DE3014188A1 - Erdbohrer - Google Patents

Description

Anwaltsakte: H 159 14.4.1980

HUGHES TOOL COMPANY
54 2 5 PoIk Avenue·
Houston, TEXAS 7702 3
Vereinigte Staaten von Amerika

ERDBOHRER

Die Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf einen Erdbohrer und sie betrifft insbesondere die Anordnung der Fräserlager und Abdichtungen sowie auch die Anordnung der Einsätze bei einem Erdbohrer mit grossem Durchmesser.

Erdbohrer mit grossem Durchmesser haben üblicherweise eine Fräsertragplatte, welche an einem Bohrstrang zur Rotation befestigt ist. Mehrere Fräsereinheiten sind auf der Fräsertragplatte drehbar angeordnet zum Abfräsen des Erdreiches während der Rotation der Fräsertragplatte. Der Bohrvorschub kann nach unten erfolgen, oder auch nach oben durch Ziehen des Bohrers durch eine Führungsbohrung, wie bei dem Aufwärtsbohrve-rfahren üblich ist.

Jede Fräsereinheit hat eine Achse, welche in einem auf der Fräser-

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tragplatte befestigten Fräserträger gelagert ist. Eine Fräserhülse ist auf der Achse mittels Rollenlager angeordnet, wobei die Enden der Achse auf jeder Seite über die Hülse hinausragen. Eine Abdichtung ist auf jeder Seite der Hülse zwischen der Achse und der Hülse vorgesehen, damit keine Verunreinigungen in die Lager eindringen können. Erdbohrer dieser Bauart sind in den US Patent-Schriften 3 612 196 und 3 216 513 beschrieben. Bei den Erdbohrern entsprechend dießen Patentschriften und bei allen anderen, der Anmelderin bekannten Erdbohrern haben die Abdichtungen einen Durchmesser, der im wesentlichen dem Durchmesser- der Lager entspricht oder noch etwas grosser ist.

Bei Verwendung von Abdichtungen mit grossem Durchmesser wirkt sich die hohe Relativgeschwindigkeit zwischen den aufeinander gleitenden Teilen nachteilig aus, denn es entsteht eine grössere Reibungswärme als bei Anwendung einer Abdichtung mit kleinerem Durchmesser. Jede Stelle der sich bewegenden Dichtungsfläche hat einen grösseren Weg zurückzulegen und deshalb wird die Lebensdauer der Abdichtung herabgesetzt. Ein weiterer Nachteil ist darin zu sehen, dass die Abdichtungen bei den bekannten Erdbohrern auf den Seiten der Lager angeordnet sind. Dies bedeutet, dass die Breite der Fräser nicht wesentlich verringert werden kann ohne schmalere Lager zu benutzen. In einzelnen "Zellen ist die Anwendung eines schmaleren Fräsers jedoch erwünscht. Ein anderer, üblicher Nachteil der bekannten Erdbohrer für Rohrbohrungen und Erdbohrungen im allgemeinen ist die Neigung zur "Spurbildung". Die "Spurbildung" ist eine Erscheinung, welche auftritt falls ein Fräserzahn wiederholt eine vorher eingeschnittene Vertiefung in dem Bohrlochgrund oder Fläche eingreift. Infolgedessen kann ein Gesteinsgrat an der Bohrfläche entstehen, welche die Abnutzung der Fräserhülse oder vorzeitige Zerstörung der Fräserzähne bewirken können. Die in dieser Beschreibung erwähnten "Fräserzähne" sind Wolframkarbid oder andere Hartmetalleinsätze, welche in Löchern der Fräserhülse sitzen. Es können auch Stahlzähne am Umfang des Fräsers vorgesehen sein. Wie in der US Patentschrift 3 726 350 beschrieben ist die Spurbildung schwieriger in Fräsern zu vermeiden, welche an die■echte rollende Berührung herankommen. Die echte rollende Berührung ist oft vorteilhaft für die Fräserlebensdauer bei Gesteinsbohrarbeiten, und zwar insbesondere bei Bohrern mit Hart-

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metalleinsätzen. · τ·

Eine bekannte Möglichkeit zur Verhinderung der Spurbildung beruht darin, den Fräser so zu bemessen, dass das Verhältnis des durch eine Fräserzahnreihe auf der Bohrlochfläche beschriebenen Umfanges zu dem Umfang dieser Fräserzahnreihe kein ganzteiliges Vielfaches ist. Es wurden auch schon besondere Anordnungen der Fräserzähne vorgeschlagen, um' die Spurbildung zu vermeiden, wie z. B. in der oben erwähnten US Patentschrift beschrieben ist. Trotz diesen Anstrengungen bleibt das Problem der Spurbildung aber immer noch bestehen. So haben z. B. Laborversuche erkennen lassen, dass ein Fräser durch geringfügigen Schlupf in eine vorher eingeschnittene Vertiefung zurückkommen kann. Falls die Einsätze gleichförmig um den Umfang des Fräsers verteilt sind, so können durch diesen Schlupf an einer Stelle die anderen Einsätze wieder zurück in die alte Spur fallen. Verschiedene bekannte Fräser haben innerhalb einer Reihe Zahngruppen, welche von anderen Gruppen getrennt sind. Soweit der Anmelderin bekannt ist, ist jedoch bei den bekannten Ausführungen der Abstand zwischen den Mittellinien benachbarter Zähne in einer Umfangsreihe gleichförmig innerhalb sämtlicher Gruppen der Zahnreihe.

Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, eine verbesserte Fräsereinheit für einen Gesteinsbohrer mit grossem Durchmesser zu schaffen, welche Fräsereinheit eine vorteilhaftere Anordnung der Lager und Abdichtungen aufweisen soll, um die Relativgeschwindigkeit zwischen den Abdichtungsteilen ohne Herabsetzung der Lagergrösse zu verringern, und wobei die Fräsereinheit eine verbesserte Fräserzahnanordnung aufweisen soll, um die Spurbildung in der Bohrlochfläche zu vermeiden. Die erfindungsgemässe Fräsereinheit für einen Erdbohrer hat eine Achse mit einem mittleren Teil grösseren Durchmessers. Lagerzapfen mit kleinerem Durchmesser befinden sich auf den beiden Seiten des mittleren Teiles. Die Fräserhülse ist auf dem mittleren Teil gelagert. Ringförmige Platten sind an den Seiten der Fräsereinheit befestigt. Jede Platte hat eine axiale Bohrung, durch welche ein Lagerzapfen hindurchragt. Die Abdichtungen sind·zwischen den Lagerzapfen der Achse und der Axialbohrung der Platten vorgesehen und befinden sich vorzugsweise innerhalb

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einer Aussparung in den Schultern zwischen dem mittleren Teil und den Lagerzapfen der Achse. Auf diese Weise erhält man eine Abdichtung dessen Durchmesser kleiner ist als derjenige der Lager. Die Fräserbreite kann auch verringert werden, da ein Teil der Abdichtung in der Aussparung angeordnet ist.

Die Fräserhülse hat mehrere Reihen von Hartmetalleinsätzen. Die Einsätze innerhalb jeder Reihe sind in Gruppen zusammengefasst. Innerhalb jeder Gruppe ändert die Teilung, wobei in bestimmten Gruppen die Teilung stufenweise zunimmt und in anderen Gruppen stufenweise abnimmt. Vorzugsweise folgen jeweils auf zwei Gruppen mit zunehmender Teilung zwei Gruppen mit abnehmender Teilung.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden ausführlicher beschrieben, es zeiger

Figur 1 eine Draufsicht eines Gesteinsbohrers mit Fräsereinheiten entsprechend der Erfindung.

Figur 2 eine Teilansicht im Vertikalschnitt des Bohrers nach Figur 1, wobei sämtliche Fräsereinheiten strichpunktiert in der Zeichenebene dargestellt sind, um die relative Lage der Fräsereinheiten in bezug aufeinander darzustellen.

Die Figuren 3 und 4 Scheiben, welche, falls erwünscht, anstelle 'der Fräser nach Figur 1 benutzt werden können.

Figur 5 eine Ansicht im Vertikalschnitt eines Fräsers nach Figur 1, wobei der benachbarte innenliegende Fräser teilweise mittels gestrichelten Linien und in die Zeichenebene der Figur 5 gedreht dargestellt ist.

Figur 6 ein schematischer Plan zur Darstellung der Anordnung der Einsätze des Fräsers nach Figur 1.

Figur 7 eine Seitenansicht des Fräsers zur Erklärung des Prinzips der Einsatzanordnung nach dem Plan der Figur 6.

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Figur 8 eine der Figur 2 entsprechende Ansicht im Vertikalschnitt eines Erdbohrers entsprechend der Erfindung, wobei jedoch der Erdbohrer mit Scheibenfräsern entsprechend den Figuren 3 und 4, anstelle der Zahnfräsern versehen ist.

Die Figur 2 zeigt einen Gesteinsbohrer oder Bohrlochausräumer 11 bei der Bohrung eines Schachtes 13 in Aufwartsbohrweise, d. h. das Bohrwerkzeug wird' nach oben durch eine vorher gebohrte Führungsbohrung 15 gezogen. Der Bohrlochausräumer 11 hat eine Fräsertragplatte 17, die an einem zylindrischen Schaft 19 befestigt ist und senkrecht zu demselben steht. Der Schaft 19 ist an einem Bohrstrang (nicht dargestellt) befestigt. Mehrere Fräsereinheiten 21 sind an der Platte 17 in Trägern 2 3 gelagert. Jeder Fräserträger 23 hat zwei in Abstand voneinander angeordnete Arme 25, welche von der Fräsertragplatte 17 wegragen. Die Arme 25 bilden einen Sattel oder eine Gabel zur Aufnahme der Fräsereinheit 21. Jede Fräsereinheit 21 ist um seine Achse drehbar und jede Achse liegt im wesentlichen in einer radialen Vertikalebene, in welcher auch· die Drehachse der Fräsertragplatte 17 liegt, wie aus Figur 1 ersichtlich ist. Bei Rotation der Fräsertragplatte 17 durch den Bohrstrang drehen die Fräsereinheiten 21 in ringförmigen Bahnen zum Abfräsen der Erdformations fläche 27. Der Ausdruck "Bohrlochgrund" sowie auch der Ausdruck "Erdformationsflache" werden benutzt zur Bezeichnung der von dem Bohrwerkzeug abzufrasenden Fläche, obschon bei dem Aufwärtsbohrverfahren die Fläche 27 eigentlich das obere Ende des Schachtes 13 ist.

