EP1607187B1 - Device for improving the deactivation response of an electropneumatic percussive tool - Google Patents
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- EP1607187B1 EP1607187B1 EP04102799A EP04102799A EP1607187B1 EP 1607187 B1 EP1607187 B1 EP 1607187B1 EP 04102799 A EP04102799 A EP 04102799A EP 04102799 A EP04102799 A EP 04102799A EP 1607187 B1 EP1607187 B1 EP 1607187B1
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf Abbaugeräte mit elektropneumatischem Antrieb, insbesondere auf elektropneumatische Bohr- und/oder Meisselhämmer. Sie betrifft insbesondere eine Einrichtung zur Verbesserung des Abschaltverhaltens solcher Abbaugeräte (siehe z.B.
Bei Geräten der genannten Art wird durch einen Elektromotor ein Erregerkolben angetrieben, welcher einen über ein Druck-Stoßpolster (im Folgenden "Luftfeder") gekoppelten Flugkolben periodisch hin- und hergehend anregt. Durch den Aufprall des Flugkolbens auf ein in einem Werkzeughalter gehaltenes Abbauwerkzeug oder über einen dazwischengeschalteten Döpper wird im Werkzeug eine Stoßwelle generiert, welche den Abbau des Untergrunds bewirkt.In devices of the type mentioned, an exciter piston is driven by an electric motor which periodically excites a reciprocating piston, which is coupled via a pressure impact pad (hereinafter "air spring"), to and fro. As a result of the impact of the flying piston on a removal tool held in a tool holder or via an anvil connected therebetween, a shock wave is generated in the tool, which causes the degradation of the substrate.
Wird das Abbauwerkzeug im Meissel- oder auch im Hammer-Bohrbetrieb vom Untergrund abgehoben, so sollte das elektropneumatische Schlagwerk möglichst schnell deaktiviert werden, da nach dem Abheben die durch den Flugkolben erzeugte und im Werkzeug entlanglaufende Stoßwelle nicht mehr durch den Untergrund absorbiert werden kann; sie wird vollständig reflektiert. Die gesamte Stoßwellenenergie muss in diesem Fall durch die Struktur des Abbaugeräts und den Anwender aufgenommen werden. Nicht nur die rücklaufende Welle, sondern vor allem die erste Stoßwelle nach dem Abheben muss durch das Wiederlager der Werkzeugaufnahme aufgenommen werden. In der Regel sorgen spezielle Dämpfungselemente dafür, dass durch mehrfaches Nachschlagen des Flugkolbens keine Schäden an der Struktur entstehen. Jedoch sind auch diese Dämpfungs- und Strukturelemente des Geräts nicht so ausgelegt oder auslegbar, dass die gesamte Meisselleistung über längere Zeit ohne bleibende Schäden aufgenommen werden könnte. Die Folgen eines zu langsamen Abschaltens des Schlagwerks nach dem Abheben vom Untergrund sind ein relativ hoher Materialverschleiß und natürlich auch unangenehme und schädliche Vibrationen auf die Arme, Gelenke und insgesamt den Körper des Anwenders.If the removal tool is lifted off the ground in chisel or hammer drilling mode, the electro-pneumatic impact mechanism should be deactivated as quickly as possible, since after lifting the shock wave generated by the flying piston and running along the tool can no longer be absorbed by the substrate; it is completely reflected. The total shock wave energy in this case must be taken up by the structure of the excavator and the user. Not only the returning shaft, but above all the first shock wave after lifting must be absorbed by the re-storage of the tool holder. As a rule, special damping elements ensure that no damage to the structure occurs due to repeated reference of the flying piston. However, these damping and structural elements of the device are not designed or interpreted so that the entire chisel power could be taken for a long time without permanent damage. The consequences of too slow shutdown of the impact mechanism after lifting off the ground are a relatively high wear of material and of course also unpleasant and harmful vibrations on the arms, joints and overall the body of the user.
Grundsätzlich bekannt sind folgende Methoden, um ein elektropneumatisches Schlagwerk bei Unterbrechung oder Beendigung eines Arbeitsvorgangs und Abheben des Geräts vom Untergrund zu deaktivieren:
- (a) Das aktive Schlagwerk: Luftablassöffnungen in der Luftfeder werden geöffnet.
- (b) Das passive Schlagwerk: Die Luftfeder wird beim Abheben des Geräts verlängert und dadurch weich.
- (c) Das schnelle Abschalten des Antriebs, eventuell unterstützt durch schnelles, aktives Abbremsen des Antriebs.
- (a) The active hammer mechanism: Air exhaust holes in the air spring are opened.
- (b) The passive impact mechanism: The air spring is extended when lifting the unit and thus soft.
- (c) Quick shutdown of the drive, possibly supported by fast, active braking of the drive.
Die Methode (a) wird in der Praxis so realisiert, dass beim Abheben des Geräts vom Untergrund das Werkzeug und der Döpper sich um einige Millimeter bis Zentimeter vom Anwender aus gesehen nach vorne bewegen. Diese Axialbewegung wird auf eine Steuerhülse übertragen, welcheThe method (a) is realized in practice so that when lifting the device from the ground, the tool and the striker move forward by a few millimeters to centimeters from the user. This axial movement is transmitted to a control sleeve, which
Luftablassöffnungen am Führungsrohr öffnet. Dies bewirkt eine große Leckage in der Luftfeder und somit einen Druckausgleich zum Atmosphärendruck. Der Erregerkolben ist jetzt beim Rückhub nicht mehr in der Lage einen Unterdruck zu erzeugen und den Flugkolben erneut anzusaugen. Das Schlagwerk ist deaktiviert.Air outlet openings on the guide tube opens. This causes a large leakage in the air spring and thus a pressure equalization to the atmospheric pressure. The excitation piston is now no longer able to generate a negative pressure during the return stroke and to suck in the flying piston again. The hammer mechanism is deactivated.
