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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft, was in den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche der
Patentanmeldung angegeben ist.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Kraftmesskreise
und -ventile werden immer mehr in Hydrauliksystemen verwendet. Ventile
dieser Art können
in Situationen verwendet werden, in denen nur eine Hydraulikpumpe
den notwendigen Strom und Druck zu einem Hydraulikkreis liefert,
der mehrere Aktuatoren aufweist, die mit ihm verbunden sind. Mit
den Kraftmessventilen ist es möglich,
jeden der Aktuatoren einzeln zu steuern. Der maximale Druck der
Aktuatoren kann über
Schaltentlastungsventile gesteuert werden, die den Druck der Kraftmessleitungen
begrenzen.
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Im
Fall von zwei verschiedenen Aktuatoren, die durch eine Druckbeziehung
in Beziehung gesetzt werden sollen, kann ein erster Aktuatordruck
einen zweiten Aktuatordruck bei Verwendung eines Überwachungsventils
steuern. Das Überwachungsventil erfasst
den Druck des ersten Aktuators und legt den Kraftmessdruck des zweiten
Aktuators fest. Unglücklicherweise
verursachen die meisten Überwachungsventile
unannehmbare Lecks von einem zweiten Kreis in den ersten Kreis,
und modifizieren folglich die Durchflussregelung des ersten Aktuators.
Sie zeigen auch eine hohe Hysterese, weswegen ihre Verwendung beim
Steuern von Drücken
schwierig ist.
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Früher bekannte
Anordnungen zum Steuern des Betriebs von Hydraulikaktuatoren sind
in der
US-A-5 347 811 und
der
US-A-3 823 729 offenbart. Das
Schriftstück
US-A-4 711 090 offenbart
ein Hydrauliksteuersystem, um einen Vorschubmotor einzustellen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein neues und verbessertes
Ventil- und Steuersystem zum Steuern von Druckmedium-betriebenen
Aktuatoren bereitzustellen. Ein weiteres Ziel besteht darin, ein
neues und verbessertes Verfahren zum Steuern eines Gesteinsbohrens
bereitzustellen.
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Das
Verfahren der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass ein zu
einem Überwachungsventil
gelenkter Bezugsdruck gesteuert wird, um ein spezifisches Druckniveau
eines ersten Aktuators festzulegen, über welchem Niveau die Druckverhältnissteuerung
aktiv ist.
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Das
Ventil der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass sein Gleitelement
mindestens einen Kragen aufweist, dass eine Hülse um das Gleitelement angeordnet
ist, dass der Körper
einen Raum aufweist, in dessem Innern der Kragen und die Hülse zur
Bewegung angeordnet sind, dass der äußere Rand der Hülse dichtend
am Körper
anliegt und der innere Rand der Hülse dichtend am Gleitelement
anliegt, dass die Hülse
eine erste Kammer und eine zweite Kammer auf entgegengesetzten Seiten
der Hülse
begrenzt und die Kammern nicht miteinander verbunden sind, dass
die erste Kammer mindestens mit einem ersten Druckkanal verbunden
ist und die zweite Kammer mindestens mit einem zweiten Druckkanal
verbunden ist, dass die Hülse
so angeordnet ist, dass sie sich abhängig vom Druckunterschied im
Innern der Kammern in die erste oder die zweite Bewegungsrichtung
bewegt, und dass in einer Bewegungsrichtung die Hülse so angeordnet
ist, dass sie auf die axiale Position des Gleitelements einwirkt,
wenn sie am Kragen anstößt.
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Die
Gesteinsbohrvorrichtung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
dass ein Bezugsdruckkanal mit einem Überwachungsventil verbunden
ist und die Steuerung des Bezugsdrucks so eingerichtet ist, dass
ein spezifisches Druckniveau einer Vorschubvorrichtung festgelegt
wird, über
welchem Niveau der Vorschubvorrichtungsdruck eine Druckverhältnissteuerung
bei der Schlagvorrichtung aktiviert.
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Die
wesentliche Idee der Erfindung besteht darin, dass die Hydraulikenergie
zu einem Hydraulikkreis geliefert wird, indem mindestens eine Pumpe verwendet
wird und der Hydraulikstrom und -druck auf eine gewünschte Weise
zu mindestens zwei hydraulisch betriebenen Aktuatoren gelenkt wird,
d.h. einem ersten Aktuator und einem zweiten Aktuator, die mit dem
Hydraulikkreis verbunden sind.
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Beide
Aktuatoren sind mit mindestens einem Druckfluidkanal versehen, und
mindestens ein Fluidkanal kann mit einem Kompensatorventil ausgerüstet sein,
um die effektiven Ströme
und Drücke
in den Aktuatoren zu steuern. Das Überwachungsventil ist mit dem
Eingangskanal eines ersten Aktuators durch einen Sensorkanal verbunden
und steuert einen Kraftmesskreis eines zweiten Aktuators. Der Druck
des Kraftmesskreises wird durch eine Kraft eines Federelements eingestellt
und durch ein Steuerelement des Überwachungsventil
mit Differenzdruckerfassen vorgespannt.
