Die Erfindung betrifft einen hydraulischen Schlagham¬ mer, insbesondere zum Vortreiben von Gegenständen im Erdboden-

Aus dem Patent DE 30 23 538 C2 ist ein hydraulischer Schlaghammer mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 bekannt. Bei diesem Schlaghammer ist an den Rückraum des ArbeiteZylinders ein Druckgas¬ speicher angeschlossen, dessen Gasraum durch eine Mem¬ bran verschlossen ist, auf deren Außenseite die in dem Rückraum des ArbeitsZylinders enthaltene Hydraulikflüs¬ sigkeit einwirkt. Der Rückraum ist über eine Zuström¬ leitung, die ein druckabhängig gesteuertes Ventil ent¬ hält, mit der Zulaufleitung verbunden. Ferner ist der Rückraum über eine zweite Leitung mit der Steuerein¬ richtung verbunden, um dann, wenn der Arbeitskolben seine vordere Endstellung erreicht hat, den Steuer¬ körper der Steuereinrichtung in denjenigen Zustand um¬ zusteuern, in dem die Steuereinrichtung den Rückhub des Arbeitskolbens bewirkt. Die zweite Leitung ist somit

eine reine Drucksteuerleitung, durch die kein Transport von Druckfluid stattfindet. Das druckabhänig gesteuerte Ventil schließt den Rückraum des Arbeitszylinders an die Vorlaufleitung an, wenn der Arbeitskolben seine vordere Endstellung erreicht hat. Während des Rückhubes des Arbeitskolbens erhöht sich der Druck im Rückraum. Übersteigt dieser Druck einen bestimmten Wert, dann verbindet das druckabhängig gesteuerte Ventil den Rück¬ raum mit der Rücklau leitung. Auf diese Weise wird vom Arbeitskolben Druckflüssigkeit gepumpt und ein gewisser Austausch der im Rückraum enthaltenen Flüssigkeitsmenge bewirkt. Der Hauptteil der Schlagenergie wird durch den Druckgasspeicher aufgebracht. Dadurch, daß aus dem Rückraum des Arbeitskolbens Druckfluid abgelassen wird, wenn der Druck in diesem Rückraum seinen Höchstwert erreicht hat, geht ein Teil der Druckenergie verloren, wodurch sich der Wirkungsgrad des Schlaghammers ver¬ schlechtert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen hydrau¬ lischen Schlaghammer zu schaffen, bei dem das Verhält¬ nis von Schlagenergie zu Leistungsaufnahme verbessert ist.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen.

Bei dem erfindungsgemäßen Schlaghammer wird der Rück¬ raum vollständig abgeschlossen, wenn der Arbeitskolben seine vordere Endstellung verläßt, bis der rückwärtige Umkehrpunkt erreicht ist, und vorzugsweise bis der Ar¬ beitskolben seine vordere Endstellung wieder erreicht hat. Ein besonderer Vorteil besteht darin, daß keine Druckenergie verloren geht. Zwar muß für den Rückhub

des Arbeitskolbens eine erhöhte Druckkraft aufgewandt werden, jedoch wird diese zusätzlich aufgewendete Ener¬ gie bei dem Arbeitshub wiedergewonnen, wenn sich der Druckgasspeicher entspannt. Dann wird das von der Rück¬ hubfläche des Arbeitskolbens verdrängte öl wiederum dem Druckliefersyste zugeführt, so daß der Schlagbohrham¬ mer insgesamt keinen höheren Verbrauch an hydraulischer Druckenergie hat als ein Schlagbohrhammer ohne Druck¬ gasspeicher. Dennoch ist die Schlagenergie, die mit Unterstützung durch den Druckgasspeicher erreicht wird, wesentlich größer als bei einem System ohne Druck¬ gasspeicher. Das druckgesteuerte Ventil sorgt dafür, daß am Beginn des Rückhubes im Rückraum des Arbeits¬ zylinders ein definierter Druck herrscht. Im Verlaufe des Rückhubes des Arbeitskolbens erhöht sich dieser Druck stetig, weil der Arbeitskolben sich in ein voll¬ ständig abgeschlossenes System hineinbewegt, aus dem keine Druckflüssigkeit entweicht. Daher finden auch keine Energieverluste statt, mit Ausnahme von Reibungs¬ verlusten. Ferner wird erreicht, daß der Druckgas¬ speicher eine definierte Bremsenergie für den Rückhub aufbringt, wobei die Bremskraft mit dem Rückhubweg des Arbeitskolbens stetig zunimmt, ohne daß Druckschläge oder Stöße auftreten würden.