Auch bei der Methode (b) wird der Weg des Döppers oder Werkzeugs beim Abheben des Geräts vom Untergrund ausgenutzt, jedoch nicht um eine Hülse zu steuern, sondern um das Schlagwerk bzw. dessen Luftfeder zu verlängern. Die Verlängerung der effektiven Schlagwerkslänge um den Döpperweg bewirkt, dass die Luftfeder so weich wird, dass der Flugkolben beim Rückhub des Erregerkolbens nicht erneut angesaugt wird.Also in the method (b), the path of the bonnet or tool when lifting the device from the ground is exploited, but not to control a sleeve, but to extend the percussion or its air spring. The extension of the effective percussion length to the striker path causes the air spring is so soft that the flying piston is not sucked in during the return stroke of the exciter piston.
Die Methode (c) bedingt einen dynamischen Antrieb. Der häufigste Antriebstyp in Elektrowerkzeugen der genannten Art ist heutzutage der Universalmotor. Diese Motorart lässt sich nicht aktiv bremsen - es sei denn durch eine sehr aufwändige Anordnung durch Drehen der Stromrichtung im Statorpaket. Sobald das Abbaugerät vom Untergrund abgehoben wird, wird der Motor ausgeschaltet. Beim erneuten Anpressen des Werkzeugs an den Untergrund wird die Drehzahl wieder hoch gefahren.Method (c) requires a dynamic drive. The most common type of drive in power tools of the type mentioned today is the universal motor. This type of engine can not be actively braked - except by a very complex arrangement by turning the current direction in the stator. As soon as the excavator is lifted off the ground, the engine is switched off. When re-pressing the tool to the ground, the speed is increased again.
Allen drei genannten Methoden ist gemeinsam, dass ein Nachschlagen nach wie vor auftritt oder zumindest vorkommen kann. Je nach den Reibungsverhältnissen an der Wand des Führungsrohrs im Schlagwerk und an den Dichtelementen des Flugkolbens kann es bei allen bekannten Methoden vorkommen, dass der Flugkolben, nachdem er deaktiviert wurde, noch mehrmals auf den Döpper auftrifft. Die im Flugkolben steckende kinetische Energie kann nur durch die Reibung mit den Mantelflächen des Führungsrohrs, durch Zusammenstöße mit dem Döpper oder durch Kompression des Restgehalts an Luft aufgenommen und abgebaut werden. Insofern sind dies rein passive Verfahren. Der Flugkolben verliert seine kinetische Energie durch Stöße oder Reibung.All three methods mentioned have in common that a lookup still occurs or at least can occur. Depending on the friction conditions on the wall of the guide tube in the percussion mechanism and on the sealing elements of the flying piston, it can happen in all known methods that the flying piston, after it has been deactivated, several times hits the striker. The kinetic energy contained in the flying mass can only be absorbed and reduced by friction with the lateral surfaces of the guide tube, by collisions with the striker or by compression of the residual content of air. In this respect, these are purely passive procedures. The flying piston loses its kinetic energy through impact or friction.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Abschalt- und insbesondere Nachschlagverhalten von elektropneumatisch betriebenen Abbaugeräten, insbesondere von Bohr- und/oder Meisselhämmern, zu verbessern.The invention has for its object to improve the shutdown and in particular Nachschlagverhalten of electropneumatically operated mining equipment, in particular of drilling and / or chipping hammers.
Diese Aufgabe wird durch ein Abbaugerät nach Anspruch 1 gelöst.This object is achieved by a mining device according to
Erfindungsgemäß ist ein Abbaugerät mit elektropneumatischem Schlagwerk, insbesondere ein Bohr- und/oder Meisselhammer, dessen Schlagwerk einen elektrisch innerhalb eines Führungsrohrs vor- und zurückfahrend angetriebenen Erregerkolben aufweist, der über eine von diesem komprimierte Luftfeder einen Flugkolben beschleunigt, der seinerseits ein in einem Werkzeughalter gehaltenes Werkzeug schlagend antreibt, gekennzeichnet durch eine beim Abheben des Abbaugeräts vom abzubauenden Untergrund aktivierbare Ventileinrichtung, über die der zwischen dem Flug- und dem Erregerkolben wirkende Druck im Schlagwerk erhöht wird.According to the invention is a mining device with electro-pneumatic percussion, in particular a drill and / or chisel hammer whose percussion has an electrically driven within a guide tube back and forth driven exciter piston which accelerates a piston of this compressed air spring, which in turn held in a tool holder Powered striking tool, characterized by an activatable when lifting the excavator from the degraded surface valve means over which the pressure acting between the flying and the excitation piston pressure in the percussion is increased.
