EP0203282A1 - Regelung einer hydraulischen Schlagbohrvorrichtung - Google Patents

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EP0203282A1
EP0203282A1 EP86103012A EP86103012A EP0203282A1 EP 0203282 A1 EP0203282 A1 EP 0203282A1 EP 86103012 A EP86103012 A EP 86103012A EP 86103012 A EP86103012 A EP 86103012A EP 0203282 A1 EP0203282 A1 EP 0203282A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
pressure
control
hydraulic
inlet
rotary motor
Prior art date
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Application number
EP86103012A
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English (en)
French (fr)
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EP0203282B1 (de
Inventor
Günter W. Klemm
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ing G Klemm Bohrtechnik GmbH
Original Assignee
Ing G Klemm Bohrtechnik GmbH
ING GUNTER KLEMM SPEZIALUNTERNEHMEN fur BOHRTECHNIK
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Publication date
Application filed by Ing G Klemm Bohrtechnik GmbH, ING GUNTER KLEMM SPEZIALUNTERNEHMEN fur BOHRTECHNIK filed Critical Ing G Klemm Bohrtechnik GmbH
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Publication of EP0203282A1 publication Critical patent/EP0203282A1/de
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25D—PERCUSSIVE TOOLS
    • B25D9/00—Portable percussive tools with fluid-pressure drive, i.e. driven directly by fluids, e.g. having several percussive tool bits operated simultaneously
    • B25D9/14—Control devices for the reciprocating piston
    • B25D9/26—Control devices for adjusting the stroke of the piston or the force or frequency of impact thereof
    • B25D9/265—Control devices for adjusting the stroke of the piston or the force or frequency of impact thereof with arrangements for automatic stopping when the tool is lifted from the working face or suffers excessive bore resistance
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B44/00—Automatic control systems specially adapted for drilling operations, i.e. self-operating systems which function to carry out or modify a drilling operation without intervention of a human operator, e.g. computer-controlled drilling systems; Systems specially adapted for monitoring a plurality of drilling variables or conditions
    • E21B44/02—Automatic control of the tool feed
    • E21B44/06—Automatic control of the tool feed in response to the flow or pressure of the motive fluid of the drive

Definitions

  • the invention relates to a hydraulic hammer drill device with a hydraulic hammer drill, the number of strokes of which can be changed by a control pressure, a hydraulic rotary motor for rotating the drill string acted upon by the hammer drill and with a hydraulic feed device for advancing the drill string, the control pressure being derived from the working pressure of the feed device .
  • the resistance that the rock presents to the drilling device differs. This resistance depends on numerous factors such as the type of rock, the depth of the borehole and the force exerted by the borehole wall on the drill string. If the drilling resistance is low, the hammer drill is operated with a high number of impacts per minute and with relatively low impact energy per individual impact. With high drilling resistance is a low impact rate with high single impact energy appropriate.
  • a known percussion drilling device of the type mentioned at the beginning (DE-OS 31 15 361) automatically changes the percussion frequency and thus also the individual percussion energy as a function of the load condition of the drill string or as a function of the available pressure.
  • the control pressure supplied to the hammer drill is derived either from the pressure of a feed device acting on the drill string. If the drilling resistance is high, the pressure of the feed device increases and thus also the control pressure. This automatically reduces the number of strokes of the hammer drill and increases the single impact energy.
  • the control pressure is generated as a function of the pressure or the load on the rotary motor. In any case, the control pressure depends solely on a single parameter (either the pressure of the feed device or that of the rotary motor).
  • the invention has for its object to design a percussion drilling device of the type mentioned in such a way that the number of impacts is changed depending on the drilling resistance actually occurring, regardless of whether this drilling resistance affects the drilling feed or the rotary drive.
  • the invention provides that the control line carrying the control pressure is connected to a shuttle valve which is the largest of passes through several pending inlet pressures, and that a first inlet pressure of the shuttle valve is derived from the pressure of the feed device and a second inlet pressure is derived from the pressure of the rotary motor.
  • the shuttle valve allows the greater of two pressures present to pass, so that the control pressure which changes the number of strokes of the hammer drill is determined by the greatest of the pressures supplied to the shuttle valve.
  • the rotational resistance increases without the feed resistance increasing accordingly. This is the case, for example, when drilling in tough soils and with a long drill string with a correspondingly high level of friction. In such a situation, the load on the rotary motor increases, so that the increased pressure of the rotary motor takes over the control of the number of strokes.
  • the pressure of the feed device automatically takes over the control of the number of strokes of the hammer drill.
  • the hydraulic percussion drilling device adjusts itself to the type of drilling resistance.
  • the control in the control of the stroke rate is carried out by the drive which is exposed to the greatest load.
  • the inlet pressure of the shuttle valve is supplied by the auxiliary pressure source, which is controlled as a function of the pressure of the one unit by the pressure relief valve.
  • the pressure relief valve can either set the pressure as a linear function of the pressure of the drive unit in question.
  • the pressure which is made available by the auxiliary pressure source and which is greater than the pressure of the controlling drive unit essentially follows the pressure of this antirebs unit linearly.
  • linearity is not absolutely necessary. It is also possible to switch the pressure relief valve between a lower value and an upper value so that the relevant inlet pressure of the shuttle valve is either at the lower or at the upper value.
  • the rotary hammer 10 shown in FIG. 1 has a working cylinder in which the working piston 12 is arranged to be longitudinally displaceable.
  • the front end of the working piston 12 periodically strikes the anvil 13, which is an insertion end connected to a drill string (not shown).
