DE2339855C3

DE2339855C3 - Gesteinsbohrkopf

Info

Publication number: DE2339855C3
Application number: DE2339855A
Authority: DE
Inventors: William D. Mercer Island Wash. Coski (V.St.A.)
Original assignee: Ingersoll Rand Co
Current assignee: Ingersoll Rand Co
Priority date: 1972-08-10
Filing date: 1973-08-07
Publication date: 1978-04-20
Also published as: SE404053B; DE2339855A1; ZA735283B; CA993859A; AU5768973A; DE2339855B2; US3805901A

Description

Die Erfindung betrifft einen Gesteinsbohrkopf gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein derartiger Gesteinsbohrkopf ist beispielsweise aus der US-PS 36 38 740 bekannt Die Schürfkraft wird bei diesem Bohrkopf auf mehrere nebeneinanderlaufende Rollenmeißel verteilt Dabei sind die äußeren Rollenmeißel etwas geneigt, so daß sie die Bohrlochsohle und die Bohrlochwandung herausarbeiten können. Auch die Mantelflächen innerer Rollenmeißel können gegen die Normale zur Bohrachse geneigt sein. Daraus ergibt sich aber, daß die axialen Enden der äußeren und gegebenenfalls der inneren Rollenmeißel als auch die der dazwischenliegenden Meißel Vorsprünge im Erdreich bzw. Gestein überwinden müssen, um die verschiedenen Schnittwinkel einander anzugleichen. Hierdurch sind sie hohen Belastungen ausgesetzt.

Vom Tiefbohren her ist es z. B. gemäß DT-PS 6 64 574, DT-PS 5 98 309 oder GB-PS 4 56 129 bekannt, Rollenmeißel an Bohrköpfen vorzusehen, deren Achsen in einer einer Gabellagerung äquivalenten zweiseitigen Lagerung senkrecht bzw. verschieden geneigt zur Bohrkopflängsachse verlaufen. Dabei bilden die Rollenmeißel eine Schneidfläche, die nach rückwärts gekrümmt ist Eine nach rückwärts gekrümmte Schneidfläche eines Meißels für Großlochbohrungen ist in der US-PS 29 49 281 gezeigt, während US-PS 36 75 729 eine der schon eingangs erwähnten US-PS 36 38 740 im Prinzip ähnliche Anordnung der Schneidflächen für das Erweitern von Bohrlöchern zum Gegenstand hat Alle diese älteren Schriften zeigen in einem Winkel aneinanderstoßende Schnittflächen der einzelnen Rollen, so daß auch hier der schon eingangs erwähnte Nachteil auftritt, daß an den Übergangsstellen zwischen den verschieden geneigten Schneidflächen besonders hohe Belastungen der Rollenmeißel auftreten.

Eine auf einem konvex verlaufenden Bogen liegende Schneidfläche bei einer Diamantbohrkrone ist aus US-PS 32 83 836 bekanntgeworden, während eine auf

einem konvex verlaufenden Bogen liegende Schnittfläche bei einem Rollenmeißel gemäß US-PS 35 70613 für die Bearbeitung des Obergangs zwischen Bohrlochsohle und Bohrlochwand bestimmt ist. Beide Spezialausführungen lassen nicht erkennen, wie die Belastungen beim Obergang zwischen verschieden geneigten Schneidflächen mehrerer Rollenmeißel eines Bohrkopfs vermieden werde« können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der bekannten Anordnungen zu vermeiden und einen Gesteinsbohrkopf mit gekrümmter Schneidfläche zu schaffen, bei dem die Lagerung der beweglichen Teile geringeren Belastungen ausgesetzt ist und der deshalb bei gleicher Schnittleistung einen einfacheren und preisgünstigeren Aufbau haben kann.

Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe in erster Linie durch die im Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen. In der nachfolgenden Beschreibung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnungen erläutert Es zeigt

Fig. 1 eine Draufsicht auf den Bohrkopf mit mehreren Bohrmeißeln,

F i g. 2 einen Längsschnitt durch einen Bohrkopf mit beidseitig jeweils drei sichtbaren, hinter- bzw. nebeneinanderangeordneten Rollenmeißeln,

Fig.3 eine, teilweise geschnittene, Ansicht eines Rollenmeißels,

Fig.4 einen einzelnen Rollenmeißel in Arbeitsstellung,

F i g. 5 eine Teilansicht eines weiteren Rollenmeißels, ebenfalls in Arbeitsstellung,

F i g. 6A.6B die Anordnung von zwei Schneidflächen, F i g. 7 eine weitere Anordnung einer Schneidfläche.