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Die
Erfindung liefert den Vorteil, dass die Druckbeziehung zwischen
zwei Aktuatoren des Systems nun auf eine vielseitigere und genauere
Weise eingestellt werden kann. Ein weiterer Vorteil des Überwachungsventils
der Erfindung ist seine einfache hydraulisch-mechanische Struktur,
die nicht notwendigerweise elektrische Bauteile benötigt. Das Überwachungsventil
kann folglich ein kostengünstiges
und zuverlässiges
Bauteil sein.
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Bei
einer Gesteinsbohrvorrichtung ist es möglich, das Überwachungsventil zu verwenden,
um eine geeignete untere Grenze für einen Schlagdruck einzustellen,
den Druck eines Bohrvorschubs zu erfassen und den Schlagdruck im
Verhältnis
zu Vorschubdruckvariationen zu variieren. Bei einer spezifischen
Verbindung auf Grundlage von zwei hintereinandergeschalteten Entlastungsventilen
ist es möglich,
den Vorschubdruck fein einzustellen, während der Schlagdruck ungeändert gehalten
wird.
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KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Die
Erfindung wird in größerer Einzelheit
in den angefügten
Zeichnungen beschrieben.
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1 ist
eine schematische Ansicht eines Druckmediumkreises nach dem Stand
der Technik,
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die 1A, 1B und 1C sind
schematische Ansichten von Überwachungsventilen
nach dem Stand der Technik,
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2 ist
eine schematische Ansicht eines Überwachungsventils
der Erfindung,
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3 ist
eine Schnittseitenansicht einer Konstruktion eines Überwachungsventils
der Erfindung,
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die 4, 5A und 5B sind
schematische Ansichten der Betriebsprinzipien eines Überwachungsventils
der Erfindung,
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6 ist
eine Schnittseitenansicht, 6A ist
eine schematische Ansicht, und 6B stellt
das Betriebsprinzip einer zweiten Ausführungsform des Ventils der
Erfindung dar,
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7 ist
eine schematische Seitenansicht eines Abschnitts einer Gesteinsbohrvorrichtung,
auf deren Steuerung die Lösung
der Erfindung angewandt werden kann,
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8 ist
eine schematische Ansicht eines Hydraulikkreises einer Gesteinsbohrvorrichtung,
an der ein Überwachungsventil
der Erfindung angeordnet ist,
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9 ist
eine schematische Ansicht eines Hydraulikkreises einer Gesteinsbohrvorrichtung
mit einer verbesserten Vorschub- und Schlageinstellung,
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10 ist
eine schematische Ansicht der Wirkung eines Überwachungsventils der Erfindung auf
die Steuerung der Schlag- und Vorschubdrücke eines Gesteinsbohrers,
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11 ist
eine schematische Ansicht der Wirkung eines Systems der Erfindung
auf die Steuerung der Schlag- und Vorschubdrücke im Verhältnis zur Eindringgeschwindigkeit,
und
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12 ist
ein teilweiser Hydraulikschaltplan einer Gesteinsbohrmaschine mit
zusätzlichen
Merkmalen, die zum Bohren eines Lochs erforderlich sind.
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In
den Figuren ist die Erfindung zwecks Klarheit auf eine vereinfachte
Weise dargestellt. Ähnliche Teile
sind in unterschiedlichen Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Der
in 1 dargestellte Hydraulikkreis umfasst mindestens
eine Pumpe, die eine feste Verdrängungspumpe
oder eine einstellbare Verdrängungspumpe
sein kann. Eine feste Verdrängungspumpe liefert
einen konstanten Volumenstrom. Der Druck und Strom, die in den Hydraulikkreis
zugeführt
werden, werden gesteuert, indem, wenn notwendig, ein Teil des Stroms,
der durch die Pumpe geliefert wird, durch ein Dreiwegekompensatorventil
(nicht dargestellt) zu einem Tank gelenkt wird.
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1 stellt
genauer gesagt eine einstellbare Verdrängungspumpe 1 mit
als Einheit ausgebildeten Kraftmesssteuerelementen dar, um den Strom
und Druck zu steuern, die durch die Pumpe geliefert werden. Die
Steuerelemente können
z.B. druckbetrieben sein. Ein Druckentlastungsventil 2 kann
zum Kanal angeordnet sein, der von der Pumpe 1 kommt, um eine
Verbindung mit dem Tank zu öffnen,
wenn der Druck von der Pumpe 1 einen vorher festgelegten Wert überschreitet.
Auf diese Weise ist es möglich, mögliche Druckstöße zu vermeiden.
