Drehschlagbohrverfahren und Drehschlagbohrmaschine für Gestein und andere entsprechend harte Stoffe Bei bergbaulichen Arbeiten, insbesondere bei der Herstellung von Sprenglöchern, erfolgt das Bohren entweder mittels eines Drehbohrers, der ständig um läuft und durch einen, insbesondere bei hartem Ge stein ausserordentlich erheblichen Anpressungs- druck gegen die Bohrsohle gepresst wird, oder durch das Schlagbohrverfahren, bei dem der Bohrer durch in kurzen Abständen erfolgende Stösse gegen die Bohr sohle geschlagen wird und nach jedem Schlag das Umsetzen des Bohrers erfolgt.
Es ist auch schon eine Vereinigung dieser beiden Bohrverfahren bekannt, wobei nach dem Schlagbohrverfahren ein Einkerben der Bohrsohle erfolgt und nach dem Drehbor verfahren das zwischen aufeinanderfolgend geschla genen Einkerbungen vorhandene Gestein gleichzeitig abgebohrt wird.
Das letzterwähnte Verfahren bietet zwar die meisten Vorteile; es ist aber, trotzdem es seit langem bekannt ist, praktisch kaum zur Anwendung gelangt. Ein Grund dafür lag darin, dass bei den mit diesem Verfahren angestellten Versuchen Schlagbohrhämmer verwendet wurden, deren Schlagzahl die übliche Grösse bis zu 1800, jedenfalls unter 2000 Schlägen, in der Minute hatte. Es musste hier für die Dreh bohrarbeit zusätzlich zu der Schlagarbeit ein sehr erheblicher Andruck des Bohrers gegen das Gestein vorgenommen werden, der vielfach so hoch war, dass die Bohrstange sich durchbog und nicht imstande war, den hohen Druck auf die Bohrsohle zu über tragen.
Um diesem Nachteil abzuhelfen, ist ein Bohr verfahren vorgeschlagen worden, bei dem die Schlag zahl des Schlaghammers auf über 2000 Schläge/min erhöht ist. Hierdurch wird zwar eine sehr erhebliche Verbesserung des Verfahrens erzielt, und es lassen sich erheblich grössere Bohrleistungen herausholen, als bei den früher verwendeten niedrigeren Schlag zahlen, trotzdem hat dieses Verfahren nicht zu einem voll befriedigenden Ergebnis geführt.
Neuere Forschungsarbeiten auf diesem Gebiete und insbesondere eine genaue Untersuchung der Art der Abnutzung der Bohrer haben ergeben, dass durch die Schlagarbeit an den Schneidkanten eine unebene, kraterartige Oberfläche erzeugt wurde, während die Dreharbeit eine die Schneidkanten ab plattende, also stark abstumpfende Wirkung aus übte.
Gemäss dem Verfahren nach der Erfindung wirf bei einer Wucht des Hammers von 0,8 bis 1,8 mkg pro cm Bohrerschneidkante das Verhältnis der Dreh zahl des Bohrers zu seiner Schlagzahl so eingestellt, dass eine der Materialhärte entsprechende Kerbfolge erhalten wird, die bei weicherem Material etwa 6 bis 9 mm, bei mittelhartem Material etwa 3-6 mm und bei härterem Material etwa 1-3 mm, gemessen am Umfang des Bohrloches, beträgt.
Die Drehschlagbohrmaschine nach der Erfindung zur Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens ist so eingerichtet, dass sie ein Übersetzungsgetriebe zur Veränderung der Drehzahl des Bohrers aufweist.
Die Wucht eines mit einem Druckmittel be triebenen Schlagmotors kann durch Änderung des Druckes der Druckmittel entsprechend geändert werden. Achtet man darauf, dass die Wucht des. Bohrers das Mass von 0,8-1,8 mkg pro cm Schneid kantenlänge entsprechend der Härte des zu bear beitenden Gesteins erreicht, so kann ein verhältnis mässig geringer Andruck des Bohrers notwendig sein, der nur einen Bruchteil des sonst üblichen Bohrdruckes beträgt und keinesfalls mehr bis zu 0 kg und darüber. Bei Bohrern mit grösseren, Durchmessern, beispielsweise von 60 bis 80 mm, kann der Andruck bei etwa 600 bis 700 kg liegen, während bei Kleinkaliberbohrern von z.
B. etwa 30 mm 0, die als Einfachmeissel eine Schneidkanten- länge von etwa 26 bis 28 mm besitzen können, der erforderliche Andruck unter 100 kg liegen kann, so dass es möglich ist, Bohrarbeiten mit solchen Bohrern unmittelbar von Hand mit einem der gebräuch lichen Bohrknechte auszuführen, ohne dass hierfür verspannte Bohrsäulen oder Bohrungen notwendig werden.
