CH657664A5

CH657664A5 - IMPACT DRILLING DEVICE.

Info

Publication number: CH657664A5
Application number: CH222382A
Authority: CH
Inventors: Guenter Klemm
Original assignee: Hydroc Gmbh
Priority date: 1981-04-16
Filing date: 1982-04-13
Publication date: 1986-09-15
Also published as: FR2504049A1; DE3115361A1; FR2504049B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Schlag-Bohrvorrichtung mit einer hydraulischen Schlagvorrichtung für einen Bohrstrang, einer den Bohrstrang vortreibenden Vorschubeinrichtung und einem den Bohrstrang drehenden Drehmotor, bei welcher die Schlagvorrichtung die folgenden Elemente aufweist: The invention relates to a hammer drilling device with a hydraulic hammer device for a drill string, a feed device driving the drill string and a rotary motor rotating the drill string, in which the hammer device has the following elements:

- einem in einem Arbeitszylinder bewegbaren Arbeitskolben, a working piston movable in a working cylinder,

- einen die Druckzufuhr zum Arbeitszylinder steuernden, in einem Steuerzylinder bewegbaren Steuerkolben, a control piston which controls the pressure supply to the working cylinder and is movable in a control cylinder,

- eine von dem Arbeitszylinder zu dem Steuerzylinder führende Steuerleitung, die über axial zu dem Arbeitszylinder gestaffelte, nacheinander durch ein Steuerteil blockierbare Öffnungen mit unterschiedlichen Stellen des Arbeitszylinders verbindbar ist, a control line leading from the working cylinder to the control cylinder, which can be connected to different positions of the working cylinder via openings which are staggered axially to the working cylinder and can be blocked one after the other by a control part,

- und eine an dem Arbeitskolben vorgesehene Steuerkante, die bei der Bewegung des Arbeitskolbens die Öffnungen nacheinander mit einer Druckleitung verbindet, a control edge provided on the working piston which connects the openings in succession to a pressure line when the working piston moves,

- wobei das Steuerteil ein Kolben ist, dessen Stellung sich in Abhängigkeit von der Grösse eines Steuerdrucks verändert. - The control part is a piston, the position of which changes depending on the size of a control pressure.

Bei einer bekannten Schlagvorrichtung (DE-PS 24 28 236) kann die Schlagfrequenz des Arbeitskolbens dadurch verändert werden, dass die Durchflussquerschnitte der Zweigleitungen, in die sich die Steuerleitung aufteilt, verändert werden. Die Umsteuerung des Steuerkolbens erfolgt in Abhängigkeit von der jeweiligen Stellung des Arbeitskolbens im Arbeitszylinder. Während des Rückhubs des Arbeitszylinders gibt die Steuerkante des Arbeitszylinders nacheinander Ringnuten frei, die mit den verschiedenen Zweigleitungen verbunden sind. Die freigegebenen Zweigleitungen werden dem vollen Versorgungsdruck ausgesetzt, so dass mit zunehmendem Rückhub des Arbeitskolbens der Druck in der zu dem Steuerzylinder führenden Steuerleitung erhöht wird. Der zeitliche Verlauf dieser Druckerhöhung in Abhängigkeit von der Stellung des Arbeitskolbens kann durch in den Zweigleitungen vorgesehene Absperr- oder Drosselelemente verändert werden, so dass auch der Umschaltzeitpunkt, in dem der Steuerkolben den Vorwärtshub des Arbeitskolbens einleitet, verändert werden kann. Die Absperr- oder Drosselelemente in den Zweigleitungen werden manuell eingestellt. Die Praxis hat gezeigt, dass eine einmal vorgenommene Einstellung dieser Absperr- oder Drosselelemente beibehalten wird, dass also das Bedienungspersonal die einmal eingestellte Schlaghäufigkeit nicht mehr verändert. Diese Schlaghäufigkeit hängt allerdings von der Grösse des Versorgungsdrucks ab. In a known impact device (DE-PS 24 28 236), the impact frequency of the working piston can be changed by changing the flow cross-sections of the branch lines into which the control line is divided. The control piston is reversed as a function of the respective position of the working piston in the working cylinder. During the return stroke of the working cylinder, the control edge of the working cylinder successively releases ring grooves which are connected to the various branch lines. The released branch lines are exposed to the full supply pressure, so that the pressure in the control line leading to the control cylinder increases with increasing return stroke of the working piston. The time course of this pressure increase as a function of the position of the working piston can be changed by shut-off or throttling elements provided in the branch lines, so that the changeover time at which the control piston initiates the forward stroke of the working piston can also be changed. The shut-off or throttling elements in the branch lines are set manually. Practice has shown that once these shut-off or throttling elements have been set, the operating personnel are no longer changed, that is to say the operating personnel no longer changes the stroke frequency once set. However, this frequency depends on the size of the supply pressure.

Beim Schlagbohren ist der Widerstand, den das Gestein der Bohrvorrichtung entgegensetzt, unterschiedlich. Dieser Bohrwiderstand hängt von zahlreichen Faktoren, wie der Art des Gesteins, der Tiefe des Bohrlochs und der Krafteinwirkung der Bohrlochwand auf den Bohrstrang, ab. Zur Erzielung eines schnellen Vortriebs ist bei geringem Bohrwider5 In impact drilling, the resistance that the rock presents to the drilling device differs. This drilling resistance depends on numerous factors, such as the type of rock, the depth of the borehole and the force exerted by the borehole wall on the drill string. To achieve a fast advance with low drilling resistance5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

JO JO

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

3 3rd

657 664 657 664

stand eine hohe Schlagzahl mit relativ geringer Schlagenergie pro Einzelschlag und bei hohem Bohrwiderstand eine niedrigere Schlagzahl mit hoher Einzelschlagenergie zweckmässig. Wenn die an dem vorderen Ende des Bohrstranges befindliche Bohrkrone beispielsweise auf hartes Gestein stösst, ist eine hohe Schlagenergie erforderlich, um dieses Gestein zu durchstossen. In lockerem Gestein wird dagegen eine hohe Schlagzahl bei relativ kleiner Schlagenergie benötigt. Andererseits hängt die Schlagenergie auch von dem hydraulischen Versorgungsdruck der Schlagvorrichtung ab. Bei niedrigem Versorgungsdruck ist die Einzelschlagenergie geringer als bei hohem Versorgungsdruck. a high impact rate with relatively low impact energy per single impact and with high drilling resistance a lower impact rate with high single impact energy was appropriate. If the drill bit located at the front end of the drill string encounters hard rock, for example, high impact energy is required to pierce this rock. In loose rock, on the other hand, a high impact rate with relatively low impact energy is required. On the other hand, the impact energy also depends on the hydraulic supply pressure of the impact device. The single impact energy is lower at low supply pressure than at high supply pressure.

