EP0384888A1 - Bohrvorrichtung - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a rock drilling device for mining and tunnel construction in relatively soft rock, where rotary impact boring mills are advantageous and zones of different hardness have to be traversed.
- Such devices have a rotating mechanism for rotating the boring bar, an impact mechanism for hitting the boring bar and a feed drive.
- the speed of the rotating mechanism, the frequency and impact power of the impact mechanism and the feed can be adjusted.
- the setting depends on the type of rock to be drilled and is based on experience. However, it often happens that different types of rock are drilled during the advance. The set works are then selected for the hardest rock and are not optimal for softer layers, which leads to low propulsive power and increased tool wear.
- a drilling device is known from CH-A 657 664.
- This document describes a hammer drilling device with a rotating mechanism, a hammer mechanism and a feed drive.
- the control pressure on a control valve is taken from the feed line of the feed drive.
- a certain adaptation of the stroke frequency to the feed performance is indeed possible. However, it is not possible to optimally adjust the speed and impact frequency to different rock hardness.
- US-A-4 246 973 and US-A-4 356 871 describe further drilling devices in which the pressure to the striking mechanism, the pressure to the rotating mechanism and the pressure to the feed drive depend on one another.
- the stroke frequency is made dependent on either the torque of the slewing gear or the feed force.
- the object of the present invention is to design a drilling device of the type mentioned in the introduction in such a way that optimum drilling performance in different rocks species can be achieved. This object is achieved by the characterizing features of claim 1.
- the working parts of the drilling device are only indicated schematically in FIG. 1. They consist of a rotating mechanism 1 for rotating a boring bar 2, a striking mechanism 3 for hitting the boring bar 2 and a feed drive 4 for advancing the drilling device 1, 2, 3.
- the device also has a first control device 5 for adjusting the speed of the rotating mechanism 1 and the impact frequency and impact power of the impact mechanism 3, and a second control device 6 for adjusting the feed force and speed.
- the slewing gear 1 consists of a hydraulic motor 10 with an output shaft 11 which is non-rotatably connected to the boring bar 2.
- the striking mechanism 3 consists of a striking cylinder 12 in which a striking piston 13 is driven back and forth.
- the Percussion piston 13 strikes against the rear face of boring bar 2, preferably via an anvil, not shown.
- Rotary mechanism 1 and percussion mechanism 3 are arranged in a common housing, not shown, which additionally contains a rotary slide valve 14 for controlling the percussion mechanism 3.
- the rotary valve 14 is driven by the shaft 11 via a gear 15.
- This design means that the impact frequency is exactly proportional to the speed of the slewing gear 1. This has proven to be extraordinarily favorable for the optimal adaptation of the speed and impact frequency to different rock hardness.
- the boring bar 2 makes a predetermined angle of rotation between two successive strokes, which is independent of the speed.
- 14 pressure accumulators 18 are arranged in these lines adjacent to the rotary valve.
- a four / three-way switching valve 23 is connected between the hydraulic motor 10 and the feed line 21 and the return line 22, so that the motor 10 can be operated clockwise or counterclockwise.
- a parallel connection of an adjustable throttle 26 and a check valve 27 is arranged in each of the lines 24, 25 between the valve 23 and the motor 10.
- the throttles 26 act as flow regulators and are used to adjust the basic speed of the motor 10 for RIGHT or left rotation.
- motor 10 turns left with line 24 is connected to the feed line 21.
- a proportional control valve 28 is connected in this line 24 in parallel to the valve 23 and the throttle 26. The valve 28 opens against the force of a spring 29 in proportion to the pressure in its control line 30 and therefore acts on the engine 10 via the bypass line 31 with additional hydraulic oil, so that it rotates faster in proportion to the pressure in the line 30.
- the feed drive 4 comprises a hydraulic cylinder 35 with a piston 36 and a piston rod 37, which is connected to the housing of the rotating and striking mechanism 1, 3 (not shown).
