EP1632637B1 - Bodenbearbeitungsgerät und Verfahren zum Einbringen eines Arbeitselementes in den Boden - Google Patents

Bodenbearbeitungsgerät und Verfahren zum Einbringen eines Arbeitselementes in den Boden Download PDF

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EP1632637B1
EP1632637B1 EP05016121A EP05016121A EP1632637B1 EP 1632637 B1 EP1632637 B1 EP 1632637B1 EP 05016121 A EP05016121 A EP 05016121A EP 05016121 A EP05016121 A EP 05016121A EP 1632637 B1 EP1632637 B1 EP 1632637B1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
piston
working element
ground
working
vibrations
Prior art date
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Not-in-force
Application number
EP05016121A
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English (en)
French (fr)
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EP1632637A1 (de
Inventor
Carl Dr. Hagemeyer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Eurodrill GmbH
Original Assignee
Eurodrill GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Eurodrill GmbH filed Critical Eurodrill GmbH
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Application granted granted Critical
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Classifications

    • 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
    • E21B7/00—Special methods or apparatus for drilling
    • E21B7/24—Drilling using vibrating or oscillating means, e.g. out-of-balance masses

Definitions

  • the invention relates to a cultivator for introducing a working element in the ground using vibrations, with a vibration generator, which is designed for generating and transmitting vibrations to the working element.
  • the invention further relates to a method for introducing a working element into the ground, in which vibrations are generated and transmitted to the working element during its introduction into the ground.
  • the WO 2004/009298 A describes a drill with a working piston inside a cylinder chamber.
  • the working piston is vibrated by alternately applying a pressure above and below the piston, with the piston reciprocating in a bore.
  • the cylinder chamber has an inlet portion for introducing the pressurized fluid into the bore above a first surface of the working piston and an outlet portion for expelling the pressurized fluid from the bore below the second surface of the working piston.
  • vertical vibrators For driving sheet piles or piles into the ground, so-called vertical vibrators with vibrating cells are known. Such a vertical vibrator is for example from the EP 0 824 971 B1 out.
  • the vibrating cell described herein has paired driven rotating imbalances that are synchronized by gears, so that the resulting inertial forces occur substantially only in one direction of action. The laterally acting centrifugal forces should compensate each other by the special synchronization of the gears.
  • U.S.-A-4,155,287 discloses a hydraulically operated impact device with a piston reciprocated in a cylinder.
  • the hydraulic energy for this is generated by a hydraulic pressure fluid in the cylinder, wherein the pressure change is controlled by a valve.
  • the valve is actuated between the switching positions by means of triggering openings, which are opened and closed by means of a rod with recesses.
  • the rod connects the piston with a striking tool, such as a ram.
  • the movement of the piston has a working and a Leerhub.
  • the waves carrying the imbalances must be dimensioned correspondingly large to minimize deflection, resulting in a corresponding size of such a Rüttelzelle. Due to the heavy mechanical load, the gears must be manufactured with high strength and surface quality. Furthermore, the life of the bearings is limited by the strong dynamic load.
  • a percussion hammer with a hydraulically driven percussion piston known.
  • the percussion piston is mounted linearly displaceable in a piston housing, in which open control lines for supply and discharge of hydraulic fluid.
  • the hydraulic fluid is supplied and removed in a controlled manner via these lines, so that the percussion piston is set in an oscillating motion.
  • the percussion piston points with its impact surface out of the piston housing. Due to the oscillating movement of the Impact pistons may be impacted to a back end of a drill string via the impact surface so that percussion drilling can be performed.
  • the invention has for its object to provide a harrow and a method for introducing a working element in the ground, in which vibrations effectively and as gently as possible be transferred to the working element.
  • the soil cultivation device is characterized in that the vibration generator has at least one oscillating piston which is mounted in a housing linearly displaceable and spaced from the working element, the oscillating piston is driven to oscillate in order to generate vibrations and that the vibrations can be transmitted to the working element via the housing.
  • a basic idea of the invention can be seen in arranging the oscillatingly driven piston in a closed housing.
  • the vibration transmission takes place indirectly via the housing.
  • Unlike a hydraulic percussion hammer creates no impact contact between metal parts, so that in the invention significantly less noise is given.
  • the inertia of the mass to be accelerated within the vibrator is inherently very low, so that a possible resonance range can be traversed comparatively very quickly.
  • Rotatable components and vulnerable seals between housing and piston can be omitted.
  • the components used are simple and robust, so that they are very well suited for site conditions.
  • the device can be made very compact overall.
  • a particularly high vibration energy can be generated according to the invention in that the oscillating piston is hydraulically driven.
  • a hydraulic pressure generator is located on most civil engineering machines, which are used for earth or rock processing.
  • the oscillating piston has a first piston surface and a second piston surface, of which at least one with changing Pressure is applied.
  • an almost arbitrary oscillating movement of the oscillating piston can be set, which preferably has a sinusoidal, harmonic path-time profile.
  • the pressurization can be effected by an equal high pressure, which is alternately exerted on the opposite piston surfaces.
