Verfahren zur Durchführung von Erd- oder Gesteinsarbeiten und hydraulisches Schlagwerk

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchführung von Erdoder Gesteinsarbeiten, bei welchem Schläge von zwei hydraulisch angetriebenen Arbeitskolben auf einen Amboß ausgeübt werden, sowie ein hydraulisches Schlagwerk zur Durchführung solcher Erd- und Gesteinsarbeiten.

[0002] Unter Erd- und Gesteinsarbeiten sind das Bohren in Erdreich oder Gestein, insbesondere das Schlagbohren zu verstehen, unter anderem auch das Überlagerungsbohren mit Innenrohrgestänge und Außenrohrgestänge sowie auch der Betrieb von Felsbrechern, bei dem ein Arbeitswerkzeug in Form eines Meißels durch Schläge in felsiges Gestein vorgetrieben wird, um dies aufzubrechen.

[0003] Bekannt sind hydraulische Schlagwerke, mit denen auf das Einsteckende eines Rohrgestänges zum Bohren oder auf den Meißel eines Felsbrechers geschlagen wird. Die Effektivität eines derartigen Schlagwerks hängt von der Einzelschlagenergie und der Schlagfrequenz ab. Eine hohe Einzelschlagenergie wird erreicht, wenn der Arbeitskolben des Schlagwerks eine hohe Masse hat. Zur Beschleunigung solcher Massen werden hohe Drücke benötigt. In der Praxis beträgt die Masse des Arbeitskolbens mehrere kg und der Kolbenhub beträgt z.B. 35 mm. Typische Kolbengeschwindigkeiten sind 7 bis 11 m/sec. Die erreichbare Schlagfrequenz beträgt zwischen 250 und 3500 Schläge/min. Soll die Einzelschlagenergie vergrößert werden, wird in der Regel die Masse des Arbeitskolbens vergrößert, was jedoch in der Regel eine Verringerung der Schlagfrequenz zur Folge hat.

[0004] Aus DE 43 43 589 C1 ist ein fluidbetätigter Schlaghammer bekännt, bei dem der Arbeitskolben von einem Steuerkolben gesteuert ist und Schläge auf das Einsteckende eines Bohrgestänges ausübt. Um beim Zurückziehen des Bohrgestänges das Bohrgestänge freizuschlagen, ist ein Rückschlagkolben vorgesehen, der Schläge auf eine der Amboßfläche entgegengerichtete Gegenschlagfläche des Einsteckendes ausübt. Hierbei wird der Rückschlagkolben nur dann eingeschaltet, wenn der Arbeitskolben stillgesetzt ist.

[0005] In US-A-5 647 445 ist ein Tieflochhammer beschrieben, der zwei Ambosse aufweist, die fest mit einer Bohrkrone verbunden sind. Zu jedem Amboss gehört ein Kolben, der Schläge auf den Amboss ausübt. Die Kolben sind von Ventilen derart gesteuert, dass sie gemeinsam angehoben werden und anschließend den nach unten gerichteten Arbeitshub gleichzeitig ausführen. Wenn der obere Kolben auf den oberen Amboss schlägt, setzt der untere Kolben seine Abwärtsbewegung fort bis er auf den unteren Amboss schlägt. Die Schläge der beiden Kolben erfolgen zeitlich nahe beieinander.

[0006] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Durchführen von Erd- oder Gesteinsarbeiten und ein hydraulisches Schlagwerk zu schaffen, um eine höhere Effektivität der Schlagbearbeitung zu erhalten, d.h. einen erhöhten Bohrvortrieb oder eine erhöhte Brechleistung (beim Felsbrechen).

[0007] Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und bei dem erfindungsgemäßen hydraulischen Schlagwerk mit den Merkmalen des Patentanspruchs 3. Es sind mindestens zwei Arbeitskolben vorgesehen, die Schläge in gleicher Richtung auf den Amboss ausüben. Der Amboss wird also von zwei Arbeitskolben beaufschlagt, wobei infolge der unabhängigen Steuerung der Arbeitskolben die Schläge der Arbeitskolben im Allgemeinen zeitlich zueinander versetzt sind. Dabei entsteht eine erhöhte Schlagfrequenz, ohne dass die Einzelschlagenergie durch Verringerung der Kolbenmasse verringert wäre.