Ein Bohrwerkzeug 10 (Fig. 1, 2) umfaßt im wesentlichen einen Bohrkopf 12 mit zwei Platten 14,16. Auf der Platte 14 sind Rollenmeißel 18, 20 gelagert. Jeder Rollenmeißel 18, 20 läuft auf einer Achse 22 (F i g. 3), die jeweils in einer Gabel 24, 26, 28 gehalten wird; letzten, sind auswechselbar auf der Platte 14 des Bohrkopfes 12 befestigt Beide Platten 14, 16 des Bohrkopfes 12 weisen Bohrungen 40, 42 (F i g. 2) zur Aufnahme eines Schaftes 44 auf, über den die drehende Bewegung und die vom Bohrkopf 12 auf die Bohrlochsohle »/·'« auszuübende Andruckkraft auf den Bohrkopf 12 übertragen wird.

Die Achsen 22 der Inneren, eine »Position 1« einnehmenden Rollenmeißel 18 stehen senkrecht zu der Rotationsachse 46 (F i g. 2), wohingegen die Achsen 22 der Äußeren, eine »Position 8« einnehmenden Rollenmeißel 20 gegenüber der Senkrechten zu der Rotationsachse 46 bzw. gegenüber der Horizontalen um 45,5° geneigt sind.

Die Rollenmeißel 18, 20 (Fig.2) am Bohrkopf 12 bilden eine kreisförmige, konvexe Schneidfläche 48, die bei Drehung des Schaftes 44 wirksam wird. Hierdurch kommt keiner der Meißel mit einem winkligen Vorsprung oder mit einer Unebenheit im Erdreich bzw. Gestein in Berührung. Das Zusammenwirken der äußeren und inneren Meißel bewirkt einen weichen, radialen Übergang der Bohrlochsohle. Beim Rotieren des Bohrkopfes 12 bestreichen die Rollenmeißel 18 und 20 sich gegenseitig überlappende Bahnen, so daß symmetrisch zum Bohrwerkzeug 10 eine konvexe Bohrlochsohle entsprechend der Schneidfläche 48 entsteht

Jeder Rollenmeißel 18 (F i g. 3) besteht aus einer Rolle 52 mit einem geraden Teil 54 und einem konischen Teil 56, die beide jeweils an ihre Oberfläche Reihen von Saekbohrungen 58 aufweisen, in die Nocken 50 eingesetzt sind. Zur Bildung eines bogenförmigen Schneidprofils entlang der Oberfläche der Rollenmeißel ist jede Rolle 52 mit einer konischen, ringförmigen Fläche 57 (Fig,4) und jedes gerade Teil 54 mit einer zylindrischen, ringförmigen Fläche 57' versehen. Da alle Einsätze 50 die gleiche Länge haben und in gleich tiefen Sackbohrungen 58 sitzen, sind jeweils die freien Enden der Einsätze verschiedener Reihen verschieden weit

ίο von der Rotationsachse einer jeden Rolle 52 entfernt

Jeder Rollenmeißel 20 (F i g, 4) hat ebenfalls ringförmige Flächen, die Einsätze 50 tragen; deren freie Enden weisen ebenfalls — von Reihe zu Reihe — verschiedene Abstände von der Rotationsachse auf. Die Rollenmeißel 20 tragen jeweils zwei konische, ringförmige Flächen 57 und eine zylindrische, ringförmige Fläche 57'. Die Fläche 57' bildet jeweils den ersten Teil der Rollenmeißel mit gleichmäßigem Außendurchmesser, die Flächen 57 bilden die zweiten Teile mit konischer Gestalt,

Die symmetrische, konvexe Schneidfläche 48 (F i g. 2), weiche die Rotationsachse 46 umschließt, wird durch Rotation der Rollenmeißel 18, 20 gebildet, wodurch dann eine entsprechend konkav ausgebildete Bohrlochsohle entsteht

