DE4343589C1 - Fluidbetätigter Schlaghammer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen fluidbetätigten Schlagham­ mer zum Vortreiben von Gegenständen im Erdboden, und insbesondere einen Schlaghammer mit dem ein Bohrstrang in den Boden hinein vorgetrieben werden kann.

Aus DE 25 12 731 A1 und DE 24 61 633 B1 sind hydraulische Schlaghämmer bekannt, die einen in einem Arbeits­ zylinder bewegbaren Arbeitskolben aufweisen. Der Ar­ beitskolben führt einen Arbeitshub aus, an dessen Ende er auf einen mit dem Bohrgestänge verbundenen Amboß schlägt, und anschließend einen Rückhub. Die Arbeits­ hübe und Rückhübe des Arbeitskolbens werden von einem Steuerkolben gesteuert, der seinerseits in Abhängigkeit der jeweiligen Stellung des Arbeitskolbens gesteuert wird. Derartige Schlaghämmer eignen sich für einen wirksamen Vortrieb von Gegenständen in das Erdreich.

Schwierigkeiten ergeben sich häufig, wenn Gegenstände, wie zum Beispiel Bohrrohre, wieder aus dem Boden herausgezogen werden sollen. An dem unteren Ende eines Bohrstranges befindet sich eine kegelige Bohrkrone. Beim Zurück­ ziehen des Bohrstranges zieht sich diese Bohrkrone mit einem Dübeleffekt am Bohrloch fest. Üblicherweise wird dann beim Zurückziehen der Schlaghammer betätigt, um das Bohrgestänge in Vibration zu versetzen und das Rohr freizubekommen.

Aus DE 41 13 323 A1 ist ein Schlagwerk für ein Bohrge­ stänge bekannt, bei dem die Schlagrichtung des Schlag­ kolbens durch Umsetzen des Schlagwerks umkehrbar ist. Diese Lösung setzt voraus, daß das Gehäuse an beiden Enden offen ausgebildet ist. Das Umsetzen des Schlag­ werks erfordert einen erheblichen Montageaufwand und ist in der Praxis auf der Baustelle kaum durchführbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen fluid­ betätigten Schlaghammer zu schaffen, der ohne Umrüstar­ beiten sowohl zum Vortreiben von Gegenständen in das Erdreich als auch zum Herausziehen benutzbar ist.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen.

Der erfindungsgemäße Bohrhammer weist außer dem Ar­ beitskolben einen Gegenschlagkolben auf, der auf den Adapter einwirkt und Gegenschläge auf diesen ausübt. Diese Gegenschläge werden natürlich nur dann ausgeübt, wenn der Arbeitskolben entweder stillsteht oder seinen Rückhub durchführt. Demnach ist es möglich, den Gegen­ schlagkolben beim Betrieb des Bohrhammers ständig aktiviert zu halten oder ihn abschaltbar zu machen.

Beim Rückwärtsschlagen werden nicht nur Vibrationen erzeugt, sondern nach hinten gerichtete Schläge, wo­ durch das Freikommen des zurückzuziehenden Gegenstandes erleichtert wird.

Die Erfindung ist insbesondere beim Bohren mit einem drehenden Bohrgestänge anwendbar, eignet sich aber auch zum Vortreiben und Zurückziehen anderer Gegenstände, zum Beispiel Spuntbohlen. Der Schlaghammer ist vorzugsweise am rückwärtigen Ende eines Bohrstrangs als Außenhammer angeordnet, jedoch kann er auch als Tieflochhammer aus­ gebildet sein, der im Zuge eines Bohrstranges nahe der Bohrkrone angeordnet ist.

Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform des Schlaghammers, bei der der Rückschlagkolben zeitlich gegenläufig zu dem Arbeitskolben Schläge ausführt, und

Fig. 2 eine abgewandelte Ausführungsform, bei der der Rückschlagkolben von einer eigenen Steuerein­ richtung gesteuert ist.

Der in Fig. 1 dargestellte Bohrhammer weist ein Hammer­ gehäuse 20 auf, in dem ein Arbeitszylinder 21 enthalten ist. In dem Arbeitszylinder 21 ist der Arbeitskolben 22 geführt. Das vordere Ende des Arbeitskolbens 22 schlägt auf eine Amboßfläche 23 eines Adapters 24, der in dem Hammergehäuse 20 in Grenzen längsverschiebbar geführt ist. Der Adapter 24 ist das Einsteckende, das aus dem Hammergehäuse 10 herausragt und an dem ein Bohrgestänge befestigt werden kann.