  • the pressure line 15 through which the hydraulic fluid under pressure is supplied to the hammer drill 10 is constantly connected to the front chamber 16 of the working cylinder 11, so that the hydraulic pressure always acts on the control edge 17 of the working piston 12 delimiting the chamber 16.
  • the working piston 12 In the area 18 lying in front of the control edge 17, the working piston 12 has a smaller diameter than the working cylinder 11, while in the area 19 lying behind the control edge 17 the diameter of the working piston corresponds to the diameter of the bore of the working cylinder 11.
  • a region 20 of a smaller diameter adjoins the region 19 and this region is in turn followed by a region of a larger diameter 21.
  • the section 21 of the working piston 12 delimits the rear chamber 22 of the working cylinder towards the front.
  • the chamber 22 is connected via a line 23 to the control cylinder 24, in which the control piston 25, which is designed as a sleeve or hollow piston, can be displaced between two end positions.
  • the inner channel of the control piston 25 is in constant communication with the pressure line 15.
  • the control piston 25 also has an outer annular groove 26 which connects the line 23 to a return line 27 in the one (not shown) end position of the control piston 25 and in which (in Figure 1 shown) position of the control piston 25 is blocked.
  • the control piston 25 connects the line 23 alternately to the pressure line 15 and to the return line 27.
  • the front face 28 of the control piston 25 is constantly exposed to the pressure of the pressure line 15. Since the area of the front end face 28 is larger than that of the rear end face 29, the control piston 25 receives a hydraulic preload in the direction of the left end position (not shown) according to FIG. 1.
  • the control piston 25 also has a circumferential ring 30 whose rear boundary forms a control surface 31 and whose front boundary forms a relief surface 32.
  • the control surface 31 is larger in area than the relief surface 32.
  • the circumferential ring 30 is longitudinally displaceable in a groove 33 of the control cylinder 24.
  • the control line 34 leads into the rear part of this groove, the pressure of which acts on the control surface 31.
  • the front region of the groove 33 is connected to the return line 27 via a line 35.
  • the control line 34 is connected to a plurality of branch lines 340 to 346 which, distributed over the circumference and axially 'staggered', open into the working cylinder 11 at different points.
  • the mouth openings are denoted by 36. If the openings 36 of all branch lines are closed by the section 19 of the working piston 12, the pressure of the front chamber 16 can no longer reach the control line 34, so that the pressure acting on the control surface 31 of the control piston 25 is reduced. The control piston 25 is thereby moved to the left in accordance with FIG. 1.
  • the line 23 is connected to the return line 27 through the annular groove 26, so that the rear chamber 22 of the working cylinder 11 is depressurized. The pressure acting on the control edge 17 now brings about the return stroke of the working piston 12. During the return stroke, the openings 36 of the branch lines 340 to 346 are exposed one after the other.
  • the branch lines 340 to 346 are transverse bores which open into a further cylinder 37 in which a piston 38 can be displaced.
  • the piston 38 has two piston parts 381 and 382 which are arranged at a mutual spacing and whose diameter corresponds to the diameter of the bore of the cylinder 37.
  • the piston parts 381 and 382 are separated from one another by a rod 383 with a smaller diameter.
  • the length of the piston part 381 corresponds approximately to the length of the area in which the branch lines 340 to 346 are in the longitudinal direction merge into cylinder 37.
  • the cylinder 37 is so long that the piston part 381 can be pushed fully out of the region of the branch lines 340 to 346.
  • all branch lines are interconnected by the area of the piston 38 surrounding the rod 383 inside the cylinder 37.
  • the piston 38 is pressed into its front end position by a spring 39, in which it connects the branch lines 340 to 346 to one another.
  • the spring 39 is supported at its rear end on an adjusting slide 40.
  • the adjusting slide 40 is provided with a threaded bolt 41 which projects through an end threaded hole in the housing and can be rotated from the outside.
  • the threaded bolt 41 is secured against inadvertent rotation by a lock nut 42.
  • a control line 43 leads into the cylinder 37.
  • the pressure in the control line 43 thus counteracts the pressure of the spring 39.
  • the piston 38 adjusts to a position in which there is a balance between the force of the spring 39 and the pressure of the control line 43.
  • the shutoff begins at the branch line 346, which is the most forward in the impact direction of the working piston 12, and ends at the most distant branch line 340.
  • a flushing pipe 45 is provided which passes through the housing and through bores in the working piston 12 and the anvil 13 and serves to introduce flushing liquid into the drill string.
  • the hammer drill 10 described is part of an impact drilling device 46, which contains a hydraulic rotary motor 47, as shown in FIG. 2.
  • the rotary motor 47 drives a gearwheel 48 which meshes with a gearwheel 49 which is connected to the drill string 50 in a rotationally fixed manner.
  • the feed device 51 which is a piston-cylinder unit, in the direction of the borehole under constant pressure.
  • the feed device 51 is supported on a stationary abutment.
  • a pressure line 52 leads into the cylinder of the feed device 52 and is pressurized by a pump 54 via a control block 53.
  • the control block 53 is a manually operable changeover valve via which either the pressure line 52 or the pressure line 55 is connected to the pump 54 to advance or retract the impact drill 46.
  • the pressure line 52 for the drilling feed is connected to the one inlet 56 of the shuttle valve 57.
  • the other inlet 58 of the shuttle valve 57 is connected via the further shuttle valve 61 to the hydraulic supply lines 59, 60 of the rotary motor 47.
  • the outlet of the shuttle valve 57 is connected to the control line 43 of the hammer drill 10.