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Mindestens
zwei Aktuatoren 4, 4' sind mit dem Hydraulikkreis verbunden,
zu dem der Hydraulikstrom, der durch die Pumpe 1 erzeugt
wird, durch Steuerschieber 3, 3' gelenkt wird. Die Steuerschieber 3, 3' können von
Hand, hydraulisch oder elektrisch betätigt werden. Zwecks Klarheit
sind beide Schieber 3, 3' in ihrer aktivierten Position
dargestellt. Weiter stellt mindestens ein Kompensatorventil 5,
(5') in
den Kanälen,
die zu den Aktuatoren 4, (4') führen, den Hydraulikstrom/-druck
ein, der zu den Aktuatoren 4, (4') gelenkt wird. Kraftmesskreise 6, 6' erfassen über die
Steuerschieber 3, 3' und
die Drosseln 7, 7' den Druck
in den Zufuhrleitungen der Aktuatoren 4, 4'. Die Kraftmesskreise 6, 6' sind weiter
mit den Kompensatorventilen 5, 5' verbunden und steuern die einstellbare
Verdrängungspumpe.
Die Kraftmesskreise 6, 6' können auch Druckentlastungsventile 8, 8' enthalten.
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In 1 ist
der Eingangskanal, der zum ersten Aktuator 4 führt, mit
einem Überwachungsventil 10 über einen
Sensorkanal 9 verbunden. Das Überwachungsventil 10 ist
weiter mit dem Kraftmesskreis 6' des zweiten Aktuators 4' verbunden.
Die 1A, 1B, 1C zeigen
mögliche
vorhandene Überwachungsventile,
respektive Entlastungs-, Arbeitsfolge- und Senkbremshalte-Ventile,
mit verschiedenen Nachteilen, die durch das Ventil der Erfindung
zu überwinden
sind.
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2 stellt
ein Überwachungsventil 10 der Erfindung
und seine Verbindungen mit einem Hydraulikkreis dar. Das Überwachungsventil 10 kann ein
Hydraulikventil mit einer Basisstruktur ähnlich zu einem Druckentlastungsventil
sein. Das Überwachungsventil 10 ist
mit dem Kraftmesskreis 6' des zweiten
Aktuators 4' und
mit dem Eingangskanal des ersten Aktuators 4 durch den
Sensorkanal 9 verbunden. Wenn der Druck des Kraftmesskanals 6' einen voreingestellten
Grenzwert überschreitet,
liefert er eine Kraft, die eine voreingestellte Gegenkraft überschreitet,
z.B. eine Kraft, die mit einer Feder 12 erzeugt ist, und
bewegt den Schieber in Richtung A, wodurch eine Verbindung von dem
Kraftmesskreis 6' zu
einem Austragkanal 11 geöffnet wird. Weiter weist das
Ventil ein Steuerelement 42 auf, das angeordnet ist, um
das Öffnen
der Verbindung zwischen dem Kraftmesskreis 6' und dem Austragkanal 11 zu
beeinflussen. Der effektive Druck des Sensorkanals 9 und der
Hydraulikdruck eines Bezugskanals 40 sind so angeordnet,
dass sie auf das Steuerelement 42 einwirken. Wenn der Druck
des Sensorkanals 9 höher als
der Druck des Bezugskanals 40 ist, fügt das Steuerelement 42 seine
Kraft zur Kraft der Feder 12 hinzu, um das Öffnen der
Verbindung mit dem Austragkanal zu verhindern, was zur Folge hat,
dass der Druck im Kraftmesskreis 6' ansteigt.
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3 stellt
eine Konstruktion eines Überwachungsventils 10 der
Erfindung dar. Das Ventil kann ein Schieberventil sein, umfassend
einen Körper 26 und
ein langgestrecktes Gleitelement 20, das in einem Raum
im Körper 26 angeordnet
ist. Das Querprofil des Gleitelements 20 kann im Wesentlichen rund
sein, und das Gleitelement weist ein erstes Ende und ein zweites
Ende auf, deren Durchmesser im Wesentlichen gleich sein können. Das
erste Ende des Gleitelements 20 ist im Wesentlichen druckdicht in
Bezug zum Körper 26 mittels
z.B. einer loslösbaren Trägerhülse 32 gedichtet.
Das zweite Ende des Gleitelements 20 liegt auf seinem äußeren Rand
dichtend an einer Bohrung 27 im Körper 26 an. Ein Druckraum 28 kann
zwischen den gedichteten Enden im Körper 26 gebildet sein.
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Weiter
kann der Mittelabschnitt des Gleitelements 20 einen Kragen 23 umfassen,
der zum Druckraum 28 angeordnet ist. Der Durchmesser des
Kragens 23 ist größer als
der Durchmesser des ersten und zweiten Endes des Gleitelements.
Andererseits ist der Durchmesser des Kragens 23 kleiner
als derjenige des Druckraums 28, so dass der Kragen 23 die Wände des
Druckraums 28 nicht berührt.
Aus diesem Grund beschränkt
der Kragen 23 nicht den Strom von Druckfluid im Druckraum 28.
