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WO2004013449A2 - Vorrichtung zum vortreiben von bohrungen im erdreich - Google Patents

Vorrichtung zum vortreiben von bohrungen im erdreich Download PDF

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Publication number
WO2004013449A2
WO2004013449A2 PCT/EP2003/007810 EP0307810W WO2004013449A2 WO 2004013449 A2 WO2004013449 A2 WO 2004013449A2 EP 0307810 W EP0307810 W EP 0307810W WO 2004013449 A2 WO2004013449 A2 WO 2004013449A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
drill head
main shaft
axis
peripheral region
counter
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2003/007810
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English (en)
French (fr)
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WO2004013449A3 (de
Inventor
Michael Mohrmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mhwirth GmbH
Original Assignee
Wirth Maschinen und Bohrgeraete Fabrik GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE2002134338 external-priority patent/DE10234338B4/de
Priority claimed from DE2002134336 external-priority patent/DE10234336A1/de
Priority claimed from DE2002134337 external-priority patent/DE10234337B4/de
Priority claimed from DE2002137889 external-priority patent/DE10237889C1/de
Priority to US10/522,483 priority Critical patent/US7658244B2/en
Priority to EP03766209A priority patent/EP1525370B1/de
Priority to AU2003257476A priority patent/AU2003257476A1/en
Priority to JP2004525236A priority patent/JP4112554B2/ja
Application filed by Wirth Maschinen und Bohrgeraete Fabrik GmbH filed Critical Wirth Maschinen und Bohrgeraete Fabrik GmbH
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Priority to DE50305056T priority patent/DE50305056D1/de
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Publication of WO2004013449A3 publication Critical patent/WO2004013449A3/de
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Ceased legal-status Critical Current

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    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B10/00—Drill bits
    • E21B10/08—Roller bits
    • E21B10/083—Roller bits with longitudinal axis, e.g. wobbling or nutating roller bit
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B10/00—Drill bits
    • E21B10/08—Roller bits
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
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    • E21B4/00—Drives for drilling, used in the borehole
    • E21B4/006—Mechanical motion converting means, e.g. reduction gearings
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B4/00—Drives for drilling, used in the borehole
    • E21B4/16—Plural down-hole drives, e.g. for combined percussion and rotary drilling; Drives for multi-bit drilling units
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21D—SHAFTS; TUNNELS; GALLERIES; LARGE UNDERGROUND CHAMBERS
    • E21D9/00—Tunnels or galleries, with or without linings; Methods or apparatus for making thereof; Layout of tunnels or galleries
    • E21D9/10—Making by using boring or cutting machines
    • E21D9/11—Making by using boring or cutting machines with a rotary drilling-head cutting simultaneously the whole cross-section, i.e. full-face machines
    • E21D9/112—Making by using boring or cutting machines with a rotary drilling-head cutting simultaneously the whole cross-section, i.e. full-face machines by means of one single rotary head or of concentric rotary heads
    • E21D9/113—Making by using boring or cutting machines with a rotary drilling-head cutting simultaneously the whole cross-section, i.e. full-face machines by means of one single rotary head or of concentric rotary heads having a central part for making a pilot tunnel and a follow-up part for enlarging the pilot tunnel

Definitions

  • the invention relates to a device for driving holes in the ground, as is known from DE 43 32 113 A1.
  • drilling devices are used in which a rotatably driven shaft is rotatably mounted within a machine housing, on which a face is arranged on the face or the bottom of the bore hole.
  • the drill head is designed differently depending on the nature of the soil into which the hole is to be drilled. Difficulties therefore often arise when the nature of the soil to be mined changes over the drilling length.
  • Rock boring heads which are usually covered with rollers, chisels or discs, stick together in soft, for example loamy soils; Drilling heads, on the other hand, which show good drilling performance in loamy or uneven soils, fail quickly due to high wear and tear if they hit rock or large stones.
  • the shaft journal of the driven main shaft of the device facing the working face, on which the drilling head is rotatably mounted is set at an acute angle to the axis of the main shaft. If the main shaft is now driven in rotation, the drill head wobbles at a frequency which corresponds to the rotational frequency of the main shaft, the amplitude of the wobble movement being dependent on the distance from the center of the wobble and the size of the wobble angle.
  • the drill head In order to generate the slow natural speed of the drill head, it is provided with an external bevel gear, which runs in a stationary internal bevel gear during the wobbling movement. As a result, the drill head is set at a rotational speed in the opposite direction to the main shaft, with a reduction which depends on the shape of the outer bevel gear relative to that of the inner bevel gear. Reductions from 30: 1 to 60: 1 should be achievable.
  • Another disadvantage is that the drill head, which is subject to significant wear due to the drilling process, is complex to manufacture due to the external bevel gear, as a result of which the running operating costs of this device increase.
  • a further disadvantage is that the bevel gears that run against one another are subject to increased wear due to penetrating overburden.
  • the invention is therefore based on the object of developing a device known from DE 43 32 113 A1 in such a way that it is suitable for a wider range of different soils.
  • the device is to be developed in such a way that the operating costs associated with its use are reduced.
  • the useful life of the device is to be increased.
  • the drilling material is to be reliably removed from the drill head space.
  • the rotary drive of the drill head is further effected in that it has a circumferential region which runs on a counter circumferential region during the rotation of the main shaft.
  • the rotation of the drill head caused by the running is now influenced according to the invention with regard to its rotational speed by the fact that the counter-peripheral region itself can be set in rotation.
  • the resulting speed of the drill head is increased or reduced at a constant speed of the main shaft.
