abschnitt und einen
engen unteren Abschnitt hat, und dass der Bohrmeißel einen
breiten unteren Abschnitt und einen engen oberen Abschnitt hat.
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Allgemein gesprochen, wenn Belastungsschwingungsenergie
durch Kolben und Bohrmeißel übertragen
wird, hat sich gezeigt, dass der Einfluss aufgrund von Veränderungen
in dem Querschnittsbereich A, dem Elastizitätsmodul E und der Dichte in
einem Parameter mit der Bezeichnung Impedanz zusammengefasst werden
kann. Die Wichtigkeit von Impedanz ist in dem U.S. Patent Nr. 53065841
diskutiert worden. Die Impedanz Z = AE/c, wobei c = (E/ρ)1/2, d.
h. die elastische Schwingungsgeschwindigkeit. Auf diese Weise ist
Z = 2Aρ.
Der der vorliegenden Erfindung entsprechende Kolben 16 (siehe 2A–2D)
schließt
einen unteren Abschnitt 16B, und einen oberen Abschnitt 16A ein,
welcher gleitbar in die innere Wand des Gehäuses 11 eingreift.
Der obere Abschnitt 16A hat eine Länge LM1 und eine Impedanz ZM1,
während
der untere 16B eine Länge LT1
und eine Impedanz ZT1 hat. Das Verhältnis ZM1/ZT1 liegt in dem
Bereich von 3,5–5,8.
Darüber hinaus
bewegt sich das Verhältnis
LM1/LT1 oder TM1/TT1 in dem Bereich von 1,0–3,0, bevorzugt 1,5–2,5, wobei
TM1 der Zeitparameter des hinteren Kolbenabschnitts 16A ist
und TT1 der Zeitparameter des unteren Kolbenabschnitts 16B ist.
Die Definition des Zeitparameters T ist T = L/c, wobei L die Länge des
fraglichen Abschnitts ist und c die elastische Schwingungsgeschwindigkeit
in dem in Rede stehenden Abschnitt ist. Auf diese Weise ist für den Abschnitt 16A TM1
= LM1/cM1 und für
den Abschnitt 16B TT1 = LT1/cT1. Der Grund, weshalb es
notwendig ist, den Zeitparameter T anstatt der Länge L zu berücksichtigen,
ist, dass unterschiedliche Abschnitte aus unterschiedlichen Materialien
gebildet werden können,
die verschiedene Werte in Bezug auf die elastische Schwingungsgeschwindigkeit
c haben.
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Jeder der Abschnitte 16A und 16B hat
eine zylindrische Grundform und der untere, zylindrische Abschnitt 16B hat
einen verringerten Durchmesser, wodurch verursacht wird, dass sich
an dem oberen Abschnitt 16A eine mittlere Stirnfläche oder
eine abwärts
gerichtete Schulterfläche 22 bildet,
wobei die Oberfläche
bevorzugt senkrecht zu der Mittellinie CL des Hammers verläuft. Die
Konstruktion des Kolbens basiert auf der Idee, dass die Massenverteilung
des Kolbens 16 so ist, dass anfänglich eine kleinere Masse,
d. h. der Abschnitt 16B, in Berührung mit dem Bohrmeißel 13 kommt.
Anschließend
folgt eine größere Masse,
d. h. der Abschnitt 16A. Es hat sich gezeigt, dass durch
eine solche Anordnung fast die gesamte kinetische Energie des Kolbens über den Bohrmeißel in den
Fels hinein übertragen
wird.
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Eine innere zylindrische Wand 37 des
Kolbens begrenzt einen zentralen Durchgang 31 und ist so
angeordnet, dass sie auf einem koaxialen Steuerungsrohr oder Zuführrohr 15 gleitet,
das an dem Oberteil 14 befestigt ist. Das Zuführrohr 15 ist
hohl und schließt
radiale Lufteinlassöffnungen 20 und
radiale Luftauslassöffnungen 21 ein.