Die Bewegung des Gleitelements 20 ist in Richtung B auf
eine solche Weise eingeschränkt,
dass der Kragen angeordnet ist, um sich gegen die Endoberfläche 29 des
Druckraums 28 zu setzen, wenn sich das Gleitelement 20 in
seiner äußersten
rechten Position in 3 befindet. Weiter ist eine
langgestreckte Hülse 42,
die zuvor in 2 als Steuerelement bezeichnet wurde,
um das Gleitelement 20 angeordnet. Die Hülse 42 ist
im Druckraum 28 axial bewegbar. Der innere Rand der Hülse 42 liegt
an der ersten Endseite am Gleitelement 20 dichtend an.
Die Hülse 42 kann
sich folglich unabhängig vom
Gleitelement 20 axial bewegen. Der äußere Rand der Hülse 42 liegt
dichtend am Körper 26 an. Eine
vordere Kammer 31 befindet sich dann auf der ersten Endseite
der Hülse 42,
und eine hintere Kammer 30 befindet sich auf der zweiten
Endseite. Aufgrund des Dichtens sind die Kammern 31, 30 nicht miteinander
verbunden. Weiter führen
Hydraulikkanäle 9, 40 zum
Druckraum 28. Die vordere Kammer 31 ist mit dem
Sensorkanal 9 verbunden, und die hintere Kammer 30 ist
mit dem Bezugskanal 40 verbunden.
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Auf
der ersten Endseite des Gleitelements 20 bildet der hintere
Körper 41 eine
Kammer 34, an der eine Feder 12 angeordnet werden
kann, die eine Druckfeder oder ein beliebiges anderes Federelement
oder Kraftelement, das eine entsprechende Wirkung ermöglicht,
sein kann. Das erste Ende des Gleitelements 20 und die
Feder 12 können
entweder in direktem Kontakt miteinander stehen, oder sie können zwischen
sich eine Unterlegscheibe oder irgendein anderes Verbindungselement 35 aufweisen. Das Überwachungsventil
umfasst weiter ein Steuerelement 36, um die Kraft der Feder 12 zu
steuern. Das Steuerelement 36 wird durch eine Einstellschraube 43,
um die Feder 12 zusammenzudrücken, d.h. vorzuspannen, und
eine Arretiermutter 44, um die Einstellschraube 43 zu
einer gewünschten
Position zu arretieren, positioniert. In der Situation von 3 hat die
Feder 12 das Gleitelement 20 in der Richtung B zu
seiner äußersten
am weitesten rechts gelegenen Position geschoben, d.h. so dass der
Kragen 23 gegen die Endoberfläche 29 des Druckraums 28 anliegt.
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Wie 3 weiter
darstellt, ist die Endoberfläche
des zweiten Endes des Gleitelements 20 mit dem Kanal verbunden,
der zum Kraftmesskreis 6' führt. Weiter
weist die Bohrung 27, an der das zweite Ende des Gleitelements 20 dichtend
anliegt, eine Verbindung mit dem Austragkanal 11 auf. Das
Gleitelement 20 kann auch einen Längskanal 24 aufweisen,
der die Kammer 34 mit dem Austragkanal 11 verbindet. Mögliche Leckströme können entlang
dem Kanal 24 zum Tank fließen.
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Das
in 3 dargestellte Überwachungsventil 10 arbeitet
wie ein Druckentlastungsventil. Wenn der Druck des Kraftmesskreises 6' das Gleitelement 20 in
Richtung A drückt, öffnet sich
die Verbindung zwischen dem Austragkanal 11 und dem Kraftmesskreis 6'. Je größer die
Kraft ist, die verhindert, dass sich das Gleitelement 20 in
Richtung A bewegt, um die Verbindung mit dem Austragkanal 11 zu öffnen, desto
höher ist
der Druck, der in dem Kraftmesskreis 6' gebildet wird. Die effektiven
Drücke
der Kammern 30, 31 beeinflussen die Position des
Gleitelements 20 nicht direkt, sie beeinflussen nur die
Position der Hülse 42.
Die Hülse 42 wiederum
beeinflusst die Position des Gleitelements 20. Die Hülse 42 weist zwei
im Wesentlichen gleiche Druckoberflächen in der Richtung auf die
hintere Kammer 31 und die vordere Kammer 30 auf.
Wenn der Druck im Sensorkanal 9 niedriger als derjenige
des Bezugskanals 40 ist, bewegt sich die Hülse 42 in
Richtung A gegen die Trägerhülse 32.
Wenn der Druck im Sensorkanal 9 höher als derjenige des Bezugskanals 40 ist,
bewegt sich die Hülse 42,
um gegen den Kragen 23 des Gleitelements 20 anzuliegen.
Die Kraft, die die Hülse 42 in
Richtung B drückt,
versucht dann zusammen mit der Kraft der Feder 12 zu verhindern,
dass sich das Gleitelement 20 in Richtung A bewegt. Weil
das Gleitelement 20 gegen das Öffnen der Verbindung mit dem
Austragkanal 11 Widerstand leistet, weist der Kraftmesskreis 6' einen höheren effektiven
Druck auf.