  • the counter circumferential area and the circumferential area running on it can be switched off in any way that ensures running during operation. Because of the simplicity of manufacture and operational reliability, however, it is preferred if the peripheral region comprises external teeth and the counter-peripheral region comprises internal teeth.
  • the counter circumferential area is preferably formed by a ring gear arranged concentrically to the main shaft axis, which can be set in rotation according to the invention.
  • a preferred embodiment of the device according to the invention therefore provides that the counter-peripheral region can be set in rotation by means of a planetary gear which is in engagement with the main shaft.
  • This embodiment has the advantage that, compared to the generic device, no further, complex drive motors are required. Furthermore, this embodiment is characterized by a particularly high level of operational reliability.
  • the counter-peripheral area in rotation independently of the main shaft by means of a separate drive, ie not to couple the counter-peripheral area and the main shaft.
  • the separate drive is then particularly preferably designed to be controllable or regulatable, as a result of which the ratio between the drill head speed and the wobble frequency can be adapted to the type of soil in question during operation.
  • the feed and the rotary drive of the main shaft are carried out by means of a hydraulic medium
  • means are preferably considered which control or regulate the hydraulic pressures for effecting the feed and the rotary drive of the main shaft relative to one another. If, for example, the pressure on the motor is not high enough for the rotary drive, the hydraulic pressure for effecting the feed is reduced until the working pressure on the drive motor is sufficient to effect the rotary drive. If the pressure on the drive motor is too high, the hydraulic pressure for effecting the feed is reduced until the desired pressure on the rotary motor is also set. As a result, this configuration ensures optimum utilization of the device by achieving the greatest possible drilling progress without having to constantly readjust it manually.
  • the drill head is constructed in several parts, such that the tool part, which is subjected to a high degree of wear due to the friction on the soil to be detached, can be detached from the bearing part.
  • This measure means that the operating costs associated with the device in which the drill head is made to tumble during its rotation are not higher than in the case of a conventionally operating device, since the bevel gear, which is expensive to manufacture, and the bearing components of the drill head in the case of a worn drill head does not need to be replaced.
  • the drill head is divided into two in a central bearing part and a tool part fastened to it, the changeover times associated with a change of the tool part compared to the changeover times associated with the change of the entire drill head in conventional devices are significantly reduced. As a result of the increase in time efficiency and thus the drilling progress per unit of time, the operating costs are reduced again.
  • An embodiment of the drill head is particularly preferred in which the tool part is fastened to the bearing part by means of screws. These are preferably arranged evenly distributed over a pitch circle of the bearing part.
  • a sealing arrangement is provided which at least essentially seals the bearing arrangement for the drill head, wear-increasing overburden is prevented from penetrating up to the region in which the peripheral region runs at the counter-peripheral region.
  • the sealing arrangement comprises an elastic bellows. This serves to compensate for the radial relative movement between the bearing part of the drill head and a non-tumbling flange which rotates at the abrasive disc speed.
  • the latter is preferably sealed against the housing of the device by means of a mechanical seal.
  • the drill head and the receiving end of the delivery line are designed such that by the
  • the drill head on its side facing away from the working face has at least one projection which at least almost penetrates into the receiving end of the delivery line due to the wobble movement, the drilling material is introduced particularly effectively into the delivery line and into by the recurring mechanical pressure the conveyor unit transported further.
  • means for reducing at least large drilling pieces are preferably provided in the region adjoining the receiving end of the conveying line.
  • the effectiveness of the delivery line ie the removal rate achieved with this, is increased again if the receiving end has a partially annular cross section. It is then possible to arrange the receiving end in the bore along the inner circumference of the bore and symmetrically to its deepest point, so that no height differences have to be overcome in order to “load” the receiving end.
  • the application rate can be increased again if the device additionally comprises means for blowing conveying air into the drill head space, as is known from the prior art for pneumatic removal.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through a first embodiment.
  • Figure 2 shows a longitudinal section through a second embodiment.
  • Fig. 3 is a view along section line A-A in Fig. 2 and
  • the device designated as a whole by 100 comprises a drill head 1 which has a tool part 30 designed as a scraping disc 2 and a bearing part 3.
  • the scraping disc 2 and the bearing part 3 are fastened to one another with a plurality of cheese head screws 4, only one of which is shown in the drawing.
  • the cheese head screws 4 are evenly distributed on a pitch circle with the radius R.
  • the scraping point 2 is provided with a central cutting edge 5, the tip 6 of which lies on the axis of rotation A of the drilling head.
  • the scraper disk 2 has three radially outwards in the exemplary embodiment shown extending arms 7, T, 7 ", of which the arm 7 shown in the drawing above is occupied by a plurality of chisels 8.
  • the drill head 1 is rotatably mounted on the bearing part 3 by means of a bearing arrangement 40, which comprises tapered roller bearings 9, 10, on a shaft journal 11 of a main shaft 12.
  • the shaft journal 1 which has a substantially cylindrical outer peripheral surface, is molded onto the main shaft 12 in such a way that its axis B includes an acute angle w of approximately 5 ° with the axis of rotation A.
  • the main shaft 12 is in turn supported by tapered roller bearings 13, 14 in a machine housing 15 so as to be rotatable about the axis of rotation A and is rotatably driven by a hydraulic rotor 16 flanged on the end face.
  • the part of the bearing part 3 which is used for the scraper disc 2 is designed as a gearwheel arranged concentrically to the axis B of the shaft journal 11, hereinafter referred to as the wobble edge 17, and thus as a peripheral region 18 which, when the main shaft 12 rotates, runs in an internal toothing 20 which acts as a counter-peripheral region 19.
