Vibrator
Es ist bereits ein Vibrator vorgeschlagen worden, der einen in einem Zylinder hin und her beweglichen Arbeitskolben mit einer die Arbeitskraft übertragenden Kolbenstange sowie einen in einem Schiebergehäuse beweglichen Steuerkörper zur Überführung von Druckflüssigkeit von einer hydraulischen Druckquelle zum Zylinder besitzt. Bei diesem Vibrator ist die mit der Kolbenstange verbundene Seite des Arbeitskolbens während des Betriebes stets vom Flüs- sigkeitsdruck der Druckquelle beaufschlagt, während die andere Kolbenseite mit der Druckquelle bzw. mit einem Auslass in Abhängigkeit von der Lage des Steuerkörpers in Verbindung gesetzt werden kann.
Dieser hydraulische Vibrator kann mit einer hohen Frequenz, z. B. mit 4000 bis 6000 Hüben pro Minute, arbeiten, und deshalb eine hohe Leistung aufweisen, wobei der Apparat gleichwohl nur geringe Dimensionen hat. Der Vibrator ist mit grossem Vorteil beispielsweise zum Antrieb von Gesteins- bohrern verwendbar.
Wenn der Vibrator als Schlaghammermaschine angewandt wird, ist seine wirksame Kolbenfläche, die vom Flüssigkeitsdruck bei der Bewegung des Kolbens in der Arbeits- oder Schlagrichtung beaufschlagt wird, ebenso gross wie die Querschnittsfläche der Kolbenstange. Für mittelgrosse Maschinen beträgt beispielsweise die wirksame Kolbenfläche etwa 5 cm2, damit die Maschine mit einer geeigneten Flüssigkeitsmenge und einem geeigneten Druck arbeiten kann.
Eine so geringe Querschnittsfläche würde aber einem Kolbenstangendurchmesser von nur etwa 25 mm entsprechen, und bei Maschinen für höheren Druck und geringere Flüssigkeitsmengen würde dieser Durch messer noch kleiner werden, was bedeutet, dass die Kolbenstange zu schwach sein würde, um grössere Kräfte übertragen zu können.
Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Vibrator zu schaffen, bei dem dieser Nachteil vermieden ist.
Demgemäss betrifft die Erfindung einen Vibrator mit einem in einem Zylinder hin und her beweglichen Arbeitskolben und einer die Arbeitskraft übertragenden Kolbenstange sowie einem beweglichen Steuerkörper zur Überführung von Druckflüssigkeit von einer hydraulischen Druckquelle zum Zylinder, wobei die mit der Kolbenstange verbundene Seite des Arbeitskolbens während des Betriebes stets vom Flüssigkeitsdruck dieser Druckquelle beaufschlagt ist und die andere Kolbenseite mit der Druckquelle bzw. mit einem Auslass in Abhängigkeit von der Lage des Steuerkörpers verbunden wlird. Dieser Vibrator zeichnet sich dadurch aus, dass der Kolben auf seiner der Kolbenstange entgegengesetzten Seite mit einem Verlängerungsteil versehen ist, derart, dass die wirksame, dem Flüssigkeitsdruck ausgesetzte Kolbenfläche auf dieser Kolbenseite entsprechend verringert wird.
Eine bevorzugte Ausführungsform dieses Vibrators kann darin bestehen, dass die der Dnickflüssig- keit ausgesetzte, für die Bewegung des Arbeitskolbens in der Arbeitsrichtung wirksame Kolbenfläche mindestens annähernd ebenso gross ist wie die Querschnittsfläche der die Arbeitskraft übertragenden Kolbenstange. Durch diese Massnahme können somit der Durchmesser der Arbeitskoibenstange und deren Querschnittsfläche ebenso wie die Kolbenfläche in einem bestimmten Verhältnis zueinander je nach Bedarf beliebig vergrössert werden.
Hierbei kann eine weitere bevorzugte und baulich günstige Ausführungsform des vorgeschlagenen Vibrators darin bestehen, dass der Durchmesser des Verlängerungsteiles mindestens ebenso gross ist wie der Durchmesser des Steuerkörpers, wobei der Steuerkörper und der Arbeitskolben als Einheit koaxial zueinander in ein gemeinsames Gehäuse eingebaut sind.
In der Zeichnung sind zwei i beispielsweise Aus- führungsformen des Vibrators gemäss der Erfindung schematisch im Längsschnitt dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 einen Vibrator mit seitlich vom Arbeitskolben parallel zu dessen Achse angeordnetem Steuerschieber und
Fig. 2 einen Vibrator mit koaxial zum Arbeitskolben angeordnetem Steuerschieber.