  • the shuttle valve 57 passes the greatest of the pressures of its two inlets 56 and 58 to the control line 43.
  • the shuttle valve 61 has the task of transmitting the respectively greater pressure which prevails in one of these lines to the inlet 58.
  • the purpose of the shuttle valve 61 is to transmit the working pressure of the rotary motor 47 to the shuttle valve 57 when the reversible rotary motor rotates clockwise and counterclockwise.
  • the lines 59, 60 are connected to a pump 63 via a control block 62 for manually switching the direction of rotation of the rotary motor.
  • the pressure in the pressure line 52 is approximately 100 bar during normal drilling operations. If the drilling resistance is higher, the pressure can rise to the maximum delivery pressure of the pump 54, for example to 250 bar.
  • the pressure of the rotary motor 47 is about 80 bar with a normal drilling resistance and with an increased drilling resistance this pressure can rise to the maximum delivery pressure of the pump 63, for example to 175 bar.
  • the spring 39 (Fig. 1) of the piston 38 is set so that the branch lines 340 to 346 are released by the piston 38 when the pressure of the control line 43 exceeds 120 bar.
  • FIG. 3 shows the curve of the control pressure P of the control line 43 with increasing pressure P D of the rotary drive 47 and increasing pressure P v of the feed device 51.
  • the pressures P D and P v have normal values, ie the Device for changing the stroke rate need not respond.
  • the rotational resistance initially increases, so that the pressure P D increases.
  • the response pressure of the piston 38 here: 120 bar
  • it begins to move the piston 38 and thereby reduce the number of strokes of the hammer drill 10.
  • This control range is shown in Fig. 3 by the thick line.
  • the diagram assumes that the feed resistance also increases at time t 2 , so that the pressure P v increases.
  • FIG. 4 largely corresponds to that of FIG. 2, so that the following description can be limited to the differences.
  • the pump 63 according to FIG. 4 has a maximum delivery pressure of 120 bar. This delivery pressure is so low that it is not sufficient as a response pressure for the piston 38 of the hammer drill 10 or is in any case insufficient for a noticeable adjustment of the number of strokes. Therefore, the outlet line 64 of the shuttle valve 61 is not directly connected to the inlet 58 of the shuttle valve 57, but to the control input of the pressure relief valve 65, which connects an auxiliary pressure source 66 (pump) to the tank. The maximum delivery pressure of the auxiliary pressure source 66 is above that of the pump 63. The pressure supplied to the inlet 58 of the shuttle valve 57 is determined by the pressure relief valve 65.
  • This pressure is 50 bar when the control pressure on line 64 is low and 150 bar when the control pressure on line 64 is high.
  • the switchover from 50 bar to 150 bar takes place when the control pressure on line 64 reaches a value (e.g. 80 bar) at which the rotary drive 47 is already subjected to a high load, but which is not sufficient to adjust the number of strokes on the hammer drill 10 to effect.
  • the pressure respectively set by the pressure relief valve 65 is fed to the inlet 58. If this pressure exceeds the pressure at inlet 56 and is so high that it exceeds the response threshold of the stroke rate control, it causes a reduction in the stroke rate.
  • P D the pressure of the rotary drive 47.
  • This pressure assumes a maximum value of 120 bar, which is not sufficient for effective control of the stroke rate.
  • P H denotes the Auxiliary pressure generated by the pressure relief valve 165.
  • the auxiliary pressure P H goes from 50 bar to 150 bar. This value lies above the response threshold of the stroke rate control (here: 120 bar), so that the stroke rate control starts and the stroke rate is reduced. If the feed resistance subsequently rises, the pressure P exceeds the auxiliary pressure P H , so that it takes over the further reduction in the number of strokes above the pressure of 150 bar.
  • the pressure relief valve 65 acts as a kind of amplifier - in the present embodiment with two-point behavior. Depending on the pressure of line 64, it generates an auxiliary pressure P H which is greater than the control pressure and which takes over the control of the stroke rate.
  • the auxiliary pressure source 66 must be able to deliver a relatively high pressure, but it can have a small delivery rate since, with the exception of the energy for adjusting the piston 38 (FIG. 1), it does not have to apply any drive energy.
  • the amplifier formed by the auxiliary pressure source 66 and the controllable pressure relief valve 65 does not act linearly in the exemplary embodiment in FIG. 4, namely as a two-point amplifier.
  • a pressure limiting valve which continuously, preferably linearly, changes the auxiliary pressure P H as a function of the pressure of the line 64.

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Abstract

Die Schlagzahl eines Bohrhammers (10) wird durch einen Steuerdruck verändert. Die den Steuerdruck liefernde Steuerleitung (43) ist an ein Wechselventil (57) angeschlossen, das an seinem Auslaß den größeren Druck der beiden Einlässe (56, 58) liefert. Der eine Einlaß (56) ist an die Druckleitung (52) der Vorschubvorrichtung (51) angeschlossen und ein anderer Einlaß empfängt einen Druck, der von einem Druckbegrenzungsventil (65) in Abhängigkeit von dem Druck des Drehmotors (47) erzeugt wird. Die Schlagzahl des Bohrhammers (10) wird verringert, wenn der Druck der Vorschubvorrichtung (51) oder des Drehmotors (47) ansteigt.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine hydraulische Schlagbohrvorrichtung mit einem hydraulischen Bohrhammer, dessen Schlagzahl durch einen Steuerdruck veränderbar ist, einem hydraulischen Drehmotor zum Drehen des von dem Bohrhammer beaufschlagten Bohrstrangs und mit einer hydraulischen Vorschubvorrichtung zum Vorschieben des Bohrstrangs, wobei der Steuerdruck von dem Arbeitsdruck der Vorschubvorrichtung abgeleitet ist.
