EP1157787B1 - Verfahren zur Durchführung von Erd- oder Gesteinsarbeiten und hydraulisches Schlagwerk - Google Patents

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EP1157787B1
EP1157787B1 EP00116974A EP00116974A EP1157787B1 EP 1157787 B1 EP1157787 B1 EP 1157787B1 EP 00116974 A EP00116974 A EP 00116974A EP 00116974 A EP00116974 A EP 00116974A EP 1157787 B1 EP1157787 B1 EP 1157787B1
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pistons
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    • 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
    • E21B6/00—Drives for drilling with combined rotary and percussive action
    • E21B6/02—Drives for drilling with combined rotary and percussive action the rotation being continuous
    • E21B6/04—Separate drives for percussion and rotation
    • 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
    • B25D9/04—Portable percussive tools with fluid-pressure drive, i.e. driven directly by fluids, e.g. having several percussive tool bits operated simultaneously of the hammer piston type, i.e. in which the tool bit or anvil is hit by an impulse member
    • 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
    • B25D9/16—Valve arrangements therefor
    • B25D9/20—Valve arrangements therefor involving a tubular-type slide valve

Definitions

  • the invention relates to a method for carrying out earth or Rock work, in which blows of two hydraulic driven piston are exerted on an anvil and a hydraulic striking mechanism for performing such Earthworks and stone work.
  • Earth and stone work includes drilling in the ground or rock, in particular to understand hammer drilling, under also overlay drilling with inner tube rods and Outer tube linkage as well as the operation of rock breakers, at which a work tool in the form of a chisel by blows in rocky rock is driven to break this open.
  • Hydraulic striking mechanisms with which the insertion end is known a pipe string for drilling or on the chisel a rock breaker is hit.
  • the effectiveness of such Striking mechanism depends on the single impact energy and the Beat frequency.
  • a high single impact energy is achieved if the working piston of the striking mechanism has a high mass. to Accelerating such masses requires high pressures.
  • the mass of the working piston is several kg and the piston stroke is e.g. 35 mm.
  • Typical piston speeds are 7 to 11 m / sec.
  • the attainable stroke rate is between 250 and 3500 beats / min. Should the single impact energy the mass will usually be enlarged of the working piston increases, which is usually a Reduction in stroke rate.
  • a fluid-operated impact hammer is known from DE 43 43 589 C1, where the working piston is controlled by a control piston and hits the plug end of a drill pipe exercises. To do that when pulling back the drill pipe, a non-return piston is provided, the blows against one of the anvil surface Counterface of the insertion end. Here, the Non-return piston only switched on when the working piston is stopped.
  • US-A-5 647 445 describes a deep hole hammer, the two Has anvils that are firmly connected to a drill bit. Each anvil has a piston that strikes the anvil exercises. The pistons are controlled by valves so that they lifted together and then the one facing downwards Carry out work stroke at the same time. If the top If the piston hits the upper anvil, the lower piston sets its downward motion continues until it hits the lower anvil suggests. The strikes of the two pistons occur close in time together.
  • the invention has for its object a method for Perform earthworks or stone work and a hydraulic one To create percussion to increase the effectiveness of the To obtain field processing, i.e. increased drilling or increased crushing performance (when rock breaking).
  • the two working pistons run independently of each other and with different frequencies. It is assumed that usually the strokes of the working pistons in time are offset from each other and only at certain times the strokes of both pistons coincidentally coincide.
  • the invention enables a high number of blows (frequency of blows) which keeps the drill pipe in constant motion during drilling (Vibration) is held. Since most floors are grainy Contain part that gets in motion due to the high number of blows, impact drilling results in a very high drilling feed. In addition, bounce blows can occur with the method according to the invention be prevented from occurring when a blow hits hits a shock wave returning in the drill pipe. Through the high number of strokes the next stroke is always exercised if the returning wave is not yet on the back Has arrived at the end.
  • the on the anvil acting blows exerted by different working pistons preferably have essentially the same masses. This means that the deviation of the masses is a maximum of 10% is. However, the masses can also vary to a greater extent differ from each other, although the mass of the lighter of the working pistons not less than two thirds, preferably not less than three quarters, the mass of heavier piston.
  • the anvil 10 consists of the Insertion end of a drilling device, the insertion end with a (not shown) pipe string is connected, which on carries a drill bit at the front end.
  • the insertion is with a spline section 11 into which a (not shown) Rotary drive engages to turn the insertion end, which also rotates the pipe string.
  • the anvil 10 has a first anvil surface at its front end 12 and spaced therefrom an annular second anvil surface 13 on.