Die Zeichnung zeigt in Fig. 1 und 2 zwei ver schiedene Drehschlagbohrmaschinen zur Ausführung des Bohrverfahrens nach der Erfindung, und zwar ist Fig. 1 ein Schnitt durch eine Gesteinsbohr maschine mit dem Drehantrieb für den Bohrer und mit angebautem Schlagmotor, dessen Hammer un mittelbar auf das Bohrgestänge arbeitet.
Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der nach der Erfindung, die ge genüber Fig. 1 eine andere Ausführung des Bohr gestänges und des Drehantriebes aufweist.
Fig. 3 ist eine graphische Darstellung der für verschieden harte Gesteinsarten erforderlichen Um drehungszahlen des Bohrers bei einer bestimmten Schlagzahl und bei verschiedenen Bohrerdurchmes- sern.
Fig. 4 ist eine schematische Darstellung -der Kerbdichte bei verschieden harten Gesteinsarten. Bei beiden Ausführungen Fig. 1 und 2 ist 1 das Gehäuse einer Bohrmaschine mit gleichzeitig rotie rendem und schlagendem Bohrer, in das in bekann ter Weise der Rotor 2 eingebaut ist. Der Antrieb des Rotors zum Drehen des Bohrers erfolgt durch Druck luft oder Druckflüssigkeit. Der Rotor sitzt gemäss Fig. 1 auf einer Welle 3, mit der er durch das Ge winde 4 verbunden ist.
Die Welle 3 läuft in Kugel lagern 5, und zur Erzielung eines leichten Laufes von Welle 3 und Rotor 2 im Gehäuse dient eine ver stellbare Verschraubung 6, die in den Deckel am vordern Ende des Gehäuses 1 eingeschraubt ist und in der jeweiligen Einstellage durch eine Stellschraube 7 festgestellt werden kann. Die Welle 3 ist in der Achsrichtung durchbohrt, und zwar ist die Bohrung in dem vordern Teil 8 der Welle zylindrisch, dagegen in dem hintern Teil 9 vierkantig. Sie dient zur Auf nahme der Bohrstange 10 mit dem nicht gezeich neten Bohrer, deren Einsteckende ebenfalls mit einem zylindrischen und einem vierkantigen Teil ver sehen ist.
Das Einsteckende ist in axialer Richtung, in der Wellenbohrung leicht beweglich, sitzt aber passend in dem Vierkant, so dass der Bohrer bei der Drehung -des Rotors ohne Spiel mitgenommen wird.
Gemäss Fig. 1 ist am hintern Ende des Bohr maschinengehäuses 1 ein Schlagmotor 11 angebracht, dessen als Schlaghammer wirkender Kolben 12 unabhängig von dem Antrieb des Rotors durch Druckflüssigkeit oder Pressluft bewegt wird. Ein in die Druckmittelzuleitung eingefügtes Ventil 13 dient zur Vorwärts- und Rückwärtssteuerung des Kolbens in sehr rascher Folge. Das Einsteckende der Bohrstange ragt in den Hubraum des Schla- hammers hinein.
Der Hubraum ist vor und hinter dem Kolben so bemessen, dass bei jeder Hubbewe gung der Kolben auf das freie Ende der Bohrstange eine starke Schlagwirkung ausübt und dadurch den Bohrer gegen das Gestein drückt. Zur Dämpfung der Schläge ist der Kolben mit einer Einlage 12a aus Gummi oder einem sonstigen federnden Werkstoff versehen.
Die Zuführung der Druckluft oder der Druck flüssigkeit zu dem Drehmotor 2 erfolgt durch den Stutzen 30, in den zur Regelung des Druckmittel druckes- zur Einstellung der Drehzahl des Rotors ein Drosselventil 31 eingebaut ist, während die Zu führung der Druckflüssigkeit oder der Druckluft zu dem Schlagmotor durch einen Stutzen 32 vorgenom men wird, der ebenfalls mit einem Drosselventil 33 versehen ist, um durch Änderung des Druckes des in den Schlagmotor gelangten Druckmittels die Wucht des Hammers der jeweiligen Gesteinshärte anpassen zu können.
Die Arbeitsweise ist demnach so, dass während der Drehung des Bohrers durch den Rotor des Drehantriebes der Bohrmaschine der Bohrer zu sätzlich durch den mindestens 2000 bis etwa 6000, am besten 3000 Schläge pro Minute ausführenden Kolben des Schlaghammers ständig gegen die Bohr lochsohle gedrückt wird.
