Wie stellt man den Druck und die Schlagenergie eines hydraulischen Bohrhammers ein?

Es gibt einen Grund dafür, dass erfahrene Bohrer beim Einrichten einer neuen Bohrfront von ‚Gefühl‘ sprechen. Schlagdruck, Drehdruck und Vorschubkraft wirken nicht unabhängig voneinander – sie sind über den Bohrkopf miteinander gekoppelt, sodass die Anpassung eines Parameters ohne Berücksichtigung der anderen zu unvorhersehbaren Ergebnissen führt. Bei der Rotationsschlagbohrung ändert die Arbeitshublänge des Kolbens tatsächlich ihre Länge in Abhängigkeit von der Vorschubkraft und den Drehbedingungen am Bohrkopf. Ein zu hoher Vorspanndruck reduziert den Kolbenhub; die Aufprallgeschwindigkeit sinkt und damit auch die Schlagenergie. Ist die Vorspannung zu gering, verliert der Bohrkopf zwischen den Schlägen den Kontakt zum Gestein, wodurch jede Auswirkung ins Leere geht.

Diese Kopplung ist in der Forschung zur Bohrtechnik im Feld über Jahrzehnte dokumentiert. Die praktische Konsequenz: Die Anpassung der Parameter ist ein Ausgleichsvorgang über alle vier Steuergrößen – Schlagdruck, Schlagfrequenz, Drehgeschwindigkeit und Vorschubkraft – und keine Optimierung einer einzelnen Variablen. Das Verständnis dessen, was jede Steuergröße tatsächlich im System bewirkt, ist der Ausgangspunkt, bevor überhaupt ein Ventil verstellt wird.

Was jeder Parameter steuert – und was nicht

Der Schlagdruck bewirkt während des Arbeitshubs die Beschleunigung des Kolbens. Ein höherer Druck erzeugt eine höhere Kolbengeschwindigkeit beim Aufprall, was sich in einer höheren Schlagenergie niederschlägt. Der Zusammenhang folgt jedoch einer Parabel und nicht einer Geraden. Betriebsdruckdaten von YZ45-Schieberventil-Bohrmaschinen zeigen, dass der Wirkungsgrad der Energieübertragung bei 12,8–13,6 MPa sein Maximum erreicht und auf beiden Seiten davon abfällt. Unterhalb des Maximums: unzureichende Kolbengeschwindigkeit. Oberhalb davon: ein zu hoher Druck führt dazu, dass der Kolben zu schnell am Schaft ankommt – die Synchronisation zwischen Kolbenzeitpunkt und Ventilumkehr geht verloren, wodurch der Wirkungsgrad der Energieübertragung sinkt.

Die Schlagfrequenz verteilt dieselbe hydraulische Leistung unterschiedlich – entweder mehr Schläge pro Sekunde mit geringerer Energie je Schlag oder weniger Schläge mit höherer Energie je Schlag. Bei einem gegebenen hydraulischen Durchfluss und einem gegebenen Druck stellen diese beiden Parameter einen Kompromiss dar. Durch die Anpassung der Frequenz mittels des Regelstöpsels oder der Hubverstellungsschraube am Schlagmodul wird der Betriebspunkt des Bohrgeräts entlang dieser Kompromisskurve verschoben. Keines der beiden Extrema ist per se richtig; die Gesteinshärte und der Penetrationsmechanismus bestimmen die bessere Einstellung.

Die Drehgeschwindigkeit legt fest, wie weit der Bohrmeißel zwischen aufeinanderfolgenden Schlägen rotiert. Rotiert der Meißel zu weit, trifft jeder neue Schlag auf unbeschädigtes Gestein, ohne von den Rissen des vorherigen Schlages zu profitieren – die Effizienz sinkt. Bei zu geringer Rotation schlägt die Hartmetallspitze erneut an derselben Verschleißstelle auf, wodurch feines Pulver entsteht, das schwerer auszuspülen ist und die Hartmetallspitze thermisch belastet. Untersuchungen bei den In-Hole-ITH-Bohrgeräten im Bergwerk Malmberget der LKAB ergaben, dass die Variabilität des Drehdrucks ein zuverlässiger Indikator für die Gesteinsmassenzerklüftung im Vorfeld ist – eine Erinnerung daran, dass die Rotation nicht nur die Positionierung des Bohrmeißels betrifft, sondern auch ein diagnostisches Signal darstellt.

Die Vorschubkraft hält den Bohrmeißel zwischen den Schlägen gegen die Felswand. Bei senkrechten Bohrlöchern muss der Vorschubdruck die zunehmende Gewichtskraft der Bohrstringlänge ausgleichen, wenn die Bohrtiefe wächst – Daten derselben LKAB-Studie zeigten, dass der Vorschubdruck mit der Bohrlochlänge ansteigt, und zwar in einer Weise, die der theoretischen Gegenkraft durch das Gewicht des Stangenstrings entspricht. Bei geneigten Bohrlöchern ändert sich die Berechnung. Eine für ein senkrechtes Loch bei 20 Metern eingestellte Vorschubkraft führt bei derselben Tiefe in einem um 60 Grad geneigten Loch entweder zu einer Über- oder Unterschreitung der erforderlichen Vorschubkraft.