Dazu arbeiten alle Rollenmeißel am Bohrkopf 12 so zusammen, daß bei Drehung des Bohrkopfes 12 die ringförmig konkave Bohrlochsohle im Erdreich bzw. im Gestein entsteht Jeder Rollenmeißel 18, 20 trägt Nocken 50 gemäß der oben beschriebenen Anordnung, wodurch die bogenförmige Schneidfläche mit konkavem Querschnitt in der Bohrlochsohle »F« (Fig.2) entsteht

Die Schneidfläche 48 ist bogenförmig symmetrisch

gestaltet; der Radius des Kreisbogens ist somit überall gleich und hat seinen Ursprung auf einem imaginären Kreis »C«, der konzentrisch zur Rotationsachse 46 liegt (Fig.6A, 6B). Deshalb geht der Bogenradius der Schneidflächen 48 immer von einem Punkt aus, der sich auf die Achse 46 bezieht

Obwohl die Rollenmeißel 18, 20 acht verschiedene Stellungen am Bohrkopf 12 einnehmen, sind lediglich sechs Gabeln 24, 26, 28, 30, 32, 34 mit verschiedenem Neigungswinkel notwendig. Die Gabeln 24, 26, 28, 30 tragen die Rollenmeißel 18 in Positionen 1 bis 4 und damit die Achsen 22 mit einem Neigungswinkel gegenüber der Horizontalen von 0°, 3'/2°, 21° sowie 24,5°. Die Gabeln 32 tragen die Rollenmeißel 20 in Positionen 5 und 7 bei 42°, und die Gabeln 34 tragen ebenfalls Meißel 20 in Positionen 6 und 8 bei 45,5° gegenüber der Horizontalen.

Sowohl die sechs Reihen mit Nocken 50 tragenden Rollenmeißel 18 als auch die drei Reihen mit Nocken 50 tragenden Rollenmeißel 20 weisen die gleichen axialen Längen sowie gleiche Durchmesser auf und sind auf einander identischen Achsen 22 gelagert. Deshalb können beispielsweise sechsreihige Rollenmeißel 18 in Positionen 1 bis Positionen 4 durch dreireihige Rollenmeißel 20 ersetzt werden, ohne daß sich die Schneidfläche 48 ändert. Die Nocken 5Ö werden von den Rollenmeißeln 18 und 20 mit geringfügig verschiedenen Winkeln zwischen einer bestimmten Reihe auf einem zylindrischen Teil 54 und einer benachbarten Reihe auf einem konischen TeIi 56 gehalten. Dies macht man, urn

f j die Wirksamkeit der Nocken 50 auf allen Rollenmeißeln zu optimieren, unabhängig von der Positionierung der Rollenmeißel in einer bestimmten Anordnung auf dem Bohrkopf 12. Demgemäß ergibt sich eine gewisse

Winkelabweichung »Φ« zwischen den Reihen der Nocken 50 auf dem geraden Teil und denjenigen auf dem konischen Teil 56(F i g. 3).

Die Rollenmeißel, beispielsweise der Rollenmeißel 18 (Fig.3), laufen mit ihren Rollen 52 auf Wälzlagern 60, 62, die sich ihrerseits auf der Achse 22 abstützen. Die Achse 22 wird an beiden Enden in Buchsen (nicht dargestellt) gehalten und ist mit Befestigungsmitteln 36 (Fig. 1) gesichert.

Der Schaft 44 ist in den Bohrungen 40 und 42 durch geeignete Mittel, z. B. durch Schweißen oder durch die Anwendung von Befestigungsmitteln in an sich bekannter Weise befestigt. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weist der Schaft 44 einen hinterdrehten Bereich 64 gegenüber der Gabel 24 auf, um eine möglichst nahe Unterbringung des Rollenmeißels 18 (Stellung I) neben einer der Führung dienenden Bohrung 66 zu gewährleisten, IM WciCllcf UcT SCllSl t T-T ιαϋιΐ \t ϊ g. *./.