  • the internal toothing 20 is formed on a ring gear 21 which is arranged concentrically to the main shaft axis and is rotatably mounted relative thereto.
  • the ring gear has a further internal toothing 22, which is part of a planetary gear designated as a whole by 28.
  • the toothing of the parts of smaller diameter 24 of planetary gearwheels 23 engage in the internal toothing 22.
  • the parts 25 of larger diameter of the planetary gears 23 engage with their toothing in an external toothing 26 provided on the main shaft 12 and in one in the Machine housing 15 provided internal teeth 27, so that the planet gears orbit the axis of rotation A during the rotary drive of the main shaft 12 in the same direction of rotation.
  • the ring gear 21 is rotated in opposite directions to the drill head 11, the rotation of which is caused by the wobble wheel 17 running on the internal toothing 20. It is understood that by selecting the conditions in the planetary gear 28, the rotational speed of the ring gear 21 relative to the main shaft 12 and thus the ratio of the wobble frequency to the rotational frequency of the drill head can be predetermined.
  • a sealing arrangement 50 is provided for sealing the bearing arrangement 40 or the interior of the machine housing 15 with respect to the drill head space O. It comprises an elastic bellows 51 which is approximately V-shaped in cross section. It is mounted in such a way that its concave side is directed against the drill head O.
  • the annular, free ends of the bellows 51 each have outward thickenings 52, 53, one thickening 52 in a complementary annular groove 54 of the bearing part 3, the other thickening 53 in an annular groove 55 of one with respect to the machine housing 15 by means of a ball bearing 56 rotatably mounted ring 57 rests.
  • the bellows 51 therefore receives the vertical movement component of the drill head 1 caused by the wobble movement relative to the machine housing 15.
  • a mechanical seal 58 is arranged between the ring 57 rotating at the wobble frequency and the end of the machine housing facing it, which prevents impurities from penetrating into the ball bearing 56.
  • the device designated as a whole in FIG. 2 with 200 in turn comprises a drill head 1 which has a scraper disc 2 and a bearing part 3.
  • the scraping disc 2 and the bearing part 3 are fastened to one another with a plurality of cheese head screws 4, only two of which are shown in the drawing.
  • the scraper disc 2 is provided with a central cutting edge 5, the tip 6 of which lies on the axis of rotation A of the drill head.
  • the scraper disc 2 has three arms 7, 7 ', 7 "which extend radially outward.
  • the drill head 1 is rotatably supported on a shaft journal of a main shaft via the bearing part 3 by means of bearings not shown in the drawing.
  • the shaft journal which has a substantially cylindrical outer peripheral surface, is molded onto the main shaft in such a way that its axis B forms an acute angle w with the axis of rotation A.
  • the main shaft is in turn mounted in a machine housing 8 so as to be rotatable about the axis of rotation A and is driven in rotation by a hydraulic motor.
  • a conveying channel 10 is used to remove loosened drilling material, the rear region 11 of which is flattened in a circular inner cross section towards the drill head space O in order to finally open into a receiving end 12 of a partially annular cross section in the drill head space O (see in particular FIGS. 2 and 3).
  • Breaking ribs 13 are provided in the region of the receiving end 12 and extend approximately radially, as can be seen in FIG. 2.
  • Crushing ribs 13 are each arranged in pairs, such that on one small distance between two adjacent crushing ribs 13 follows a larger distance.
  • the division of the ribs 13 is selected in such a way that the drill material to be removed is comminuted in such a way that it can be removed through the conveying channel 10 without problems.
  • extensions 9, 9 ', 9 " are provided at the ends of the arms 7, T, 7" of the scraper disc, their rearward-facing surfaces 14, 14', 14 "as conveying surfaces
  • the surfaces 14, 14 ', 14 " also serve as striking surfaces for breaking the drill material.
  • the wobble frequency of the scraper disk is synchronized with the speed of rotation thereof in such a way that mechanical drilling material is inserted into the receiving end 12 of the conveying line 10 when one of the arms 7, 7 ', 7 "is passed.
  • the device according to the invention comprises an inlet for blowing conveying air into the drill head space O, which cannot be seen in the drawing.
  • an air flow is generated in the delivery line 10, which is symbolized by the arrows P.

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Abstract

Die Vorrichtung zum Vortrieben von Bohrungen im Erdreich umfasst eine drehangetriebene Hauptwelle (12), die einen Wellenzapfen (11) aufweist, dessen Achse (B) zur Achse (A) der Hauptwelle (12) einen spitzen Winkel (w) bildet, sowie einen ohrkopf (1), der um die Achse (B) des Wellenzapfens (11) drehbar gelagert ist und einen Umfangsbereich (18) aufweist, der an einem Gegenumfangsbereich (19) abläuft. Erfindungsgemäss ist der Gegenumfangsbereich (19) in Rotation versetzbar.

Description

Vorrichtung zum Vortreiben von Bohrungen im Erdreich
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Vortreiben von Bohrungen im Erdreich, wie sie aus der DE 43 32 113 A1 bekannt ist.
Für Horizontalbohrungen insbesondere von etwa 150 mm bis 1300 mm Bohrungsdurchmesser, aber auch für Vertikal bohrungen im Erdreich werden Bohrvorrichtungen verwendet, bei denen innerhalb eines Maschinengehäuses eine drehangetriebene Welle drehbar gelagert ist, auf derer der Ortsbrust bzw. der Bohrungssohle zugewandten Ende ein Bohrkopf angeordnet ist.