Wie aus Figur 1 ersichtlich sind ein innerer Fräser 29, sieben Zwischenfräser 31, bezeichnet als 31a bis 31g, und drei äussere oder Kaliberfräser 33 vorgesehen. Der innere Fräser 29 und die Kaliberfräser 33 haben etwa die halbe Breite der Zwischenfräser 31. Der innere Fräser 29 und die Kaliberfräser 33 haben Verstärkungen an der inneren und an der äusseren Einsatzreihe zum Abfräsen der Führungsbohrung 15 (Figur 2) sowie zum Fräsen des äusseren Durchmessers des Schachtes 13. Die strichpunktierten Linien 35 zeigen die Bahnen oder die ringförmigen Bereiche des Bohrlochgrundes, welche von den verschiedenen Fräsern abgefräst werden.

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Der innere Fräser 29 ist in der Nähe des Schaftes 19 angeordnet zum Abfräsen des Randes der Führungsbohrung 15 (Figur 2). Der innerste Zwischenfräser 31a liegt mit seinem inneren Rand im gleichen Abstand von dem Schaft 19 als der innere Rand des inneren Fräsers 29. Eine Hälfte des Zwischenfräsers 31a überlappt die gesamte Bahn des inneren Fräsers 29. Der nächste Zwischenfräser 31b befindet sich mit seinem inneren Rand in dem gleichen Abstand von der Drehachse der Fräsertragplatte 17 als der Mittelpunkt 37 des innersten Zwischenfräsers 31a. Dementsprechend ist die äussere Hälfte des Zwischenfräsers 31a vollständig überlappt von der inneren Hälfte des Zwischenfräsers 31b. Der äussere Rand des Zwischenfräsers 31b befindet sich im gleichen Abstand von der Mittellinie der Fräsertragplatte 17 als die Mitte 37 des Zwischenfräsers 31c. Wie in Figur 5 dargestellt ist, bezieht sich der Ausdruck "äusserer Rand" auf den äusseren Rand der seitlichen Reihe der Einsätze 39..Die äussere Hälfte oder der äussere Teil des Zwischenfräsers 33c überlappt sich vollständig mit dem inneren Teil oder der inneren Hälfte des Zwischenfräsers 31d. Der äussere Teil des Zwischenfräsers 31d überlappt sich vollständig mit dem inneren Teil des Zwischenfräsers 31e. Der äussere Teil des Zwischenfräsers 31e überlappt sich vollständig mit. dem inneren Teil des Zwischenfräsers 31f. Der äussere Teil des Zwischenfräsers 31f überlappt sich vollständig mit dem inneren Teil des Zwischenfräsers 31g. Der äussere Teil des Zwischenfräsers 31g überlappt sich vollständig mit den Bahnen der drei Kaliberfräser 33.

Wie aus Figur 5 ersichtlich ist ist die Mitte 37 ebenfalls die Stelle eines Winkelknickes zwischen der inneren und der äusseren Hälfte einer jeden Fräsereinheit 21. Sowohl der äussere Teil als auch der innere Teil haben kegelstumpfförmige Flächen, welche sich nach innen verjüngen. Die Fläche des äusseren Teiles bildet einen Winkel O^ mit der Drehachse der Fräserschale 59 und der innere Teil bildet einen grösseren Winkel /¹^ mit der Drehachse der Fräserschale 59. Vorzugsweise beträgt der WinkelC\ 1 1/2 Grad und der Winkel ft 12 1/2 Grad. Jeder Teil dient zum Fräsen einer ebenen Fläche. Wie aus Figur 2 ersichtlich ist, sind die Arme 25 sämtlicher Fräserträger 2'3 angeordnet, um den Bohrlochgrund von der Führungsbohrung 15 bis zur Wand des Schachtes 13 abzufrasen. Jede

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Bahn ist eine kegelstumpfförmige Fläche, welche einen anderen Winkel in bezug auf die Platte 17 aufweist als die benachbarten Bahnen, um die Form des Bohrlochgrundes zu bilden. Wie desweiteren aus Figur 5 ersichtlich ist,ist jeder Zwischenfräser durch den zugeordneten Fräserträger derart angeordnet, dass der Neigungswinkel seines äusseren Teiles etwa der gleiche ist als der Neigungs· winkel des benachbarten äusseren Fräsers, in bezug auf die Fräsertragplatte 17.

Die Figur 5 zeigt, dass jede Fräsereinheit 21 mehrere Reihen von Wolframkarbideinsätzen 39 aufweist, die in zugeordnete Löcher in der äusseren Fläche des Fräsers eingepresst sind. Die Zwischenfräser 31 haben drei Umfangsreihen in dem äusseren Teil und auch drei Umfangsreihen in dem inneren Teil. Wie noch später beschrieben wird ist die Anordnung der Einsätze in dem inneren Teil vorzugsweise unterschiedlich von der Anordnung der Einsätze in dem äusseren Teil. Desweiteren sind, wie in Figur 5 durch die strichpunktierten Linien dargestellt ist, die Fräserträger 23 seitlich um die halbe Einsatzbreite gegeneinander versetzt. Dadurch erreicht man, dass die Einsatzreihen eines überlappenden Fräsers den Bohrlochgrund in den Abständen zwischen den Einsatzreihen des überlappten Fräsers berühren.· Diese Anordnung der Fräser in bezug aufeinander damit ihre Einsätze verschiedene Bereiche der' Erdformationsflache berühren führt zu einem gleichförmigen Abfräsen des Bohrlochgrundes.