Die in dem Rückraum des Arbeitszylinders eingeschlos¬ sene Hydraulikflüssigkeit erwärmt sich während des Schlagbetriebes. Um eine zu starke Erwärmung dieses Drucköls zu vermeiden, ist zweckmäßigerweise der Rück¬ raum an eine Zuströmleitung und eine Abströmleitung angeschlossen, die zum Durchströmen des Rückraums nur dann geöffnet sind, wenn der Arbeitskolben sich in der Nähe seiner vorderen Endstellung befindet. In diesem Zustand hat der Rückraum sein größtes Volumen und der

Druck im Rückraum nimmt seinen Mindestwert ein. Der Druckraum wird dann kurzzeitig von Hydrauliköl durch¬ strömt, bis der Arbeitskolben seinen Rückhub durch¬ führt. Während des Rückhubes wird der Strömungsweg durch die Zuströmleitung und die Abströmleitung hin¬ durch unterbrochen. Die dann im Rückraum eingeschlos¬ sene Flüssigkeit wird einem immer höher werdenden Druck ausgesetzt, wobei das im Druckgasspeicher enthaltene Gas komprimiert wird. Die Durchströmung des Rückraumes dient einerseits der teilweisen Erneuerung des im Rück¬ raum enthaltenen Öls zum Zwecke der Wärmeabfuhr und andererseits zum Aufbau eines definierten Drucks im Rückraum vor der Kompressionsphase. Etwaige Ölverluste am Arbeitskolben vorbei werden nach jedem Arbeitshub ersetzt.

Ein besonders guter Wirkungsgrad ergibt sich, wenn der Druckgasspeicher in Verbindung mit einem Schlaghammer eingesetzt wird, bei dem der Rückhubraum ständig dem hohen Lieferdruck ausgesetzt ist. Diejenige Druckflüs¬ sigkeit, die beim Arbeitshub aus dem Rückraum verdrängt wird, bleibt unter Druck und wird nicht in den Tank hinein entspannt.

Die Erfindung ist generell zum Vortreiben von Gegen¬ ständen, z.B. Spuntbohlen anwendbar, eignet sich aber auch für Felsbrecher und Bohrvorrichtungen. Der Schlag¬ hammer ist vorzugsweise am rückwärtigen Ende des Gegen¬ standes als Außenhammer angeordnet, jedoch kann er auch als Tieflochhammer ausgebildet sein.

Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.

Es zeigen :

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform des Schlaghammers,

Fig. 2 einen schematischen Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform des Schlaghammers, und

Fig. 3 eine dritte Ausführungsform.

Der in Fig. 1 dargestellte Bohrhammer weist ein Hammer¬ gehäuse 20 auf, das an eine Druckleitung 10 und an eine drucklose Rücklaufleitung 12 angeschlossen ist, und in dem ein ArbeitsZylinder 21 enthalten ist. In dem Ar¬ beitszylinder 21 ist der Arbeitskolben 22 geführt. Das vordere Ende des Arbeitskolbens 22 schlägt auf eine Amboßfläche 23 eines Adapters 24, der in dem Hammer¬ gehäuse 20 in Grenzen längsverschiebbar geführt ist. Der Adapter 24 wird mit dem vorzutreibenden Gegenstand gekoppelt.

Mit "vorne" ist jeweils diejenige Richtung bezeichnet, die in Vortriebsrichtung weist und mit "hinten" die entgegengesetzte Richtung.