Je nach Beschaffenheit des Erdreichs, in das die Bohrung eingebracht werden soll, ist der Bohrkopf unterschiedlich ausgebildet. Schwierigkeiten treten daher häufig dann auf, wenn sich über die Bohrlänge die Beschaffenheit des abzubauenden Bodens ändert. So verkleben Felsbohrköpfe, die in der Regel mit Rollen, Meißeln oder Disken besetzt sind, in weichen, beispielsweise lehmigen Böden; Bohrköpfe dagegen, die in lehmigen oder rolligen Böden gute Bohrleistungen zeigen, versagen schnell aufgrund hohen Verschleißes, wenn sie auf Fels oder große Steine treffen.
Bei der aus der DE 43 32 113 A1 bekannten Vorrichtung soll dieses Problem dadurch gelöst sein, daß der Bohrkopf in eine Taumelbewegung versetzt wird, so daß er schnelle Stöße mit hoher Frequenz und demzufolge mit hoher kinetischer Energie gegen die Ortsbrust bzw. Bohrungssohle ausübt, gleichzeitig jedoch mit hohem Drehmoment und langsamer Drehzahl das gelöste Bohrgut abräumt, bzw. wenn das Erdreich an der Ortsbrust zu weich zum Abplatzen ist, Erdreich mit großem Drehmoment abschält. Durch den Schlageffekt soll besonders die Bohrleitung (Bohrfortschrift) bei härteren Formationen wesentlich erhöht werden.
Zur Erzeugung der Taumelbewegung ist der der Ortsbrust zugewandte Wellenzapfen der angetriebenen Hauptwelle der Vorrichtung, auf dem der Bohrkopf drehbar gelagert ist, in einem spitzen Winkel gegen die Achse der Hauptwelle angestellt. Wird nun die Hauptwelle drehangetrieben, so taumelt der Bohrkopf mit einer Frequenz, die der Drehfrequenz der Hauptwelle entspricht, wobei die Amplitude der Taumelbewegung vom Abstand des Taumelmittelpunkts und der Größe des Taumelwinkels abhängig ist.
Zum erzeugen der langsamen Eigendrehzahl des Bohrkopfes ist dieser mit einem Außenkegelrad versehen, das bei der Taumelbewegung in einem ortsfesten Innenkegelrad abläuft. Hierdurch wird der Bohrkopf in eine zur Hauptwelle gegensinnige Drehzahl versetzt, und zwar mit einer Untersetzung, die von der Gestalt des Außenkegelrades relativ zu derjenigen des Innenkegelrades abhängt. Untersetzungen von 30:1 bis 60:1 sollen erzielbar sein.
Zwar hat sich gezeigt, daß die aus der DE 43 32 113 A1 bekannte Vorrichtung zum Lösen stark unterschiedlichen Erdreichs geeignet ist, nachteilig ist jedoch, daß die Drehzahl des Bohrkopfes für viele Erdreichbeschaffenheiten nicht optimal, da meist zu hoch ist.
Nachteilig ist ferner, daß der durch den Bohrvorgang einem deutlichen Verschleiß unterworfene Bohrkopf durch das Außenkegelrad aufwendig in seiner Herstellung ist, wodurch sich die laufenden Betriebskosten dieser Vorrichtung erhöhen. Nachteilig ist darüber hinaus, daß die einander ablaufenden Kegelräder durch eindringenden Abraum einem erhöhten Verschleiß unterliegen.
Nachteilig ist schließlich, daß insbesondere große Bohrgutstücke nicht zuverlässig abtransportiert werden und die Förderleitung zum Verstopfen neigt.
Der Erfindung liegt daher in einem ersten Aspekt die Aufgabe zugrunde, eine aus der DE 43 32 113 A1 bekannte Vorrichtung derart weiterzubilden, daß sie für eine größere Bandbreite an unterschiedlichen Böden geeignet ist. In einem zweiten Aspekt soll die Vorrichtung derart weitergebildet werden, daß die mit ihrem Einsatz verbundenen Betriebkosten reduziert sind . In einem dritten Aspekt soll die Nutzungsdauer der Vorrichtung erhöht werden. Schließlich soll in einem vierten Aspekt das Bohrgut zuverlässig aus dem Bohrkopfraum abtransportiert werden. Es versteht sich, daß die verschiedenen Aspekte in vorteilhafter Weise auch in einer Vorrichtung zusammen verwirklicht werden können.
Diese Aufgaben werden durch die in den Ansprüchen 1 , 11 , 14 und 17 wiedergegebene Vorrichtung gelöst.
Bei der Vorrichtung nach Anspruch 1 erfolgt der Drehantrieb des Bohrkopfes weiterhin dadurch, daß er einen Umfangsbereich aufweist, der während der Drehung der Hauptwelle an einem Gegenumfangsbereich abläuft. Die durch das Ablaufen hervorgerufene Drehung des Bohrkopfes wird nun hinsichtlich ihrer Drehgeschwindigkeit erfindungsgemäß dadurch beeinflußt, daß der Gegenumfangsbereich selbst in Rotation versetzbar ist. Je nach Drehsinn des Gegenumfangsbereich wird bei konstanter Drehzahl der Hauptwelle somit eine Erhöhung oder Reduzierung der resultierenden Drehzahl des Bohrkopfes bewirkt. Der Gegenumfangsbereich und der an ihm ablaufende Umfangsbereich können in jeder Weise, die während des Betriebes ein Ablaufen sicherstellt, ausgeschaltet werden. Wegen der Einfachheit der Herstellung und der Betriebssicherheit ist es jedoch bevorzugt, wenn der Umfangsbereich eine Außenverzahnung und der Gegenumfangsbereich eine Innenverzahnung umfaßt.
Der Gegenumfangsbereich ist vorzugsweise von einem konzentrisch zur Hauptwellenachse angeordneten Hohlrad ausgebildet, das erfindungsgemäß in Rotation versetzbar ist.
