EP1138869A2 - Optimization of excentre-driven percussion tools with counterweight - Google Patents

Optimization of excentre-driven percussion tools with counterweight Download PDF

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EP1138869A2
EP1138869A2 EP20000115139 EP00115139A EP1138869A2 EP 1138869 A2 EP1138869 A2 EP 1138869A2 EP 20000115139 EP20000115139 EP 20000115139 EP 00115139 A EP00115139 A EP 00115139A EP 1138869 A2 EP1138869 A2 EP 1138869A2
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Klaus Bechem
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    • E21B7/00—Special methods or apparatus for drilling
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    • E21D9/10—Making by using boring or cutting machines
    • E21D9/1006—Making by using boring or cutting machines with rotary cutting tools
    • E21D9/104—Cutting tool fixtures
    • E21D9/1046—Vibrating

Definitions

  • FIG. 2 shows a flat tool (6), in FIG. 3 it is shown under (7) a milling slitting tool is shown.
  • FIG. 4 is eccentric-induced striking rolling on one or two sides of conical discs, with or without toothing, here with toothing (8) and auxiliary drive via (5) to either the to be able to maintain the exact self-unwinding speed and a grinding, grinding or even To prevent it from standing still or to create a milling effect on toothed tools Increasing the dissolving power by increasing or reducing the eccentrically induced Overlay self-unrolling speed. Separate protection is claimed for this.
  • Figure 5 shows the separate drive for the eccentric and eccentrically induced rotating Tools, here without (5) [ Figure 4], but with the reinforcing bearing claimed (1a) and the extreme axial pressure-absorbing hydrostatic sliding bearing (9), (10). Special protection is claimed for this system and its combination - with and without (5) [ Figure 4].

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Abstract

The method involves changing the rotating direction of an eccentric shaft and/or a tool (8) at one end of the shaft. A counterweight is carried on the shaft. The rate of rotation of the eccentric shaft and/or the tool is regulated and set as well. The shaft and the tool are operated by separate drive units, and constitute a counterbalanced roller bit. An Independent claim is also included for an apparatus for determining and setting the prevailing optimal parameters for drilling, stripping, and slotting of concrete, rock, or minerals by way of roller bits with superposed eccentric percussion action.

Description

Es gibt Systeme und Entwicklungen zur Schlagüberlagerung von Rollenbohrwerkzeugen zum Tunnel- und Schachtbohren sowie zum Schlitzen und Abtragen von Beton, Gestein, Mineralien und dgl. unter Verwendung schnellaufend angetriebener Exzenter mit auf ihnen drehend gelagerten, gegengewuchteten und untersetzt langsamer drehend angetriebenen schlagüberlagerter Rollenmeißel konstanter Drehzahlen und konstant hohen Werkzeugumfangsgeschwindigkeiten. Bereits diese Technik hat gezeigt, daß der Energiebedarf sowie der erforderliche Andruck nur noch 1/3 konventioneller Werkzeuge beträgt - bei vergleichsweise geringem Werkzeugverschleiß.There are systems and developments for overlaying roller drilling tools for tunnel and shaft drilling as well as for slitting and removing concrete, stone, Minerals and the like using high-speed eccentrics with them rotatably mounted, counterbalanced and geared slower rotatably driven impact-superimposed roller chisel at constant speeds and constant high Tool peripheral speeds. This technique has already shown that the Energy requirements and the pressure required only 1/3 of conventional tools is - with comparatively little tool wear.

In sehr harten und abrassiven festen Gesteinen oder Mineralien bedingen u.a. die hohen Werkzeugumfangsgeschwindigkeiten zwangsläufig eine geringere Schlageffizienz sowie hohen Verschleiß der Werkzeuge - bis hin zur Unwirtschaftlichkeit oder gar Unmöglichkeit der Verwendung dieser Technik.In very hard and abrasive solid rocks or minerals, the high Tool peripheral speeds inevitably result in lower impact efficiency as well high tool wear - to the point of inefficiency or even impossibility using this technique.

Auf der Basis der Erfahrungen mit o.a. exzenterschlagüberlagerten Rollenmeißeln wurde ermittelt und wird erfindungsgemäß beansprucht, daß man zur Maximierung der Löseleistung die optimale Drehrichtung und Werkzeugdrehzahl sowie optimale Drehrichtung des Exzenters sowie die optimale Amplitude auf das jeweils zu bearbeitende Material zunächst ermitteln und danach einstellen muß, um maximale Löseleistungen bei geringst möglichem Werkzeugverschleiß zu erzielen.Based on the experience with the above eccentric impact superimposed roller chisels determined and claimed according to the invention that to maximize the Dissolving power the optimal direction of rotation and tool speed as well as optimal Direction of rotation of the eccentric as well as the optimal amplitude on the particular one to be machined First determine the material and then adjust it to achieve maximum dissolving performance to achieve the lowest possible tool wear.