  • a shaft 14 stands from the anvil surface 13 backwards. The first is at the end of the shaft 14 Anvil surface 12.
  • Working piston AK1 which can be moved in a working cylinder AZ1 is.
  • the working piston AK1 is controlled by a control piston SK1, which is in a control cylinder SZ1 is movable.
  • the control piston SK1 is a hollow control sleeve, while the working piston AK1 is a full piston.
  • a high-pressure line HD leads through the control cylinder SZ1, is supplied via the hydraulic medium at high pressure.
  • the Hydraulic medium also fills the hollow interior of the control piston SK1.
  • a high-pressure line leads from the control cylinder SZ1 15 to the front end of the cylinder AZ1.
  • an annular groove 16 is provided, one of which Control line 17 to the rear end of the working cylinder AZ1 leads.
  • the annular groove 16 passes alternately through radial bores 18 of the control piston SK1 with the high pressure and via a Control groove 19 on the outside of the working piston SK1 with the Return RL in connection.
  • the control groove 19 is constantly in the area of an annular groove 20 connected to the return RL of the control cylinder SZ1.
  • a control line 22 leads from the working cylinder AZ1 to Control cylinder SZ1.
  • the control line 22 is connected to the high pressure line 15 connected when the working piston AK1 is in the Treatment position (shown in Figure 1), and she is connected to the return line 21 when the working piston AK1 itself when it hits the anvil surface 12 in the front end position.
  • This reversal of the control piston a collar B1 of the working piston causes by the working piston.
  • Another bundle B2 of the working piston is limited the rear cylinder space into which the control line 17 leads.
  • the drive of the working piston AK1 with a forward facing Working stroke is done by the control line 17 High pressure acts on the control surface SF1. That of the control surface SF1 opposite control surface SF2 is smaller than the control surface SF1.
  • the control surface SF2 is always that Exposed to high pressure.
  • the control surface is SF1 on the return stroke depressurized, so that the working piston AK1 is moved back.
  • the larger control area SF1 predominates force exerted is the force exerted on the smaller control surface SF2 Counterforce.
  • the control line 22 controls the movement of the control piston SK1 by exerting pressure on the control surface SF3.
  • the Control piston SK1 is hydraulically biased towards the left, So in the position that the return stroke of the working piston AK1 corresponds. However, if via the control line 22 the high pressure acts on the control surface SF3, the Control piston SK1 moved to the position shown (right), in which he has the working stroke or stroke stroke of the working piston AK1 causes.
  • a second working piston AK2 is additionally provided, the hollow or tubular is aligned and the annular Anvil surface 13 strikes.
  • the AK2 working piston is basically designed in the same way on its outer surface like the working piston AK1. It has two opposing directions Control surfaces SF1 and SF2, of which the control surface SF2 is constantly exposed to high pressure during the Pressure acting on the control surface SF1 through the control piston SK2 is changed.
  • the control piston SK2 oversteers the control line 17a, the working piston AK2 and the working piston AK2 controls the control piston via the control line 22a SK2.
  • the control piston SK2 is designed in the same way as the control piston SK1. He is also on the high pressure line HD and the return line RL connected.
  • the masses of the two control pistons AK1 and AK2 are approximate same size.
  • the mass of each piston is between 8 and 30 kg.
  • the piston stroke of the working pistons is approximately 35 mm and the working frequency of the working pistons is up to 3500 Beats / min.
  • Every working piston has its own spool. The movements of the working pistons are therefore not synchronized. Since not to be assumed is that both working pistons are at exactly the same frequency operated, there are irregular impact sequences.
  • the two high pressure lines HD in Figure 1 can either on the same high pressure source or to different high pressure sources be connected. It is therefore possible to do both Working piston and the associated control piston with different operate at high pressures.
  • the different Pressure sources can also be designed for different amounts of oil his.

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchführung von Erdoder Gesteinsarbeiten, bei welchem Schläge von zwei hydraulisch angetriebenen Arbeitskolben auf einen Amboß ausgeübt werden, sowie ein hydraulisches Schlagwerk zur Durchführung solcher Erd- und Gesteinsarbeiten.
Unter Erd- und Gesteinsarbeiten sind das Bohren in Erdreich oder Gestein, insbesondere das Schlagbohren zu verstehen, unter anderem auch das Überlagerungsbohren mit Innenrohrgestänge und Außenrohrgestänge sowie auch der Betrieb von Felsbrechern, bei dem ein Arbeitswerkzeug in Form eines Meißels durch Schläge in felsiges Gestein vorgetrieben wird, um dies aufzubrechen.
