Schlag- und Bohrvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Schlag- und Bohrvorrichtung, die mittels Druckflüssigkeit, insbesondere Wasser unter Hochdruck betrieben wird und einen äußeren, rückwärtig mit einer Druckflüssigkeit-Zuführleitung versehenen ruhenden Teil sowie einen inneren, am vorderen Ende ein Schlag- und Bohrwerkzeug tragenden beweglichen Teil aufweist, mit einem Hauptsteuerventil zur hydraulischen Steuerung einer Schwingbewegung des als Schlagkolben ausgebildeten beweglichen Teiles und mit einem von der Schwingbewegung des Schlagkolbens seinerseits gesteuerten Vorsteuerschieber zur hydraulischen Steuerung des Hauptsteuerventils, wobei am hinteren Ende des ruhenden Teils Rückstoßdüsen oder ein Gestänge für den Vortrieb angeordnet sind.

Eine derartige Schlag- und Bohrvorrichtung ist nach der DE-PS 22 57 753 bekannt. Bei dieser Vorrichtung wird die hin- und hergehende Bewegung des Vorsteuerschiebers mechanisch als Folge der Schwingbewegung des Schlagkolbens ausgeführt, während die Steuerung des Hauptsteuerventils durch den Vorsteuerschieber hydraulisch erfolgt. Bei jedem Richtungswechsel des Schlagkolbens findet also ein Aufprall auf den Vorsteuerschieber statt, der die nutzbare Kraft des Schlagkolbens mindert. Allerdings bewirkt der jeweilige Aufprall eine besonders sichere Funktion des Vorsteuerschiebers, da auch bei verschmutzter Druckflüssigkeit und entsprechend schwergängigem Vorsteuerschieber die Oszillierbewegung mit sehr großer Sicherheit stattfindet.

Es ist demnach Aufgabe der Erfindung, eine Schlag- und Bohrvorrichtung dieser Art zu verbessern, bei der die nutzbare Kraft des Schlagkolbens vergrößert und die bisher erzielbare Betriebssicherheit erhalten wird.

Die Lösung besteht darin, daß der Vorsteuerschieber und der Schlagkolben im Bereich eines Ansatzes an den Schlagkolben ineinander geschoben sind und eine Steuerkammer bilden, daß innerhalb der Steuerkammer an dem Vorsteuerschieber eine Druckschulter angebracht ist, und daß eine Verschiebung des Schlagkolbens eine zur Druckbeaufschlagung der Steuerkammer dienende, in dem Vorsteuerschieber radial angeordnete Steuerbohrung öffnet und eine zur Entlüftung dienende Bohrung schließt bzw. bei einer entgegengesetzten Verschiebung schließt und öffnet.

Bei der Erfindung erfolgt die Verschiebung des Steuerschieber also nicht mehr durch einen mechanischen Aufprall des Schlagkolbens auf den Vorsteuerschieber, sondern die Verschiebung des Vorsteuerschiebers wird aufgrund hydraulischer Kräfte vorgenommen. Wegen des fehlenden Aufprall steht nach außen hin die volle Schlagkraft des Schlagkolbens zur Verfügung, so daß die Leistungsfähigkeit der erfindungsgemä-Ben Vorrichtung gegenüber der bekannten Vorrichtung wesentlich erhöht ist.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß bei versagender hydraulischer Bewegung des Vorsteuerschiebers eine mechanisch bewirkte, von dem Schlagkolben ausgehende Bewegung stattfindet, die sich in den beiden Endlagen umkehrt und zu einer oszillierenden Bewegung des Vorsteuerschiebers führt. Im Störfall greift also die Erfindung auf die bisher benutzte Art der Vorsteuerschieberbewegung zurück, und zwar unter Inkaufnahme eines gewissen Leistungsverlustes. Dieser Leistungsverlust ist dem völligen Ausfall der Vorrichtung stets vorzuziehen, da die Chance besteht, daß die Vorrichtung auch mit verminderter Leistung in einem entsprechenden Kanal weiterläuft. Es sei darauf hingewiesen, daß dieser Störfall relativ selten ist und daß in der Regel die Bewegung des Vorsteuerschiebers hydraulisch bewirkt wird.

