DE2518240A1 - Schlagwerkzeug zur erzeugung von schlagkraeften - Google Patents

Description

HydroacDustics Inc., Rochester, State of Neu York, U.St.A.

Schlagwerkzeug zur Erzeugung von Schlagkräften

Die vorliegende Anmeldung betrifft Schlagwerkzeuge zur Erzeugung van Schlagkräften.

Die Erfindung ist besonders geeignet zur Verwendung beim Gesteinsbohren, Setzen von Pfählen, bei Abbruch- und Gesteinsaufbrucharbeiten, im Bauwesen, in Bergwerken und dergl. Anwendungen. Die Erfindung ist besonders geeignet für kleinformatige Gesteinsbohrer mit hohem Wirkungsgrad zum Einsatz im Bauwesen und im Bergbau. Weiterhin ist die Erfindung nützlich für Vorrichtungen, bei denen starke Schlagkräfte bei hoher Wiederholungsfrequenz mit hohem Wirkungsgrad erzeugt werden sollen, und es lassen sich mit ihr eine verbesserte Leistungsfähigkeit bei jeder Einsatzart erreichen, bei der es auf Schlagenergie bei hohen Leistungswerten ankommt.

Es sind Werkzeuge zur Erzeugung von Schlagkräften auf einer Last bekannt, bei denen ein Hammer die Masse in einem Massenfederschwingungasystem darstellt. Die Bewegung der Masse wird dabei auf eine Ventilmechanik in einer mit einem hydraulischen Strömungsmittel gefüllten Kammer übertragen, und der Druck des hydraulischen Strömungsmittela in der Kammer abrupt zwischen dem Ein- und dem Auslaßventildruckwert hin- und. hergeschaltet, um Treibkräfte zu erhalten, die die Masse hinsichtlich des Federsystems beschleunigen.

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Die Energie der beschleunigten MasBe wird auf das Federsystem übertragen, das, uienn danach die Ventilmechanik den Druck in der Kammer umschaltet, um die Beschleunigungskraft abzunehmen-, die Masse auf die Geschwindigkeit Null abbremst und die Masse dann mit zunehmender Beschleunigung in der entgegengesetzten Richtung auf die Last zu beuiegt.

Die Schlagenergie entsteht beim Aufschlag der Masse auf die Last. Das Federsystem liegt in Farm einer weiteren mit einem hydraulischen Strömungsmittel gefüllten Hammer vor; seine dynamische Federeigenschaften bzw. Steife lassen sich SD wählen, daß sich die gewünschte Bewegung der Hammermasse und Energieübertragungscharakteristik ergeben. Bspw. kann man die Federkammer in einen mit einem Druckgas gefüllten und einen mit dem hydraulischen Strömungsmittel gefüllten Bereich unterteilen, wobei das Druckgas die dynamische Federungseigenschaft bzw. die Steife des Federteils des Systems auf WuIl senkt, um den Hammer mit einer konianten Kraft zu beaufschlagen und einen Kipp-Schwingungszyklus zu erzeugen. Dieser Schwingungszyklus ist besonders nützlich, wenn man mit kleinen Werkzeugen starke Schlagkräfte erzeugen uiill, wie es oft beim Gesteinsbohren erwünscht ist.

Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die erwünschten Energiespeicherungs- und Federeigenschaften darzustellen, wie sie bei den oben beschriebenen Schlagwerkzeugen vorliegen, aber gleichzeitig Strömungsschwankungen vorso gering wie möglich zu halten und offene Strömungskanäle sowie große UmfangsdurchlaßlBngen ("large peripheral porting length") für die Strömungsmittelströmung durch die geschaltete Kammer so zu schaffen, daß der Wirkungsgrad steigt, die Größe des Werkzeuges geringer und die Werkzeugkonstruktian einfacher werden.

