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PATENTANSPRÜCHE
1. Aggregat zum Bohren von Gestein mit einem Bohrkopf mit schlagenden, radial schwingenden Bohrwerkzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass der Bohrkopf wenigstens zwei an einer Kurbelwelle (1) gegeneinander versetzt angeordnete Kurbelzapfen (3, 4) gleicher Exzentrizität oder wenigstens zwei an einem Motor (11) gegeneinander versetzt angeordnete Exzenter (14, 15) gleicher Exzentrizität umfasst, auf welchen Kurbelzapfen (3, 4) bzw. Exzentern (14, 15) zu-/gegeneinander ausgewuchtete Fräs- und Rollenbohrwerkzeuge (7, 8; 18) freidrehend gelagert sind.
2. Aggregat nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Fräs- und Rollenbohrwerkzeuge (7, 8), die auf zwei an der Kurbelwelle (1) gegeneinander versetzt angeordneten Kurbelzapfen (3, 4) mit gleicher Exzentrizität zu-/ gegeneinander ausgewuchtet und freidrehend gelagert sind, zu einem einzigen Fräs- und Rollenbohrwerkzeug vereint sind (Fig. 2).
3. Aggregat nach den Patentansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fräs- und Rollenwerkzeuge (7, 8, 18) verzahnte Scheiben, Ringzähne oder Zahnringe umfassen.
Die Erfindung geht aus von einem Aggregat zum Bohren von Gestein mit einem Bohrkopf mit schlagenden, radial schwingenden Bohrwerkzeugen.
Seit Jahren gibt es Entwicklungen, konventionelle Rollenbohrwerkzeuge mit Schlaggeräten zu versehen. Insbesondere verwendet man zu diesem sogenannten Aktivieren Kolbenschlaggeräte oder umlaufende Unwuchten, die entweder ausserhalb der Rollenbohrwerkzeuge angeordnet werden oder aber auch innerhalb entsprechender Bohrwerkzeuge.
Die insbesondere mit Kreiserregern gemachten Erfahrungen haben gezeigt, dass es u.a. schwierig ist, Schwingungen zu beherrschen und sie so zu dämpfen, dass sie nicht bzw. nur möglichst gering auf den Grundkörper - Bohrkopf oder dgl. übertragen werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Bohrkopf wenigstens zwei an einer Kurbelwelle gegeneinander versetzt angeordnete Kurbelzapfen gleichen Exzentrizität oder wenigstens zwei an einem Motor gegeneinander versetzt angeordnete Exzenter gleicher Exzentrizität umfasst, auf welchen Kurbelzapfen bzw. Exzentern zu-/gegeneinander ausgewuchtete Fräs- und Rollenwerkzeuge freidrehend gelagert sind.
Man verwendet nicht mehr zentrisch gelagerte umlaufende Unwuchten, sondern mindestens zwei gegeneinander versetzte Kurbelzapfen, die Rollenbohrwerkzeuge - vorzugsweise Disken, verzahnte Scheiben oder dgl., die auf den Kurbelzapfen zu-/gegeneinander ausgewuchtet freidrehend gelagert sind - in die gleichen radialen Schwingungen versetzen, wie sie durch Rollenbohrwerkzeuge erzeugt werden, die im Inneren mit umlaufenden Unwuchten versehen sind. Auch drei und mehr Bohrdisken oder dgl. können auf einer Kurbelwelle angeordnet werden.
Die grossen Vorteile der erfindungsgemässen Konstruktion liegen im wesentlichen darin, dass solche Aggregate durch die hierbei mögliche Auswuchtung weitgehendst schwingungsfrei arbeiten, die Amplitude durch eine entsprechende Exzentrizität der Kurbelzapfen im wesentlichen in Abhängigkeit des zu bohrenden Gesteins festgelegt wird und die Amplitude dann immer gleichbleibend ist. Ausserdem ist die Baugrösse im Vergleich zu anderen bekannten aktivierten Rollenbohrwerkzeugen mit eingebauten Linear- oder Kreiserregern erheblich geringer, auch die erforderliche Antriebsenergie ist vergleichsweise gering.