Gemäß der Erfindung weist die Ventileinrichtung ein Rückschlagventil auf, über das beim Abheben des Werkzeugs vom Untergrund der beim Rückhub des Erregerkolbens zwischen diesem und dem Flugkolben entstehende Unterdruck auf einen höheren Druck, insbesondere Umgebungsdruck, angehoben wird. Vorzugsweise weist das Führungsrohr im Bereich der Luftfeder wenigstens eine Bohrung auf, hier auch als "Schnaufloch" bezeichnet, und das Rückschlagventil ist relativ zum Führungsrohr verschiebbar und so angeordnet, dass es beim Abheben des Abbaugeräts vom Untergrund durch eine Verstelleinrichtung auf die Bohrung ausgerichtet wird.According to the invention, the valve device has a check valve, via which, when the tool is lifted off the ground, the negative pressure arising during the return stroke of the excitation piston between the latter and the flying piston is raised to a higher pressure, in particular ambient pressure. Preferably, the guide tube has at least one bore in the area of the air spring, here also referred to as "puff hole", and the check valve is displaceable relative to the guide tube and arranged so that that it is aligned when lifting the excavator from the ground by an adjustment on the hole.
Gemäß der Erfindung ist das Rückschlagventil in eine das Führungsrohr umgebende Steuerhülse integriert, die durch die Verstelleinrichtung verschiebbar ist. Sofern - wie bei einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen - der über die Luftfeder angetriebene Flugkolben schlagend auf einen dem Werkzeughalter zugeordneten Döpper wirkt, wird die Verstelleinrichtung für das Rückschlagventil vorzugsweise durch den sich beim Abheben nach vorn bewegenden Döpper betätigt. Dabei kann die Steuerhülse durch die Verstelleinrichtung relativ zum Führungsrohr entweder axial verschiebbar oder relativ zum Führungsrohr verdrehbar ausgebildet sein. Eine räumlich günstige, weil platzsparend bauende Ausführungsform lässt sich dann realisieren, wenn das vorzugsweise in die Steuerhülse integrierte Rückschlagventil ein Klappenventil oder ein Kugelventil ist. Ein in die Steuerhülse integriertes Klappenventil kann beispielsweise durch eine einseitig eingespannte, quer zu einem Durchlasskanal in der Steuerhülse sich erstreckende Blattfeder gebildet sein. Die Lösung mit in die Steuerhülse integriertem Kugelventil hat den Vorteil, dass sich die Vorspannung und damit der Auslösedruck des Rückschlagventils über eine auf eine Druckfeder wirkende Stellschraube gut einstellen lässt.According to the invention, the check valve is integrated in a control sleeve surrounding the control sleeve, which is displaceable by the adjusting device. Provided - as provided in a preferred embodiment - the air piston operated via the air spring striking acts on a tool holder associated with the beatpiece, the adjusting device for the check valve is preferably actuated by the lifting device when moving forward anvil. In this case, the control sleeve can be formed by the adjusting device relative to the guide tube either axially displaceable or rotatable relative to the guide tube. A spatially favorable because space-saving design embodiment can be realized when the preferably integrated into the control sleeve check valve is a flapper valve or a ball valve. A flap valve integrated into the control sleeve can be formed, for example, by a leaf spring which is clamped on one side and extends transversely to a passage channel in the control sleeve. The solution with integrated in the control sleeve ball valve has the advantage that the bias and thus the trigger pressure of the check valve can be adjusted well via an acting on a compression spring screw.
Eine weitere grundsätzliche Ausführungsvariante der Erfindung zur Verhinderung des Nachschlagens des Flugkolbens sieht die Verwendung einer Druckspeichervorrichtung vor, durch die bei Aktivierung der Ventileinrichtung zum Zeitpunkt der Arbeitsunterbrechung und Anheben des Werkzeugs der Druck im Schlagwerk erhöht wird. Der Druckspeicher kann eine über den Erregerkolbenantrieb betätigbare Pumpe, beispielsweise eine vom Pleuelantrieb des Erregerkolbens betätigte Hubkolbenpumpe sein. Eine elegante und raumsparende Lösung ergibt sich dann, wenn die Pumpe als eine durch den Antrieb des Erregerkolbens betätigte Exzenterpumpe realisiert ist, wobei eine Exzenterscheibe des Pleuelantriebs als Kolben und das umgebende Gehäuse als Pumpengehäuse wirken.Another basic embodiment variant of the invention for preventing the refueling of the flyer provides for the use of an accumulator device, which increases the pressure in the percussion mechanism upon activation of the valve device at the time of interruption of work and lifting of the tool. The pressure accumulator may be an actuatable via the exciter piston pump, for example, be actuated by the connecting rod of the exciter piston reciprocating pump. An elegant and space-saving solution results when the pump is realized as an actuated by the drive of the exciter piston eccentric, with an eccentric of the connecting rod drive as a piston and the surrounding housing act as a pump housing.