Die Figur 3 zeigt einen Scheibenfräser 93 der gleichen Breite als die Zwischenfräser 31, welcher anstelle der Zwischenfräser 31 in den Fräserträgern 2 3 angeordnet werden kann. Die Figur 4 zeigt einen Scheibenfräser 95 der gleichen Breite als der innere Fräser 29 und die Kaliberfräser 33, welcher anstelle des inneren Fräsers und der Kaliberfräser an den Fräserträgern 93 anzuordnen ist. Beide Scheibenfräser 93 und 95 haben glatte Umfangsflächen, mit Ausnahme eines einzigen Kammes 97 zum Abfräsen der Erdformationsfläche. Der Kamm 97 befindet sich in der Mitte des Fräsers 93. Der Fräser 95 kann, wie in Figur 8 dargestellt, mit innenliegendem Kamm 9 7 eingebaut werden zum Abfräsen des Bohrlochgrundes in der Nähe der Führungsbohrung und er kann mit aussenliegendem Kamm 97

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eingebaut werden zum Abfräsen des Bohrlochgrundes in der Nähe der äusseren Wand des Schaftes 13.

Falls die Zwischenfräser 31 zwei 76-Millimeter breite Bahnen abfräsen, so sind die Bahnen der Kämme 97 nur um 76 Millimeter voneinander entfernt, infolge der in Figur 8 mit Bezugnahme auf Figur 1 dargestellten Überlappung. Zum Beispiel liegt der Kamm 9 7 des. Fräsers 31c nur um die halbe Fräserbreite ausserhalb des Kammes 9 7 des Fräsers 31b. Ohne die in Figur 1 dargestellte Überlappung wären zwei Kämme an einem 152-Millimeter breiten Fräser erforderlich um den beschriebenen 76-Millimeterabstand zu erreichen. Durch die beschriebene Ausführungsform kann man den gleichen Bohrerkörper benutzen bei Anwendung von Fräsern mit Abfräszähnen oder Abfräskämmen.

Aus Figur 5 ist ersichtlich, dass jede Fräsereinheit 21 eine Achse 41 aufweist. Die Achse 41 hat einen im wesentlichen zylindrischen mittleren Teil 43 mit grösserem Durchmesser und zwei zylindrische Zapfen 45 auf beiden Seiten des mittleren Teiles 43. Zwischen dem mittleren Teil 4 3 und den Zapfen 45 sind Schultern 4 7 vorgesehen. Jede Schulter 47 hat eine Einsparung 49. Die Einsparung 49 hat einen inneren Durchmesser, welcher etwas grosser ist als der Durchmesser des Zapfens 45, und einen äusseren Durchmesser, der etwa drei Viertel des kleinsten Durchmessers des mittleren Teiles

4 3 beträgt. Die Zapfen 45 sind mit Bohrungen 51 versehen zur Befestigung an den Armen 25 der Fräserträger 23:

Zwei innere Lagerringe 5 3 sitzen auf dem mittleren Teil 4 3 der Achse 41. Der grössere innere Lagerring ist auf der äusseren Seite der Fräsereinheit 21 vorgesehen. Mehrere kegelstumpfförmige Rollen 55 laufen zwischen der äusseren Fläche des inneren Ringes 53 und der inneren Fläche des äusseren Ringes 57 und sind in einem Wälzkörpergehäuse 56 angeordnet. Die beiden äusseren Lagerringe

5 7 sitzen in einer Fräserschale oder Hülse 59. Ein Gewindering

5 8 hält die Lager auf der Achse 41 fest und die Stiftschraube 60 ist vorgesehen zur Sicherung des Ringes 58 gegen Rotationsbewegung. Die äusseren Lagerringe 57, das Wälzkörpergehäuse 56, die Rollen 55 und die inneren Lagerringe 5 3 dienen als Wälzlagerung zur dreh-

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baren Anordnung der Fräserschale 59 in bezug auf die Achse 41. Die Fräserschale 59 ist dementsprechend auf der Achse 41 drehbar gelagert. Eine ringförmige Scheibe 61 ist an der Fräserschale 59 befestigt zur Rotation mit derselben. Die ringförmige Scheibe 61 hat eine axiale Bohrung 63, durch welche einer der Zapfen 45 hindurchragt. Die ringförmige Scheibe 61 hat eine flache äussere Fläche, welche mit der Stirnfläche der Fräserschale 59 fluchtet. Die innere Fläche der ringförmigen Scheibe 61 ist konkav und hat einen Teil, welcher in die Aussparung 49 hineinragt. Die axiale Bohrung 63 hat eine .Abdichtungsfläche 65 an dem-Teil der Scheibe, welcher in die Aussparung 49 hineinragt. Jede ringförmige Scheibe 61 ist mit der Fräserschale 59 über ein Gewinde 67 verschraubt und an der Fräserschale durch einen Stift 69 und einen Festhaltering 71 gesichert. Jede ringförmige Scheibe 61 hat desweitereri eine Gewindebohrung 73 zum Anschluss eines Werkzeuges während dem Zusammenbau.

