Bohrvorrichtung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gesteinsbohrvorrichtung für den Berg- und Tunnelbau in relativ weichem Gestein, wo Drehschlagbohrwerke vorteilhaft sind und Zonen unterschiedlicher Härte zu durchfahren sind. Solche Vorrichtungen haben ein Drehwerk zum Drehen der Bohrstange, ein Schlagwerk zum Schlagen der Bohrstange und einen Vorschubantrieb. Üblicherweise können bei bekannten Bohrvorrichtungen dieser Art die Drehzahl des Drehwerks, die Frequenz und Schlagleistung des Schlagwerks und der Vorschub eingestellt werden. Die Einstellung richtet sich nach der zu durchbohrenden Gesteinsart und gründet auf Erfahrenswerten. Häufig kommt es aber vor, daß während des Vortriebs unterschiedliche Gesteinsarten durchbohrt werden. Die eingestellten Werke werden dann für das härteste Gestein gewählt und sind für weichere Schichten nicht optimal, was zu geringen Vortriebsleistungen und erhöhtem Werkzeugverschleiß führt.

Eine Bohrvorrichtung gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der CH-A 657 664 bekannt. Diese Schrift beschreibt eine Schlag-Bohrvorrichtung mit einem Drehwerk, einem Schlagwerk und einem Vorschubantrieb. Um die Bohrleistung zu verbessern, wird der Steuerdruck auf ein Steuerventil von der Vorlaufleitung des Vorschubantriebs entnommen. Damit gelingt zwar eine gewisse Anpassung der Schlagfrequenz an die Vorschubleistung. Eine optimale Anpassung der Drehzahl und Schlagfrequenz an unterschiedliche Gesteinshärten ist damit allerdings nicht erreichbar.

Aus der US-A-4 064 950 ist es an sich bekannt, daß es günstig ist, die Schlagfrequenz an die Drehzahl des Drehwerks anzupassen. Dazu schlägt diese Schrift vor, Schlagwerk und Drehwerk in Serie zu schalten. Diese Lösung hat sich allerdings nicht als günstig erwiesen, weil damit die Schlagleistung invers von der Leistung des Drehwerks abhängt.

In der US-A-4 246 973 und der US-A-4 356 871 sind weitere Bohrvorrichtungen beschrieben, in welchen der Druck zum Schlagwerk, der Druck zum Drehwerk und der Druck zum Vorschubantrieb voneinander abhängen.

Beim Vorschlag gemäss EP-A-203 282 wird die Schlagfrequenz entweder von dem Drehmoment des Drehwerks oder der Vorschubkraft abhängig gemacht.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Bohrvorrichtung der eingangs genannten Art derart auszubilden, daß eine optimale Bohrleistung in unterschiedlichen Gesteins arten erreicht werden kann. Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Darin zeigt:

• Fig. 1 ein Schema einer erfindungsgemäßen Bohrvorrichtung,
• Fig. 2 einen Schnitt durch eine variable Drossel, und
• Fig. 3 einen Schnitt durch eine Variante der Drossel nach Fig. 2.

Die Arbeitsteile der Bohrvorrichtung sind in Fig. 1 nur schematisch angedeutet. Sie bestehen aus einem Drehwerk 1 zum Drehen einer Bohrstange 2, einem Schlagwerk 3 zum Schlagen der Bohrstange 2 sowie einem Vorschubantrieb 4 zum Vorschub der Bohreinrichtung 1, 2, 3. Die Vorrichtung hat zudem eine erste Steuereinrichtung 5 zum Einstellen der Drehzahl des Drehwerks 1 und der Schlagfrequenz und Schlagleistung des Schlagwerks 3, sowie eine zweite Steuereinrichtung 6 zum Einstellen der Vorschubkraft und -geschwindigkeit.