In der Figur 1, nur einem Ausführungsbeispiel, wird nur eines der exzenterschlagüberlagerten Systeme beschrieben. Hierbei ist (1) die in (2) exzentrisch gelagerte Exzenterwelle mit dem Gegengewicht (12) an der über (3) schnelldrehend angetriebenen Exzenterhülse (2). Mit (1a) ist das zusätzlich verstärkende vordere Lager bezeichnet (siehe auch Figur 4). Der Innenzahnkranz (4) des Untersetzungsgetriebes ist mit der Welle (1) verbunden. Der Außenzahnkranz (5a) an der An-/ Abtriebswelle (5) ist im Gehäuse zentrisch gelagert und wird über (17) gedämpft gestellfest gehalten, wenn die optimalen Drehzahlen mit dem erforderlichen Untersetzungsverhältnis zuvor ermittelt und entsprechend installiert wurden (z.B. Exzenterwellendrehzahl 3.100 U/min, Werkzeugdrehzahl 65 U/min und Amplitude optimiert z.B. 5,5 mm). Die Regulierung und damit Optimierung der Drehzahl und -Richtung der Welle (1) mit dem jeweiligen Werkzeugen (6-8) erfolgt erfindungsgemäß jedoch über den Zapfen (5) aller Figuren. In Figure 1, only one embodiment, only one of the eccentric impact superimposed systems. Here, (1) is eccentric in (2) mounted eccentric shaft with the counterweight (12) on the over (3) rotating quickly driven eccentric sleeve (2). With (1a) is the additional reinforcing front bearing referred to (see also Figure 4). The internal ring gear (4) of the reduction gear is with connected to the shaft (1). The external ring gear (5a) on the input / output shaft (5) is in the Housing mounted centrally and is held in place by (17) damped frame when the optimal speeds with the required reduction ratio previously determined and have been installed accordingly (e.g. eccentric shaft speed 3,100 rpm, Tool speed 65 rpm and amplitude optimized e.g. 5.5 mm). Regulation and thus optimization of the speed and direction of the shaft (1) with the respective According to the invention, tools (6-8), however, take place via the pin (5) of all figures.

In der Figur 2 ist ein flächig arbeitendes Werkzeug (6) dargestellt, in der Figur 3 ist unter (7) ein fräsendes schlitzendes Werkzeug dargestellt. Bei der Figur 4 handelt es sich um exzenterinduziertes schlagendes Abrollen ein- oder zweiseitig konischer Disken, mit oder ohne Verzahnung, hier mit Verzahnung (8) und Hilfsantrieb über (5), um entweder die exakte Eigenabrolldrehzahl einhalten zu können und ein Schleißen, Schleifen oder gar Stehenbleiben zu verhindern oder um bei verzahnten Werkzeugen einen Fräseffekt zur Erhöhung der Löseleistung durch Erhöhung oder Reduzierung der exzenterinduzierten Selbstabrolldrehzahl zu überlagern. Hierfür wird gesonderter Schutz beansprucht.FIG. 2 shows a flat tool (6), in FIG. 3 it is shown under (7) a milling slitting tool is shown. FIG. 4 is eccentric-induced striking rolling on one or two sides of conical discs, with or without toothing, here with toothing (8) and auxiliary drive via (5) to either the to be able to maintain the exact self-unwinding speed and a grinding, grinding or even To prevent it from standing still or to create a milling effect on toothed tools Increasing the dissolving power by increasing or reducing the eccentrically induced Overlay self-unrolling speed. Separate protection is claimed for this.

Die Figur 5 zeigt den getrennten Antrieb für den Exzenter und exzenterinduziert drehende Werkzeuge, hier ohne (5) [Figur 4], jedoch mit der beanspruchten verstärkendem Lager (1a) und dem die extremen axialdruckaufnehmenden hydrostatischen Gleitlagerung (9), (10). Für dieses System und deren Kombination wird gesonderter Schutz beansprucht - mit und ohne (5) [Figur 4].Figure 5 shows the separate drive for the eccentric and eccentrically induced rotating Tools, here without (5) [Figure 4], but with the reinforcing bearing claimed (1a) and the extreme axial pressure-absorbing hydrostatic sliding bearing (9), (10). Special protection is claimed for this system and its combination - with and without (5) [Figure 4].