Eine Abdichtung befindet sich zwischen jedem Zapfen 45 und jeder Abdichtungfläche 65, damit keine Verunreinigungen in die Wälzlagerung eintreten können. Die Abdichtung kann z. B. der Bauart entsprechend der US Patentschrift 3 612 196 entsprechen. Sie umfasst ein Gehäuse 75, das über ein Gewinde 77 am Zapfen 45 aufgeschraubt ist. Ein Dichtungsring 79 verhindert das Eindringen von Verunreinigungen längs den Gewindegängen. Das Gehäuse 75 ist ringförmig und hat einen U-förmigen Querschnitt, der mit seiner offenen Seite nach innen weist. Ein feststehender Ring 83 befindet sich im Innern 81 des U-förmigen Gehäuses zum dichten Anpressen eines elastischen O-ringes 85 zwischen dem Ring 83 und dem Innern 81 des Gehäuses. Der Ring 83 ist metallisch und hat eine metallische, nach innen weisende Fläche. Ein drehender Ring 87 ist in der Aussparung 49 angeordnet zum dichten Anpressen eines elastischen O-ringes 89 zwischen dem Ring 87 und der Abdichtungsfläche 65. Der drehende Ring 87 ist mit der Fräserschale 59 drehbar und seine Fläche ist in gleitender Berührung mit der Fläche des feststehenden Ringes 83. Eine quadratische Hülse 91 ist über jedem Zapfen durch einen Keil 9 3 festgehalten, zur' Halterung- in den Armen 25 des Trägers 23.

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Der Durchmesser der Abdichtung ist wesentlich kleiner als der Durchmesser des mittleren Teiles 4 3 der Achse und auch wesentlich kleiner als der innere Durchmesser der beiden inneren Lagerringe 53. Entsprechend einem bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt der äussere Durchmesser der metallischen Flächen der Ringe 83 und 87 etwa 11,75 cm, während der innere Durchmesser des kleinen Lagerringes 53 etwa 19,37 cm beträgt. Man hat also ein Lager mit grossem Durchmesser und eine Abdichtung mit kleinem Durchmesser vorgesehen zur Verringerung der Relativgeschwindigkeit und zur Herabsetzung der Reibungswärme. Ausserdem nimmt die Einsparung 49 mehr als die halbe Breite der Abdichtung auf, d. h. man erhält eine verkleinerte Fräserbreite. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Abdichtung etwa 4,13 cm breit und etwa 2,85 cm der Abdichtung befinden sich innerhalb der Aussparung 49. Der Abstand zwischen der Abdichtung auf einer Seite zu der Abdichtung auf der anderen Seite des Fräsers ist also geringer als die Breite der beiden inneren Lagerringe 5.3.

In Figur 7 ist eine Seitenansicht einer Fräserschale 99 mit einer einzigen Reihe von Einsätzen 39 dargestellt. Die Fräserschale 99 kann z. B. in einer Fräsereinheit für ein Bohrwerkzeug entsprechend den anderen Figuren benutzt werden, oder sie kann auch in einem Bohrwerkzeug mit drei Fräserkronen entsprechend der US Patentschrift .3 727 705 benutzt werden. Die Einsätze 39 sind in vier, getrennte Gruppen aufgeteilt wie z. B. die Gruppen 101, 103/ 105 und 107. Innerhalb jeder Gruppe ändert die Teilung zwischen den Einsätzen. Die Teilung ist das Mass zwischen den Mittellinien benachbarter Einsätze in einer Umfangsreihe, die Teilung wird dabei im wesentlichen an den Schnittstellen der Mittellinien mit der Oberfläche der Fräserschale gemessen. Innerhalb der Gruppe 101. nimmt die Teilung stufenweise im Gegenuhrzeigersinn zu. Die Gruppe 103 ist identisch mit der Gruppe 101, d. h. die Teilung nimmt stufenweise im Gegenuhrzeigersinn zu. Die Gruppe 105, welche unmittelbar an die Gruppe 103 anschliesst· hat eine im Gegenuhrzeigersinn abnehmende Teilung. Die an die Gruppe anschliessende Gruppe 105 hat ebenfalls eine im Gegenuhrzeigersinn abnehmende Teilung. " ■ .

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Das Mass der Teilungszunähme, der Teilungsabnahme sowie die Anzahl der Einsätze innerhalb jeder Gruppe wird nach verschiedenen Gesichtspunkten bestimmt. Zuerst wird eine minimale Teilung festgelegt, welche bestimmt ist durch den erforderlichen Metallquerschnitt zum Festhalten der Einsätze. Anschliessend wird die maximale Teilung gewählt, welche abhängig ist von der möglichen Abfräsung der Erdformation durch einen einzigen Einsatz. Diese maximale Teilung wird üblicherweise etwas grosser sein als der Durchmesser des Einsatzes 39 und sie hängt ebenfalls ab von dem Fräserumfang sowie auch von dem Mass, um welches die Einsätze aus der Fräserschale hervorstehen.

