DE1000310B - Mit Druckluft betriebene Bohreinrichtung, insbesondere fuer Tiefbohrungen - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung betrifft mit Druckluft oder Druckgas betriebene Bohreinrichtungen, welche insbesondere für Tiefbohrungen Verwendung finden sollen. Es ist hierbei bekannt, derartige Bohreinrichtungen in der Weise auszubilden und zur Anwendung zu bringen, daß sie ins Bohrloch eingeführt werden und das Bohrwerkzeug unmittelbar vor der Bohrlochsohle schlagend oder rammend antreiben. Die Erfindung hat sich insbesondere zum Ziel gesetzt, Bohreinrichtungen dieser Art zu schaffen, welche in der Lage sind, schwerste Bohrarbeit zu leisten, mit hohen Drücken betrieben werden können, große Luftleistungen verarbeiten können und dabei auch einen hohen Auspuff-Gegendruck überwinden können, so daß sie auch tief unter einer Wasser- oder Schlammsäule im Bohrloch noch große Schlagleistungen abgeben können. Weiterhin hat sich die Erfindung zum Ziel gesetzt, eine derartige Bohreinrichtung möglichst einfach und weitgehend unempfindlich gegen Verschmutzen auszubilden. Die Zufuhr der Druckluft kann dabei über ein Hohlgestänge oder auch durch einen Hochdruckschlauch, der neben einem Tragseil mit ins Bohrloch eingelassen wird, erfolgen. Auf der anderen Seite ist es auch möglich, bei Verwendung eines Hohlgestänges für die Druckluftzufuhr dieses gleichzeitig für ein Umsetzen des Bohrwerkzeuges zu benutzen oder regelrecht drehend anzutreiben.

Im einzelnen geht die Erfindung von bekannten Bohreinrichtungen dieser Art aus, welche in Form eines innerhalb eines Zylinders angeordneten und als Stufenkolben ausgebildetem Schlagkolbens in das Bohrloch einführbar sind, und besteht im wesentlichen darin, daß die für den Schlaghub wirksame Seite des Schlagkolbens ständig ungesteuert mit der Druckmittelzufuhr in Verbindung steht. Die Druckmittelzufuhr zum Kolben erfolgt erfindungsgemäß vorzugsweise durch eine zentrale Kolbenstange, auf der der Schlagkolben mit einer mittleren Bohrung geführt ist. Diese mittlere Bohrung ist zweckmäßig derart ausgebildet, daß sie über von der Kolbenstange am Ende des Schlaghubes freigegebene öffnungen mit dem Ringraum des Schlagkolbens in Verbindung gebracht wird. Gemäß der Erfindung ist es fernerhin vorteilhaft, daß der Auspuff des Druckmittels am Ende des Rückhubes und am Anfang des Schlaghubes erfolgt, und zwar vorzugsweise während gleicher Kolbenwegstrecken bei Rückhub und Schlaghub. Zu diesem Zweck kann vorzugsweise der Zylinder des Schlagkolbens im Bereich eines oberen Teiles des Rückhubes mit einer mit dem Auspuff in Verbindung stehenden Erweiterung versehen sein.

Durch eine derart ausgebildete Steuerung steht für den Auspuff bei der Einrichtung nach der Erfindung eine vergleichsweise lange Zeit zur Verfugung, die es Mit Drudduft betriebene Bohreinriditung_r insbesondere für Tiefbohrungen

Anmelder:

Braunkohlen- und Briketwerke

Roddergrube Aktiengesellschaft,

Brühl (Bez. Köln)

Dr.-Ing. Wolfgang Herbold,

Kierdorf, Post Lechenich (Bez. Köln),

und Dipl.-Berging. Valentin Seipel, Oberliblar,

sind als Erfinder genannt worden

ermöglicht, sehr hohe Drücke für das Druckmittel zur Anwendung zu bringen und, was für den praktischen Betrieb von unter Spülung stehenden Bohrlöchern außerordentlich wichtig ist, auch sehr hohe Auspuffgegendrücke zu überwinden. Bekanntlich ist es viel schwieriger, bei konstruktiv begrenzten Querschnitten aus einem Drucklufthammer die entspannte Auspuffluft herauszuleiten, als hoch gespannte Einlaßluft hineLnzuleiten. Noch größer werden diese Schwierigkeiten bei Gegendruckbetrieb. Es ist deshalb hierbei notwendig, die für den Auspuff zur Verfugung stehende Zeit bedeutend zu vergrößern. Dies wird erfinidungsgemäß dadurch erreicht, daß der Auspuff während des letzten Teiles des Rückhubes und des ersten Teiles des Schlaghubes freigegeben wird und nicht beim oder am Ende des Schlaghubes, wie dies sonst bei Drucklufthämmern üblich ist.