Bei einer weiteren bekannten hydraulischen Schlagvorrichtung (DE-OS 26 35 191) besteht das Steuerteil zur Veränderung der Einzelschlagenergie aus einem Steuerkolben, der in einem Zylinder bewegbar ist und in Abhängigkeit von seiner Stellung innerhalb des Zylinders verschiedene Öffnungen, die in den Arbeitszylinder hineinführen, freigibt oder ver-schliesst. Der Kolben ist von der einen Seite her mit einer Feder vorgespannt, und von der entgegengesetzten Seite her wirkt ein hydraulischer Druck auf den Kolben ein. Dieser hydraulische Druck wird von einem Druckregler erzeugt und kann manuell verändert werden. Durch Verstellung des Reglers kann demnach die Schlagfrequenz des Arbeitskolbens bzw. die Einzelschlagenergie verändert werden. Wenn der Bohrwiderstand des Gesteins sich erhöht, muss der Kolben manuell verstellt werden, damit der Arbeitskolben mit einer geringeren Schlagfrequenz und mit höherer Einzelschlagenergie arbeitet. Die Praxis hat jedoch gezeigt, dass der Betrieb eines Bohrhammers in der Regel nicht überwacht wird und dass tatsächlich keine manuelle Verstellung des Kolbens in Abhängigkeit vom Bohrwiderstand durchgeführt wird. In another known hydraulic impact device (DE-OS 26 35 191), the control part for changing the single impact energy consists of a control piston which is movable in a cylinder and, depending on its position within the cylinder, releases various openings which lead into the working cylinder or closes. The piston is biased by a spring from one side and hydraulic pressure acts on the piston from the opposite side. This hydraulic pressure is generated by a pressure regulator and can be changed manually. By adjusting the controller, the impact frequency of the working piston or the individual impact energy can be changed. If the drilling resistance of the rock increases, the piston must be adjusted manually so that the working piston works with a lower impact frequency and with higher individual impact energy. However, practice has shown that the operation of a rotary hammer is generally not monitored and that the piston is not actually adjusted manually depending on the drilling resistance.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schiag-Bohrvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der die Schlaghäufigkeit und somit auch die Einzelschlagenergie in Abhängigkeit von dem Belastungszustand des Bohrstranges bzw. in Abhängigkeit von dem zur Verfügung stehenden Druck automatisch verändert werden. The invention has for its object to provide a Schiag drilling device of the type mentioned, in which the frequency of impact and thus also the individual impact energy are automatically changed depending on the load condition of the drill string or depending on the available pressure.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäss vorgesehen, dass der Steuerdruck für den Kolben entweder von der Vorlaufleitung der Vorschubeinrichtung oder von der Vorlaufleitung des Drehmotors oder von der Druckleitung entnommen ist. To achieve this object, it is provided according to the invention that the control pressure for the piston is taken either from the feed line of the feed device or from the feed line of the rotary motor or from the pressure line.

Vorzugsweise wird die erste Variante benutzt, bei der der Steuerdruck von der hydraulischen Vorschubeinrichtung abgeleitet wird. Diese Vorschubeinrichtung treibt den Bohrstrang in Richtung auf die Bohrlochsohle. The first variant is preferably used, in which the control pressure is derived from the hydraulic feed device. This feed device drives the drill string towards the bottom of the borehole.

Während bei den bekannten Schlagvorrichtungen Schlagzahl und Einzelschlagenergie manuell durch Verstellen eines Schiebers oder eines Druckes verändert werden können, erfolgt nach der Erfindung diese Veränderung automatisch in Abhängigkeit von dem Steuerdruck. Auf diese Weise wird eine selbsttätige Anpassung von Schlagzahl und Einzelschlagenergie an die Belastungs- bzw. Versorgungsverhältnisse der Schlagvorrichtung erreicht. Während eine manuelle Verstellung des Steuerteils eine erhebliche Erfahrung erfordert und in der Praxis normalerweise überhaupt nicht durchgeführt wird, erfordert die druckabhängige Verstellung des Steuerteils keinerlei manuelle Eingriffe. Dagegen wird eine selbsttätige Anpassung der Schlagzahl an die jeweiligen Betriebsbedingungen der Schlagvorrichtung erreicht. While in the known impact devices the number of impacts and the individual impact energy can be changed manually by adjusting a slide or a pressure, according to the invention this change takes place automatically as a function of the control pressure. In this way, an automatic adjustment of the number of blows and the energy of the single blows to the loading or supply conditions of the blasting device is achieved. While manual adjustment of the control section requires considerable experience and is normally not carried out in practice, the pressure-dependent adjustment of the control section does not require any manual intervention. In contrast, an automatic adaptation of the number of blows to the respective operating conditions of the impact device is achieved.