An Hand der F i g. 4 wird ein Bohrkopf mit acht Rollenmeißeln in Arbeitsstellung beschrieben. Die Rollenmeißel 20 in den Positionen 1 bis 4 laufen unabhängig voneinander, wohingegen die Rollenmeißel 20 in den Stellungen 5 bis 8 jeweils paarweise in gleichen Bahnen laufen. Dadurch wirken Nocken 50 in der zuletzt genannten Stellung in Reihen, die ebenfalls von anderen Nocken 50 bearbeitet werden.

Das Ausführungsbeispiel nach den F i g. 1 und 2 umfaßt Rollenmeißel 18 in Stellungen 1 bis 4 und Rollenmeißel 20 in Stellungen 5 bis 8. Hiervon ist die gitterartige Anordnung der F i g. 4 abgeleitet, bei der die Rollenmeißel 18 in den Stellungen 1 bis 4 Nocken 50 tragen, die jeweils noch durch andere Nocken unterstützt werden.

Eine »Mittellinie« (Fig. 4) verläuft parallel mit der Rotationsachse 46 (Fig. 2) und geht von einem Punkt auf dem Kreis »C« (Fig.2) aus. Auf beiden Seiten der »Mittellinie« sind daneben jenseits zur Reihe Nr. 18 und diesseits zur Reihe Nr. 1 hin weitere Schneidreihen in progressiv und exponentiell sich vermindernden Abständen angeordnet. Dementsprechend haben die Reihe Nr. 6 und die Reihe Nr. 7 einen gegenseitigen Abstand von »X«. Die Reihen Nr. 12 und 13 weisen einen gegenseitigen Abstand von »X-6« und die Reihen Nr. 1 und 2 einen Abstand von »X-3« auf.

Der sich zur Reihe Nr. 18 hin verringernde Abstand stellt einen geeigneten Ausgleich für die Ümfangswege der äußeren Reihen dar, die bei Rotation des Bohrkopfes 12 durchlaufen werden müssen.

In den Fig.6A und 6B sind andere Ausführungsbeispiele von Schneidflächen 48' (und 48") dargestellt, die von dem beschriebenen Ausführungsbeispiel abgeleitet werden können. Die Schneidfläche 48' umfaßt zwei ίο konvexe Abschnitte von Schneidflächen 70, welche jeweils einen Radius aufweisen, der seinen Ursprung bei dem Punkt auf dem Kreis »C« bzw. bei einem weiteren Punkt auf dem Kreis »C-1« hat. Bei diesem Ausführungsbeispiel steht die Verbindungslinie zwischen den beiden Punkten auf den Kreisen »C« und »C-l« senkrecht auf der Rotationsachse 46. Ferner ist eine flache Schnittfläche 72 zwischen den beiden Abschnitten 70 2Π^σ?0Γ^^η?'·

Die Schnittfläche 48" (Fig.6B) umfaßt auch zwei

konvexe Abschnitte 74 von Schnittflächen mit einem dazwischenliegenden Abschnitt 76. Der Abschnitt 74 ist

durch einen Radius bestimmt, der im Punkt auf dem

Kreis »C-2« seinen Ursprung hat; die Verbindungslinie

zwischen den beiden Punkten auf den Kreisen »C-2« und »C« liegt schräg zur Rotationsachse 46.

An Hand der F i g. 7 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel di S Bohrwerkzeugs für die Ausbildung einer weiteren Schnittfläche beschrieben. Die Schnittfläche 78 ist gewellt; sie weist zwei konvexe Abschnitte 74 auf, welche einen konkaven Abschnitt 80 zwischen sich einschließen; der letztere wird durch einen Radius definiert, der von einem Punkt auf dem Kreis »C-3« ausgeht. Um den Abschnitt 80 zu erhalten, werden Rollenmeißel 18' (oder 20') verwendet, die, im Gegensatz zu den weiter oben beschriebenen Rollenmeißeln 18,20 mit Nocken 50 in einer konvexen Gestalt, Rollen mit Nocken in einem konkaven Profil aufweisen. In den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen werden symmetrische Schnittflächen beschrieben, die andererseits — sofern dies gewünscht ist — natürlich auch unsymmetrisch ausgebildet werden können.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