Bei der aus der DE 43 32 113 A1 bekannten Vorrichtung hat sich in der Vergangenheit gezeigt, daß das Verhältnis zwischen der Taumelfrequenz und der Drehfrequenz des Bohrkopfes für eine Vielzahl von Anwendungen nicht optimal ist. Meist wäre eine im Verhältnis niedrigere Drehgeschwindigkeit des Bohrkopfes für den Bohrfortschritt vorteilhafter. Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht daher vor, daß der Gegenumfangsbereich mittels eines mit der Hauptwelle in Eingriff befindlichen Planetengetriebes in Rotation versetzbar ist. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, daß es gegenüber der gattungsgemäßen Vorrichtung keine weiteren, aufwendigen Antriebsmotoren bedarf. Ferner zeichnet sich diese Ausführungsform durch eine besonders hohe Betriebssicherheit aus.
Es ist jedoch ebenfalls möglich, den Gegenumfangsbereich mittels eines separaten Antriebs unabhängig von der Hauptwelle in Rotation zu versetzen, d.h. Gegenumfangsbereich und Hauptwelle nicht zu koppeln. Besonders bevorzugt ist der separate Antrieb dann Steuer- oder regelbar ausgestaltet, wodurch während des Betriebes eine Anpassung des Verhältnisses zwischen Bohrkopfdrehzahl und Taumelfrequenz an die Art des jeweils anstehenden Erdreichs möglich ist. Zur Vermeidung von Überlastungen insbesondere des Drehantriebs der Hauptwelle und zur Reduzierung des Verschleißes insbesondere des Bohrkopfes ist es bevorzugt, Mittel vorzusehen, mit denen der Vorschub in Abhängigkeit der Leistung des Drehantriebes der Hauptwelle Steuer- der regelbar ist. Durch diese Ausgestaltung kann bewirkt werden, daß stets ein optimales Verhältnis zwischen Vorschub und Antriebsleistung des Bohrkopfes besteht.
Erfolgt der Vorschub und der Drehantrieb der Hauptwelle mittels eines Hydraulikmediums, so sind bevorzugt Mittel angesehen, die die Hydraulikdrücke zur Bewirkung des Vorschubes und der Drehantriebs der Hauptwelle relativ zueinander steuern oder regeln. Ist beispielsweise der Druck am Motor für den Drehantrieb nicht hoch genug, so wird der Hydraulikdruck zur Bewirkung des Vorschubs soweit reduziert, bis der Arbeitsdruck am Antriebsmotor zur Bewirkung des Drehantriebs ausreicht. Ist der Druck am Antriebsmotor zu hoch, so wird der Hydraulikdruck zur Bewirkung des Vorschubs soweit reduziert, bis sich ebenfalls der gewünschte Druck am Drehmotor einstellt. Im Ergebnis wird durch diese Ausgestaltung eine optimale Ausnutzung der Vorrichtung sichergestellt, indem der größtmögliche Bohrfortschritt erreicht wird, ohne daß hierzu permanent manuell nachgeregelt werden müßte.
Bei der Vorrichtung gemäß Anspruch 11 ist der Bohrkopf mehrteilig ausgebildet, derart, daß der durch die Reibung an dem zu lösenden Erdreich einem hohen Verschließ unterworfene Werkzeugteil von dem Lagerteil lösbar ist. Durch diese Maßnahme sind die mit der Vorrichtung, bei der der Bohrkopf während seines Umlaufs in eine Taumelbewegung versetzt wird, verbundenen Betriebskosten nicht höher als bei einer konventionell arbeitenden Vorrichtung, da das aufwendig herzustellende Kegelrad und die Lagerbauteile des Bohrkopfes im Falle eines verschlissenen Bohrkopfes nicht ausgewechselt werden müssen. Ist der Bohrkopf - wie bevorzugt - in einem zentralen Lagerteil und einem an diesem befestigten Werkzeugteil zweigeteilt, so sind die mit einem Wechsel des Werkzeugteils gegenüber den mit dem Wechsel des gesamten Bohrkopfes bei herkömmlichen Vorrichtungen verbundenen Umrüstzeiten wesentlich erniedrigt. Durch die hiermit erzielte Erhöhung der Zeiteffizienz und damit des Bohrfortschritts pro Zeiteinheit sind die Betriebskosten abermals gesenkt.
Besonders bevorzugt ist eine Ausgestaltung des Bohrkopfes, bei der der Werkzeugteil über Schrauben an dem Lagerteil befestigt ist. Diese sind vorzugsweise gleichmäßig über einen Teilkreis des Lagerteils gleichmäßig verteilt angeordnet.
Dadurch, daß bei der Vorrichtung nach Anspruch 14 eine Dichtungsanordnung vorgesehen ist, die die Lageranordnung für den Bohrkopf zumindest im wesentlichen abdichtet, wird verhindert, daß verschleißerhöhender Abraum bis zu dem Bereich vordringt, in dem der Umfangsbereich an dem Gegenumfangsbereich abläuft.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfaßt die Dichtungsanordnung einen elastischen Balg. Dieser dient der Kompensation der radialen Relativbewegung zwischen dem Lagerteil des Bohrkopfes und einem nichttaumelnden, jedoch mit Schürfscheibendrehzahl umlaufenden Flansch. Letzterer ist vorzugsweise über eine Gleitringdichtung gegenüber dem Gehäuse der Vorrichtung abgedichtet.