Im übrigen bedient sich die erfindungsgemäße Vorrichtung bekannter Praktiken zur Reinigung von Rohren und Kanälen mit Hilfe eines Schlag-und Bohrwerkzeuges am vorderen Ende der Vorrichtung, dessen Wirkung durch den Austritt von Flüssigkeit unter hohem Druck unterstützt werden kann und deren Antrieb mit Hilfe eines Gestänges oder mit Hilfe von Rückstoßdüsen am hinteren Ende der Vorrichtung erfolgt.

Der Schlagkolben, der Vorsteuerschieber sowie das Hauptsteuerventil sind in an sich bekannter Weise im wesentlichen konzentrisch zueinander ineinandergeschachtelt, und der Schlagkolben ist als Differenzialkolben ausgebildet. Die kleine Kolbenfläche wird dauernd mit Druck beaufschlagt, während die größere Kolbenfläche abwechselnd druckbeaufschlagt und entlüftet wird. Der Vorsteuerschieber wird einer ähnlichen, vorlaufenden hydraulischen Wirkung unterworfen, bei der zunächst die resultierenden Kräfte eine Verschiebung des Vorsteuerschiebers in der einen Richtung und die abwechselnde Druckbeaufschlagung und Entlüftung einer zusätzlich geschaffenen Schulter eine vorübergehende Verschiebung des Vorsteuerschiebers in die andere Richtung bewirkt. Die Bewegungen des Vorsteuerschiebers lassen das Hauptsteuerventil zwischen zwei Endlagen oszillieren, wobei die Endlagen jeweils zu der Öffnung eines Ventils und zur Schließung eines anderen Ventiles führt, denen Hydraulikwege nachgeschaltet sind, die zu einer Druckbeaufschlagung bzw. Entlüftung der größeren Kolbenfläche des Differenzkolbens führen.

Die letztgenannten Ventile werden z. B. durch eine radial nach außen sich erstreckende Erweiterung an dem Hauptsteuerventil gebildet, so daß angesichts des relativ großen Durchmessers bei kleinen Bewegungen des Hauptsteuerventils relativ große Ventilquerschnitte entstehen, die einen ungehinderten Zutritt der Druckflüssigkeit zu dem Differentialkolben und eine entsprechend rasche Ableitung während der Entlüftung sicherstellen. In dieser Weise entsteht eine besonders kräftige Schlagwirkung des Schlagkolbens, der identisch mit dem Differentialkolben ist.

In einer Weiterbildung ist die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer Einrichtung versehen, die aus der Schwingbewegung des Schlagkolbens eine an sich bekannte Drehbewegung des Kolbens um dessen Längsachse erzwingt. Die resultierende Drehbewegung erfolgt schrittweise, wobei unter Reibschluß sich abstützende Glieder verwendet werden, die bei einer Behinderung der Drehbewegung durchrutschen, so daß eine Beschädigung der die Drehbewegung hervorrufenden Einrichtung so gut wie ausgeschlossen ist.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung, die in der Zeichnung dargestellt sind, näher erläutert ; darin bedeuten :

• Figur 1 eine Längsschnittansicht durch eine Schlag- und Bohrvorrichtung gemäß der Erfindung mit einer ausschließlich hydraulisch hervorgerufenen Oszillationsbewegung des Vorsteuerschiebers und
• Figur 2 eine Längsschnittansicht in Form eines Ausschnittes eines weiteren Ausführungsbeispieles der erfindungsgemäßen Schlag- und Bohrvorrichtung mit einer hilfsweise mechanischen Bewegung des Vorsteuerschiebers.

Die in der Fig. 1 dargestellte Schlag- und Bohrvorrichtung besteht im wesentlichen aus einem äußeren Mantelrohr 52, in welchem ein druckfestes Zylinderrohr 13, ein Lagerblock 53 sowie ein Führungsring 54 gehalten ist und aus einem Schlagkolben 10 einschließlich der nachfolgend noch erläuterten Steuerteile. An den Stirnseiten des Mantelrohres 52 ist einerseits ein Gehäusedeckel 1 mit einer Druckflüssigkeit-Zuführleitung 2 bzw. 2' befestigt, während auf der anderen Seite der mit einem Werkzugträger versehene Schlagkolben 10 herausragt.