In den Figuren 6 und 7 sind die Schlagkurven der Exzenteraktivierung bei verschiedenen Drehzahlen resp. Umfangsgeschwindigkeiten der Werkzeuge dargestellt, im Beispiel bei gleichbleibender Drehzahl und gleicher Drehrichtung der Exzenterwelle (9). Im Bereich der Figur 6 sind die radialen Schläge dargestellt, bis hin zur Werkzeugdrehzahl 0. Bei Werkzeugdrehzahlen darüber, die jeweils über (5) regulierbar sind, werden die Schläge systembedingt linear nach außen gerichtet (Figur 7). Im Bereich des Pfeiles der Figur 7 liegt z.B. die exzenterinduzierte antriebslose Selbstabrolldrehzahl der linear nach außen schlagenden Werkzeuge.In Figures 6 and 7, the impact curves of the eccentric activation are at different Speeds resp. Circumferential speeds of the tools shown, in the example at constant speed and direction of rotation of the eccentric shaft (9). In the field of Figure 6 shows the radial strokes up to the tool speed 0. At Tool speeds above this, which can each be regulated via (5), become the blows system-related linearly directed outwards (Figure 7). 7 lies in the area of the arrow e.g. the eccentrically induced driveless self-unwinding speed of the linear outward hitting tools.

In der Figur 8 ist nur eine andere Bauart der Aktivierung dargestellt, wobei der Antrieb der Werkzeuge über (5) und (11) außen erfolgt - über Kardan, Mitnehmer oder das Zahnradpaar entsprechend Figur 1 (4).In Figure 8, only another type of activation is shown, the drive of the Tools via (5) and (11) are made on the outside - via cardan, driver or that Gear pair according to Figure 1 (4).

Claims (10)

