Bohrvorrichtung

Abstract

 Die Vorrichtung hat ein Drehwerk (1), ein Schlagwerk (3) und einen Vorschubantrieb (4) zum Antrieb und Vorschub einer Bohr­stange (2). Die Schlagfrequenz des Schlagwerkes (3) ist proportional zur Drehzahl des Drehwerks (1). Mit einem Ventil (44) wird die Vorschubkraft eingestellt. Eine variable Drossel (56) im Rücklauf des Vorschubantriebs (4) erzeugt einen zur Vorschubgeschwindigkeit proportionalen Staudruck. Der Stau­druck betätigt ein Proportionalventil (28), dass dem Dreh­werk (1) bei grösserer Vorschubgeschwindigkeit mehr Oel zu­führt. Damit gelingt eine optimale Anpassung der Drehzahl und Schlagfrequenz an den Vorschub und deshalb ein für unter­schiedliche Gesteinsarten optimaler Vortrieb. Die dargestellte Lösung minimiert zudem den Werkzeugverschleiss.

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gesteinsbohrvorrichtung für den Berg- und Tunnelbau in relativ weichem Gestein, wo Drehschlagbohrwerke vorteilhaft sind und Zonen unterschiedlicher Härte zu durchfahren sind. Solche Vorrichtungen haben ein Drehwerk zum Drehen der Bohrstange, ein Schlagwerk zum Schlagen der Bohrstange und einen Vorschubantrieb. Ueblicherweise kann bei bekannten Bohrvorrichtungen dieser Art die Drehzahl des Drehwerks, die Frequenz und Schlagleistung des Schlagwerks und der Vorschub eingestellt werden. Die Einstellung richtet sich nach der zu durchbohrenden Gesteinsart und gründet auf Er­fahrenswerten. Häufig kommt es aber vor, dass während des Vor­triebs unterschiedliche Gesteinsarten durchbohrt werden. Die eingestellten Werke werden dann für das härteste Gestein ge­wählt und sind für weichere Schichten nicht optimal, was zu geringen Vortriebsleistungen und erhöhtem Werkzeugverschleiss führt.

[0002] Eine Bohrvorrichtung gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der CH-A 657 664 bekannt. Diese Schrift beschreibt eine Schlag-Bohrvorrichtung mit einem Drehwerk, einem Schlagwerk und einem Vorschubantrieb. Um die Bohrleistung zu verbessern, wird der Steuerdruck auf ein Steuerventil von der Vorlauf­leitung des Vorschubantriebs entnommen. Damit gelingt zwar eine gewisse Anpassung der Schlagfrequenz an die Vorschub­leistung. Eine optimale Anpassung der Drehzahl und Schlag­frequenz an unterschiedliche Gesteinhärten ist damit aller­dings nicht erreichbar.

[0003] Aus der US-A-4 064 950 ist es an sich bekannt, dass es günstig ist, die Schlagfrequenz an die Drehzahl des Drehwerks anzu­passen. Dazu schlägt diese Schrift vor, Schlagwerk und Dreh­werk in Serie zu schalten. Diese Lösung hat sich allerdings nicht als günstig erwiesen, weil damit die Schlagleistung invers von der Leistung des Drehwerks abhängt.

[0004] In der US-A-4 246 973 und der US-A-4 356 871 sind weitere Bohrvorrichtungen beschrieben, in welchen der Druck zum Schlag­werk, der Druck zum Drehwerk und der Druck zum Vorschuban­trieb voneinander abhängen.

[0005] Beim Vorschlag gemäss EP-A-203 282 wird die Schlagfreuquenz von entweder dem Drehmoment des Drehwerks oder der Vorschub­kraft abhängig gemacht.

[0006] Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Bohrvorrichtung der eingangs genannten Art derart auszubilden, dass eine optimale Bohrleistung in unterschiedlichen Gesteins­ arten erreicht werden kann. Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

[0007] Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung an­hand der Zeichnung erläutert. Darin zeigt:

Fig. 1 ein Schema einer erfindungsgemässen Bohrvorrichtung,

Fig. 2 einen Schnitt durch eine variable Drossel, und

Fig. 3 einen Schnitt durch eine Variante der Drossel nach Fig. 2.