Die Anzahl der Einsätze innerhalb jeder Gruppe hängt ab von dem gewünschten Teilungsunterschied von Einsatz zu Einsatz. Um einem zufriedenstellenden Unterschied zwischen der Teilung von einem Einsatz zu den benachbarten Einsätzen zu erreichen werden üblicherweise Gruppen von etwa 3 bis 7 Einsätzen vorgesehen. Zur Berechnung der genauen Teilung wird die Anzahl der Abstände zwischen Einsätzen einer Gruppe, weniger 1, in die gesamte Teilungszunähme dividiert. Diese konstante Zahl wird jedem Abstand zwischen den Einsätzen einer Gruppe zugeteilt. Dementsprechend ist in einer Gruppe mit zunehmender Teilung der Abstand zwischen Einsatzmittellinien der gleiche als der vorhergehende Abstand in der Gruppe plus die erwähnte konstante Zahl. In einer Gruppe mit abnehmender Teilung ist jeder Abstand zwischen Einsatzmittellinien der gleiche als der vorhergehende Abstand minus die erwähnte konstante Zahl. Vorzugsweise wird für jede Gruppe einer einzigen Reihe die gleiche maximale und minimale Teilung benutzt.

Die Figur 6 z. B. zeigt die Teilung zwischen den Einsätzen für einen Fräser nach Figur 5 mit 6 Einsatzreihen. In der Figur 6 ist als Teilung das Winkelmass zwischen den Einsätzen zu verstehen. Sämtliche Einsätze einer einzigen Reihe befinden sich in gleichem Abstand von dem Rand des Fräsers. Die Reihe mit kleinstem Durchmesser, in Figur 6, ist die innerste Reihe, welche sich in Figur auf der linken Seite befindet. Die Reihe mit grösstem Durchmesser in Figur 6 ist die äusserste Reihe oder die Reihe, welche sich in Figur 5 auf der rechten Seite befindet. Der Durchmesser der

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Fräserschale 59 ändert weniger als die relativen Durchmesser zwischen den Reihen 1 und 6 in dem Teilungsplan nach Figur 6. Der jeweilige Winkel in welchem einer der Einsätze liegt, mit Bezug auf die Bezugslinie 109, ist jedoch die örtliche Stelle wo der Einsatz in der Fräserschale 59 angeordnet ist. Für die Reihe 1 befindet sich z. B. der erste Einsatz 111 bei 0 Grad. Der Einsatz 113 der Reihe 6 befindet sich bei etwa 5 Grad. Dementsprechend ist auf der Fräserschale 59 der Einsatz 113 von dem Einsatz 111 in ümfangsrichtung um etwa 5 Grad versetzt..

Wie durch.die Klammern in Figur 6 angedeutet ist hat jede Reihe 8 oder mehr Gruppen, wobei die Gruppen zunehmender Teilung durch (I) und die Gruppen abnehmender Teilung durch (D) bezeichnet sind, im Gegenuhrzeigersinn betrachtet. Die durch ein Sternchen gekennzeichneten Einsätze sind Einsätze zum Füllen des Abstandes zwischen der ersten Gruppe und der letzten vollständigen Gruppe einer Reihe. Die Teilung unvollständiger Gruppen ändert ebenfalls und zwar nimmt die Teilung in einer solchen Gruppe entweder zu oder ab entsprechend der normalen Reihenfolge in einer Reihe.

Jede Gruppe, mit Ausnahme der unvollständigen Gruppe, umfasst 6 Einsätze mit unterschiedlicher Teilung zwischen den Einsätzen. Falls z. B. für die Reihe 1 die minimale Teilung mit 22,22 mm und die maximale Teilung mit 3 3,96 mm festgelegt werden, so ist der Unterschied zwischen diesen beiden Teilungen 11,74 mm. Geteilt durch 4 Abstände ergibt dies eine konstante Zahl von-etwa 2,93 für jeden Abstand zwischen den Einsatzmittellinien. Der Abstand zwischen den Mittellinien der' Einsätze 111 und 115 an der Schnittstelle mit der Fräserschale beträgt etwa 22,22 mm, was einen Winkel von etwa 7 Grad mit der Bezugslinie 109 entspricht. Zwischen den Mittellinien der Einsätze 115 und 117 ist die Teilung gleich der Summe von 22,22 mm plus 2,9 3 mm, d. h. 25,15 mm. Bei einer solchen Teilung liegt der Einsatz 117 etwas mehr als 15 Grad von der Bezugslinie 109 entfernt. Zwischen den Mittellinien der Einsätze 117 und 119 beträgt die Teilung 25,15 mm plus 2,93 mm, d. h. 2 8,08 mm. Der Einsatz 119 befindet sich in einem Winkel von 2 3 Grad.' Zwischen den Mittellinien der Einsätze 119 und 121 beträgt die Teilung 28,08 mm plus 2,93 mm, d, h. 31,01 mm. Der Einsatz 121 liegt damit in einem Winkel von 33 Grad. Zwischen den Mittellinien

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der Einsätze 121 und 123 beträgt die Teilung 31,01 mm plus 2,93 mm oder 33,94 mm und der Einsatz 123 liegt in einem Winkel von etwa 44 Grad. Die anderen Gruppen mit zunehmender Teilung werden in gleicher Weise berechnet.