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Das
Verhältnis
der effektiven Druckvariationen im Sensorkanal 9 und Kraftmesskanals 6' bleibt konstant.
Die Größe des Druckverhältnisses
hängt von
der internen Struktur des Überwachungsventils 10 ab,
d.h. in diesem Fall von dem Verhältnis
des Endoberflächeninhalts
des zweiten Endes des Gleitelements 20 und des Endoberflächeninhalts
der Hülse 42.
In dem Überwachungsventil 10 kann
das Druckverhältnis
mit einem ziemlich hohen Bereich, z.B. 1:3...3:1, gebildet werden.
Indem man die Abmessungen der Bohrungen 28 und 27 ändert, ist
es möglich, Überwachungsventile
mit unterschiedlichen Druckverhältnissen
zu bilden. Das Druckverhältnis des Überwachungsventils
ist als das Verhältnis
zwischen den oben erwähnten
aktiven Oberflächen
festgelegt. Indem man ein Überwachungsventil
mit einem unterschiedlichen Druckverhältnis in dem Hydrauliksystem
montiert, ist es möglich,
die Verhältnissteuerung
eines ersten Aktuators auf einen zweiten Aktuator zu ändern.
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Ein
Vorteil der in 3 dargestellten Konstruktion
besteht darin, dass das Gleitelement 20 wegen der zylindrischen
Montage und zylindrischen Dichtung zwischen dem Gleitelement 20 und
seiner Bohrung 27 einen genauen Druckwert zum Kraftmesskreis 6' liefert. Bei
Ventilen nach dem Stand der Technik würden sogenannte Konstruktionen
vom "Kugel-und-Sitz"- oder "Teller-und-Sitz"-Typ (wie sie üblicherweise
z.B. in Lasthalteventilen verwendet werden) eine schädliche Hysterese
erzeugen. Ein anderer Grund für
eine Hysterese bei Lasthalteventilen nach dem Stand der Technik
sind die vielen dynamischen Dichtungen, die auf Kolben und Gleitelementen
montiert sind. Aus diesem spezifischen Grund sind in der vorliegenden
Erfindung der Schieber 20 und das Steuerelement 13 ohne
jegliche innere oder äußere Dichtung
konstruiert. Die Lecks von einer Kammer zu der anderen werden durch
einen kleinen Spielraum zwischen beweglichen Teilen und Bohrungen
begrenzt.
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Weil
der Kraftmesskreis 6' angeordnet
ist, um in den Austragkanal 11 zu fließen, kann kein Druckfluid vom
Kraftmesskreis 6' zur
Kammer 30 oder zur Kammer 31, die weiter weg im
Mittelabschnitt des Gleitelements 20 angeordnet ist, fließen. Folglich
werden Hydraulikkanäle,
die mit den Kammern 30 oder 31 verbunden sind,
durch den variablen Kraftmessstrom vom Kreis 6' nicht beeinträchtigt.
Die Kammern 30 und 31 können als im Wesentlichen leckfrei
betrachtet werden. Lediglich winzige Lecks, die durch die Spielräume zwischen
den beweglichen Teilen 20, 42 und den Bohrungen 27, 28 kontrolliert werden,
können
auftreten.
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Es
sollte angemerkt werden, dass sich die detaillierte Struktur des Überwachungsventils 10 von der
in 3 dargestellten Kostruktion unterscheiden könnte. Ein
Fachmann kann ein Überwachungsventil gemäß den Prinzipien
der Erfindung auch auf andere Weisen konstruieren. Folglich können die
Form des Gleitelements 20, die Stelle der Kanäle 9, 40, 11, 6' und das Kraftelement 12 auf
eine andere Weise als in den Figuren dargestellt konstruiert werden.
Es ist z.B. möglich,
ein anderes Kraftelement als eine Feder zu verwenden, wie z.B. einen
Druckakkumulator oder einen elektrischen Aktuator, um das Überwachungsventil 10 voreinzustellen.
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Die 4, 5A und 5B stellen
mittels einer Kurve 100 die Druckbeziehung dar, die über das Überwachungsventil 10 zum
Kraftmesskreis 6' durch
einen Druck herbeigeführt
wird, der im Sensorkanal 9 erfasst wird. Der Druck des
Sensorkanals 9 ist auf der horizontalen Achse dargestellt,
und der Druck des Kraftmesskreises 6' ist auf der vertikalen Achse dargestellt.