[0008] Die Arbeitsteile der Bohrvorrichtung sind in Fig. 1 nur schematisch angedeutet. Sie bestehen aus einem Drehwerk 1 zum Drehen einer Bohrstange 2, einem Schlagwerk 3 zum Schlagen der Bohrstange 2 sowie einem Vorschubantrieb 4 zum Vorschub der Bohreinrichtung 1, 2, 3. Die Vorrichtung hat zudem eine erste Steuer­einrichtung 5 zum Einstellen der Drehzahl des Drehwerks 1 und der Schlagfrequenz und Schlagleistung des Schlagwerks 3, sowie eine zweite Steuereinrichtung 6 zum Einstellen der Vor­schubkraft und -geschwindigkeit.

[0009] Das Drehwerk 1 besteht aus einem Hydromotor 10 mit einer Ab­triebswelle 11, die drehfest mit der Bohrstange 2 verbunden ist. Das Schlagwerk 3 besteht aus einem Schlagzylinder 12, in dem ein Schlagkolben 13 hin und hergetrieben wird. Der Schlagkolben 13 schlägt dabei gegen die hinter Stirnseite der Bohrstange 2, vorzugsweise über einen nicht dargestellten Amboss. Drehwerk 1 und Schlagwerk 3 sind in einem gemeinsamen, nicht dargestellten Gehäuse angeordnet, das zusätzlich einen Drehschieber 14 für die Steuerung des Schlagwerks 3 enthält. Der Drehschieber 14 wird über ein Getriebe 15 von der Welle 11 angetrieben. Durch diese Ausbildung ist die Schlagfrequenz exakt proportional zur Drehzahl des Drehwerkes 1. Dies hat sich für die optimale Anpassung von Drehzahl und Schlag­freuquenz an unterschiedliche Gesteinshärten als ausserordentlich günstig erwiesen. Die Bohrstange 2 macht zwischen zwei auf­einanderfolgenden Schlägen einen vorbestimmten Drehwinkel, der unabhängig ist von der Drehzahl. Um die Schlagleistung zu steigern und die Druckpulsationen in der Druckzufuhrleitung 16 und der Rücklaufleitung 17 zum Drehschieber 14 gering zu halten, sind in diesen Leitungen benachbart dem Drehschieber 14 Druckspeicher 18 angeordnet.

[0010] Zwischen Hydromotor 10 und Speiseleitung 21 sowie Rücklauf­leitung 22 ist ein vier/drei-Wege-Schaltventil 23 einge­schaltet, damit der Motor 10 rechts- oder linksläufig be­trieben werden kann. In den Leitungen 24, 25 zwischen Ventil 23 und Motor 10 ist je eine Parallelschaltung einer einstell­baren Drossel 26 und eines Rückschlagventils 27 angeordnet. Die Drosseln 26 wirken als Mengenregler und dienen zur Einstellung der Grunddrehzahl des Motors 10 für RECHTS- bzw. Linklauf. Normalerweise dreht der Motor 10 links, wobei die Leitung 24 auf die Speiseleitung 21 geschaltet ist. In dieser Leitung 24 ist parallel zum Ventil 23 und der Drossel 26 ein Proportional-­Regelventil 28 geschaltet. Das Ventil 28 öffnet entgegen der Kraft einer Feder 29 proportional zum Druck in seiner Steuer­leitung 30 und beaufschlagt daher den Motor 10 über die Bypass­leitung 31 mit zusätzlichem Hydrauliköl, so dass er proportional zum Druck in der Leitung 30 rascher dreht.

[0011] Der Vorschubantrieb 4 umfasst einen Hydraulikzylinder 35 mit einem Kolben 36 und einer Kolbenstange 37, die mit dem Gehäuse des Dreh- und Schlagwerks 1, 3 verbunden ist (nicht darge­stellt). Die beiden Kammern 38, 39 des Zylinders 35 sind über ein weiteres Vier/Drei-Wege-Ventil 40 mit einer weiteren Speiseleitung 41 und Rücklaufleitung 42 verbunden. In die Leitung 43 zwischen Ventil 40 und Vorschubkammer 39 ist ein doppelt pilotgesteuertes, mit einer einstellbaren Federkraft vorbelastetes Druckregelventil 44 geschaltet. Die beiden Pilotdrücke zum Ventil 44 sind mit den beiden Kammern 38, 39 verbunden. Durch das Ventil 44 kann damit beim Vorschub der Andruck der Bohrstange 2 auf einen einstellbaren Wert unab­hängig vom Druck in der Kammer 38 begrenzt werden. Die Leitung 45 zur Kammer 38 ist über ein Drei/Zwei-Wegeventil 46 in dessen erster Schaltstellung über einen einstellbaren Mengenregler 47 mit dem Ventil 40 verbunden. Der Mengenregler 47 begrenzt die Vorschubgeschwindigkeit. Beim Rücklauf des Kolbens 36 fliesst das Oel über einen Bypass 48, der zugleich über eine Pilotkammer 49 das Ventil 46 in die erste Stellung zurück schaltet.