Im gesamten erfolgt bei einer Bohreinrichtung nach der Erfindung die Steuerung derart, daß die in den Zylinder eintretende Frischluft zunächst den Schlaghub des. unter seinem Eigengewicht fallenden Kolbens beschleunigt, am Ende des Schlaghubes in den Ringraum zwischen Stuienkolben und Zylindier eingeleitet und hier zum Expandieren gebracht wird, um den Rückhub durchzuführen. Am Ende des Rückhubes und während einer gleichen Kolbenwegstrecke des

Schlaghubes erfolgt dann erst der Auspuff der Luft während eines großen Zeitabschnittes, der bei unter Spülung arbeitenden Geräten in seinen öffnungen in d'as Bohrloch vorteilhaft durch nach Art von Rückschlagventilen ausgebildete Absperrorgane gesteuert wk'd.

Weitere vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung sind aus der Zeichnung ersichtlich, in welcher die Erfindung an zwei Ausführungsbeispielen erläutert ist. Ee zeigt

Fig. ι eine Bohreinrichtung nach der Erfindung im Längsschnitt am Endie des Schlaghubes,

Fig. 2 und 3 eine graphische Gegenüberstellung der Erfindung mit bekannten Drucklufthämmern und

Fig. 4 ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung im Längsschnitt kurz vor dem Schlag.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. ι ist mit ι ein langer schlanker Zylinder in Gestalt eines Gehäuserohres von 4 bis 8 m oder langer bezeichnet, in dem ein schwerer, um seinen Hub von etwa ι bis 2 m kürzerer Schlagkolben 2 angeordnet ist. Der Schlagkolben 2 besitzt an seinem Ende einen Stufenansatz 3, der mit einer Labyrinth-Drosseldichtung oder einem oder mehreren Kolbenringen aus Kunststoff abdichtend gegen die Innenwand des Zylinders 1 geführt ist. In der Nähe seines unteren Endes ist der Schlagkolben 2 vorzugsweise mit drei oder vier Führungswarzen 4 versehen, die auch beispielsweise durch in Vertiefungen des Schlagkolbens 2 eingesetzte Stahlkugeln gebildet sein können. Der Ringraum zwischen Zylinder 1 und Schlagkolben 2 ist mit 5 bezeichnet. Er stellt eine wichtige Größe für die Wirkung des Hammers dar und ist für die Erfindung wesentlich. Durch die zweifache Führung des langen Schlagkolbens 2, durch den Stufenansatz 3 und die Führungen 4 wird dieser gegen ein elastisches Verbiegen des langen Zylinders 1 in einem nicht geraden Bohrloch unempfindlich, was besonders wichtig ist, da hierdurch Verklemmungen vermieden wer den. Für die Wirkungsweise des Hammers ist die volumetrische Größe des Raumes 5 von ausschlaggebender Bedeutung.

Der Zylinder 1 ist an seinem oberen Ende ,durch einen Stopfen 15 verschlossen, in welchem die hohle Kolbenstange 6 in einer Bohrung befestigt ist, die bei der Auf- und Abwärtsbewegung des Schlagkolbens 2 innerhalb des Zylinders 1 in eine zentrale Bohrung 16 des Schlagkolben« 2 eintaucht. Durch die Bohrung der hohlen Kolbenstange 6 erfolgt die Zufuhr der Frischluft. In der inneren Bohrung 16, welche die Gestalt eines nur roh gebohrten Sackloches besitzen, kann, sind unmittelbar unterhalb des Stufenansatzes 3 zwei Dichtungsringe oder Stulpen 7 und 8 aus Gummi oder aus Kunststoff befestigt, zwischen denen sich Durchbrüche 9 befinden, welche die Bohrung 16 mit dem Ringraum 5 verbinden. Die Kolbenstange 6 wird von dem oberen Ring 7 ständig umgeben, während sie aus dem unteren Ring 8 einige Zentimeter vor dem Aufschlagen des Schlagkolbens auf das Einsteckende 10 des Bohrwerkzeuges 11 herausgleitet. Das Bohrwerkzeug 11 kann als Schlagkernrohr oder Meißel ausgebildet sein und über sein Einsteckende 10 mit dem Zylinder r zweckmäßig über eine Schleppkupplung 17 verbunden sein.