- the two chambers 38, 39 of the cylinder 35 are connected via a further four / three-way valve 40 to a further feed line 41 and return line 42.
- a double pilot-controlled pressure control valve 44 preloaded with an adjustable spring force, is connected in line 43 between valve 40 and feed chamber 39.
- the two pilot pressures to the valve 44 are connected to the two chambers 38, 39. Through the valve 44, the pressure of the boring bar 2 can thus be limited to an adjustable value independently of the pressure in the chamber 38 during the advance.
- the line 45 to the chamber 38 is connected to the valve 40 via a three / two-way valve 46 in its first switching position via an adjustable quantity regulator 47.
- the quantity controller 47 limits the feed rate.
- the line 45 is connected to a variable throttle 56 via a connecting line 55. Its outlet 57 leads to the tank 58 via an adjustable pressure control valve 54.
- This control valve 54 maintains the response pressure of the proportional control valve 28 even when the flow through the throttle 56 is low.
- the control line 30 is connected to the line 55.
- the throttle 56 is shown in section in FIG. 2.
- a plunger 63 is slidably mounted in a cylindrical bore 61 of a housing 62.
- the piston 63 penetrates a sharp-edged diaphragm 64 with sliding play.
- the orifice 64 separates an input chamber 65 connected to the line 55 from an output chamber 66 connected to the line 57 in the housing 62.
- a spring 67 presses against the end face of the piston 63.
- the piston 63 bears against a cover 69 at the rear.
- the piston 63 has centrally symmetrically arranged, increasingly deepening to the rear, axial grooves 70 on its circumferential surface.
- the cross section of the grooves 70 increases with the axial distance from the spring-side end of the piston 63.
- the throttle cross section thus increases steadily with the stroke of the piston 63, which in turn is proportional to the difference in pressure in the chambers 65, 66.
- the increase in cross section of the grooves 70 with the stroke of the piston 63 is expediently designed such that the dynamic pressure which forms in the line 55 is proportional to the flow rate through the throttle 56. If the valve 28 opens linearly, then the speed increase of the hydraulic motor 10 is proportional to the feed rate.
- a borehole is started on the neutral position of the valve 46 shown.
- the pressure control valve 44 is used to set the optimum pressure for the hardest rock layer to be expected in the borehole.
- the setting of the throttle 26 also depends on the hardest rock layer to be expected.
- the quantity regulator 47 which is only decisive for the drilling, is set to the optimum feed rate for the rock to be drilled through first. As soon as the borehole has been drilled, the valve 46 is switched over. If the drill bit hits softer rock while drilling, the feed rate increases due to the constant pressure.
- the start of the connection of the bypass 31 can be set by the screw 68. If an adjustment of the speed dependence is desired, the spring constant of the spring 67 'can be made variable, as shown in Fig. 3.
- the spring 67 ' is designed here as a spiral spring. With a shoe 73, the free length of the spring 67 'and thus the spring constant can be set here.
- the shoe 73 is displaceable by an adjusting screw 74.
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Abstract
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gesteinsbohrvorrichtung für den Berg- und Tunnelbau in relativ weichem Gestein, wo Drehschlagbohrwerke vorteilhaft sind und Zonen unterschiedlicher Härte zu durchfahren sind. Solche Vorrichtungen haben ein Drehwerk zum Drehen der Bohrstange, ein Schlagwerk zum Schlagen der Bohrstange und einen Vorschubantrieb. Ueblicherweise kann bei bekannten Bohrvorrichtungen dieser Art die Drehzahl des Drehwerks, die Frequenz und Schlagleistung des Schlagwerks und der Vorschub eingestellt werden. Die Einstellung richtet sich nach der zu durchbohrenden Gesteinsart und gründet auf Erfahrenswerten. Häufig kommt es aber vor, dass während des Vortriebs unterschiedliche Gesteinsarten durchbohrt werden. Die eingestellten Werke werden dann für das härteste Gestein gewählt und sind für weichere Schichten nicht optimal, was zu geringen Vortriebsleistungen und erhöhtem Werkzeugverschleiss führt.