  • Beim Schlagbohren ist der Widerstand, den das Gestein der Bohrvorrichtung entgegensetzt, unterschiedlich. Dieser Widerstand hängt von zahlreichen Faktoren, wie der Art des Gesteins, der Tiefe des Bohrlochs und der Krafteinwirkung der Bohrlochwand auf den Bohrstrang, ab. Bei geringem Bohrwiderstand wird der Bohrhammer mit hoher Schlagzahl pro Minute und mit relativ geringer Schlagenergie pro Einzelschlag betrieben. Bei hohem Bohrwiderstand ist eine niedrige Schlagzahl bei hoher Einzelschlagenergie zweckmäßig.
  • Eine bekannte Schlagbohrvorrichtung der eingangs genannten Art (DE-OS 31 15 361) verändert die Schlagfrequenz und somit auch die Einzelschlagenergie in Abhängigkeit von dem Belastungszustand des Bohrstrangs bzw. in Abhängigkeit von dem zur Verfügung stehenden Druck automatisch. Hierzu wird der dem Bohrhammer zugeführte Steuerdruck entweder von dem Druck einer auf den Bohrstrang einwirkenden Vorschubeinrichtung abgeleitet. Bei hohem Bohrwiderstand steigt der Druck der Vorschubvorrichtung und somit auch der Steuerdruck. Dadurch wird automatisch die Schlagzahl des Bohrhammers verringert und die Einzelschlagenergie erhöht. Bei einer anderen Variante der bekannten Schlagbohrvorrichtung wird der Steuerdruck in Abhängigkeit von dem Druck bzw. der Belastung des Drehmotors erzeugt. In jedem Fall ist der Steuerdruck ausschließlich von einem einzigen Parameter (entweder von dem Druck der Vorschubvorrichtung oder von demjenigen des Drehmotors) abhängig.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schlagbohrvorrichtung der eingangs genannten Art derart auszubilden, daß die Schlagzahl in Abhängigkeit von dem tatsächlich auftretenden Bohrwiderstand verändert wird, und zwar unabhängig davon, ob dieser Bohrwiderstand sich auf den Bohrvorschub oder auf den Drehantrieb auswirkt.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die den Steuerdruck führende Steuerleitung an ein Wechselventil angeschlossen ist, das den größten von mehreren anstehenden Einlaßdrücken durchläßt, und daß ein erster Einlaßdruck des Wechselventils von dem Druck der Vorschubvorrichtung und ein zweiter Einlaßdruck von dem Druck des Drehmotors abgeleitet ist.
  • Das Wechselventil läßt jeweils den größeren von zwei anstehenden Drücken durch, so daß der Steuerdruck, der die Schlagzahl des Bohrhammers verändert, durch den größten der dem Wechselventil zugeführten Drücke bestimmt wird. Beim Schlagbohren gibt es Situationen, in denen der Drehwiderstand ansteigt, ohne daß der Vorschubwiderstand entsprechend ansteigt. Dies ist beispielsweise beim Bohren in zähen Böden und bei einem langen Bohrstrang mit entsprechend hoher Reibung der Fall. In einer solchen Situation steigt die Last des Drehmotors an, so daß der erhöhte Druck des Drehmotors die Steuerung der Schlagzahl übernimmt. Andererseits kann es in felsigen Böden vorkommen, daß der Vorschubwiderstand ansteigt, ohne daß der Drehwiderstand ebenfalls ansteigt. In solchen Fällen übernimmt der Druck der Vorschubvorrichtung selbsttätig die Steuerung der Schlagzahl des Bohrhammers.
  • Die erfindungsgemäße hydraulische Schlagbohrvorrichtung stellt sich von selbst auf die Art des Bohrwiderstandes ein. Die Führung bei der Steuerung der Schlagzahl erfolgt durch denjenigen Antrieb, der der größten Belastung ausgesetzt ist.
  • Wenn die Vorschubvorrichtung und der Drehmotor mit etwa gleichen Drücken beaufschlagt werden, können diese Drücke dem als Vergleicher wirkenden Wechselventil unmittelbar zugeführt werden. Häufig ist diese Voraussetzung aber nicht gegeben, denn in der Regel ist der Druck, mit dem der Drehmotor betrieben wird, niedriger als der Druck, mit dem die Vorschubvorrichtung betrieben wird. Derartig ungleiche Drücke können nicht miteinander verglichen werden. Um auch in einem solchen Fall den Steuerdruck von dem jeweils am meisten belasteten Antriebsaggregat zu beeinflussen, ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß einer der Einlaßdrücke von einer an ein Druckbegrenzungsventil angeschlossenen Hilfsdruckquelle geliefert wird und daß der Begrenzungswert des Druckbegrenzungsventils von dem Druck des Drehmotors oder der Vorschubvorrichtung gesteuert ist. Hierbei wird der eine Einlaßdruck des Wechselventils von der Hilfsdruckquelle geliefert, die in Abhängigkeit von dem Druck des einen Aggregates durch das Druckbegrenzungsventil gesteuert ist. Das Druckbegrenzungsventil kann den Druck entweder in linearer Abhängigkeit vom Druck des betreffenden Antriebsaggregates einstellen. In diesem Fall folgt der Druck, der von der Hilfsdruckquelle zur Verfügung gestellt wird und der größer ist als der Druck des steuernden Antriebsaggregates,dem Druck dieses Antirebsaggregates im wesentlichen liniear. Eine solche Linearität ist aber nicht unbedingt erforderlich. Es besteht auch die Möglichkeit, das Druckbegrenzungsventil zwischen einem unteren Wert und einem oberen Wert umzuschalten, so daß der betreffende Einlaßdruck des Wechselventils entweder auf dem unteren oder auf dem oberen Wert liegt.
  • Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.
  • Es zeigen:
    • Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch den Bohrhammer,
    • Fig. 2 das Hydraulikschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels, bei dem ein direkter Druckvergleich zwischen den Drücken von Vorschubvorrichtung und Drehmotor erfolgt,
    • Fig. 3 ein Diagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise der Hydraulikschaltung nach Fig. 2,
    • Fig. 4 ein Hydraulikschaltbild einer zweiten Ausführungsform mit Hilfsdruckquelle und Druckbegrenzungsventil, und
    • Fig. 5 eine graphische Darstellung der Funktion der Hydraulikschaltung nach Fig. 4 bei steigendem Bohrwiderstand.
  • Der in Figur 1 dargestellte Bohrhammer 10 weist einen Arbeitszylinder auf, in dem der Arbeitskolben 12 längsverschiebbar angeordnet ist. Der Arbeitskolben 12 schlägt mit seinem vorderen Ende periodisch auf den Amboß 13, bei dem es sich um ein mit einem (nicht dargestellten) Bohrstrang verbundenes Einsteckende handelt.
  • Die Druckleitung 15, durch die dem Bohrhammer 10 die unter Druck stehende Hydraulikflüssigkeit zugeführt wird, ist ständig an die vordere Kammer 16 des Arbeitszylinders 11 angeschlossen, so daß der Hydraulikdruck stets auf die die Kammer 16 begrenzende Steuerkante 17 des Arbeitskolbens 12 wirkt. In dem vor der Steuerkante 17 liegenden Bereich 18, hat der Arbeitskolben 12 einen kleineren Durchmesser als der Arbeitszylinder 11, während in dem hinter der Steuerkante 17 liegenden Bereich 19 der Durchmesser des Arbeitskolbens dem Durchmesser der Bohrung des Arbeitszylinders 11 entspricht. An den Bereich 19 schließt sich ein Bereich 20 kleineren Durchmessers an und an diesen wiederum ein Bereich größeren Durchmessers 21.
  • Der Abschnitt 21 des Arbeitskolbens 12 begrenzt die rückwärtige Kammer 22 des Arbeitszylinders nach vorne hin. Die Kammer 22 ist über eine Leitung 23 mit dem Steuerzylinder 24 verbunden, in welchem der als Hülse oder Hohlkolben ausgebildete Steuerkolben 25 zwischen zwei Endstellungen verschiebbar ist. Der Innenkanal des Steuerkolbens 25 steht in ständiger Verbindung mit der Druckleitung 15. Der Steuerkolben 25 weist außerdem eine äußere Ringnut 26 auf, die in der (nicht dargestellten) einen Endstellung des Steuerkolbens 25 die Leitung 23 mit einer Rücklaufleitung 27 verbindet und in der (in Figur 1 dargestellten) Stellung des Steuerkolbens 25 blockiert ist. Durch den Steuerkolben 25 wird die Leitung 23 abwechselnd mit der Druckleitung 15 und mit der Rücklaufleitung 27 verbunden.
  • Die vordere Stirnseite 28 des Steuerkolbens 25 ist ständig dem Druck der Druckleitung 15 ausgesetzt. Da die Fläche der vorderen Stirnseite 28 größer ist als diejenige der rückwärtigen Stirnseite 29, erhält der Steuerkolben 25 eine hydraulische Vorspannung in Richtung auf die (nicht dargestellte) gemäß Figur 1 linke Endlage. Der Steuerkolben 25 weist außerdem einen Umfangsring 30 auf, dessen rückwärtige Begrenzung eine Steuerfläche 31 und dessen vordere Begrenzung eine Entlastungsfläche 32 bildet. Die Steuerfläche 31 ist flächenmäßig größer als die Entlastungsfläche 32. Der Umfangsring 30 ist in einer Nut 33 des Steuerzylinders 24 längsverschiebbar. In den rückwärtigen Teil dieser Nut führt die Steuerleitung 34 hinein, deren Druck auf die Steuerfläche 31 einwirkt. Der vordere Bereich der Nut 33 steht über eine Leitung 35 mit der Rücklaufleitung 27 in Verbindung.
  • In der in Figur 1 dargestellten Position des Steuerkolbens 25 sind die Flächen 29 und 31 und die vordere Stirnseite 28 des Steuerkolbens jeweils mit dem gleichen Druck beaufschlagt. Da die Summe der Flächen 29 und 31 größer ist als die Fläche der Stirnseite 28, wird der Steuerkolben 25 in seiner (vorderen) rechten Endlage gehalten. In dieser Lage gelangt der Druck durch die Leitung 23 in die rückwärtige Kammer 22 des Arbeitszylinders 11. Der Arbeitskolben 12 wird somit in Richtung auf den Amboß 13 beschleunigt, so daß ein Schlag ausgeführt wird.