Der Einsatz 12 3 ist der erste Einsatz der zweiten Gruppe und gleichzeitig der letzte Einsatz der ersten Gruppe. Der erste Einsatz 125 der ersten Gruppe mit abnehmender Teilung ist gleichzeitig der fünfte Einsatz der zweiten Gruppe mit zunehmender Teilung. Der Abstand von der Mittellinie des vorhergehenden Einsatzes 127 beträgt 31,01 mm und der Abstand bis zur Mittellinie des nächstfolgenden Einsatzes 129 beträgt 33,94 mm. Die Teilung zwischen der Mittellinie des Einsatzes 129 und der Mittellinie des nächsten Einsatzes 131 beträgt 33,94 minus 2,94 mm oder 31,01 mm. Die Gruppen mit abnehmender Teilung werden in umgekehrter Weise als die Gruppen mit zunehmender Teilung berechnet. Falls sich eine Gruppe abnehmender Teilung an eine Gruppe zunehmender Teilung anschliesst, so überlappt die Gruppe abnehmender Teilung um einen Einsatz die Gruppe zunehmender Teilung. Hierdurch wird vermieden, dass zwei maximale Teilungen aufeinander folgen. Bei dem Wechsel von der zweiten Gruppe abnehmender Teilung auf die erste Gruppe . zunehmender Teilung ist eine Überlappung nicht erforderlich, da die Teilung an dieser Stelle minimal ist. Der Abstand zwischen den Mittellinien der Einsätze 133 und 135 ist die kleinste Teilung von 22,22 mm für den letzten Einsatz der abnehmenden Gruppe'. Der Abstand zwischen den Mittellinien der Einsätze 135 und 137 beträgt ebenfalls 22,22 mm für den ersten Einsatz der zunehmenden Gruppe. Der Einsatz 135 ist der einzige Einsatz der Reihe 1 der auf seinen beiden Seiten die gleiche Teilung aufweist.

Die anderen Reihen werden in gleicher Weise berechnet, mit der Ausnahme, dass, wegen dem grösserem Umfang der Fräserschale,die maximale und minimale Teilung unterschiedlich sein können. Ausserdem beginnen die Gruppen nicht an der gleichen Stelle. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel beginnt die Reihe 2 mit dem gleichen Muster als die Reihe 1 bei 82 Grad, die Reihe 3 beginnt mit dem gleichen Muster wie die Reihe 1 bei 29 Grad, die Reihe 4 beginnt mit dem gleichen Muster wie die Reihe 1 bei 312 Grad, die

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Reihe 5 beginnt mit dem gleichen Muster wie die Reihe 1 bei 174 Grad und die Reihe 6 beginnt mit dem gleichen Muster wie die Reihe 1 bei 200 Grad, jeweils mit Bezug auf die Linie 109. Dementsprechend sind die Muster der drei inneren Einsatzreihen der Fräsereinheit 21 unterschiedlich von den drei Reihen auf dem äusseren Teil der Fräsereinheit 21.

Die Erfindung schafft dementsprechend ein Bohrwerkzeug mit wesentlichen Vorteilen. Durch Überlappung und Vorsehen von unterschiedlicher Fräserbestückung für jede Hälfte der Zwischenfräser kann die Gefahr einer Spurbildung herabgesetzt werden. Die Überlappung sowie die Winkelknicke der Fräser verringern eine mögliche Kammbildung zwischen den Bahnen. Teuere Verstärkungen, welche für die Kaliberfräser und. Führungslochfräser erforderlich sind, sind lediglich an den Fräsern mit kleinerer Breite vorzusehen. Kaliberfräser mit ausschliesslicher Beschädigung der seitlichen Einsätze können auf der Seite der Führungsbohrung wieder eingesetzt werden. Falls höhere Belastungen je Fräsereinheit erwünscht sind zur Steigerung der Bohrgeschwindigkeit und zur Herabsetzung der Fräserkosten, kann man jeden zweiten Fräser entfernen, ohne die vollständige Bearbeitung des Bohrlochgrundes zu opfern. Infolge der Überlappung ist es möglich, Scheibenfräser mit einem einzigen Kamm für einen 7,62 cm Kammabstand in einem Bohrerkörper für 15,24 cm Breite Zahnfräser zu benutzen.

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Claims (20)

PATENTANSPRÜCHE

1. Rotationsfräser für einen Erdbohrer mit einer Achse, welche einen mittleren Teil und zwei Zapfen an beiden Seiten des mittleren Teiles mit kleinerem Durchmesser als der mittlere Teil aufweist, mit einer auf dem mittleren Teil drehbar gelagerten Fräserhülse und mit Abdichtungen zwischen den Zapfen und der Fräserhülse. ·

2. Fräser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Seite des mittleren Teiles eine ringförmige Einsparung aufweist und dass die Abdichtungen mindestens teilweise in diesen Einsparungen angeordnet sind.

3. Fräser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zapfen der Achse auf jeder Seite über die Fräserhülse hinausragen, dass Lager zwischen der Fräserhülse und dem mittleren Teil der Achse vorgesehen sind, dass eine ringförmige Scheibe von dem Ende jeder Fräserhülse nach innen ragt wobei jede ringförmige Scheibe eine mittlere Bohrung aufweist deren Durchmesser kleiner ist als der Durchmesser des mittleren Teiles der Achse,

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und dass die Abdichtungen zwischen jedem Zapfen und jeder Bohrung vorgesehen sind.

4. Fräser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Lager wenigstens einen inneren Ring aufweist, der auf dem mittleren Teil der Achse angeordnet ist und wenigstens einen äusseren Ring hat, der in der Fräserhülse angeordnet ist, und wobei Lagerrollen zwischen den beiden Ringen vorgesehen sind.