Der Bohrstrang wird gegen die Bohrlochsohle gedrückt. Die Vorschub- bzw. Andruckkraft variiert in Abhängigkeit von dem Bohrwiderstand des Gesteins und auch in Abhängigkeit von der Länge des Bohrstranges. Bei relativ grossem Vorschubwiderstand erhöht sich der hydraulische Druck der Vorschubeinrichtung. Dies bedeutet, dass der das Steuerteil bildende Kolben in der Weise verschoben wird, dass während des Rückhubes des Arbeitskolbens die Umschaltung auf den Schlagvorgang erst relativ spät erfolgt. Zu diesem Zweck werden von dem Kolben die vorne liegenden Öffnungen ver-5 schlössen und nur die rückwärtigen Öffnungen geöffnet gehalten. Ist andererseits der Vorschubwiderstand gering, dann verringert sich auch der Steuerdruck. Der Kolben wird nunmehr in die Nähe seiner Endlage getrieben, in der er sämtliche Öffnungen freigibt. Die Umsteuerung des Arbeits-io kolbens während des Rückhubes erfolgt nun zum frühest möglichen Zeitpunkt. Dies bedeutet eine hohe Schlagfrequenz. Bei kleinen Hüben des Arbeitskolbens ist die Einzelschlagenergie entsprechend klein. Bei lockerem Gestein wird mit Schlägen hoher Frequenz ein schnellerer Vortrieb des 15 Bohrstranges erreicht. The drill string is pressed against the bottom of the borehole. The feed or pressure force varies depending on the drilling resistance of the rock and also depending on the length of the drill string. If the feed resistance is relatively high, the hydraulic pressure of the feed device increases. This means that the piston forming the control part is displaced in such a way that the switch to the striking process takes place relatively late during the return stroke of the working piston. For this purpose, the front openings are closed by the piston and only the rear openings are kept open. On the other hand, if the feed resistance is low, the control pressure also decreases. The piston is now driven close to its end position, in which it clears all openings. The reversing of the working piston during the return stroke now takes place at the earliest possible time. This means a high beating frequency. With small strokes of the working piston, the single impact energy is correspondingly small. If the rock is loose, high-frequency blows accelerate the drill string.

Bei der zweiten Variante wird der Drehwiderstand des Bohrstranges zur Veränderung des Umschaltzeitpunktes bzw. zur Veränderung der Schlagfrequenz und der Einzelschlagenergie benutzt. In the second variant, the rotational resistance of the drill string is used to change the switching time or to change the impact frequency and the individual impact energy.

20 Bei der dritten Variante der Erfindung wird der Steuerdruck für den Kolben von der Druckleitung entnommen. Ein kleinerer Versorgungsdruck hat eine hohe Schlagzahl und eine kleine Einzelschlagenergie zur Folge. Bei einer Erhöhung des Versorgungsdrucks verringert sich die Schlagzahl, 25 während sich die Einzelschlagenergie vergrössert. Hierbei erfolgt also die Anpassung der Schlagzahl an die zur Verfügung stehende Hydraulikleistung. In the third variant of the invention, the control pressure for the piston is taken from the pressure line. A lower supply pressure results in a high impact rate and a low single impact energy. With an increase in the supply pressure, the number of impacts decreases, 25 while the individual impact energy increases. This means that the number of blows is adjusted to the hydraulic power available.

Zur Erzielung einer stetigen Veränderung des Umschaltzeitpunktes des Steuerkolbens ist in vorteilhafter Weiterbilde dung der Erfindung vorgesehen, dass die Öffnungen Löcher in einem zylindrischen Wandteil des Arbeitszylinders sind, dass die Löcher einander in axialer Richtung überdecken und dass benachbarte Löcher in Umfangsrichtung gegeneinander versetzt und mit gegenseitigem Abstand angeordnet sind. r' Die gegenseitigen Abstände der Löcher sind erforderlich, um Leckströmungen zwischen den Löchern zu vermeiden. Trotz der Verwendung einzelner Löcher oder Bohrungen, die in Längsrichtung des Arbeitszylinders gestaffelt angeordnet sind, wird eine kontinuierliche Einstellung des Umschaltzeit-40 punktes dadurch erreicht, dass diese Löcher sich in Längsrichtung überlagern. Dies bedeutet, dass der Öffnungsvorgang des zweiten Loches bereits beginnt, bevor das erste Loch von dem als Steuerteil wirkenden Kolben vollständig geöffnet ist. Die Löcher dürfen, wenn sie einerseits von dem Arbeits-45 kolben und andererseits von dem als Steuerteil wirkenden Kolben abgedeckt sind, keinerlei Verbindung miteinander haben, weil sonst in der zu dem Steuerzylinder führenden Steuerleitung ein Druck erzeugt und die Umsteuerung des Arbeitskolbens zu früh eingeleitet würde. Andererseits müs-,fl sen aber zur Erzielung einer stetigen Umsteuercharakteristik die Löcher in axialer Richtung ineinander übergehen. In order to achieve a constant change in the switching point of the control piston, it is provided in an advantageous further development of the invention that the openings are holes in a cylindrical wall part of the working cylinder, that the holes overlap one another in the axial direction and that adjacent holes are offset in the circumferential direction and at a mutual distance from one another are arranged. The mutual spacing of the holes is necessary in order to avoid leakage flows between the holes. Despite the use of individual holes or bores, which are staggered in the longitudinal direction of the working cylinder, a continuous adjustment of the switchover point is achieved in that these holes overlap in the longitudinal direction. This means that the opening process of the second hole begins before the first hole is completely opened by the piston acting as a control part. The holes, if they are covered on the one hand by the working piston and on the other hand by the piston acting as a control part, must have no connection with one another, because otherwise pressure would be generated in the control line leading to the control cylinder and reversal of the working piston would be initiated too early . On the other hand, the holes must merge into one another in the axial direction in order to achieve a constant reversing characteristic.

Diese beiden Forderungen werden dadurch erfüllt, dass die Öffnungen Löcher in einem zylindrischen Wandteil des Arbeitszylinders sind, dass die Löcher einander in axialer 5"' Richtung überdecken, und dass benachbarte Löcher in Umfangsrichtung gegeneinander versetzt und mit gegenseitigem Abstand angeordnet sind. These two requirements are met in that the openings are holes in a cylindrical wall part of the working cylinder, that the holes overlap one another in the axial 5 ″ direction, and that adjacent holes are offset in relation to one another in the circumferential direction and are arranged at a mutual spacing.

Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. 60 Es zeigen : Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to the drawings. 60 It shows:

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine hydraulische Schlagvorrichtung, 1 is a schematic longitudinal section through a hydraulic impact device,

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie II-II aus Fig. 1 zur Verdeutlichung der Anordnung der Löcher der Zweigleitun-b5 gen, 2 shows a section along the line II-II of FIG. 1 to illustrate the arrangement of the holes of the Zweigleitun-b5 gene,

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Bohrgerätes, dessen Schlagvorrichtung in Abhängigkeit von dem Hydraulikdruck der Vorschubeinrichtung gesteuert ist, 3 shows a schematic illustration of a drilling device, the impact device of which is controlled as a function of the hydraulic pressure of the feed device,

657 664 657 664

4 4th

Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel, bei dem der Steuerdruck in Abhängigkeit von dem Drehwiderstand des Bohrstranges erzeugt wird, und Fig. 4 shows an embodiment in which the control pressure is generated as a function of the rotational resistance of the drill string, and

Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel, bei dem als Steuerdruck der Versorgungsdruck des Arbeitszylinders benutzt wird. Fig. 5 shows an embodiment in which the supply pressure of the working cylinder is used as the control pressure.

Die in Fig. 1 dargestellte Schlagvorrichtung 10 weist einen Arbeitszylinder 11 auf, in dem der Arbeitskolben 12 Iängsver-schiebar angeordnet ist. Der Arbeitskolben 12 schlägt mit seinem vorderen Ende periodisch auf den Amboss 13, bei dem es sich um ein mit einem (nicht dargestellten) Bohrstrang verbundenes Einsteckende handelt. The striking device 10 shown in FIG. 1 has a working cylinder 11 in which the working piston 12 is arranged so as to be longitudinally displaceable. The front end of the working piston 12 periodically strikes the anvil 13, which is an insertion end connected to a drill string (not shown).

Die Druckleitung 15, durch die dem Bohrhammer 10 die unter Druck stehende Hydraulikflüssigkeit zugeführt wird, ist ständig an die vordere Kammer 16 des Arbeitszylinders 11 angeschlossen, so dass der Hydraulikdruck stets auf die die Kammer 16 begrenzende Steuerkante 17 des Arbeitskolbens 12 wirkt. In dem vor der Steuerkante 17 liegenden Bereich 18 hat der Arbeitskolben 12 einen kleineren Durchmesser als der Arbeitszylinder 11, während in dem hinter der Steuerkante 17 liegenden Bereich 19 der Durchmesser des Arbeitskolbens dem Durchmesser der Bohrung des Arbeitszylinders 11 entspricht. An den Bereich 19 schliesst sich ein Bereich 20 kleineren Durchmessers an und an diesen wiederum ein Bereich 21 grösseren Durchmessers. The pressure line 15, through which the hydraulic fluid under pressure is supplied to the hammer drill 10, is continuously connected to the front chamber 16 of the working cylinder 11, so that the hydraulic pressure always acts on the control edge 17 of the working piston 12 delimiting the chamber 16. In the area 18 lying in front of the control edge 17, the working piston 12 has a smaller diameter than the working cylinder 11, while in the area 19 lying behind the control edge 17 the diameter of the working piston corresponds to the diameter of the bore of the working cylinder 11. An area 20 of a smaller diameter is connected to the area 19 and an area 21 of a larger diameter is connected to this area.

Der Bereich 21 des Arbeitskolbens 12 begrenzt die rückwärtige Kammer 22 des Arbeitszylinders nach vorne hin. Die Kammer 22 ist über eine Leitung 23 mit dem Steuerzylinder The area 21 of the working piston 12 delimits the rear chamber 22 of the working cylinder towards the front. The chamber 22 is connected to the control cylinder via a line 23

24 verbunden, in welchem der als Hülse oder Hohlkolben ausgebildete Steuerkolben 25 zwischen zwei Endstellungen verschiebbar ist. Der Innenkanal des Steuerkolbens 25 steht in ständiger Verbindung mit der Druckleitung 15. Der Steuerkolben 25 weist ausserdem eine äussere Ringnut 26 auf, die in der (nicht dargestellten) einen Endstellung des Steuerkolbens 24 connected, in which the control piston 25 designed as a sleeve or hollow piston is displaceable between two end positions. The inner channel of the control piston 25 is in constant communication with the pressure line 15. The control piston 25 also has an outer annular groove 26, which in the (not shown) one end position of the control piston

25 die Leitung 23 mit einer Rücklaufleitung 27 verbindet und in der (in Figur I dargestellten) Stellung des Steuerkolbens 25 die Verbindung der Leitung 23 mit der Rücklaufleitung 27 blockiert. Durch den Steuerkolben 25 wird die Leitung 23 abwechselnd mit der Druckleitung 15 und mit der Rücklaufleitung 27 verbunden. 25 connects the line 23 to a return line 27 and blocks the connection of the line 23 to the return line 27 in the position of the control piston 25 (shown in FIG. 1). The control piston 25 connects the line 23 alternately to the pressure line 15 and to the return line 27.

Die vordere Stirnseite 28 des Steuerkolbens 25 ist ständig dem Druck der Druckleitung 15 ausgesetzt. Da die Fläche der vorderen Stirnseite 28 grösser ist als diejenige der rückwärtigen Stirnseite 29, erhält der Steuerkolben 25 eine hydraulische Vorspannung in Richtung auf die (nicht dargestellte) gemäss Figur 1 linke Endlage. Der Steuerkolben 25 weist ausserdem einen Umfangsring 30 auf, dessen rückwärtige Begrenzung eine Steuerfläche 31 und dessen vordere Begrenzung eine Entlastungsfläche 32 bildet. Die Steuerfläche 31 ist flächenmässig grösser als die Entlastungsfläche 32. Der Umfangsring 30 ist in einer Nut 33 des Steuerzylinders 24 längsverschiebbar. In den rückwärtigen Teil dieser Nut führt die Steuerleitung 34 hinein, deren Druck auf die Steuerfläche 31 einwirkt. Der vordere Bereich der Nut 33 steht über eine Leitung 35 mit der Rücklaufleitung 27 in Verbindung. The front face 28 of the control piston 25 is constantly exposed to the pressure of the pressure line 15. Since the area of the front end face 28 is larger than that of the rear end face 29, the control piston 25 is hydraulically preloaded in the direction of the left end position (not shown) according to FIG. 1. The control piston 25 also has a circumferential ring 30 whose rear boundary forms a control surface 31 and whose front boundary forms a relief surface 32. The control surface 31 is larger in area than the relief surface 32. The circumferential ring 30 is longitudinally displaceable in a groove 33 of the control cylinder 24. The control line 34 leads into the rear part of this groove, the pressure of which acts on the control surface 31. The front region of the groove 33 is connected to the return line 27 via a line 35.