  • a constant pressure can be exerted on a piston surface, while an up-and-down pressure is exerted on the opposite piston surface in order to generate the oscillating movement of the oscillating piston.
  • the size of the two piston surfaces can be identical. Depending on the adjustable pressure ratios, however, a different area ratio of the two piston surfaces, approximately 2: 1 can be provided. This allows an even freer adjustment of the oscillation behavior of the oscillating piston.
  • a simple and robust control according to the invention can take place in that the oscillating piston is designed as a primary control piston, with which the alternating pressurization is controllable. The control is done so to speak "own excited".
  • the oscillating piston is formed with control edges, which form the function of a first control piston. Depending on the position of the oscillating piston can thus be carried out an automatic reversal of the pressurization.
  • Such control of an oscillating piston is already known in principle from the operation of the percussion piston in the hydraulic impact hammers of the prior art.
  • a control device is provided, with which the movement of the oscillating piston is controllable.
  • a control device which may have, for example, an outer control valve, the control of the oscillating piston is, so to speak, "foreign-excited".
  • the control device comprises an electronic control unit for controlling or regulating the supply and discharge of the pressurized fluid in order to set a desired oscillation behavior of the oscillating piston.
  • the control device can also have a secondary control piston, by which a pressure fluid is switched alternately.
  • the working element may be according to the invention, a sheet pile or a pile, which is rammed directly into the ground.
  • the housing of the vibration generator is fastened to a tensioning device for holding the working element.
  • the generated vibration can be transmitted via the housing and the clamping device directly to the working element.
  • the housing of the vibrator is arranged on a drive housing of a drill drive and that the working element is designed as a drilling tool.
  • the housing of the vibrator is arranged on a drive housing of a drill drive and that the working element is designed as a drilling tool.
  • the processing element has a carriage for receiving the working element, which is movably mounted on a guide.
  • a carriage for receiving the working element which is movably mounted on a guide.
  • an additional force can be exerted on the working element via the carriage in order to drive this into the ground.
  • the force for driving the working element into the ground can be applied solely by the oscillatory movements in combination with the weight of the working element and the associated carriage.
  • the carriage may be guided on a mast or broker, which is attached, for example, to a superstructure of a construction vehicle.
  • a particularly low-vibration arrangement is inventively achieved in that the working element is mounted elastically relative to the carriage.
  • an elastic bearing may be provided on the clamping device or the drill drive.
  • the working element is suspended elastically on the carriage via the housing of the vibration generator. This ensures that the vibrations are transmitted largely undisturbed to the working element, while the carriage and the associated parts of the processing device remain free of vibration as possible.
  • the oscillating piston has a through bore.
  • the through bore allows quick venting of the cylinder chambers.
  • the inventive method is characterized in that the vibrations with at least one oscillating piston be produced, which is linearly displaceable in a housing and spaced from the working element, that the oscillating piston is driven to oscillate oscillating and that the vibrations are transmitted through the housing to the working element.
  • This method can be carried out in particular by the previously described soil cultivation device according to the invention, with the advantages described above resulting.
  • Underground is not only the soil but also rocks, for example, by rock walls to understand.
  • the vibration generation can be generated with one or more oscillating piston, which are connected in parallel.
  • This method is inventively further developed in that a drilling tool is used as the working element, which is driven in rotation, and that the vibrations are transmitted in the drilling direction to the drilling tool. Due to the oscillation of the drill string according to the invention, the frictional forces in the interface with the surrounding soil can be reduced. This leads to a considerably faster drilling progress.
  • the use of the method according to the invention is particularly advantageous when overlay drilling light overlay floors where the impact of a conventional hydraulic chamber is hardly useful.
  • a tracked vehicle 12 with an operating unit 14 is provided. Via a lever mechanism 16, a mast 18 can be brought into a desired position, in which this can be placed with a provided at the lower end clamping and release device 17 on the soil to be processed.
  • the mast 18 has a linear guide 19, along which a carriage 20 is movable via a drive, not shown.
  • a drill drive 60 is fixed, which can drive a designed as a drill pipe work element 5 rotating.
  • a vibration generator 40 is mounted, with which generates vibrations according to the invention and can be transmitted during drilling over the drill drive 60 to the working element 5.
  • Fig. 2 the drill drive 60 is shown with the vibration generator 40 in an enlarged view.
  • the carriage 20 which is mounted linearly displaceable on the guide 19 of the mast 18.
  • the working element 5 designed as a drill rod is rotationally driven about the drilling axis 7 via a gear transmission.
  • a housing 44 of the vibrator 40 is flanged to the drive housing 62.
  • the housing 44 consists of a base housing 45, which is closed by a cover 46.
  • the housing 44 encloses a cylinder space in which a oscillating piston 42 is mounted linearly displaceable along a piston axis 43.
  • the piston axis 43 is aligned with the drilling axis 7 of the working element 5 to be driven.
  • the oscillating piston 42 has two cylindrical shoulders which, at their outer sides facing the free ends, form a first piston surface 48 and a second piston surface 49, respectively.