  • Die Steuerleitung 34 ist mit mehreren Zweigleitungen 340 bis 346 verbunden, die umfangsmäßig verteilt und axial-'gestaffelt'an unterschiedlichen Stellen in den Arbeitszylinder 11 einmünden. Die Mündungsöffnungen sind mit 36 bezeichnet. Wenn die öffnungen 36 aller Zweigleitungen durch den Abschnitt 19 des Arbeitskolbens 12 verschlossen sind, kann der Druck der vorderen Kammer 16 nicht mehr in die Steuerleitung 34 gelangen, so daß sich der auf die Steuerfläche 31 des Steuerkolbens 25 einwirkende Druck verringert. Der Steuerkolben 25 wird dadurch gemäß Figur 1 nach links bewegt. Dabei wird durch die Ringnut 26 die Leitung 23 mit der Rücklaufleitung 27 verbunden, so daß die rückwärtige Kammer 22 des Arbeitszylinders 11 drucklos wird. Der auf die Steuerkante 17 einwirkende Druck bewirkt nunmehr den Rückhub des Arbeitskolbens 12. Während des Rückhubes werden die öffnungen 36 der Zweigleitungen 340 bis 346 nacheinander freigelegt.
  • Die Zweigleitungen 340 bis 346 sind Querbohrungen, die in einen weiteren Zylinder 37 einmünden, in dem ein Kolben 38 verschiebbar ist. Der Kolben 38 hat zwei mit gegenseitigem Abstand angeordnete Kolbenteile 381 und 382, deren Durchmesser dem Durchmesser der Bohrung des Zylinders 37 entspricht. Die Kolbenteile 381 und 382 sind durch eine Stange 383 mit kleinerem Durchmesser voneinander getrennt. Die Länge des Kolbenteiles 381 entspricht etwa der Länge desjenigen Bereichs, in dem die Zweigleitungen 340 bis 346 in Längsrichtung gestaffelt in den Zylinder 37 einmünden. Der Zylinder 37 ist jedoch so lang, daß das Kolbenteil 381 voll aus dem Bereich der Zweigleitungen 340 bis 346 herausgeschoben werden kann. In diesem Falle sind sämtliche Zweigleitungen durch den die Stange 383 umgebenden Bereich des Kolbens 38 im Inneren des Zylinders 37 untereinander verbunden.
  • Der Kolben 38 wird von einer Feder 39 in seine vordere Endstellung gedrückt, in der er die Zweigleitungen 340 bis 346 untereinander verbindet. Die Feder 39 ist an ihrem rückwärtigen Ende an einem Justierschieber 40 abgestützt. Der Justierschieber 40 ist mit einem Gewindebolzen 41 versehen, der durch eine stirnseitige Gewindebohrung des Gehäuses hindurchragt und von außen gedreht werden kann. Der Gewindebolzen 41 ist durch eine Kontermutter 42 gegen unbeabsichtigtes Drehen gesichert.
  • Durch Drehen des Gewindebolzens 41 kann die axiale Lage des Justierschiebers 40 und somit auch die Vorspannung der Feder 39 verändert werden.
  • An dem der Feder 39 abgewandten Ende des Kolbens 38 führt eine Steuerleitung 43 in den Zylinder 37 hinein. Der Druck in der Steuerleitung 43 wirkt also dem Druck der Feder 39 entgegen. Der Kolben 38 stellt sich auf eine Stellung ein, in der ein Gleichgewicht zwischen der Kraft der Feder 39 und dem Druck der Steuerleitung 43 besteht. Je größer der Druck in der Steuerleitung 43 ist, umso mehr Zweigleitungen 340 bis 346 werden von dem Kolbenteil 381 des Kolbens 38 abgesperrt. Die Absperrung beginnt an der in Schlagrichtung des Arbeitskolbens 12 am weitesten vorne liegenden Zweigleitung 346 und endet an der am weitesten zurückliegenden Zweigleitung 340.
  • Bei einem Rückhub des Arbeitskolbens 12 (gemäß Figur 1 nach links) gelangt der in der Kammer 16 herrschende volle Druck über den Zylinder 37 erst dann in die Steuerleitung 34 des Steuerzylinders 25, wenn die Steuerkante 17 in den Bereich der ersten Zweigleitung 340 bis 346 gelangt ist, die durch das Kolbenteil 381 nicht abgeschlossen ist. Dies bedeutet, daß der Rückhub des Arbeitskolbens 12 umso größer wird, je mehr Zweigleitungen 340 bis 346 (beginnend mit der vordersten Zweigleitung 346) abgesperrt sind. Wenn die Steuerkante 17 die erste geöffnete Zweigleitung erreicht hat, wird über die Steuerleitung 34 der Steuerkolben 25 in die in Figur 1 dargestellte Position gebracht, in der die rückwärtige Kammer 22 des Arbeitszylinders 11 mit dem Druck der Druckleitung 15 beaufschlagt werden kann, wodurch die nach vorne gerichtete Schlagbewegung des Arbeitskolbens erfolgt.
  • In Figur 1 sind ferner einige Leck- und Rückführungsleitungen 44 dargestellt, die sämtlich mit der Rücklaufleitung 27 verbunden sind. Diese Leitungen 44 haben die Aufgabe,Hydraulikflüssigkeit, die durch Leckage in verschiedene drucklose Bereiche der Schlagvorrichtung gelangt sind, wieder in den Tank zurückzuführen.
  • Schließlich ist ein durch das Gehäuse und durch Bohrungen in dem Arbeitskolben 12 und dem Amboß 13 hindurchgehendes Spülrohr 45 vorgesehen, das zur Einleitung von Spülflüssigkeit in den Bohrstrang dient.