Der Arbeitskolben 22 weist eine nach vorne gerichtete ringförmige Rückhubfläche RF auf, die den ringförmigen vorderen Zylinderraum (Rückhubraum) 26 begrenzt. Dieser Zylinderraum 26 ist über eine Leitung 27 ständig mit der Druckleitung 10 verbunden. Die Rückhubfläche RF begrenzt einen verdickten Abschnitt 28 des Arbeitskol¬ bens. Die andere Begrenzung des Abschnitts 28 wird von einer Ringfläche 29 gebildet, an die sich ein dünnerer Abschnitt 30 anschließt. Hinter dem dünneren Abschnitt

30 folgt wieder ein dickerer Abschnitt 31, dessen rück¬ wärtiges Ende von einer Arbeitsfläche AF gebildet wird. Die Arbeitsfläche AF begrenzt den rückwärtigen Zy¬ linderraum 33 des ArbeitsZylinders 21. Die Arbeits¬ fläche AF ist um einen Faktor von 2 bis 3 größer als die Rückhubfläche RF.

Die Rückhubfläche RF bewegt sich entlang mehrerer Steuernuten 34a,34b,34c im vorderen Zylinderraum 26. Die Ringfläche 29 bewegt sich entlang einer Steuernut 35. Im Bereich des dünneren Abschnitts 30 des Ar¬ beitskolbens mündet eine mit der Rücklaufleitung 12 verbundene Leitung 36 in den Arbeitszylinder 21. Die Steuernuten 34a,34b,34c sind an eine Steuerleitung 37 angeschlossen. Von diesen Anschlüssen sind jeweils zwei mit Verschlußvorrichtungen 32 verschlossen, während einer offen ist. Die Steuernut 35 ist ständig mit der Steuerleitung 37 verbunden. Der rückwärtige Zylinder¬ raum 33 des Arbeitszylinders ist an eine Betriebs¬ leitung 38 angeschlossen.

Die Steuerung des Arbeitskolbens 22 erfolgt durch den Steuerkolben 41, der in dem Steuerzylinder 40 bewegbar ist. Der Steuerkolben 41 ist als hohle Hülse ausgebil¬ det. Da der Steuerzylinder 40 mit der Druckleitung 27 verbunden ist, herrscht im Innern des Steuerkolbens 41 stets der volle hydraulische Druck. Der Steuerkolben 41 weist an einem Ende eine erste Arbeitsfläche AI auf, die ständig dem Druck ausgesetzt ist und radiale Rillen aufweist, so daß der Druck an ihr angreifen kann. Am entgegengesetzten Ende des Arbeitskolbens befindet sich eine zweite Arbeitsfläche A2, die kleiner ist als die Arbeitsfläche AI. Der Steuerkolben ist mit einem Ring¬ kragen 42 versehen, der an einem Ende durch eine

Steuerfläche A3 und am entgegengesetzten Ende durch eine stets drucklose Fläche A4 begrenzt ist, die mit der Rücklaufleitung 12 verbunden ist. Die Steuerfläche A3 ist dem Druck der Steuerleitung 37 ausgesetzt. Der Steuerkolben 41 ist ferner mit einer Ringnut 43 ver¬ sehen, die in jeder Stellung des Arbeitskolbens mit der Rücklaufleitung 12 in Verbindung steht. Die Druck¬ leitung 27 ist ein Druckgasspeicher 44, der als Puffer zur Glättung der hydraulischen Druckstöße angeschlossen ist.

Das bisher beschriebene Schlaggerät arbeitet wie folgt:

In dem in Fig. 1 dargestellten Zustand ist die Be¬ triebsleitung 38 über das Innere des Steuerkolbens 41 mit der Druckleitung 27 verbunden, so daß auf die Ar¬ beitsfläche AF der volle Druck wirkt. Da die Arbeits¬ fläche AF größer ist als die Rückhubfläche RF, auf die ebenfalls der volle Druck wirkt, führt der Arbeitskol¬ ben 22 seinen nach vorne gerichteten Arbeitshub aus, an dessen Ende er auf die Amboßfläche 23 schlägt. Sobald die Rückhubfläche RF die offene Steuernut 34b passiert hat, wird die Steuerleitung 37 von der Druckleitung 27 abgetrennt. Wenn die Steuerfläche 29 die Steuernut 35 passiert hat, wird die Steuerleitung 37 über die Nut 35 mit der Leitung 36 verbunden und dadurch drucklos. Somit wirkt auf die Steuerfläche A3 des Steuerkolbens 41 kein Druck mehr. Der Steuerkolben wird zurückbewegt, weil die Kraft, die auf die Arbeitsfläche AI ausgeübt wird, die Kraft übersteigt, die von demselben Druck auf die Arbeitsfläche A2 ausgeübt wird. Wenn der Steuer- kolben seine obere Endstellung erreicht hat, wird die Betriebsleitung 38 von dem Lieferdruck getrennt und über die Ringnut 43 mit der Rücklaufleitung 12 ver-