  • the two piston surfaces 48, 49 in each case close off an adjacent pressure chamber, into which a pressure fluid can be alternately supplied and removed via pressure lines in order to set the oscillating piston 42 into a desired oscillating or reversing linear movement.
  • a control device 30 is provided with an additional control piston 32 in the illustrated embodiment, which with the leading into the cylinder chamber control lines and the oscillating piston 42 provided control edges a own excited Pressure change causes.
  • Such a self-excited control of an oscillating piston is already known in principle from the prior art in hydraulic hammers, so that this control does not need to be described in detail.
  • FIG. 3 shows an alternate form of the vibrator 40 of FIG. 2. While the first piston surface 48 and the second piston surface were the same in the vibrator 40 of FIG. 2, in the embodiment of FIG. 3, the second piston surface 49 is twice as large In addition, only two pressure lines 1 and 2 open into the housing 44.
  • the control device may be electrically or hydraulically actuated valves, which are not shown in greater detail.
  • the embodiment of Fig. 3 is formed according to the embodiment of Fig. 2.
  • the embodiment in FIG. 3 can also be set in self-excited oscillations with the control shown in FIG.
  • the pressure profile at the pressure ports 1 and 2 is shown schematically.
  • a constant pressure can be applied to the pressure port 1
  • a changing over time Pressure is applied, so that the desired oscillating movement of the oscillating piston 42 is generated.
  • a vibration of the housing 44 is effected, which transmits to the drive housing 62 via the annular, coaxial to the piston axis contact surface.
  • the vibrations are transmitted to the working element 5, so a rotational movement of a drill string with axial vibrations can be superimposed.
  • a vibration generator 40 is used, as has already been described in the embodiment of FIG. 2.
  • the vibration generator 40 is rigidly connected to a tensioning device 50 via a flange element 22.
  • the tensioning device 50 is designed to hold a sheet pile screed. Attached to a vertically movable carriage can be rammed or shaken by means of the processing device 10 shown a sheet pile wall in the ground.
  • a preferred suspension of the vibrator 40 on the carriage 20 is shown.
  • a housing 24 is fixed, in which the vibration generator 40 is suspended elastically via rubber bearings 26.
  • the rubber bearings 26 are formed with a metallic inner and a metallic outer attachment. Between these two metallic, preferably annular fasteners is an elastic rubber compound, which avoids excessive transmission of vibrations from the vibrator 40 to the housing 24 and the carriage 20 connected thereto. This ensures that the majority of the vibration energy can be transferred to the work element 5 to be introduced into the soil.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Bodenbearbeitungsgerät zum Einbringen eines Arbeitselementes in den Boden unter Verwendung von Schwingungen, mit einem Schwingungserzeuger, welcher zum Erzeugen und Übertragen von Schwingungen auf das Arbeitselement ausgebildet ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Einbringen eines Arbeitselementes in den Boden, bei dem Schwingungen erzeugt und auf das Arbeitselement bei dessen Einbringen in den Boden übertragen werden.
  • Die WO 2004/009298 A beschreibt ein Bohrgerät mit einem Arbeitskolben innerhalb einer Zylinderkammer. Der Arbeitskolben wird durch ein alternierendes Anlegen eines Druckes ober- und unterhalb des Kolbens in Schwingung versetzt, wobei sich der Kolben in einer Bohrung hin- und herbewegt. Die Zylinderkammer weist einen Einlassbereich auf, um das Druckfluid in die Bohrung oberhalb einer ersten Fläche des Arbeitskolbens einzulassen, sowie einen Auslassbereich auf, um das Druckfluid von der Bohrung unterhalb der zweiten Fläche des Arbeitskolbens auszustoßen.
  • Zum Einrammen von Spundwandbohlen oder Pfählen in den Boden sind sogenannte Vertikalrüttler mit Rüttelzellen bekannt. Ein derartiger Vertikalrüttler geht beispielsweise aus der EP 0 824 971 B1 hervor. Die hierin beschriebene Rüttelzelle weist paarweise angetriebene rotierende Unwuchten auf, die durch Zahnräder synchronisiert werden, so dass die resultierenden Massenkräfte im Wesentlichen nur in einer Wirkrichtung auftreten. Die seitlich wirkenden Zentrifugalkräfte sollen sich durch die spezielle Synchronisation der Zahnräder gegenseitig kompensieren.
  • US-A-4 155 287 offenbart eine hydraulisch betriebene Schlagvorrichtung mit einem Kolben, der in einem Zylinder hin- und herbewegt wird. Die hydraulische Energie hierzu wird durch ein hydraulisches Druckfluid in dem Zylinder erzeugt, wobei der Druckwechsel über ein Ventil gesteuert wird. Das Ventil wird zwischen den Schaltpositionen mittels Auslöseöffnungen betätigt, die mittels einer Stange mit Vertiefungen geöffnet und geschlossen wird. Die Stange verbindet den Kolben mit einem Schlagwerkzeug, wie zum Beispiel einer Ramme. Die Bewegung des Kolbens weist einen Arbeits- und einen Leerhub auf.
