Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchführung von Erdoder
Gesteinsarbeiten, bei welchem Schläge von mindestens 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 bekannt,
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 und ohne feste Phasenbeziehung.
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 oder 2 und
bei dem erfindungsgemäßen hydraulischen Schlagwerk mit den
Merkmalen des Patentanspruchs 4 oder 5. Es sind mindestens zwei
Arbeitskolben vorgesehen, die Schläge in gleicher Richtung auf
den Amboß ausüben. Der Amboß wird also von zwei Arbeitskolben
beaufschlagt, wobei die Schläge der Arbeitskolben zeitlich
zueinander versetzt sind. Dabei entsteht eine erhöhte
Schlagfrequenz, ohne dass die Einzelschlagenergie durch Verringerung
der Kolbenmasse verringert wäre.
Grundsätzlich sollen die Arbeitskolben zu unterschiedlichen
Zeitpunkten auf den Amboß aufschlagen. Die Bewegungen der Arbeitskolben
können so synchronisiert sein, dass die Arbeitskolben
phasenverschoben zueinander betrieben werden, bei zwei
Arbeitskolben beispielsweise um 180° phasenverschoben. Dies bedeutet,
dass der eine Arbeitskolben den Schlaghub ausführt,
während der andere Arbeitskolben sich auf dem Rückhubweg befindet.
Auch andere Phasenverschiebungen als 180° sind möglich.
Eine andere Variante der Erfindung sieht vor, dass die Schläge
der Arbeitskolben synchron, d.h. zeitgleich, ausgeführt werden.
Die Arbeitskolben müssen hierbei mit gleichen Arbeitsfrequenzen
und ohne gegenseitige Phasenverschiebung betrieben werden. Es
besteht auch die Möglichkeit, ein Schlagwerk in der Weise vorzusehen,
dass die Arbeitskolben wahlweise synchron und
asynchron betrieben werden können.
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.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt zahlreiche Varianten der
Steuerung der mindestens zwei Arbeitskolben. So ist eine
Steuerung möglich, bei der beide Arbeitskolben gleichberechtigt
sind oder eine Steuerung, bei der der eine Arbeitskolben die
Master-Funktion und der andere die Slave-Funktion ausübt.
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 werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele
der Erfindung näher erläutert.
Es zeigen:
- Fig. 1
- eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des
Schlagwerks mit unabhängig voneinander gesteuerten
Arbeitskolben, die nicht zu der vorliegenden Erfindung
gehört und lediglich dem besseren Verständnis der
nachfolgenden Ausführungsbeispiele dient,
- Fig. 2
- eine Ausführungsform der Erfindung, bei der die beiden
Arbeitskolben sich gegenseitig steuern,
- Fig. 3
- eine Ausführungsform, bei der der eine Arbeitskolben
mit einem Steuerkolben zusammenwirkt und dabei den
anderen Arbeitskolben steuert,
- Fig. 4
- eine Ausführungsform, bei der ein Arbeitskolben mit
einem Steuerkolben zusammenwirkt, während der Steuerkolben
gleichzeitig den anderen Arbeitskolben steuert,
- Fig. 5
- eine ähnliche Ausführungsform wie Fig. 4, jedoch
zusätzlich mit einem Umschaltorgan, mit dem eine von
mehreren Betriebsarten ausgewählt werden kann, wobei in
Fig. 5 eine dieser Betriebsarten dargestellt ist,
- Fig. 6
- das Umschaltorgan von Fig. 5 in einer zweiten
Betriebsart und
- Fig. 7
- das Umschaltorgan von Fig. 5 in einer dritten
Betriebsart.
Bei allen Ausführungsbeispielen 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.
Ein zweiter Arbeitskolben AK2, der hohl bzw. rohrförmig
ausgebildet ist, schlägt auf die ringförmige Amboßfläche 13.
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.
Bei der Ausführungsform nach Figur 1 hat jeder Arbeitskolben
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.
Bei dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel von Figur 2 sind
der Arbeitskolben AK1 und der Arbeitszylinder AZ1 in gleicher
Weise ausgebildet wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel. Der
Arbeitskolben AK1 schlägt auf die Amboßfläche 12 des Amboß 10.
