Hydraulischer Bohrhammer

Abstract

 Ein hydraulischer Bohrhammer mit einem in Schlagrichtung zur Bohrstange (15) federnd abgestützten Bär (2a) wird über ein Untersetzungsgetriebe (7) mit Exzenter (12) und Pleuel (6) angetrieben, wobei als Kraftquelle ein Flüs­sigkeitsstrahl (25) über ein Turbinenrad (20), das mit einem Getriebe (7) verbunden ist, umgelenkt wird, der anschliessend mit seiner kinetischen Restenergie nach dem Injektorprinzip Luft in einer Sammeldüse (26) mitreisst und nach dem Durchlaufen eines engsten Querschnitts (27) zur Druckerhöhung abgebremst wird. Von dem entstandenen Flüssigkeits-Luft-Gemisch wird ein Teil als Spül- und Kühlflüssigkeit durch die hohle Bohrstange dem Bohr­meissel zugeführt, während ein anderer Teil zur Kühlung des umliegenden Gesteins versprüht wird. Die Drehbewegung für das Bohrfutter (16) wird über einen separaten Abtrieb (13) vom Getriebe (7) erzeugt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf einen hydraulischen Bohr­hammer mit einem in Schlagrichtung federnd abgestützten Bär, der einerseits über Federelemente und Kolben mit einem Pleuel und einem Kurbeltrieb von einem Unterset­zungsgetriebe kraftgekoppelt ist und der andererseits auf eine axial bewegliche Bohrstange aufschlägt.

[0002] Hydraulische Bohrhammer werden beim Bohren von Befesti­gungslöchern und von Sprenglöchern im Gestein eingesetzt. Ein bevorzugtes Gebiet ist der Bergbau.

[0003] Eine Uebersicht über den Stand der hydraulischen Bohr­hammer findet sich im Artikel "Hydraulic Rockdrills" von Joffrey Pearse (Mining Magazine - March 1985, Seite 221 bis 231, Mining Journal Ltd., 60 Worshipstreet, London, EC2A 2HD)), in dem die Produkte von 17 Herstellern unter­sucht wurden. Diesen hydraulischen Bohrhammern ist gemeinsam, dass sie zur Erzeugung der Schlagbewegung mit Drücken zwischen 75 und 220 bar im geschlossenen Kreis­lauf mit Oel oder mit Wasser und Schmierzusätzen betrie­ben werden, dass ein Bär als Hydraulikkolben über Umsteu­ereinrichtungen mit Druckflüssigkeit beaufschlagt wird, dass die Druckerhöhung mittels Pumpe und Motor erfolgt und dass die Spülung und Kühlung des Bohrmeissels über ein separates Wassersystem erfolgt. Für ihren Betrieb darf die mechanische Kraftquelle, der Motor, nicht allzu weit vom Abbauort in der Sohle installiert sein. Elektri­sche Antriebsenergie oder Treibstoff und Rauchgasablei­tungen sind für den Betrieb dieser Bohrhammer notwendig. Weiterhin sind pneumatische Bohrhammer bekannt, die mit Erfolg im Bergbau bis zu mittleren Tiefen eingesetzt wer­den. Wegen der Strömungs- und Leckverluste steigen mit zunehmender Tiefe die Bereitstellungskosten für Pressluft so überproportional, dass der Einsatz von hydraulischen Bohrhammern gerechtfertigt ist. Bei Bergwerken, die bis auf Sohlentiefen von 2000 m und tiefer Gestein fördern, treten zusätzliche Grenzen für den Hauer beim Bohren vor Ort auf. Die Umgebungstemperatur des Gesteins ist so hoch, dass der Wärmeinhalt von Luft nicht mehr ausreicht, um das Gestein genügend herunterzukühlen. Die Betreiber von solchen Bergwerken sind daher gezwungen, einerseits Kühlwasser von der Erdoberfläche zu den Abbauplätzen vor Ort zu bringen, das die Maschinen und durch Versprühen das Gestein kühlt, wobei ein Teil des Wassers verdampft, und andererseits Diesel- oder Elektromotoren als Energie­quellen für die Bohrhammer auf den Sohlen zu installie­ren; beides Massnahmen, die die Abbaukosten mit zunehmen­der Tiefe enorm ansteigen lassen.

[0004] Hier schafft die Erfindung Abhilfe. Sie hat die Aufgabe, das bei grossen Abbautiefen. von der Erdoberfläche zuge­führte Kühlwasser so auszunutzen, dass Staudruck und der vor Ort nowendige Kühl- und Spülwasserverbrauch ausrei­chen, um einen Bohrhammer anzutreiben.