5. Fräser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass jede Abdichtung ein Gehäuse aufweist, welches an einem Zapfen der Achse befestigt ist, dass ein erster Ring innerhalb des Gehäuses angeordnet ist und eine erste metallische Fläche aufweist, dass ein elastischer Dichtungsring zwischen dem ersten Ring und dem Gehäuse vorgesehen ist, dass ein drehbarer Ring innerhalb der axialen Bohrung vorgesehen ist und eine metallische Fläche aufweist, welche in gleitender Berührung mit der Fläche des feststehenden Ringes ist, dass ein elastischer Dichtungsring zwischen der axialen Bohrung und dem drehbaren Ring vorgesehen ist, und dass der äussere Durchmesser der metallischen Flächen kleiner ist als der Durchmesser des inneren Lagerringes.

6. Fräser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Achse auf jeder Seite des mittleren Teiles eine Schulter aufweist, in welchen die ringförmigen Einsparungen vorgesehen sind, und dass jeweils ein Teil einer jeden ringförmigen Scheibe in der Nähe der axialen Bohrung derselben in eine Aussparung in einer Schulter der Achse hineinragt.

7. Fräser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Bohrung einer jeden ringförmigen Scheibe eine Dichtungsfläche aufweist, welche Dichtungsfläche in eine Aussparung der Achse hineinragt.

8. Fräser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der drehbare Ring innerhalb einer Aussparung der Achse liegt.

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9. Fräser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die äusseren Flächen der ringförmigen Scheiben im wesentlichen mit den Stirnflächen der Fräserhülse fluchten.

10. Fräser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwei innere und zwei äussere Lagerringe vorgesehen sind und dass der Abstand von dem drehbaren inneren Ring auf einer Fräserseite zu dem drehbaren Ring auf der anderen Fräserseite geringer ist als die Breite der beiden inneren Lagerringe in eingebauter Stellung.

11. Fräser nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Fräserhülse mehrere ümfangsreihen von Hartmetalleinsätzen aufweist, die in Löcher der Fräserhülse angeordnet sind, wobei im wesentlichen alle Einsätze wenigstens einer Reihe identisch und in Gruppen angeo-rdnet sind, und dass die Teilung zwischen den Einsätzen innerhalb jeder Gruppe ändert.

12. Fräser nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilung innerhalb bestimmter Gruppen zunimmt und die Teilung innerhalb anderer Gruppen abnimmt.'

13. Rotationsfräser für einen Erdbohrer mit mehreren ümfangsreihen von Hartmetalleinsätzen, die in Löchern des Fräsers angeordnet sind wobei sämtliche Einsätze wenigstens einer Reihe im wesentlichen identisch sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilung zwischen den Einsätzen innerhalb wenigstens einer Reihe unterschiedlich ist und dass im wesentlichen alle Einsätze dieser Reihe derart angeordnet sind, dass der Abstand von einem bestimmten Einsatz zu einem benachbarten Einsatz in dieser Reihe unterschiedlich ist zu dem Abstand von dem einen bestimmten Einsatz zu einem benachbarten Einsatz auf der anderen Seite des bestimmten Einsatzes in der gleichen Reihe.

14. Fräser nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Einsätze innerhalb wenigstens einer Reihe im wesentlich alle in Gruppen eingeteilt sind, wobei die Teilung zwischen den Einsätzen innerhalb jeder Gruppe ändert.

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15. Fräser nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilung innerhalb bestimmter Gruppen zunimmt und die Teilung innerhalb anderer Gruppen abnimmt.

16. Fräser nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass jede Gruppe wenigstens drei Einsätze hat, dass die Teilung innerhalb bestimmter Gruppen, beginnend mit einem vorbestimmten Minimum, stufenweise zunimmt bis zu einem vorbestimmten Maximum, und dass die Teilung innerhalb anderer Gruppen, beginnend mit dem vorbestimmten Maximum stufenweise abnimmt bis zu dem vorbestimmten Minimum.

17. Fräser nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass jede Gruppe eine minimale Teilung und eine maximale Teilung aufweist, welche im wesentlichen die gleiche ist für alle anderen Gruppen der betreffenden Reihe, dass die Teilung innerhalb im wesentlichen der Hälfte der Gruppen gleichförmig zunimmt und die Teilung innerhalb der anderen Hälfte der Gruppen gleichförmig abnimmt, und wobei sich jeweils an wenigstens zwei Gruppen zunehmender Teilung sich eine gleiche Anzahl.Gruppen abnehmender Teilung anschliessen, auf welche wieder zwei Gruppen zunehmender Teilung folgen, u.s.w.

18. Fräser nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass jede Gruppe drei bis sieben Einsätze aufweist.

19. Fräser nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die. Reihen in wenigstens vier Gruppen aufgeteilt sind.

20. Fräser nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen jeweils zwei Einsatzmittellinien innerhalb einer Gruppe mit zunehmender Teilung dem Abstand von der vorhergehenden Einsatzmittellinie in der Gruppe plus einer im wesentlichen konstanten Zahl entspricht und dass der Abstand zwischen jeweils, zwei Einsatzmittellinien innerhalb einer Gruppe mit abnehmender Teilung dem Abstand zu der vorhergehenden Einsatzmittellinie in der Gruppe weniger die gleiche konstante Zahl entspricht.

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