bunden. Dadurch wird der Rückhub des Arbeitskolbens 22 bewirkt. Sobald beim Rückhub die Nut 35 von dem ver¬ dickten Kolbenteil 28 abgesperrt ist und die Nut 34 von der Rückhubfläche RF freigegeben wird, entsteht in der Steuerleitung 37 der volle Druck, der auf die Steuer¬ fläche A3 wirkt und den Steuerkolben in die untere End¬ stellung treibt. Die Summe der Steuerflächen A2 und A3 ist größer als die Steuerfläche AI.

Der Rückraum 50 des Hammergehäuses 20, in den sich der rückwärtige Ansatz 51 des Arbeitskolbens erstreckt, ist mit Hydraulikflüssigkeit gefüllt. Dieser Rückraum 50 ist allseitig geschlossen und mit einem Druckgas¬ speicher 52 verbunden. Der Druckgasspeicher 52 enthält in einem Gasraum 53 eine Gasfüllung. Der Gasraum 53 ist durch eine flexible Membran 54 begrenzt, die gasun¬ durchlässig ist und die den Rückraum 50 abschließt.

In den Rückraum 50 führt seitlich eine Zuströmleitung 55 hinein und auf der gegenüberliegenden Seite führt eine Abströmleitung 56 aus dem Rückraum heraus. Die Abströmleitung 56 enthält eine Drosselstelle 57 und sie ist mit der Rücklaufleitung 12 verbunden. Die Zuström¬ leitung 55 enthält ein Druckregelventil 58, das mit der Vorlaufleitung 10 verbunden ist. Das Druckregelventil 58 erzeugt in der Zuströmleitung 55 einen Druck von 20 bar. Der Arbeitsdruck, der der Zulaufleitung 10 zuge¬ führt wird, beträgt 180 bar.

In der vorderen Endstellung des Arbeitskolbens befindet sich die Stirnseite des Ansatzes 51 in der Stellung 59, die in Fig. 1 gestrichelt dargestellt ist. In dieser Stellung sind die Einmündungen der Zuströmleitung 55 und der Abströmleitung 56 in den Rückraum 50 freige-

geben, so daß Hydraulikflüssigkeit durch den Rückraum strömen kann. Beim anschließenden Rückhub des Ar¬ beitskolbens verschließt der Ansatz 51 die Leitungen 55 und 56. Der Druck im Rückraum 50 steigt dann, bis die nach vorne gerichtete Kraft des Druckgasspeichers 52 im Gleichgewicht zu der auf die Rückhubfläche RF wirkenden Kraft ist. Dies bedeutet, daß der Druck p im Rückraum 50 gleich dem Arbeitsdruck P (in der Zulaufleitung 10) multipliziert mit dem Flächenverhältnis RF : SF ist. Wenn die Stirnfläche SF viermal so groß ist wie die Rückhubfläche RF und der Arbeitsdruck 180 bar beträgt, erhöht sich der Druck im Rückraum 50 auf 180 : 4 = 45 bar. Der Druck des Druckregelventils 58 ist so bemes¬ sen, daß bei dem Rückhub des Arbeitskolbens eine Druck¬ steigerung auf diesen Wert (45 bar) stattfindet. Dies gilt für den maximalen Arbeitshub, also wenn die Steuernuten 34a und 34b verschlossen und die Steuernut 34c geöffnet ist.

Das Ausführungsbeispiel von Fig. 2 gleicht weitgehend demjenigen von Fig. 1, so daß die nachfolgende Be¬ schreibung sich auf die Unterschiede beschränkt.