Die Erfindung sieht vor ein Schlagwerkzeug zur Erzeugung von Schlagkräften mit einem mit einer Bohrung versehenen Gehäuse, einem Kolben, der in der Bohrung auf eine Schlagstellung zu und von ihr weg bewegbar ist und Flächen aufweist, die die Grenzflächen einer ersten und einer zweiten Zylinderkammer in der Bohrung bilden, deren Uolumina sich bei der Bewegung des Kalbens in dsr Bohrung in entgegengesetzter Richtung ändern, wobei der Flächeninhalt der einen Fläche, die die erste Kammer bildet, größer ist als der Flächeninhalt der anderen der Flächen, die die zweite Kammer bildet, mit einer Ein-

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richtung in dem Gehäuse, über die Strömungsmittel unter Druck an dieses geliefert und aus diesem abgezogen wird, einer der ersten Hammer zugeordneten Uentilmechanik mit Öffnungen in der ersten Hammer, die in Axialrichtung der Bohrung voneinander auf Abstand liegen und jeweils in Strömungsverbindung mit der Strömungsmittelversorgung und der Rückleitung der zuletzteruähnten Einrichtung stehen, mit einem Ventilelement in der ersten Hammer, das mit dem Holben bewegbar ist, um mährend der Bewegung des Holbens über eine vorbestimmte Strecke in der einen Richtung die ZufluBöffnung zu schließen und die Rückflußöffnung zu öffnen und während der Bewegung des Holbens über eine vorbestimmte Strecke in der entgegengesetzten Richtung die Zuflußöffnung zu öffnen und die Rückflußöffnung zu schließen, wobei der Holben eine axiale Länge derart aufweist, daß er sich um die vorbestimmte Strecke in der einen Richtung verschoben hat, wenn er die Schlagstellung erreicht, und mit Mitteln in dem Gehäuse, die eine Strömungsverbindung zwischen der Strömungsmittelquelle und der zweiten Hammer herstellen, um die andere Holbenfläche mit Hräften zu beaufschlagen und sie in eine von der Schlagstellung hinweggerichteten Richtung zu treiben, wenn das Ventilelement die Rückflußöffnung öffnet und die Versnrgungsöffnung schließt.

Die oben ausgeführten und andere sowie weitere Ziele, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich im einzelnen aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, in denen

Fig. 1 eine Teildraufsicht, die ein hydraulisch betriebenes Schaltwerkzeug nach der vorliegenden Erfindung darstellt und

Fig. 2 eine Familie von Hurven ist, die die Beuequngs- und Strömungseigenschaften des in Fig. 1 dargestellten Werkzeuges zeigen.

Insbesondere zeigt die Fig. 1 ein Schlagwerkzeug mit einem Gehäuse 3oo. Eine Hülse 3o2 im Gehäuse 3oo bildet zusammen mit den Einsatzhülsen 3οί» und 3o6 (die vorgesehen sind, um den Zusammenbau zu erleichtern) eine Bohrung 3oB, ä in der ein Holben 31o in ειεγ Richtung entlang der Achse der Bohrung schwingen kann. Ein Schaft 312, für den eine Drehmechanik - bspw. ähnlich der US-PS 3.6^0.351 - vorgesehen sein kann, stellt eine Schalgfläche für das untere Ende 316 des Holbens 31o dar.

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Der Kolben 31α wirkt also als Hammer, der beim Auftreffen auf den Schaft Schlagkräfte ausübt. Der Schaft kann mit einem Bohrstahl und einem Bohrer verbunden sein, um Lächer in eine Formation - bspw. bei Bau-, Bergbau- oder Steinbrucharbeiten - einzubringen.

Der Holben 31o weist einen mittleren Abschnitt 32o auf, dessen Durchmesser größer ist als der eines oberen Teils 324 des HOlbens 31a.