- Eine Bohrvorrichtung gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der CH-A 657 664 bekannt. Diese Schrift beschreibt eine Schlag-Bohrvorrichtung mit einem Drehwerk, einem Schlagwerk und einem Vorschubantrieb. Um die Bohrleistung zu verbessern, wird der Steuerdruck auf ein Steuerventil von der Vorlaufleitung des Vorschubantriebs entnommen. Damit gelingt zwar eine gewisse Anpassung der Schlagfrequenz an die Vorschubleistung. Eine optimale Anpassung der Drehzahl und Schlagfrequenz an unterschiedliche Gesteinhärten ist damit allerdings nicht erreichbar.
- Aus der US-A-4 064 950 ist es an sich bekannt, dass es günstig ist, die Schlagfrequenz an die Drehzahl des Drehwerks anzupassen. Dazu schlägt diese Schrift vor, Schlagwerk und Drehwerk in Serie zu schalten. Diese Lösung hat sich allerdings nicht als günstig erwiesen, weil damit die Schlagleistung invers von der Leistung des Drehwerks abhängt.
- In der US-A-4 246 973 und der US-A-4 356 871 sind weitere Bohrvorrichtungen beschrieben, in welchen der Druck zum Schlagwerk, der Druck zum Drehwerk und der Druck zum Vorschubantrieb voneinander abhängen.
- Beim Vorschlag gemäss EP-A-203 282 wird die Schlagfreuquenz von entweder dem Drehmoment des Drehwerks oder der Vorschubkraft abhängig gemacht.
- Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Bohrvorrichtung der eingangs genannten Art derart auszubilden, dass eine optimale Bohrleistung in unterschiedlichen Gesteins arten erreicht werden kann. Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
- Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Darin zeigt:
- Fig. 1 ein Schema einer erfindungsgemässen Bohrvorrichtung,
- Fig. 2 einen Schnitt durch eine variable Drossel, und
- Fig. 3 einen Schnitt durch eine Variante der Drossel nach Fig. 2.
- Die Arbeitsteile der Bohrvorrichtung sind in Fig. 1 nur schematisch angedeutet. Sie bestehen aus einem Drehwerk 1 zum Drehen einer Bohrstange 2, einem Schlagwerk 3 zum Schlagen der Bohrstange 2 sowie einem Vorschubantrieb 4 zum Vorschub der Bohreinrichtung 1, 2, 3. Die Vorrichtung hat zudem eine erste Steuereinrichtung 5 zum Einstellen der Drehzahl des Drehwerks 1 und der Schlagfrequenz und Schlagleistung des Schlagwerks 3, sowie eine zweite Steuereinrichtung 6 zum Einstellen der Vorschubkraft und -geschwindigkeit.
- Das Drehwerk 1 besteht aus einem Hydromotor 10 mit einer Abtriebswelle 11, die drehfest mit der Bohrstange 2 verbunden ist. Das Schlagwerk 3 besteht aus einem Schlagzylinder 12, in dem ein Schlagkolben 13 hin und hergetrieben wird. Der Schlagkolben 13 schlägt dabei gegen die hinter Stirnseite der Bohrstange 2, vorzugsweise über einen nicht dargestellten Amboss. Drehwerk 1 und Schlagwerk 3 sind in einem gemeinsamen, nicht dargestellten Gehäuse angeordnet, das zusätzlich einen Drehschieber 14 für die Steuerung des Schlagwerks 3 enthält. Der Drehschieber 14 wird über ein Getriebe 15 von der Welle 11 angetrieben. Durch diese Ausbildung ist die Schlagfrequenz exakt proportional zur Drehzahl des Drehwerkes 1. Dies hat sich für die optimale Anpassung von Drehzahl und Schlagfreuquenz an unterschiedliche Gesteinshärten als ausserordentlich günstig erwiesen. Die Bohrstange 2 macht zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schlägen einen vorbestimmten Drehwinkel, der unabhängig ist von der Drehzahl. Um die Schlagleistung zu steigern und die Druckpulsationen in der Druckzufuhrleitung 16 und der Rücklaufleitung 17 zum Drehschieber 14 gering zu halten, sind in diesen Leitungen benachbart dem Drehschieber 14 Druckspeicher 18 angeordnet.