Dadurch, daß bei der Vorrichtung nach Anspruch 17 der Bohrkopf und das Aufnahmeende der Förderleitung derart ausgestaltet sind, daß durch die
Taumelbewegung des Bohrkopfes solches Bohrgut, daß sich vor dem Aufnahmeende befindet, mechanisch in die Förderleitung transportiert wird, erfolgt der Abtransport des Bohrgutes erheblich effektiver als beim Stand der Technik.
Wenn - wie bevorzugt - der Bohrkopf auf seiner der Ortsbrust abgewandten Seite mindestens einen Vorsprung aufweist, der durch die Taumel beweg ung zumindest nahezu in das Aufnahmeende der Förderleitung eindringt, wird das Bohrgut besonders effektiv in die Förderleitung eingebracht und durch den wiederkehrenden, mechanischen Druck in der Fördereinheit weiter transportiert.
Um zu vermeiden, daß es trotz der effektiveren Förderung zum Stocken oder gar Erliegen des Förderprozesses kommen kann, sind vorzugsweise in dem sich in das Aufnahmeende der Förderleitung anschließenden Bereich Mittel zur Verkleinerung zumindest großer Bohrstücke vorgesehen.
Diese Mittel können aus aktiv arbeitenden, d.h. selbst angetriebenen Steinbrechern bestehen. Überraschend wirksam sowie einfach herstellbar und daher bevorzugt ist jedoch eine Ausführungsform, bei der die Mittel zur Zerkleinerung recht schwer in dem Querschnitt der Förderleitung erstreckende Brechrippen umfassen.
Die Wirksamkeit der Förderleitung, d.h. die mit dieser erzielte Abtragsrate wird abermals erhöht, wenn das Aufnahmeende im Querschnitt teilringförmig ausgebildet ist. Es ist dann nämlich möglich, das Aufnahmeende in der Bohrung entlang des Innenumfangs der Bohrung und symmetrisch zu deren tiefster Stelle anzuordnen, sO daß zur „Beschickung"" des Aufnahmeendes keine Höhendifferenzen überwunden werden müssen. Die Antragsrate kann abermals erhöht werden, wenn die Vorrichtung zusätzlich Mittel zum Einblasen von Förderluft in den Bohrkopfraum umfaßt, wie dies für den pneumatischen Abtransport aus dem Stand der Technik bekannt ist.
In der Zeichnung sind - schematisch - Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel;
Fig. 2 einen Längsschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel;
Fig. 3 eine Ansicht gemäß Schnittlinie A-A in Fg. 2 sowie
Fig. 4 eine Ansicht gemäß Schnittlinie B-B- in Fig. 2.
Die als Ganzes mit 100 bezeichnete Vorrichtung umfaßt einen Bohrkopf 1 , der einen als Schürfscheibe 2 ausgebildeten Werkzeugteil 30 und einen Lagerteil 3 aufweist. Die Schürfscheibe 2 und der Lagerteil 3 sind mit einer Mehrzahl von Zylinderschrauben 4, von denen in der Zeichnung nur eine dargestellt ist, aneinander befestigt. Die Zylinderschrauben 4 sind gleichmäßig verteilt auf einem Teilkreis mit dem Radius R angeordnet. Durch die Zweiteilung des Bohrkopfes 1 kann der dem Verschleiß unterworfene Werkzeugteil 30 nach Erreichen der Verschleißgrenze durch Lösen der Schrauben 4 auf der Baustelle demontiert und durch einen neuen oder wiederhergestellten Werkzeugteil ersetzt werden.
Die Schürfstelle 2 ist mit einer Zentralschneide 5 versehen, deren Spitze 6 auf der Rotationsachse A des Bohrkopfes liegt. Die Schürfscheibe 2 weist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel drei sich radial nach außen erstreckende Arme 7, T, 7" auf, von denen der in der Zeichnung oben dargestellte Arm 7 mit einer Mehrzahl von Meißeln 8 besetzt ist.
Der Bohrkopf 1 ist über das Lagerteil 3 mittels einer Lageranordnung 40, die Kegelrollenlager 9, 10 umfasst, auf einem Wellenzapfen 11 einer Hauptwelle 12 drehbar gelagert. Der eine im wesentlichen zylindrische Außenumfangsfläche aufweisende Wellenzapfen 1 1 ist derart an die Hauptwelle 12 angeformt, daß seine Achse B mit der Rotationsachse A einen spitzen Winkel w von etwa 5° einschließt.
Die Hauptwelle 12 ist ihrerseits durch Kegelrollenlager 13, 14 in einem Maschinengehäuse 15 um die Rotationsachse A drehbar gelagert und wird von einem stirnseitig angeflanschten Hydraulikrnotor 16 drehangetrieben. Der der Schürfscheibe 2 angewandte Teil des Lagerteils 3 ist als konzentrisch zur Achse B des Wellenzapfens 11 angeordnetes Zahnrad, im folgenden Taumelrand 17 genannt, und damit als Umfangsbereich 18 ausgebildet, der bei Rotation der Hauptwelle 12 in einer als Gegenumfangsbereich 19 wirkenden Innenverzahnung 20 abläuft.
Die Innenverzahnung 20 ist an einem konzentrisch zur Hauptwellenachse angeordneten und gegenüber dieser drehbar gelagerten Hohlrad 21 ausgebildet.