1. Gesteinsbohrkopf, der mehrere in axial und schräg verlaufenden Gabeln zweiseitig gelagerte S Rollenmeißel aufweist, wobei eine gekrümmte Schneidfläche um die Drehachse des Bohrkopfes gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die schräg verlaufenden Gabeln (28, 30, 32, 34) verschieden geneigt angeordnet sind, wobei die gekrümmte Schneidfläche (48) mindestens einen konvex verlaufenden Bogen aufweist

2. Bohrkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schneidfläche (48) in einem konvex verlaufenden, symmetrischen Bogen ausgeführt ist, dessen Krümmungsmittelpunkt auf einem Kreis (»C«) neben der Rotationsachse (46) liegt

3. Bohrkopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Punkt auf einem gedachten Kreis (»C«) konzenirisch zu der Rotationsachse liegt

4. Bohrkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Gabeln (24, 26, 28, 30, 32,34) auf einer Platte (14) am Bohrkopf (12) befestigt sind.

5. Bohrkopf nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (14) zentrale Bohrungen (40, 42) für die Befestigung eines Schaftes (44) des Bohrkopfes (12) aufweist

6. Bohrkopf nach den Ansprächen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Rollenmeißel (18, 20) verschiedene Abstände von der Rotationsachse (46) aufweisen.

7. Bohrkopf nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet daß die Achsen einiger Rollenmeißel senkrecht zu der Rotationsachse _XJ6) liegen und die Achsen anderer Meißel mit der Senkrechten zu der Rotationsachse (46) einen Winkel von 45,5° einschließen.

8. Bohrkopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Rollenmeißel (18, 20) einen bestimmten Abschnitt der Schneidfläche (48) bildet

9. Bohrkopf nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet daß die Rollenmeißel (18, 20) in zwei Gruppen angeordnet sind, wobei sämtliche Rollenmeißel (18, 20) gleiche Gestalt und Abmessung aufweisen.

10. Bohrkopf nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rollenmeißel (18, 20) Nocken (50) tragen, die ringförmig auf den Meißeln angeordnet sind, wobei die Schneidfläche (48) zum Teil konkav so ausgebildet ist

11. Bohrkopf nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Nocken (50) in mehreren Reihen Sackbohrungen (58) befestigt sind, die jeweils auf geraden Teilen (54) und auf konischen Teilen (55) der Rollenmeißel (18,20) angebracht sind.

12. Bohrkopf nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Sackbohrungen (58) gleiche Tiefe und die Nocken (50) gleiche Länge aufweisen.

13. Bohrkopf nach den Ansprüchen 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß jede Meißelrolle (52) mindestens drei Reihen Sackbohrungen (58) aufweist, wobei die Sackbohrungen (58) mindestens einer Reihe senkrecht zu der Rollenachse stehen und die Sackbohrungen (58) mindestens einer anderen Reihe schräg zu der Rollenachse angeordnet sind.

14. Bohrkopf nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das konische Teil (56) der Meißelrolle

(52) mindestens eine Reihe Nocken (50) trägt, die schräg zu der Rollenachse angeordnet sind, und daß das gerade Teil (54) der Meißelrolle (52) mindestens eine weitere Reihe Nocken (50) trägt, die senkrecht zu der Rollenachse angeordnet sind

15. Bohrkopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schneidelemente der Rollenmeißel (18, 20) bei Rotation des Bohrkopfes (12; eine Mehrzahl von konzentrischen Reihen (Nr. 1,2,3... 18) bilden, von denen eine eine Kalibrierreihe (Nr. 18) ist, wobei die Reihen von der Mittellinie durch den Punkt auf dem Kreis (»G<), die parallel zu der Rotationsachse (46) verläuft zu der Kalibrierreihe hin mit gegeneinander exponentiell abnehmenden Abständen (X, X-X, X-2... X-6...) verlaufen.

16. Bohrkopf nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet daß die zwischen der innersten Reihe (Nr. 1) und der Mittellinie verlaufenden Reihen zu der innersten Reihe hin mit exponentiell kleiner werdenden Abständen verlaufen.

17. Bohrkopf nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rollenmeißel (18, 20) an ihrem Umfang Nocken (50) tragen, die bei Rotation des Bohrkopfes (12) in konzentrischen Reihen (Nr. 1,2,3 ... 18) um die Rotationsachse (46) verlaufen, wobei eine Überlappung :1er Rollenmeißel vorgesehen ist