Das Drehwerk 1 besteht aus einem Hydromotor 10 mit einer Abtriebswelle 11, die drehfest mit der Bohrstange 2 verbunden ist. Das Schlagwerk 3 besteht aus einem Schlagzylinder 12, in dem ein Schlagkolben 13 hin und hergetrieben wird. Der Schlagkolben 13 schlägt dabei gegen die hintere Stirnseite der Bohrstange 2, vorzugsweise über einen nicht dargestellten Amboß. Drehwerk 1 und Schlagwerk 3 sind in einem gemeinsamen, nicht dargestellten Gehäuse angeordnet, das zusätzlich einen Drehschieber 14 für die Steuerung des Schlagwerks 3 enthält. Der Drehschieber 14 wird über ein Getriebe 15 von der Welle 11 angetrieben. Durch diese Ausbildung ist die Schlagfrequenz exakt proportional zur Drehzahl des Drehwerkes 1. Dies hat sich für die optimale Anpassung von Drehzahl und Schlagfrequenz an unterschiedliche Gesteinshärten als außerordentlich günstig erwiesen. Die Bohrstange 2 macht zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schlägen einen vorbestimmten Drehwinkel, der unabhängig ist von der Drehzahl. Um die Schlagleistung zu steigern und die Druckpulsationen in der Druckzufuhrleitung 16 und der Rücklaufleitung 17 zum Drehschieber 14 gering zu halten, sind in diesen Leitungen benachbart dem Drehschieber 14 Druckspeicher 18 angeordnet.

Zwischen Hydromotor 10 und Speiseleitung 21 sowie Rücklaufleitung 22 ist ein vier/drei-Wege-Schaltventil 23 eingeschaltet, damit der Motor 10 rechts- oder linksläufig betrieben werden kann. In den Leitungen 24, 25 zwischen Ventil 23 und Motor 10 ist je eine Parallelschaltung einer einstellbaren Drossel 26 und eines Rückschlagventils 27 angeordnet. Die Drosseln 26 wirken als Mengenregler und dienen zur Einstellung der Grunddrehzahl des Motors 10 für RECHTS- bzw. Linklauf. Normalerweise dreht der Motor 10 links, wobei die Leitung 24 auf die Speiseleitung 21 geschaltet ist. In dieser Leitung 24 ist parallel zum Ventil 23 und der Drossel 26 ein Proportional-Regelventil 28 geschaltet. Das Ventil 28 öffnet entgegen der Kraft einer Feder 29 proportional zum Druck in seiner Steuerleitung 30 und beaufschlagt daher den Motor 10 über die Bypassleitung 31 mit zusätzlichem Hydrauliköl, so daß er proportional zum Druck in der Leitung 30 rascher dreht.

Der Vorschubantrieb 4 umfaßt einen Hydraulikzylinder 35 mit einem Kolben 36 und einer Kolbenstange 37, die mit dem Gehäuse des Dreh- und Schlagwerks 1, 3 verbunden ist (nicht dargestellt). Die beiden Kammern 38, 39 des Zylinders 35 sind über ein weiteres Vier/Drei-Wege-Ventil 40 mit einer weiteren Speiseleitung 41 und Rücklaufleitung 42 verbunden. In die Leitung 43 zwischen Ventil 40 und Vorschubkammer 39 ist ein doppelt pilotgesteuertes, mit einer einstellbaren Federkraft vorbelastetes Druckregelventil 44 geschaltet. Die beiden Pilotdrücke zum Ventil 44 sind mit den beiden Kammern 38, 39 verbunden. Durch das Ventil 44 kann damit beim Vorschub der Andruck der Bohrstange 2 auf einen einstellbaren Wert unabhängig vom Druck in der Kammer 38 begrenzt werden. Die Leitung 45 zur Kammer 38 ist über ein Drei/Zwei-Wegeventil 46 in dessen erster Schaltstellung über einen einstellbaren Mengenregler 47 mit dem Ventil 40 verbunden. Der Mengenregler 47 begrenzt die Vorschubgeschwindigkeit. Beim Rücklauf des Kolbens 36 fließt das Öl über einen Bypass 48, der zugleich über eine Pilotkammer 49 das Ventil 46 in die erste Stellung zurückschaltet.

