DE4424080C1 - Hydraulischer Schlaghammer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen hydraulischen Schlagham­ mer, an dem ein Bohrgestänge zur Durchführung von Erd­ bohrungen befestigt werden kann.

In EP 0 203 282 B1 ist ein hydraulischer Schlaghammer beschrieben, der einen in einem Arbeitszylinder beweg­ baren Arbeitskolben und einen in einem Steuerzylinder bewegbaren Steuerkolben enthält. Der Arbeitszylinder ist mit dem Steuerzylinder über hydraulische Leitungen derart verbunden, daß der Arbeitskolben und der Steuer­ kolben sich gegenseitig steuern, wobei der Arbeitskol­ ben hin- und hergehend bewegt wird und dabei Schläge auf ein Einsteckende ausübt. An dem Einsteckende wird das Bohrgestänge befestigt. Ferner kann das Einsteck­ ende durch einen Drehantrieb gedreht werden.

Zum Vortreiben des Bohrgestänges im Bohrloch drückt auf das Hammergehäuse eine Vorschubvorrichtung, die das Hammergehäuse nach vorne (gegen das Bohrloch) treibt, während der Arbeitskolben Schläge auf das Einsteckende ausübt. Zum Herausziehen des Bohrgestänges aus dem Bohrloch wird das Hammergehäuse zurückgezogen. Dabei kann es vorkommen, daß der Bohrstrang oder die Bohr­ krone im Bohrloch hängenbleibt und das Zurückziehen behindert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen hydraulischen Schlaghammer zu schaffen, der das Zurück­ ziehen eines Bohrgestänges mit Hilfe von Druckstößen erleichtert.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Nach der Erfindung ist am rückwärtigen Ende des Ge­ häuses ein Druckraum vorgesehen, in dem der Arbeitskol­ ben bei seinen Rückhüben Druckimpulse erzeugen kann. Diese Druckimpulse werden über eine Leitung auf eine am vorderen Ende des Hammergehäuses vorgesehene Dämpfungs­ einrichtung übertragen, wodurch die Dämpfungsein­ richtung einen nach hinten gerichteten Druckstoß auf das von ihr abgestützte Einsteckende ausübt. Dadurch wird erreicht, daß am Ende des Rückhubes des Arbeits­ kolbens ein Rückzugsimpuls auf das am Einsteckende be­ festigte Bohrgestänge ausgeübt wird, so daß das Bohr­ gestänge stoßartig beaufschlagt wird und bei Verklem­ mungen oder Verhakungen besser freikommt. Diese Druck­ impulserzeugung erfolgt vorzugsweise nur dann, wenn das Hammergehäuse zurückgezogen wird, während sie bei Schlägen, die vom Hammerkolben auf das Einsteckende ausgeübt werden, abgeschaltet sein kann. Die Benutzung des Schlaghammers zum Freistoßen des Bohrgestänges beim Zurückziehen setzt voraus, daß der Arbeitskolben während des Zurückziehens betätigt wird, wobei er in der Regel allerdings keine Schläge auf das Einsteckende ausübt, weil das Einsteckende mit axialem Spiel in dem Hammergehäuse angeordnet ist und beim Zurückziehen von dem Arbeitskolben nicht erreicht wird.

Die Erzeugung der Druckimpulse in dem Druckraum am rückwärtigen Ende des Hammergehäuses ist wahlweise ein­ schaltbar. Während des Vorschubbetriebes des Hammerge­ häuses ist die Erzeugung der Druckimpulse nicht er­ forderlich. Wenn die Druckimpulse benötigt werden, kann entweder aus dem Druckraum heraus ein Amboßkolben vor­ geschoben werden, der dann von dem Arbeitskolben er­ reicht wird, oder die Rückhublänge des Arbeitskolben kann durch geeignete Umsteuerung verlängert werden.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch den Schlaghammer während des normalen Vorschub­ betriebes,

Fig. 2 das rückwärtige Ende des Schlaghammers während des Rückzugsbetriebes, und

Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung des vorderen Endes des Schlaghammers.