Verfahren zur Ermittlung und Einstellung der jeweils optimalen Parameter beim Bohren, Abtragen und Schlitzen von Beton, Gestein, Mineralien und dgl. mit exzenterschlagüberlagerten Rollenmeißeln, die zur Auswuchtung in ihrem Gewicht auf die Gegengewichte am Exzenter abgestimmt und ausgewogen sind, mit gesondertem Antrieb für den Exzenter und die die Werkzeuge tragende Welle, gekennzeichnet durch die Kombination (a) - der Änderbarkeit der Drehrichtung der Exzenterwelle und / oder (b) - der der Werkzeuge sowie (c) - der Regel- und Einstellbarkeit der Drehzahl der Exzenterwelle und / oder (d) - der der Werkzeuge [Figur 1 bis 5 und Figur 8 (a) und (b)]. Process for determining and setting the optimal parameters for drilling, removing and slitting concrete, stone, minerals and the like with eccentric roller chisels which are balanced and balanced in their weight to the counterweights on the eccentric, with a separate drive for the eccentric and the shaft carrying the tools, characterized by the combination (a) - the changeability of the direction of rotation of the eccentric shaft and / or (b) - that of the tools as well (c) - The controllability and adjustability of the speed of the eccentric shaft and / or (d) - that of the tools [Figures 1 to 5 and Figures 8 (a) and (b)]. Vorrichtung zur Ermittlung und Einstellung der jeweils optimalen Parameter beim Bohren, Abtragen und Schlitzen von Beton, Gestein, Mineralien und dgl. mit exzenterschlagüberlagerten Rollenmeißeln, die zur Auswuchtung in ihrem Gewicht auf die Gegengewichte am Exzenter abgestimmt und ausgewogen sind, mit gesondertem Antrieb für die Exzenterwellen und Werkzeuge nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Kombination (a) - der Änderbarkeit der Drehrichtung der Exzenterwelle und / oder (b) - der der Werkzeuge sowie (c) - der Regel- und Einstellbarkeit der Drehzahl der Exzenterwelle und / oder (d) - der der Werkzeuge [Figur 1 bis 5 und Figur 8 (a) und (b)]. Device for determining and setting the optimum parameters for drilling, removing and slitting concrete, stone, minerals and the like with roller chisels overlaid with eccentric impact, which are balanced and balanced in their weight for balancing the counterweights on the eccentric, with a separate drive for the eccentric shafts and tools according to claim 1, characterized by the combination (a) - the changeability of the direction of rotation of the eccentric shaft and / or (b) - that of the tools as well (c) - The controllability and adjustability of the speed of the eccentric shaft and / or (d) - that of the tools [Figures 1 to 5 and Figures 8 (a) and (b)]. Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung und Einstellung der jeweils optimalen Parameter beim Bohren, Abtragen und Schlitzen von Beton, Gestein, Mineralien und dgl. nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch Festeinstellung der zuvor ermittelten optimalen Parameter entweder maximaler Löseleistungen, mittlerer Werte oder minimalen Werkzeugverschleißes in Abhängigkeit der unterschiedlichen Konsistenz des zu bearbeitenden Gestein, Minerals oder dgl. Method and device for determining and setting the respectively optimal parameters when drilling, removing and slitting concrete, stone, minerals and the like according to claim 1 and 2, characterized by fixed setting of the previously determined optimal parameters either maximum dissolving performance, average values or minimum tool wear in Dependence on the different consistency of the rock, mineral or the like to be processed Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung und Einstellung der jeweils optimalen Parameter beim Bohren, Abtragen und Schlitzen von Beton, Gestein, Mineralien und dgl. nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, mit dem radialen Schlag [Figur 6] oder mit dem linearen Werkzeugschlag [Figur 7] in Abhängigkeit der unterschiedlichen Konsistenz des zu bearbeitenden Gesteins, Minerals oder dgl. zu arbeiten.Method and device for determining and setting the respectively optimal parameters when drilling, removing and slitting concrete, stone, minerals and the like according to Claims 1 to 3, characterized by the radial impact [FIG. 6] or the linear tool impact [FIG 7] depending on the different consistency of the rock, mineral or the like to be worked. Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung und Einstellung der jeweils optimalen Parameter beim Bohren, Abtragen und Schlitzen von Beton, Gestein, Mineralien und dgl. nach Anspruch 1 bis 4, gekennzeichnet durch exzenterinduziertes selbständiges Drehen der Werkzeuge durch Abrollen auf dem Gestein, Mineral oder dgl. [Figur 4 und 5] ggf. mit Hilfsantrieb über (5).Method and device for determining and setting the respectively optimal parameters when drilling, removing and slitting concrete, stone, minerals and the like according to claims 1 to 4, characterized by eccentrically induced independent turning of the tools by rolling on the rock, mineral or the like. [ Figure 4 and 5] optionally with auxiliary drive via (5). Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung und Einstellung der jeweils optimalen Parameter beim Bohren, Abtragen und Schlitzen von Beton, Gestein, Mineralien und dgl. nach Anspruch 1 bis 5, gekennzeichnet durch die Verwendung des gleichen Aggregates [Figur 1] entweder zum flächigen Fräsen [Figur 2], zum fräsenden Schlitzen [Figur 3] oder zum diskenartigen Arbeiten [Figur 4 und 5].Method and device for determining and setting the respectively optimal parameters when drilling, removing and slitting concrete, stone, minerals and the like according to Claims 1 to 5, characterized by the use of the same unit [FIG. 1] either for flat milling [FIG. 2 ], for milling slots [Figure 3] or for disc-like work [Figures 4 and 5]. Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung und Einstellung der jeweils optimalen Parameter beim Bohren, Abtragen und Schlitzen von Beton, Gestein, Mineralien und dgl. nach Anspruch 1 und 6, gekennzeichnet durch Veränderung der Amplitude in Abhängigkeit der Konsistenz des zu bearbeitenden Gesteins, Minerals oder dgl.Method and device for determining and setting the respectively optimal parameters when drilling, removing and slitting concrete, stone, minerals and the like. According to claim 1 and 6, characterized by changing the amplitude depending on the consistency of the rock, mineral or the like to be processed. Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung und Einstellung der jeweils optimalen Parameter beim Bohren, Abtragen und Schlitzen von Beton, Gestein, Mineralien und dgl. nach Anspruch 1 bis 7, gekennzeichnet durch Erhöhung der Löseleistung exzenterinduziert abrollender Werkzeuge [(6) bis (8)] durch Fräseffektüberlagerung über den Zapfen (5) aller Figuren.Method and apparatus for determining and setting of the optimal parameters during drilling, ablation and slots of concrete, rock, minerals and the like. According to claim 1 to 7, characterized by increasing the removal performance exzenterinduziert of rolling tools [(6) to (8)] by Milling effect overlay on the pin (5) of all figures. Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung und Einstellung der jeweils optimalen Parameter beim Bohren, Abtragen und Schlitzen von Beton, Gestein, Mineralien und dgl. nach Anspruch 1 bis 8, gekennzeichnet durch ein im vorderen Bereich der Welle (1) liegendes verstärkendes Lager (1a) [Figur 1 bis 3, insbesondere Figur 4]. Method and device for determining and setting the respectively optimal parameters when drilling, removing and slitting concrete, stone, minerals and the like according to Claims 1 to 8, characterized by a reinforcing bearing (1a) located in the front region of the shaft (1) [ Figure 1 to 3, in particular Figure 4]. Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung und Einstellung der jeweils optimalen Parameter beim Bohren, Abtragen und Schlitzen von Beton, Gestein, Mineralien und dgl. nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Axialkräfte über hydrostatische Gleitlagerungen aufgenommen werden [Figur 5].Method and device for determining and adjusting the respectively optimal parameters when drilling, removing and slitting concrete, stone, minerals and the like according to claims 1 to 9, characterized in that the axial forces are absorbed via hydrostatic plain bearings [Figure 5].
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