Bei dem in der Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt die Verschiebung eines Vorsteuerschiebers 50 und damit die Ansteuerung eines Hauptsteuerventils 7 aufgrund hydraulischer Kräfte, was nachfolgend im einzelnen beschrieben wird :

• Durch die Zuführleitung 2 bzw. 2' an dem rückwärtigen Gehäusedeckel 1 der Schlag- und Bohrvorrichtung wird einem Raum 3 Flüssigkeit unter Hochdruck zugeführt, welche zum Teil über Rückstoßdüsen 4 austritt und dabei als Rückstoßdüsenstrahl 5 zum Vortrieb der Vorrichtung ausgenutzt wird. Abweichend davon kann der Vortrieb auch durch ein Gestänge erfolgen, durch das zweckmäßigerweise dann die Flüssigkeit unter Hochdruck der Vorrichtung zugeführt wird.

Der Großteil der Druckflüssigkeit tritt durch eine Öffnung 6 in dem Hauptsteuerventil 7 und durch eine oder mehrere Bohrungen 8 in einem Einsatz 9 in den als Sackbohrung großen Öffnungsquerschnittes ausgebildeten Innenraum des Schlagkolbens 10 und über Öffnungen 11 in einen Zylinderraum 12, welcher durch das Zylinderrohr 13 und nach rückwärts durch eine Dichtung 15 an dem Schlagkolben 10 begrenzt wird ; eine weitere, in dem Führungsring 54 gelagerte Dichtung 14 verhindert das Austreten der Druckflüssigkeit an dieser Stelle. Der Raum 12 ist ständig von der Flüssigkeit beaufschlagt, er steht also unter Hochdruck.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel in der Fig. 1 wird ein weiterer Teil der unter Druck stehenden Flüssigkeit über Kanäle 16 und 17 einem Bohrwerkzeug 18 und 19 zugeführt, aus dem zu Spül- und Schneidzwecken die Flüssigkeit mit hoher Geschwindigkeit austritt. Bei ausgeführten Vorrichtungen werden Drücke von 40-300 bar verwendet bei einem Volumenstrom von etwa 100-500 Liter pro Minute, wobei zur Erzeugung dieser Drücke und dieser Ströme übliche Kanalspülfahrzeuge verwendet werden. In der in der Fig. 1 wiedergegebenen Stellung der Schlag- und Bohrvorrichtung hat der Schlagkolben bei einer in Pfeilrichtung 22 gerichteten Schwingbewegung mit einer Steuerkante 20 eine Steuerbohrung 21 überfahren und geöffnet, wobei eine Steuerkante 23 eine Entlüftungsbohrung 24 verschlossen hat. Hierdurch ist eine Druckschulter 25 an dem Vorsteuerschieber 50 druckbeaufschlagt, wodurch der Vorsteuerschieber 50 nach links (in Pfeilrichtung 22) verschoben wird, weil die auf ihn nach links einwirkenden Kräfte aus der hydraulischen Belastung von Flächen 25, 26 und 27 insgesamt größer sind als die nach rechts wirkende Kraft aus einer Kolbenfläche 28. Die ausschlaggebende Druckschulter 25 befindet sich innerhalb einer Steuerkammer 21', die, wie gezeigt, druckbeaufschlagt oder entlüftet sein kann.

Das Hauptsteuerventil 7 ist mit einer Stirnfläche 60 ständig von dem Druck der Flüssigkeit beaufschlagt, während ein Raum 29 über Entlüftungsbohrungen 30, 31 und 32 ständig entlüftet und somit drucklos ist. Auch ein Raum 33 ist über Bohrungen 34, einen Raum 35, einen Kanal 36, einen Ringraum 37 und Öffnungen 38 ständig entlüftet und somit drucklos. Ebenso ist ein Raum 39 über die Bohrungen 31 und 32 ständig entlüftet und damit drucklos.