Der Zylinder 1 ist an seinem oberen Ende mit einer Auspufferweiterung 12 versehen, und an der Seitenwamdung des Stopfens 15 befindet sich das Auspuffventil 13, welches beispielsweise in Form einer die Auspuff öffnungen 19 umgebenden Gummimanschette ausgebildet sein kann.

Die Arbeitsweise des dargestellten Werkzeuges wird nachstehend von dem Ende des Schlaghubes beginnend beschrieben.

Kurz vor dem Aufschlag des Schlagkolben« 2 auf das Einsteckende 10 tritt hochgespannte Druckluft aus der Kolbenstange 6 in den (mehrere Liter großen) Ringraum 5. Die Füllung des Ringraumes 5 mit hochgespannter Druckluft ist abgeschlossen, wenn beim Aufwärtshub des Schlagkolbens 2 der Ring 8 die Kolbenstange 6 wieder schließend umgibt. Die hochgespannte Luft im Ringraum 5 expandiert und treibt durch ihren Druck auf die untere Bodenfläche des Schlagkolbens 2 und die Ringfläche des Stufenansatzes 3 den Schlagkolben 2 nach oben, wobei sie sein Eigengewicht und die Kraft, die sich aus Frischluftdruck und Querschnittsfläche der Kolbenstange 6 ergibt, überwindet. Da die innere Bohrung der Kolbenstange 6 mit der Druckluftzufuhr in freier ungesteuerter Verbindung steht, tritt hierbei keine Kompression der Druckluft in der Bohrung 16 ein. Sobald der Stufenansatz 3 des Kolbens 2 die Auspuifferweiterung 12 am oberen Ende des Zylinders 1 erreicht, kann die Luft aus dem Ringraum 5 entweichen und über das Rückschlagventil 13 ins Bohrloch auspuffen. Infolge seiner lebendigen Kraft steigt jedoch der Schlagkolben 2 noch erheblich höher und gibt dabei der Druckluft aus dem Ringraum 5 über die Erweiterung 12 noch weiter den Weg zum Auspuff 13 frei. Dieser Weg zum Auspuff wird erst abgeschlossen, wenn der Kolben 2 von seinem oberen Totpunkt aus die gleiche Wegstrecke zurückgelegt hat und der Stufenansatz 3 aus der Erweiterung 12 nach unten austritt und so den Ringraum 5 abschließt. Der Kolben fällt jetzt durch sein Eigengewicht im Sinne des Schlaghubes nach unten, wobei dieser durch die in der mittleren Bohrung 16 wirkende Druckluft beschleunigt wird. Am Ende des Schlaghubes wiederholt sich das beschriebene Spiel von neuem.

In den graphischen Darstellungen der Fig. 2 und 3 ist die Erfindung mit einem Druckluftwerkzeug bisher üblicher Art vergleichend gegenübergestellt. In Fig. 2 ist dabei die Zeitwegkurve eines bekannten selbststeuernden Stufenkolbenhammers und in Fig. 3 eine gleiche Darstellung eines Hammers nach der Erfindung mit gleicher Schlagzahl veranschaulicht. Auf der Ordinate ο der Darstellung ist dabei der Hub des Kolbens und auf der Abszisse b die Zeit des Kolbenhubes aufgetragen. Mit c ist jeweils der untere Totpunkt und mit d der obere Totpunkt des Kolbens bezeichnet. Mit der Strecke t_a ist die Auspuffdauer und mit t die Dauer eines ganzen Arbeitsspiels bezeichnet. Der Schlagkolben trifft in beiden Fällen im unteren Totpunkt c hart auf, so daß eine spitze Umkehr der Kurve erfolgt. Im oberen Totpunkt d schlägt der Kolben nicht an. Er verzögert daher seine Bewegung parabolisch bis auf Null (oberer Totpunkt) und beschleunigt sich von da an wieder parabolisch. Der Verlauf der Zeitwegkurve ist daher im oberen Totpunkt d abgerundet. Für eine bestimmte Wegstrecke ist daher im oberen Totpunkt mehr Zeit erforderlich als im unteren Totpunkt. Bei den bisher bekannten Werkzeugen erfolgt der Auspuff am Ende des Schlaghubes und beim Beginn des Rückwärtshubes, Infolgedessen ist die hierfür zur Verfügung stehende Zeit, in der graphischen Darstellung durch die Strecke t_a gekennzeichnet, verhältnismäßig klein (Fig. 2). Bei der iin Fig. 3 veranschaulichten Einrichtung nach der Erfindung erfolgt dagegen der Auspuff am Ende des Rückwäj-tshubes und zu Beginn des Schlaghubes. Da in diesem Bereich die Zeitwegkurve abgerundet ver-

