Funktionsprinzip des hydraulischen Felsbohrgeräts: Kernmechanismus des Schlag- und Rotationsbohrens

Die meisten Erklärungen zum Funktionsprinzip eines hydraulischen Felsbohrgeräts beginnen mit dem Kolben. Das ist der falsche Ausgangspunkt. Der Kolben ist die Ausgabe eines hydraulisch-mechanischen Kopplungssystems – das Verständnis dessen, was der Kolben tut, ist nur dann hilfreich, wenn man zuvor verstanden hat, was ihn steuert. Das Schlagsystem ist im Grunde ein hydraulischer Oszillator: Das Umschaltventil leitet den Ölfstrom zu dem richtigen Zeitpunkt zwischen der vorderen und der hinteren Kolbenkammer um, um eine kontinuierliche Hin-und-Her-Bewegung aufrechtzuerhalten. Alle nachgeschalteten Größen – Kolbengeschwindigkeit, Schlagenergie, Frequenz – ergeben sich daraus, wie präzise diese Umschaltung zeitlich gesteuert wird.

Die vollständige Bohraktion kombiniert drei gleichzeitige Funktionen: axiale Schlagwirkung (der Kolbenschlag), Rotation (Drehung der Bohrstringanordnung, sodass jeder Schlag auf frisches Gestein trifft) und Vorschubkraft (Schubkraft, die den Bohrkopf gegen die Bohrlochwand drückt). Alle drei Funktionen müssen ausgewogen sein; andernfalls arbeitet das System ineffizient, unabhängig davon, wie viel hydraulische Leistung bereitgestellt wird.

Der Schlagzyklus: Acht Zustände in einem Schlag

Die Bewegung des Kolbens innerhalb eines einzelnen Schlagzyklus durchläuft etwa acht verschiedene hydraulische Zustände, wobei das Umschaltventil den Ölfluss in Abhängigkeit von der Kolbenposition steuert. Im Zustand 1 füllt Hochdrucköl die vordere Kammer und treibt den Kolben rückwärts (Rückhub). Während dieses Rückhubs erfasst das Umschaltventil über den internen Steuerkanal die Kolbenposition und beginnt selbst mit der Umschaltung – dabei wird der Hochdruck von der vorderen auf die hintere Kammer umgeleitet. Im Zustand 7 befindet sich der Kolben bei maximaler Geschwindigkeit, wenn er die Schaftfläche berührt. Das Umschaltventil muss genau zu diesem Zeitpunkt seine umgeschaltete Position erreicht haben: zu früh, und das Hochdrucköl in der vorderen Kammer bremst den Kolben ab, bevor er den Schaft berührt; zu spät, und die hintere Kammer bleibt nach dem Aufprall unter Druck, was einen sekundären „Doppelaufprall“ verursacht, der Energie verschwendet, anstatt zum nächsten produktiven Schlag beizutragen.

Forschungen zur Umkehrung der Ventilsteuerung haben den Sekundärstoßfehler als Hauptursache für eine unterhalb der Spezifikation liegende Schlagenergie bei Serien-Bohrgeräten identifiziert. Der Sekundärstoß tritt auf, wenn die Umkehrgeschwindigkeit des Ventils unzureichend ist – der Spielspalt ε zwischen Zylinder und Ventilbohrung bestimmt, wie schnell das Ventil umschaltet. Bei ε = 0,01 mm gewährleistet der Spaltstrom die vorgesehene Umschaltgeschwindigkeit; sowohl größere als auch kleinere Spalte verschlechtern die Schlagleistung, entweder durch zu langsame Umschaltung (Sekundärstoß) oder durch Überschwingen (Verlust an Kolbengeschwindigkeit).

Spannungswellenübertragung: Energie an der Felsfläche

Wenn der Kolben mit der Geschwindigkeit v auf den Schaft trifft, erzeugt der Aufprall eine Druckspannungswelle, die sich entlang des Bohrrohrs in Richtung Bohrmeißel ausbreitet. Die Amplitude dieser Welle bestimmt die Gesteinszertrümmerungskraft an der Meißelfläche. Die Spannungswelle klingt entlang des Rohrs exponentiell ab durch geometrische Ausbreitung, Reflexionen an den Rohrverbindungen sowie Materialdämpfung. Feldmessungen zeigen, dass das Spannungswellenmuster periodisch ist und über die Länge des Rohrs nahezu auf Null abklingt – das bedeutet, dass die nutzbare Schlagenergie in der Tiefe nur ein Bruchteil derjenigen Energie ist, die der Kolben am Schaft erzeugt hat.

Die Impedanzanpassung zwischen Kolben, Schaft, Stange und Bohrmeißel ist für die Energieübertragung entscheidend. Wenn der Wellenwiderstand (das Produkt aus Querschnittsfläche und Schallgeschwindigkeit) zwischen diesen Komponenten angepasst ist, wird die Spannungswelle effizient ohne Reflexionen an jeder Grenzfläche übertragen. Weicht der Durchmesser der Kolbenstange deutlich vom Durchmesser der Bohrstange ab, wird ein Teil der Welle reflektiert – dieser reflektierte Anteil stellt verlorene Energie dar. Daher wird die Kolbengeometrie nicht generisch ausgelegt, sondern gezielt für eine bestimmte Bohrstangendurchmesserklasse optimiert.