Eine weitere grundsätzliche Ausführungsvariante der Erfindung sieht vor, die Ventileinrichtung mittels mindestens eines aktiv geschalteten Ventils, beispielsweise eines elektromagnetisch betätigbaren Ventils, etwa in Form eines dynamischen Schieberhülsenventils zu realisieren. Das Ventil wird dabei insbesondere durch eine elektromagnetisch betätigbare Steuerhülse gebildet, die in einer Schaltposition wenigstens ein das Führungsrohr durchsetzendes Schnaufloch zur Luftfeder verschließt und in einer anderen Schaltposition freigibt. Eine weitere erprobte und vorteilhafte Lösung für ein dynamisches Schieberhülsenventil besteht darin, die Steuerhülse relativ zum Führungsrohr des Schlagwerks axial durch einen Voice-Coil-Aktor zu verschieben, dessen verschieblicher Kern durch die Steuerhülse gebildet ist.A further basic embodiment variant of the invention provides to realize the valve means by means of at least one actively switched valve, such as an electromagnetically actuated valve, such as in the form of a dynamic valve sleeve valve. The valve is formed in particular by an electromagnetically actuated control sleeve, which closes at least one guide tube passing through the through hole to the air spring in a switching position and releases in a different switching position. Another proven and advantageous solution for a dynamic pusher sleeve valve is to move the control sleeve relative to the guide tube of the percussion axially by a voice coil actuator whose displaceable core is formed by the control sleeve.
Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten derselben werden nachfolgend unter Bezug auf die Zeichnungen in beispielsweisen Ausführungsvarianten näher erläutert. Es zeigen:
- Fig. 1
- die Prinzipdarstellung eines Bohr- und/ oder Meisselhammers mit elektropneumatischem Schlagwerk, das erfindungsgemäß mit einer pneumatischen Flugkolbenbremse ausgestattet ist;
- Fig. 2 mit Teilfiguren 2A und 2B
- die Prinzipdarstellung eines elektropneumatischen Schlagwerks für Geräte der genannten Art mit einer aktiven Flugkolbenbremse, realisiert mittels durch eine Steuerhülse axial verschiebbarer Klappenventile, wobei
Fig. 2A die Position des Klappenventils in der Arbeitsposition des Geräts, also beim Abbau von Untergrund zeigt, während
Fig. 2B das Klappenventil bei vom Untergrund abgehobenem Werkzeug, und damit aktivierter Flugkolbenbremse veranschau- licht; - Fig. 3A
- die isometrische Darstellung einer erprobten Steuerhülse mit integrierten Klappenventilen zur Deaktivierung und Aktivierung der Flugkolbenbremse;
- Fig. 3B
- die Schnittdarstellung der Steuerhülse nach
Fig. 3A ; - Fig. 4
- die Schnittdarstellung einer Steuerhülse mit integrierten Kugelventilen als Rückschlagventile;
- Fig. 5
- die Prinzipdarstellung eines elektropneu- matischen Schlagwerks, ausgerüstet mit einer Steuerhülse mit Kugelventilen gemäß
Fig. 4 ; - Fig. 6
- die Prinzipdarstellung eines elektropneu- matischen Schlagwerks mit aktiver Flug- kolbenbremse gemäß der Erfindung zur Verdeutlichung des Begriffs "effektive Schlagwerkslänge";
- Fig. 7 mit Teilfiguren 7A, 7B und 7C
- die Prinzipdarstellung eines elektropneumatischen Schlagwerks mit aktiv steuerbarem Rückschlagventil, dargestellt in drei unterschiedlichen Positionen zur Veranschaulichung eines nachfolgend erläuterten Betriebsverhaltens;
- Fig. 8
- drei zeitkorreliert übereinander dargestell- te Signaldiagramme zur Veranschauli- chung eines Stopp- und Startvorgangs eines elektropneumatischen Schlagwerks mit erfindungsgemäßen Merkmalen bei kurzzeitiger Unterbrechung und Wieder- aufnahme eines Arbeitsvorgangs mit dem Abbaugerät;
- Fig. 9
- eine zeitlich auseinandergezogene Darstellung der Messsignaldiagramme der
Fig. 8 zur Veranschaulichung des Abschalt- bzw. Nachschlagverhaltens eines elektropneumatischen Schlagwerks mit erfindungsgemäßer Flugkolbenbremse; - Fig. 10
- die ebenfalls zeitlich auseinandergezogene Darstellung eines Teilabschnitts der Messsignale aus
Fig. 8 zur Verdeutlichung des Anlaufverhaltens des Schlagwerks gemäß der Erfindung; - Fig. 11
- eine der
Fig. 8 entsprechende zeitkorrelierte Darstellung von drei Messsignalen zur Verdeutlichung eines Stopp- und Startvorgangs eines elektropneumatischen Schlagwerks, bei dem zusätzliche Maßnahmen getroffen sind, um einen beim raschen Abbremsen des Flugkolbens erzeugten Überdruck im Schlagwerk rasch abzubauen; - Fig. 12
- eine zeitlich gestreckte Detaildarstellung aus der Graphik der
Fig. 11 zur besseren Verdeutlichung des Anlaufverhaltens des Schlagwerks bei zusätzlichem Abblasen des für den Abbremsvorgang aufgebauten Druckpolsters; - Fig. 13
- eine Ausführungsform der Erfindung, bei der die Flugkolbenbremsung durch Aufbau eines Zusatzdrucks über einen durch eine Hubkolbenpumpe aufladbaren Druckspeicher erfolgt;
- Fig. 14
- eine andere Ausführungsvariante, bei der ein Druckspeicher über eine vom Pleuel des Erregerkolbens mitbetätigte Exzenterpumpe aufgeladen wird;
- Fig. 15
- eine Ausführungsvariante der Erfindung, bei der eine Druckerhöhung im Schlagwerk bei Arbeitsunterbrechung über ein schaltbares Ventil, vorzugsweise Zweiwegeventil, erfolgt; und
- Fig. 16
- eine Ausführungsvariante der Erfindung, bei der eine Steuerhülse zur aktiven Öffnung von Schnauflöchern im Bereich der Luftfeder bei Arbeitsunterbrechung und Abheben des Werkzeugs vom Untergrund durch einen Voice-Coil-Aktor axial hinund hergeschoben wird.