In der in Figur 1 dargestellten Position des Steuerkolbens 25 sind die Flächen 29 und 31 und die vordere Stirnseite 28 des Steuerkolbens jeweils mit dem gleichen Druck beaufschlagt. Da die Summe der Flächen 29 und 31 grösser ist als die Fläche der Stirnseite 28, wird der Steuerkolben 25 in seiner (vorderen) rechten Endlage gehalten. In dieser Lage gelangt der Druck durch die Leitung 23 in die rückwärtige Kammer 22 des Arbeitszylinders 11. Der Arbeitskolben 12 wird somit in Richtung auf den Amboss 13 beschleunigt, so dass ein Schlag ausgeführt wird. In the position of the control piston 25 shown in FIG. 1, the surfaces 29 and 31 and the front end face 28 of the control piston are each subjected to the same pressure. Since the sum of the areas 29 and 31 is larger than the area of the end face 28, the control piston 25 is held in its (front) right end position. In this position, the pressure passes through line 23 into the rear chamber 22 of the working cylinder 11. The working piston 12 is thus accelerated in the direction of the anvil 13, so that a blow is carried out.

Die Steuerleitung 34 ist mit mehreren Zweigleitungen 340 bis 347 verbunden, die gemäss Figur 3 an unterschiedlichen Stellen in den Arbeitszylinder 11 einmünden. Die Mündungsöffnungen sind mit 36 bezeichnet. Wenn die Öffnungen 36 The control line 34 is connected to a plurality of branch lines 340 to 347 which, according to FIG. 3, open into the working cylinder 11 at different points. The mouth openings are denoted by 36. If the openings 36

aller Zweigleitungen durch den Abschnitt 19 des Arbeitskolbens 12 verschlossen sind, kann der Druck der vorderen Kammer 16 nicht mehr in die Steuerleitung 34 gelangen, so dass sich der auf die Steuerfläche 31 des Steuerkolbens 25 5 einwirkende Druck verringert. Der Steuerkolben 25 wird dadurch gemäss Figur 1 nach links bewegt. Dabei wird durch die Ringnut 26 die Leitung 23 mit der Rücklaufleitung 27 verbunden, so dass die rückwärtige Kammer 22 des Arbeitszylinders 11 drucklos wird. Der auf die Steuerkante 17 einwir-10 kende Druck bewirkt nunmehr den Rückhub des Arbeitskolbens 12. Während des Rückhubes werden die Öffnungen 36 der Zweigleitungen 340 bis 347 nacheinander freigelegt. all branch lines are closed by the section 19 of the working piston 12, the pressure of the front chamber 16 can no longer reach the control line 34, so that the pressure acting on the control surface 31 of the control piston 25 5 is reduced. The control piston 25 is thereby moved to the left in accordance with FIG. 1. In this case, the line 23 is connected to the return line 27 through the annular groove 26, so that the rear chamber 22 of the working cylinder 11 is depressurized. The pressure acting on the control edge 17 now brings about the return stroke of the working piston 12. During the return stroke, the openings 36 of the branch lines 340 to 347 are exposed one after the other.

Die Zweigleitungen 340 bis 347 sind Querbohrungen, die in einen weiteren Zylinder 37 einmünden, in dem ein Kolben 15 38 verschiebbar ist. Der Kolben 38 hat zwei mit gegenseitigem Abstand angeordnete Kolbenteile 381 und 382, deren Durchmesser dem Durchmesser der Bohrung des Zylinders 37 entspricht. Die Kolbenteile 381 und 382 sind durch eine Stange 383 mit kleinerem Durchmesser voneinander getrennt. Die 20 Länge des Kolbenteiles 381 entspricht etwa der Länge desjenigen Bereichs, in dem die Zweigleitungen 340 bis 347 in Längsrichtung gestaffelt in den Zylinder 37 einmünden. Der Zylinder 37 ist jedoch so lang, dass das Kolbenteil 381 voll aus dem Bereich der Zweigleitungen 340 bis 347 herausge-25 schoben werden kann. In diesem Falle sind sämtliche Zweigleitungen durch den die Stange 383 umgebenden Bereich des Kolbens 38 im Inneren des Zylindes 37 untereinander verbunden. The branch lines 340 to 347 are transverse bores which open into a further cylinder 37 in which a piston 15 38 can be displaced. The piston 38 has two piston parts 381 and 382 which are arranged at a mutual spacing and whose diameter corresponds to the diameter of the bore of the cylinder 37. The piston parts 381 and 382 are separated from one another by a rod 383 with a smaller diameter. The length of the piston part 381 corresponds approximately to the length of the region in which the branch lines 340 to 347 open into the cylinder 37 in a staggered manner in the longitudinal direction. However, the cylinder 37 is so long that the piston part 381 can be pushed fully out of the region of the branch lines 340 to 347. In this case, all branch lines are interconnected by the area of the piston 38 surrounding the rod 383 inside the cylinder 37.

Der Kolben 38 wird von einer Feder 39 in seine vordere w Endstellung gedrückt, in der er die Zweigleitungen 340 bis 347 untereinander verbindet. Die Feder 39 ist an ihrem rückwärtigen Ende an einem Justierschieber 40 abgestützt. Der Justierschieber 40 ist mit einem Gewindebolzen 41 versehen, der durch eine stirnseitige Gewindebohrung des Gehäuses r' hindurchragt und von aussen gedreht werden kann. Der Gewindebolzen 41 ist durch eine Kontermutter 42 gegen unbeabsichtigtes Drehen gesichert. The piston 38 is pressed by a spring 39 into its front w end position, in which it connects the branch lines 340 to 347 to one another. The spring 39 is supported at its rear end on an adjusting slide 40. The adjusting slide 40 is provided with a threaded bolt 41 which projects through an end threaded bore of the housing r 'and can be rotated from the outside. The threaded bolt 41 is secured against inadvertent rotation by a lock nut 42.