In der dargestellten Stellung ist eine Steuerbohrung 40 mit dem Raum 39 verbunden, wodurch ein Raum 41 drucklos ist, und das Hauptsteuerventil 7 von dem auf der Fläche 60 lastenden Druck so weit nach links verschoben, daß Ventilflächen 42 und 43 aufeinanderliegen und der Durchgang der unter Druck stehenden Flüssigkeit von der Öffnung 6 über eine Bohrung 44 in einen Zylinderraum 45 unterbrochen ist. Durch diese Verschiebung ist zwischen Ventilflächen 46 und 47 ein Durchgang geschaffen und hierdurch der Zylinderraum 45 über die Kanäle 34 bis 38 mit der Umgebung verbunden und somit drucklos. Durch den Wegfall der Druckbelastung auf der größeren Kolbenfläche 48 des als Differentialkolben ausgebildeten Schlagkolbens 10 überwiegt nunmehr die nach rechts in Pfeilrichtung 49 gerichtete Kraft auf die kleinere Kolbenfläche des Schlagkolbens, wodurch letzterer wieder nach rechts (in Pfeilrichtung 49) bewegt wird.

Der Vorsteuerschieber 50 dagegen verharrt unter dem Einfluß der auf ihn einwirkenden hydraulischen Kräfte auf die Flächen 25, 27 und 28 sowie auf die Stirnfläche 60 des Hauptsteuerventils 7 in seiner Stellung so lange, bis die Steuerkante 20 des Schlagkolbens die Steuerbohrung 21 wieder überfahren und verschlossen hat, wobei gleichzeitig die Entlüftungsbohrung 24 von der Steuerkante 23 überfahren und geöffnet wird. Die daraus resultierende Entlastung der Druckschulter 25 sowie infolge der zuvor bereits entlasteten Druckschulter 26 in einem Zylinderraum 45 übersteigt nunmehr die auf den Vorsteuerschieber 50 wirkende hydraulische Kraft auf die Fläche 28 die entgegengerichteten Kräfte auf die Flächen 27 und 60, so daß der Vorsteuerschieber 50 sich nach rechts bewegt, bis er an die Begrenzung des Raumes 39 anschlägt.

Die Steuerbohrung 40 wird hierdurch mit einer Bohrung 51 verbunden und der Zylinderraum 41 mit Druckflüssigkeit beaufschlagt. Die in diesem Zylinderraum 41 auf das Hauptsteuerventil 7 einwirkende Kraft übersteigt jetzt die entgegengesetzt auf ihn wirkende Kraft infolge der Fläche 60, so daß sich das Hauptsteuerventil 7 nach rechts bewegt, bis die Ventilflächen 46 und 47 aneinanderliegen und so den Auslaß aus dem Zylinderraum 45 verschließen. Dieser Zylinderraum 45 wird nun über den zwischen den Ventilflächen 42 und 43 entstandenen Ringspalt wieder mit Druckflüssigkeit gefüllt. Das führt zu einer Bewegung des Schlagkolbens 10 nach links in Pfeilrichtung 22, während der Vorsteuerschieber 50 unter dem Einfluß der auf ihn einwirkenden hydraulischen Kräfte in seiner Stellung verharrt, bis die Steuerbohrung 21 geöffnet und die Entlüftungsbohrung 24 durch den sich verschiebenden Schlagkolben 10 bzw. dessen Steuerkanten verschlossen wird. Der eingangs beschriebene Vorgang wiederholt sich dann wieder.

. Eine Druckfeder 61 hält in drucklosem Zustand das Hauptsteuerventil 7 in einer Lage, in der die Ventilflächen 46 und 47 aneinanderliegen. Dadurch wird eine Ventilverlagerung während eines Transportes, also außerhalb des Betriebes verhindert. Sie stellt eine stets funktionsbereite Ausgangslage sicher, während des Betriebes hat die Feder 61 keine Funktion.

In der Fig. 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schlag- und Bohrvorrichtung dargestellt, das sich von dem vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispiel dadurch unterscheidet, daß der Vorsteuerschieber 50 hilfsweise aufgrund mechanischer Wirkung infolge der Schwingbewegung des Schlagkolbens 10 bewegt wird, wenn die im Regelfall tätige hydraulische Umsteuerung versagt. Dazu ist eine Stirnfläche 62 an dem Schlagkolben 10 in sich eben ausgebildet, so daß sie mit der Stirnfläche 28 des Vorsteuerschiebers 50 zusammenwirken kann. Die weitere Prallflächenpaarung besteht aus der Druckschulter 25, die bei Ausfall der hydraulischen Umsteuerung von der Steuerkante 23 mitgenommen wird, was zu einer Oszillierbewegung des Vorsteuerschiebers 50 führt.

