Hochfrequenter hydraulischer Felsbohrhammer: Hohe Bohrgeschwindigkeit, deutliche Steigerung der Projekteffizienz

Sechzig Hertz klingt schnell. Bei einem hydraulischen Felsbohrgerät bedeutet dies, dass der Schlagkolben pro Sekunde 60-mal einen vollständigen Vorwärts- und Rückwärtshub ausführt – ob jedoch jeder dieser 60 Hübe tatsächlich nutzbare Energie an die Felswand abgibt, ist eine völlig andere Frage. Der limitierende Faktor ist weder die Masse des Kolbens noch der hydraulische Druck; vielmehr ist es die Fähigkeit des Spulenventils, schnell genug die Richtung zu wechseln, um sich der Kolbenbewegung anzupassen, ohne dass beide Mechanismen außer Phase geraten.

Wenn das Spulenventil vorzeitig schaltet – bevor der Kolben seinen vorgesehenen vollen Hub abgeschlossen hat – erfährt der Kolben einen sekundären Aufprall gegen die Rückseite der Bohrung, anstatt sauber auf den Schaft zu treffen. Dieses Phänomen der eingeschlossenen Flüssigkeit wandelt Energie in Form von Wärme und Vibration statt in nützliche Schlagarbeit um. Der Bohrer läuft mit 60 Hz, liefert jedoch eine Schlagenergie, die eher einer Frequenz von ca. 45 Hz entspricht. Ein Hochfrequenz-Design bedeutet daher nicht nur, den Kolben schneller laufen zu lassen; es geht vielmehr darum, die Kopplung zwischen Kolben und Spulenventil bei erhöhter Frequenz in Phase zu halten, sodass jeder Zyklus in echtes Bohren umgesetzt wird.

Die Kolben–Spulen-Kopplung: Was die obere Frequenzgrenze bestimmt

Jedes hydraulische Schlagwerk weist die gleiche grundsätzliche Einschränkung auf: Die vordere und hintere Kammer des Schlagkolbens wechseln mit einer durch das Spulenventil gesteuerten Frequenz zwischen Hochdruck und Rücklaufdruck. Das Spulenventil selbst wird hydraulisch betätigt – ein Pilotkanal, der durch die Kolbenstellung unter Druck gesetzt wird, löst die Umschaltung aus. Wird der Pilotkanal zu früh unter Druck gesetzt (Vorlauf zu groß), kehrt der Kolben um, bevor er den konstruktiv vorgesehenen Schlagpunkt erreicht. Wird er zu spät unter Druck gesetzt, überläuft der Kolben diesen Punkt, wodurch Öl in der vorderen Kammer komprimiert wird und ein sekundärer Schlag entsteht, der Energie verschwendet.

Untersuchungen mittels laserbasierter Messung der Kolbengeschwindigkeit bei 60 Hz bestätigen, dass die Voreilmenge – also der Zeitpunkt, zu dem die Rücksignal-Kammer beginnt, sich zu drücken, bevor der Kolben die Endstellung erreicht – sowie der Gasvorladedruck des Hochdruckspeichers gemeinsam darüber entscheiden, ob das Schlagwerk in einer stabilen periodischen Bewegung erster Ordnung verbleibt oder in eine chaotische periodische Bewegung zweiter Ordnung abdriftet. Die optimale Vorladung des Hochdruckspeichers für hochfrequente Steuerkolbensysteme mit Hülsenventil liegt im Bereich von 80–90 bar. Unterhalb dieses Bereichs kann der Speicher die momentane Durchflussanforderung nicht ausreichend puffern. Oberhalb dieses Bereichs ist die Membran durch Überladungszyklen einer beschleunigten Ermüdung ausgesetzt.

Kurzer Kolben vs. langer Kolben bei hoher Frequenz

Zwei Kolbengeometrien dominieren Hochfrequenzkonstruktionen und stellen unterschiedliche Kompromisse dar. Kurze Kolben erzeugen eine höhere Spitzen-Stoßenergie pro Schlag – gemittelt 346 J in kontrollierten Spannungswellentests bei identischem Arbeitsdruck – und erreichen einen höheren Wirkungsgrad bei der Energienutzung (nahe 57 % der hydraulischen Eingangsenergie). Lange Kolben laufen mit höherer Frequenz (Spitzenmittelwert 62 Hz in derselben Testreihe), liefern jedoch eine geringere Spitzenenergie pro Schlag; ihre Druckwellenform eignet sich besser für einen dauerhaften Felskontakt in tiefen Bohrlöchern, wo die Dämpfung durch die Stangenkette die effektive Energie am Bohrmeißel reduziert.