Der obere Abschnitt 16A des Kolbens ist mit mehreren Durchgängen 17, 18, 24 und 25 für die Beförderung
von Druckluft ausgestattet. Ein erster Durchgang 17 steht
in Verbindung mit der oberen Stirnfläche 19 des Kolbens
und öffnet
sich über
einen dritten Durchgang 24 an einer Stelle, die sich entlang
der Länge
des Kolbens befindet, in die Wand 37 des Kolbens. Ein zweiter
Durchgang 18 in dem Kolben ist mit der Schulter 22 verbunden
und öffnet
sich in die Wand 37 des Kolbens über einen vierten Durchgang 25 an
einer Stelle, die sich von dem dritten Durchgang 24 aus
aufwärts
befindet. Auf diese Weise öffnet
sich der zweite Durchgang 18 weder in die obere noch die
untere Fläche 19, 27 des
Kolbens hinein. Die Durchgänge 17 und 18 sind
radial von dem äußeren Umfang
des Kolbens durch einen Grat in Abstand angeordnet, um den Kolben
zu stärken
und um Luftverlust zu minimieren. Die Mittellinien CL1 und CL2 der
Durchgänge 17 beziehungsweise
18 sind im wesentlichen zueinander parallel und im wesentlichen
parallel zu der Mittellinie CL des Kolbens. Die Mittellinien CL3
und CL4 der Durchgänge 24 und 25 sind
im wesentlichen zueinander parallel und im wesentlichen senkrecht zu
der Mittellinie des Kolbens. Die Durchmesser der Durchgänge 17, 24, 18 und 25 sind
im wesentlichen identisch. Die Mittellinien CL1 und CL3 der Durchgänge 17 beziehungsweise
24 überschneiden
sich vorzugsweise, und die Mittellinien CL2 und CL4 der Durchgänge 18 beziehungsweise
25 überschneiden sich
vorzugsweise ebenfalls aus Gründen
der Dauerfestigkeit und Sprengung.
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Die Durchgänge 24 und 25 öffnen sich
in den zylindrischen äußeren Umfang
des Kolbens, welcher für
eine gute Schmierung der Gleitflächen
des Kolbens sorgt und die Handhabung des Kolbens erleichtert, wie
etwa die Bohr- und Sprengschritte. Das heißt, dass in der Druckluft mitgeführtes Öl ununterbrochen
an der Innenwand 11a abgelagert wird (und diese so schmiert),
selbst wenn die radialen äußeren Enden
der Durchgänge 24 und
25 im wesentlichen konstant durch die Innenwand abgedichtet werden. Die
Durchgänge 17 sind
um etwa 90° versetzt
angeordnet, und die Durchgänge 18 sind
um etwa 18° versetzt
angeordnet.
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Es sind vier erste Durchgänge 17 gezeigt, die
sich in die obere Oberfläche 19 (2C) hinein öffnen, und
nur zwei zweite Durchgänge 18,
die sich in die mittlere Stirnfläche 22 (2B) hinein öffnen. Es
könnten
aber auch andere Kombinationen der Durchgänge verwendet werden, wie etwa
zum Beispiel drei erste Durchgänge
und drei zweite Durchgänge.
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Der untere Abschnitt 16B gleitet
innerhalb eines zentralen Durchgangs 39 auf einem Bodenkammer-Dichtungsteil,
welches auf Rückhalteeinrichtungen 33 ruht.
Die äußere Wand 40 des
unteren Abschnitts 16B wird gegen eine innere Wand eines
oberen Abschnitts 39a des zentralen Durchgangs 39 gleiten,
um eine Dichtung dazwischen zu bilden. Das Bodenkammer-Dichtungsteil 36 hat
eine im allgemeinen zylindrische Grundform, und hat Nuten 36a für die Aufnahme
von O-Ring-Dichtungen, welche in die innere Oberfläche 11A des
Gehäuses 11 eingreifen. Der
Ambossabschnitt 30 des Bohrmeißels 13 ist innerhalb
eines unteren, vergrößerten Abschnitts 39b des
zentralen Durchgangs 39 angeordnet. Auf diese Weise bilden
das Dichtungsteil 36 und der Bodenteil 12 zusammen
eine Meißelmontagestruktur.
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Eine Bodenkammer 26 ist
ununterbrochen zwischen dem Kolben 16 und dem Dichtungsteil 36 gebildet.
Während
eines Abwärtsstoßes des
Kolbens erreicht der untere Abschnitt 16B des Kolbens eine
in 1B gezeigte Position,
bei der die Oberseite des zentralen Durchgangs 39 des Dichtungsteils 36 geschlossen
ist. In diesem Moment sind die Luftauslassöffnungen 21 in dem
Zuführrohr
ebenfalls geschlossen. Auf diese Weise wird die Bodenkammer 26a gebildet,
welche nach außen
hin geschlossen ist. Darauf beginnt die Luft in der Bodenkammer
gepresst zu werden, da sich der Kolben weiter absenkt. Schließlich schlägt der Kolben
auf den Bohrmeißel 13 auf (siehe 1C), wodurch eine Bodenkammer 26b gebildet
wird.
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Während
der Hammer in Benutzung ist, wird die Druckluft ununterbrochen an
eine zentrale Bohrung 41 des Oberteils befördert. Die
Bohrung 41 ist mit einem kegelförmigen Ventilsitz 42 verbunden, welcher
seinerseits mit einem ausgedehnten Mittelhohlraum 43 verbunden
ist. Das Zuführrohr 15 erstreckt
sich in den Mittelhohlraum 43 des Oberteils 14.