  • Voraussetzung hierfür sind enge Fertigungstoleranzen bei den Verzahnungen. Zudem müssen die die Unwuchten tragenden Wellen zur Minimierung einer Durchbiegung entsprechend groß dimensioniert werden, was zu einer entsprechenden Baugröße einer derartigen Rüttelzelle führt. Aufgrund der starken mechanischen Belastung müssen die Verzahnungen mit hoher Festigkeit und Oberflächengüte gefertigt werden. Weiterhin ist die Lebensdauer der Wälzlager durch die starke dynamische Belastung begrenzt.
  • Ein weiteres Problem bei diesen bekannten Rüttelzellen besteht darin, dass bei großen Aggregaten wegen der Massenträgheit diese aus dem Stillstand nur langsam bis zur Nenndrehzahl hochgefahren werden können. Hierbei muss in der Regel eine Resonanzfrequenz erster oder höherer Ordnung durchfahren werden. Es besteht dabei die Gefahr einer vergrößerten Amplitude, die zu Schäden führen kann. Um dies zu vermeiden, sind die Unwuchten bei größeren Aggregaten meistens ausschwenkbar angeordnet, damit sie erst bei erreichter Nenndrehzahl aufgeschaltet werden. Hierzu ist jedoch eine aufwändige Zusatzeinrichtung notwendig, welche die Baugröße sowie die Kosten der Gesamtvorrichtung weiter erhöht.
  • Aus der DE 102 37 407 A1 ist ein Schlaghammer mit einem hydraulisch angetriebenen Schlagkolben bekannt. Der Schlagkolben ist in einem Kolbengehäuse linear verschiebbar gelagert, in welches Steuerleitungen zur Zu- und Abführung von Hydraulikfluid münden. Über diese Leitungen wird das Hydraulikfluid gesteuert zu- und abgeführt, so dass der Schlagkolben in eine oszillierende Bewegung versetzt wird. Der Schlagkolben weist mit seiner Schlagfläche aus dem Kolbengehäuse heraus. Durch die oszillierende Bewegung des Schlagkolbens können über die Schlagfläche Schläge auf ein rückseitiges Ende eines Bohrgestänges ausgeübt werden, so dass ein Schlagbohren durchgeführt werden kann.
  • Bei dieser mechanischen Schlagerzeugung entsteht eine erhebliche Lärmemission. Die Schläge durchlaufen das Bohrgestänge in Form einer Schallwelle, wobei das sich im Freien befindliche Bohrgestänge als praktisch nicht abzudämpfender Resonanzkörper wirkt und einen Großteil des Schalls an die Umgebung abstrahlt. Ein derartiges Schlagbohren darf daher bei bestimmten Baustellen mit strikten Lärmschutzvorschriften nicht eingesetzt werden. Zudem führt die mechanische Schlagerzeugung zu einer erheblichen Belastung aller Bauteile, insbesondere der Lager, Führungen und Dichtungen. Deren Lebensdauer ist daher ebenfalls erheblich begrenzt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bodenbearbeitungsgerät sowie ein Verfahren zum Einbringen eines Arbeitselementes in den Boden anzugeben, bei welchen Schwingungen effektiv und möglichst schonend auf das Arbeitselement übertragbar sind.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Bodenbearbeitungsgerät mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Das erfindungsgemäße Bodenbearbeitungsgerät ist dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingungserzeuger mindestens einen Schwingkolben aufweist, welcher in einem Gehäuse linear verschiebbar und beabstandet vom Arbeitselement gelagert ist, dass der Schwingkolben zum Erzeugen von Schwingungen oszillierend angetrieben ist und dass die Schwingungen über das Gehäuse auf das Arbeitselement übertragbar sind.
  • Ein Grundgedanke der Erfindung kann darin gesehen werden, den oszillierend angetriebenen Kolben in einem geschlossenen Gehäuse anzuordnen. Die Schwingungsübertragung erfolgt dabei indirekt über das Gehäuse. Anders als bei einem hydraulischen Schlaghammer entsteht kein Schlagkontakt zwischen Metallteilen, so dass bei der Erfindung eine erheblich geringere Geräuschentwicklung gegeben ist. Die Trägheit der zu beschleunigenden Masse innerhalb des Schwingungserzeugers ist prinzipbedingt sehr gering, so dass ein möglicher Resonanzbereich vergleichsweise sehr schnell durchfahren werden kann. Es gibt auch praktisch keine toten Massen, die mitbeschleunigt werden müssen. Prinzipbedingt können auch keine seitlichen Massenkräfte auftreten. Drehbar gelagerte Bauteile sowie anfällige Dichtungen zwischen Gehäuse und Kolben können entfallen. Die verwendeten Bauteile sind einfach und robust gehalten, so dass diese für Baustellenbedingungen sehr gut geeignet sind. Die Vorrichtung kann insgesamt sehr kompakt gestaltet werden.