[0005] Sie löst die Aufgabe mit einem hydraulischen Bohrhammer, indem ein mit dem Getriebe verbundenes Gleichdruck-­Turbinenrad durch mindestens einen Flüssigkeitsstrahl teilweise axial beaufschlagt ist, für den nach seiner Ablenkung am Austritt aus dem Turbinenrad eine Sammeldüse installiert ist, die als Mischstrecke Luft und Restwasser aus dem Turbinengehäuse absaugt und indem der Betrieb des Bohrhammers so erfolgt, dass in einem ersten Verfahrens­schritt ein Turbinenrad teilweise axial durch mindestens einen Flüssigkeitsstrahl teilbeaufschlagt wird, und dass die aus der Strahlumlenkung gewonnene Energie als Kraft­quelle für die Dreh- und Schlagbewegung eines Bohr­meissels verwendet wird, dass in einem zweiten Verfah­rensschritt Umgebungsluft über eine Ansaugöffnung mit Filter in das unter Unterdruck stehende Turbinengehäuse gebracht wird, dass in einem dritten Verfahrensschritt die kinetische Restenergie der durch das Turbinenrad ab­gelenkten Flüssigkeitsstrahlen dazu verwendet wird, nach dem Injektiorprinzip Luft und Restflüssigkeit aus dem Turbinengehäuse abzusaugen, durch Verzögerung auf niedri­gere Geschwindigkeit zu bringen und bei höherem Druck weiter zu transportieren, dass in einem vierten Verfah­rensschritt das unter mehrfachem Atmosphärendruck stehen­de Flüssigkeits-Luft-Gemisch in den Raum zwischen Bär und Bohrstange geführt wird, dass in einem fünften Verfah­rensschritt überschüssiges Flüssigkeits-Luft-Gemisch an die Umgebung abgegeben wird, dass in einem sechsten Ver­fahrensschritt ein federndes Luftpolster im oberen Teil des Raumes, der durch Bär und Bohrstange begrenzt ist, gebildet wird, das einen Teil der beim Zu- schlagen vom Bär verdrängten Flüssigkeit kurzzeitig aufnimmt, und dass in einem siebten Verfahrensschritt das Flüssigkeits-Luft-­Gemisch als Kühl- und Spülmedium durch die hohle Bohr­stange dem Bohrmeissel zugeführt wird, wobei sich Flüssigkeit zwischen den Stirnflächen des zuschlagenden Bärs und der Bohrstange befindet, die durch ihren Wider­stand beim Zusammenschlagen der Flächen die Länge des übertragenen Stossimpulses wesentlich vergrössert und eine grössere Leistungsübertragung ohne mechanische Schä­digung der Flächen ermöglicht.

[0006] Die Vorteile der Erfindung sind darin zu sehen, dass nur ein einziger Energieträger, nämlich das bei grossen Ab­bautiefen notwendige Kühlwasser, vor Ort geführt werden muss und dort sowohl als Antriebs- und Spülmedium für das Bohren, als auch als Kühlmedium für das Gestein verwendet wird. Durch die Verwendung eines Turbinenrades wird auf die von der Wasserqualität abhängige Funktion von Hoch­druckdichtungen verzichtet und ein offener Wasserkreis­lauf erreicht. Die Spülung des Bohrmeissels erfolgt zwangsläufig mit dem Antrieb des Turbinenrades. Das Was­ser durchläuft keine empfindlichen Regelorgane. Vorschub und Bohrantrieb können über ein einziges Einstellelement angesteuert werden.

[0007] Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungs­beispielen beschrieben.

Fig. 1a zeigt schematisch eine kinematische Verknüpfung zwischen Bohrstange und Antriebsturbine eines hydraulischen Bohrhammers, wobei die Federele­mente Schraubenfedern sind,

Fig. 1b zeigt schematisch einen Ausschnitt zu Figur 1a, in dem die Schraubenfedern durch Luftpolster beidseitig des als Kolben ausgebildeten Bärs er­setzt sind,

Fig. 2 zeigt schematisch den Ausschnitt eines Turbinen­rades mit einem schräg anspritzenden Flüssig­keitsstrahl und mit der Kontur einer Sammeldüse, die den aus dem Turbinenrad austretenden Flüssigkeitsstrahl auffängt und

Fig. 3 ist eine schematische Schnittzeichnung von einem Bohrhammer, der über ein Turbinenrad hydraulisch angetrieben ist, wobei mit der Restenergie des
Antriebsstrahls Flüssigkeit zur Spülung und Kühlung zum Bohrmeissel geführt wird.