Bekannt sind hydraulische Schlagwerke, mit denen auf das Einsteckende eines Rohrgestänges zum Bohren oder auf den Meißel eines Felsbrechers geschlagen wird. Die Effektivität eines derartigen Schlagwerks hängt von der Einzelschlagenergie und der Schlagfrequenz ab. Eine hohe Einzelschlagenergie wird erreicht, wenn der Arbeitskolben des Schlagwerks eine hohe Masse hat. Zur Beschleunigung solcher Massen werden hohe Drücke benötigt. In der Praxis beträgt die Masse des Arbeitskolbens mehrere kg und der Kolbenhub beträgt z.B. 35 mm. Typische Kolbengeschwindigkeiten sind 7 bis 11 m/sec. Die erreichbare Schlagfrequenz beträgt zwischen 250 und 3500 Schläge/min. Soll die Einzelschlagenergie vergrößert werden, wird in der Regel die Masse des Arbeitskolbens vergrößert, was jedoch in der Regel eine Verringerung der Schlagfrequenz zur Folge hat.
Aus DE 43 43 589 C1 ist ein fluidbetätigter Schlaghammer bekännt, bei dem der Arbeitskolben von einem Steuerkolben gesteuert ist und Schläge auf das Einsteckende eines Bohrgestänges ausübt. Um beim Zurückziehen des Bohrgestänges das Bohrgestänge freizuschlagen, ist ein Rückschlagkolben vorgesehen, der Schläge auf eine der Amboßfläche entgegengerichtete Gegenschlagfläche des Einsteckendes ausübt. Hierbei wird der Rückschlagkolben nur dann eingeschaltet, wenn der Arbeitskolben stillgesetzt ist.
In US-A-5 647 445 ist ein Tieflochhammer beschrieben, der zwei Ambosse aufweist, die fest mit einer Bohrkrone verbunden sind. Zu jedem Amboss gehört ein Kolben, der Schläge auf den Amboss ausübt. Die Kolben sind von Ventilen derart gesteuert, dass sie gemeinsam angehoben werden und anschließend den nach unten gerichteten Arbeitshub gleichzeitig ausführen. Wenn der obere Kolben auf den oberen Amboss schlägt, setzt der untere Kolben seine Abwärtsbewegung fort bis er auf den unteren Amboss schlägt. Die Schläge der beiden Kolben erfolgen zeitlich nahe beieinander.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Durchführen von Erd- oder Gesteinsarbeiten und ein hydraulisches Schlagwerk zu schaffen, um eine höhere Effektivität der Schlagbearbeitung zu erhalten, d.h. einen erhöhten Bohrvortrieb oder eine erhöhte Brechleistung (beim Felsbrechen).
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und bei dem erfindungsgemäßen hydraulischen Schlagwerk mit den Merkmalen des Patentanspruchs 3. Es sind mindestens zwei Arbeitskolben vorgesehen, die Schläge in gleicher Richtung auf den Amboss ausüben. Der Amboss wird also von zwei Arbeitskolben beaufschlagt, wobei infolge der unabhängigen Steuerung der Arbeitskolben die Schläge der Arbeitskolben im Allgemeinen zeitlich zueinander versetzt sind. Dabei entsteht eine erhöhte Schlagfrequenz, ohne dass die Einzelschlagenergie durch Verringerung der Kolbenmasse verringert wäre.
Die beiden Arbeitskolben laufen unabhängig voneinander und mit unterschiedlichen Frequenzen. Dabei wird davon ausgegangen, dass normalerweise die Schläge der Arbeitskolben zeitlich zueinander versetzt sind und nur zu bestimmten Zeitpunkten zufällig die Schläge beider Arbeitskolben zusammenfallen.
Die Erfindung ermöglicht eine hohe Schlagzahl (Schlagfrequenz), wodurch beim Bohren das Bohrgestänge in ständiger Bewegung (Vibration) gehalten wird. Da die meisten Böden einen körnigen Anteil enthalten, der durch die hohe Schlagzahl in Bewegung gerät, ergibt sich beim Schlagbohren ein sehr hoher Bohrvorschub. Außerdem können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Prellschläge verhindert werden, die entstehen, wenn ein Schlag auf eine im Bohrgestänge rücklaufende Stoßwelle trifft. Durch die hohe Schlagzahl wird der nächste Schlag immer schon dann ausgeübt, wenn die rücklaufende Welle noch nicht am rückwärtigen Ende angekommen ist.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden die auf den Amboss wirkenden Schläge von verschiedenen Arbeitskolben ausgeübt. Die Arbeitskolben haben vorzugsweise im wesentlichen gleiche Massen. Dies bedeutet, dass die Abweichung der Massen maximal 10 % beträgt. Die Massen können sich jedoch auch in höherem Maße voneinander unterscheiden, wobei allerdings die Masse des leichteren der Arbeitskolben nicht geringer als zwei Drittel, vorzugsweise nicht geringer als drei Viertel, der Masse des schwereren Arbeitskolbens ist.
Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.
Es zeigt:
Fig. 1
eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform des Schlagwerks mit unabhängig voneinander gesteuerten Arbeitskolben.
Bei dem Ausführungsbeispiel besteht der Amboß 10 aus dem Einsteckende einer Bohrvorrichtung, wobei das Einsteckende mit einem (nicht dargestellten) Rohrstrang verbunden ist, der am vorderen Ende eine Bohrkrone trägt. Das Einsteckende ist mit einem Keilwellenabschnitt 11 versehen, in den ein (nicht dargestellter) Drehantrieb eingreift, um das Einsteckende zu drehen, wodurch auch das Rohrgestänge gedreht wird.
Der Amboß 10 weist an seinem stirnseitigen Ende eine erste Amboßfläche 12 und im Abstand davon eine ringförmige zweite Amboßfläche 13 auf. Von der Amboßfläche 13 steht ein Schaft 14 nach hinten ab. Am Ende des Schaftes 14 befindet sich die erste Amboßfläche 12.
Gemäß Fig. 1 schlägt auf die erste Amboßfläche 12 ein erster Arbeitskolben AK1, der in einem Arbeitszylinder AZ1 verschiebbar ist. Die Steuerung des Arbeitskolbens AK1 erfolgt durch einen Steuerkolben SK1, der in einem Steuerzylinder SZ1 verschiebbar ist. Der Steuerkolben SK1 ist eine hohle Steuerhülse, während der Arbeitskolben AK1 ein voller Kolben ist.
Durch den Steuerzylinder SZ1 führt eine Hochdruckleitung HD, über die Hydraulikmedium mit hohem Druck zugeführt wird. Das Hydraulikmedium füllt auch den hohlen Innenraum des Steuerkolbens SK1. Von dem Steuerzylinder SZ1 führt eine Hochdruckleitung 15 zum vorderen Ende des Arbeitszylinders AZ1. An dem Steuerzylinder SZ1 ist eine Ringnut 16 vorgesehen, von der eine Steuerleitung 17 zum rückwärtigen Ende des Arbeitszylinders AZ1 führt. Die Ringnut 16 gelangt abwechselnd über radiale Bohrungen 18 des Steuerkolbens SK1 mit dem Hochdruck und über eine Steuernut 19 an der Außenseite des Arbeitskolbens SK1 mit dem Rücklauf RL in Verbindung. Die Steuernut 19 befindet sich ständig im Bereich einer mit dem Rücklauf RL verbundenen Ringnut 20 des Steuerzylinders SZ1. Vom Arbeitszylinder AZ1 führt eine Rücklaufleitung 21 zur Ringnut 20.
Ferner führt vom Arbeitszylinder AZ1 eine Steuerleitung 22 zum Steuerzylinder SZ1. Die Steuerleitung 22 ist mit der Hochdruckleitung 15 verbunden, wenn der Arbeitskolben AK1 sich in der (in Figur 1 dargestellten) Rückzugsposition befindet, und sie ist mit der Rücklaufleitung 21 verbunden, wenn der Arbeitskolben AK1 sich beim Aufschlagen auf die Amboßfläche 12 in der vorderen Endstellung befindet. Dieses Umsteuern des Steuerkolbens durch den Arbeitskolben bewirkt ein Bund B1 des Arbeitskolbens. Ein weiterer Bund B2 des Arbeitskolbens begrenzt den rückwärtigen Zylinderraum, in den die Steuerleitung 17 hineinführt.
Der Antrieb des Arbeitskolbens AK1 bei einem nach vorne gerichteten Arbeitshub erfolgt dadurch, dass durch die Steuerleitung 17 Hochdruck auf die Steuerfläche SF1 einwirkt. Die der Steuerfläche SF1 entgegengerichtete Steuerfläche SF2 ist kleiner als die Steuerfläche SF1. Die Steuerfläche SF2 ist ständig dem Hochdruck ausgesetzt. Beim Rückhub ist die .Steuerfläche SF1 drucklos, so dass der Arbeitskolben AK1 zurück bewegt wird. Beim Arbeitshub überwiegt die auf die größere Steuerfläche SF1 ausgeübte Kraft die auf die kleinere Steuerfläche SF2 ausgeübte Gegenkraft.