Gemäß Fig. 2 ist in der Zulaufleitung 55, die in den Rückraum 50 hineinführt, ein Rückschlagventil 60 ent¬ halten, das nur in Richtung auf den Rückraum 50 öffnet, in Gegenrichtung jedoch sperrt. Die Leitung 55 ist auch hier an das Regelventil 58 angeschlossen, das den Druck in der Zulaufleitung 10 auf einen vorgegebenen Wert (z.B. 20 bar) reduziert. Die Abströmleitung 56a ist nicht mit der Rücklaufleitung verbunden, sondern mit der Steuernut 35 und mit der Steuerleitung 37. Wenn der Arbeitskolben 22 seine vordere Endstellung erreicht hat, gibt die Ringfläche 29 die Steuernut 35 frei, so

daß diese nunmehr über Leitung 36 mit der Rücklauf- leitung 12 verbunden ist. Daher wird nur in der vorderen Stellung des Arbeitskolbens 22 die Abström¬ leitung 56a mit der Rücklaufleitung 12 verbunden. Bei dem darauf folgenden Arbeitshub überstreicht die Ring¬ kante 29 die Steuernut 35, so daß diese vom Arbeits¬ kolben verschlossen wird und die Abströmleitung 56a versperrt wird.

Bei dem Ausführungsbeiεpiel von Fig. 2 überstreicht die Rückhubfläche RF nicht die Steuernut 35. Die Umsteue¬ rung am Ende des Rückhubes wird dadurch vorgenommen, daß der Druck im Rückraum 50 und in der Abströmleitung 56a, der auf die Steuerfläche A3 des Steuerkolbens 41 einwirkt, so groß wird, daß er den Steuerkolben 41 in die in Fig. 2 dargestellte Position schiebt, in der der Arbeitskolben seinen Schlaghub ausführt. Die Steuernut 34 wird daher in Fig. 2 nicht benötigt. Die Umsteuerung des Steuerkolbens 41 erfolgt mit Hilfe des Druckes im Rückraum 50.

Die Zuεtrömleitung 55 und die Abströmleitung 56a führen in den Rückraum 50 an einer Stelle hinein, an der sie nicht von dem Ansatz 51 des Arbeitskolbens abgesperrt werden können.

Das Ausführungsbeispiel von Fig. 3 unterscheidet sich von demjenigen von Fig. 2 dadurch, daß die Zuström¬ leitung von dem Ansatz 51 des Arbeitskolbens versperrt und freigegeben wird, so wie dies in Fig. 1 der Fall ist. Dagegen wird die Abströmleitung 56b in Fig. 3 nicht von dem Arbeitskolben gesteuert. Sie ist ständig mit dem Rückraum 50 verbunden, so wie dies in Fig. 2 der Fall ist.

Bei beiden Ausführungsbeispielen, Fig. 2 und Fig. 3, erfolgt die Umsteuerung des Steuerkolbens 41 in die¬ jenige Position, die dem Arbeitshub des Arbeitskolbens 22 entspricht, durch den Druck in der Abströmleitung 56a bzw. 56b. Dieser Druck ändert sich in Abhängigkeit von der Rückhubposition, die der Arbeitskolben 22 je¬ weils einnimmt und in Abhängigkeit von dem Druck, der durch das Druckregelventil 58 in dem Rückraum 50 er¬ zeugt worden ist, während sich der Arbeitskolben in der äußersten Vorschubstellung befand. Dieser Druck, den das Druckregelventil 58 in dem Rückraum 50 erzeugt, wird als Vordruck bezeichnet. Durch Änderung des Vor¬ drucks kann diejenige Weglänge des Arbeitskolbens beim Rückhub festgelegt werden, bei der der Druck in der Abströmleitung 56a (Fig. 2) oder 56b (Fig. 3) so groß ist, daß er den Steuerkolben 41 umschalten kann. Durch Änderung des Vordrucks, der von dem Druckregelventil 58 erzeugt wird, kann die Größe des Kolbenhubs des Ar¬ beitskolbens verändert werden. Ist der Vordruck klein, so durchläuft der Arbeitskolben einen langen Rückhub, bis der Druck in der Abströmleitung 56a bzw. 56b so groß geworden ist, daß der Steuerkolben 41 umgeschaltet wird. Wegen der großen Rückhublänge des Arbeitskolben ergibt sich eine geringere Schlagzahl pro Minute und eine Vergrößerung der Schlagenergie. Wird am Druck¬ regelventil 58 der Vordruck im Rückraum 50 auf einen großen Wert eingestellt, so erfolgt die Umsteuerung des Steuerkolbens schon bei einer geringen Rückhublänge des Arbeitskolbens. In diesem Fall macht der Arbeitskolben Schläge mit großer Schlagfrequenz und geringer Schlag¬ energie.