Der untere Abschnitt 322 hat einen größeren Durchmesser als der obere Teil 324, so daß die gegenüberliegenden Flächen 326 und 32fl des mittleren Abschnitts 32a einer ersten Hammer 33a und einer zweiten Hammer 332 einen größeren Flächeninhalt bzw. einen kleineren Flächeninhalt, darbieten, deren Endflächen von den Flächen 326 und 32B gebildet werden. Während diese Flächen 326 und 328 Schrittgestalt haben, lassen sich auch Grenzflächen anderer Bestalt vorsehen; der Ausdruck "Fläche" soll eine solche Grenzfläche allge» mein bezeichnen. Die erste Hammer 33a stellt eine Treibkammer für den Holben dar und enthält eine Ventilmechanik, die den Strömungsmitteldruck vom Versorgungs- zum Rückflußwert schaltet, während die zweite Hammer 332 dauernd unter dem Versorgunnsdruck steht.

In der Treibkammer 33a befindet sich eine Ventilmechanik 334, die aus einer Zuflußöffnung 336, einer Rückflußöffnunq 338, einem Ventilelement 34o und auf Abstand liegenden Bünden 342 und 344 auf dem Holben 31o, die am Ventilelement 34o anliegen, besteht.

Die Öffnungen 336 und 338 liegen als Umfangsnuten vor, die in Umfangsrichrung um die Innenwand der Bahrung 3aB herum verlaufen. Die gegenüberliegenden Kanten des Ventilelements 34a bilden Verschlußkanten, die ein Verschließen bzw. Öffnen entlang des gesamten Umfangs gestatten und so die oben erwähnten Vorteile erbringen. Das Ventilelement ist gleitend verschiebbar innerhalb der mit dem Kolben 31o koaxialen Bohrung 3o8 gelagert und weist längsgerichtete Kanäle 346 auf.

Die zweite Kammer 332 und die Zuflußöffnung 336 stehen über die seitlichen Kanäle 348 und 35o mit einer Umfangsgallerie 352 in Strümungsverbindung, die sich zwischen ihnen erstreckt. Diese Gallerie 352 steht über eine große seit-

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liehe Öffnung 356 und eine Vielzahl von Kanälen 358 in der üJand der Sammelkammer 354, die an der Öffnung 356 liegt, auch in Strömungsuerbindung mit einer Zufuhrsammeikammer

Eine weitere Gallerie umfaßt das obere Ende der Treibkammer 33a und steht über einen Seitenkanal 362 in Strömungsverbindung mit der Rückflußöffnung 338. Die Gallerie 36d ist über eine grüße Öffnung 364 an eine Rückfluß-Sammelkammer 366 angeschlossen. Eine Uielzahl van Kanälen 368 in der Uand der Sammelkammer 366 an der Öffnung 364 bieten eine direkte Strömungsverbindung zwischen der Rückflußsammeikammer 366 und der Gallerie 36o. Der Rückfluß des unter Druck stehenden hydraulischen Strömungsmittels erfolgt über einen Kanal 37o zur Rückflußgallerie 36o. Ein entsprechender Kanal 371, der in eine seitliche Öffnung 356 mündet, schafft eine zuflußseitige Verbindung der Quelle des Druckströmungsmittels mit der Zuflußgallerie 352.

Wie dargestellt, dienen U-Becher und D-Ringe für die Gleit- bzw. stationären Flächen zur Abdichtung der Hohlräume und Strömungsmittelkanäle im Gehäuse. Zum Reinigen kann man ein Strömungsmittel wie Druckluft über ein Rohr 372 durch den Kolben 31o und den Schaft 312 geschickt werden, das durch Bohrungen in diesem Elementen verläuft.

Es ist einzusehen, daß das hydraulische Strömungsmittel von einer geeigneten Pumpe unter Druck gesetzt uiird, die einen Zufluß- und einen Rückflußanschluß aufweist, die über Schläuche ader andere Leitungen zu einem geschlossenen Kreislauf an das Werkzeug angeschlossen sind. Falls man eine offene Strömungsmittelzufuhr verwendet, kann das abgehende Strömungsmittel anstatt zum Rückflußanschluß der Pumpe in einen Sumpf geführt werden. Die Ausdrücke "Abfluß" und "Rückfluß" sollen also eine Strömung zum Rückflußanschluß der Pumpe oder sonst zu einem Abfluß bezeichnen.