  • Eine besonders hohe Schwingungsenergie kann erfindungsgemäß dadurch erzeugt werden, dass der Schwingkolben hydraulisch angetrieben ist. Ein hydraulischer Druckerzeuger befindet sich an den meisten Tiefbaumaschinen, welche zur Erd- oder Gesteinsbearbeitung eingesetzt werden.
  • Nach der Erfindung ist es besonders bevorzugt, dass der Schwingkolben eine erste Kolbenfläche und eine zweite Kolbenfläche aufweist, von denen wenigstens eine mit wechselndem Druck beaufschlagt wird. Hierdurch lässt sich eine nahezu beliebige oszillierende Bewegung des Schwingkolbens einstellen, welche vorzugsweise einen sinusförmigen, harmonischen Weg-Zeit-Verlauf aufweist. Die Druckbeaufschlagung kann durch einen gleichhohen Druck bewirkt werden, welcher wechselweise auf die gegenüberliegenden Kolbenflächen ausgeübt wird. Alternativ kann auch auf eine Kolbenfläche ein konstanter Druck ausgeübt werden, während auf die gegenüberliegende Kolbenfläche ein auf- und abschwellender Druck ausgeübt wird, um die oszillierende Bewegung des Schwingkolbens zu erzeugen.
  • Grundsätzlich kann die Größe der beiden Kolbenflächen gleich ausgebildet sein. Abhängig von den einstellbaren Druckverhältnissen kann jedoch auch ein anderes Flächenverhältnis der beiden Kolbenflächen, etwa 2:1 vorgesehen werden. Dies ermöglicht eine noch freiere Einstellung des Oszillationsverhaltens des Schwingkolbens.
  • Eine einfache und robuste Steuerung kann erfindungsgemäß dadurch erfolgen, dass der Schwingkolben als ein primärer Steuerkolben ausgebildet ist, mit welchem die wechselnde Druckbeaufschlagung steuerbar ist. Die Steuerung erfolgt sozusagen "eigenerregt". Der Schwingkolben ist dabei mit Steuerkanten ausgebildet, welche die Funktion eines ersten Steuerkolbens bilden. Abhängig von der Lage des Schwingkolbens kann somit eine selbsttätige Umsteuerung der Druckbeaufschlagung erfolgen. Eine derartige Steuerung eines oszillierenden Kolbens ist bereits grundsätzlich von der Betätigung der Schlagkolben bei den hydraulischen Schlaghämmern des Standes der Technik bekannt.
  • Eine erfindungsgemäße Ausgestaltung ist dadurch gegeben, dass eine Steuereinrichtung vorgesehen ist, mit welcher die Bewegung des Schwingkolbens steuerbar ist. Durch eine solche Steuereinrichtung, welche beispielsweise ein äußeres Steuerventil aufweisen kann, erfolgt die Steuerung des Schwingkolbens sozusagen "fremderregt". Vorzugsweise umfasst die Steuereinrichtung eine elektronische Steuereinheit zum Steuern oder Regeln der Zu- und Abführung des Druckfluids, um ein gewünschtes Schwingungsverhalten des Schwingkolbens einzustellen. Die Steuereinrichtung kann auch einen sekundären Steuerkolben aufweisen, durch welchen ein Druckfluid wechselweise geschaltet wird.
  • Das Arbeitselement kann nach der Erfindung eine Spundwandbohle oder ein Pfahl sein, welches unmittelbar in den Boden eingerammt wird. Hierbei ist es erfindungsgemäß, dass das Gehäuse des Schwingungserzeugers an eine Spanneinrichtung zum Halten des Arbeitselementes befestigt ist. Die erzeugte Schwingung kann so über das Gehäuse und die Spanneinrichtung unmittelbar auf das Arbeitselement übertragen werden.
  • Weiterhin ist es nach der Erfindung vorgesehen, dass das Gehäuse des Schwingungserzeugers an einem Antriebsgehäuse eines Bohrantriebes angeordnet ist und dass das Arbeitselement als ein Bohrwerkzeug ausgebildet ist. Erfindungsgemäß kann eine besonders schonende Überlagerung der drehenden Bohrbewegung mit der in Bohrrichtung gerichteten Oszillationsbewegung erreicht werden. Dies erlaubt einen hohen Bohrfortschritt bei einer besondes großen Schonung des Bohrwerkzeuges und insbesondere des Bohrantriebes mit seinen Lagerungen.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Bearbeitungselement einen Schlitten zum Aufnehmen des Arbeitselementes aufweist, welcher an einer Führung verfahrbar gelagert ist. Beispielsweise mittels eines Seilzugantriebes oder eines Zahnstangenantriebes kann über den Schlitten eine zusätzliche Kraft auf das Arbeitselement ausgeübt werden, um dieses in den Boden einzutreiben. Abhängig von den Bodenverhältnissen kann die Kraft zum Eintreiben des Arbeitselementes in den Boden ausschließlich durch die Schwingungsbewegungen in Kombination mit dem Eigengewicht des Arbeitselementes sowie des damit verbundenen Schlittens aufgebracht werden. Der Schlitten kann an einem Mast oder Mäkler geführt sein, welcher beispielsweise an einem Oberwagen eines Baufahrzeuges-befestigt ist.