In Fig. ist mit 10 ein Zylinder bezeichnet, in welchem ein Arbeitskolben 11 axial beweglich ist.
Der Arbeitskolben 11 sitzt auf einer die Arbeitskraft übertragenden Kolbenstange 12, welche durch die eine Endwandung des Zylinders 10 flüssigkeitsdicht hindurchgeführt ist und deren Querschnittsfläche vorzugsweise etwa die Hälfte der Querschnittsfläche des Kolbens 11 beträgt. Eine Schieberspindel 13 eines als Steuerorgan dienenden Steuerschiebers ist in einem Schiebergehäuse 14 axial beweglich, welches mit dem Zylinder 10 zusammengebaut oder in einem Stück mit ihm ausgeführt ist. Vorzugsweise verlaufen die Bewegungsrichtungen des Kolbens 11 und der Schieberspindel 13 parallel zueinander.
Die Schieberspindel 13 ist mit zwei Schieberköpfen 15 bzw. 16 versehen, welche in eine Bohrung 17 im Schiebergehäuse 14 eingepasst sind und, in Abhängigkeit von ihrer Lage in diesem Gehäuse, die Verbindung zwischen einem Ringraum 18 bzw. 19 und einem oberhalb des Kolbens 11 zum Zylinder 10 führenden Kanal 20 öffnen bzw. schliessen. Eine Leitung 21, welche an eine in Fig. 1 nicht gezeichnete Druckflüssigkeitsquelle (Pumpe) angeschlossen ist, steht über eine Abzweigleitung 22 in ständiger, offener Verbindung mit dem Zylinderraum unterhalb des Kolbens 11 und über eine zweite Abzweigleitung 23 in Verbindung mit dem Ringraum 18. Der Ringraum 19 ist über eine Rückführleitung 24 mit der Pumpe verbunden.
Die Bewegungen des Arbeitskolbens 11 werden auf die Schieberspindel 13 mittels einer von zwei gegeneinander gespannten Federn 25, 26 übertragen.
In der Fig. 1 ist die Kolbenstange 12 mit einem Mitnehmerarm 27 versehen, welcher mit Spielraum auf einen aus dem Schiebergehäuse 14 herausragenden Teil 28 der Schieberspindel 13 aufgesetzt ist.
Die Federn 25, 26 liegen zweckmässig unter Vorspannung mit ihrem einen Ende am Mitnehmerarm 27 und mit ihrem anderen Ende an einem an der Schieberspindel 13 angebrachten Anschlagbund 29 bzw. 30 an. Wenn sich der Kolben 11 in der einen oder anderen Richtung bewegt, so wird zunächst die der jeweiligen Bewegungsrichtung entsprechende Feder 25 bzw. 26 zusammengedrückt und erst dann eine Bewegung der Schieberspindel 13 bewirkt.
Auf der der Arbeitskolbenstange 12 entgegengesetzten Seite des Kolbens 11 besitzt dieser einen Verlängerungsteil 12a in Form einer Balanz- oder Hilfskolbenstange, wodurch die in Fig. 1 gezeigte, wirksame, beim Arbeitshub dem Flüssigkeitsdruck ausgesetzte, obere Fläche des Kolbens 11 entsprechend verringert und zu dem oben angegebenen Zweck etwa ebenso gross wird wie die Querschnittsfläche der Kolbenstange 12.
Der zuvor beschriebene Vibrator arbeitet in folgender Weise: Auf die Unterseite des Arbeitskolbens 11 wirkt stets eine Kraft ein, die gleich dem spezifischen Druck der Flüssigkeit multipliziert mit der ausserhalb der Kolbenstange 12 befindlichen, ringförmigen Kolbenfläche ist. Wenn die Schieberspindel 13 sich in einer unteren Lage befindet, in welcher der Schieberkopf 16 die Verbindung zwischen dem Zylinderraum oberhalb des Kolbens 11 und der Rückführleitung 24 offen lässt, während die Druckflüssigkeitszufuhr über die Leitung 23 vom Schieberkopf 15 gesperrt wird, so wird der Kolben 11 einer aufwärts gerichteten Kraft unterworfen, deren Wert der halben Kolbenfläche multipliziert mit dem spezifischen Flüssigkeitsdruck entspricht.