Indem die Kraft der Feder 12 eingestellt wird, wird der
minimale Kraftmessdruck, d.h. der horizontale Teil der Kurve 100,
festgelegt. Der Punkt, wo sich die Kurve 100 von einer
Konstantdruckkurve zu einer Druckverhältniskurve ändert, ist in den Figuren mit
S gekennzeichnet. Dieser Punkt S stellt die Situation dar, wo die
Hülse 42 des Überwachungsventils 10 damit
beginnt, den Druck des Kraftmesskreises 6' zu beeinflussen. Die Stelle vom
Punkt S hängt
davon ab, wie hoch der Druck im Bezugskanal 40 ist. In 5A ist
der Druck des Bezugskanals 40 Null, so dass der Punkt S
auf der vertikalen Achse liegt und die entsprechende Kurve die vertikale
Achse nur bei positiven Werten schneiden kann. Wenn der Druck des
Bezugskanals 40 hoch genug ist, wie in 5B,
kann die Strichlinienfortsetzung 101 der Kurve die vertikale
Achse bei negativen Werten schneiden. Wenn ein Überwachungsventil 10 der
Erfindung verwendet wird, kann die Stelle des Punkts S durch Einstellen
des Drucks des Bezugskanals 40 frei gewählt werden, wohingegen die
Stelle von Punkt S bei Ventilen nach dem Stand der Technik auf die Position
von 5A streng begrenzt ist.
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6 stellt
eine andere Konstruktion eines Überwachungsventils 10 der
Erfindung dar, und 6A stellt das entsprechende
hydraulische grafische Symbol dar.
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Abweichend
von 3 kann das Überwachungsventil 10 auf
eine solche Weise konstruiert sein, dass der Kragen 23 des
Gleitelements 20 so angeordnet ist, dass er sich in dem
vorderen Kanal 31 statt dem hinteren Kanal 30 bewegt. Im
Vergleich mit der Situation in 3 arbeitet
die Hülse 42,
indem das Gleitelement 20 zur entgegengesetzten Richtung gedrückt wird.
Zusätzlich
sind die Positionen des Bezugskanals 40 und Sensorkanals 9 umgekehrt.
Wenn sich der Druck des Sensorkanals 9 über den Druck des Bezugskanals 40 erhöht, beginnt
die Hülse 42 damit,
die durch die Feder 12 gelieferte Kraft zu verringern.
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6B stellt
mittels einer Kurve 102 die Druckbeziehung dar, die über das Überwachungsventil 10 im
Kraftmesskreis 6' durch
einen Druck herbeigeführt
wird, der im Sensorkanal 9 erfasst wird. Dies ist in 6B durch
einen Markierungspunkt S dargestellt, wo die Kurve 102,
d.h. der Druck des Kraftmesskreises 6', abzunehmen beginnt.
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7 stellt
eine Seitenansicht eines Gesteinsbohrers 70 dar. Das Überwachungssystem
und Überwachungsventil 10 der
Erfindung können
angewandt werden, um die Hydraulikaktuatoren des Gesteinsbohrers 70 zu
steuern. Diese Aktuatoren umfassen eine Schlagvorrichtung 71 und
eine Drehvorrichtung 72. Weiter ist ein Aktuator des Gesteinsbohrers 70 eine
Vorschubvorrichtung 73, mittels welcher der Bohrer auf
dem Vorschubträger 74 bewegt
wird. Die Vorschubvorrichtung 73 kann z.B. ein Hydraulikzylinder
oder Motor sein.
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8 stellt
einen Hydraulikschaltplan dar, umfassend das Überwachungsventil 10,
um eine Gesteinsbohrvorrichtung zu steuern. Diese 8 ist
nahezu gleich 1, aber der Schieber 3' mit einem doppelten
Auslass für
einen Aktuator, der in beiden Richtungen wirkt, ist in einen ähnlichen
Schieber mit einem einzigen Auslass vereinfacht, der für die Schlagvorrichtung 71 geeignet
ist. In der 8 wird die Schlagvorrichtung über das Überwachungsventil 10 gesteuert,
abhängig
vom Druck im Sensorkanal 9, der mit dem Vorschubaktuator 73 verbunden
ist. Das Überwachungsventil
ist so eingestellt, dass es ein Ansprechverhalten wie laut 4 liefert.
Die korrekte Einstellung von Punkt S wird durch Einstellen des Bezugskanals 40 durch
ein beliebiges Druckgerät
erzielt. Als ein Beispiel ist ein Druckreduzierventil 80 mit
einem zusätzlichen
entlastenden Merkmal 81 in 8 dargestellt.
Die Beschreibung des Ventils 80 kann nicht erschöpfend sein,
da eine beliebige Art von Druckventil verwendet werden kann, umfassend elektrisch
betätigte
Ventile, wie z.B. Magnet-gesteuerte Proportionalventile oder Servoventile,
ohne dass man sich außerhalb
des Bereichs der vorliegenden Erfindung befindet.
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In
einer Anordnung wie laut 8 beeinflusst eine Einzeleinwirkung
auf das Entlastungsventil 8 direkt den Vorschubdruck und
gleichzeitig den Schlagdruck über
das Überwachungsventil 10.
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8 stellt
auch eine Verbesserung dar. Eine einstellbare Drossel 82 ist
in der Zufuhrleitung zwischen dem Schieber 3 und dem Vorschubaktuator 73 enthalten.