[0012] In der zweiten Stellung des Ventils 46 ist die Leitung 45 über eine Verbindungsleitung 55 mit einer variablen Drossel 56 ver­bunden. Deren Abfluss 57 führt über ein einstellbares Druck­regelventil 54 zum Tank 58. Dieses Regelventil 54 hält auch bei geringem Durchfluss durch die Drossel 56 den Ansprech­druck des Proportionalregelventils 28 aufrecht. Die Steuer­leitung 30 ist an die Leitung 55 angeschlossen. Die Drossel 56 ist in Fig. 2 im Schnitt dargestellt. In einer zylindrischen Bohrung 61 eines Gehäuses 62 ist ein Plungerkolben 63 ver­schiebbar gelagert. Der Kolben 63 durchdringt eine scharf­kantige Blende 64 mit Gleitspiel. Die Blende 64 trennt im Ge­häuse 62 eine mit der Leitung 55 verbundene Eingangskammer 65 von einer mit der Leitung 57 verbundenen Ausgangskammer 66. In der Kammer 66 drückt eine Feder 67 gegen die Stirn­seite des Kolbens 63. Die Federvorspannung kann durch eine Schraube 68 eingestellt werden. In der Ruhestellung liegt der Kolben 63 hinten an einem Deckel 69 an. Der Kolben 63 hat zentralsymetrisch angeordnete, sich nach hinten zunehmend ver­tiefende, axiale Nuten 70 an seiner Umfangsfläche. Der Quer­schnitt der Nuten 70 nimmt mit dem axialen Abstand vom feder­seitigen Ende des Kolbens 63 zu. Damit nimmt der Drosselquer­schnitt stetig zu mit dem Hub des Kolbens 63, der seinerseits proportional zur Differenz des Drucks in den Kammern 65, 66 ist. Die Querschnittszunahme der Nuten 70 mit dem Hub des Kolbens 63 ist zweckmässig so ausgelegt, dass der sich in der Leitung 55 ausbildende Staudruck proportional zur Durch­flussmenge durch die Drossel 56 ist. Wenn auch das Ventil 28 linear öffnet, dann ist die Drehzahlzunahme des Hydromotors 10 proportional zur Vorschubgeschwindigkeit.

[0013] Versuche haben ergeben, dass bei nahezu linearer Abhängig­keit sowohl der Drehzahl des Drehwerks 1 als auch der Frequenz des Schlagwerk 3 von der Geschwindigkeit des Vorschubantriebs 4 eine über einen weiten Bereich der Gesteinhärte optimale Vorschubleistung erzielt werden kann. Dies ist analog zu der bereits früher festgestellten günstigen linearen Kopplung zwischen Drehzahl des Drehwerks und Schlagzahl des Schlag­werks. Dieselbe günstige Relation ist mit der vorliegenden Erfindung mit der dritten Variablen verknüpft.

[0014] Im Betrieb startet man ein Bohrloch auf der dargestellten Neutralstellung des Ventils 46. Am Druckregelventil 44 wird der für die härteste zu erwartende Gesteinsschicht des Bohrlochs optimale Andurck eingestellt. Auch die Ein­stellung der Drossel 26 richtet sich nach der härtesten zu erwartenden Gesteinsschicht. Hingegen ist der nur für das Anbohren massgebende Mengenregler 47 auf die optimale Vor­schubgeschwindigkeit für das zuerst zu durchbohrende Gestein eingestellt. Sobald das Bohrloch angebohrt ist, wird das Ventil 46 umgeschaltet. Wenn nun während des Bohrens die Bohrkrone auf weicheres Gestein stösst, erhöht sich wegen des konstanten Andrucks die Vorschubgeschwindigkeit. Damit steigt der Staudruck vor der variablen Drossel 56 und damit der Pilotdruck auf das Regelventil 28. Ueber die Bypassleitung 31 wird nun dem Motor 10 zusätzlich Oel zugeführt, so dass er rascher dreht und damit wegen des Getriebes 15 auch die Schlagfrequenz steigt. Drehzahl und Schlagfrequenz passen sich damit automatisch optimal an die Vorschubgeschwindig­keit an. Damit kann gleichzeitig auch der Werkzeugverschleiss minimiert werden. Mit zunehmender Schlagfrequenz sinkt auch die Energie des Einzelschlages, was beim Bohren in weichem Gestein erwünscht ist.