Wenn hingegen die Schieberspindel 13 sich in einer oberen Lage befindet, in welcher die Rückführleitung 24 durch den Schieberkopf 16 gesperrt ist, während die Druckflüssigkeit über die Leitung 23 und den Ringraum 18 dem Zylinderraum oberhalb des Kolbens 11 zugeführt wird, so wird die Oberseite des Kolbens 11 einer Kraft ausgesetzt, die gleich der wirksamen, oberen, ausserhalb der Hilfskolbenstange 1 2a befindlichen, ringförmigen Kolbenfläche multipliziert mit dem spezifischen Flüssigkeitsdruck ist. Gleichzeitig wirkt jedoch auf die untere Kolbenseite, welche ständig unter dem Flüssigkeitsdruck der Druckquelle steht, eine aufwärts gerichtete Kraft. Damit der Kolben 11 sich im Stillstand im Gleichgewicht befindet, muss der Druck auf die obere Kolbenseite geninger sein als der Druck auf die untere Kolbenseite.
Dies kann in der in Fig. 1 gezeigten neutralen Lage der Schieberspindel 13 erreicht werden, in welcher die Zufuhr von Druckflüssigkeit über die Zuleitung 23 und der Abfluss von Flüssigkeit über die Rückführleitung 24 gedrosselt sind, so dass der spezifische Flüssigkeitsdruck im Zylinderraum oberhalb des Kolbens 11 geringer wird als derjenige im Zylinderraum unterhalb des Kolbens 11. Die beweglichen Organe des Vibrators haben, falls sie nicht durch äussere Kräfte gestört werden, die Neigung, diese neutrale Lage einzunehmen, und auch nach der Beeinflussung durch eine äussere Kraft sind sie bestrebt, wieder in die neutrale Lage zurückzukehren. Sie werden jedoch durch die federnde Verbindung zwischen dem Kolben 11 und der Schieberspindel 13 am Verbleiben in ihrer neutralen Lage gehindert.
Wenn der Kolben 11 unter dem Einfluss einer äusseren Kraft aus seiner in Fig. 1 gezeigten Lage nach oben bewegt wird, so wird dadurch zugleich die Feder 25 gespannt, so dass die Schieberspindel 13 nach oben verschoben wird. Dadurch wird die Zufuhr von Druckflüssigkeit durch die Zuleitung 23 geöffnet, während die Rückführleitung 24 gesperrt wird. Der Druck auf die Oberseite des Kolbens 11 überwiegt dann, so dass der Kolben 11 nach unten bewegt wird. Dies bewirkt wiederum, dass nunmehr die Feder 26 gespannt wird und ihrerseits die Schieberspindel 13 nach unten zieht. Dadurch wird die Zufuhr von Druckflüssigkeit zu dem oberen Zylinderraum unterbrochen und zugleich die Verbindung mit der Rückführleitung 24 geöffnet. Dadurch erhält die auf den Kolben 11 wirkende, nach oben gerichtete Kraft das Über- gewicht, so dass der Kolben 11 sich nach oben bewegt.
Durch das zuvor beschriebene Zusammenspiel der Teile wird bewirkt, dass eine rasche hin und her gehende Bewegung des Kolbens 11 und somit der Schieberspindel 13 entsteht, wobei gewährleistet ist, dass die neutrale Lage der Schieberspindel 13 immer durchschritten wird. Die Frequenz der Bewegung dieser beiden Organe ist dabei sehr hoch.
Bei Beginn eines neuen Hubes bewegt sich somit der Kolben 11 mit wachsender Geschwindigkeit, wobei er die Schieberspindel 13 in der gleichen Richtung mit sich nimmt; es ist jedoch zu bemerken, dass die Bewegung der Schieberspindel 13 auf Grund der Masse dieser Spindel und auch infolge ihrer elastischen Verbindung über die Feder 25 bzw. 26 mit dem Kolben 11 verzögert wird, wobei die betreffende Feder entsprechend der Beschleunigungskraft für die Bewegung der Schieberspindel 13 gespannt wird.
Wenn die Schieberspindel 13 ihre neutrale Lage durchschritten hat und in eine solche Lage gekommen ist, dass der Flüssigkeitsdruck auf die andere Seite des Kolbens 11 einwirkt, so wird der Kolben 11 angehalten und bewegt sich anschliessend in entgegengesetzter Richtung, während die Schieberspindel 13 sich noch weiter bewegt, und zwar so weit, bis die Federn 25, 26 in der anderen Richtung so weit gespannt werden, und dass sie die Bewegung der Schieberspindel 13 bis zum Stillstand verzögern und daraufhin deren Bewegung in der entgegengesetzten Richtung einleiten.