Durch Drehen des Gewindebolzens 41 kann die axiale Lage des Justierschiebers 40 und somit auch die Vorspannung 4(1 der Feder 39 verändert werden. By turning the threaded bolt 41, the axial position of the adjusting slide 40 and thus also the preload 4 (1 of the spring 39 can be changed.

An dem der Feder 39 abgewandten Ende des Kolbens 38 führt eine Steuerleitung 43 in den Zylinder 37 hinein. Der Druck in der Steuerleitung 43 wirkt also dem Druck der Feder 39 entgegen. Der Kolben 38 stellt sich auf eine Stellung 45 ein, in der ein Gleichgewicht zwischen der Kraft der Feder 39 und dem Druck der Steuerleitung 43 besteht. Je grösser der Druck in der Steuerleitung 43 ist, um so mehr Zweigleitungen 340 bis 347 werden von dem Kolbenteil 381 des Kolbens 38 abgesperrt. Die Absperrung beginnt an der in Schlagrichtung 50 des Arbeitskolbens 12 am weitesten vorne liegenden Zweigleitung 347 und endet an der am weitesten zurückliegenden Zweigleitung 340. At the end of the piston 38 remote from the spring 39, a control line 43 leads into the cylinder 37. The pressure in the control line 43 thus counteracts the pressure of the spring 39. The piston 38 adjusts to a position 45 in which there is a balance between the force of the spring 39 and the pressure of the control line 43. The greater the pressure in the control line 43, the more branch lines 340 to 347 are blocked by the piston part 381 of the piston 38. The shutoff begins at branch line 347, which is furthest forward in impact direction 50 of working piston 12, and ends at branch line 340, which is furthest back.

Bei einem Rückhub des Arbeitskolbens 12 (gemäss Figur 1 nach links) gelangt der in der Kammer 16 herrschende volle r,r' Druck über den Zylinder 37 erst dann in die Steuerleitung 34 des Steuerzylinders 25, wenn die Steuerkante 17 in den Bereich der ersten Zweigleitung 340 bis 347 gelangt ist, die durch das Kolbenteil 381 nicht abgeschlossen ist. Dies bedeutet, dass der Rückhub des Arbeitskolbens 12 um so grösser b,) wird, je mehr Zweigleitungen 340 bis 347 (beginnend mit der vordersten Zweigleitung 347) abgesperrt sind. Wenn die Steuerkante 17 die erste geöffnete Zweigleitung erreicht hat, wird über die Steuerleitung 34 der Steuerkolben 25 in die in Figur 1 dargestellte Position gebracht, in der die rückwärtige Kam-65 mer 22 des Arbeitszylinders 11 mit dem Druck der Druckleitung 15 beaufschlagt werden kann, wodurch die nach vorne gerichtete Schlagbewegung des Arbeitskolbens erfolgt. During a return stroke of the working piston 12 (to the left according to FIG. 1), the full r, r 'pressure prevailing in the chamber 16 only reaches the control line 34 of the control cylinder 25 via the cylinder 37 when the control edge 17 reaches the region of the first branch line 340 to 347 has reached, which is not completed by the piston part 381. This means that the return stroke of the working piston 12 becomes larger, the more branch lines 340 to 347 (starting with the foremost branch line 347) are blocked. When the control edge 17 has reached the first opened branch line, the control piston 25 is brought via the control line 34 into the position shown in FIG. 1, in which the rear chamber 65 of the working cylinder 11 can be pressurized by the pressure line 15, which causes the working piston to strike forward.

In Figur 1 sind ferner einige Leck- und Rückführungslei- FIG. 1 also shows some leakage and return lines.

tungen 44 dargestellt, die sämtlich mit der Rücklaufleitung 27 verbunden sind. Diese Leitungen 44 haben die Aufgabe, Hydraulikflüssigkeit, die durch Leckage in verschiedene drucklose Bereiche der Schlagvorrichtung gelangt sind, wieder in den Tank zurückzuführen. lines 44 shown, which are all connected to the return line 27. These lines 44 have the task of returning hydraulic fluid, which has leaked into different unpressurized areas of the impact device, back into the tank.

Schliesslich ist ein durch das Gehäuse und durch Bohrungen in dem Arbeitskolben 12 und dem Amboss 13 hindurchgehendes Spülrohr 45 vorgesehen, das zur Einleitung von Spülflüssigkeit in den Bohrstrang dient. Finally, a flushing pipe 45 is provided which passes through the housing and through bores in the working piston 12 and the anvil 13 and serves to introduce flushing liquid into the drill string.

Wie Figur 2 zeigt, sind die Öffnungen 36, an denen die Zweigleitungen 340 bis 347 in den Arbeitszylinder 11 münden, in axialer Richtung des Arbeitszylinders 11 (Richtung des Doppelpfeiles 46) gegeneinander versetzt, wobei sich jeweils die Öffnungen 36 zweier benachbarter Zweigleitungen geringfügig überlappen. Die Zweigleitungen 340 bis 347 münden nicht in Ringnuten des Arbeitszylinders 11 ein, sondern lediglich in Form der Öffnungen 36, die in der Wand des Arbeitszylinders vorgesehen sind. Um sicherzustellen, dass entlang der zylindrischen Wand des Kolbenteiles 19 keine Leckstromverbindungen zwischen den Öffnungen 36 bestehen, sind die Öffnungen 36 in Form zweier längslaufender Reihen angeordnet, wobei jeweils die Öffnungen der einen Reihe gegenüber den Öffnungen der anderen Reihe auf Lücke angeordnet sind. Durch die gegenseitige Überlappung der Öffnungen in Längsrichtung wird erreicht, dass der Umschaltzeitpunkt durch Verschiebung des Kolbens 38 stufenlos verändert werden kann, während die umfangsmässigen Abstände zweier benachbarter Öffnungen den Zweck haben, einen hinreichend grossen Abstand zur Verhinderung von Leckflüssen zwischen diesen Öffnungen zu gewährleisten. As FIG. 2 shows, the openings 36 at which the branch lines 340 to 347 open into the working cylinder 11 are offset from one another in the axial direction of the working cylinder 11 (direction of the double arrow 46), the openings 36 of two adjacent branch lines overlapping each other slightly. The branch lines 340 to 347 do not open into annular grooves in the working cylinder 11, but only in the form of the openings 36 which are provided in the wall of the working cylinder. In order to ensure that there are no leakage current connections between the openings 36 along the cylindrical wall of the piston part 19, the openings 36 are arranged in the form of two longitudinal rows, the openings of one row being arranged in a gap relative to the openings of the other row. The mutual overlap of the openings in the longitudinal direction ensures that the switching time can be changed continuously by moving the piston 38, while the circumferential distances between two adjacent openings have the purpose of ensuring a sufficiently large distance to prevent leakage flows between these openings.