Ein weiterer erheblicher Vorzug des oben beschriebenen Aggregates ist, dass es im Leerlauf, selbst bei voller Drehzahl, fast keine Antriebsenergie benötigt und diese ausserdem in Abhängigkeit des Ausdruckes auf das Gestein wächst und somit u.a. für die Regulierung des Bohrandruckes vorteilhaft genutzt werden kann.
Mit dem erfindungsgemässen Prinzip kann zum Bohren z.B. härtester Gesteine die Frequenz auch extrem hoch sein höher als bei allen z.Z. bekannten Systemen - ebenfalls ein wesentlicher Vorteil. Das Gestein im Bereich der Eigenschwingungen zu bearbeiten, vorzugsweise unter Verwendung des Twin gemäss Figur 2.
Systembedingt - und in Abhängigkeit der gewählten Geometrie, d.h. des Rollendurchmessers, der Exzentrizität, des Abrollradius sowie der Drehzahl des/der Exzenter - laufen die verzahnten Scheiben/Zahnringe/Ringzähne oder dgl.
langsamer oder schneller in entgegengesetzter Richtung, so dass auch ohne Bewegung des Bohrkopfes, -armes oder dgl.
die Rollenbohrwerkzeuge vergleichsweise langsam drehen und damit gleichmässig abgenutzt werden - auch ein erheblicher Vorteil des Systems.
Um ein schnelles Mitlaufen der Rollenbohrwerkzeuge in Drehrichtung des Exzenters zu vermeiden, wird eine Ratsche oder dgl. zugeordnet, die die Werkzeuge nur in einer Richtung langsam und entgegengesetzt drehen lässt.
Der Erfindungsgegenstand wird nachstehend anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform des Aggregates mit einer Kurbelwelle mit Kurbelzapfen und Scheiben,
Figur 2 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform des Aggregates mit einer Kurbelwelle mit Kurbelzapfen und Scheiben, welche Scheiben eine Zwillingsausführung bilden.
Figur 3 eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform des Aggregates mit einem Antriebsmotor und am Rotor des Motors angeordneten Scheiben,
Figur 4 eine schematische Ansicht einer noch anderen Ausführungsform des Aggregates mit einem Lagerbock.
In der Figur 1 einer Ausführungsmöglichkeit ist die Kurbelwelle mit 1 bezeichnet, die beiden Lagerungen der angetriebenen Kurbelwelle mit 2, die exzentrischen Kurbelzapfen mit 3 und 4, die Lagerungen der Scheiben der Disken mit 5 und 6 sowie die Scheiben und Disken mit 7 und 8 und die aufgezogenen, vorzugsweise auswechselbaren Verschleisswerkzeuge mit 9 und 10.
In der Figur 2 sind die gleichen Bestandteile des Aggregats mit gleichen Bezugsziffern wie in Figur 1 bezeichnet. Der Unterschied besteht bei dieser Ausführungsform nur darin, dass die Scheiben 7 und 8 Zwillinge bilden.
In der Figur 3 ist ein Ausführungsbeispiel mit einem Antriebsmotor 11 dargestellt. Auf der Welle 1, die in Lagerungen 16 abgestützt ist, ist ein Stator 12 des Motors fest aufgesetzt. Der Rotor 13 trägt Exzenter 14, 15, in welchen Lagerungen 24 der Scheiben 7, 8 vorhanden sind. Mit 9 und 10 sind die Verschleisswerkzeuge bezeichnet.