  • Eine besonders schwingungsarme Anordnung wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass das Arbeitselement relativ zum Schlitten elastisch gelagert ist. Dabei kann eine elastische Lagerung an der Spanneinrichtung oder dem Bohrantrieb vorgesehen sein. Vorzugsweise ist das Arbeitselement über das Gehäuse des Schwingungserzeugers elastisch am Schlitten aufgehängt. Hierdurch wird erreicht, dass die Schwingungen weitgehend ungestört auf das Arbeitselement übertragen werden, während der Schlitten sowie die damit verbundenen-Teile des Bearbeitungsgerätes möglichst schwingungsfrei bleiben.
  • Für eine besonders gute Oszillationsbewegung des Schwingkolbens ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Schwingkolben eine durchgehende Bohrung aufweist. Die durchgehende Bohrung erlaubt eine schnelle Entlüftung der Zylinderkammern.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingungen mit mindestens einem Schwingkolben erzeugt werden, welcher in einem Gehäuse linear verschiebbar und beabstandet vom Arbeitselement gelagert ist, dass der Schwingkolben zum Erzeugen von Schwingungen oszillierend angetrieben wird und dass die Schwingungen über das Gehäuse auf das Arbeitselement übertragen werden. Dieses Verfahren kann insbesondere durch das zuvor beschriebene erfindungsgemäße Bodenbearbeitungsgerät ausgeführt werden, wobei sich die vorangehend beschriebenen Vorteile ergeben. Unter Boden ist nicht nur der Erdboden sondern auch Gestein, beispielsweise von Felswänden, zu verstehen. Die Schwingungserzeugung kann mit einem oder mehreren Schwingkolben erzeugt werden, welche parallel zueinander geschaltet sind.
  • Dieses Verfahren ist erfindungsgemäß dadurch weitergebildet, dass als Arbeitselement ein Bohrwerkzeug verwendet wird, welches rotierend angetrieben wird, und dass die Schwingungen in Bohrrichtung auf das Bohrwerkzeug übertragen werden. Durch die erfindungsgemäß erzeugte Oszillation des Bohrgestänges können die Reibungskräfte in der Grenzfläche zum umgebenden Boden herabgesetzt werden. Dies führt zu einem erheblich schnelleren Bohrfortschritt. Der Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens ist insbesondere beim Überlagerungsbohren leichter Überlagerungsböden vorteilhaft, wo die Schlagwirkung eines herkömmlichen Hydraulikammers kaum sinnvoll einsetzbar ist.
  • Die Erfindung wird weiter anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen beschrieben, welche schematisch in den Zeichnungen dargestellt sind. In den Zeichnungen zeigen:
    • Fig. 1
    ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Bodenbearbeitungsgerätes in einer Seitenansicht;
    Fig. 2
    eine Querschnittsansicht eines Bohrantriebes mit Schwingungserzeuger;
    Fig. 3
    eine Querschnittsansicht eines Bohrantriebes mit einem abgeänderten Schwingungserzeuger;
    Fig. 4
    eine Darstellung der Druckverläufe über die Zeit;
    Fig. 5
    eine Querschnittsansicht eines Schwingungserzeugers mit Spanneinrichtung; und
    Fig. 6
    eine schematische Darstellung einer elastischen Aufhängung an einem Schlitten.
  • Bei dem Bodenbearbeitungsgerät 10 gemäß Fig. 1 ist ein Raupenfahrzeug 12 mit einer Bedieneinheit 14 vorgesehen. Über einen Hebelmechanismus 16 kann ein Mast 18 in eine gewünschte Position gebracht werden, bei welcher dieser mit einer am unteren Ende vorgesehenen Klemm- und Löseeinrichtung 17 auf den zu bearbeitenden Boden aufgesetzt werden kann. Der Mast 18 weist eine Linearführung 19 auf, entlang welcher ein Schlitten 20 über einen nicht näher dargestellten Antrieb verfahrbar ist. Am Schlitten 20 ist ein Bohrantrieb 60 befestigt, welcher ein als Bohrgestänge ausgebildetes Arbeitselement 5 drehend antreiben kann. An der vom Arbeitselement 5 abgewandten Seite des Bohrantriebes 60 ist ein Schwingungserzeuger 40 angebracht, mit welchem gemäß der Erfindung Schwingungen erzeugt und während des Bohrens über den Bohrantrieb 60 auf das Arbeitselement 5 übertragen werden können.
  • In Fig. 2 ist in vergrößerter Darstellung der Bohrantrieb 60 mit dem Schwingungserzeuger 40 gezeigt. Über sein Antriebsgehäuse 62 ist der Bohrantrieb 60 an dem Schlitten 20 angeschweißt, welcher linear verschiebbar an der Führung 19 des Mastes 18 gelagert ist. Über einen nicht näher gezeigten Hydraulikmotor 64 mit Hydraulikanschlüssen 66 wird über ein Zahnradgetriebe das als Bohrgestänge ausgebildete Arbeitselement 5 um die Bohrachse 7 drehend angetrieben.