Die Beschreibung der Arbeitsweise des in Fig. 1 gezeigten Schlagwerkzeuges soll unter Bezug auf die Fig. 2 erläutert werden. Die gestrichelten Linien stellen die mittlere Bewegungsgeschwindigkeit dar. Fig_o 1 zeigt die Lage des Kolbens 31o und des Ventilelements 34o in unmittelbar beim Auftreffen auf den Schaft, d.h. wenn der Kolben die Schlagstellung erreicht. Die Länge des Ventils 34o hinsichtlich der Rückfluß- und Zuflußöffnung 338 bzw. 336 und die La-

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ge des Bundes 342 auf dem Halben 31a sind derart, daß die RückflußÖffnung sofort öffnet und die Zuflußöffnung 336 schließt, wenn das Ventilelement 34a aus der in Fig. 1 gezeigten Lage sich etwas abwärts bewegt. Sodann utird mährend eines ersten Teiles der Schwingungszyklus, d.h. von T bis T. (verql. Fig. 2 (a)), unter Druck stehendes Strömungsmittel auf die zweite Kammer 332 geben; aber die Treibkammer 33a ist jedoch über die Ventilmechanik zum Rückfluß offen. Das Verhältnis der Inhalte der Flächen 326 zu 328 liegt vorzugsweise in der Größenordnung von 2:1. Das unter Druck stehende und auf die Fläche 328 wirkende Strömungsmittel treibt den Halben aufwärts und aus der Schaltstellung heraus.

Wenn der untere Bund 344 auf dem Halben 31o das Ventilelement 34o in die in Fig. 1 gezeigten Lage hebt, erfolgt die Umschaltung in der Treibkammer. Über die Gallerie 332 werden dann die zweite und die Treibkammer mit Druckflüssigkeit beaufschlagt. Die resultierende Kraft, die auf dem Holben 31o lastet, hat sich nun umgekehrt und ist auf den Schaft zu gerichtet. Die Rückflußöffnung 338 ist geschlossen. Die anfängliche Bewegungsgröße des Kolbens 31a trägt

ihn aufwärts zum Grenzpunkt seiner Bewegung, X (vergl. Fig. 2(a)). Die resultierende Strömung erfolgt in die Sammelkammer 354 hinein. Am Spitzenpunkt des Hubs zur Zeit T„ ist die kinetische Energie des Kalbens sowohl in der Sammelkammer 354 als auch in der Strömungsflüssiqkeit in den zugeordneten Hohlräumen, Gallerien und Kanälen gespeichert. Der Kolben wird dann während des Zeitraums T_ bis T über die gesamte Verschiebungsstrecke X abwärts in die Schalgstellung getrieben, dann die Ventilmechanik betätigt und die Rückflußöffnung 338 geöffnet und die Zuflußöffnung 336 geschlossen, was zur wiederholung des Zyklus¹ führt. Die in der Sammelkammer gespeicherte Energie verwandelt sich während des Zeitraums H T_ bis T in die Schlagkraft, die auf den Schaft 312 und über diesen Schaft auf den Bohrstahl und den Bohrer wirkt, um die Gesteinsbohr- und andere Arbeiten auszuführen.

Die Eigenschaften des massiven Kalbens und des federartigen Strömungsmittels in den Kammern, Gallerien und Kanälen und der Sammelkammer lassen sich zu einem KippDszillatar darstellen, der Schalgkräfte entwickelt, die besonders geeignet sind für zeitabhängige Belastungen, wie sie bspw. beim Gesteinsbohren auftreten.