läuft, steht auch für den Auspuff bei der Erfindung ein viel größerer Zeitabschnitt t_a zur Verfügung als bei dem bekannten Werkzeug nach Fig. 2; d.h. bei der Erfindung kann bei konstruktiv in gleicher Weise begrenzten Querschnitten infolge der längeren zur Verfügung stehenden Zeit eine weitaus größere Luftmenge durch den Auspuff abgeführt werden.

Bei dem bekannten selbststeuernden Stufenkolben erfolgt der Rückhub unter Wirkung des ständig vorhandenen Ringraumdruckee. Am Ende des Rückhubes strömt die Einlaßluft in den Arbeitsraum von bestimmter Größe und treibt expandierend den Schlagkolben beim Schlaghub an, wobei der entgegengesetzt wirkende Ringraumdruck überwunden wird. Ein solcher bekannter Stufenkolben steht also ununterbrochen im Sinne des Rückhubes unter der Wirkung der Ringraumkraft. Der Schlagkolben gemäß der Erfindung steht dagegen gerade umgekehrt ununterbrochen im Sinne des Schlaghubes unter der Wirkung der Kolbenkraft der Zuführungsstange 6. (Der Durchmesser der Kolbenstange 6 ist eine wichtige Bestimmungsgiröße.)

Dennoch ist die Steuerungsanordnung gemäß der Erfindung nicht etwa nur die Umkehrung des bekannten Stufenkolbenprinzips. Der Stufenkolben muß beispielsweise an beiden Absätzen genau gegen das Gehäuse abgedichtet sein, aus welchem Grunde lange Kolbenhübe auch lange, präzise bearbeitete Bohrungen im Gehäuse erforderlich machen. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung dagegen ist nur ein kurzer oberer Teil das Kolbens gegen das Gehäuse abgedichtet. Als Zylinder kann deshalb dabei ein beliebig langes, gänzlich unbearbeitetes, gezogenes Rohr verwendet werden.

Die Ausführung beliebig langer und damit beliebig leistungsfähiger Bohrhämmer wird durch die erfindungsgemäße Anordnung überhaupt erst möglich. Wegen des langen Ringraumes 5 zwischen Kolbenstange und Gehäuse ist der Hammer nicht nur gegen elastische Verbiegungen unempfindlich, sondern auch gegen innere Verschmutzung.

Die erfindungsgemäße Anordnung eignet sich jedoch auch besonders für leistungsfähigste Hämmer mit mittlerer und auch mit extrem hoher Schlagzahl. Besonders bei letzterem kommt der Vorteil der vergleichsweisen langen Auspuffdauetr durch den Auspuff im hinteren Teil des Rüokhubes voll zur Geltung.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 ist ein schnell schlagender Hammer gemäß der Erfindung veranschaulicht. Hierbei ist die Kolbenstange 6 an ihrem unteren Ende mittels Labyrintäirillen oder ähnlichem Abdichtungen versehen und weist einen Stufenansatz 18 auf, auf dem diese Labyrircthrillen angeordnet sind. Dieser Stufenansatz 18 steuert die Durchbrüche 9 in der mittleren Bohrung 16 des Schlagkolbens 2.