- Fig. 1
- the schematic diagram of a drill and / or chisel hammer with electropneumatic impact mechanism, which is equipped according to the invention with a pneumatic air piston brake;
- Fig. 2 with sub-figures 2A and 2B
- the schematic diagram of an electro-pneumatic percussion mechanism for devices of the type mentioned with an active air piston brake, realized by means of a control sleeve axially displaceable flap valves, wherein
Fig. 2A shows the position of the flap valve in the working position of the device, ie when dismantling underground, while
Fig. 2B illustrates the flap valve when the tool is lifted off the ground, and with this activated air piston brake; - Fig. 3A
- the isometric view of a proven control sleeve with integrated flap valves for deactivation and activation of the aircraft piston brake;
- Fig. 3B
- the sectional view of the control sleeve after
Fig. 3A ; - Fig. 4
- the sectional view of a control sleeve with integrated ball valves as check valves;
- Fig. 5
- The schematic diagram of an electropneumatic impact mechanism, equipped with a control sleeve with ball valves according to
Fig. 4 ; - Fig. 6
- the schematic diagram of an electropneumatic percussion with active piston piston brake according to the invention to illustrate the term "effective percussion length";
- Fig. 7 with sub-figures 7A, 7B and 7C
- the schematic diagram of an electro-pneumatic percussion with actively controllable check valve, shown in three different positions to illustrate a below-explained operating behavior;
- Fig. 8
- three time-correlated signal diagrams for illustrating a stop and start operation of an electro-pneumatic percussion mechanism with features according to the invention in the event of brief interruption and re-starting recording a work process with the mining equipment;
- Fig. 9
- a temporally exploded view of the measurement signal diagrams of
Fig. 8 to illustrate the turn-off or Nachschlagverhaltens an electropneumatic percussion with inventive aircraft piston brake; - Fig. 10
- the likewise temporally exploded representation of a subsection of the measurement signals
Fig. 8 to illustrate the start-up behavior of the striking mechanism according to the invention; - Fig. 11
- one of the
Fig. 8 corresponding time-correlated representation of three measuring signals to illustrate a stop and start operation of an electro-pneumatic impact mechanism, in which additional measures are taken to rapidly reduce a generated in the rapid deceleration of the air piston overpressure in the percussion; - Fig. 12
- a temporally stretched detail from the graph of
Fig. 11 for better clarification of the start-up behavior of the percussion mechanism with additional blowing off of the pressure pad constructed for the braking process; - Fig. 13
- an embodiment of the invention, in which the air piston brake is done by building up an additional pressure via a pressure accumulator can be charged by a reciprocating pump;
- Fig. 14
- another embodiment in which a pressure accumulator is charged via a co-operated by the connecting rod of the exciter piston eccentric pump;
- Fig. 15
- an embodiment of the invention, in which an increase in pressure in the impact mechanism at work interruption via a switchable valve, preferably two-way valve occurs; and
- Fig. 16
- an embodiment of the invention in which a control sleeve for the active opening of Schnauflöchern in the air spring at work stoppage and lifting the tool from the ground by a voice coil actuator is pushed axially back and forth.
Einander entsprechende Bauteile oder Baugruppen sind in allen Figuren mit gleichen Bezugshinweisen angegeben.Corresponding components or assemblies are given in all figures with the same references.
Die
Der Antriebsmotor ist herkömmlicher Bauart und ist aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Das Abbaugerät verfügt über ein elektropneumatisches Schlagwerk 10 mit einem Führungsrohr 11, in dessem hinterem Bereich ein Erregerkolben 12 durch einen Pleuelantrieb 13 hin- und her- bzw. vor- und zurückgehend angetrieben wird. Der Erregerkolben 12 wirkt über eine Luftfeder 19 auf einen Flugkolben 14, der seine kinetische Energie über ein Druckpolster 21 an einen Döpper 15 weitergibt, der seinerseits axial schlagend auf ein in einer Werkzeugaufnahme 9 gehaltenes Werkzeug, insbesondere einen Meissel (nicht dargestellt), einwirkt. Im Rahmen der Erfindung ist das Druckpolster 21 nicht zwingend. Grundsätzlich ist es auch möglich, dass der Flugkolben 14 direkt auf das Werkzeug bzw. direkt auf den Döpper 15 einwirkt.The drive motor is of conventional design and is not shown for reasons of clarity. The excavator has an
Wesentlich für die Erfindung ist eine allgemein durch Bezugshinweis 30 angegebene pneumatische Flugkolbenbremse zur Erzeugung eines Überdrucks zwischen dem Erregerkolben 12 und dem Flugkolben 14, die bewirkt, dass der Flugkolben 14 beim Absetzen des Abbaugeräts vom Untergrund gegen den Döpper 15 gepresst wird. Dadurch wird beim Rückhub des Erregerkolbens 12 ein Unterdruck in der Luftfeder 19 und damit ein Nachschlagen des Flugkolbens 14 vermieden.Essential to the invention is a pneumatic air piston brake generally indicated by
