DE2518240C2 - Hydraulisches Schlagwerk für ein Werkzeug - Google Patents

Description

einer Zuflußöffnung (350, 336) und einer Abflußöffnung (362, 338), welche in axialem Abstand in der Gehäusebohrung (308) vorgesehen sind, und aus

einem axial beweglichen Ventilelement (340) besteht das vom Schlagkolben (310) in der Gehäusebohrung (308) geführt mit einem durch zwei Anschlagflächen an Ringbunden (342,344) des Kolbens bestimmten Axialspiel gegenüber dem Kolben so begrenzt bewegbar ist,

daß die Abflußöffnung (j62, 33fe/ zeitlich kürzer geöffnet ist als die Zuffußöffnung (350, 338) während des Arbeitsspiels des Kolbens.

2. Schlagwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilelemeni (340) ein zur Gehäusebohrung (308) koaxiales, hülscnförmigcs Element ist. das den Schlagkolben (310) umfaßt und frei in der Bohrung (308) über die Zufluß- und die Abflußöffnung (336 bzw. 338) gleitbar angeordnet ist.

3. Schlagwerk nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Zufluß- und die Abflußöffnung (336 bzw. 338) von getrennten Umfangsnuten in der hinteren Kammer (330) gebildet sind, die durch das hülsenförmige Element (340) geöffnet und geschlossen werden.

4. Schlagwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Energiespeicher (354) des unter Druck stehenden Strömungsmittels an die Zuflußöffnung (336) in der hinteren Kammer (330) und an die Zuflußöffnung (348) der vorderen Kammer (332) anschließbar ist.

5. Schlagwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der hinteren Kammer (330) bei offener Abflußöffnung (338) ein zweiter Energiespeicher (366) zugeordnet ist.

6. Schlagwerk nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet daß es sich bei dem Energiespeicher um einen Zweikammermembranspeicher handelt.

Die Erfindung betrifft ein hydraulisches Schlagwerk für ein Werkzeug mit einem eine Bohrung aufweisenden Gehäuse, mit einem in der Bohrung hin- und herbewegbaren Schlagkolben mil gegenüberliegenden, unterschiedlich eroßen Stirnflächen, mit zwei diesen Stirnflächen im Gehäuse zugeordneten Kammern, deren Volumen sich beim Bewegen des Kolbens entgegengesetzt ändert, und mit einem Ventilmechanismus, wobei der Schlagkolben durch in die Kammern geleitete Hydraulikflüssigkeit bewegbar ist und seine Hin- und Herbewegung durch die von dem Ventilmechanismus beeinflußte Flüssigkeitszufuhr steuerbar ist

Bei einem bekannten derartigen Schlagwerk Ux ein Werkzeug (US-PS 33 22 210) ist ein Schieberventil in Form eines zylindrischen Rohrschiebers vorgesehen, der nicht in der den Schlagkolben aufnehmenden Bohrung angeordnet ist über den jedoch mit den Kammern kommunizierende Hoch- und Niederdrucköffnungen bei der Bewegung des Schlagkolbens geöffnet und geschlossen werden. Das Ventilelement ist somit außerhalb der Kammern angeordnet und steht mit dem Schlagkolben nicht in Berührung, d. h. es kommt im Verlauf seiner Bewegungsbahn nicht mit Zufluß- und Abflußöffnungen am Umfang einer Kammer in Wechsclwirkung. Das Ventilelement reagiert auf eine Verminderung des die Kolbenfläche am äußersten Ende des Rückhubes beaufschlagenden Druckes, wobei für einen Anschluß des Niederdruckkanals in einer mittigen Stellung in der Kammer gesorgt wird und damit die Bedingungen für einen Vorwärtshub des Schlagkolbens bestimmt werden. Das Ventilelement des Schlagwerkzeugs bewegt sich somit nur am Ende der Hälfte des Bewegungsablaufes des Schlagkolbens, um einen Wechsel hinsichtlich des offenen bzw. geschlossenen Zuslandes der Öffnungen der Kammern zu bewirken.