Eine Büchse 45 erstreckt
sich um einen Abschnitt des Steuerungsrohres 15 an einer
Stelle unterhalb des Lufteinlasses 20 herum, um das Zuführrohr innerhalb
des Hohlraumes zu stabilisieren. Die Büchse schließt ringförmige Nuten 45b in
einem äußeren Umfang
davon ein (siehe 7),
um O-Ring-Dichtungen aufzunehmen, welche eine Dichtung gegen die
innere Oberfläche
des Oberteils bilden. Die Büchse
kann aus jedem Material gebildet werden, wird aber bevorzugt aus
einem leichten Material wie etwa Kunststoff (z. B. Nylon®)
gebildet, um das Gewicht zu minimieren, das auf die Stifte 44 wirkt,
die unten beschrieben werden.
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Aufgrund der Verwendung der Büchse 45 zum
Stabilisieren des Zuführrohres,
besteht keine Notwendigkeit, den äußeren Durchmesser des Zuführrohres
mit einer engen Abmessungstoleranz in Bezug auf den inneren Durchmesser
des Oberteils zu fabrizieren, weil die Büchse sicherstellt, dass das Zuführrohr stabilisiert
wird und dass keine Arbeitsluft nach unten über die Büchse hinweg austreten kann.
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Das Zuführrohr ist an dem Oberteil
mittels der beiden seitlichen Stifte 44 (siehe auch 5) montiert, die sich jeweils
durch ausgerichtete radiale Bohrung hindurch erstrecken, die in
dem unteren Abschnitt des Oberteils, der Büchse 45 und dem oberen Abschnitt
des Rohres 15 gebildet sind. Die in dem Steuerungsrohr 15 und
der Büchse 45 gebildeten Bohrungen 15a beziehungsweise 45a werden
in den 3A und 3B gezeigt. Jeder Stift 44 erstreckt
sich von dem Rohr 15 zu den Außenschraubgewinden 14a des
Oberteils, und erstreckt sich in keinem deutlichen Ausmaß in das
Innere des Rohres hinein, und setzt so nicht die Lufttührungskapazität des Rohres, die
auftreten würde,
wenn die Stifte sich vollständig durch
das Rohr erstreckten. Der obere Abschnitt des Rohres 15 trägt ein Prüfventil 35,
welches federnd an dem Rohr 15 mittels einer Ringdruckfeder 50 (siehe 4) angeordnet ist, welche
das Ventil während
der Perioden, in denen die Öffnungen 21 des
Zuführrohres 15 durch
die innere Wand 37 des Kolbens 16 blockiert sind,
unter Spannung geschlossen halten.
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Der Hammer funktioniert unter Bezugnahme auf
die 1A bis 1C folgendermaßen. 1C zeigt die Aufprallposition
des Kolbens 16. Anzumerken ist, dass während eines Bohrvorgangs die
zwischen dem Kolben und dem Dichtungsmittel 39 angeordnete
Bodenkammer 26 nicht näher
als die Länge
L2 der in 1C gezeigten
Bodenkammer 26a kommt. Das vordere Ende 27 des
Kolbens ist gerade auf den Ambossabschnitt 30 des Meißels 13 aufgeprallt.
Eine Schockwelle wird durch den Meißel hindurch zu den Sinterkarbidknöpfen an
der Vorderfläche
des Meißels übertragen,
wodurch Gesteinsmaterial zerstoßen wird.
Der Hammer wird gleichzeitig über
den nicht gezeigten Bohrstrang gedreht.
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Der Kolben wird sich dann wegen des
Rückpralls
von dem Meißel
und aufgrund der Zufuhr von Druckluft von den Luftauslassöffnungen 21 des
Steuerungsrohres 15 aus über die Durchgänge 25 und 18 nach
oben bewegen. Der Kolben wird die Öffnungen 21 schließen, während er
sich aufwärts
bewegt, so dass keine Druckluft mehr durch die Öffnungen 21 ausgestoßen werden
wird. Entsprechend wird die Feder 50 das Ventil 35 nach
oben auf eine Position zum Schließen des Durchgangs (siehe 1B) drücken, da der Luftstrom blockiert
ist. Der Kolben 16 bewegt sich aufgrund seiner Bewegungsenergie
und aufgrund der sich in der unteren Kammer ausdehnenden Luft weiterhin
nach oben. Diese Kolbenbewegung wird sich fortsetzen, bis die nach
unten auf die obere Oberfläche 19 des
Kolbens wirkende Kraft größer wird
als die nach oben wirkende Kraft an der mittleren Stirnfläche 22 des
Kolbens. In der Zwischenzeit sind weder die obere Kammer 32 noch
die untere Kammer 26 mit der Zufuhr von Luft oder den Auslasskanälen (siehe 1B ) verbunden.