Bei der in
Die isometrische Darstellung der
Die
Die
Die
Bei dem der Erfindung zugrunde liegenden Verfahren, kurz auch als "Pump-Up-Verfahren" bezeichnet, werden im Moment des Abschaltens des Schlagwerks - wie bereits erläutert - Rückschlagventile zugeschaltet, die direkt mit der Luftfeder 19 des Schlagwerks verbunden sind und dieses dadurch aufpumpen, dass bei der Rückwärtsbewegung des Erregerkolbens 12 ein Unterdruck in der Luftfeder 19 entsteht. Die nach innen gerichteten Rückschlagventile, beispielsweise die Klappenventile 20 oder die Kugelventile 28, werden geöffnet und es wird Luftmasse in den Innenraum der Luftfeder 19 angesaugt. Sobald der Erregerkolben 12 seine Bewegungsrichtung ändert, werden diese Rückschlagventile geschlossen und die Luft wird komprimiert. Dadurch entsteht ein Überdruck im Schlagwerk, der den Flugkolben 14 nach vorne, in Richtung Döpper 15 drückt. Der Flugkolben 14 bleibt dadurch nach kurzer Zeit in der vordersten Position stehen.In the method on which the invention is based, also referred to as "pump-up method" at the moment of switching off the percussion - as already explained - check valves are connected, which are directly connected to the
Im Folgenden soll der mittlere Druck abgeschätzt werden, der so im Schlagwerk erzeugt wird, um zu veranschaulichen, dass die Kräfte ausreichen, den Flugkolben 14 innerhalb kurzer Zeit nach vorne in Richtung Werkzeug zu beschleunigen.In the following, the mean pressure is to be estimated, which is generated in the percussion mechanism in order to illustrate that the forces are sufficient to accelerate the flying
Wird zulässigerweise angenommen, dass die Rückschlagventile zu dem Zeitpunkt schließen, zu dem der Erregerkolben 12 seine Bewegungsrichtung ändert, d. h. an der hinteren Totpunktposition, so lässt sich der Maximaldruck, der im Schlagwerk erzeugt wird, abschätzen. Der Druck im Schlagwerk ist zu diesem Zeitpunkt gerade so groß, wie der äußere Atmosphärendruck po. Der Hub des Erregerkolbens 12 betrage hEK. Um diesen Hub wird die Luftmasse im Schlagwerk komprimiert. Es wird zulässigerweise angenommen, dass sich das Gas (die Luft) im Schlagwerk ideal isentrop (adiabatisch) verhält mit einem Koeffizienten κ = 1.4. Es gilt dann:
Der Maximaldruck ist somit gegeben durch:
Darin bedeuten:
- leff: effektive Schlagwerkslänge; (vgl.
Fig. 6 ) - po: äußerer Atmosphärendruck
- hEK: Hub des Erregerkolbens
- κ: Isentropen-Koeffizient; κ = 1.4 für Luft.
- l eff : effective percussion length; (see.
Fig. 6 ) - po: external atmospheric pressure
- h EK : stroke of the exciter piston
- κ: isentropic coefficient; κ = 1.4 for air.
Nimmt man an, der Erregerkolbenhub entspreche in etwa der effektiven Schlagwerkslänge, d. h. hEK = leff, so ergibt sich ein Maximaldruck, der etwas mehr als zweimal so hoch ist wie der äußere Atmosphärendruck p0:
Die Kraft, mit der der Flugkolben 14 nach vorne beschleunigt wird, ist gegeben durch:
Bezeichnet man mit xEK(t) die zeitabhängige Momentanposition des Erregerkolbens, so gilt:
Daraus folgt mit Gl. (4)
Die mittlere Kraft ergibt sich aus einer Mittelwertbildung über eine Erregerkolbenperiode:
Darin bezeichnen A die Stirnfläche des Erregerkolbens und T die Periodendauer eines Erregerkolbenzyklus.Therein, A is the end face of the excitation piston and T is the period of an excitation piston cycle.
Das Integral der Gleichung (7) lässt sich wegen des Exponenten κ nicht einfach analytisch lösen. Es werden daher zwei Vereinfachungen betrachtet. Die erste besteht darin, den Exponenten aus dem Integranden herauszunehmen. Man erhält dann:
Daraus ergibt sich eine mittlere Kraft von:
Wird angenommen, der Hub des Pleuels 13 entspreche wieder der effektiven Schlagwerkslänge, d. h. hEK = Ieff, so ergibt sich:
Bewegt sich der Flugkolben 14 aus der Ruhe von der hintersten Position bis zum Döpper 15, so dauert dies ungefähr:
Als typische Zahlenwerte gelten:
Daraus folgt eine Zeitkonstante von etwa 14 ms, was ausreicht, um das Nachschlagen des Flugkolbens 14 vollständig zu unterbinden.This results in a time constant of about 14 ms, which is sufficient to completely prevent the lookup of the flying
Eine weiter zulässige Vereinfachungsmöglichkeit besteht darin, den Isentropen-Koeffizienten κ in Gl. (7) festzulegen durch den nächstliegenden ganzzahligen Bruch, also:
Das Integral der Gl. (7) lässt sich in diesem Fall analytisch lösen:
Darin bezeichnet E das vollständige elliptische Integral zweiter Art. Wird angenommen, dass der Pleuelhub wieder der effektiven Schlagwerkslänge entspricht, so ergibt sich:
Die in Gl. (15) enthaltene Funktion E(x) ist wie folgt definiert:
Darin bezeichnet θ ein allgemeines Argument für die Definition des vollständigen elliptischen Integrals zweiter Art (Gl. 16). Es ist die Integrationsvariable, nach der integriert wird. Das Argument von E(φ, m) ist damit einerseits die obere Grenze des Integrals, andererseits das Modul m. In unserem Fall gilt:
Die Funktion E(x) lässt sich um Null herum in eine Taylor-Reihe entwickeln.
