Hydraulischer Bohrhammer

Die Erfindung bezieht sich auf einen hydraulischen Bohrhammer mit einem in Schlagrichtung federnd abgestützten Bär, der einerseits über Federelemente und Kolben mit einem Pleuel und einem Kurbeltrieb von einem Untersetzungsgetriebe kraftgekoppelt ist und der andererseits auf eine axial bewegliche Bohrstange aufschlägt. Ein solcher Hammer ist aus der FR-A-2 232 410 bekanntgeworden.

Hydraulische Bohrhammer werden beim Bohren von Befestigungslöchern und von Sprenglöchern im Gestein eingesetzt. Ein bevorzugtes Gebiet ist der Bergbau.

Eine Uebersicht über den Stand der hydraulischen Bohrhammer findet sich im Artikel "Hydraulic Rockdrills" von Joffrey Pearse (Mining Magazine - March 1985, Seite 221 bis 231, Mining Journal Ltd., 60 Worshipstreet, London, EC2A 2HD)), in dem die Produkte von 17 Herstellern untersucht wurden. Diesen hydraulischen Bohrhammern ist gemeinsam, dass sie zur Erzeugung der Schlagbewegung mit Drücken zwischen 75 und 220 bar im geschlossenen Kreislauf mit Oel oder mit Wasser und Schmierzusätzen betrieben werden, dass ein Bär als Hydraulikkolben über Umsteuereinrichtungen mit Druckflüssigkeit beaufschlagt wird, dass die Druckerhöhung mittels Pumpe und Motor erfolgt und dass die Spülung und Kühlung des Bohrmeissels über ein separates Wassersystem erfolgt. Für ihren Betrieb darf die mechanische Kraftquelle, der Motor, nicht allzu weit vom Abbauort in der Sohle installiert sein. Elektrische Antriebsenergie oder Treibstoff und Rauchgasableitungen sind für den Betrieb dieser Bohrhammer notwendig. Weiterhin sind pneumatische Bohrhammer bekannt, die mit Erfolg im Bergbau bis zu mittleren Tiefen eingesetzt werden. Wegen der Strömungs- und Leckverluste steigen mit zunehmender Tiefe die Bereitstellungskosten für Pressluft so überproportional, dass der Einsatz von hydraulischen Bohrhammern gerechtfertigt ist. Bei Bergwerken, die bis auf Sohlentiefen von 2000 m und tiefer Gestein fördern, treten zusätzliche Grenzen für den Hauer beim Bohren vor Ort auf. Die Umgebungstemperatur des Gesteins ist so hoch, dass der Wärmeinhalt von Luft nicht mehr ausreicht, um das Gestein genügend herunterzukühlen. Die Betreiber von solchen Bergwerken sind daher gezwungen, einerseits Kühlwasser von der Erdoberfläche zu den Abbauplätzen vor Ort zu bringen, das die Maschinen und durch Versprühen das Gestein kühlt, wobei ein Teil des Wassers verdampft, und andererseits Diesel- oder Elektromotoren als Energiequellen für die Bohrhammer auf den Sohlen zu installieren; beides Massnahmen, die die Abbaukosten mit zunehmender Tiefe enorm ansteigen lassen.

Hier schafft die Erfindung Abhilfe. Sie hat die Aufgabe, das bei grossen Abbautiefen. von der Erdoberfläche zugeführte Kühlwasser so auszunutzen, dass Staudruck und der vor Ort nowendige Kühl- und Spülwasserverbrauch ausreichen, um einen Bohrhammer anzutreiben.