- Zwischen Hydromotor 10 und Speiseleitung 21 sowie Rücklaufleitung 22 ist ein vier/drei-Wege-Schaltventil 23 eingeschaltet, damit der Motor 10 rechts- oder linksläufig betrieben werden kann. In den Leitungen 24, 25 zwischen Ventil 23 und Motor 10 ist je eine Parallelschaltung einer einstellbaren Drossel 26 und eines Rückschlagventils 27 angeordnet. Die Drosseln 26 wirken als Mengenregler und dienen zur Einstellung der Grunddrehzahl des Motors 10 für RECHTS- bzw. Linklauf. Normalerweise dreht der Motor 10 links, wobei die Leitung 24 auf die Speiseleitung 21 geschaltet ist. In dieser Leitung 24 ist parallel zum Ventil 23 und der Drossel 26 ein Proportional-Regelventil 28 geschaltet. Das Ventil 28 öffnet entgegen der Kraft einer Feder 29 proportional zum Druck in seiner Steuerleitung 30 und beaufschlagt daher den Motor 10 über die Bypassleitung 31 mit zusätzlichem Hydrauliköl, so dass er proportional zum Druck in der Leitung 30 rascher dreht.
- Der Vorschubantrieb 4 umfasst einen Hydraulikzylinder 35 mit einem Kolben 36 und einer Kolbenstange 37, die mit dem Gehäuse des Dreh- und Schlagwerks 1, 3 verbunden ist (nicht dargestellt). Die beiden Kammern 38, 39 des Zylinders 35 sind über ein weiteres Vier/Drei-Wege-Ventil 40 mit einer weiteren Speiseleitung 41 und Rücklaufleitung 42 verbunden. In die Leitung 43 zwischen Ventil 40 und Vorschubkammer 39 ist ein doppelt pilotgesteuertes, mit einer einstellbaren Federkraft vorbelastetes Druckregelventil 44 geschaltet. Die beiden Pilotdrücke zum Ventil 44 sind mit den beiden Kammern 38, 39 verbunden. Durch das Ventil 44 kann damit beim Vorschub der Andruck der Bohrstange 2 auf einen einstellbaren Wert unabhängig vom Druck in der Kammer 38 begrenzt werden. Die Leitung 45 zur Kammer 38 ist über ein Drei/Zwei-Wegeventil 46 in dessen erster Schaltstellung über einen einstellbaren Mengenregler 47 mit dem Ventil 40 verbunden. Der Mengenregler 47 begrenzt die Vorschubgeschwindigkeit. Beim Rücklauf des Kolbens 36 fliesst das Oel über einen Bypass 48, der zugleich über eine Pilotkammer 49 das Ventil 46 in die erste Stellung zurück schaltet.