Werden zulässigerweise nur Terme erster Ordnung betrachtet, so ergibt sich als zuverlässige Schätzung für die mittlere Kraft:
Daraus lässt sich schließen, dass der maximale Überdruck, der sich durch die Rückschlagventile erzeugen lässt, bei etwa 3/4 des Außendrucks p0 liegt, wenn angenommen wird, dass der Pleuelweg der Länge leff des Schlagwerks entspricht.This suggests that the maximum pressure that can be generated by the check valves, at about 3/4 of the external pressure p is 0, if it is assumed that the Pleuelweg the length l eff of the impact mechanism corresponds.
Versuche haben gezeigt, dass dabei die Rückschlagventile als fast ideal angenommen werden können.Experiments have shown that the check valves can be considered almost ideal.
Die soweit dargestellte Modellrechnung, einschließlich des Verhaltens der Rückschlagventile wird nachfolgend mittels einer realistischen Simulation verifiziert, bei der zusätzlich noch eine für das Betriebsverhalten des Abbaugeräts deutliche Verbesserung hinsichtlich der erforderlichen Anpresskraft durch den Bediener und für ein schnelles Startverhalten zur Anwendung kommt.The model calculation presented so far, including the behavior of the non-return valves, is subsequently verified by means of a realistic simulation which additionally uses a clear improvement in terms of the operating force of the dismounting device with regard to the required contact pressure by the operator and for a quick start-up behavior.
Ein Abbaugerät der genannten Art, insbesondere ein Bohr- und/oder Meisselhammer, ist umso anwenderfreundlicher, je geringer die Anpresskräfte sind, die der Anwender aufbringen muss, damit das Gerät nach einer Betriebsunterbrechung z. B. beim Absetzen von Untergrund, wieder rasch anläuft und stabil funktioniert. Durch die Erzeugung eines höheren Drucks zwischen dem Erregerkolben 12 und dem Flugkolben 14 beim Absetzen des Geräts wird die zum Wiederanlauf aufzuwendende Anpresskraft etwas erhöht.A mining device of the type mentioned, in particular a drill and / or chisel, is all the more user-friendly, the lower the contact pressure, which must apply the user, so that the device after a business interruption z. B. when settling of underground, starts again quickly and works stably. By generating a higher pressure between the
Geht man beispielsweise von einem maximalen Überdruck von etwa 0.6 bar aus, so ergeben sich bei einem angenommenen Durchmesser des Führungsrohrs 11 von d = 40 mm Druckkräfte von etwa 24 N, die durch die Anpresskraft zu überwinden sind.For example, assuming a maximum overpressure of about 0.6 bar, given an assumed diameter of the
Um diese Gegenkräfte zu vermindern und ein schnelleres Wiederanlaufen des Schlagwerks zu gewährleisten, ist gemäß einer vorteilhaften Ausführungsvariante vorgesehen, die überschüssige Luftmasse im Führungszylinder 11 über einen Zwischenschritt abzublasen. Diese Ausführungsvariante der Erfindung wird anhand der
Die mit dem Rückschlagventil, z. B. dem Klappenventil 20, ausgerüstete axial verschiebbare Steuerhülse 17 weist in einem gewissen axialen Abstand von dem Klappenventil 20 wenigstens eine Bohrung als Ablassöffnung 32, vorzugsweise jedoch eine der Anzahl der Schnauflöcher 18 entsprechende Mehrzahl von Ablassöffnungen 32 auf.The with the check valve, z. B. the
Die
Die in
Auf der Abszisse der drei übereinander dargestellten Diagramme ist jeweils die Zeit in Sekunden (s) dargestellt. Auf den Ordinaten der drei Diagramme sind im oberen Diagramm (a) in dessen oberem Teildiagramm 33 die Momentanposition bzw. der Weg-Zeitverlauf des Erregerkolbens 12 und im unteren Teildiagramm 34 die Momentanposition bzw. der Weg-Zeitverlauf des Flugkolbens 14 wiedergegeben.The abscissa of the three diagrams shows the time in seconds (s). On the ordinates of the three diagrams are in the upper diagram (a) in its upper part diagram 33, the instantaneous position or the path-time curve of the
Das mittlere Diagramm (b) zeigt einerseits in durchgezogener Linie 35 den Gesamtenergieverbrauch und im unteren Bereich die Energie der Einzelschläge, die als Peaks 36 aufgetragen sind.The middle diagram (b) shows on the one hand in a
Das unterste Teildiagramm (c) zeigt schließlich den zeitlichen Verlauf der im Schlagwerk vorhandenen Luftmasse bei einem Stopp- und Startvorgang für ein erfindungsgemäßes Schlagwerk.Finally, the lowest partial diagram (c) shows the time course of the air mass present in the percussion mechanism during a stopping and starting operation for a striking mechanism according to the invention.