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Die Schalqenergie E₅₁ mit der der Schaft 312 am Ende jedes Zyklus¹ beaufschlagt wird, ist der patEntiellen Energie proportional, die der HaIbEn am Spitzenpunkt seines Hubs zur Zeit t = T„ besitzt. Diese Energie läßt sich uiie folgt ausdrucken:

E_B = Ic₁ CP_sA_FJ_p) (1)

wobei k. eine Konstante, P„ der Zuflußdruck und X_p diejenige Strecke ist, die der Kolben zum Spitzenpunkt seiner Hubeuegung zurücklegt. Ist der Flächeninhalt des Schritts 326 gleich der doppelten Fläche des Schritts 328, legt der Kolben zum Spitzenpunkt seines Hubes etuia das Doppelte der Strecke zurück, die er während des Intervalls T bis T. durchläuft.

ο ι

Die nesamte Kolbenbeuenung ist dann gegeben durch

X_p = 2X_D (2)

Die Schwingungsfrequenz, f , läßt sich ableiten aus den Beziehungen für die kinetische und die potentielle Energie zu

/ -7

/ P_qV^xn
f - k ^

0 " ^k

0 " ^k2 M M_p

mit ^x<2 ~ ^ΠΠΠΞ^· ^und ^¹P ⁼ Masse des Kolbens.

klie in Fig. 2(b) gezEigt, ist die Strömung in die Treibkammer 33o hinein im Ersten Teü dES Zyklus¹ von T bis T. gsspErrt. Während des zuleiten Teils des Zyklus¹, d.h. von T. bis T„, erfolgt die Strömung aus der Treibkammer hinaus, uobei die Strömungsflüssigkeit, die Federn und die Sammelkammer 35^ die kinetische Energie des Hammern speichern. Die Verdrängung der Strömungsflüssigkeit in die zueite Kammer 332 hinein nimmt von T bis T„ zu und nimmt dann während des Restes des Zyklus, d.h. von T„ bis T , mieder ab (also aus der Kammer heraus). Die Strömung aus dsr zsitsn Kammer stellt in Uerbindung mit der Gallsrie 352; mit der Strömung zur ersten Kammer zusammengeführt, be-

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uirkt sie eine Neigung, die erforderliche dynamische Nettosträmung aus der Sammerkammer heraus zu senken. Die dynamische Nettoströmung aus der Sammelkammer 35if heraus ist mit der Kurve (c) der Fig. 2 gekennzeichnet. Wie ersichtlich, sind die Gesamtströmungsschuankungen gegenüber denen, die der ersten bzw. Treibkammer zugeordnet sind, erheblich geringer.

Die Stromungsschuankungen zur Rückfluß-Sammelkammer 336, wie sie vom Rückflußkanal 37a gesehen werden, treten nur während des ersten Teils des Zyklus von T bis T. auf, wie es die Fig. 2(d) ZEigt, da danach die Rückflußlffnung geschlossen ist. Wie also ersichtlich, sind die Schwankungen in dem Riikflußzueig der Konfiguration der Fig. 1 allgemein erheblich reduziert.