  • Der beschriebene Bohrhammer 10 ist gemäß Fig. 2 Bestandteil einer Schlagbohrvorrichtung 46, die einen hydraulischen Drehmotor 47 enthält. Der Drehmotor 47 treibt ein Zahnrad 48 an, welches mit einem Zahnrad 49 kämmt, das drehfest mit dem Bohrstrang 50 verbunden ist. Auf dem Bohrstrang 50 werden von dem Bohrhammer 10 Schläge ausgeübt, während der Drehmotor 47 den Bohr- strang 50 dreht. Die Schlagbohrvorrichtung 46 wird von der Vorschubvorrichtung 51, bei der es sich um eine Kolben-Zylinder-Einheit handelt, in Richtung auf das Bohrloch unter ständigem Druck vorgeschoben. Die Vorschubvorrichtung 51 ist an einem ortsfesten Widerlager abgestützt.
  • In den Zylinder der Vorschubvorrichtung 52 führt eine Druckleitung 52, die über einen Steuerblock 53 von einer Pumpe 54 mit Druck beaufschlagt wird. Der Steuerblock 53 ist ein manuell betätigbares Umschaltventil, über das entweder die Druckleitung 52 oder die Druckleitung 55 an die Pumpe 54 angeschlossen wird, um die Schlagbohrvorrichtung 46 vorzudrücken oder zurückzuziehen. Die Druckleitung 52 für den Bohrvorschub ist an dem einen Einlaß 56 des Wechselventils 57 angeschlossen. Der andere Einlaß 58 des Wechselventils 57 ist über das weitere Wechselventil 61 mit den hydraulischen Versorgungsleitungen 59,60 des Drehmotors 47 verbunden. Der Auslaß des Wechselventils 57 ist an die Steuerleitung 43 des Bohrhammers 10 angeschlossen. Das Wechselventil 57 läßt den größten der Drücke seiner beiden Einläße 56 und 58 zur Steuerleitung 43 durch.
  • Das Wechselventil 61, dessen Eingänge an die Leitungen 59 und 60 angeschlossen sind, hat die Aufgabe, den jeweils größeren Druck, der in einer dieser Leitungen herrscht, an den Einlaß 58 zu übertragen. Der Zweck des Wechselventils 61 besteht darin, den Arbeitsdruck des Drehmotors 47 sowohl bei Rechtsdrehung als auch bei Linksdrehung des reversiblen Drehmotors zum Wechselventil 57 zu übertragen. Die Leitungen 59,60 sind über einen Steuerblock 62 zum manuellen Umschalten der Drehrichtung des Drehmotors mit einer Pumpe 63 verbunden.
  • Es sei angenommen, daß bei normalem Bohrbetrieb der Druck in der Druckleitung 52 bei etwa 100 bar liegt. Bei höherem Bohrwiderstand kann der Druck bis auf den maximalen Lieferdruck der Pumpe 54 ansteigen, z.B. auf 250 bar. Der Druck des Drehmotors 47 beträgt bei normalem Bohrwiderstand etwa 80 bar und bei erhöhtem Bohrwiderstand kann dieser Druck bis auf den maximalen Lieferdruck der Pumpe 63 ansteigen, z.B. auf 175 bar.
  • Die Feder 39 (Fig. 1) des Kolbens 38 ist so eingestellt, daß die Freigabe der Zweigleitungen 340 bis 346 durch den Kolben 38 dann erfolgt, wenn der Druck der Steuerleitung 43 120 bar übersteigt.
  • Das Diagramm der Fig. 3 zeigt den Verlauf des Steuerdrucks P der Steuerleitung 43 bei zunehmendem Druck PD des Drehantriebs 47 und zunehmendem Druck Pv der Vorschubvorrichtung 51. Bis zum Zeitpunkt t1 haben die Drücke PD und Pv normale Werte, d.h. die Vorrichtung zur Veränderung der Schlagzahl braucht nicht anzusprechen. Im Zeitpunkt t1 steigt zunächst der Drehwiderstand, so daß der Druck PD sich erhöht. Sobald dieser Druck den Ansprechdruck des Kolbens 38 (hier: 120 bar) erreicht hat, beginnt er, den Kolben 38 zu verschieben und dadurch die Schlagzahl des Bohrhammers 10 zu verringern. Dieser Regelbereich ist in Fig. 3 durch die dickere Linie dargestellt. In dem Diagramm wird angenommen, daß zum Zeitpunkt t2 sich auch der Vorschubwiderstand erhöht, so daß der Druck Pv ansteigt. Sobald der Druck PV den Maximalwert von PD (hier: 175 bar) übersteigt, übernimmt er die Regelung des Steuerdrucks P an Steuerleitung 43, wodurch der Kolben 38 noch weiter verschoben und die Schlagzahl noch weiter verringert wird. Man erkennt, daß der jeweils größere der beiden Drücke PD und Pv die Verschiebung des Kolbens 38 und damit die Veränderung der Schlagzahl bestimmt.
  • Das Ausführungsbeispiel der Fig. 4 entspricht weitgehend demjenigen der Fig. 2, so daß die nachfolgende Beschreibung auf die Unterschiede beschränkt werden kann.