[0008] In den Figuren ist ein hydraulisch angetriebener Bohr­hammer gezeigt, mit einem im Gehäuse 1 in Schlagrichtung beweglichen Führungskopf 14a,14b der die Schlagbewegung des Bärs 2a,2b führt, indem bis zum Aufprall auf die mit dem Bohrfutter 16 mitdrehende Bohrstange 15 der Bär 2a,2b über die Stossfeder 3a,3b mit dem Führungskopf 14a,14b verspannt ist und der Bewegung des Führungskopfes 14a,14b folgt. Die Bewegung des Führungskopfes 14a,14b ist in Abhängigkeit von der Zeit t in Fig. 1a angedeutet. Beim Aufprall geht die vom Getriebe 7 über Exzenter 12, den Pleuel 6 und den Lagerbolzen 8 auf den Führungskopf 14a,14b übertragene Bewegung weiter, indem die Stossfeder 3a,3b und die Rückstossfeder 4a,4b weiter komprimiert werden, wobei ein Kolben 5a oder Ausgleichsbohrungen 5b als Dämpfung und im Zusammenhang mit Ausgleichsräumen als Arbeitsspeicher wirken. Die Drehbewegung wird über eine Schnecke 11 im Getriebegehäuse 1a und eine Antriebswelle 13 auf das Bohrfutter 16 im Gehäuse 1d übertragen.

[0009] Erfindungsgemäss wird die Bewegung durch ein Turbinenrad 20 erzeugt, das mit einem Planetengetriebe 7 verbunden ist, dessen Planetenträger über Wälzlager 10 im Gehäuse 1, 1a gelagert ist. Der Planetenträger führt die Plane­tenräder mit dem Bolzen 9 und ist selbst als Exzenter 12 ausgebildet, wobei er Gegenmassen zur Exzentermasse be­sitzt, die einen Kräfteausgleich für die quer zur Stoss­richtung des Bärs 2a,2b beschleunigten Massen vom Exzen­ter 12 und Pleuel 6 bewirken. Das Turbinenrad 20 wird von einer Düse 24 mit einem Flüssigkeitsstrahl 25 beaufschla­gt, wobei der Flüssigkeitsstrahl 25 mit einer tangentia­len und einer axialen Komponente auf den Schaufeln 21 des Turbinenrades 20 auftrifft und mit einer tangentialen, einer axialen und einer radialen Komponente aus den Schaufeln 21 austritt. Die Austrittswinkel müssen empi­risch bestimmt werden, um eine in Strahlrichtung anzu­bringende Sammeldüse 26 mit nierenförmigem Querschnitt nach dem Injektorprinzip arbeiten zu lassen. Um Rückströ­mung zu verhindern, wird der Austrittsstrahl von einem eher runden Querschnitt auf einen Schlitzquerschnitt 27 im Grund der Sammeldüse 26 deformiert, den der mit Luft angereicherte Strahl vollständig ausfüllt. Im Anschluss an den Schlitzquerschnitt 27 findet eine diffusorähnliche Aufweitung zur Druckerhöhung in dem Führungskanal 28 statt, in welchem der volumetrische Luftanteil ca. 20 % beträgt. Der Führungskanal 28 kann als Kühlkanal ausge­bildet sein, der Wärme vom Bohrhammer abführt.Das Turbi­nenrad 20 ist im Bereich der Schaufelfüsse und im Bereich der Schaufeln 21 mit Ausnahme vom Ort des Eintretens und Austretens des Druckstrahls 25 axial mit einem Spiel von 0,3 mm gegen die Gehäusewand 1 und 1b versehen. Im weite­ren umgibt das Gehäuse die Turbinenschaufeln 21 radial im Winkelbereich des auftreffenden und die Schaufeln verlas­senden Druckstrahls 25 mit einer Gehäusezwischenwand 23 im Abstand von 0,3 mm. Der Eintrittsquerschnitt der Sam­meldüse 26 überlappt die Schaufeln 21 im Bereich der hinterschnittenen Schaufelfüsse und zieht durch den ent­standenen Spalt und die Bohrungen 22 im Turbinenrad 20 Luft ein, die durch eine Ansaugöffnung 19 mit Filter in das Turbinengehäuse 1b eintritt.