Mit "vorne", ist jeweils diejenige Richtung bezeichnet, die zum Bohrgestänge hinweist und mit "hinten" die ent­ gegengesetzte Richtung.

Der Arbeitskolben 22 weist eine nach vorne gerichtete ringförmige Arbeitsfläche 25 auf, die den ringförmigen vorderen Zylinderraum 26 begrenzt. Dieser Zylinderraum 26 ist über eine Leitung 27 ständig mit einer Drucklei­ tung 10 verbunden. Die Arbeitsfläche 25 begrenzt einen verdickten Abschnitt 28 des Arbeitskolbens. Die andere Begrenzung des Abschnitts 28 wird von einer Arbeits­ fläche 29 gebildet, an die sich ein dünnerer Abschnitt 30 anschließt. Hinter dem dünneren Abschnitt 30 folgt wieder ein dickerer Abschnitt 31, dessen rückwärtiges Ende von einer Arbeitsfläche 32 gebildet wird. Die Ar­ beitsfläche 32 begrenzt den rückwärtigen Zylinderraum 33 des Arbeitszylinders 21. Die Arbeitsfläche 32 ist größer als die Arbeitsfläche 25.

Die Arbeitsfläche 25 bewegt sich entlang einer Steuer­ nut 34 im vorderen Zylinderraum 26. Die Arbeitsfläche 29 bewegt sich entlang einer Steuernut 35. Im Bereich des dünneren Abschnitts 30 des Arbeitskolbens mündet eine mit der Rücklaufleitung 12 verbundene Leitung 36 in den Arbeitszylinder 21. Die Steuernuten 34 und 35 sind an eine Steuerleitung 37 angeschlossen. Der rück­ wärtige Zylinderraum 33 des Arbeitszylinders ist an eine Betriebsleitung 38 angeschlossen.

Die Steuerung des Arbeitskolbens 22 erfolgt durch den Steuerkolben 41, der in dem Steuerzylinder 40 bewegbar ist. Der Steuerkolben 41 ist als hohle Hülse ausgebil­ det. Da der Steuerzylinder 40 mit der Druckleitung 27 verbunden ist, herrscht im Innern des Steuerkolbens 41 stets der volle hydraulische Druck. Der Steuerkolben 41 weist an einem Ende eine erste Arbeitsfläche A1 auf, die ständig dem Druck ausgesetzt ist und radiale Rillen aufweist, so daß der Druck an ihr angreifen kann. Am entgegengesetzten Ende des Arbeitskolbens befindet sich eine zweite Arbeitsfläche A2, die kleiner ist als die Arbeitsfläche A1. Der Steuerkolben ist mit einem Ring­ kragen 42 versehen, der an einem Ende durch eine Steuerfläche A3 und am entgegengesetzten Ende durch eine stets drucklose Fläche A4 begrenzt ist, die mit der Rücklaufleitung 12 verbunden ist. Die Steuerfläche A3 ist dem Druck der Steuerleitung 37 ausgesetzt. Der Steuerkolben 41 ist ferner mit einer Ringnut 43 ver­ sehen, die in jeder Stellung des Arbeitskolbens mit der Rücklaufleitung 12 in Verbindung steht. Die Druck­ leitung 27 ist ein Druckgasspeicher 44, der als Puffer zur Glättung der hydraulischen Druckstöße angeschlossen ist.

Das bisher beschriebene Schlaggerät arbeitet wie folgt:
In dem in Fig. 1 dargestellten Zustand ist die Be­ triebsleitung 38 über das Innere des Steuerkolbens 41 mit der Druckleitung 27 verbunden, so daß auf die Ar­ beitsfläche 32 der volle Druck wirkt. Da die Ar­ beitsfläche 32 größer ist als die Arbeitsfläche 25, auf die ebenfalls der volle Druck wirkt, führt der Ar­ beitskolben 22 seinen nach vorne gerichteten Arbeitshub aus, an dessen Ende er auf die Amboßfläche 23 schlägt.