Der Sensorkanal 9 ist direkt mit dem Vorschubaktuatoreinlass
verbunden, so dass das Überwachungsventil 10 den
korrekten Vorschubdruck, der an den Aktuator angelegt wird, erfasst.
In dieser Ausführungsform
erzeugt ein Kompensatorventil 5, das durch ein Entlastungsventil 8 gesteuert wird,
einen im Wesentlichen konstanten Vorschubdruck, und die Drossel 82 erzeugt
einen Druckabfall proportional zum Quadrat des Stroms, der durch
den Vorschubaktuator verbraucht wird. Folglich beeinflusst eine
ansteigende Eindringgeschwindigkeit des Gesteinsbohrers die Bohrparameter,
indem zuerst der Druck des Vorschubaktuators 73 vermindert
wird. Als eine zweite und gleichzeitige Wirkung verringert das Überwachungsventil 10 den
Schlagdruck. Wie oben in der Beschreibung erörtert, ist der Sensorkanal 9 keinerlei
Strom ausgesetzt: dieses spezifische Merkmal gewährleistet, dass kein Leckstrom
oder kein Kraftmessstrom den Strom von der Drossel 82 zum
Vorschubaktuator 73 verunreinigen kann. Die Ventilanordnung
wie laut 8 reagiert empfindlich auf eine
Eindringgeschwindigkeit und bestimmt die Vorschubdruckvariation
und die Schlagdruckvariation, abhängig von der Eindringgeschwindigkeit.
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In
der in 8 dargestellten Anordnung kann eine Einzeleinwirkung
auf das Entlastungsventil 8 gleichzeitig den Vorschub-
und den Schlagdruck mit dem richtigen Druckverhältnis erhöhen. Jedoch mussten in Hydraulikkreisen
nach dem Stand der Technik die zwei Drücke separat eingestellt werden. In
der vorliegenden Erfindung verringert die Erhöhung einer Eindringgeschwindigkeit
den tatsächlichen
Vorschubdruck, und der Schlagdruck nimmt in einem vorbestimmten
Verhältnis
mit der Vorschubdruckabnahme ab.
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9 stellt
eine zweite Verbesserung dar. Der Kraftmesskreis 6 ist
mit zwei hintereinandergeschalteten Entlastungsventilen 83 und 84 verbunden, statt
einem Einzelentlastungsventil 8 wie in 8. Der
Bezugskanal 40 des Überwachungsventils 10 ist zwischen
den zwei Entlastungsventilen 83 und 84 verbunden.
In dieser Ausführungsform
wirkt eine Einzeleinwirkung auf das Entlastungsventil 83 gleichzeitig
auf den Vorschubdruck und den Schlagdruck ein, wie in der Beschreibung
der vorherigen 8 erklärt. Außerdem spannt in der 9-Ausführungsform eine
Einzeleinwirkung auf das Entlastungsventil 83 gleichzeitig
den Vorschubdruck und den Bezugsdruck auf dem Überwachungsventil 10 vor,
wodurch der Druckunterschied zwischen der Sensorleitung 9 und
der Bezugsleitung 40 mindestens im Wesentlichen konstant
gehalten wird, und folglich der Schlagdruck unbeeinflusst gehalten
wird.
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In
der in 9 dargestellten Anordnung kann die Bedienperson
eine Möglichkeit
besitzen, um das Ventil 84 einzustellen, während die
Schlagdruck- und ihre entsprechende Vorschubdruckvariation ausschließlich durch
die Eindringgeschwindigkeit gesteuert werden. Die Bedienperson kann
den Vorschubdruck nur fein abgleichen, aber die Bedienperson weist
keinen Einfluss auf den Schlagdruck auf. Andererseits wird der Schlagdruck
nur durch die Eindringgeschwindigkeit gesteuert, und die Erfassung der
Eindringgeschwindigkeit wird durch die mögliche Einstellung oder das
Feinabgleichen des Vorschubdrucks, für den sich die Bedienperson
entschieden hat, nicht beeinflusst.
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10 veranschaulicht
die Zweifachsteuerung des Vorschubdrucks, wobei eine Einzelsteuerung
den Schlagdruck beeinflusst. Die horizontale Achse stellt den Vorschubdruck
und die vertikale Achse stellt den Schlagdruck dar. Der minimale Schlagdruck
(Min) wird mit der Feder 12 des Überwachungsventils 10 eingestellt.
Wenn der Vorschubdruck niedriger als der Druckwert P40 ist, der
durch das Entlastungsventil 84 eingestellt wird, bleibt
der Schlagdruck bei dem minimalen Wert konstant. Wenn der Vorschubdruck
höher als
der P40-Schwellenwert ist, führt
jegliche Variation im Vorschubdruck eine Variation bei dem Schlagdruck
bei einem gegebenen Verhältnis
herbei, und der schräge
Teil C von Kurve 90 zeigt diese Abhängigkeit. Der schräge Teil weist
einen gewissen Winkelkoeffizienten auf, der dem Druckverhältnis des Überwachungsventils 10 entspricht.