Der Schlaghammer weist ein langgestrecktes Gehäuse 10 auf, in dem ein Arbeitszylinder 11 ausgebildet ist. In dem Arbeitszylinder 11 ist der Arbeitskolben 12 axial bewegbar. Der Arbeitskolben 12 schlägt auf das Ein­ steckende 13, das axial verschiebbar im Hammergehäuse geführt ist und eine Verzahnung 14 für den Drehantrieb aufweist. Am vorderen Ende 15 des Einsteckendes 13 wird ein (nicht dargestelltes) Bohrgestänge angeschraubt, das über das Einsteckende 13 gedreht und mit Schlägen beaufschlagt wird.

Die Verzahnung 14 des Einsteckendes 13 ist in einem axialen Freiraum 16 untergebracht, in dem das Einsteck­ ende eine vordere und eine hintere Anschlagposition einnehmen kann. In Fig. 1 ist die (bezogen auf das Hammergehäuse) hintere Anschlagposition dargestellt.

Mit vorne ist die Richtung zum Ende 15 bzw. zum Bohr­ gestänge hin bezeichnet, während hinten die Gegen­ richtung bezeichnet.

Zur Steuerung der Bewegung des Arbeitskolbens 12 dient das Steuerventil 20. Dieses weist einen Steuerkolben 21 auf, der in einem Steuerzylinder 22 bewegbar ist. Das eine Ende des Steuerzylinders 22 ist mit einer Druck­ leitung 24 verbunden, so daß im Innern des hohlen Steuerkolbens 21 stets der volle Lieferdruck P herrscht. Eine zum Rücklauf R führende drucklose Rück­ laufleitung 25 ist mit dem Steuerzylinder 22 und über eine Leitung 26 mit dem Arbeitszylinder 11 verbunden. Ferner sind der Arbeitszylinder 11 und der Steuer­ zylinder 22 durch folgende Leitungen verbunden: Die Druckleitung 24, eine Steuerleitung 27, die drucklose Leitung 26 und eine Wechselleitung 27a.

In dem in Fig. 1 dargestellten Zustand befindet sich der Arbeitskolben 12 in der Nähe seines rückwärtigen Umkehrpunktes, während der Steuerkolben 21 noch in der dem Rückhub entsprechenden Stellung ist. Der Rückraum 28a des Arbeitszylinders 11 ist über Leitung 27a mit der Rücklaufleitung 25 verbunden und damit drucklos. Auf die vordere Ringkante 28 des Arbeitskolbens wirkt stets der volle Druck der Druckleitung 24 ein, der den Arbeitskolben zurücktreibt, wenn der Rückraum 28a drucklos ist. Der Arbeitskolben 12 verbindet soeben die beiden Leitungen 26 und 27, wodurch die Steuerleitung 27 drucklos wird, so daß im nächsten Moment der Steuer­ kolben 21 in seine andere (linke) Endlage gesteuert wird, die dem Schlaghub des Arbeitskolbens entspricht. Hierbei wird dann über das geschlitzte Ende 29 des Steuerkolbens die Wechselleitung 27a mit dem im Innern des Steuerkolbens herrschendem Hochdruck beaufschlagt und andererseits von der Rücklaufleitung 25 abgetrennt. Da die den Rückraum 28a begrenzende Kolbenfläche 30 größer ist als die Fläche der vorderen Ringkante 28, wird der Arbeitskolben 12 nach vorne beschleunigt.

Der Arbeitskolben 11 weist an seinem rückwärtigen Ende einen zylindrischen Ansatz 31 auf, der durch einen Ab­ dichtungsbereich 32a des Gehäuses hindurchführt und in eine Kammer 32 ragt. Am entgegengesetzten Ende der Kam­ mer 32 befindet sich ein zylindrischer Druckraum 33, in dem ein Amboßkolben 34 bewegbar ist. Der Amboßkolben 34 weist einen nach vorne abstehenden verjüngten Ansatz 35 auf, der durch eine abgedichtete Öffnung 36 hindurch in die Kammer 32 vordringen kann.

Zum Verstellen des Amboßkolbens 34 dient die Steuerein­ richtung 37, die zwei Ausgänge 38 und 39 aufweist. Der Ausgang 38 ist mit dem vorderen Ende des Druckraums 33 und der Auslaß 39 mit dem hinteren Ende des Druckraums 33a verbunden. Durch Druckbeaufschlagung eines der Aus­ lässe 38, 39 kann die Stellung des Amboßkolbens 34 im Arbeitsraum 33 und 33a bestimmt werden.