Die Ausführung nach Fig. 2 unterscheidet sich von der in Fig. 1 dadurch, dass der Kolben 12 des Schlagmotors einen Schlagbolzen 14 aufweist, mit dem er in die Bohrung der Rotorwelle einfasst. Der Kolben erhält dadurch bei seinen vibrierenden Be wegungen eine bessere Führung und das Einsteck ende der Bohrstange wird entsprechend kürzer.
Nach Fig. 2 wirkt der Rotor 2 des Drehmotors auf eine Hohlwelle 34, die an ihrem obern Ende einen Zahnkranz 35 trägt. Letzterer kämmt mit einem Zahnrad 36, auf dessen Welle 37 ein weiteres Zahnrad 38 sitzt. Dieses ist wiederum mit einem Zahnrad 39 in Eingriff. Das Zahnrad 39 sitzt auf einer Hülse 40, die in der Welle 34 drehbar ist und entsprechend der Welle 3 in Fig. 1 mit der Bohrstange 10 in Verbindung steht. Die Zahnräder sind auswechselbar, so dass die Übersetzung von dem Rotor 2 auf die Bohrstange verschieden eingerich tet werden kann.
Die Folge der durch den Bohrer an der Boh rungssohle erzeugten Kerben, das heisst die Kerb- dichte, ergibt sich aus folgender Formel:
EMI0002.0048
wobei Kd die Kerbfolge oder Kerbdichte am Umfang des Bohrloches ist, S die Schlagzahl des Hammers des Schlagmotors, D der Bohrerdurchmesser und n die Drehzahl des Rotors und Bohrers oder
EMI0003.0002
Bohrt man beispielsweise ein mittelhartes Gestein mit einer Härte von 45 bis 95 nach Shore, so würde die bei einer Schlagzahl von 3000 sich ergebende Umdrehungszahl des Bohrers
EMI0003.0005
unter der Annahme,
dass der Bohrerdurchmesser L' = 40 mm und die für das erwähnte Gestein zweckmässigste Kerbfolge Kd = 4 mm beträgt.
Bei weicherem Gestein mit Shore-Härten von 20 bis 45 wäre je nach der Härte in die obige Formel für Kd anstatt 4 mm, 6 bis 9 mm einzusetzen, und bei härterem Gestein mit Shore-Härten von 95 bis 120, 1 bis 3 mm.
Aus der Fig. 3 kann man graphisch bei einer bestimmten Schlagzahl, nämlich bei einer Schlag zahl von 3000/min für weichere, mittelharte und härtere Gesteine<I>a, b</I> und c die erforderliche Um drehungszahl des Bohrers ermitteln.
Das Diagramm zeigt als Ordinate die Gesteinshärten nach Shore und die dementsprechenden nach den gemachten Versuchen erforderlichen Kerbfolgen in mm und auf einer ersten Abszisse die dazugehörigen Dreh zahlen des Bohrers bei mit den verschiedenen Kurven angegebenen Bohrerdurchmessern. Darunter ist je auf einer weiteren Abszisse noch anstelle der Drehzahl der Drehungswinkel des Bohrers von Kerbschlag zu Kerbschlag angegeben, darunter die Schlagzahl des Bohrers pro Umdrehung bei 3000 Schlägen/min und schliesslich die Drehzahl des Bohrers bei 6000 Schlägen/min.
Ein zweiter zu berücksichtigender Punkt ist, dass die Wucht des Hammers bzw. des Bohrers aus reichend ist, um die erforderliche Einkerbung im Gestein vorzunehmen. Versuche haben ergeben, dass eine Wucht von etwa 0,8-1,8 mkg/cm Schneidkantenlänge je nach der Härte des Gesteins notwendig ist, um das gewünschte Resultat zu er zielen.
Durchgeführte Versuche haben bei einer Schlag zahl des Bohrers von 3000/min folgende Ergeb nisse gezeigt:
EMI0003.0022
Bohrer <SEP> Drehzahl <SEP> des <SEP> Bohrers <SEP> Schlagzahl <SEP> Kerbabstand <SEP> Verschleissbreite <SEP> Bohrleistung
<tb> o <SEP> mm <SEP> (an <SEP> der <SEP> Bohrstange <SEP> gemessen) <SEP> je <SEP> Umdrehung <SEP> am <SEP> Bohrlochumfang <SEP> am <SEP> Bohrerumfang <SEP> cm/min.