Sie löst die Aufgabe mit einem hydraulischen Bohrhammer, indem ein mit dem Getriebe verbundenes Gleichdruck-Turbinenrad durch mindestens einen Flüssigkeitsstrahl teilweise axial beaufschlagt ist, für den nach seiner Ablenkung am Austritt aus dem Turbinenrad eine Sammeldüse installiert ist, die als Mischstrecke Luft und Restwasser aus dem Turbinengehäuse absaugt und indem der Betrieb des Bohrhammers so erfolgt, dass in einem ersten Verfahrensschritt ein Turbinenrad teilweise axial durch mindestens einen Flüssigkeitsstrahl teilbeaufschlagt wird, und dass die aus der Strahlumlenkung gewonnene Energie als Kraftquelle für die Dreh- und Schlagbewegung eines Bohrmeissels verwendet wird, dass in einem zweiten Verfahrensschritt Umgebungsluft über eine Ansaugöffnung mit Filter in das unter Unterdruck stehende Turbinengehäuse gebracht wird, dass in einem dritten Verfahrensschritt die kinetische Restenergie der durch das Turbinenrad abgelenkten Flüssigkeitsstrahlen dazu verwendet wird, nach dem Injektiorprinzip Luft und Restflüssigkeit aus dem Turbinengehäuse abzusaugen, durch Verzögerung auf niedrigere Geschwindigkeit zu bringen und bei höherem Druck weiter zu transportieren, dass in einem vierten Verfahrensschritt das unter mehrfachem Atmosphärendruck stehende Flüssigkeits-Luft-Gemisch in den Raum zwischen Bär und Bohrstange geführt wird, dass in einem fünften Verfahrensschritt überschüssiges Flüssigkeits-Luft-Gemisch an die Umgebung abgegeben wird, dass in einem sechsten Verfahrensschritt ein federndes Luftpolster im oberen Teil des Raumes, der durch Bär und Bohrstange begrenzt ist, gebildet wird, das einen Teil der beim Zu- schlagen vom Bär verdrängten Flüssigkeit kurzzeitig aufnimmt, und dass in einem siebten Verfahrensschritt das Flüssigkeits-Luft-Gemisch als Kühl- und Spülmedium durch die hohle Bohrstange dem Bohrmeissel zugeführt wird, wobei sich Flüssigkeit zwischen den Stirnflächen des zuschlagenden Bärs und der Bohrstange befindet, die durch ihren Widerstand beim Zusammenschlagen der Flächen die Länge des übertragenen Stossimpulses wesentlich vergrössert und eine grössere Leistungsübertragung ohne mechanische Schädigung der Flächen ermöglicht.

Die Vorteile der Erfindung sind darin zu sehen, dass nur ein einziger Energieträger, nämlich das bei grossen Abbautiefen notwendige Kühlwasser, vor Ort geführt werden muss und dort sowohl als Antriebs- und Spülmedium für das Bohren, als auch als Kühlmedium für das Gestein verwendet wird. Durch die Verwendung eines Turbinenrades wird auf die von der Wasserqualität abhängige Funktion von Hochdruckdichtungen verzichtet und ein offener Wasserkreislauf erreicht. Die Spülung des Bohrmeissels erfolgt zwangsläufig mit dem Antrieb des Turbinenrades. Das Wasser durchläuft keine empfindlichen Regelorgane. Vorschub und Bohrantrieb können über ein einziges Einstellelement angesteuert werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben.

• Fig. 1a zeigt schematisch eine kinematische Verknüpfung zwischen Bohrstange und Antriebsturbine eines hydraulischen Bohrhammers, wobei die Federelemente Schraubenfedern sind,
• Fig. 1b zeigt schematisch einen Ausschnitt zu Figur 1a, in dem die Schraubenfedern durch Luftpolster beidseitig des als Kolben ausgebildeten Bärs ersetzt sind,
• Fig. 2 zeigt schematisch den Ausschnitt eines Turbinenrades mit einem schräg anspritzenden Flüssigkeitsstrahl und mit der Kontur einer Sammeldüse, die den aus dem Turbinenrad austretenden Flüssigkeitsstrahl auffängt und
• Fig. 3 ist eine schematische Schnittzeichnung von einem Bohrhammer, der über ein Turbinenrad hydraulisch angetrieben ist, wobei mit der Restenergie des Antriebsstrahls Flüssigkeit zur Spülung und Kühlung zum Bohrmeissel geführt wird.

In den Figuren ist ein hydraulisch angetriebener Bohrhammer gezeigt, mit einem im Gehäuse 1 in Schlagrichtung beweglichen Führungskopf 14a,14b der die Schlagbewegung des Bärs 2a,2b führt, indem bis zum Aufprall auf die mit dem Bohrfutter 16 mitdrehende Bohrstange 15 der Bär 2a,2b über die Stossfeder 3a,3b mit dem Führungskopf 14a,14b verspannt ist und der Bewegung des Führungskopfes 14a,14b folgt. Die Bewegung des Führungskopfes 14a,14b ist in Abhängigkeit von der Zeit t in Fig. 1a angedeutet. Beim Aufprall geht die vom Getriebe 7 über Exzenter 12, den Pleuel 6 und den Lagerbolzen 8 auf den Führungskopf 14a,14b übertragene Bewegung weiter, indem die Stossfeder 3a,3b und die Rückstossfeder 4a,4b weiter komprimiert werden, wobei ein Kolben 5a oder Ausgleichsbohrungen 5b als Dämpfung und im Zusammenhang mit Ausgleichsräumen als Arbeitsspeicher wirken. Die Drehbewegung wird über eine Schnecke 11 im Getriebegehäuse 1a und eine Antriebswelle 13 auf das Bohrfutter 16 im Gehäuse 1d übertragen.