In der Figur 4 ist eine verschieden technische Möglichkeit dargestellt. Mit 17 ist ein halbkreisförmiger Lagerbock bezeichnet, der auch vollkreisförmig geschlossen sein kann, in dem das radial schwingende Bohrwerkzeug 18 mit Zähnen, Stiften oder dergleichen mit seinem grössten Radius - der durch die Exzentrizität vorgesehen ist - abläuft, und zwar auf dem Exzenter 20 mit einer mit hoher Drehzahl laufenden Kurbelwelle 1. Hierbei dreht das eigentliche Bohrwerkzeug in Richtung des Pfeiles 21 erheblich langsamer und gegenläufig zum Exzenter 20. Das Bohrwerkzeug läuft also in der halben Lagerschale mit einer seitlichen Schulter- bzw. Lagerlauffiä- che ab und kann somit fräsend arbeiten oder auch als Antrieb verwendet werden.
Der punktierte Pfeil soll das gegenläufige Abrollen auf
dem Gestein 23 - und nicht im Lagerbock 17 - demonstrieren, wobei bei hoher Drehzahl des Exzenters 20 der/die Ringzähne/Zahnringe 19 oder dergleichen zwangsweise langsam gegenläufig drehen.
Mit 25 ist eine Ratsche (Blattfeder) bezeichnet, die das Mitlaufen der Fräs-/Bohrrollen mit der gleichen hohen Geschwindigkeit des Kurbelzapfens verhindert, die Rollen jedoch gegenläufig frei drehen lässt.
Ein spezielles Bohrverfahren kann vorzugsweise unter Verwendung des Twin gemäss der Figur 2 erzielt werden, d.h., seitliches, lineares oder radiales Verschieben des erfindungsgemässen Bohraggregates, um z.B. einen halbkreisförmigen Schlitz ins Gestein zu arbeiten, wobei die Schlitzhöhe dem Durchmesser der Fräs- oder Bohrrollen entspricht, auch kann man das komplette Aggregat um die eigene Achse drehen, um eine Pilot- oder Vollbohrung herzustellen, die im Durchmesser ebenfalls dem der Fräs- oder Bohrrollen entspricht. Das Aggregat kann einseitig/fliegend gelagert werden.
Die freien Wellenenden der Kurbelwelle bzw. Kurbelwellenzapfen sind so bemessen, dass einteilige Lagerungen über die Wellenenden auf die Kurbelwellen-Exzenter aufgeschoben werden können, die dann ihrerseits die Fräs- oder Bohrrollen tragen.
Das Aggregat kann bei Tunnelbohrmaschinen des Systems Montacie verwendet werden. Die Bohrrollen können mit vor-, zwischen- oder neben laufendem Wasserstrahl höherer Drücke kombiniert werden.
Zähne, Stifte, z.B. aus Hartmetall, oder sonstige Werkzeuge, Profile oder dgl. können nicht nur radial angeordnet werden, sondern auch seitlich an den Flanken der z.B. auch halbkugelförmigen Fräs- oder Bohrrollen, insbesondere um beim Einstechen ins Gestein oder seitlichem Verfahren tiefer eindringen zu können bzw. stärkere Schichten in einem Arbeitsgang abtragen zu können.
In einer bevorzugten Ausführungsform gemäss Figur 2 beträgt beispielsweise der Durchmesser der Scheiben 7, 8 300 mm, die Drehzahl der Welle 1 bzw. der exzentrischen Kurbelzapfen 3, 4 5000 und somit die Schlagfrequenz beider Scheiben auf dem Gestein zusammen 10000 Umdrehungen pro Minute, wobei die Scheiben 7, 8 mit etwa 100 Umdrehungen entgegengesetzt zur Drehrichtung der exzentrischen Kurbelzapfen 3, 4 das Gestein 23 drehend schlagend bearbeiten mit einer Amplitude von 10 mm.
Im Ausführungsbeispiel gemäss Figur 4 und dem Ablaufen im Lagerbock 17 drehen die Zahnringe 18 mit etwa 200 Umdrehungen entgegengesetzt zur Drehrichtung des Exzenters 20 mit 5000 Umdrehungen und können somit das Gestein 23 fräsend bearbeiten oder als Antrieb dienen.