<tb> 40 <SEP> 560/min <SEP> 5,3 <SEP> 23,6 <SEP> mm <SEP> 5,3 <SEP> mm <SEP> 97,0
<tb> 40 <SEP> 420/min <SEP> 7,1 <SEP> 17,6 <SEP> mm <SEP> 4,0 <SEP> mm <SEP> 99,0
<tb> 40 <SEP> 245/min <SEP> 12,3 <SEP> 10,2 <SEP> mm <SEP> 2,3 <SEP> mm <SEP> 99,0
<tb> 40 <SEP> 210/min <SEP> 14,3 <SEP> 8,8 <SEP> mm <SEP> 2,0 <SEP> mm <SEP> 110,6
<tb> 40 <SEP> 150/min <SEP> 20,0 <SEP> 6,3 <SEP> mm <SEP> 1,
3 <SEP> mm <SEP> 120,0 Die Tabelle zeigt, dass mit der Verringerung der Drehzahl, das heisst mit der Annäherung der Kerb- folge an die oben angegebenen Bestzahlen, die Ver schleissbreite am Umfang des Bohrers abnimmt und vor allen Dingen die Bohrleistung ganz erheblich zunimmt.
Es ist also ersichtlich, dass trotz Verringerung der Drehzahl des Bohrers sich die Bohrleistung vergrössert. Das gilt natürlich nur bei einer Ver minderung der Drehzahl bis zu einem gewissen Grade, nämlich bis dahin, bei dem die oben ange gebene günstige Kerbfolge erreicht ist. Würde man die Umdrehungszahl noch weiter verringern, dann würde die Leistung wieder entsprechend sinken.
Zur Durchführung dieses geschilderten Bohr verfahrens verwendet man deshalb Bohrmaschinen, bei denen bei der erforderlichen Wucht das Ver hältnis von Drehzahl des Bohrers zu seiner Schlag zahl einstellbar ist, so dass sich eine regelmässige Kerbfolge ergibt, deren Kerbdichte der Härte des zu bearbeitenden Gesteins entspricht, das heisst bei einer bestimmten Schlagzahl muss die Maschine dem Bohrer eine solche Umdrehungszahl erteilen, dass die durch die Versuche bestimmte günstigste, für das betreffende Gestein kritische Kerbfolge oder Kerb- dichte erzielt wird.
Natürlich braucht man sich nicht auf Einteilung der Materialien in drei Härtegruppen, also auf weichere, mittelharte und härtere Gesteine und Stoffe zu beschränken, sondern man kann die Mate- rialhärten auch in mehr oder in weniger als drei Gruppen einteilen.
Die Einstellung der Bohrmaschine bezüglich der Bohrerdrehzahl kann bei beiden gezeichneten, mit Druckmittel-, z. B. Pressluftdrehantrieb des Bohrers versehenen Maschinen erfolgen, indem man den Druck des zugeführten Druckmittels durch das Drosselventil 31 entsprechend drosselt; die Ein stellung bei der Maschine gemäss Fig. 2 ist auch durch das Übersetzungsgetriebe möglich. Es kann auch umgekehrt, ausgehend von einer bestimmten Umdrehungszahl oder Umfangsgeschwindigkeit des Bohrers, die Schlagzahl entsprechend eingestellt wer den, z.
B. durch Änderung des Druckes des Antriebs mittels durch Einstellung des Drosselventils 33 in Fig. 1 bzw. 2.
Auf alle Fälle soll die Schlagzahl des Schlag motors 2000 bis 6000 Schläge betragen. Bei einer Schlagzahl von z. B. 3000 soll die Drehzahl unter 220 liegen und bei einer Schlagzahl von etwa 6000 unter 440. Aus diesen Angaben lassen sich die höchsten Drehzahlen bei dazwischen-, darunter- oder darüberliegenden Schlagzahlen leicht interpolieren.
Wenn eine Änderung der Drehzahl des Dreh antriebmotors zwecks Anpassung an verschiedene Gesteinshärten in sehr erheblichem Masse notwendig ist, kann man auch mehrere Drehantriebsmotoren mit verschiedener Normaldrehzahl für wahlweise zur Arbeit zu verwendende Bohrmaschinen vorsehen, um nicht eine zu starke Drosselung der Antriebsdruck- luft und damit eine zu erhebliche Verminderung des jeweiligen Drehmomentes zu erhalten.
Fig. 4 zeigt noch die Anordnung der am Bohr lochgrund zu erzeugenden Kerben bei den drei vor erwähnten Gesteinshärtegruppen. Der Kreis stellt die Bohrsohle dar. Die radialen Striche sind die Stellen, an denen die Schneide des rotierenden Bohrers beim Schlagen auftrifft. a ist der Abstand dieser Kerben am Umfang bei weicherem Gestein, b bei mittelhartem Gestein und c bei härterem Gestein. Es ist ersichtlich, dass die Kerbdichte bei den verschiedenen Gesteinsarten verschieden ist.