Im übrigen weichen beide Ausführungsbeispiele nicht voneinander ab. Zum Beispiel ist in beiden Fällen der Einsatz 9 mit Hilfe eines Gewindes in dem Vorsteuerschieber 50 geführt und längenverstellbar, wodurch der freie Druchtrittsquerschnitt an den Ventilflächen 42 und 43 eingestellt werden kann. Auch ist beiden Ausführungsbeispielen eine Einrichtung zur zwangsweisen Drehung aus der Schwingbewegung des Schlagkolbens 10 gemeinsam, die nur in der Fig. 1 dargestellt ist. Sie umfaßt zwei sich gegenüberliegende Glieder 55 und 56, deren Drehachse radial verläuft und die in der Wandung des Schlagkolbens 10 drehbar gelagert sind. An ihrem jeweils äußeren Ende ist ein Ausleger angeordnet, der von der Mittelachse der jeweiligen Glieder 55 und 56 in Umfangsrichtung absteht. An dessen jeweils freiem Ende weist ein Ansatz mit einer Doppelkeilfläche einmal in Richtung auf das Bohrwerkzeug 18 (Glied 55) und in Richtung auf die Zuleitung 2 (Glied 56). Die Doppelkeilflächen tauchen in eine Keilnut 58 und 59 ein und sind mit Hilfe einer Feder 57 jeweils so vorgespannt, daß sie noch vor Erreichen der Endlage des Schlagkolbens 10 mit der Keilnut 58 bzw. 59 einen Reibschluß bilden, also einen Abstützpunkt. Die weitere Bewegung des Schlagkolbens 10 bewirkt, daß jedes Glied 55 bzw. 56 um den Punkt des Reibschlusses eine Drehbewegung ausführt, so daß die Mittelachse jedes Gliedes 55 bzw. 56, bezogen auf den Punkt des Reibschlusses eine Kreisbewegung ausführt. Da der Punkt des Reibschlusses in einer und die Drehachse jedes Gliedes 55 bzw. 56 in einer anderen Ebene liegt, geht mit der Axialbewegung des Schlagkolbens auch eine Drehbewegung einher, die dann bendet ist, wenn der Schlagkolben seine Endlage erreicht hat. Auf dem entgegengesetzten Weg wiederholt sich der Vorgang mit Hilfe des an der entsprechenden Seite angeordneten Gliedes 55 bzw. 56, so daß in beiden Bewegungsrichtungen die Drehbewegung erzeugt wird.

Für eine besonders gleichmäßige Drehbewegung, die bezüglich der Umfangskräfte ausgeglichen ist, sind drei Gruppen von Gliedern 55 und 56 gleichmäßig um den Umfang verteilt, von denen nur eine in der Fig. 1 dargestellt ist. Der Reibschluß zwischen den Gliedern 55 und 56 und den Keilnuten 58 und 59 ist durch die Wahl des Keilwinkels so gewählt, daß bei einer ernsthaften Behinderung der Drehbewegung der Reibschluß verloren geht und statt einer Drehbewegung des Schlagkolbens 10 eine Rutschbewegung zwischen den Gliedern und den Ringnuten eintritt. In dieser Weise wird die erfindungsgemäße Vorrichtung gegen Beschädigungen geschützt. In der Praxis treten Schlagfolgen von 1 000-1 500 pro Minute auf, die zu einer Drehzahl von 100-200 Umdrehungen pro Minute führen.

Bei größeren Kanaldurchmessern, die zu reinigen und von Rückständen zu befreien sind, wird ein entsprechend großes Werkzeug an dem Werkzeugträger angebracht, damit der theoretisch nutzbare Querschnitt des Kanals auch tatsächlich erfaßt wird. Damit dabei die erfindungsgemäße Schlag- und Bohrvorrichtung etwa in der Mitte des Werkzeuges gehalten ist, kann die Vorrichtung auf einen Schlitten gestellt werden, dessen Kufen in weiten Bereichen verstellbar und damit verschiedenen Durchmessern anpaßbar sind.