Interaktionstabelle: Was passiert, wenn ein Parameter falsch eingestellt ist

Einstellen der Parameter für verschiedene Bohrverfahren

Weichgestein mit einer Festigkeit unter 60 MPa erfordert keinen maximalen Schlagdruck. Jeder Schlag führt bereits leicht zur Eindringung, weshalb die Begrenzung sich von der Gesteinszertrümmerung auf die Späneabfuhr verlagert. Der Betrieb mit vollem Schlagdruck in weichem Kalkstein oder Kreide führt zu einer schnellen Eindringtiefe, die die Spülkreislaufkapazität überfordert – das Bohrloch füllt sich mit feinen Spänen schneller, als diese abgeführt werden können, was zu einem Gegendruck führt, der das Bohrloch aus der Richtung bringt. Reduzieren Sie den Schlagdruck auf 60–70 % des Nennwerts und erhöhen Sie die Drehzahl, um die Späneabfuhr zu unterstützen.

Harter Granit mit einer Festigkeit über 180 MPa erfordert die umgekehrte Einstellung: maximale Schlagdruckeinstellung, feste Vorschubkraft, um den Kontakt zwischen Bohrkrone und Gestein trotz der hochwiderstandsfähigen Oberfläche aufrechtzuerhalten, sowie eine niedrigere Drehzahl, damit das Hartmetall die gerade entstandene Rissbildung bearbeiten kann, bevor es zur nächsten Position wechselt. Die Drehdruckvariabilität – ein Maß für den Widerstand der Bohrkrone gegen das Drehen – ist bei hartem Granit hoch und in gebrochenen Zonen gering. Die Beobachtung des Drehdruckmanometers während des Bohrens gibt dem Bediener frühzeitig Hinweise auf Wechsel der Gesteinsformation, noch bevor die Durchdringungsrate sinkt.

Gebrochene und tonhaltige Formationen sind die anspruchsvollsten, um sie korrekt einzustellen. Der Schlagdruck sollte gegenüber der Einstellung für Hartgestein reduziert werden, da jeder Schlag in die Wände der Klüfte statt in intaktes Gestein übertragen wird, was zu einer höheren effektiven Eindringtiefe, aber auch zu einer unvorhersehbaren Stabverbiegung führt. Die Anti-Blockier-Funktion – bei der das Steuerungssystem eine Drehstockung erkennt und kurzzeitig die Drehrichtung umkehrt oder den Schlagdruck verringert – ist bei modernen Bohngeräten Standard, genau weil es in gebrochenem Gelände zu Kettenblockierungen kommt. Bei manuell bedienten Maschinen muss der Bediener den Druckanstieg beim Drehen, der einer Blockierung vorausgeht, erkennen und die Vorschubkraft proaktiv reduzieren.

Der Vorschubdruckgradient in tiefen Bohrlöchern

Eine Parameterinteraktion, die in statischen Einstellungstabellen nicht deutlich zutage tritt: Der Vorschubdruck muss mit zunehmender Bohrlochtiefe erhöht werden, um eine konstante Kraft auf den Bohrkopf aufrechtzuerhalten. Das Eigengewicht der Bohrstange stellt eine zunehmende Gegenkraft dar, sobald weitere Rohre hinzugefügt werden. Ein Vorschubdruck, der den Bohrkopf bei einer Tiefe von 5 Metern fest hält, erzeugt bei 25 Metern – sofern keine Anpassung vorgenommen wurde – eine netto negative Kraft. Feldmessdaten aus der Überwachung des Serienbohrens zeigen, dass der Vorschubdruck bei korrekt betriebenen Bohranlagen linear mit der Bohrlochlänge ansteigt.

Bei Bohranlagen mit automatisierter Parametersteuerung erfolgt diese Anpassung automatisch über die Regelungsschleife für den Vorschubdruck. Bei manuell gesteuerten Maschinen stellen die Bediener den Vorschubdruck üblicherweise zu Beginn eines Rohres ein und passen ihn während des gesamten Bohrstangenverlaufs nicht an. Das Ergebnis ist ein zu aggressiver Vorschub in geringer Tiefe und ein unzureichender Vorschub in größerer Tiefe – beides beeinträchtigt die Energieteffizienz und die Geradheit des Bohrlochs, allerdings in entgegengesetzter Weise innerhalb desselben Bohrlochs.

Wenn die Einstellung nicht mehr hilft: Der Dichtungszustand als verborgene Variable

Es gibt eine Grenze, jenseits derer eine Parameteranpassung die Produktivität nicht mehr wiederherstellen kann: Wenn die Schlagkolbendichtung hydraulischen Druck umgeht, arbeitet jede Einstellung am Bedienfeld gegen ein System, das nicht mehr wie vorgesehen funktioniert. Die verfügbare Schlagenergie sinkt proportional zum Umgehungsstrom – unabhängig davon, wo der Druck-Sollwert eingestellt ist. Eine reduzierte Eindringgeschwindigkeit in dieser Situation ist kein Parameterproblem, sondern ein Wartungsproblem.

Die diagnostische Unterscheidung: Ein korrekt eingestellter Bohrhammer mit abgenutzten Dichtungen zeigt bei normalem Manometerdruck eine reduzierte Eindringgeschwindigkeit und eine erhöhte Temperatur des Rücklauföls. Ein Bohrhammer mit falsch konfigurierten Parametern zeigt dieselbe reduzierte Eindringgeschwindigkeit, jedoch eine normale Rücklauföltemperatur. Die Temperatur ist der entscheidende Hinweis. HOVOO liefert Dichtungssätze für alle gängigen Bohrhammermarken in PU- und HNBR-Werkstoffen, die auf den jeweiligen Betriebstemperaturbereich abgestimmt sind. Vollständige Modellbezeichnungen unter hovooseal.com.