Die Simulationsergebnisse der
Bei t = 0.6 s wird die Pump-Up- oder Steuerhülse 17 aktiviert, d. h. beim Absetzen des Geräts in die in
Die drei graphischen Darstellungen der
Die graphische Darstellung der
Die
Entsprechend der
Eine weitere grundsätzliche Ausführungsvariante der Erfindung unter Verwendung einer Pumpe mit Druckspeicher wird nachfolgend anhand der
Bei dieser durch zwei Ausführungsbeispiele veranschaulichten Variante der Erfindung wird das elektropneumatische Schlagwerk selbst dazu verwendet, einen Zwischendruckspeicher 45 zu füllen, der über ein vorzugsweise steuerbares Ventil 46 in das Schlagwerk, insbesondere in die Luftfeder 19 entleert wird, sobald die Anpresskraft nachlässt bzw. das Abbaugerät vom Untergrund abgehoben wird.In this variant of the invention illustrated by two embodiments, the electropneumatic percussion mechanism itself is used to fill an
Die
Wie die Ausführungsform nach
Der Vorteil dieser Ausführungsvariante der Erfindung gegenüber der Variante mit Pump-Up- oder Steuerhülse liegt darin, dass der maximale Druck im Schlagwerk nicht durch die Dimensionen des Flugkolbenwegs und/oder des Exzenterhubs gegeben sind und somit nicht auf den Umgebungsdruck, also etwa 1 bar, limitiert sind. Es lassen sich deutliche höhere Drücke erzeugen, was prinzipiell ein noch zuverlässigeres und schnelleres Abschalten des Abbaugeräts beim Abheben vom Untergrund ermöglicht. Vorteilhaft ist auch, dass der Druck zum Zeitpunkt des Abschaltens bereits zur Verfügung steht.The advantage of this embodiment of the invention over the variant with pump-up or control sleeve is that the maximum pressure in the impact mechanism are not given by the dimensions of the flying piston travel and / or Exzenterhubs and thus not on the ambient pressure, ie about 1 bar, are limited. It can generate significantly higher pressures, which in principle allows an even more reliable and faster shutdown of the mining equipment when lifting off the ground. It is also advantageous that the pressure at the time of switching off is already available.
Eine dritte Ausführungsvariante der Erfindung geht von der Verwendung schnell schaltender Ventile mit einer Untervariante einer dynamisch rasch verschiebbaren Schieberhülse aus. Zwei Ausführungsbeispiele sind in den
Bei der Ausführungsform nach
Diese Ausführungsform der Erfindung hat den Vorteil, dass nach dem Abschalten des Schlagwerks vor dem nächsten Anlaufen durch ein kurzes Öffnen des Ventils 60 der Druckausgleich sofort hergestellt werden kann. Die Anforderungen an das Ventil 60 sind allerdings relativ hoch; es sind Schaltfrequenzen von mehr als 50 Hz notwendig. Auch die Nennweiten einer Durchführungsbohrung am Führungsrohr 11 (in
Eine Ausführungsform der Erfindung bei der eine Steuerhülse selbst direkt als Schieberventil zum Einsatz kommt, ist in
Claims (10)
- Breaker device, in particular hammer drill and/or chipping hammer, the electropneumatic striking mechanism of which comprises an exciter piston (12) which can be driven electrically in a reciprocating manner within a guide tube (II) and which, by means of an air spring (19) compressed thereby, accelerates a free piston (14) which in turn percussively drives a breaker device held in a tool holder (9), the guide tube being provided in the region of the air spring with at least one bore (18) and being surrounded by a control sleeve (17) which can be displaced by an adjusting mechanism (16) which can be actuated when the breaker device is lifted off the ground, characterised in that a non-return valve (20; 28) by means of which the negative pressure produced between the exciter piston (12) and the free piston (14) during the return stroke of the exciter piston when the breaker device is lifted off the ground is increased to a higher pressure is integrated into the control sleeve (17) and is arranged in such a manner that it is aligned with the bore (18) by means of the adjusting mechanism (16) when the breaker device is lifted off the ground.
- Breaker device according to claim 1, in which the free piston driven by the air spring acts percussively on a plunger (15) associated with the tool holder, characterised in that the valve mechanism (16) for the non-return valve can be actuated by means of the plunger.
- Breaker device according to claim 2, characterised in that the control sleeve can be displaced axially relative to the guide tube by means of the adjusting mechanism.
- Breaker device according to claim 2, characterised in that the control sleeve can be rotated relative to the guide tube by means of the adjusting mechanism.
- Breaker device according to claim 1, characterised in that the non-return valve is a flap valve (20).
- Breaker device according to claim 5, characterised in that the flap valve (20) is integrated into the circumferential wall of the control sleeve (17).
- Breaker device according to claim 6, characterised in that the flap valve (20) is formed by a leaf spring (22) extending transversely to an admission port and clamped at one end.
- Breaker device according to claim 1, characterised in that the non-return valve is a ball valve (28) integrated into the control sleeve (17).
- Breaker device according to claim 8, characterised in that the preloading of the ball valve can be adjusted by means of an adjusting screw (31) acting on a compression spring (29).
- Breaker device according to claim 1, characterised by at least one vent (32) traversing the control sleeve (17) for the rapid reduction of excess pressure in the striking mechanism when the hammering or chipping operation is started/resumed.
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