Das rückwärtige Ende des Druckraums 33a ist mit einer Leitung 40 verbunden, die ein Rückschlagventil 41 ent­ hält, das nur in Richtung vom Druckraum 33 weg durch­ lässig ist. Vom mittleren Bereich des Druckraums 33 führt eine weitere Leitung 42 zum Auslaß des Rück­ schlagventils 41.

Bei normalem Bohr- und Schlagbetrieb befindet sich der Amboßkolben 34 in seiner in Fig. 1 dargestellten Rück­ zugsposition, in der sein Ansatz 35 von dem Arbeitskol­ ben 12 nicht erreicht wird.

Die Steuereinrichtung 37 enthält einen Steuerschieber, der durch ein Signal am Steuereingang 43 von der Ruhe­ stellung in die Arbeitsstellung bewegt werden kann. Am Druckeinlaß 44 der Steuereinrichtung 37 ist eine Dros­ selstelle 45 vorgesehen. In der Ruhestellung verbindet die Steuereinrichtung 37 den Druckeinlaß 44 mit dem Auslaß 38. Dabei fließt Drucköl vom Druckeinlaß 44 durch den Druckraum 33 zur Leitung 42 und von dort zur Leitung 40. Der Ausgang 39 ist in diesem Zustand ge­ sperrt. Im Arbeitszustand der Steuereinrichtung 37 ist der Ausgang 38 gesperrt, während der Druck vom Druck­ einlaß 44 an den Ausgang 39 gelegt ist. Der Amboßkolben 34 wird dadurch vorgeschoben und das Drucköl fließt weiter durch das Rückschlagventil 41 in Leitung 40. In beiden Stellungen des Amboßkolbens 34 findet ein Ölfluß durch den Arbeitsraum 33 und 33a statt, um Wärme abzufüh­ ren. Die Drosselstelle 45 dient der Bemessung der Durchflußrate.

Der Einlaß 44 der Steuereinrichtung 37 ist mit dem Aus­ gang einer Maximaldruck-Selektionseinrichtung 47 ver­ bunden. Diese empfängt an ihrem einen Eingang 48 den Druck der Druckleitung 24 und an ihren anderen Ein­ gängen 49, 50 die Eingangsdrücke eines hydraulischen Drehmotors 51, der das Einsteckende 13 drehend an­ treibt. Die den drei Eingängen 48, 49 und 50 zugeführten Betriebsdrücke sind jeweils lastabhängig. Da von diesen Betriebs drücken der größte durch die Steuereinrichtung 37 auf die Druckräume 33 und 33a und die Leitung 40 durchgeschaltet wird, herrscht in der Leitung 40 stets ein Druck, der umso größer ist, je größer die beim Schlagbohren entstehende Last ist. Der Maximaldruck- Selektionseinrichtung 47 kann zum Beispiel auch der jeweilige Betriebsdruck der Vorschubvorrichtung zugeführt werden.

Der Drehmotor 51 treibt eine Ritzelwelle 52, deren Ritzel mit einem Zahnrad 53 kämmt, welches die Ver­ zahnung 14 des Einsteckendes umgibt. Im Innern des Zahnrades 53 befindet sich ein innenverzahntes Mit­ nahmeteil 54, in dessen Verzahnung die Verzahnung 14 eingreift und das in Lagern 55 des Gehäuses gelagert ist. Mit dem Mitnahmeteil 54 ist ein Druckteil 56 ver­ bunden, das beim Bohrvorschub gegen die Brust der Verzahnung 14 drückt und dadurch das Einsteckende 13 vorschiebt.

Die vom rückwärtigen Druckraum 33a kommende Leitung 40 führt zu der am vorderen Ende des Gehäuses 10 vorge­ sehenen Dämpfungsvorrichtung 60. Diese weist zwei ring­ förmige, das Einsteckende 13 umgebende Dämpfungskolben 61 und 62 auf. Der Ringkolben 61 wird durch den Druck im Zylinderraum 63 nach hinten gedrückt und der Dämpfungs­ kolben 62 wird durch den Druck im Zylinderraum 64 eben­ falls nach hinten gedrückt. Das vordere Ende des Dämpfungskolbens 62 stützt sich am rückwärtigen Ende des Dämpfungskolbens 61 ab. Die Rückwärtsbewegung des Dämpfungskolbens 62 wird durch einen Anschlagring 65 begrenzt, der gegen einen Gehäuseanschlag 66 stößt. Die Rückwärtsbewegung des Dämpfungskolbens 61 wird über den Dämpfungskolben 62 ebenfalls durch den Anschlagring 65 begrenzt.