Bei der beschriebenen Ausführung ist ein nur etwa 3-5 kW starker Motor erforderlich. Trotz dieses geringen Energiebedarfs und eines Andruckes, der nur etwa 1-10% des Andruckes beträgt, den konventionelle Rollenbohrwerkzeuge benötigen, sind die Vertriebsleistungen (Eindringtiefen), insbesondere in hartem und härtestem Gestein, mehrfach höher als beim konventionellen Bohren.
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PATENT CLAIMS
1. Unit for drilling rock with a drilling head with striking, radially oscillating drilling tools, characterized in that the drilling head has at least two crank pins (3, 4) arranged offset with respect to one another on a crankshaft (1) or at least two on a motor (11 ) offset eccentric (14, 15) of the same eccentricity, on which crank pin (3, 4) or eccentric (14, 15) balanced and mutually balanced milling and roller drilling tools (7, 8; 18) are freely rotating.
2. Unit according to claim 1, characterized in that two milling and roller drilling tools (7, 8) on two on the crankshaft (1) staggered crank pins (3, 4) with the same eccentricity balanced / balanced against each other and freely rotating are stored, are combined into a single milling and roller drilling tool (Fig. 2).
3. Unit according to claims 1 and 2, characterized in that the milling and rolling tools (7, 8, 18) comprise toothed disks, ring teeth or toothed rings.
The invention is based on an aggregate for drilling rock with a drill head with striking, radially oscillating drilling tools.
There have been developments for years to provide conventional roller drilling tools with impact devices. In particular, for this so-called activation, piston striking devices or rotating unbalances are used, which are either arranged outside the roller drilling tools or also within corresponding drilling tools.
Experience, particularly with circular pathogens, has shown that It is difficult to control vibrations and to damp them in such a way that they are not, or only as little as possible, transmitted to the basic body - drilling head or the like.
The invention has for its object to eliminate the disadvantages of the prior art. This object is achieved in that the drilling head comprises at least two crank pins of the same eccentricity, which are arranged offset on one another on a crankshaft, or at least two eccentrics of the same eccentricity, which are arranged offset on one another on an engine, on which crank pins or eccentrics, milling and rolling tools balanced and / or counter-balanced, rotate freely are stored.
It is no longer used to have centrically positioned rotating imbalances, but at least two crank pins offset against one another, which roller boring tools - preferably disks, toothed disks or the like, which are mounted on the crank pins in a balanced and freely rotating manner - cause the same radial vibrations as they do are generated by roller drilling tools, which are provided with circumferential unbalances on the inside. Three or more drilling discs or the like can also be arranged on a crankshaft.
The major advantages of the construction according to the invention are essentially that such aggregates operate largely free of vibrations due to the possible balancing, the amplitude is determined essentially by a corresponding eccentricity of the crank pin as a function of the rock to be drilled, and the amplitude is then always constant. In addition, the size is considerably smaller compared to other known activated roller drilling tools with built-in linear or circular exciters, and the drive energy required is also comparatively small.
Another significant advantage of the unit described above is that it requires almost no drive energy when idling, even at full speed, and it also grows on the rock depending on the printout and thus, among other things. can be used advantageously for the regulation of the drilling pressure.
With the principle according to the invention, e.g. hardest rocks the frequency will also be extremely high higher than with all currently known systems - also a major advantage. To process the rock in the area of the natural vibrations, preferably using the twin according to FIG. 2.
System-dependent - and depending on the selected geometry, i.e. of the roller diameter, the eccentricity, the rolling radius and the speed of the eccentric - the toothed discs / toothed rings / ring teeth or the like.
slower or faster in the opposite direction, so that even without moving the drill head, arm or the like.
the roller boring tools rotate comparatively slowly and are therefore evenly worn - also a considerable advantage of the system.
In order to prevent the roller drilling tools from running fast in the direction of rotation of the eccentric, a ratchet or the like is assigned, which allows the tools to rotate slowly and in opposite directions only in one direction.
The subject matter of the invention is explained in more detail below with reference to the drawings, for example. Show it:
FIG. 1 shows a schematic view of an embodiment of the unit with a crankshaft with crankpin and washers,
Figure 2 is a schematic view of an embodiment of the unit with a crankshaft with crank pin and disks, which disks form a twin version.