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10 veranschaulicht
auch, dass das System der Erfindung eine Feineinstellung des Vorschubsdrucks
ermöglicht,
ohne dass der Schlagdruck beeinflusst wird. Angenommen, dass das
Entlastungsventil 83 unangetastet ist, bleibt das Dreieck STU
in 10 konstant. Indem der Bezugsdruck durch das Entlastungsventil 84 variiert
wird, bewegt sich das Dreieck STU entlang Pfeil D hin und her. Es ist
sehr leicht zu verstehen, dass der Vorschubdruck variabel sein kann,
während
der Schlagdruck konstant bleibt. Diese Feineinstellung des Vorschubdrucks
kann erforderlich sein, um die Vorschubkraft für kleinere oder größere Einsätze, für halbkugelförmige oder
ballistische Karbidknöpfe,
für neugeschliffene
oder abgenutzte Karbidknöpfe
und dergleichen zu optimieren.
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Beide 10 und 11 veranschaulichen, dass
das Bohrsystem, das mit der Drossel 82 zwischen dem Schieber 3 und
dem Vorschubaktuator 73 ausgerüstet ist, auf die Eindringgeschwindigkeit empfindlich
reagiert, z.B., wenn durch brüchiges
Gestein oder durch einen Hohlraum gebohrt wird. Wenn die Eindringgeschwindigkeit
ansteigt, erfordert die Vorschubvorrichtung 73 einen höheren Strom
von Druckfluid über
die Drossel 82. Wenn der Strom über die Drossel 82 ansteigt,
steigt der Druckabfall, der durch die Drossel 82 verursacht
wird, an. Der Vorschubdruck nimmt entsprechend einer Kurve 95 von 11 ab.
Und das Überwachungsventil 10 der
Erfindung zwingt den Schlagdruck entsprechend einer Kurve 96 abzunehmen.
Folglich wird keine unnötige Beanspruchung
zum Bohrer und der Bohrausrüstung,
die an ihm angeordnet ist, gelenkt, was auch immer die Härte von
Gestein ist und was auch immer die Eindringgeschwindigkeit ist.
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12 stellt
eine teilweise hydraulische schematische Darstellung des Gesteinsbohrers 70 dar.
Sie umfasst sämtliche
Merkmale von 9. Zusätzlich erzeugen mehrere Zusatzventile
und -drosseln einige Hilfsfunktionen, die durch den vollständigen Bohrprozess
benötigt
werden.
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Zuerst
wird ein Magnetventil 91 einschließlich eines Absperrventils
als eine Umgehung zur Drossel 82 verbunden. Das Ventil 91 ermöglicht eine schnelle
Vorschubrückziehbewegung
und eine schnelle Vorschubvorwärtsbewegung,
z.B. wenn Stangen gezogen werden.
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Eine
zweite Verbesserung ist das Magnetventil 92, das auf eine
Weise verbunden ist, um das Überwachungsventil 10 zu
aktivieren/deaktivieren, so dass die Bedienperson die Druckbegrenzungen, die
durch das Überwachungsventil 10 herbeigeführt werden,
außer
Kraft setzen kann. Diese Funktion wird z.B. benötigt, um den Bohrstrang bei
einem maximalen Schlagdruck aber bei einem Null-Vorschubdruck losezurütteln, bevor
der Strang von dem gebohrte Loch wiedergewonnen wird.
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Eine
dritte Verbesserung ist die Einführung von
zwei Sensorkanälen 93 und 94 auf
beiden Seiten des Vorschubaktuators 73, um das Überwachungsventil 10 in
beiden Vorschubrichtungen zu aktivieren.
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Eine
vierte mögliche
Verbesserung besteht darin, die Drossel 82 als einen zunehmenden
Schlitz auf einem Schieber zu bilden, um den Bereich der Drossel 82 beim Ändern der
Längsposition
des Schiebers zu verringern. Die Schieberposition kann auch durch
eine Feder und zwei Hydraulikdrücke,
die auf beide Enden ausgeübt
werden, vorgespannt werden, um den Drosselbereich zu begrenzen,
während durch
schwieriges Gestein gebohrt wird.
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Die
Zeichnungen und die in Beziehung stehende Beschreibung sollen die
Idee der Erfindung nur veranschaulichen. Die Erfindung kann in Einzelheit
im Umfang der Ansprüche
variieren. Folglich ist es möglich,
mehrere Aktuatoren zu steuern, die mit demselben Hydraulikkreis
verbunden sind, indem das Prinzip der Erfindung eines Überwachens
von einem Aktuator durch einen anderen verwendet wird. Weiter ist
es möglich,
das Verfahren, die Anordnung und das Überwachungsventil der Erfindung
auf andere Vorrichtungen mit mindestens zwei Druckmedium-betriebenen
Aktuatoren, die in Beziehung zueinander gesteuert werden, anzuwenden.