[0010] Der Ueberdruck des Flüssigkeits-Luft-Gemisches im Füh­rungskanal 28 beträgt ca. 1,5 bar. Die zur Spülung über­schüssige Menge des Gemisches wird über eine Blende im unteren Teil des Gehäuses abgeführt, damit sich im oberen Teil des Gehäuses 30 zwischen Bär 2a,2b und Bohrstange 15 ein Luftpolster 29 bildet, das kurzzeitig neben den all­gemein vorhandenen Luftblasen Flüssigkeit aufnimmt und die Wirkung eines Arbeitsspeichers hat, ohne dass der Druck bei der Verdrängung durch den Bär 2a,2b unnötig ansteigt. Die Gehäusezwischenwand 30 und das Gehäusezwi­schenstück 1c bilden ein Druckgefäss, das über die hohle Bohrstange 15 offen ist. Statische Weichdichtungen 17 und dynamische Weichdichtungen 18 gegenüber den bewegten Kör­pern sorgen für Dichtheit. Beim Zuschlagen von Bär 2a,2b bildet die Flüssigkeit vor der Berührung der Stirnflächen von Bär und Bohrstange 15 einen Übertragungswiderstand, der die Länge vom übertragenen Impuls vergrössert und zu einer grösseren Leistungsübertragung führt, ohne dass die Stirnflächen mechanisch beschädigt werden.

[0011] Ein Schlagen des Bohrhammers im Leerlauf, d.h. ohne Vor­schubkraft an seiner Aufhängung, wird verhindert, indem das Oeffnen der Zuleitung zur Düse 24 über das Vorhanden­sein oder Einstellen einer Vorschubkraft verriegelt ist, was Einsparungen am Wasserverbrauch und Schonung der Me­chanik bewirkt. Der Bohrbetrieb wird so über das Ein- und Ausstellen des Vorschubes erreicht und unterbrochen.

Ansprüche

1. Hydraulischer Bohrhammer mit einem in Schlagrichtung federnd abgestützten Bär (2a,2b), der einerseits über Federelemente (3a,3b,4a,4b) und Kolben mit einem Pleuel (6) und einem Kurbeltrieb von einem Untersetzungsgetriebe (7) kraftgekoppelt ist, und der andererseits auf eine axial bewegliche Bohrstange (15) aufschlägt, dadurch ge­kennzeichnet, dass ein mit dem Getriebe (7) verbundenes Turbinenrad (20) durch mindestens einen Flüssigkeits­strahl (25) teilweise axial beaufschlagt ist, für den nach seiner Ablenkung am Austritt aus dem Turbinenrad (20) eine Sammeldüse (26) installiert ist, die als MiscK­strecke Luft und Restwasser aus dem Turbinengehäuse (1b) absaugt.

2. Hydraulischer Bohrhammer nach Anspruch 1, dadurch ge­kennzeichnet, dass der Flüssigkeitsstrahl (25) beim Auf­treffen auf die Schaufelung (21) eine axiale Komponente von 40 bis 20 %, eine tangentiale Komponente von 80 bis 96 % und eine radiale Komponente von höchstens 15 % auf­weist.

3. Hydraulischer Bohrhammer nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinenrad (20) in seiner Radscheibe Durchbrüche (22) für den Luftdurch­tritt aufweist.

4. Hydraulischer Bohrhammer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinenrad (20) im Bereich der Schaufeln (21) und der Schaufelfüsse mit Ausnahme des Zuführ- und Abführbereiches für den Flüssig­keitsstrahl (25) axial mit engem Spiel vom Gehäuse umge­ben ist.

5. Hydraulischer Bohrhammer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeln (21) des Turbinenrades (20) im Bereich des Zuführens und Abführens des Flüssigkeitsstrahles (25) radial mit engem Spiel von einer Gehäusezwischenwand (23) umgeben sind.

6. Hydraulicher Bohrhammer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sammeldüse (26) mit wenig Spiel an der Kontur der Austrittsseite des Turbi­nenrades (20) anliegt, mit ihrem Eintrittsquerschnitt nierenförmig ausgebildet ist und die unterschiedlichen Austrittsorte des zugehörigen Druckstrahls (25) aus dem Turbinenrad (20) abdeckt, wobei die Austrittsorte, die dem Bereich der normalen Arbeitsdrehzahlen des Turbinen­rades (20) entsprechen, berücksichtigt sind.

7. Hydraulischer Bohrhammer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Sammeldüse (26) in Richtung der mittleren, aus dem Turbinenrad (20) austretenden Druckstrahlen zu einem schlitzförmigen Quer­schnitt (27) verjüngt derart, dass der Druckstrahl in seinem Querschnitt so deformiert wird, dass er unabhängig vom Austrittsort aus dem Turbinenrad (20) den engsten Schlitzquerschnitt (27) im Grund der Sammeldüse (26) vollständig ausfüllt.