An dem der Innenverzahnung 20 gegenüberliegenden Ende weist das Hohlrad eine weitere Innenverzahnung 22 auf, die Teil eines als Ganzes mit 28 bezeichneten Planetengetriebes ist. In die Innenverzahnung 22 greifen die Verzahnungen der Teile kleineren Durchmessers 24 von Planetenzahnrädern 23 ein. Die Teile 25 größeren Durchmessers der Planetenzahnräder 23 greifen mit ihrer Verzahnung in eine auf der Hauptwelle 12 vorgesehene Außenverzahnung 26 sowie in eine in dem Maschinengehäuse 15 vorgesehene Innenverzahnung 27 ein, so daß die Planetenzahnräder während des Drehantriebs der Hauptwelle 12 in demselben Drehsinne die Rotationsachse A umkreisen. Hierbei wird das Hohlrad 21 in gegensinnige Rotation zu dem Bohrkopf 11 versetzt, dessen Rotation durch Ablaufen des Taumelrads 17 an der Innenverzahnung 20 bewirkt wird. Es versteht sich, daß durch Wahl der Verhältnisse im Planetengetriebe 28 die Rotationsgeschwindigkeit des Hohlrades 21 relativ zur Hauptwelle 12 und somit im Ergebnis das Verhältnis von Taumelfrequenz zu Drehfrequenz des Bohrkopfes vorgegeben werden kann.
Zwecks Abdichtung der Lageranordnung 40 bzw. des Inneren des Maschinengehäuses 15 gegenüber dem Bohrkopfsraum O ist eine Dichtungsanordnung 50 vorgesehen. Sie umfaßt einen elastischen Balg 51 , der im Querschnitt etwa V-förmig ausgebildet ist. Er ist derart montiert, daß seine konkave Seite gegen den Bohrkopf O gerichtet ist.
Die ringförmigen, freien Enden des Balges 51 weisen jeweils nach außen gerichtete Verdickungen 52, 53 auf, wobei die eine Verdickung 52 in einer komplementär ausgebildeten Ringnut 54 des Lagerteils 3, die andere Verdickung 53 in einer Ringnut 55 eines bezüglich des Maschinengehäuses 15 mittels eines Kugellagers 56 rotierbar gelagerten Rings 57 ruht. Der Balg 51 nimmt daher die durch die Taumelbewegung hervorgerufene senkrechte Bewegungskomponente des Bohrkopfes 1 gegenüber dem Maschinengehäuse 15 auf.
Zwischen dem mit Taumelfrequenz umlaufenden Ring 57 und der diesem zugewandten Stirnseite des Maschinengehäuses ist eine Gleitringdichtung 58 angeordnet, die ein Eindringen von Verunreinigungen in das Kugellager 56 verhindert. Die in Fig. 2 als Ganzes mit 200 bezeichnete Vorrichtung umfaßt wiederum einen Bohrkopf 1 , der eine Schürfscheibe 2 und ein Lagerteil 3 aufweist. Die Schürfscheibe 2 und das Lagerteil 3 sind mit einer Mehrzahl von Zylinderschrauben 4, von denen in der Zeichnung nur zwei dargestellt sind, aneinander befestigt.
Die Schürfscheibe 2 ist mir einer Zentralschneide 5 versehen, deren Spitze 6 auf der Rotationsachse A des Bohrkopfes liegt. Die Schürfscheibe 2 weist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel drei sich radial nach außenerstreckende Arme 7, 7', 7" auf.
Der Bohrkopf 1 ist über das Lagerteil 3 mittels in der Zeichnung nicht dargestellter Lager auf einem Wellenzapfeneiner Hauptwelle drehbar gelagert. Der eine im wesentlichen zylindrische Außenumfangsfläche aufweisende Wellenzapfen ist derart an die Hauptwelle angeformt, daß seine Achse B mit der Rotationsachse A einen spitzen Winkel w einschließt.
Die Hauptwelle ist ihrerseits in einem Maschinengehäuse 8 um die Rotationsachse A drehbar gelagert und wird von einem Hydraulikmotor drehangetrieben.
Dem Abtransport gelösten Bohrguts dient ein Förderkanal 10, dessen hinterer Bereich 11 kreisrunden Innenquerschnitts zum Bohrkopfraum O hin abgeflacht ist um schließlich in einem Aufnahmeende 12 eines teilringförmigen Querschnitts in den Bohrkopfraum O zu münden (s. insbesondere Fig. 2 und 3).
Im Bereich des Aufnahmeendes 12 sind Brechrippen 13 vorgesehen, die sich etwa radial erstrecken, wie dies in Fig. 2 entnehmbar ist. Die
Brechrippen 13 sind jeweils paarweise angeordnet, derart, daß auf einen geringen Abstand zweier benachbartere Brechrippen 13 ein größerer Abstand folgt. Die Teilung der Rippen 13 ist derart ausgewählt, daß das abzuführende Bohrgut so zerkleinert wird, daß es durch den Förderkanal 10 ohne Probleme abtransportiert werden kann.
Zwecks mechanischer Zufuhr von Bohrgut in das Aufnahmeende 12 des Förderkanals 10 sind an den Enden der Arme 7, T, 7" der Schürfscheibe 2 Fortsätze 9, 9', 9" vorgesehen, deren rückwärtig gerichteten Flächen 14, 14', 14" als Förderflächen für das Bohrgut ausgebildet sind. Die Flächen 14, 14', 14" dienen ebenfalls als Schlagflächen zum Brechen des Bohrguts. Die Taumelfrequenz der Schürfscheibe ist derart mit der Drehgeschwindigkeit derselben synchronisiert, daß ein mechanisches Einschieben von Bohrgut in das Aufnahmeende 12 der Förderleitung 10 beim Passieren eines der Arme 7, 7', 7" bewirkt wird.