Auch der Arbeitskolben AK2 und der Arbeitszylinder AZ2 sind in
gleicher Weise ausgebildet wie bei Figur 1. Der Arbeitskolben
AK2 ist ein Ringkolben, der auf die ringförmige Amboßfläche 13
schlägt. Ein separater Steuerkolben ist bei diesem
Ausführungsbeispiel nicht vorhanden, weil der Arbeitskolben AK2
den Steuerkolben für den Arbeitskolben AK1 bildet, und umgekehrt.
Die Steuerleitung 17 des ersten Arbeitszylinders AZ1 ist
nämlich mit der Steuerleitung 22a des zweiten Arbeitszylinders
AZ2 verbunden und die Steuerleitung 22 des ersten Arbeitszylinders
AZ1 ist mit der Steuerleitung 17a des zweiten Arbeitszylinders
AZ2 verbunden. Die Arbeitskolben steuern sich
gegenseitig und gegenphasig. Dies bedeutet, dass der Arbeitskolben
AK2 seine vordere Endstellung einnimmt, wenn der Arbeitskolben
AK1 seine rückwärtige Endstellung einnimmt, und
dass der Arbeitskolben AK2 seine rückwärtige Endstellung einnimmt,
wenn der Arbeitskolben AK1 seine vordere Endstellung
einnimmt. Die Bewegungen beider Arbeitskolben sind miteinander
synchronisiert und um 180° phasenverschoben. Damit ergibt sich
bei gleichmäßigem Schlagtakt eine Schlagfrequenz, die doppelt
so hoch ist wie die Schlagfrequenz jedes einzelnen Arbeitskolbens.
Bei dem Ausführungsbeispiel von Figur 3 ist der Arbeitskolben
AK1 in gleicher Weise ausgebildet wie bei den übrigen
Ausführungsbeispielen, jedoch ist er mit einer zusätzlichen
Steuernut 30 versehen, die in Abhängigkeit von der Stellung des
Arbeitskolbens entweder mit einer Druckleitung 31 oder mit
einer Rücklaufleitung 32 in Verbindung steht. Durch Umschaltung
bzw. Vertauschung der Leitungen 31,32 kann die Phasenlage des
Arbeitskolbens AK2 in Bezug auf den Arbeitskolben AK1 umgekehrt
werden. Andererseits kann durch Unterbrechung bzw. Absperrung
der Druckleitung 31 der Arbeitskolben AK2 stillgesetzt werden.
Es ist auch möglich, die Leitung 31 an eine separate (andere)
Hochdruckquelle anzuschließen. Auf diese Weise kann der Arbeitskolben
AK2 mit einer anderen Druckquelle betrieben werden,
wie der Arbeitskolben AK1 und der Steuerkolben SK1. Es ist auch
möglich, dass die andere Druckquelle eine unterschiedliche Ölmenge
pro Zeiteinheit liefert. Die Möglichkeit die Arbeitskolben
mit getrennten Druckquellen zu betreiben, erhöht die
Vielseitigkeit des Schlagwerks. Vom Bereich der Steuernut 30
geht eine Steuerleitung 17a aus dem Arbeitszylinder AZ1 heraus.
Diese Steuerleitung führt in den Arbeitszylinder AZ2, um die
Steuerfläche SF3 des Arbeitskolbens AK2 mit Druck zu beaufschlagen
oder drucklos zu machen. Bei diesem Ausführungsbeispiel
bildet der Arbeitskolben AK1 mit dem Steuerkolben SK1
wiederum eine frequenzbestimmende Rückkopplungsschaltung, während
der Arbeitskolben AK2 als Slave von dem Arbeitskolben AK1
mitgesteuert wird.