  • An der vom Arbeitselement 5 abgewandten Seite des Bohrantriebes 60 ist an dessen Antriebsgehäuse 62 ein Gehäuse 44 des Schwingungserzeugers 40 angeflanscht. Das Gehäuse 44 besteht aus einem Grundgehäuse 45, welches von einem Deckel 46 verschlossen wird. Das Gehäuse 44 umschließt einen Zylinderraum, in welchem ein Schwingkolben 42 entlang einer Kolbenachse 43 linear verschiebbar gelagert ist. Für eine gute Schwingungsübertragung fluchtet die Kolbenachse 43 mit der Bohrachse 7 des anzutreibenden Arbeitselementes 5.
  • Der Schwingkolben 42 weist zwei zylindrische Absätze auf, welche an ihren zu den freien Enden gewandten Außenseiten eine erste Kolbenfläche 48 bzw. eine zweite Kolbenfläche 49 bilden. Die beiden Kolbenflächen 48, 49 schließen jeweils eine angrenzende Druckkammer ab, in welche über Druckleitungen abwechselnd ein Druckfluid zu- und abgeführt werden kann, um den Schwingkolben 42 in eine gewünschte oszillierende oder reversierende Linearbewegung zu versetzen. Zur Erzeugung der abwechselnden Druckbeaufschlagung ist bei der dargestellten Ausführungsform eine Steuereinrichtung 30 mit einem zusätzlichen Steuerkolben 32 vorgesehen, welcher mit den in den Zylinderraum führenden Steuerleitungen sowie am Schwingkolben 42 vorgesehene Steuerkanten eine eigenerregte Druckumschaltung bewirkt. Eine derartige eigenerregte Steuerung eines oszillierenden Kolbens ist bereits grundsätzlich aus dem Stand der Technik bei Hydraulikhämmern bekannt, so dass dieser Steuerung nicht näher beschrieben werden muss.
  • Zur gegenseitigen Entlüftung der beiden endseitigen Zylinderkammern im Gehäuse 44 ist der Schwingkolben 42 mit einer durchgehenden Bohrung 47 versehen. Zusätzlich ist das grundsätzlich abgeschlossene Gehäuse 44 über eine Entlüftungsbohrung 34 zum geschlossenen Antriebsgehäuse 62 hin entlüftet.
  • Fig. 3 zeigt eine abgewandtelte Form des Schwingungserzeugers 40 von Fig. 2. Während beim Schwingungserzeuger 40 von Fig. 2 die erste Kolbenfläche 48 und die zweite Kolbenfläche gleich ausgebildet waren, ist bei der Ausführungsform von Fig. 3 die zweite Kolbenfläche 49 doppelt so groß wie die erste Kolbenfläche 48. Zudem münden in das Gehäuse 44 nur zwei Druckleitungen 1 und 2. Als Steuereinrichtung können elektrisch oder hydraulisch betätigte Ventile vorgesehen sein, welche nicht näher dargestellt sind. Hierdurch lässt sich im Gegensatz zur Ausführung von Fig. 2 eine fremderregte, also von der Stellung des Schwingkolbens 42 unabhängige Steuerung bewirken. Im Übrigen ist die Ausführung von Fig. 3 entsprechend der Ausführung von Fig. 2 ausgebildet. Die Ausführung in Fig. 3 kann auch mit der in Fig. 2 dargestellten Steuerung in eigenerregte Schwingungen versetzt werden.
  • In dem Diagramm von Fig. 4 ist der Druckverlauf an den Druckanschlüssen 1 und 2 schematisch dargestellt. So kann an dem Druckanschluss 1 ein konstanter Druck anliegen, während an dem Druckanschluss 2 ein sich im Zeitverlauf wechselnder Druck anliegt, so dass die gewünschte oszillierende Bewegung des Schwingkolbens 42 erzeugt wird. Als Reaktion zur Schwingung des Schwingkolbens 42 wird eine Schwingung des Gehäuses 44 bewirkt, welche sich über die ringförmige, zur Kolbenachse koaxiale Kontaktfläche zum Antriebsgehäuse 62 überträgt. Über das Antriebsgehäuse 62 des Bohrantriebes 60 werden die Schwingungen auf das Arbeitselement 5 übertragen, so eine Rotationsbewegung eines Bohrgestänges mit axialen Schwingungen überlagert werden kann.
  • Bei dem Bodenbearbeitungsgerät 10 gemäß Fig. 5 ist ein Schwingungserzeuger 40 eingesetzt, wie er bereits bei der Ausführungsform von Fig. 2 beschrieben worden ist. Der Schwingungserzeuger 40 ist bei der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform über ein Flanschelement 22 starr mit einer Spanneinrichtung 50 verbunden. Die Spanneinrichtung 50 ist zum Halten einer Spundwandbohle ausgebildet. Angebracht an einem vertikal verfahrbaren Schlitten kann mittels dem gezeigten Bearbeitungsgerät 10 eine Spundwandbohle in den Boden gerammt oder gerüttelt werden.