Um den Fördervorgang zu unterstützen, umfaßt die erfindungsgemäße Vorrichtung einen Einlaß zum Einblasen von Förderluft in den Bohrkopfraum O, der in der Zeichnung nicht erkennbar ist. Durch Einblasen von Luft in den Bohrkopfraum wird in der Förderleitung 10 eine Luftströmung erzeugt, die mit den Pfeilen P symbolisiert ist.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zum Vortreiben von Bohrungen im Erdreich, mit einer drehangetriebenen Hauptwelle (12), die einen Wellenzapfen (11) umfaßt, deren Achse (B) zur Achse (A) der Hauptwelle (12) einen spitzen Winkel (w) bildet, und mit einem Bohrkopf (1), der um die Achse (B) des Wellenzapfens (11) drehbar gelagert ist und einen Umfangsbereich (18) aufweist, der an einem Gegenumfangsbereich (19) abläuft, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenumfangsbereich (19) in Rotation versetzbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Umfangsbereich (18) eine Außenverzahnung und der Gegenumfangsbereich (19) eine Innenverzahnung aufweist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenumfangsbereich (19) von einem konzentrisch zur Achse (A) der Hauptwelle (12) angeordneten Hohlrad (21) gebildet ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenumfangsbereich (19) mittels eines mit der Hauptwelle (12) in Eingriff befindlichen Planetengetriebe (28) in Rotation versetzbar ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenumfangsbereich (19) mittels eines separaten Antriebs unabhängig von der Hauptwelle (12) in Rotation versetzbar ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der separate Antrieb Steuer- oder regelbar ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, mit denen der
Vorschub in Abhängigkeit der Leistung des Drehantriebs der Hauptwelle in Rotation versetzbar ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der separate Antrieb Steuer- oder regelbar ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, mit denen der Vorschub in Abhängigkeit der Leistung des Drehantriebs der Hauptwelle Steuer- oder regelbar ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei der Vorschub und der
Drehantrieb der Hauptwelle mittels eines Hydraulikmediums erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, die die Hydraulikdrucke zur Bewirkung des Vorschubs und des
Drehantriebs der Hauptwelle steuern oder regeln.
11. Vorrichtung zum Vortreiben von Bohrungen im Erdreich, mit einer drehangetriebenen Hauptwelle (12), die einen Wellenzapfen (11) umfaßt, dessen Achse (B) zur Achse (A) der Hauptwelle (12) einen spitzen Winkel (w) bildet, und mit einem Bohrkopf (1), der um die Achse (B) des Wellenzapfens (11) drehbar gelagert ist und einen . Umfangsbereich (18) aufweist, der an einem Gegenumfangsbereich (19) abläuft, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Bohrkopf (1) mehrteilig ausgebildet ist, derart, daß der dem Verschleiß unterworfene Teil des Bohrkopfes von dem die Lagerung des Bohrkopfes auf dem Wellenzapfen (11) bewirkenden Teil des Bohrkopfes separierbar ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, daß der
Bohrkopf (1) einen zentralen Lagerteil (3) und einen hieran lösbar befestigten Werkzeugteil (30) umfaßt.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkzeugteil (30) mittels über einen Teilkreis gleichmäßig verteilter
Schrauben an dem Lagerteil (3) befestigt ist.
14. Vorrichtung zum Vortreiben von Bohrungen im Erdreich, mit einer drehangetriebenen Hauptwelle (12), die einen Wellenzapfen (11) umfaßt, dessen Achse (B) zur Achse (A) der Hauptwelle (12) einen spitzen Winkel (w) bildet, und mit einem in einem Bohrkopfraum (O) arbeitenden Bohrkopf (1), der um die Achse (B) des Wellenzapfens (1 1 ) in einer Lageranordnung (40) drehbar gelagert ist und einen Umfangsbereich (18) aufweist, der an einem Gegenumfangsbereich (19) abläuft, insbesondere nach einem der
Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine Dichtungsanordnung (50) vorgesehen ist, die die Lageranordnung (4O) gegenüber dem Bohrkopfraum (O) zumindest im wesentlichen abdichtet.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungsanordnung (50) einen elastischen Balg (51 ) umfaßt.
16. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungsanordnung eine Gleitringdichtung umfaßt.
17. Vorrichtung zum Vortreiben von Bohrungen im Erdbereich, mit einem drehangetriebenen, in einem Bohrkopfraum (O) arbeitenden Bohrkopf (1), der zusätzlich zur Drehbewegung eine Taumelbewegung durchführt, und mit einer mit ihrem Aufnahmeende (12) in den Bohrkopfraum (O) mündenden
Förderleitung (10) zum Abtransport von gelöstem Bohrgut aus dem Bohrkopfraum (O), insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Bohrkopf (1) und das Aufnahmeende (12) der Förderleitung (10) derart ausgestaltet sind, daß durch die Taumelbewegung des Bohrkopfes (1) vor dem
Aufnahmeende (12) befindlichen Bohrgut mechanisch in die Förderleitung (10) transportiert wird.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Bohrkopf (1) auf seiner der Ortsbrust abgewandten Seite mindestens einen Fortsatz (9, 9', 9") aufweist, der durch die
Taumelbewegung zumindest nahezu in das Aufnahmeende (12) der Förderleitung (10) eindringt.
19. Vorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß in dem sich an das Aufnahmeende (12) der Förderleitung (10) anschließenden Bereich Mittel zur Verkleinerung zumindest großer Bohrgutstücke vorgesehen sind.
20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die
Mittel zur Zerkleinerung sich quer in dem Querschnitt der Förderleitung (10) erstreckende Brechrippen (13) umfassen.
21. Vorrichtung nach einem der 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufnahmeende (12) im Querschnitt teilringförmig ausgebildet ist.
2. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zürn Einblasen von Förderluft in den Bohrkopfraum (O) vorgesehen sind.
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