Die Frequenz und die Amplitude des Vibrators bzw. seines Kolbens 11 können durch Wahl anderer Dimensionen der Federn 25, 26 geändert werden.
Eine Regelung dieser Grössen kann aber auch, innerhalb gewisser Grenzen, durch Änderung des müs- sigkeitsdruckes und der Flüssigkeitsmenge erreicht werden. Der Flüssigkeitsdruck kann z. B. 50 bis 100 kg/cm2 betragen. Bei einer belispielsweisen, praktischen Ausführung mit etwa 5000 bis 6000 Hüben pro Minute betrugen der Druck 70 kg/cm2 und der Flüssigkeitsverbrauch 120 Liter je Minute, die Schlag- energie 6,4 kgm/Hub, die Hublänge 8 mm und die Kolbengeschwindigkeit 6,5 m pro Sekunde. Die Ausführung des vorgeschlagenen Vibrators ist jedoch nicht an diese Zahlen gebunden.
Die Druckflüssigkeit kann z. B. Öl oder Wasser sein. Beim Bohren von Löchern in Gestein wird den Bohrlöchern Spülwasser zugeführt. Der Bedarf des Vibrators an Antriebsflüssigkeit stimmt etwa mit dem Bedarf an Spülwasser überein. Es ist daher möglich, beim Bohren in grösserer Tiefe, z. B. von einigen hundert Metern, den Vibrator mit Wasser von der Bodenfläche aus zu betreiben, da die potentielle Energie des Wassers für einen derartigen Antrieb ausreicht. Die Kolbenstange 12 kann unmittelbar mit dem Bohrer verbunden sein, so dass beide zusammen vibrieren, oder es können die Kolbenstange 12 bzw. die mit ihr verbundenen Organe ihre Vibrationsbewegung auf eine separate Bohrstange übertragen.
Der beschriebene Vibrator kann aber auch auf verschiedenen anderen Gebieten, z. B. bei Schachtund Lademaschinen angewandt werden, wobei der Vibrator mit den Schachtorganen verbunden wird, um deren Einführung in das zu transportierende Material zu erleichtern. Weitere Beispiele für zweckmässige Anwendungsbeispiele sind das Losschütteln bzw. Lockern von Material in Silos und Behältern, der Vorschub von Material in Vorschubrinnen sowie das Entwässern von verschiedenem Material, z. B.
Verdickung von Pülpe.
Wird der Vibrator als Schlaghammermaschine benutzt, so wird der Anschlag zwischen der Kolbenstange und dem Werkzeug derart abgepasst, dass der Anschlag der Kolbenstange erfolgt, bevor die Kolbenbewegung vom entgegengesetzten Flüssigkeitsdruck beeinflusst wird. Bei der Verzögerung der Bewegung des Arbeitskolbens holt die Schieberspindel den Arbeitskolben ein und bewirkt die Umkehrung der Bewegungsrichtung des Arbeitskolbens.
Wenn bei Anwendung eines Druckminderungsventils oder dergleichen der Druck der Flüssigkeit, welche der mit der Kolbenstange 12 verbundenen Seite des Kolbens 11 zugeführt wird, beispielsweise niedriger ist als der Flüssigkeitsdruck in der Leitung 23, so können gleichwohl die auf die beiden Seiten des Arbeitskolbens 11 wirkenden Kräfte der Flüssigkeit bzw. der Flüssigkeiten durch entsprechende Wahl des Verhältnisses zwischen dem Aussendurchmesser des Kolbens 11 und der Kolbenstange 12 gleich gross gemacht werden.
In der Fig. 2 ist mit 42 der Arbeitskolben bezeichnet, welcher in einem Zylinder 31 beweglich gelagert ist und dessen Teil 43a hohl ausgebildet ist und die für die Bewegungsübertragung auf die Schieberköpfe 36, 38 erforderlichen Federn 44, 44a enthält, welche zu beiden Seiten einer im Kolben 42 angebrachten Anschlagscheibe 43 angeordnet und zwischen dieser Scheibe und einem an der Schieberspindel 37 vorgesehenen Anschlagteller 45 bzw. 45a eingespannt sind. Der die beiden Schieberköpfe 36, 38 aufweisende Schieberkörper ist koaxial zum Kolben 42 angeordnet und besitzt den gleichen Durchmesser wie die lin bezug auf den Kolbenteil 43a auf der entgegengesetztenlSeite des Kolbens 42 angebrachte Hilfskolbenstange 54. Die Verlängerung des Kolbenteiles 43a bildet die die Arbeitskraft übertragende Kolbenstange 12.