8. Hydraulischer Bohrhammer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sammeldüse (26) mit ihrer Eintrittskante den Flüssigkeitsstrahl bei der höchsten Arbeitsdrehzahl gerade noch einfängt, und dass bei noch höheren Drehzahlen Stoss- und Stauverluste mit dem Auftreffen des Flüssigkeitsstrahl auf die Eintritts­kante der Sammeldüse (26) erzeugt werden, die unerwünsch­te Ueberdrehzahlen verhindern.

9. Hydraulischer Bohrhammer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sammeldüse (26) oder ein daran anschliessender Führungskanal (28) in Durchtrittrichtung nach dem engsten Schlitzquerschnitt (27) eine diffusorähnliche Querschnittsvergrösserung auf­weisen.

10. Hydraulischer Bohrhammer nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Planetengetriebe (7) zur Reduktion der Turbinendrehzahl eingesetzt ist, dessen Planetenträger als Exzenter (12) für den Kurbel­trieb mit Pleuel (6) ausgebildet ist, einen Massenaus­gleich für die zur Stossrichtung des Bärs (2a,2b) quer beschleunigten Massen vom Exzenter (12) und Pleuel (6) aufweist.

11. Hydraulischer Bohrhammer nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Raum zwischen Bär (2a,2b) und dem Aufnahmefutter (16) für die Bohrstan­ge (15) durch Gehäusewände und Dichtungen mit Ausnahme der Zulauf- und Ablauföffnungen abgedichtet ist.

12. Hydraulischer Bohrhammer nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Raum zwischen Bär(2a,2b) und dem Aufnahmefutter(16) in Arbeitsstellung des Bohrhammers oberhalb des Ausflusses zur Bohrstange(15) als Sack nach oben ausgebildet ist, in dem sich ein Luftpolster als Arbeitsspeicher bildet.

13. Hydraulischer Bohrhammer nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit im Führungskanal(28) oder eine davon später abgezweigte Überschussmenge zur Kühlung des Bohrhammers mitverwendet ist.

14. Verfahren zum Betreiben des hydraulischen Bohrham­mers, dadurch gekennzeichnet,
dass in einem ersten Verfahrensschritt ein Turbinenrad (20) teilweise axial durch mindestens einen Flüsigkeits­strahl (25) teilbeaufschlagt wird, und dass die aus der Strahlumlenkung gewonnene Energie als Kraftquelle für die Dreh- und Schlagbewegung eines Bohrmeissels verwendet wird,
dass in einem zweiten Verfahrensschritt Umgebungsluft über eine Ansaugöffnung (19) mit Filter in das unter Un­terdruck stehende Turbinengehäuse (1b) gebracht wird,
dass in einem dritten Verfahrensschritt die kinetische Restenergie der durch das Turbinenrad (20) abgelenkten Flüssigkeitsstrahlen (25) dazu verwendet wird, nach dem Injektorprinzip Luft und Restflüssigkeit aus dem Turbi­nengehäuse (1b) abzusaugen, durch Verzögerung in einem Diffusor auf niedrigere Geschwindigkeit zu bringen und bei höherem Druck weiter zu transportieren,
dass in einem vierten Verfahrensschritt das unter mehr­fachem Atmosphärendruck stehende Flüssigkeits-Luft-­Gemisch in den Raum zwischen Bär (2a,2b) und Bohrstange (15) geführt wird,
dass in einem fünften Verfahrensschritt überschüssiges Flüssigkeits-Luft-Gemisch an die Umgebung abgegeben wird,
dass in einem sechsten Verfahrensschritt ein federndes Luftpolster (29) im oberen Teil des Raumes, der durch Bär (2a,2b) und Bohrstange (15) begrenzt ist, gebildet wird, das einen Teil der beim Zuschlagen vom Bär (2a,2b) ver­drängten Flüssigkeit kurzzeitig aufnimmt,
und dass in einem siebten Verfahrensschritt das Flüssig­keits-Luft-Gemisch als Kühl- und Spülmedium durch die hohle Bohrstange (15) dem Bohrmeissel zugeführt wird, wobei sich Flüssigkeit zwischen den Stirnflächen des zu­schlagenden Bärs(2a,2b) und der Bohrstange(15) befindet, die durch ihren Widerstand beim Zusammenschlagen der Flä­chen die Länge des übertragenen Stossimpulses wesentlich vergrössert und eine grössere Leistungsübertragung ohne mechanische Schädigung der Flächen ermöglicht.

15. Hydraulischer Bohrhammer nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeitszu­leitung zur Düse (24) nur bei Vorhandensein oder mit Ein­stellen von einer Vorschubkraft für den Bohrhammer geöff­net ist.

Zeichnung