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In der in 1A gezeigten Position ist die untere
Kammer 26 nach außen
hin geöffnet
worden, da die innere Wand 39 des Dichtungsteil 36 der
unteren Kammer und die Außenwand 40 des
unteren Abschnitts 16B nicht mehr länger ineinander greifen. Auf
diese Weise wird die Luft von der unteren Kammer durch den Bohrmeißel 13 hindurch
zum Wegblasen von Bohrstaub strömen.
Die obere Kammer 32 wird nun über die Öffnungen 21 und die
Durchgänge 24, 17 mit
Druckluft beliefert. Der Kolben bewegt sich jedoch nach wie vor
nach oben, so dass schließlich die Öffnungen 21 geschlossen
werden, da der Druck der zusammengepressten Luft in der ge schlossenen oberen
Kammer 32 auf ein Niveau angehoben wird, das etwa dem Druck
der Zuführluft
gleicht, die zu dem Steuerungsrohr 15 befördert wird.
Auf dieser Stufe stoppt der Kolben seine Aufwärtsbewegung. Es wird dann aufgrund
der Federkraft der verdichteten Luft in der geschlossenen oberen
Kammer 32 eine Abwärtsbewegung
begonnen. Die Abwärtsbewegung
wird durch Luftdruck beschleunigt, die durch das Öffnen der
Luftzufuhr zu der oberen Kammer 32 hinzugefügt wird,
wenn die Öffnungen 21 mit
dem Durchgang 24 ausgerichtet werden. Der Kolben wird seine
Abwärtsbewegung
fortsetzen, bis die Oberfläche 27 des
länglichen
unteren Abschnitts 16B, wie in 2C gezeigt, auf den Meißel 13 aufprallt.
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Der oben beschrieben Kreislauf wird
sich fortsetzen, solange die Druckluft zu dem Hammer geführt wird
oder bis der Ambossabschnitt 30 des Bohrmeißels, wie
in 1D gezeigt, auf den
Meißelrückhalteeinrichtungen 33 zum
Ruhen kommt. Der letztere Fall kann auftreten, wenn der Meißel auf
einen Hohlraum in dem Fels trifft oder wenn der Hammer angehoben
wird. Um Stöße auf die
Rückhalteeinrichtungen 33 zu
vermeiden, wird die Luftzufuhr nicht den Kolben bewegen, sondern
vielmehr durch die Öffnungen 21 hindurch
austreten und dem durch die Pfeile in 1D angedeuteten
Weg zu der vorderen Außenseite
des Kolbens folgen. Wenn der Hammer jedoch mit Fels in Kontakt kommt,
wird der Meißel 13 in
den Hammer hinein auf die Position von 1C gedrückt werden und das Bohren wird
wieder aufgenommen, vorausgesetzt, dass Druckluft zugeführt wird.
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Tests haben gezeigt, dass der der
vorliegenden Erfindung entsprechende Hammer wenigstens 33% schneller
als die meisten bekannten Hammer ist und er 15% weniger Luftverbrauch
erfordert.
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Weiterhin werden entsprechend der
vorliegenden Erfindung die in dem Kolben gebildeten Luftstrom führenden
Durchgänge
niemals verstopfen, wenn der Kolben auf den Bohrmeißel oder
die Meißelmontagestruktur
aufprallt.
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Die Befestigung des Zuführrohres
durch Stifte, die sich durch den Gewindeabschnitt des Oberteils
hindurch erstrecken, verringert die Höhe des Bohrers. Da die Stifte
nicht durch das Zuführrohr
hindurch verlaufen, behindern sie nicht den Luftstrom.
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Die Verwendung einer Büchse zwischen dem
Zuführrohr
und dem Oberteil ermöglicht
es, das Zuführrohr
in einer stabilen Weise zu befestigen, ohne die Notwendigkeit, dass
ihr äußerer Durchmesser
von den Abmessungen her in etwa mit dem inneren Durchmesser des
Oberteils übereinstimmt.
Auf diese Weise kann das Zuführrohr
einfach und weniger kostenintensiv hergestellt werden.
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Die Ausführungen in der U.S. Patentanmeldung
Nr. 09/099,686, von der diese Anmeldung Priorität beansprucht, und in dem dieser
Anmeldung beigefügten
abstrakten Teil, sind hier durch Bezugnahme eingeschlossen.