[0015] Durch die Schraube 68 kann der Beginn der Zuschaltung des Bypasses 31 eingestellt werden. Wenn auch eine Einstellung der Drehzahlabhängigkeit erwünscht ist, kann die Federkonstante der Feder 67′ variabel gestaltet werden, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist. Die Feder 67′ ist hier als Biegefeder ausge­bildet. Mit einem Schuh 73 kann hier die freie Länge der Feder 67′ und damit deren Federkonstante eingestellt werden. Der Schuh 73 ist durch eine Einstellschraube 74 verschiebbar.

Ansprüche

1. Bohrvorrichtung umfassend ein Drehwerk (1) zum Drehen einer Bohrstange (2), ein Schlagwerk (3) zum Schlagen der Bohrstange (2), einen Vorschubantrieb (4) für den Vor­schub von Drehwerk (1), Schlagwerk (3) und Bohrstange (2), eine erste Steuereinrichtung (5) zur Einstellung der Dreh­zahl des Drehwerks (1) und der Schlagfrequenz des Schlag­werks (3), sowie eine zweite Steuereinrichtung (6) zum Ein­stellen des Vorschubs, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Steuereinrichtung (6) ein Messelement (56) zum Messen der Vorschubgeschwindigkeit enthält, und dass das Messelement (56) mit der ersten Steuereinrichtung (5) derart verbunden ist, dass sich bei wachsender Vorschubgeschwindigkeit die Drehzahl des Drehwerks (1) und die Schlagfrequenz des Schlagwerks (3) erhöhen.

2. Bohrvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­zeichnet, dass das Schlagwerk (3) einen durch einen Schieber (14) gesteuerten Zylinder (12) mit einem Schlagkolben (13) und das Drehwerk (1) einen Fluidmotor (10) umfasst, dessen Abtiebswelle (11) über Getriebemittel (15) mit dem Schieber (14) gekoppelt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­zeichnet, dass der Vorschubantrieb (4) ein doppelt wirkendes Hydraulikzylinderaggregat (35,36) umfasst, und dass das Messelement ein Durchflussmesser (56) im Rücklauf der beim Vorschub auf Rücklauf geschalteten ersten Zylinderkammer (38) des Hydraulikzylinderaggregates (35,36) ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­zeichnet, dass in der Leitung (43) zu der der ersten Zylinder­kammer (38) gegenüberliegenden zweiten Zylinderkammer (39) ein einstellbares, mit der Druckdifferenz zwischen erster und zweiter Zylinderkammer (38,39) pilotgesteuertes Druck­regelventil (44) zum Einstellen einer von der Vorschub­geschwindigkeit unabhängigen Vorschubkraft angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch ge­kennzeichnet, dass der Durchflussmesser als variable Drossel (56) ausgebildet ist, die einen von der Durchflussmenge stetig abhängigen Staudruck erzeugt, und dass der Staudruck als Steuergrösse auf ein Regelventil (28) der ersten Steuerein­richtung (5) aufgeschaltet ist, wobei das Regelventil (28) mit zunehmendem Staudruck öffnet.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Speiseleitung (21,24) des Fluidmotores (10) ein Schaltventil (23) und eine einstellbare Drossel (26) ange­ordnet sind, und dass das Regelventil (28) in einem Bypass (31) über das Schaltventil (23) und die einstellbare Drossel (26) angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch ge­kennzeichnet, dass die zweite Steuereinrichtung (6) ein weiteres Schaltventil (46) enthält, welches den Rücklauf (45) von der ersten Zylinderkammer (38) wahlweise über eine weitere einstellbare Drossel (47) oder über die variable Drossel (56) leitet.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die variable Drossel (56) einen federbelasteten, mit der Druckdiffenrenz zwischen Ein- und Ausgang (65,66) der variablen Drossel (56) beaufschlagten Plunger-Kolben (63) enthält, der eine Blende (64) durchsetzt, und dass in der Oberfläche des Kolbens (63) mindestens eine sich in Achsrichtung des Kolbens (63) er­weiterende Nut (70) eingearbeitet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn­zeichnet, dass die Vorspannung und/oder die Federkonstante der den Kolben (63) belastenden Feder (67) einstellbar ist.

Zeichnung