Sobald die Arbeitsfläche 25 die Steuernut 34 passiert hat, wird die Steuerleitung 37 von der Druckleitung 27 abgetrennt. Wenn die Steuerfläche 29 die Steuernut 35 passiert hat, wird die Steuerleitung 37 über die Nut 35 mit der Leitung 36 verbunden und dadurch drucklos. Somit wirkt auf die Steuerfläche A3 des Steuerkolbens 41 kein Druck mehr. Der Steuerkolben wird zurückbewegt, weil die Kraft, die auf die Arbeitsfläche A1 ausgeübt wird, die Kraft übersteigt, die von demselben Druck auf die Arbeitsfläche A2 ausgeübt wird. Wenn der Steuer­ kolben seine obere Endstellung erreicht hat, wird die Betriebsleitung 38 von dem Lieferdruck getrennt und über die Ringnut 43 mit der Rücklaufleitung 12 ver­ bunden. Dadurch wird der Rückhub des Arbeitskolbens 22 bewirkt. Sobald beim Rückhub die Nut 35 von dem ver­ dickten Abschnitt 28 abgesperrt ist und die Nut 34 von der Arbeitsfläche 25 freigegeben wird, entsteht in der Steuerleitung 37 der volle Druck, der auf die Steuer­ fläche A3 wirkt und den Steuerkolben in die untere End­ stellung treibt. Die Summe der Arbeitsfläche A2 und der Steuerfläche A3 ist größer als die Arbeitsfläche A1.

Es sei angenommen, daß das Hammergehäuse 20 zum Vor­ treiben des Bohrstranges nach vorne gedrückt wird. Der Bohrstrang stützt sich an der Bohrlochsohle ab, so daß der Adapter 24 in das Hammergehäuse 20 hineingedrückt wird. Diese axiale Bewegung des Adapters 24 wird durch die Keilverzahnung 45 des Adapters 24 begrenzt. Diese Keilverzahnung ist in einem Hohlraum 46 des Hammergehäuses 20 in Grenzen bewegbar. In die Keilnuten greift ein (nicht dargestellter) Drehantrieb zum Drehen des Adapters 24, und über diesen des Bohrgestänges, ein. Beim Vorschub des Hammergehäuses 20 befindet sich der Adapter 24 in seiner rückwärtigen Endstellung, in der der Arbeits­ kolben 22 Schläge auf die Amboßfläche 23 ausübt. Bei jedem Schlag kann sich der Adapter 24 innerhalb des von dem Hohlraum 46 gebildeten Freiraumes axial bewegen. Wird dagegen das Hammergehäuse 20 zurückgezogen, so nimmt die Keilverzahnung 45 innerhalb des Hohlraums 46 ihre vordere Endstellung ein. Diese vordere Endstellung wird durch einen Abstandhalter 47 begrenzt, der als Rohrhülse ausgebildet ist und den Adapter 24 umgibt. Der Abstandhalter 47 ist an der vorderen Stirnfläche des Hammergehäuses 20 abgestützt und sein rückwärtiges Ende 48 dient als Stützschulter zur Begrenzung der Vor­ wärtsbewegung des Adapters 24.

Der Abstandhalter 47 ist von dem Rückschlagkolben 50 umgeben, der längs der Hülse gleitet. Der Rückschlag­ kolben 50 weist einen Abschnitt 51 von vergrößertem Außendurchmesser auf. Der Abschnitt 51 ist durch eine Arbeitsfläche 52 begrenzt, der eine Steuerfläche 53 gegenüberliegt. Der Rückschlagkolben 50 ist in einem Rückschlagzylinder 54 des Hammergehäuses 20 verschieb­ bar. Der von der Arbeitsfläche 52 begrenzte vordere Zylinderraum ist über eine Leitung 55 mit der Druck­ leitung 10 verbunden und somit ständig dem vollen Druck ausgesetzt. Der rückwärtige Zylinderraum, der durch die Steuerfläche 53 begrenzt wird, ist über eine Steuerleitung 56 mit dem Zylinderraum 33 des Ar­ beitszylinders oder der Betriebsleitung 38 verbunden. Die Steuerfläche 53 hat einen größeren Querschnitt als die Arbeitsfläche 52. Während des Rückhubes des Ar­ beitszylinders 22 ist der rückwärtige Zylinderraum 33 des Arbeitszylinders drucklos, so daß auch die rück­ wärtige Steuerfläche 53 des Rückschlagkolbens 50 druck­ los wird und der Rückschlagkolben gegen den Flansch am rückwärtigen Ende 48 des hülsenförmigen Abstandhalters 47 schlägt.