  • In Fig. 6 ist eine bevorzugte Aufhängung des Schwingungserzeugers 40 am Schlitten 20 gezeigt. An dem Schlitten 20 ist ein Gehäuse 24 befestigt, in welchem der Schwingungserzeuger 40 über Gummilager 26 elastisch aufgehängt ist. Die Gummilager 26 sind mit einer metallischen Innen- und einer metallischen Außenbefestigung ausgebildet. Zwischen diesen beiden metallischen, vorzugsweise ringförmigen Befestigungen befindet sich eine elastische Gummimasse, welche eine zu starke Übertragung von Schwingungen vom Schwingungserzeuger 40 auf das Gehäuse 24 und den damit verbundenen Schlitten 20 vermeidet. Hierdurch wird erreicht, dass der Großteil der Schwingungsenergie auf das in den Boden einzubringende Arbeitselement 5 übertragen werden kann.

Claims (13)

  1. Bodenbearbeitungsgerät zum Einbringen eines Arbeitselementes (5) in den Boden unter Verwendung von Schwingungen, mit einem Schwingungserzeuger (40), welcher zum Erzeugen und Übertragen von Schwingungen auf das Arbeitselement (5) ausgebildet ist, wobei der Schwingungserzeuger (40) mindestens einen Schwingkolben (42) aufweist, welcher in einem Gehäuse (44) linear verschiebbar und zum Erzeugen von Schwingungen oszillierend angetrieben ist
    dadurch gekennzeichnet,
    - dass der Schwingkolben (42) beabstandet zum Arbeitselement (5) schlagkontaktfrei gelagert ist und
    - dass das Arbeitselement (5) an dem Gehäuse (44) gehalten ist und die Schwingungen indirekt über das Gehäuse (44) auf das Arbeitselement (5) übertragbar sind.
  2. Bodenbearbeitungsgerät nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Schwingkolben (42) hydraulisch angetrieben ist.
  3. Bodenbearbeitungsgerät nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Schwingkolben (42) eine erste Kolbenfläche (46) und eine zweite Kolbenfläche (48) aufweist, von denen wenigstens eine mit wechselndem Druck beaufschlagt wird.
  4. Bodenbearbeitungsgerät nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Kolbenflächen (46, 48) eine unterschiedliche Größe besitzen.
  5. Bodenbearbeitungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Schwingkolben (42) als ein Steuerkolben ausgebildet ist, mit welchem die wechselnde Druckbeaufschlagung steuerbar ist.
  6. Bodenbearbeitungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass eine Steuereinrichtung vorgesehen ist, mit welcher die Bewegung des Schwingkolbens (42) steuerbar ist.
  7. Bodenbearbeitungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Gehäuse (44) des Schwingungserzeugers (40) an einer Spanneinrichtung (50) zum Halten des Arbeitselementes (5) angeordnet ist.
  8. Bodenbearbeitungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Gehäuse (44) des Schwingungserzeugers (40) an einem Antriebsgehäuse (62) eines Bohrantriebes (60) angeordnet ist und
    dass das Arbeitselement (5) als ein Bohrwerkzeug ausgebildet ist.
  9. Bodenbearbeitungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass ein Schlitten (20) zum Aufnehmen des Arbeitselementes (5) vorgesehen ist, welcher an einer Führung (19) verfahrbar gelagert ist.
  10. Bodenbearbeitungsgerät nach Anspruch 9,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Arbeitselement (5) relativ zum Schlitten (20) elastisch gelagert ist.
  11. Bodenbearbeitungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Schwingkolben (42) eine durchgehende Bohrung (47) aufweist.
  12. Verfahren zum Einbringen eines Arbeitselementes (5) in den Boden, insbesondere mittels eines Bodenbearbeitungsgerätes (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem Schwingungen erzeugt und auf das Arbeitselement (5) bei dessen Einbringen in den Boden übertragen werden, wobei die Schwingungen mit mindestens einem Schwingkolben (42) erzeugt werden, welcher in einem Gehäuse (44) linear verschiebbar ist, und zum Erzeugen von Schwingungen oszillierend angetrieben wird,
    dadurch gekennzeichnet,
    - dass der Schwingkolben (42) beabstandet vom Arbeitselement (5) schlagkontaktfrei gelagert und angetrieben wird und
    - dass das Arbeitselement (5) an dem Gehäuse (44) gehalten wird, wobei die Schwingungen indirekt über das Gehäuse (44) auf das Arbeitselement (5) übertragen werden.
  13. Verfahren nach Anspruch 12,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass als Arbeitselement (5) ein Bohrwerkzeug verwendet wird, welches rotierend angetrieben wird, und
    dass- die Schwingungen in Bohrrichtung auf das Bohrwerkzeug übertragen werden.
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