Die Steuerleitung 22 steuert die Bewegung des Steuerkolbens SK1, indem ihr Druck auf die Steuerfläche SF3 wirkt. Der Steuerkolben SK1 ist hydraulisch in Richtung nach links vorgespannt, also in diejenige Stellung, die dem Rückhub des Arbeitskolbens AK1 entspricht. Wenn jedoch über die Steuerleitung 22 auf die Steuerfläche SF3 der Hochdruck wirkt, wird der Steuerkolben SK1 in die dargestellte (rechte) Position verschoben, in der er den Arbeitshub oder Schlaghub des Arbeitskolbens AK1 bewirkt.
Die bis jetzt beschriebene Vorrichtung ist bekannt. Erfindungsgemäß ist zusätzlich ein zweiter Arbeitskolben AK2 vorgesehen, der hohl bzw. rohrförmig ausgerichtet ist und auf die ringförmige Amboßfläche 13 schlägt. Der Arbeitskolben AK2 ist grundsätzlich an seiner Außenfläche in gleicher Weise ausgebildet wie der Arbeitskolben AK1. Er weist zwei entgegengerichtete Steuerflächen SF1 und SF2 auf, von denen die Steuerfläche SF2 ständig dem Hochdruck ausgesetzt ist, während der Druck, der auf die Steuerfläche SF1 wirkt, durch den Steuerkolben SK2 verändert wird. Der Steuerkolben SK2 steuert über die Steuerleitung 17a den Arbeitskolben AK2 und der Arbeitskolben AK2 steuert über die Steuerleitung 22a den Steuerkolben SK2. Der Steuerkolben SK2 ist in gleicher Weise ausgebildet wie der Steuerkolben SK1. Er ist ebenfalls an die Hochdruckleitung HD und die Rücklaufleitung RL angeschlossen.
Die Massen der beiden Steuerkolben AK1 und AK2 sind annähernd gleich groß. Die Masse eines jeden Kolbens beträgt zwischen 8 und 30 kg. Der Kolbenhub der Arbeitskolben beträgt etwa 35 mm und die Arbeitsfrequenz der Arbeitskolben beträgt bis zu 3500 Schläge/min.
Jeder Arbeitskolben hat seinen eigenen Steuerkolben. Die Bewegungen der Arbeitskolben sind daher nicht synchronisiert. Da nicht anzunehmen ist, dass beide Arbeitskolben exakt mit der gleichen Frequenz betrieben werden, ergeben sich unregelmäßige Schlagfolgen.
Die beiden Hochdruckleitungen HD in Figur 1 können entweder an dieselbe Hochdruckquelle oder auch an unterschiedliche Hochdruckquellen angeschlossen werden. Es ist somit möglich, beide Arbeitskolben und die zugehörigen Steuerkolben mit unterschiedlich hohen Drücken zu betreiben. Die unterschiedlichen Druckquellen können auch für unterschiedliche Ölmengen ausgelegt sein.

Claims (5)

  1. Verfahren zum Durchführen von Erd- oder Gesteinsarbeiten, bei welchem von mindestens zwei hydraulisch angetriebenen, gleichzeitig betriebenen Arbeitskolben (AK1,AK2) Schläge in gleicher Richtung auf einen Amboss (10) ausgeübt werden,
    dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche Arbeitskolben (AK1,AK2) voneinander unabhängig gesteuert sind.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitskolben (AK1,AK2) mit im wesentlichen gleichen Schlagfrequenzen synchron betrieben werden.
  3. Hydraulisches Schlagwerk für Erd- und Gesteinsarbeiten, mit mindestens zwei gleichzeitig hydraulisch betreibbaren Arbeitskolben (AK1,AK2), die Schläge in gleicher Richtung auf einen mit einem Arbeitswerkzeug verbundenen Amboss (10) ausüben, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Arbeitskolben (AK1,AK2) mit einem eigenen Steuerkolben (SK1,SK2) zusammenwirkt.
  4. Schlagwerk nach Anspruch 3, wobei die Massen der Arbeitskolben (AK1,AK2) im wesentlichen gleich sind.
  5. Schlagwerk nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Masse des leichteren Arbeitskolbens nicht weniger als 75 %, vorzugsweise nicht weniger als 65 %, der Masse des schweren Arbeitskolbens beträgt.
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