Die Schlagvorrichtung 10 ist gemäss Figur 3 auf einer Lafette 45 längsverschiebbar angeordnet. Vor der Schlagvorrichtung 10 befindet sich ein Drehantrieb 46 zum Drehen des Bohrstranges 47, auf dessen rückwärtiges Ende die Schlagvorrichtung 10 schlägt. An dem vorderen Ende des Bohrstranges 47 befindet sich die Bohrkrone 48, die in das Bohrloch eindringt. The striking device 10 is arranged according to Figure 3 on a carriage 45 to be longitudinally displaceable. In front of the striking device 10 there is a rotary drive 46 for rotating the drill string 47, on the rear end of which the striking device 10 strikes. At the front end of the drill string 47 is the drill bit 48 which penetrates into the borehole.

An der Lafette 45 ist ein Vorschubzylinder 49 befestigt, dessen rückwärtige Zylinderkammer an eine Druckleitung 50 und dessen vordere Zylinderkammer an eine Rücklaufleitung 51 angeschlossen ist. Die beiden Zylinderkammern sind durch einen Kolben 52 getrennt, dessen Kolbenstange 53 die aus der Schlagvorrichtung 10 und dem Drehantrieb 46 bestehende Einheit längs der Lafette 45 in Richtung auf das Bohrloch drückt. Die Grösse des in der Kammer 49 bzw. in der Vorlaufleitung 50 herrschenden Druckes steht im Verhältnis zu dem Andruck, mit dem die Bohrkrone 48 gegen die Bohrlochsohle drückt. Dieser Druck wird der Steuerleitung 43 zur Verstellung des Kolbens 38 zugeführt. In der Vorlaufleitung 50 befindet sich ein Stromregelventil 56 in Form eines manuell verstellbaren Drosselventils. An dem Stromregelventil 56 kann eine bestimmte Vorschubgeschwindigkeit des Arbeitszylinders 10 eingestellt werden. Erhöht sich der Bohrwiderstand, so entsteht in dem Vorschubzylinder 49 ein Staudruck, A feed cylinder 49 is attached to the carriage 45, the rear cylinder chamber of which is connected to a pressure line 50 and the front cylinder chamber of which is connected to a return line 51. The two cylinder chambers are separated by a piston 52, the piston rod 53 of which presses the unit consisting of the striking device 10 and the rotary drive 46 along the mount 45 in the direction of the borehole. The size of the pressure prevailing in the chamber 49 or in the feed line 50 is in relation to the pressure with which the drill bit 48 presses against the bottom of the borehole. This pressure is supplied to the control line 43 for adjusting the piston 38. A flow control valve 56 in the form of a manually adjustable throttle valve is located in the feed line 50. A specific feed rate of the working cylinder 10 can be set on the flow control valve 56. If the drilling resistance increases, a back pressure arises in the feed cylinder 49,

657 664 657 664

der grösser ist als der Druck bei normalem Bohrwiderstand. Da in der Steuerleitung 43 derselbe Druck herrscht wie in dem Vorschubzylinder 49, wird der Kolben 38 nun ebenfalls mit einem höheren Druck beaufschlagt. Der Kolben 38 ver-lässt seine Lage und verschiebt sich, bis die Hydraulikkraft ein erneutes Gleichgewicht zur Kraft der Feder 39 erreicht hat. Wenn der Andruck der Bohrkrone 48 auf ein Minimum zurückgeht, z.B. zu Beginn des Bohrvorgangs oder beim Auswechseln des Bohrstranges 47, wird der Kolben 38 von der Feder 39 in seine Endlage gebracht. Dadurch werden sämtliche Zweigleitungen 340 bis 346 geöffnet. Der Arbeitskolben 12 macht nun den kleinsten Hub. Dabei entsteht die höchste Schlagzahl und die kleinste Einzelschlagenergie. Das Arbeiten mit hohen Schlagzahlen ist für das Anbohren, Freirütteln, Gestängelösen usw. günstig, weil die Materialbeanspruchung gering gehalten wird. Beim Bohren in hartem Gestein wird durch Verschiebung des Kolbens 38 nach hinten die Schlagzahl verringert und die Einzelschlagenergie stufenlos erhöht. Auf diese Weise passt sich die Schlagvorrichtung an Strukturänderungen des Gesteins und Änderungen anderer Betriebsbedingungen automatisch an. Schlagzahl und Schlagenergie stehen in einem bestimmten Verhältnis zum benötigten Andruck. which is greater than the pressure with normal drilling resistance. Since the same pressure prevails in the control line 43 as in the feed cylinder 49, the piston 38 is now also subjected to a higher pressure. The piston 38 leaves its position and moves until the hydraulic force has reached a new equilibrium with the force of the spring 39. When the bit 48 pressure is minimized, e.g. at the start of the drilling process or when replacing the drill string 47, the piston 38 is brought into its end position by the spring 39. This opens all branch lines 340 to 346. The working piston 12 now makes the smallest stroke. This creates the highest number of strokes and the lowest single impact energy. Working with high numbers of strokes is favorable for drilling, shaking free, rod loosening etc. because the material stress is kept low. When drilling in hard rock, the number of blows is reduced by moving the piston 38 backwards and the single-bladed energy is continuously increased. In this way, the impact device automatically adapts to structural changes in the rock and changes in other operating conditions. Number of blows and energy are related to the pressure required.