Cl./ho

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   Werkzeug zur Erzeugung von Schlagkräften mit einem Gehäuse mit einer Bohrung, in der ein Holben zu einer Schlagstellung hin- und von ihr weg bewegbar angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben mit entgegengesetzt gewandten Flächen versehen ist, die die Endflächen einer ersten und einer zweiten veränderlichen Hammer in der Bohrung bilden, deren Volumina sich bei der Bewegung des Holbens in der Bohrung entgegengesetzt ändern, wobei der Flächeninhalt der einen Holbenflache, die die erste Hammer bildet, größer ist als der Flächeninhalt der anderen Holbenfläche, die die zweite Hammer bildet, und daß das Gehäuse weiterhin eine Einrichtung aufweist, durch die ein Strömungsmittel unter Druck in das Gehäuse eingeführt und aus ihm abgezogen wird, daß der ersten Hammer eine Ventilmechanik mit Öffnungen zugeordnet ist, die sich in der Hammer in Achsrichtung bezüglich der Bohrung auf Abstand zueinander befinden und jeweils in Strömungsverbindung mit der Zu- und RückfluBseite der letzterwähnten Einrichtung stehen, daß in der ersten Hammer ein mit dem Holben bewegbares Ventilelement vorgesehen ist, um während der Bewegung des Holbens über eine bestimmte Strecke in einer Richtung die Zuflußöffnung zu schließen und die Rückflußöffnung zu öffnen und um während der Bewegung des Holbens über eine bestimmte Strecke in der entgegengesetzten Richtung die Zuflußöffnung zu öffnen und die Rückflußöffnung zu schließen, wobei der Kalben eine solche axiale Länge hat, daß er sich um die VDrbestimmte Strecke in der einen Richtung bewegt hat, wenn er die Schlagstellung erreicht, und daß das Gehäuse eine Einrichtung aufweist, durch die eine Strömungsverbindung zwischen der Strömungsmittelversorgung und der zweiten Kammer hergestellt wird, um die andere Halbenfläche mit Kräften zu beaufschlagen, die ihn aus der Schalgstellung hinwegtreiben, wenn das Ventilelement die RückfluBöffnung öffnet und die Zuflußöffnung schließt.

   2. Schlagwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben einen Abschnitt aufweist, dessen Querschnittsgestalt und

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   - größe im wesentlichen gleich der Querschnittsgestalt'und - größe der Bohrung sind, wobei die andere Halbenfläche der Schlagstellung näher liegt als der einen Kolbenfläche.

   3. Schlagwerkzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrung einen Schaft enthält, der einem Ende des Kalbens eine AufschJagfläche darbietet.

   if. Schlagwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3,

   dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilelement ein mit der Bohrung koaxiales rohrförmiges Element ist, das den Kolben umgibt und die Bohrung entlang an den Öffnungen vorbei verschiebbar ist, wobei aus einem der rohrförmigen Glieder und dem Kalben Vorsprünge vorstehen, um am rohrförmigen Glied anzugriefen und das rahrförmige Glied zu bewegen.

   5. Schlagwerkzeug nach Anspruch k, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammern allgemein zylindrische Kammern innerhalb des Gehäuses sind und es sich bei den Öffnungen um getrennte Umfangsnuten in der ersten Kammer handelt, die von den Kanten des rohrförmigen Gliedes geöffnet und geschlossen werden.

   S. Schlagwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuflußöffnunq dazu dient, der zweiten und der ersten Kammer einen Energiespeicher zuzuordnen.

   7. Schlagwerkzeug nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Energiespeicher um eine Sammelkammer handelt.

   S. Schlagwerkzeug nach Anspruch 7, bei dem das Strömungsmittel eine hydraulische Flüssigkeit ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Sammelkammer einen mit Strömungsmittel gefüllten Bereich und einen an diesen angrenzenden Bereich aufweist, der mit einem umschlossen gehaltenen Gas gefüllt ist, wobei die Bereiche von einem nachgiebigen Glied getrennt werden und der mit Strömungsmittel gefüllte Bereich bei Bffener Zuflußßff-

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   - 11 nung in Strömungsverbindung mit der zweiten und der ersten Hammer gelangt.

   9. Schlagwerkzeug nach Anspruch 7 ader B, dadurch

   gekennzeichnet, daß der ersten Hammer bei offener Rückflußöffnung eine zweite Sammelkammer zugeordnet ist.

   1d. Schlagwerkzeug nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse mit einer Gallerie versehen ist, die die Bahrung umgibt, nach außen im Abstand von dieser liegt, zwischen der Zuflußöffnung und der zweiten Hammer vErläuft und in Strömunqsverbindung mit der zweiten Hammer und einer Sammelkammer steht, die den EnergiEspeicher bildet«

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