- In der zweiten Stellung des Ventils 46 ist die Leitung 45 über eine Verbindungsleitung 55 mit einer variablen Drossel 56 verbunden. Deren Abfluss 57 führt über ein einstellbares Druckregelventil 54 zum Tank 58. Dieses Regelventil 54 hält auch bei geringem Durchfluss durch die Drossel 56 den Ansprechdruck des Proportionalregelventils 28 aufrecht. Die Steuerleitung 30 ist an die Leitung 55 angeschlossen. Die Drossel 56 ist in Fig. 2 im Schnitt dargestellt. In einer zylindrischen Bohrung 61 eines Gehäuses 62 ist ein Plungerkolben 63 verschiebbar gelagert. Der Kolben 63 durchdringt eine scharfkantige Blende 64 mit Gleitspiel. Die Blende 64 trennt im Gehäuse 62 eine mit der Leitung 55 verbundene Eingangskammer 65 von einer mit der Leitung 57 verbundenen Ausgangskammer 66. In der Kammer 66 drückt eine Feder 67 gegen die Stirnseite des Kolbens 63. Die Federvorspannung kann durch eine Schraube 68 eingestellt werden. In der Ruhestellung liegt der Kolben 63 hinten an einem Deckel 69 an. Der Kolben 63 hat zentralsymetrisch angeordnete, sich nach hinten zunehmend vertiefende, axiale Nuten 70 an seiner Umfangsfläche. Der Querschnitt der Nuten 70 nimmt mit dem axialen Abstand vom federseitigen Ende des Kolbens 63 zu. Damit nimmt der Drosselquerschnitt stetig zu mit dem Hub des Kolbens 63, der seinerseits proportional zur Differenz des Drucks in den Kammern 65, 66 ist. Die Querschnittszunahme der Nuten 70 mit dem Hub des Kolbens 63 ist zweckmässig so ausgelegt, dass der sich in der Leitung 55 ausbildende Staudruck proportional zur Durchflussmenge durch die Drossel 56 ist. Wenn auch das Ventil 28 linear öffnet, dann ist die Drehzahlzunahme des Hydromotors 10 proportional zur Vorschubgeschwindigkeit.
- Versuche haben ergeben, dass bei nahezu linearer Abhängigkeit sowohl der Drehzahl des Drehwerks 1 als auch der Frequenz des Schlagwerk 3 von der Geschwindigkeit des Vorschubantriebs 4 eine über einen weiten Bereich der Gesteinhärte optimale Vorschubleistung erzielt werden kann. Dies ist analog zu der bereits früher festgestellten günstigen linearen Kopplung zwischen Drehzahl des Drehwerks und Schlagzahl des Schlagwerks. Dieselbe günstige Relation ist mit der vorliegenden Erfindung mit der dritten Variablen verknüpft.
- Im Betrieb startet man ein Bohrloch auf der dargestellten Neutralstellung des Ventils 46. Am Druckregelventil 44 wird der für die härteste zu erwartende Gesteinsschicht des Bohrlochs optimale Andurck eingestellt. Auch die Einstellung der Drossel 26 richtet sich nach der härtesten zu erwartenden Gesteinsschicht. Hingegen ist der nur für das Anbohren massgebende Mengenregler 47 auf die optimale Vorschubgeschwindigkeit für das zuerst zu durchbohrende Gestein eingestellt. Sobald das Bohrloch angebohrt ist, wird das Ventil 46 umgeschaltet. Wenn nun während des Bohrens die Bohrkrone auf weicheres Gestein stösst, erhöht sich wegen des konstanten Andrucks die Vorschubgeschwindigkeit. Damit steigt der Staudruck vor der variablen Drossel 56 und damit der Pilotdruck auf das Regelventil 28. Ueber die Bypassleitung 31 wird nun dem Motor 10 zusätzlich Oel zugeführt, so dass er rascher dreht und damit wegen des Getriebes 15 auch die Schlagfrequenz steigt. Drehzahl und Schlagfrequenz passen sich damit automatisch optimal an die Vorschubgeschwindigkeit an. Damit kann gleichzeitig auch der Werkzeugverschleiss minimiert werden. Mit zunehmender Schlagfrequenz sinkt auch die Energie des Einzelschlages, was beim Bohren in weichem Gestein erwünscht ist.
- Durch die Schraube 68 kann der Beginn der Zuschaltung des Bypasses 31 eingestellt werden. Wenn auch eine Einstellung der Drehzahlabhängigkeit erwünscht ist, kann die Federkonstante der Feder 67′ variabel gestaltet werden, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist. Die Feder 67′ ist hier als Biegefeder ausgebildet. Mit einem Schuh 73 kann hier die freie Länge der Feder 67′ und damit deren Federkonstante eingestellt werden. Der Schuh 73 ist durch eine Einstellschraube 74 verschiebbar.
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