[0008] Die beiden Arbeitskolben laufen unabhängig voneinander und mit unterschiedlichen Frequenzen. Dabei wird davon ausgegangen, dass normalerweise die Schläge der Arbeitskolben zeitlich zueinander versetzt sind und nur zu bestimmten Zeitpunkten zufällig die Schläge beider Arbeitskolben zusammenfallen.

[0009] Die Erfindung ermöglicht eine hohe Schlagzahl (Schlagfrequenz), wodurch beim Bohren das Bohrgestänge in ständiger Bewegung (Vibration) gehalten wird. Da die meisten Böden einen körnigen Anteil enthalten, der durch die hohe Schlagzahl in Bewegung gerät, ergibt sich beim Schlagbohren ein sehr hoher Bohrvorschub. Außerdem können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Prellschläge verhindert werden, die entstehen, wenn ein Schlag auf eine im Bohrgestänge rücklaufende Stoßwelle trifft. Durch die hohe Schlagzahl wird der nächste Schlag immer schon dann ausgeübt, wenn die rücklaufende Welle noch nicht am rückwärtigen Ende angekommen ist.

[0010] Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden die auf den Amboss wirkenden Schläge von verschiedenen Arbeitskolben ausgeübt. Die Arbeitskolben haben vorzugsweise im wesentlichen gleiche Massen. Dies bedeutet, dass die Abweichung der Massen maximal 10 % beträgt. Die Massen können sich jedoch auch in höherem Maße voneinander unterscheiden, wobei allerdings die Masse des leichteren der Arbeitskolben nicht geringer als zwei Drittel, vorzugsweise nicht geringer als drei Viertel, der Masse des schwereren Arbeitskolbens ist.

[0011] Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.

[0012] Es zeigt:

Fig. 1

eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform des Schlagwerks mit unabhängig voneinander gesteuerten Arbeitskolben.

[0013] Bei dem Ausführungsbeispiel besteht der Amboß 10 aus dem Einsteckende einer Bohrvorrichtung, wobei das Einsteckende mit einem (nicht dargestellten) Rohrstrang verbunden ist, der am vorderen Ende eine Bohrkrone trägt. Das Einsteckende ist mit einem Keilwellenabschnitt 11 versehen, in den ein (nicht dargestellter) Drehantrieb eingreift, um das Einsteckende zu drehen, wodurch auch das Rohrgestänge gedreht wird.

[0014] Der Amboß 10 weist an seinem stirnseitigen Ende eine erste Amboßfläche 12 und im Abstand davon eine ringförmige zweite Amboßfläche 13 auf. Von der Amboßfläche 13 steht ein Schaft 14 nach hinten ab. Am Ende des Schaftes 14 befindet sich die erste Amboßfläche 12.

[0015] Gemäß Fig. 1 schlägt auf die erste Amboßfläche 12 ein erster Arbeitskolben AK1, der in einem Arbeitszylinder AZ1 verschiebbar ist. Die Steuerung des Arbeitskolbens AK1 erfolgt durch einen Steuerkolben SK1, der in einem Steuerzylinder SZ1 verschiebbar ist. Der Steuerkolben SK1 ist eine hohle Steuerhülse, während der Arbeitskolben AK1 ein voller Kolben ist.

[0016] Durch den Steuerzylinder SZ1 führt eine Hochdruckleitung HD, über die Hydraulikmedium mit hohem Druck zugeführt wird. Das Hydraulikmedium füllt auch den hohlen Innenraum des Steuerkolbens SK1. Von dem Steuerzylinder SZ1 führt eine Hochdruckleitung 15 zum vorderen Ende des Arbeitszylinders AZ1. An dem Steuerzylinder SZ1 ist eine Ringnut 16 vorgesehen, von der eine Steuerleitung 17 zum rückwärtigen Ende des Arbeitszylinders AZ1 führt. Die Ringnut 16 gelangt abwechselnd über radiale Bohrungen 18 des Steuerkolbens SK1 mit dem Hochdruck und über eine Steuernut 19 an der Außenseite des Arbeitskolbens SK1 mit dem Rücklauf RL in Verbindung. Die Steuernut 19 befindet sich ständig im Bereich einer mit dem Rücklauf RL verbundenen Ringnut 20 des Steuerzylinders SZ1. Vom Arbeitszylinder AZ1 führt eine Rücklaufleitung 21 zur Ringnut 20.

[0017] Ferner führt vom Arbeitszylinder AZ1 eine Steuerleitung 22 zum Steuerzylinder SZ1. Die Steuerleitung 22 ist mit der Hochdruckleitung 15 verbunden, wenn der Arbeitskolben AK1 sich in der (in Figur 1 dargestellten) Rückzugsposition befindet, und sie ist mit der Rücklaufleitung 21 verbunden, wenn der Arbeitskolben AK1 sich beim Aufschlagen auf die Amboßfläche 12 in der vorderen Endstellung befindet. Dieses Umsteuern des Steuerkolbens durch den Arbeitskolben bewirkt ein Bund B1 des Arbeitskolbens. Ein weiterer Bund B2 des Arbeitskolbens begrenzt den rückwärtigen Zylinderraum, in den die Steuerleitung 17 hineinführt.

[0018] Der Antrieb des Arbeitskolbens AK1 bei einem nach vorne gerichteten Arbeitshub erfolgt dadurch, dass durch die Steuerleitung 17 Hochdruck auf die Steuerfläche SF1 einwirkt. Die der Steuerfläche SF1 entgegengerichtete Steuerfläche SF2 ist kleiner als die Steuerfläche SF1. Die Steuerfläche SF2 ist ständig dem Hochdruck ausgesetzt. Beim Rückhub ist die .Steuerfläche SF1 drucklos, so dass der Arbeitskolben AK1 zurück bewegt wird. Beim Arbeitshub überwiegt die auf die größere Steuerfläche SF1 ausgeübte Kraft die auf die kleinere Steuerfläche SF2 ausgeübte Gegenkraft.

[0019] Die Steuerleitung 22 steuert die Bewegung des Steuerkolbens SK1, indem ihr Druck auf die Steuerfläche SF3 wirkt. Der Steuerkolben SK1 ist hydraulisch in Richtung nach links vorgespannt, also in diejenige Stellung, die dem Rückhub des Arbeitskolbens AK1 entspricht. Wenn jedoch über die Steuerleitung 22 auf die Steuerfläche SF3 der Hochdruck wirkt, wird der Steuerkolben SK1 in die dargestellte (rechte) Position verschoben, in der er den Arbeitshub oder Schlaghub des Arbeitskolbens AK1 bewirkt.

[0020] Die bis jetzt beschriebene Vorrichtung ist bekannt. Erfindungsgemäß ist zusätzlich ein zweiter Arbeitskolben AK2 vorgesehen, der hohl bzw. rohrförmig ausgerichtet ist und auf die ringförmige Amboßfläche 13 schlägt. Der Arbeitskolben AK2 ist grundsätzlich an seiner Außenfläche in gleicher Weise ausgebildet wie der Arbeitskolben AK1. Er weist zwei entgegengerichtete Steuerflächen SF1 und SF2 auf, von denen die Steuerfläche SF2 ständig dem Hochdruck ausgesetzt ist, während der Druck, der auf die Steuerfläche SF1 wirkt, durch den Steuerkolben SK2 verändert wird. Der Steuerkolben SK2 steuert über die Steuerleitung 17a den Arbeitskolben AK2 und der Arbeitskolben AK2 steuert über die Steuerleitung 22a den Steuerkolben SK2. Der Steuerkolben SK2 ist in gleicher Weise ausgebildet wie der Steuerkolben SK1. Er ist ebenfalls an die Hochdruckleitung HD und die Rücklaufleitung RL angeschlossen.

[0021] Die Massen der beiden Steuerkolben AK1 und AK2 sind annähernd gleich groß. Die Masse eines jeden Kolbens beträgt zwischen 8 und 30 kg. Der Kolbenhub der Arbeitskolben beträgt etwa 35 mm und die Arbeitsfrequenz der Arbeitskolben beträgt bis zu 3500 Schläge/min.

[0022] Jeder Arbeitskolben hat seinen eigenen Steuerkolben. Die Bewegungen der Arbeitskolben sind daher nicht synchronisiert. Da nicht anzunehmen ist, dass beide Arbeitskolben exakt mit der gleichen Frequenz betrieben werden, ergeben sich unregelmäßige Schlagfolgen.