Bei dem Ausführungsbeispiel von Figur 4 steuert eine Steuerhülse
SK den ersten Arbeitskolben AK1 in gleicher Weise wie bei
dem Beispiel von Figur 1. Der Steuerkolben SK ist in gleicher
Weise ausgebildet wie der Steuerkolben SK1, jedoch zusätzlich
mit einer Verlängerung 24 versehen. Die Verlängerung 24 enthält
eine Steuernut 25, welche zwei Ringnuten 26,27 des Steuerzylinders
SZ überbrücken kann. Die Ringnut 26 ist ständig mit
der Rücklaufleitung RL verbunden und die Ringnut 27 ist mit
einer Steuerleitung 17b verbunden, welche wiederum mit der in
den Arbeitszylinder AZ2 hineinführenden Steuerleitung 17a verbunden
ist. Die Steuerleitung 17b wird abwechselnd über radiale
Bohrungen 28 des Steuerkolbens SK mit Druck beaufschlagt und
durch die Steuernut 25 drucklos gemacht. Der Druck in der
Steuerleitung 17b ist gegenphasig zu dem Druck in der Steuerleitung
17, wodurch beide Arbeitskolben AK1 und AK2 gegenphasig
zueinander betrieben werden. Der Arbeitskolben AK1 wirkt mit
dem Steuerkolben SK zur Erzeugung einer Schwingbewegung zusammen,
während der Arbeitskolben AK2 als Slave lediglich mitgesteuert
wird, die Steuerung aber nicht beeinflußt.
Alternativ zu dem anhand von Figur 4 beschriebenen Ausführungsbeispiel
ist es auch möglich, den Arbeitskolben AK2 in Phase
zum Arbeitskolben AK1 zu betreiben. Hierzu müßte die Steuerleitung
17b abgesperrt und die Steuerleitung 17 mit der Steuerleitung
17a verbunden werden. Bei einem gleichphasigen
Synchronbetrieb ist zwar die Schlagfrequenz relativ gering, die
Einzelschlagenergie aber um so größer.
Es ist auch möglich, zwischen beiden Betriebsarten
umzuschalten, um beispielsweise mit niederfrequenten Schlägen
von hoher Einzelschlagenergie Felspartien zu zertrümmern, im
normalen Erdreich aber mit hoher Schlagfrequenz und geringer
Einzelschlagenergie zu arbeiten.
Das Ausführungsbeispiel von Fig. 5 entspricht weitgehend
demjenigen von Fig. 4, so dass die nachfolgende Beschreibung
sich auf die Erläuterung der Unterschiede beschränkt.
Gemäß Fig. 5 sind die Steuerleitungen 17, 17a und 17b mit einem
Umschaltorgan 34 verbunden, bei dem es sich um ein Wegeventil
handelt. Das Umschaltorgan hat drei Anschlüsse A,B,C, wobei C
einen Auslaß bildet, der wahlweise mit dem Einlaß A verbunden
oder mit dem Einlaß B verbunden oder drucklos gemacht wird.
In Fig. 5 steht das Umschaltorgan 34 in der Stellung, in der es
den Einlaß B mit dem Auslaß C verbindet. Der Einlaß A ist
abgeblockt. Dies bedeutet, dass der Steuerdruck in der
Steuerleitung 17 sowohl den Arbeitskolben AK1 als auch den
Arbeitskolben AK2 steuert, wobei diese Steuerung synchron
erfolgt. Beide Arbeitskolben schlagen also gleichzeitig und
gemeinsam auf den Schaft 14.
Wenn das Umschaltorgan 34 sich in der Stellung gemäß Fig. 6
befindet, verbindet es den Einlaß A mit dem Auslaß C. Der
Einlaß B ist abgeblockt. Da an den Steuerleitungen 17,17b
jeweils zueinander inverse Drücke anliegen, werden die beiden
Arbeitskolben AK1 und AK2 gegenphasig zueinander betrieben. Die
Schlagfrequenz ist also gegenüber derjenigen eines einzelnen
Arbeitskolbens verdoppelt.
In der Stellung es Umschaltorgans 34 gemäß Fig. 7 sind die
Einlässe A und B des Umschaltorgans abgeblockt, während der
Auslaß C mit dem Rücklauf verbunden ist. Dadurch wird die
Steuerleitung 17a drucklos und der Arbeitskolben AK2 wird
stillgesetzt. Es arbeitet nur der Arbeitskolben AK1 aufgrund
der Steuerung mittels Steuerleitung 17.
Gemäß Fig. 5 sind die Druckleitungen 15, die in die beiden
Arbeitszylinder AZ1 und AZ2 hineinführen, jeweils mit einem
eigenen Gasdruckspeicher 36 bzw. 37 verbunden, so dass die
Arbeitskolben sich nicht gegenseitig den Druck fortnehmen.
Außerdem ist die Rücklaufleitung RL an einen Gasdruckspeicher
38 angeschlossen.