Der Dämpfungskolben 62 umgibt eine Hülse 67, die in den Feiraum 16 hinein weiter vorsteht als der Anschlagring 65. Das Ende der Hülse 67 bildet einen ersten Anschlag 68, und das Ende des Anschlagringes 65 bildet einen zweiten Anschlag 69 für die Vorderflanke 70 der Ver­ zahnung 14. Dies bedeutet, daß beim Vorschieben des Einsteckendes 13 (in Bezug auf das Gehäuse 10) die Vorderflanke 70 zunächst gegen den Anschlag 68 stößt und dadurch den Dämpfungskolben 61 nach vorne schiebt. Wenn der Dämpfungskolben 61 nachgibt, stößt die Vorder­ flanke 70 gegen den zweiten Anschlag 69, so daß nach­ folgend auch der zweite Dämpfungskolben 62 verschoben wird. Die Dämpfung erfolgt also stufenweise - zuerst mit einem, dann mit zwei Dämpfungskolben - in Abhängig­ keit von der Größe der auf das Einsteckende 13 wirkenden Kraft.

Die Dämpfungsvorrichtung 60 weist ferner einen hydro­ pneumatischen Speicher 71 auf, der mit den beiden Zylinderräumen 63 und 64 verbunden ist. Beim Schlagbetrieb dient die Dämpfungsvorrichtung dazu, das Einsteckende 13, auf das der Hammerkolben geschlagen hat, abzufangen und zu verhindern, daß die kinetische Energie des Ein­ steckendes (und des Bohrgestänges) das Hammergehäuse stoßartig belastet. Die hydraulische Vorspannung ist dabei lastabhängig, da der hydraulische Vordruck der Dämpfungsvorrichtung 60, also der Druckanleitung 40, belastungsabhängig ist.

Beim Zurückziehen des Hammergehäuses wird durch Be­ tätigen der Steuereinrichtung 37 der Amboßkolben 34 in die in Fig. 2 dargestellte Position vorgeschoben, so daß der Amboßkolben nunmehr von den Rückhüben des Ar­ beitskolbens 12 erreicht wird. Die dadurch in der Leitung 40 hervorgerufenen Druckimpulse werden über das Rückschlagventil 41 gehalten, so daß in den Zylinder­ räumen 63 und 64 der Dämpfungsvorrichtung 60 hohe Drücke entstehen, während die Vorderflanke 70 an dem Anschlag 68 oder sogar an beiden Anschlägen 68 und 69 anliegt. Diese Druckimpulse erzeugen daher Stöße, mit denen die Dämpfungskolben 61 und 62 das Einsteckende 13 zurückdrücken. Es erfolgt also ein lastabhängiges Druckstoßen gegen das Einsteckende, wobei die Stoß­ energie in Abhängigkeit von der auf das Hammergehäuse einwirkenden Rückzugskraft entweder einstufig (nur von dem Dämpfungskolben 61) oder zweistufig (von beiden Dämpfungskolben 61 und 62) aufgebracht wird.

Der Zylinderraum 64 der Dämpfungseinrichtung 60 ist über eine Drosselstelle 72 mit dem Rücklauf R ver­ bunden, so daß die Dämpfungsvorrichtung 60 zum Zwecke der Wärmeabführung ständig von Drucköl durchströmt ist.

Es besteht die Möglichkeit, den Arbeitskolben 12 beim Zurückziehen des Hammergehäuses 10, also wenn sich das Einsteckende 13 in seiner vorderen Endstellung be­ findet, so zu steuern, daß der vordere Umkehrpunkt vor­ verlagert ist und der Arbeitskolben auch in diesem Zu­ stand das Einsteckende noch erreicht. Dann werden beim Zurückziehen sowohl vorwärts gerichtete Schläge auf das Einsteckende als auch rückwärts gerichtete Schläge auf den Amboßkolben 34 ausgeübt. Bei den Vorwärtschlägen wird jeweils der hydropneumatische Speicher 71 über die Dämpfungskolben 61, 62 aufgeladen und bei den nach hinten gerichteten Schlägen wird dieser Druck durch den Druckimpuls an Leitung noch erhöht. Dadurch werden auf das Einsteckende 13 lastabhängig sehr starke Druckstöße ausgeübt.