Auf die beschriebene Weise wird der Rückschlagkolben 50 zusammen mit dem Arbeitskolben 22 von der Steuerein­ richtung gesteuert. Die Steuerung beider Kolben erfolgt um 180° phasenverschoben. Dies bedeutet, daß der Rückschlagkolben 50 seinen Schlag ausführt, während der Arbeitskolben 22 seinen Rückhub ausführt. Dadurch wird vermieden, daß die Schläge des Rückschlagkolbens die Schlagenergie des Arbeitskolbens vermindern. Ferner ist zu berücksichtigen daß bei einem Vortrieb des am Adapter 24 befestigten Bohrstranges eine Vorschubkraft auf das Hammergehäuse 20 wirkt, so daß die rückwärtige Anschlagfläche 57 der Keilverzahnung 45 an einer nach vorne gerichteten Begrenzungsfläche 58 des Hohlraums 46 anliegt, so daß der Abstandhalter 47, auf dessen Ende 48 der Rückschlagkolben 50 schlägt, einen axialen Be­ wegungsspielraum hat. Dadurch wird vermieden, daß beim Vortrieb die Schläge des Rückschlagkolbens 50 auf den Adapter 24 und den Bohrstrang wirken.

Beim Zurückziehen des Hammergehäuses 20 liegt dagegen die vordere Gegenschlagfläche 59 der Keilverzahnung 45 an der rückwärtigen Endfläche 60 des Abstandhalters 47 an. Die Schläge des Rückschlagkolbens 50 werden über das rückwärtige Ende 48 des Adapters auf die Gegenschlag­ fläche 59 des Adapters 24 übertragen. Auch beim Zurück­ ziehen des Hammergehäuses 20 ist der Arbeitskolben 22 in Betrieb. Die Schläge des Arbeitskolbens gelangen dann aber nicht oder nur mit geringer Energie auf die Amboßfläche 23 des Adapters 24, weil der Adapter sich im Hammergehäuse in vorgeschobener Position befindet.

Zusammenfassend ist festzustellen, daß der Arbeitskol­ ben 22 und der Rückschlagkolben 50 stets beide gleich­ zeitig in Betrieb sind, daß aber beim Vorschub nur die Schläge des Arbeitskolbens 22 auf den Adapter 24 über­ tragen werden und daß beim Zurückziehen des Hammer­ gehäuses nur die Schläge des Rückschlagkolbens 50 auf den Adapter 24 übertragen werden.

Das Ausführungsbeispiel von Fig. 2 gleicht weitgehend demjenigen der Fig. 1, wobei der Arbeitskolben und die Steuereinrichtung für den Arbeitskolben in Fig. 2 nicht dargestellt sind. Unterschiedlich ist, daß der Rück­ schlagkolben 50a in Fig. 2 eine eigene Steuerein­ richtung 70 aufweist, die unabhängig ist von der Steuereinrichtung des Arbeitskolbens.

Der Rückschlagkolben 50a ist mit einer nach vorne ge­ richteten Steuerkante 71 versehen, auf die der Druck einer Betriebsleitung 72 wirkt. Ferner ist der Rück­ schlagkolben mit einer nach hinten gerichteten Ar­ beitskante 73 versehen, die dem Druck einer Leitung 74 ausgesetzt ist, welche mit einer Druckleitung 10a ver­ bunden ist. Der Rückschlagkolben 50a weist ferner eine langgestreckte Umfangsnut 75 auf, die sich in jeder Stellung des Rückschlagkolbens im Bereich einer Leitung 76 befindet, welche mit der Rücklaufleitung 12 ver­ bunden ist. Ferner führt vom Rückschlagzylinder 54a eine Steuerleitung 77 zu der Steuereinrichtung 70. Von der Leitung 77 führt eine Zweigleitung 78 in der Nähe der Leitung 74 in den Rückschlagzylinder 54a.

Die Steuerfläche 71 hat einen größeren Querschnitt als die ständig dem Hochdruck ausgesetzte Arbeitsfläche 73. Wenn die Leitung 72 drucklos wird, bewegt sich der Rückschlagkolben 50a nach vorne. Dabei wird die Leitung 77 von der Nut 75 und von der Rücklaufleitung 76 ab­ getrennt, während die Zweigleitung 78 mit Druck beauf­ schlagt wird. Der Druck in der Steuerleitung 77 steuert den Steuerkolben 80 in diejenige Position, in der die Betriebsleitung 72 mit Druck beaufschlagt wird. Dadurch wird der Rückschlagkolben beschleunigt, um auf das Ende 48 des Abstandhalters 47 zu schlagen und dieser Schlag wird auf die Gegenschlagfläche 59 des Adapters 24 über­ tragen. Gelangt der Rückschlagkolben 50a in seine rück­ wärtige Endstellung, dann verbindet die Nut 75 die Leitung 77 mit der drucklosen Leitung 76 und die Zweig­ leitung 78 wird abgesperrt. Dadurch wird die Steuer­ leitung 77 drucklos und der Steuerkolben 80 wird in diejenige Position verschoben, in der er die Betriebs­ leitung 72 mit der Rücklaufleitung 12 verbindet.