Die Zuleitung für die Druckflüssigkeit zum Arbeitszylinder 31 unterhalb des Kolbens 12 ist mit 60 bezeichnet.
In der in Fig. 2 gezeigten neutralen Lage, das heisst Mittellage des Schieberkörpers, schliessen einerseits der Schieberkopf 36 den Einlass 61 und anderseits der Schieberkopf 38 den Auslass 63 gerade noch ab. Wenn sich der Schieberkörper beim Einschalten des Vibrators in dieser Lage befindet, so muss er einen äusseren Impuls erhalten, um in Bewegung gebracht zu werden. Dies kann z. B. dadurch geschehen, dass die Kolbenstange 12 des Arbeitskolbens 42 nach oben verschoben wird, wobei sie mittels der Feder 44 über den Anschlagteller 45a die Schieberspindel 37 samt den Schieberköpfen 36, 38 nach oben mitnimmt. Hierdurch wird der Einlass 61 vom Schieberkopf 36 freigelegt, so dass das Druckmedium über den Kanal 65 in den Zylinderraum oberhalb des Arbeitskolbens 42 einströmen kann.
Da die wirksame Fläche der oberen Seite des Kolbens 42 grösser ist als die über die Zuleitung 60 ständig dem Flüssigkeitsdruck ausgesetzte, wirksame Fläche der unteren Kolbenseite, bewegt sich der Arbeitskolben 42 nach unten, wobei er zugleich den Schieberkörper 36, 38 mit sich nimmt. Diese Mitnahme erfolgt jedoch mit einer gewissen Verzögerung infolge der Elastizität der unteren Feder 44a.
Wenn hierbei der sich abwärts bewegende Schieberkopf 36 den Einlass 61 schliesst, so hört die Zufuhr von Druckmedium zur Oberseite des Arbeitskolbens 42 auf. Nach kurzer Zeit öffnet der Schieberkopf 38 den Auslass 63, so dass die Druckflüssigkeit hier entweichen kann und somit der Druck auf die Oberseite des Kolbens 42 abfällt, was zur Folge hat, dass der Kolben 42 sich nunmehr in der entgegengesetzten Richtung bewegt. Dieser Vorgang wiederholt sich nun in rascher Folge und der Arbeitskolben 42 samt der Kolbenstange 12 erhält auf diese Weise eine schnelle, hin und her gehende, vibrierende Bewegung.
Im Beharrungszustand bewegen sich der Arbeitskolben 42 und der Schieber als zwei gewissermassen frei schwingende Massen, welche durch das System von Federn 44, 44a miteinander gekuppelt sind, indem die beiden Federn 44 und 44a stets abwechselnd gegen die zwischen ihnen liegende Anschlagscheibe 43 gedrückt werden. Die beiden Federn 44 und 44a werden hierbei abwechselnd zusammengedrückt bzw. entspannt, das heisst je nachdem, ob sich der Kolben 42 gerade in der einen oder in der anderen Richtung bewegt. Hierbei bewirkt das als Bewegungsübertragungsorgan dienende Federsystem, dass der Schieber sich im Beharrungszustand sogar in entgegengesetzter Richtung zu, jedoch stets im Takt mit dem Arbeitskolben 42 bewegt.
Die Hilfskolbenstange 54 (vgl. Fig. 2) hat die gleiche Aufgabe wie die Hilfskolbenstange 1 2a bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform des Vibrators, und die obere wirksame Fläche des Kolbens 42 ist etwa ebenso gross wie die Querschnittsfläche der Kolbenstange 12, was durch entsprechende Bemessung des Querschnittes der Hilfskolbenstange 54 erreicht wird. Im übrigen arbeitet der Vibrator im wesentlichen in der gleichen Weise wie bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform.
Die Auslässe 62 und 64 können, abweichend von Fig. 2, auch mit der Atmosphäre in Verbindung stehen. Weiterhin können die Federn 25, 26 (Fig. 1) bzw. 44, 44a (Fig. 2) durch eine einzige Feder ersetzt werden, welche in die Verbindung zwischen dem Schieber und dem Arbeitskolben eingespannt ist und bei der Bewegung des Arbeitskolbens in der einen bzw. anderen Richtung abwechselnd als Druckbzw. Zugfeder wirkt.