Erfindungsgemäss wird die Bewegung durch ein Turbinenrad 20 erzeugt, das mit einem Planetengetriebe 7 verbunden ist, dessen Planetenträger über Wälzlager 10 im Gehäuse 1, 1a gelagert ist. Der Planetenträger führt die Planetenräder mit dem Bolzen 9 und ist selbst als Exzenter 12 ausgebildet, wobei er Gegenmassen zur Exzentermasse besitzt, die einen Kräfteausgleich für die quer zur Stossrichtung des Bärs 2a,2b beschleunigten Massen vom Exzenter 12 und Pleuel 6 bewirken. Das Turbinenrad 20 wird von einer Düse 24 mit einem Flüssigkeitsstrahl 25 beaufschlagt, wobei der Flüssigkeitsstrahl 25 mit einer tangentialen und einer axialen Komponente auf den Schaufeln 21 des Turbinenrades 20 auftrifft und mit einer tangentialen, einer axialen und einer radialen Komponente aus den Schaufeln 21 austritt. Die Austrittswinkel müssen empirisch bestimmt werden, um eine in Strahlrichtung anzubringende Sammeldüse 26 mit nierenförmigem Querschnitt nach dem Injektorprinzip arbeiten zu lassen. Um Rückströmung zu verhindern, wird der Austrittsstrahl von einem eher runden Querschnitt auf einen Schlitzquerschnitt 27 im Grund der Sammeldüse 26 deformiert, den der mit Luft angereicherte Strahl vollständig ausfüllt. Im Anschluss an den Schlitzquerschnitt 27 findet eine diffusorähnliche Aufweitung zur Druckerhöhung in dem Führungskanal 28 statt, in welchem der volumetrische Luftanteil ca. 20 % beträgt. Der Führungskanal 28 kann als Kühlkanal ausgebildet sein, der Wärme vom Bohrhammer abführt.Das Turbinenrad 20 ist im Bereich der Schaufelfüsse und im Bereich der Schaufeln 21 mit Ausnahme vom Ort des Eintretens und Austretens des Druckstrahls 25 axial mit einem Spiel von 0,3 mm gegen die Gehäusewand 1 und 1b versehen. Im weiteren umgibt das Gehäuse die Turbinenschaufeln 21 radial im Winkelbereich des auftreffenden und die Schaufeln verlassenden Druckstrahls 25 mit einer Gehäusezwischenwand 23 im Abstand von 0,3 mm. Der Eintrittsquerschnitt der Sammeldüse 26 überlappt die Schaufeln 21 im Bereich der hinterschnittenen Schaufelfüsse und zieht durch den entstandenen Spalt und die Bohrungen 22 im Turbinenrad 20 Luft ein, die durch eine Ansaugöffnung 19 mit Filter in das Turbinengehäuse 1b eintritt.

Der Ueberdruck des Flüssigkeits-Luft-Gemisches im Führungskanal 28 beträgt ca. 1,5 bar. Die zur Spülung überschüssige Menge des Gemisches wird über eine Blende im unteren Teil des Gehäuses abgeführt, damit sich im oberen Teil des Gehäuses 30 zwischen Bär 2a,2b und Bohrstange 15 ein Luftpolster 29 bildet, das kurzzeitig neben den allgemein vorhandenen Luftblasen Flüssigkeit aufnimmt und die Wirkung eines Arbeitsspeichers hat, ohne dass der Druck bei der Verdrängung durch den Bär 2a,2b unnötig ansteigt. Die Gehäusezwischenwand 30 und das Gehäusezwischenstück 1c bilden ein Druckgefäss, das über die hohle Bohrstange 15 offen ist. Statische Weichdichtungen 17 und dynamische Weichdichtungen 18 gegenüber den bewegten Körpern sorgen für Dichtheit. Beim Zuschlagen von Bär 2a,2b bildet die Flüssigkeit vor der Berührung der Stirnflächen von Bär und Bohrstange 15 einen Übertragungswiderstand, der die Länge vom übertragenen Impuls vergrössert und zu einer grösseren Leistungsübertragung führt, ohne dass die Stirnflächen mechanisch beschädigt werden.

Ein Schlagen des Bohrhammers im Leerlauf, d.h. ohne Vorschubkraft an seiner Aufhängung, wird verhindert, indem das Oeffnen der Zuleitung zur Düse 24 über das Vorhandensein oder Einstellen einer Vorschubkraft verriegelt ist, was Einsparungen am Wasserverbrauch und Schonung der Mechanik bewirkt. Der Bohrbetrieb wird so über das Ein- und Ausstellen des Vorschubes erreicht und unterbrochen.