Der Rückschlagkolben 50a hat nicht nur eine eigene Steuereinrichtung 70, sondern auch einen mit der Druck­ leitung 11a verbundenen eigenen Druckgasspeicher 81.

Gemäß Fig. 2 ist eine Umschaltvorrichtung 85 in Form eines Schaltventils vorgesehen, das eine von einer Druckquelle kommende Druckleitung 14 entweder mit der in den Arbeitszylinder 21 führenden Druckleitung 10 oder mit der in den Rückschlagzylinder 54a führenden Druckleitung 10a verbindet. In der gezeichneten Stel­ lung der Umschaltvorrichtung 85 ist die Druckleitung 10 mit der Leitung 14 verbunden. Folglich wird nur der Arbeitskolben 22 betätigt, während der Rückschlagkolben 50a abgeschaltet ist. Wird die Umschaltvorrichtung 85 in die andere Position umgeschaltet, ist der Ar­ beitskolben 22 inaktiv und der Rückschlagkolben 50a wird betätigt. Die Umschaltvorrichtung 85 wird zweck­ mäßigerweise in Abhängigkeit von der Bewegung der Vor­ schubvorrichtung betätigt, die das Hammergehäuse 20 entweder vorschiebt oder zurückzieht. Ist die Vorschub­ vorrichtung auf Vorschub geschaltet, dann wird automa­ tisch die Umschaltvorrichtung 85 in die in Fig. 2 dar­ gestellte Position geschaltet, und ist die Vorschubvor­ richtung auf Zurückziehen geschaltet, dann wird die Umschaltvorrichtung 85 so umgeschaltet, daß sie die Druckleitung 10a mit der Leitung 14 verbindet.

Claims (6)

1. Fluidbetätigter Schlaghammer zum Vortreiben von Gegenständen im Erdboden, mit
einem Hammergehäuse (20), das einen Ar­ beitszylinder (21) enthält, in dem ein Ar­ beitskolben (22) bewegbar ist,
einer Steuereinrichtung zum Einleiten von Druckfluid in den Arbeitszylinder (21) der­ art, daß der Arbeitskolben (22) abwechselnd vorwärtsgerichtete Arbeitshübe und Rückhübe ausführt,
wobei der Arbeitskolben (22) beim Arbeitshub gegen eine Amboßfläche (23) eines mit dem vor­ zutreibenden Gegenstand verbindbaren Adapters (24) schlägt,
dadurch gekennzeichnet, daß ein Rückschlagkolben (50; 50a) vorgesehen ist, der Schläge auf eine der Amboßfläche (23) ent­ gegengerichtete Gegenschlagfläche (59) des Adapters (24) ausübt.

2. Schlaghammer nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Adapter (24) mit Längsspiel in dem Hammergehäuse (20) geführt ist, daß ein Ab­ standhalter (47) vorgesehen ist, der den Schlagweg des Adapters (24) begrenzt und daß der Rückschlag­ kolben (50; 50a) als Ringkolben ausgebildet ist, der den Adapter (24) und den Abstandhalter (47) umgibt.

3. Schlaghammer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Rückschlagkolben (50) zusam­ men mit dem Arbeitskolben (22) von derselben Steuereinrichtung gesteuert ist.

4. Schlaghammer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Rückschlagkolben (50a) von einer eigenen Steuereinrichtung (70) unabhängig von der Steuerung des Arbeitskolbens (22) ge­ steuert ist.

5. Schlaghammer nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Umschaltvorrichtung (85) vor­ gesehen ist, die entweder die Steuereinrichtung des Arbeitskolbens (22) oder die Steuer­ einrichtung (70) des Rückschlagkolbens (50a) aktiviert.

6. Schlaghammer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenschlagfläche (59) die Endfläche einer Keilverzahnung (45) ist, an der ein Drehantrieb zum Drehen des Adapters (24) angreift.