Bekannt ist weiterhin ein durch ein Strömungsmittel selbsttätig hin- und herbewegbarer Stellantrieb (US-PS 27 49 886), bei dem das Vcntilelemcnt nicht vollkommen in der eine Zufluß- und eine Abflußöffnung aufwciscn-

j5 den Kammer enthalten ist. Das Veniilclcmenl steht nicht in unmittelbarem Kontakt mit dem Schlagkolben, sondern wird vielmehr von einer Feder gesteuert, deren Spannkraft zwangsläufig für die Übertragung einer Beaufschlagung von Vcntilplatien gegen einen AnsaS/. dcrart sorgt, daß ein kugelförmiges Element aus einer ringförmigen Nut gestoßen wird, worauf sich das Ventilelement nur ganz am Ende des Vorhubs des Schlagkolbens vorwärts bewegt. Die Abflußöffnung des Stellantriebs ist während 50% des Bewegungsablaufes des Schlagkolbens geöffnet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein hydraulisches Schlagwerk gemäß der eingangs erwähnten Art so zu gestalten, daß bei gegenüber dem Stand der Technik kompakterem Aufbau für einen gesteigerten Wirkungsgrad des Schlagwerks durch eine Verringerung der Strömungsmittelschwankungen gesorgt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Ventilmechanismus in der hinteren Kammer angeordnet ist, wobei er aus einer Zuflußöffnung und einer Abflußöffnung, welche in axialem Abstand in der Gehäusebohrung vorgesehen sind, und aus einem axial beweglichen Ventilelcmcnt besieht, das vom Schlagkolben in der Gehäusebohrung geführt mit einem durch zwei Anschlagflächen an Ringbunden des Kolbens be-

tin stimmten Axialspiel gegenüber dem Kolben so begrenzt bewegbar ist. daß die Abflußöffnung zeitlich kürzer geöffnet ist als die Zuflußöffnung während des Arbeitsspiels des Kolbens.

Vorteilhafterweise ist das Ventilelement ein zur Gc-

b5 häusebohrung koaxiales, hülsenförmiges Element, das den Schlagkolben umfaßt und frei in der Bohrung über die Zufluß- und die Abflußöffnung gleitbar angeordnet ist.

Die Zufluß- und Abflußöffnungen können von getrennten Umfangsnuten in der hinteren Kammer gebildet sein, die durch das hülsenförmige Element geöffnet und geschlossen werden. Ein erster Energiespeicher des unter Druck stehenden Strömungsmittels ist an die Zuflußöffnung in der hinteren Kammer und an die Zuflußöffnung der vorderen Kammer anschließbar. Der hinteren Kammer ist bei offener Abschlußöffnung ein zwciicr l-ucrgicspcichvr zugeordnet. Bei den Energiespeiehern kann es sich um Zweikammermembranspeicher handeln.

Während der Bewegung des Schlagkolbens über eine Strecke, die dem Kolbenhub minus Axialspiel des das Vcntilclcmeni bildenden hülsenförmigen Elements auf dem Schlagkolben zwischen den beiden gegenüberliegcnden Ringflächen der beiden Ringbunde des Schlagkolbens entspricht, wobei der Kolbenhub durch den hinteren Anschlag des Schlagkolbens, Bund an der Einsatzhülse, und durch den vorderen Anschlag des Schlagkolbens, Ringfläche des mittleren Abschnitts des Schlagkoibens an der vorderen Stirnwand der vorderen Kammer, bestimmt wird, werden die Zuflußöffnung geöffnet und die Abflußöffnung geschlossen und umgekehrt

Die Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Schlagwerkzeugs ist geprägt von dem funktioneilen Zusammenhang

1) der Länge des als Ventilelement dienenden hülsenförmigen Elements,

2) der Abstände der Bundflächen des Schlagkolbens jo und der Ringöffnungen der Bohrung,

3) den Zufuhr- und Abfuhrmengen bei verschiedenem Druck in dem hydraulischen Strömungsmittel und

4) der Zeit eines Arbeitsspiels des Schlagkolbens.

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Das erfindungsgemäße hydraulische Schlagwerk eignet sich besonders zur Verwendung beim Gesteinsbohren. Setzen von Pfählen, bei Abbruch- und Gesteinsaufbrucharbeiten, im Bauwesen, in Bergwerken und dergleichen sowie für kleinformatige Gesteinsbohrer mit hohem Wirkungsgrad zum Einsatz im Bauwesen und im Bergbau. Weiterhin ist das erfindungsgemäße hydraulische Schlagwerk nützlich in Zusammenwirkung mit Vorrichtungen, bei denen starke Schlagkräfte bei hoher Wiederholungsfrequenz mit hohem Wirkungsgrad erzeugt werden sollen, und es lassen sich mit ihm eine verbesserte Leistungsfähigkeit bei jeder Einsatzart erreichen, bei der es auf Schlagenergie bei hohen Leislungswerten ankommt.

Da beim erfindungsgemäßen Schlagwerk für ein öffncn der Zuflußöffnung über eine Zeitspanne gesorgt wird, die langer als die Öffnungszeit der Abflußöffnung während jedes Bewegungsablaufs des Schlagkolben ist, wird ein weitaus effektiverer Betrieb des hydraulischen Schlagwerks als beim Stand der Technik möglich.

Das erfindungsgemäße hydraulische Schlagwerk wird nun anhand der Zeichnungen erläutert. In diesen sind

F i g. 1 eine Teildraufsicht des erfindungsgsrnäßen hydraulischen Schlagwerks für ein Werkzeug,

F i g. 2 Kurven, die die Bewegungs- und Strömungseigenschaften des in F i g. 1 dargestellten hydraulischen Schlagwerks für ein Werkzeug zeigen.

Fig. 1 zeigt ein Schlagwerk mit einem eine Bohrung 308 aufweisenden Gehäuse 300, wobei die Bohrung 308 von einer Hülse 302 irr. Gehäuse 300 sowie von den Zusammenbau erleichternden Einsatzhülsen 304 und 306 begrenzt wird. In der Bohrung 308 ist ein Schlagkolben 310 durch eine Hydraulikflüssigkeit in Achsrichtung hin- und herbewegbar. Ein Werkzeugschaft 312, für den eine bekannte Drehmechanik vorgesehen sein kann, ist in eine Einstecköffnung an der vorderen Seite des Schlagwerks einführbar und weist eine Schlagfläche 314 auf, die mit dem vorderen Ende 316 des Schlagkoibens 310 in Eingriff kommt.

Der Schlagkolben 310 übt wie ein Hammer beim Auftreffen auf den Wcrk/.eugschafl 312 Schlagkräfte aus. Der Werkzeugschaft 312 kann mi! einem Bohrslahl und einem Bohrer verbunden sein, um Löcher in eine Formation — beispielsweise bei Bau-, Bergbau- oder Steinbrucharbeiten — einzubringen.

Der Schlagkolben 310 weist einen mittleren Abschnitt 320 auf, dessen Durchmesser größer ist als der eines oberen Abschnitts 324 des Schlagkolben 310.

Ein unterer Abschnitt 322 des Schlagkolbens 310 hat einen größeren Druchmesser als der obere Abschnitt 324 des Schlagkoibens 310, so daß gegenüberliegende Stirnflächen 326 und 328 des mittleren Abschnitts 320 einer hinteren Kammer 330 und einer - .,rderer, Kammer 332 einen größeren Flächeninhalt bzw. einen kleineren Flächeninhalt darbieten. Die vordere Stirnwand der hinteren Kammer 330 und die hintere Stirnwand der vorderen Kammer 332 werden jeweils von der Stirnfläche 326 b7w. 328 des mittleren Abschnitts 320 des Schlagkolbens 310 gebildet. Auch wenn die Flächen 326 und 328 stufenmäßig gestaltet dargestellt sind, lassen sich auch anders gestaltete Grenzflächen ausführen. Die hintere Kammer320 stellt eine Vorhubkam;ncr mit großer Stirnfläche für den Schlagkolben dar und enthält einen Ventilmechanismus 334, der aus einer Zuflußöffnung 336, einer Abflußöffnung 338, die in axialem Abstand in der Gehäusebohrung 308 vorgesehen sind, und aus einem axial bewegiichen Ventilelement 340 besteht, das ein zur Gehäusebohrung 308 koaxiales, hülsenförrniges Element ist, das den Schlagkolben 310 umfaßt und in der Bohrung 308 über die Zufluß- und die Abflußöffnung frei gleitbar angeordnet ist. Das Ventileleinent 340 ist vom Schlagkolben 310 in der Gehäusebohrung 308 geführt mit einem durch zwei Anschlagflächen an Ringbundei. 342 und 344 des Schlagkolbens 310 bestimmten Axialspiel gegenüber dem Schlagkolben 310 so begrenzt bewegbar, daß die Abflußöffnung 338 seitlich kürzer geöffnet ist als die Zuflußöffnung 338 während des Arbeitsspiels des Schlagkolbens 310. Der Kolbenhub ist somit durch den hinteren Anschlag des Schlag: koibens 310 — Ringbund 342 an Einsatzhülse 304 — und durch den vorderen Anschlag des Schlagkolbens 310 — Ringfläche 328 des Abschnitts 320 an vorderer Stirnwanddervorderen Kammer332 — bestimmt.

Die Zufluß- und die Abflußöffnung 336 und 338 sind von getrennten Umfangsnuten in der Innenwand der Bohr-ing 3OS in der hinteren Kammer 330 gebildet. Die gegenüberliegenden Kanten des Ventilelements 340 bilden Verschlußkanten, iJie ein Verschließen bzw. öffnen entlang des gesamten Umfangs gestatten. Das Ventilelement 340 weist !ausgerichtete Kanäle 346 auf.

Die vordere Kammer 332 stellt eine Rückhubkammer mit kleiner Stirnfläche unter Dauerdruck dar und steht mit der Zuflußöffnung 336 in der hinleren Kammer 330 über eine Zuflußöffnung 348 der vorderen Kammer jnd einer weiteren seitlichen Zuflußöffnung 350 mit einer Umfangsgalerie 352 in Strömungsverbindung, die sich zwischen ihnen erstreck·. Die Umfangsgaierie 352 steht über eine große seitliche öffnung 356 und eine Vielzahl Kanäle 358 in der zur öffnung 356 benachbarten Wand eines ersten Energiespeichers 354 eines unter Druck stehenden Strömungsmittels mit diesem ersten Energie-

speicher 354 in Strömungsverbindung.

Eine weitere Umfamgsgalerie 366 umfaßt das obere Ende der hinteren Kummer 330, steht über eine seitliche Abflußöffnung 362 in Strömungsverbindung mil der Abflußöffnung 338 der hinteren Kammer 330 und ist über eine große öffnung 364 an einen zweiten Energiespeicher 366 des unter Druck stehenden Strömungsmittels angeschlossen, und zwar über eine Vielzahl Kanäle 368 in der zur öffnung 364 benachbarten Wand des zweiten Energiespeichers 366. Der Abfluß des unter Druck stehenden hydraulischen Strömungsmittels zur Umfangsgalerie 360 erfolgt über einen Abfluß 370. Ein entsprechender Kanal 371, der in eine seitliche öffnung 356 mündet, sorgt für den Zufluß des unter Druck stehenden Strömungsmittel zur Umfangsgalerie 352. Die Druckschwankungen des fließenden Strömungsmittels werden über die beiden Energiespeicher, bei denen es

pneumatischen Druckposters ausgeglichen.

U-förmige Becher und O-förmigc Ringe werden an den Gleit- b/w. stationären Flächen zur Abdichtung der Hohlräume und Strömungsmiltelkanäle im Gehäuse verwendet. Zum Reinigen des hydraulischen Schlagwerks kann Druckluft durch den Schlagkolben 3!0 und den Wcrkzcugschafl 312 mittels eines Rohres 372 geschickt werden, das durch in diesen Elementen vorgesehene Bohrungen verläuft.

Das hydraulische Strömungsmittel wird von einer geeigneten Pumpe unter Druck gesetzt, die einen Zufluß- und einen Abflußanschluß aufweist, die über Schläuche zu einem geschlossenen Kreislauf an das Werkzeug angeschlossen sind. Wenn eine offene Strömungsmittelzufuhr gewählt wird, kann das abfließende Strömungsmittel anstatt zum Abflußanschluß der Pumpe in einen Sumpf geführt werden.

Die Arbeitsweise des in F i g. 1 gezeigten Schlagwerks wird nun unter Bezug auf Fig. 2 erläutert. Die gestrichelten Linien stellen die mittlere Bewegungsgeschwindigkeit dar. Fi ι». 1 zeigt die Lage des Schlagkolben.¹» 310 und des Vcntilelements 340 unmittelbar beim Auftreffen auf den Werkzeugschaft 312, d. h., wenn der Schlagkolben 3t0dic Schlagslcllung erreicht. Die Länge des das axial bewegliche Ventilelemeni 340 bildenden hülsenförmigen Elements und die Abstände der Abfluß- und Zuflußöffnungen 338 bzw. 336 sowie der beiden gegenüberliegenden Ringflächcn der Ringbunde 342 und 344 des Schlagkolbens 310 sind derart, daß die Abflußöffnung 338 sofort öffnet unddieZuflußöffnung336 schließt, wenn das Ventilelement 340 aus der in Fig. I gezeigten Lage sicf. etwas abwärts bewegt. Sodann wird während eines ersten Teils der Hin- und Herbewegung, d. h. von To bis T\ (vgl. F i g. 2 (a)), das unter Druck stehende Strömungsmittel in die vordere Kammer 332 eingeführt Die hintere Kammer 330 ist jedoch über den Ventilmechanismus zum Abfluß offen. Das Verhältnis der Flächeninhalte der Stirnflächen 326 zu 328 liegt vorzugsweise in der Größenordnung von 2:1. Das unter Druck stehende und auf die Fläche 328 wirkende Strömungsmittel treibt den Schlagkolben 310 aufwärts und aus der Schlagstellung heraus. ω

Wenn der vordere Ringbund 344 des Schlagkolbens 310 das Veniilelement 340 in die in Fig. 1 gezeigten I jge hebt, erfolgt die Umschaltung in der hinteren, die Vorhubkammer bildenden Kammern 330. Über die Umfangsgalerie 352 werden dann die vordere und die hintere Kammer 332 bzw. 330 von dem unter Druck stehenden Strömungsmittel beaufschlagt. Die resultierende Kraft, die auf dem Schlagkolben 310 lastet, hat sich nun umgekehrt und ist auf den Werkzeugschaft 312 /ti gerichtet. Die Abflußöffnung 338 ist geschlossen. Die anfängliche Bewegungsgröße des Schlagkolben 310 trägt ihn aufwärts zum Grenzpunki seiner Bewegung, X,,(vg\. Fig. 2(a)). Die resultierende Strömung erfolgt in den ersten Energiespeicher 354 hinein. Beim maximalen Hub des Schlagkolbens zur Zeit T2 ist seine kinetische Energie sowohl in dem ersten Energiespeicher 354 als auch in dem unter Druck stehenden Strömungsmittel in den zugeordneten Hohlräumen, Galerien und Kanälen gespeichert. Der Schlagkolben 310 wird dann während des Zeitraums T^ bis T_P über die gesamte Verschiebungsstrecke Xp abwärts in die Schlagstellung getrieben. Der Ventilmechanismus wird dann betätigt und die Abflußöffnung 338 geöffnet und die Zuflußöffnung 336 geschlossen, was zur Wiederholung des Zyklus' führt. Die in dem Energiespeicher gespeicherte Energie vcr- \iit\rtr\tx\\ ei/-» K us H \\re*t\tk Hoc 7ιΐιΐ γίι nvtc T-. H ic T in /111»

Schlagkraft, die auf den Werkzeugschafl 312 und über diesen auf den Bohrstahl und den Bohrer wirkt, um die Gesteinsbohr- und andere Arbeilcn aus/uführen.

Die Eigenschaften des massiven Schlagkolbens und des federartigen Strömungsmittels in den Kammern, Galerien und Kanälen und dem Energiespeicher lassen sich als Kipposzilkitor darstellen, der Schlagkräfte entwickelt, die besonders für zeitabhängige Belastungen geeignet ?^:.r.d, wie sie z. B. beim Gesteinsbohren auftreten.

Die Schlagenergie Eb, mit der der Werkzeugschaft 312 am Ende jeder Hin- und Herbewegung des Schlagkolbens beaufschlagt wird, ist der potentiellen Energie proportional, die der Schlagkolben am maximalen Punkt seines Hubs zur Zeit t= Ti besitzt. Diese Energie läßt sich wie folgt ausdrucken:

= ki (PsAfX₀)

wobei k\ eine Konstante, Pv der Zuflußdruck und X₁, diejenige Strecke ist. die der Schlagkolben zum maximalen Punkt seiner Hubbewegung zurücklegt.

Ist der Flächeninhalt der wirksamen Fläche 326 gleich doppelt so groß wie der der wirksamen Fläche 328, so legt der Schlagkolben 310 /um Spitzenpunkt seines Hubs etwa das Doppelte der Strecke Xn zurück, die er währenddes Intervalls To bis T\ durchläuft.

X„=2Xn

Die Schwingungsfrequenz /Ό läßt sich ableiten aus den Beziehungen für die kinetische und die potentielle Energie zu

fo-tilv-^

mit Jtj = const und M_p = Masse des Schlagkolbens.

Wie aus F i g. 2 (b) hervorgeht, ist die Strömung in die hintere Kammer 330 hinein im ersten Teil des Zyklus' von 7ό bis Tj gesperrt Während des zweiten Teils des Zyklus', d. h. von T\ bis Ti, strömt das Strömungsmittel aus der hinteren Kammer 330 hinaus, wobei die Strömungsmittel, die Federn und der erste Energiespeicher 354 die kinetische Energie des Schlagkolbens 310 speichern. Die Verdrängung der Strömungsflüssigkeit in die vordere Kammer 332 hinein nimmt von Ta bis Ti zu und nimmt dann während des Restes des Zyklus', d. h. von Ti bis T_n, aus der vorderen Kammer heraus wieder ab. Das

ι υ 4ΐυ

7 8 .·

aus der vorderen Kammer 332 fließende Strömungsmit- ¹I

tel kommuniziert mit der Umfangsgalerie 352 und be- ·^!|

wirkt bei Kombination mit der Strömung zur hinteren ,'■■

Kammer 330 eine Reduzierung der erforderlichen dyna- 6]

mischen Neltosirömung aus dem Energiespeicher her- 5 ij

aus. Die dynamische Ncttoströmung aus dem ersten ^

Knergiesp'.Mchei· 354 heraus ist durch die Kurve (c) in ^!

F i g. 2 dargestellt. Wie ersichtlich, sind die Gcsamtströ- s»)

mungsschwankungen gegenüber denen, die der hinte- jjj

rcn Kammer 330 zugeordnet sind, erheblich geringer. 10 Ej

Die .Strömungsschwankungen zum zweiten Energie- r·

speicher 366 — gesehen vom Abflußkanal 370 aus — $ treten nur während des ersten Teils des Zyklus' von To
bis T₁ auf, wie aus F i g. 2 (d) hervorgeht, da danach die

Abflußöffnung geschlossen ist. Die Schwankungen sind 15
somit in dem Abflußzweig des Schlagwerks gemäß
Fig. 1 allgemein erheblich reduziert.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen "3

20 .:

jo I

40

45

50

55

60

65

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Hydraulisches Schlagwerk für ein Werkzeug
mit einem eine Bohrung aufweisenden Gehäuse,
mit einem in der Bohrung hin- und herbewegbaren Schlagkolben mit gegenüberliegenden, unterschiedlich großen Stirnflächen,

mit zwei diesen Stirnflächen im Gehäuse zugeordneten Kammern, deren Volumen sich beim Bewegen des Kolbens entgegengesetzt ändert,
und mit einem Ventilmechanismus,
wobei der Schlagkolben durch in die Kammern geleitete Hydraulikflüssigkeit bewegbar ist und seine Hin- und Herbewegung durch die von dem Ventilmechanismus beeinflußte Flüssigkeitszufuhr steuerbar ist, dadurch gekennzeichnet,
daß der Ventilmechanismus (334) in der hinteren Kammer (33Slangeordnet ist, wobei er aus