Claims (9)

1. Hydraulischer Schlaghammer mit
einem Gehäuse (10), das eine Druckleitung (24) und eine Rücklaufleitung (25) aufweist,
einem in dem Gehäuse (10) ausgebildeten Ar­ beitszylinder (11), in dem ein Arbeitskolben (12) bewegbar ist, der abwechselnd vorwärts gerichtete Schläge auf ein Einsteckende (13) und Rückhübe ausübt,
einem in einem Steuerzylinder (22) bewegbaren Steuerkolben (21), der in Abhängigkeit von der Stellung des Arbeitskolbens (12) gesteuert ist und seinerseits die Fluidzufuhr zum Arbeits­ zylinder (11) steuert und
einer am vorderen Ende des Gehäuses (10) vor­ gesehenen Dämpfungsvorrichtung (60) zur Ab­ federung der Schläge des Einsteckendes (13),
dadurch gekennzeichnet, daß am rückwärtigen Ende des Gehäuses (10) ein Druckraum (33a) vorgesehen ist, in dem der Ar­ beitskolben (12) am Ende des Rückhubes einen Druckimpuls erzeugen kann, und daß der Druckraum (33a) mit der Dämpfungsvorrichtung (60) verbunden ist, so daß diese bei jedem Druckimpuls einen nach hinten gerichteten Stoß auf das an ihr abgestützte Einsteckende (13) ausübt.

2. Schlaghammer nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Druckraum (33a) zusammen mit einem weiteren Druckraum (33) einen Arbeitsraum (33, 33a) bildet, der einen von einer Steuereinrichtung (37) gesteuerten Amboßkolben (34) enthält, welcher in einer vorgeschobenen Arbeitsstellung von dem Arbeitskolben (12) bei dessen Rückhüben mit Schlägen beaufschlagt und in einer Rückzugsstellung vom Ar­ beitskolben (12) nicht erreicht wird.

3. Schlaghammer nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Steuereinrichtung (37) auf jeweils einen der Druckräume (33, 33a) einen Druck durch­ schaltet, der von einer Maximaldruck-Selektionsein­ richtung (47) geliefert ist, welche von mehreren ihr zugeführten Betriebsdrücken den größten auswählt.

4. Schlaghammer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß in einer von dem Druckraum (33a) zur Dämpfungsvorrichtung (60) führenden Lei­ tung (40) ein in Richtung zur Dämpfungsvorrichtung (60) durchlässiges Rückschlagventil (41) vorgesehen ist.

5. Schlaghammer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Dämpfungsvorrichtung (60) über eine Drosselstelle (72) mit dem Rücklauf (R) verbunden ist.

6. Schlaghammer nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungsvor­ richtung (60) mit dem Druck der Steuereinrichtung (37) beaufschlagt ist, wenn der Amboßkolben (34) sich in seiner Rückzugsstellung befindet.

7. Schlaghammer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungsvor­ richtung (60) zwei Dämpfungskolben (61, 62) auf­ weist, und daß das Einsteckende (13) mit zwei ge­ staffelten Anschlägen (68, 69) der Dämpfungsvor­ richtung (60) zusammenwirkt, derart, daß beim Zu­ rückziehen des Gehäuses (10) das Einsteckende (13) zunächst über einen ersten Anschlag (68) den einen Dämpfungskolben (61) und anschließend über den zweiten Anschlag (69) auch den zweiten Dämpfungs­ kolben (62) vorschiebt.

8. Schlaghammer nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß beide Dämpfungskolben (61, 62) mit demselben Druck beaufschlagt sind, und gleiche oder unterschiedlich große Zylinderräume (63, 64) aufweisen können.

9. Schlaghammer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Amboßkolben (34) in Abhängigkeit von der Bewegungsrichtung einer das Hammergehäuse bewegenden Vorschubrichtung ge­ steuert ist.