[0023] Die beiden Hochdruckleitungen HD in Figur 1 können entweder an dieselbe Hochdruckquelle oder auch an unterschiedliche Hochdruckquellen angeschlossen werden. Es ist somit möglich, beide Arbeitskolben und die zugehörigen Steuerkolben mit unterschiedlich hohen Drücken zu betreiben. Die unterschiedlichen Druckquellen können auch für unterschiedliche Ölmengen ausgelegt sein.

Ansprüche

1. Verfahren zum Durchführen von Erd- oder Gesteinsarbeiten, bei welchem von mindestens zwei hydraulisch angetriebenen, gleichzeitig betriebenen Arbeitskolben (AK1,AK2) Schläge in gleicher Richtung auf einen Amboss (10) ausgeübt werden,
dadurch gekennzeichnet,
dass sämtliche Arbeitskolben (AK1,AK2) voneinander unabhängig gesteuert sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitskolben (AK1,AK2) mit im wesentlichen gleichen Schlagfrequenzen synchron betrieben werden.

3. Hydraulisches Schlagwerk für Erd- und Gesteinsarbeiten, mit mindestens zwei gleichzeitig hydraulisch betreibbaren Arbeitskolben (AK1,AK2), die Schläge in gleicher Richtung auf einen mit einem Arbeitswerkzeug verbundenen Amboss (10) ausüben, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Arbeitskolben (AK1,AK2) mit einem eigenen Steuerkolben (SK1,SK2) zusammenwirkt.

4. Schlagwerk nach Anspruch 3, wobei die Massen der Arbeitskolben (AK1,AK2) im wesentlichen gleich sind.

5. Schlagwerk nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Masse des leichteren Arbeitskolbens nicht weniger als 75 %, vorzugsweise nicht weniger als 65 %, der Masse des schweren Arbeitskolbens beträgt.

Claims

1. Method for performing ground or rock work, wherein impacts are exerted by a hydraulically driven working piston in the same direction on an anvil (10), using at least two simultaneously operated working pistons (AK1, AK2)
characterized in that
all working pistons (AK1, AK2) are controlled independent from each other.

2. The method of claim 1, wherein the working pistons (AK1, AK2) are operated synchronously at substantially equal percussion rates.

3. Hydraulic percussion device for ground and rock work, comprising at least two working pistons (AK1, AK2) adapted for simultaneous hydraulic operation and exerting impacts in the same direction on an anvil (10) connected to a working tool, characterized in that each working piston (AK1, AK2) cooperates with a control piston (SK1, SK2).

4. The percussion device of claim 3, wherein the masses of the working pistons (AK1, AK2) are substantially equal.

5. The percussion device of claim 3 or 4, wherein the mass of the lighter working piston is not less than 75%, preferably not less than 65%, of the mass of the heavier working piston.

Revendications

1. Procédé pour travailler le sol ou la pierre, dans lequel on applique des coups dans une même direction sur une enclume (10) au moyen d'au moins deux pistons de travail (AK1, AK2) à entraînement hydraulique actionnés simultanément, caractérisé en ce que tous les pistons de travail (AK1, AK2) sont commandés indépendamment l'un de l'autre.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les pistons de travail (AK1, AK2) sont actionnés de manière synchrone avec sensiblement les mêmes fréquences de percussion.

3. Outil de percussion hydraulique pour travailler le sol et la pierre, avec au moins deux pistons de travail (AK1, AK2) pouvant être actionnés simultanément par voie hydraulique, qui appliquent des coups dans une même direction sur une enclume (10) reliée à un outil de travail, caractérisé en ce que chaque piston de travail (AK1, AK2) coopère avec un piston de commande (SK1, SK2) qui lui est propre.

4. Outil de percussion selon la revendication 3, dans lequel les masses des pistons de travail (AK1, AK2) sont sensiblement égales.

5. Outil de percussion selon la revendication 3 ou 4, dans lequel la masse du piston de travail le plus léger ne vaut pas moins de 75 %, de préférence pas moins de 65 %, de la masse du piston de travail le plus lourd.

Zeichnung