  • Die Pumpe 63 gemäß Fig. 4 hat einen Lieferdruck von maximal 120 bar. Dieser Lieferdruck ist so niedrig, daß er als Ansprechdruck für den Kolben 38 des Bohrhammers 10 nicht ausreicht bzw. jedenfalls für eine spürbare Verstellung der Schlagzahl unzureichend ist. Daher ist die Auslaßleitung 64 des Wechselventils 61 nicht direkt an den Einlaß 58 des Wechselventils 57 angeschlossen, sondern an den Steuereingang des Druckbegrenzungsventils 65, das eine Hilfsdruckquelle 66 (Pumpe) mit dem Tank verbindet. Der maximale Lieferdruck der Hilfsdruckquelle 66 liegt über demjenigen der Pumpe 63. Der dem Einlaß 58 des Wechselventils 57 zugeführte Druck wird durch das Druckbegrenzungsventil 65 bestimmt. Dieser Druck beträgt 50 bar, wenn der Steuerdruck an Leitung 64 niedrig ist, und 150 bar, wenn der Steuerdruck an Leitung 64 hoch ist. Die Umschaltung von 50 bar auf 150 bar findet statt, wenn der Steuerdruck an Leitung 64 einen Wert (z.B. 80 bar) erreicht, bei dem der Drehantrieb 47 bereits einer hohen Belastung unterliegt, der jedoch nicht ausreicht, um die Verstellung der Schlagzahl am Bohrhammer 10 zu bewirken. Der durch das Druckbegrenzungsventil 65 jeweils eingestellte Druck wird dem Einlaß 58 zugeführt. Wenn dieser Druck den Druck am Einlaß 56 übersteigt und so groß ist, daß er über der Ansprechschwelle der Schlagzahlregelung liegt, bewirkt er eine Verringerung der Schlagzahl.
  • In Fig. 5 ist das Ansteigen des Drucks PD des Drehantriebs 47 dargestellt. Dieser Druck nimmt maximal den Wert von 120 bar an, der für eine wirksame Regelung der Schlagzahl nicht ausreicht. PH bezeichnet den Hilfsdruck, der von dem Druckbegrenzungsventil 165 erzeugt wird. Sobald der Druck PD den Umschaltwert des Druckbegrenzungsventils 65 (hier: 80 bar) übersteigt, geht der Hilfsdruck PH von 50 bar auf 150 bar. Dieser Wert liegt über der Ansprechschwelle der Schlagzahlregelung (hier: 120 bar), so daß die Schlagzahlregelung einsetzt und die Schlagzahl vermindert wird. Steigt anschließend der Vorschubwiderstand, so übersteigt der Druck P den Hilfsdruck PH, so daß er oberhalb des Druckes von 150 bar die weitere Schlagzahlverminderung übernimmt.
  • Das überdruckventil 65 wirkt als eine Art Verstärker - bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel mit Zweipunktverhalten. Es erzeugt in Abhängigkeit von dem Druck der Leitung 64 einen Hilfsdruck PH, der größer ist als der Steuerdruck und der die Schlagzahlregelung übernimmt. Die Hilfsdruckquelle 66 muß zwar imstande sein einen relativ hohen Druck zu liefern, sie kann aber eine kleine Förderleistung haben, da sie mit Ausnahme der Energie zur Verstellung des Kolbens 38 (Fig. 1) keine Antriebsenergie aufbringen muß.
  • Der von der Hilfsdruckquelle 66 und dem steuerbaren Druckbegrenzungsventil 65 gebildete Verstärker wirkt bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 4 nicht linear, nämlich als Zweipunktverstärker. Zur Verbesserung der Regelung kann es zweckmäßig sein, ein Druckbegrenzungsventil zu verwenden, das den Hilfsdruck PH in Abhängigkeit von dem Druck der Leitung 64 kontinuierlich vorzugsweise linear, verändert.

Claims (5)

1. Hydraulische Schlagbohrvorrichtung mit einem hydraulischen Bohrhammer (10), dessen Schlagzahl durch einen Steuerdruck veränderbar ist, einem hydraulischen Drehmotor (47) zum Drehen des von dem Bohrhammer (10) beaufschlagten Bohrstrangs (50) und mit einer hydraulischen Vorschubvorrichtung (51) zum Vorschieben des Bohrstrangs, wobei der Steuerdruck von dem Arbeitsdruck der Vorschubvorrichtung (51) abgeleitet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die den Steuerdruck führende Steuerleitung(43) an ein Wechselventil (57) angeschlossen ist, das den größten von mehreren anstehenden Einlaßdrücken durchläßt und daß ein erster Einlaßdruck des Wechselventils (57) von dem Druck (Pv) der Vorschubvorrichtung (51) und ein zweiter Einlaßdruck von dem Druck (PD) des Drehmotors (47) abgeleitet ist.
2. Schlagbohrvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Einlaßdrücke von einer an ein Druckbegrenzungsventil angeschlossenen Hilfsdruckquelle (66) geliefert wird und daß der Begrenzungswert des Druckbegrenzungsventils (65) von dem Druck (PD) des Drehmotors (47) oder der Vorschubvorrichtung (51) gesteuert ist.
3. Schlagbohrvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Einlaßdruck des Wechselventils (57) der Druck (Pv) der Vorschubvorrichtung (51) und der andere Einlaßdruck der Druck (P ) des Drehmotors (47) ist.
4. Schlagbohrvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Einlaßdruck des Wechselventils (57) der Druck (Pv) der Vorschubvorrichtung (51) und der andere Einlaßdruck der von dem Druck (PD) des Drehmotors (47) gesteuerte Druck (PH) des Druckbegrenzungsventils (65) ist.
5. Schlagbohrvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hydraulikleitungen (59, 60) des reversierbaren Drehmotors (47) an die Einlässe eines weiteren Wechselventils (61) angeschlossen sind, dessen Auslaß einen dem Druck des Drehmotors (47) entsprechenden Druck liefert.
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