Eine Veränderung der Schlagzahl und der Schlagenergie kann bei den Ausführungsbeispielen der Fign. 2 und 3

auch dadurch erfolgen, daß der Lieferdruck, der der Druckleitung 10 zugeführt wird, variiert wird, während der Vordruck, den das Druckregelventil 58 erzeugt, kon¬ stantgehalten wird. Der Steuerkolben 41 bildet eine Druckwaage, die einerseits dem vollen Hochdruck der Druckleitung 10 (an den Stirnflächen AI und A2) aus¬ gesetzt ist, und andererseits dem Druck in der Abström¬ leitung 56a (Fig. 2) oder 56b (Fig. 3), der auf die Steuerfläche A3 wirkt. Wird der Lieferdruck verringert, wird die Schlagfrequenz des Arbeitskolbens erhöht und die Schlagenergie verringert. Wird der Lieferdruck er¬ höht, wird die Schlagfrequenz verringert und die Schlagenergie erhöht.

Eine Veränderung der Schlagfrequenz kann in Abhängig¬ keit davon durchgeführt werden, wie weit der Gegenstand bereits in den Boden eingetrieben ist. Am Beginn des Eintreibens eines Gegenstandes in den Boden wird zu¬ nächst mit hoher Schlagfrequenz gearbeitet. Ist der Boden bereits weit vorgetrieben, wird ein höherer Vor¬ schub erreicht, wenn die Schlagfrequenz verringert und die Energie der Einzelschläge vergrößert wird. Die Schlagfrequenz kann auch automatisch in Abhängigkeit von der auf den Schlaghammer wirkenden Vorschubkraft verändert werden.

Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1 wird der Rück¬ raum 50 während des Rückhubes des Arbeitskolbens da¬ durch verschlossen, daß der Arbeitskolben die Leitungen 55 und 56 absperrt. Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 2 erfolgt das Verschließen des Rückraums 50 einer¬ seits durch das Rückschlagventil 60 und andererseits dadurch, daß die mit der Abströmleitung 56a verbundene Ringnut 35 von dem Kolbenteil 28 verschlossen wird.

während die Steuerleitung 37 eine zu dem Steuerzylinder 40 führende Sackgasse bildet. Bei dem Ausführungsbei- spiel von Fig. 3 erfolgt das Verschließen des Rückraums 50 dadurch, daß die Leitung 55 von dem Arbeitskolben verschlossen wird und daß die mit der Abströmleitung 56b verbundene Ringnut 35 von dem Kolbenteil 28 ver¬ schlossen wird, während die Steuerleitung 37 eine Sack¬ gasse bildet.

Bei allen Ausführungsformen des Schlaghammers muß die Rückhubfläche RF größer sein als in dem Fall, daß am rückwärtigen Ende des Arbeitszylinders kein Gaspolster vorhanden ist. Die größere Rückhubfläche RF ist nötig, weil mehr Kraft aufgebracht werden muß, um das Gas im Druckgasspeicher 52 zu komprimieren. Die vergrößerte Rückhubfläche RF hat zur Folge, daß das Ölvolumen im vorderen Zylinderraum 26 größer wird. Aus diesem Zylinderraum 26 wird das ölvolumen bei jedem Arbeitshub verdrängt. Da die Rückhubfläche RF jedoch ständig dem Hochdruck ausgesetzt ist, bleibt das unter Druck stehende ölvolumen, das aus dem Zylinderraum 26 ver¬ drängt wurde, unter Druck erhalten. Dieses ölvolumen muß nicht von der externen Hydraulikdruckquelle ergänzt werden.