Der Rotationsmechanismus: Abstimmung zwischen den Schlägen

Der Drehmotor dreht die Bohrstange während des Schlagbohrens kontinuierlich, wobei die Drehgeschwindigkeit so eingestellt ist, dass der Bohrkopf bei jedem Schlag etwa 5–10 Grad weiterdreht. Diese Winkelverschiebung positioniert vor jedem nächsten Schlag eine neue Gesteinsoberfläche unter jedem Hartmetallknopf. Zu geringe Verschiebung: Der Hartmetallknopf trifft erneut eine bereits gerissene Stelle und erzeugt dadurch feines Pulver und Wärme statt neuer Rissausbreitung. Zu große Verschiebung: Der Hartmetallknopf trifft ungerissenes Gestein zwischen den durch vorherige Schläge zerscherten Zonen – dies ist weniger effizient, als auf einer bereits teilweise gerissenen Oberfläche aufzutreffen.

Der Drehmotor arbeitet unabhängig vom Schlagkreislauf und wird über einen separaten Hydraulikkreislauf gesteuert. Das Drehmoment steigt, wenn der Bohrkopf auf harte Zwischenschichten trifft oder wenn Bohrspäne sich ansammeln und dem Spülstrom Widerstand leisten. Ein Drehmomentstoß, der zum Stillstand der Drehbewegung führt – während der Schlagvorgang weiterläuft – blockiert den Bohrkopf in Position, während der Kolben weiterhin Schläge in eine nicht rotierende Bohrstring-Anordnung abgibt. Unter dieser Bedingung erfährt die Bohrstange eine kombinierte torsionale und druckbeanspruchende Belastung, die innerhalb weniger Sekunden ihre Ermüdungsgrenze überschreiten kann. Die Anti-Klemm-Funktion moderner Bohrwagen erkennt diesen Zustand und reduziert den Schlagdruck oder kehrt die Drehrichtung kurzzeitig um, bevor es zu einer Beschädigung des Bohrstrings kommt.

Vorschubkraft: Die Kontaktgleichung

Die Vorschubkraft erzeugt die axiale Schubkraft, die den Bohrmeißel zwischen den Schlägen gegen die Felswand drückt. Ohne diese Kraft hebt sich der Meißel beim Rücklauf der Spannungswelle leicht an und verliert den Kontakt mit der Wand, bevor der nächste Schlag eintrifft – so wird jeder Aufschlag teilweise verschwendet, um den Meißel wieder zur Wand zu beschleunigen, bevor er das Gestein brechen kann. Bei übermäßiger Vorschubkraft wird der Meißel so fest gegen die Wand gedrückt, dass der Kolben seine volle Hublänge nicht mehr vollständig durchlaufen kann; die Schlagenergie wird abgeschnitten und die effektive Schlagenergie sinkt.

Die optimale Vorschubkraft erzeugt einen festen, kontinuierlichen Kontakt zwischen Bohrmeißel und Gestein, ohne den Kolbenhub einzuschränken. In der Praxis muss der Vorschubdruck mit zunehmender Bohrlochtiefe erhöht werden, da das Gewicht der Bohrstringeinheit eine zunehmende Gegenkraft ausübt, die den Schub des Zylinders kompensiert. Die Feldüberwachung im Bergwerk Malmberget von LKAB zeigte, dass der Vorschubdruck bei korrekt betriebenen Produktionsbohrgeräten linear mit der Bohrlochlänge ansteigt – was bestätigt, dass konstante Vorschubdruckeinstellungen in größerer Tiefe zu einer unpassenden Kontaktkraft führen.

Dämpfung: Rückgewinnung der Energie, die das Gestein nicht genutzt hat

Nachdem die Spannungswelle die Bohrmeißel-Schneide erreicht hat, wird ein Teil der Energie zum Zerbrechen des Gesteins genutzt. Der Rest wird als Zugwelle entlang der Bohrstange nach oben reflektiert. Wenn nichts diese Welle abfängt, wandert die reflektierte Welle bis zum Schaft und wird wieder in den Bohrhammerkörper übertragen – wodurch das Gehäuse, die Auslegerbefestigungen und die strukturellen Verbindungsstellen belastet werden. Das Dämpfungssystem fängt diese reflektierte Energie ab. Einzel-Dämpfungssysteme (schwimmender Adapter, wie bei Epiroc COP) absorbieren die reflektierte Welle an der Schnittstelle zwischen Schaft und Kolben. Doppel-Dämpfungssysteme (Furukawa-HD-Baureihe) nutzen zwei hintereinander geschaltete Dämpfkammern: Die erste absorbiert die primäre reflektierte Welle; die zweite fängt die verbleibende Rückstoßenergie auf, die von der ersten Kammer nicht vollständig absorbiert wurde.

Bei einem unterirdischen Einsatz mit hoher Auslastung über 8 Schlagstunden ist die kumulierte Energie der reflektierten Welle, die vom Dämpfungssystem absorbiert wird, beträchtlich. Der Verschleiß der Dichtungen im Dämpfungskreis verringert die Absorptionseffizienz – das Gehäuse beginnt, Energie aufzunehmen, die ursprünglich vom Dämpfungssystem abgefangen werden sollte. HOVOO liefert Dichtungssatz-Kits für Dämpfungskreise für gängige Bohrhammer-Plattformen sowie Standard-Schlagkits. Vollständige Referenzen unter hovooseal.com.