In der zweiten Stellung des Ventils 46 ist die Leitung 45 über eine Verbindungsleitung 55 mit einer variablen Drossel 56 verbunden. Deren Abfluß 57 führt über ein einstellbares Druckregelventil 54 zum Tank 58. Dieses Regelventil 54 hält auch bei geringem Durchfluß durch die Drossel 56 den Ansprechdruck des Proportionalregelventils 28 aufrecht. Die Steuerleitung 30 ist an die Leitung 55 angeschlossen. Die Drossel 56 ist in Fig. 2 im Schnitt dargestellt. In einer zylindrischen Bohrung 61 eines Gehäuses 62 ist ein Plungerkolben 63 verschiebbar gelagert. Der Kolben 63 durchdringt eine scharfkantige Blende 64 mit Gleitspiel. Die Blende 64 trennt im Gehäuse 62 eine mit der Leitung 55 verbundene Eingangskammer 65 von einer mit der Leitung 57 verbundenen Ausgangskammer 66. In der Kammer 66 drückt eine Feder 67 gegen die Stirnseite des Kolbens 63. Die Federvorspannung kann durch eine Schraube 68 eingestellt werden. In der Ruhestellung liegt der Kolben 63 hinten an einem Deckel 69 an. Der Kolben 63 hat zentralsymetrisch angeordnete, sich nach hinten zunehmend vertiefende, axiale Nuten 70 an seiner Umfangsfläche. Der Querschnitt der Nuten 70 nimmt mit dem axialen Abstand vom federseitigen Ende des Kolbens 63 zu. Damit nimmt der Drosselquerschnitt stetig zu mit dem Hub des Kolbens 63, der seinerseits proportional zur Differenz des Drucks in den Kammern 65, 66 ist. Die Querschnittszunahme der Nuten 70 mit dem Hub des Kolbens 63 ist zweckmäßig so ausgelegt, daß der sich in der Leitung 55 ausbildende Staudruck proportional zur Durchflußmenge durch die Drossel 56 ist. Wenn auch das Ventil 28 linear öffnet, dann ist die Drehzahlzunahme des Hydromotors 10 proportional zur Vorschubgeschwindigkeit.

Versuche haben ergeben, daß bei nahezu linearer Abhängigkeit sowohl der Drehzahl des Drehwerks 1 als auch der Frequenz des Schlagwerks 3 von der Geschwindigkeit des Vorschubantriebs 4 eine über einen weiten Bereich der Gesteinshärte optimale Vorschubleistung erzielt werden kann. Dies ist analog zu der bereits früher festgestellten günstigen linearen Kopplung zwischen Drehzahl des Drehwerks und Schlagzahl des Schlagwerks. Dieselbe günstige Relation ist mit der vorliegenden Erfindung mit der dritten Variablen verknüpft.

Im Betrieb startet man ein Bohrloch auf der dargestellten Neutralstellung des Ventils 46. Am Druckregelventil 44 wird der für die härteste zu erwartende Gesteinsschicht des Bohrlochs optimale Andruck eingestellt. Auch die Einstellung der Drossel 26 richtet sich nach der härtesten zu erwartenden Gesteinsschicht. Hingegen ist der nur für das Anbohren maßgebende Mengenregler 47 auf die optimale Vorschubgeschwindigkeit für das zuerst zu durchbohrende Gestein eingestellt. Sobald das Bohrloch angebohrt ist, wird das Ventil 46 umgeschaltet. Wenn nun während des Bohrens die Bohrkrone auf weicheres Gestein stößt, erhöht sich wegen des konstanten Andrucks die Vorschubgeschwindigkeit. Damit steigt der Staudruck vor der variablen Drossel 56 und damit der Pilotdruck auf das Regelventil 28. Ueber die Bypassleitung 31 wird nun dem Motor 10 zusätzlich Oel zugeführt, so daß er rascher dreht und damit wegen des Getriebes 15 auch die Schlagfrequenz steigt. Drehzahl und Schlagfrequenz passen sich damit automatisch optimal an die Vorschubgeschwindigkeit an. Damit kann gleichzeitig auch der Werkzeugverschleiß minimiert werden. Mit zunehmender Schlagfrequenz sinkt auch die Energie des Einzelschlages, was beim Bohren in weichem Gestein erwünscht ist.

Durch die Schraube 68 kann der Beginn der Zuschaltung des Bypasses 31 eingestellt werden. Wenn auch eine Einstellung der Drehzahlabhängigkeit erwünscht ist, kann die Federkonstante der Feder 67′ variabel gestaltet werden, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist. Die Feder 67′ ist hier als Biegefeder ausgebildet. Mit einem Schuh 73 kann hier die freie Länge der Feder 67′ und damit deren Federkonstante eingestellt werden. Der Schuh 73 ist durch eine Einstellschraube 74 verschiebbar.