FIG. 3 shows a schematic view of a further embodiment of the unit with a drive motor and disks arranged on the rotor of the motor,
Figure 4 is a schematic view of yet another embodiment of the unit with a bearing block.
In the figure 1 of an embodiment, the crankshaft is designated 1, the two bearings of the driven crankshaft with 2, the eccentric crankpin with 3 and 4, the bearings of the disks with 5 and 6 and the disks and disks with 7 and 8 and the mounted, preferably interchangeable wear tools with 9 and 10.
In FIG. 2, the same components of the unit are designated with the same reference numbers as in FIG. 1. The only difference in this embodiment is that the disks 7 and 8 form twins.
FIG. 3 shows an embodiment with a drive motor 11. On the shaft 1, which is supported in bearings 16, a stator 12 of the motor is fixed. The rotor 13 carries eccentrics 14, 15 in which bearings 24 of the disks 7, 8 are present. 9 and 10 denote the wear tools.
A different technical possibility is shown in FIG. 17 with a semicircular bearing block is designated, which can also be closed in a full circle, in which the radially vibrating drilling tool 18 with teeth, pins or the like with its largest radius - which is provided by the eccentricity - runs on the eccentric 20 with a Crankshaft running at high speed 1. Here the actual drilling tool rotates considerably slower in the direction of arrow 21 and in the opposite direction to the eccentric 20. The drilling tool therefore runs in half the bearing shell with a shoulder or bearing running surface on the side and can thus work or can also be used as a drive.
The dotted arrow is intended to roll in opposite directions
the rock 23 - and not in the pedestal 17 - demonstrate, at the high speed of the eccentric 20 the ring teeth / toothed rings 19 or the like are forced to rotate slowly in opposite directions.
With 25 a ratchet (leaf spring) is designated, which prevents the milling / drilling rollers from running at the same high speed of the crank pin, but allows the rollers to rotate freely in opposite directions.
A special drilling method can preferably be achieved using the twin according to FIG. 2, i.e. lateral, linear or radial displacement of the drilling unit according to the invention, e.g. to work a semicircular slot in the rock, the slot height corresponds to the diameter of the milling or drilling rollers, you can also turn the entire unit around its own axis to produce a pilot or full bore, the diameter of which is also that of the milling or drilling rollers corresponds. The unit can be stored on one side / on the fly.
The free shaft ends of the crankshaft or crankshaft journal are dimensioned such that one-piece bearings can be pushed over the shaft ends onto the crankshaft eccentric, which in turn then carry the milling or drilling rollers.
The unit can be used with tunnel boring machines from the Montacie system. The drilling rollers can be combined with higher, upstream, intermediate or alongside running water jets.
Teeth, pins, e.g. made of hard metal, or other tools, profiles or the like can not only be arranged radially, but also laterally on the flanks of e.g. also hemispherical milling or drilling rollers, in particular in order to be able to penetrate deeper into the rock or laterally or to remove thicker layers in one operation.
In a preferred embodiment according to FIG. 2, for example, the diameter of the disks 7, 8 300 mm, the speed of the shaft 1 or the eccentric crank pin 3, 4 5000 and thus the stroke frequency of both disks on the rock together 10,000 revolutions per minute, the Discs 7, 8 with about 100 revolutions opposite to the direction of rotation of the eccentric crank pins 3, 4 work the rock 23 in a rotating manner with an amplitude of 10 mm.
In the exemplary embodiment according to FIG. 4 and the running in the bearing block 17, the toothed rings 18 rotate at about 200 revolutions in the opposite direction to the direction of rotation of the eccentric 20 at 5000 revolutions and can thus mill the rock 23 or serve as a drive.
In the embodiment described, a motor of only about 3-5 kW is required. Despite this low energy requirement and a pressure that is only about 1-10% of the pressure that conventional roller drilling tools require, the sales performance (penetration depths), especially in hard and hardest rock, is several times higher than with conventional drilling.