Die praktische Konsequenz: Kurzhub-Bohrgeräte mit hoher Frequenz eignen sich für Oberflächenbohrungen auf Bohrständen und für den Einsatz an Tunnelvortriebsfronten, bei denen die Bohrlochtiefe gering ist und die Energie pro Schlag die Eindringgeschwindigkeit bestimmt. Langhub-Bohrgeräte hingegen gewährleisten trotz geringerer Energie pro Schlag eine gleichmäßigere Energieübertragung über 30-Meter-Rodstrings, wo die Dämpfung der Spannungswelle stärker ins Gewicht fällt als die maximale Kraft. Die Abstimmung der Kolbengeometrie auf die jeweilige Anwendung ist der Auswahl-Schritt, den die meisten Beschaffungsteams überspringen.

Hochfrequenz vs. Standardfrequenz: Betrieblicher Vergleich

Der Vorteil der Eindringgeschwindigkeit ist real, aber begrenzt. Unterhalb von 60 MPa dringen Standardfrequenz-Bohrer bereits so schnell ein, dass der Gewinn durch hohe Frequenz in sogenannten Deckeneffekten verschwindet – die Abfuhr der Bohrspäne, nicht mehr die Schlagenergie, wird zur limitierenden Größe. Oberhalb von 250 MPa dringt keines der beiden Designs effizient ein; die Lebensdauer des Hartmetallbohrers ist hier die Engstelle. Das Fenster zwischen 80 und 180 MPa ist der Bereich, in dem sich die Hochfrequenzausrüstung ihren Preisvorteil verdient.

Das Doppel-Dämpfungssystem: Aufrechterhaltung des Kontakts zwischen Bohrer und Gestein zwischen den Schlägen

Hochfrequente Konstruktionen mit einer Betriebsfrequenz von 60 Hz weisen ein Zeitintervall von 16,7 Millisekunden zwischen den Schlägen auf. In diesem Zeitraum muss der Bohrkopf ständig Kontakt mit der Felsfläche halten – hebt der Bohrkopf zwischen den Schlägen ab, trifft der nächste Schlag auf Luft statt auf Gestein, und die Schlagenergie wird in den Bohrhammerkörper zurückreflektiert. Das doppelte Dämpfungssystem löst genau dieses Problem. Es nutzt einen Dämpfungskolben und einen Speicherbehälter (Akku), um das Bohrwerkzeug während des Rückhubes gegen die Felswand zu drücken und so den Kontaktdruck zwischen den Schlägen aufrechtzuerhalten. Untersuchungen zu Kombinationen aus Dämpfungsstrom und Vorschubkraft ergaben, dass eine maximale Schlagleistung von über 400 J bei einem Dämpfungsstrom im Bereich von 8–9 L/min und einer Vorschubkraft von 15–20 kN erreicht wurde. Außerhalb dieses Bereichs sank die Schlagenergie bei einigen Kombinationen auf unter 250 J.

Der Sandvik RD930 spezifiziert den Stabilisator-Akkumulator auf 40 bar mit einer einstellbaren Stabilisator-Druckspanne von 60 bis 110 bar – diese Bereiche sind nicht willkürlich gewählt. Sie stellen den Betriebsbereich dar, innerhalb dessen sich der Schaftadapter über den gesamten Frequenzzyklus hinweg optimal gegen den Kolben positioniert. Das Bohren außerhalb dieser Grenzen reduziert nicht nur die Effizienz; es verlagert den Verschleiß zudem in die Führungshülse und die Schaftfläche statt ihn gleichmäßig über die Kontaktfläche zu verteilen.

Neuberechnung des Dichtungs-Wartungsintervalls für Hochfrequenzeinheiten

Ein Drifter, der mit 60 Hz läuft, absolviert 216.000 Kolbenzyklen pro Betriebsstunde – etwa ein Drittel mehr als ein Gerät mit 45 Hz bei derselben Schlagdauer. Das übliche Inspektionsintervall für die Dichtungen nach 500 Betriebsstunden, das für Geräte mittlerer Frequenz gilt, wurde für niedrigere Zyklenraten entwickelt. Wenn ein Hochfrequenz-Drifter erst nach 500 Betriebsstunden erstmals auf seine Schlagdichtungen überprüft wird, akzeptiert dies 108 Millionen zusätzliche Kolbenzyklen gegenüber demselben Intervall bei einem Gerät mit 45 Hz. In abrasiven Gesteinsumgebungen oder bei erhöhten Öltemperaturen stellt ein Schwellenwert von 350–400 Betriebsstunden für die erste Inspektion eine stichhaltigere Empfehlung dar.

HOVOO liefert Dichtungssätze für Hochfrequenz-Drifter, darunter die Sandvik-RD-Serie, die Hochfrequenzmodelle von Epiroc COP sowie in China hergestellte Hochfrequenz-Drifter – mit HNBR-Compounds für heiße Bergwerksanwendungen, bei denen die Öl-Rücklauftemperatur 80 °C übersteigt. Modellbezeichnungen unter hovooseal.com.