Das Ausführungsbeispiel der Figur 4 entspricht demjenigen von Figur 3, mit Ausnahme der Tatsache, dass die Steuerleitung 43 zum Verschieben des Kolbens 38 nicht an die Vorlaufleitung 50 für den Vorschub angeschlossen ist, sondern an die Vorlaufleitung 54 für den hydraulischen Drehantrieb 46. Diese Vorlaufleitung 54 enthält ebenfalls ein Stromregelventil 57. Die Verstellung des Umschaltpunktes des Steuerkolbens 25 erfolgt in Abhängigkeit von dem durch den Drehmotor 46 hervorgerufenen Strömungswiderstand bzw. vom Lastmoment. Die Rücklaufleitung des Drehmotors ist mit 55 bezeichnet. Hierbei wird bei erhöhtem Drehmoment am Bohrstrang 47 die Schlagzahl verringert und die Schlagenergie erhöht. Diese Regelung kann auch umgekehrt erfolgen, wobei bei erhöhtem Lastmoment die Schlagzahl erhöht und die Einzelschlagenergie verringert wird. Die Regelung verläuft dann ebenso proportional zum Drehmoment stufenlos. The embodiment of FIG. 4 corresponds to that of FIG. 3, with the exception that the control line 43 for displacing the piston 38 is not connected to the feed line 50 for the feed, but to the feed line 54 for the hydraulic rotary drive 46. This feed line 54 also contains a flow control valve 57. The changeover point of the control piston 25 is adjusted as a function of the flow resistance or the load torque caused by the rotary motor 46. The return line of the rotary motor is designated 55. With increased torque on drill string 47, the number of blows is reduced and the impact energy is increased. This regulation can also be carried out in reverse, with the number of impacts being increased and the individual impact energy being reduced with an increased load torque. The control is then also continuously proportional to the torque.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 5 ist die Steuerleitung 43 an die vordere Kammer 16 des Arbeitszylinders 11 angeschlossen. Die Steuerleitung 43 steht daher mit dem Druck der Druckleitung 15 (Fig. 1) in Verbindung, so dass der Kolben 38 durch den Arbeitsdruck verstellt wird. Bei niedrigem Arbeitsdruck ergibt sich eine hohe Schlagzahl bei kleiner Schlagenergie. Vergrössert sich der Arbeitsdruck, wird der Kolben 38 weiter nach hinten (links) veschoben, so dass die Zweigleitungen in der Reihenfolge 347, 346, 345... 340 zunehmend verschlossen werden. Hierdurch wird die Zeit, in der der Steuerkolben 25 während des Rückhubs des Arbeitskolbens 12 umschaltet, immer mehr verlängert. Wenn der höchstzulässige Arbeitsdruck erreicht wird, ist die Schlagenergie auf ein Höchstmass gewachsen und die Schlagzahl (Schlagfrequenz) auf ein Niedrigstmass gesunken. In the exemplary embodiment according to FIG. 5, the control line 43 is connected to the front chamber 16 of the working cylinder 11. The control line 43 is therefore connected to the pressure of the pressure line 15 (FIG. 1), so that the piston 38 is adjusted by the working pressure. With a low working pressure there is a high impact rate with low impact energy. If the working pressure increases, the piston 38 is pushed further back (left), so that the branch lines are increasingly closed in the order 347, 346, 345 ... 340. As a result, the time in which the control piston 25 switches over during the return stroke of the working piston 12 is lengthened more and more. When the maximum permissible working pressure is reached, the impact energy has increased to a maximum and the impact rate (impact frequency) has dropped to a minimum.

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

G G

2 Blatt Zeichnungen 2 sheets of drawings

Claims

657 664

1. Schiag drilling device with a hydraulic hammer device (10) for a drill string (47), a feed device (49, 52) driving the drill string (47) and a rotary motor (46) rotating the drill string (47), in which the hammer device ( 10) has the following elements:

- a working piston (12) movable in a working cylinder (11),

a control piston (25) which controls the pressure supply to the working cylinder and is movable in a control cylinder (24),

- One from the working cylinder (11) to the control cylinder (24) leading control line (34), which is staggered axially to the working cylinder (11), successively blocked by a control part (38) openings (340-347) with different positions of the working cylinder is connectable

and a control edge (17) provided on the working piston (12), which connects the openings (340-347) in succession to a pressure line (15) when the working piston (11) moves,

the control part is a piston (38), the position of which changes depending on the size of a control pressure,

characterized in that the control pressure for the piston (38) is taken from the feed line (50) of the feed device (49, 52).

2. Impact drilling device with a hydraulic impact device (10) for a drill string (47), a feed device (49, 52) driving the drill string (47) and a rotary motor (46) rotating the drill string (47), in which the impact device ( 10) has the following elements:

- a working piston (12) movable in a working cylinder (11),

- And one on the working piston (12) provided control edge (17) which connects the openings (340-347) in succession with a pressure line (15) during the movement of the working piston (11).

characterized in that the control pressure for the piston (38) is taken from the feed line (54) of the rotary motor (46).

2nd

PATENT CLAIMS

3. Impact drilling device with a hydraulic impact device (10) for a drill string (47), a feed device (49, 52) driving the drill string (47) and a rotary motor (46) rotating the drill string (47), in which the impact device ( 10) has the following elements:

- a working piston (12) movable in a working cylinder (11),

- A from the working cylinder (11) to the control cylinder (24) leading control line (34), which is staggered axially to the working cylinder (11), successively blocked by a control part (38) openings (340-347) with different locations of the working cylinder is connectable

- And a on the working piston (12) provided control edge (17) which during the movement of the working piston (11)

connects the openings (340-347) in succession to a pressure line (15),

characterized in that the control pressure for the piston (38) is taken from the pressure line (15).

4. Impact drilling device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the openings are holes (36) in a cylindrical wall part of the working cylinder (II), that the holes (36) overlap each other in the axial direction, and that adjacent holes (36) are offset from one another in the circumferential direction and are arranged at a mutual distance.