Beim Betrieb schnell schlagender Hämmer mit langem Zuführungsschlauch wird erfindungsgemäß noch eine kleine Hilfsbohrung 14 vorgesehen, um das Anspringen zu gewährleisten. Beim langsamen Druckanstieg im Schlauch steigt der Kolben schleichend nur so weit, bis die Durchbrüche im Kolben 9 von der Zuführungsstange abgedeckt sind (gezeichnete Stellung).

Durch die Hilfsbohrung 14 wird in dieser Kolbenlage ein kleiner zusätzlicher Auspuff geöffnet. Der Kolben macht deshalb kleine Pendelbewegungen um die Abschlußlage, die sich mit steigendem Druck im Schlauch vergrößern und so das Anspringen bewerkstelligen.

Ein wesentliches Merkmal der Selbststeuerung nach der Erfindung ist also, daß der Schlagkolben ununterbrochen unter der Wirkung einer Druckluftkraft in Schlagrichtung steht, während der Rückhub durch die Kraft einer (teilweise) expandierenden bestimmten Luf'tmenge bewerkstelligt wird. Dabei können sehr hohe Drücke angewendet werden. Die Steuerung und Hammerform nach der Erfindung kann auch vorteilhaft für schlagende Druckluftwerkzeuge zum allgemeinen Gebrauch z. B. für Stampfer, Meißelhämmer usw. verwendet werden. Insbesondere eignet sie sich gut zum Einbau in kleinster Ausbildung unmittelbar hinter dem Bohrmeißel beim kombinierten drehenden und schlagenden Bohren, dem sogenannten Vibrobohren, nicht zuletzt, weil das Gehäuse nur dünn·- wandig zu sein braucht und große Leistungen auf kleinstem Raum untergebracht werden können. Die Steuerung kann auch bei drehend arbeitenden Kolbendruckluftmaschinen mit Kurbeltrieb mit Vorteil an-

ao gewendet werden.

Claims (9)

1. PATENTANSPRÜCHE: *5

   i. Mit Druckluft oder Druckgas betriebene Bohreinrichtung, insbesondere für Tiefbohrungen, welche in Form eines innerhalb eines Zylinders angeordneten, als Stufenkolben ausgebildeten Schlagkolbens in das Bohrloch einführbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die für den Schlaghub wirksame Seite des Schlagkolbens ständig ungesteuert mit der Druckmittelzufuhr in Verbindung steht.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine in einer mittleren Bohrung des Schlagkolbens geführte hohle Kolbenstange für die Druckmittelzufuhr zum Schlagkolben.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Bohrung des Schlagkolbens über von der Kolbenstange am Ende des Schlaghubes freigegebene Öffnungen mit dem Ringraum des Schlagkolbens in Verbindung steht.
4. 4. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder am oberen Ende mit einer Erweiterung (12) versehen ist, derart, daß der Auspuff des Druckmittels am Ende des Rückhubes und am Anfang des Schlaghubes erfolgt.
5. 5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Kolbenwegstrecken für den Auspuff des Druckmittels gleich lang sind.
6. 6. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Auspuff zum Bohrloch hin durch eine nach Art von Rückschlagventilen ausgebildete Absperrmanschette versehen ist.
7. 7. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlagkolben an seinem oberen Ende durch seinen Stufenansatz und unterhalb desselben, vorzugsweise in der Nähe seines unteren Endes, durch Ansätze (4) im Zylinder geführt ist.
8. 8. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 7, gekennzeichnet durch zwei Nutrimgmanschetteo (7, 8) zur Abdichtung der zentralen Kolbenstange im oberen Teil des Schlagkolbens, wovon die untere (vordere) kurz vor dem Aufschlag über das Kolbenstangenende herausgleitet und so die Luftzufuhr für den Rückhub über Durchbrüche

   zwischen beiden Manschetten freigibt, während die obere (hintere) Manschette die Kolbenstange ständig umgibt.
9. 9. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zentrale Kolbenstange in der Bohrung des Schlagkolbens dichtend geführt

   oder mit Labyrinthkammerin. versehen ist und der Schlagkolben mit einer zusätzlichen Hilf sauslaßbohrung (14) oder einem Kanal versehen ist, die den Hilfsauspufl genau dann freigibt, wenn die Einlaßdurchbrüche im Schlagkolben von der Kolbenstange abgedeckt sind

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen