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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft
im allgemeinen Erdbohrmeißel.
Genauer gesagt, die vorliegende Erfindung betrifft die Konstruktion
von Schneidköpfen
für Erdbohrmeißel für das Bohren
von Löchern
mit relativ großem
Durchmesser bei Bergbau- und Ingeniewbauanwendungen.
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2. HINTERGRUNDINFORMATION
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Erdeindringungswerkzeuge werden im
allgemeinen in zwei breite Kategorien unterteilt, jene, die konstruiert
werden, um tiefe Bohrlöcher
mit relativ kleinem Durchmesser zu bohren, und jene, die konstruiert
werden, um flache Bohrlöcher
mit großem Durchmesser
zu bohren. Erdbohrmeißel
mit Rollenbohrscneidköpfen,
die auf freitragenden Lagerwellen montiert sind, werden oftmals
als „Rollenmeißel" bezeichnet und beim
Bohren von Bohrlöchern
mit relativ kleinem Durchmesser für die Gewinnung von Erdöl oder Kohlenwasserstoffen
eingesetzt, oder um geothermische Energiequellen anzuzapfen.
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Ein anderer Typ des Erdbohrmeißels oder -kopfes
benutzt eine Vielzahl von Rollenbohrschneidköpfen, im allgemeinen mehr als
drei, die angeordnet sind, um Bohrlöcher mit relativ großem Durchmesser für Bergbau-,
Tunnelbau- oder andere Ingeniewbauanwendungen zu bohren. Bei Bergbau-
oder Bohrarbeitsgängen
wird der Bohrmeißel
oder Kopf an einer Bohrmaschine gesichert und gedreht und durch
das Formationsmaterial gedrückt
oder gezogen, um einen Schacht oder Tunnel zu bohren. Die Schneidköpfe dieser
Bohrmeißel
werden im allgemeinen in zwei breite Kategorien unterteilt: jene,
die sich auf ein vorstehendes hartes Metall, im allgemeinen Wolframkarbid,
Knöpfe
oder Einsätze
verlassen, um das Formationsmaterial zu brechen, und jene, die sich
auf erhabene Scheiben verlassen, um die Formation zu brechen. Die
Schneidkopfbaugruppen, die Wolframkarbidknöpfe oder -einsätze benutzen,
erzeugen hohe Kontakt- oder Punktbelastungen auf im allgemeinen
sehr kleinen Flächen
in der Formation, was zu relativ kleinem Bohrklein und feinen, scheuernden Gesteinsteilchen
führt.
Umgekehrt, die Scheibenschneidkopfbaugruppen, die Ringe verwenden,
ritzen Kreise in das zu zerbröckelnde
Formationsmaterial, was zum Brechen von großem Bohrklein oder Stücken des
Formationsmaterials führt.
Das relativ große
Bohrklein, das sich durch die Wirkung der Scheibenschneidkopfbaugruppen
ergibt, wird als gegenüber
dein kleineren Bohrklein bevorzugt betrachtet, das durch die Knopf-
oder Einsatzschneidkopfbaugruppen erzeugt wird, weil sie weniger
Energie pro Volumen des beim Brechen entfernten Gesteins erfordern,
und weil sie leichter aus dein Bohrloch zu entfernen sind.
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Es gibt im allgemeinen zwei Arten
von Scheibenschneidkopfbaugruppen. Bei einer Ausführung werden
die Ringe oder Scheiben zusammenhängend mit dein Schneidkopfmantelmaterial
gebildet und erfordern, wenn sie verschlissen sind, die Auswechselung
des gesamten Schneidkopfmantels oder -hülse. Bei einer weiteren Ausführung sind
die Ringe ringförmige
Kerbringe, die auswechselbar am Schneidkopfmantel oder -hülse gesichert
sind, und die leicht entfernt und ausgewechselt werden können, wenn
sie verschlissen sind. Die Kerbringe der letzteren Ausführung der
Schneidkopfbaugruppe werden im allgemeinen aus nicht verstärktem Stahl
hergestellt und sind mit vorstehenden Hartmetalleinsätzen versehen,
um einen Vorteil aus beiden vorangehend diskutierten Brechmethoden
zu ziehen. Jene, die aus nicht verstärktem Stahl hergestellt wurden,
zeigten einen zu schnellen Verschleiß bei scheuernden Gesteinsformationen,
was eine häufige
Auswechselung erforderte. Jene Kerbringe mit übermäßig vorstehenden Einsätzen neigen
dazu, in einer Brechmethode zu funktionieren, die mehr den Schneidköpfen gleicht, die
nur Harhnetalleinsätze
oder -knöpfe
als Schneidkopfkonstruktion verwenden, eher als in der vorteilhafteren
Scheibenschneidkopfinethode.
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Das U.S. Patent 3679009 offenbart
eine Scheibenschneidkopfbaugruppe mit den charakteristischen Merkmalen
des vorbeschreibenden Abschnittes des Patentanspruches 1.
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Es besteht daher eine Forderung nach
einer Schneidkopfbaugruppe für
einen Erdbohrmeißel oder – kopf die
die vorteilhafte Brechmethode der Scheibenschneidköpfe anwendet,
während
eine Langlebigkeit und leicht auswechselbare Kerbringe bereitgestellt
werden.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Es ist ein allgemeines Ziel der vorliegenden Erfindung,
einen verbesserten Scheibenerdbohrmeißel oder -kopf für Bergbau-
oder Ingenieurbauanwendungen bereitzustellen.
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Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird
ein Erdbohrmeißel
bereitgestellt, der aufweist: einen Bohrmeißelkörper; mindestens ein Achsschenkelelement
mit einem Paar von Enden; mindestens ein am Bohrmeißelkörper befestigtes
Sattelelement zum Aufnehmen und Tragen eines jeden Endes des Achsschenkelelementes;
einen zum Drehen auf dem Achsschenkelelement angebrachten Schneidkopfmantel;
mindestens einen Kerbring, der ein Paar gegenüberliegende Seiten einschließt, die
konvergieren, um einen First zum Zerkleinern von Formationsmaterial
zu definieren; und eine Vielzahl von in Reihen im Kerbring eingelassenen
und befestigten Hartmetalleinsätzen,
wobei die Einsätze
im allgemeinen mit den Seiten des Kerbringes bündig sind, dadurch gekennzeichnet,
daß der
Kerbring lösbar
am Schneidkopfmantel gesichert ist und die Einsätze weniger als 6,35 mm (0,25
in.) vom First des Kerbringes vorstehen.
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Entsprechend einer bevorzugten Ausführung der
vorliegenden Erfindung können
die Einsätze
in einem bestimmten Kerbring in Gruppen getrennt werden, wobei jede
der Gruppen einen wechselnden Abstand zwischen den Einsätzen aufweist.
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Entsprechend einer weiteren bevorzugten Ausführung der
vorliegenden Erfindung sind die Einsätze derart angeordnet, daß sich ein
erster Einsatz willkürlich
im Kerbring befindet, sich der zweite Einsatz wahllos im Kerbring
relativ zum ersten befindet, und sich ein dritter Einsatz wahllos
relativ zum zweiten befindet, so daß sich ein verteiltes Einsatzmuster ergibt.
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Entsprechend einer weiteren Ausführung der vorliegenden
Erfindung ist eine der gegenüberliegenden
Seiten des Kerbringes konvex und die andere konkav, wodurch ein
Kerbring definiert wird, der einen gewölbten Querschnitt aufweist,
und der speziell für
das Schneiden nach Maß angepaßt ist.
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Weitere Ziele, charakteristische
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden mit Bezugnahme
auf die Zeichnungen und die detaillierte Beschreibung sichtbar,
die sich anschließen.
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BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Es zeigen:
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1 eine
Draufsicht eines Erdbohrmeißels oder
-kopfes in der Ausführung,
die von der vorliegenden Erfindung in Betracht gezogen wird;
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2 und 3 Längsschnittdarstellungen von Schneidkopfbaugruppen
nach dem bisherigen Stand der Technik, im allgemeinen von der Ausführung, die von
der vorliegenden Erfindung in Betracht gezogen wird;
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4 eine
vergrößerte perspektivische
Teilschnittdarstellung eines Kerbringes nach dem bisherigen Stand
der Technik;
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5 eine
perspektivische Teilschnittdarstellung eines Kerbringes entsprechend
der vorliegenden Erfindung;
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6 eine
perspektivische Teilschnittdarstellung eines Kerbringes entsprechend
der vorliegenden Erfindung.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNG
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1 ist
eine Draufsicht eines Erdbohrmeißels oder -kopfes der Ausführungsart
für das
Bohren eines Schachtes oder Tunnels, die von der vorliegenden Erfindung
in Betracht gezogen wird. Der Kopf 1 weist einen im allgemeinen
kreisförmigen
Bohrmeißelkörper 1 auf,
der so angepaßt
ist, daß er
mit einer Bohr- oder Tunnelbaumaschine (nicht gezeigt) verbunden
werden kann, damit er gedreht und durch eine Gesteins- oder Erdformation
gedrückt
oder gezogen werden kann, um einen Schacht oder Tunnel zu bohren.
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Eine Vielzahl von Sattelelementen 3 ist
am Bohrmeißelkörper 1 an
verschiedenen ausgewählten Stellen
gesichert. Ein Schneidkopfinantel oder -hülse 5 wird für eine Drehung
mittels eines Achsschenkelelementes 9 getragen, wobei ein
jedes Ende davon am Sattelelement 3 gesichert und davon
getragen wird. Ein bevorzugtes Verfahren zum Sichern der Achsschenkelelemente 9 an
Sattelelementen 3 wird im einvernehmlich abgetretenen U.S.
Patent Nr. 5487435, 30. Januar 1996 an Crawley und Mitarbeiter,
offenbart.
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Die vom Bohrmeißelkörper 1 getragenen Schneidkopfbaugruppen
sind als Scheibenschneidköpfe
bekannt, weil ein erhabener, ringförmiger Kerbring 7 lösbar an
jeder Schneidkopfhülse
oder -mantel 5 gesichert ist. Da der Bohrmeißelkörper 1 gedreht und
durch die Formation gedrückt
oder gezogen wird, kommen die Schneidkopfbaugruppen und die Kerbringe 7 mit
der Formation in Eingriff, wobei sie diese in im allgmeinen kreisförmigen Mustern
einritzt und das Brechen von großem Bohrklein oder Bruchstücken des
Gesteins aus der Formation bewirkt. Das Bohrklein, das von den Scheibenschneidköpfen entfernt
wird (im Gegensatz zu den Schneidköpfen, die einzelne Hartmetalleinsätze oder
-knöpfe
als die primäre
Schneidkonstruktion einsetzen), wie beispielsweise jene, die in 1 offenbart werden, wird
mit weniger Energie pro Volumen des herausgebrochenen Gesteins entfernt
und liefert größeres Bohrklein, was
leichter aus dem Schacht oder Tunnel zu entfernen ist, während das
Bohren vonstatten geht.
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2 und 3 sind Längsschnittdarstellungen von
Schneidkopfbaugruppen nach dem bisherigen Stand der Technik in der
Ausführung,
die im allgemeinen von der vorliegenden Erfindung in Betracht gezogen
wird. In sowohl 2 als
auch 3 wird eine gleiche
Konstruktion gleichermaßen
numeriert. Wie es vorangehend dargelegt wird, ist ein im allgemeinen
zylindrischer Schneidkopfinantel oder -hülse 5 für eine Drehung
auf dein Achsschenkelelement 9 montiert. Der Kerbring 7 wird
lösbar
am Schneidkopfinantel oder -hülse 5 durch
ein Anstoßen
an einen radialen Vorsprung am Mantel oder der Hülse 5 gesichert, und
er wird dort mittels eines Sicherungsringes 11 lösbar festgehalten.
Der Schneidkopfinantel oder -hülse 5 dreht
sich auf Kegelrollenlagern 13, die geschmiert werden. Die Schmierung
wird im Lagerbereich durch starre Gleitringdichtungen 15 gehalten, die
ein Paar starre Dichtungsringe aufweisen, die durch ein Paar Runddichtringe
zur Wirkung gebracht und zusammengetrieben werden. Eine starre Gleitringdichtung 15 ist
an jedem Ende der Schneidkopfbaugruppe vorhanden.
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In 2 wird
eine Schneidkopfbaugruppe veranschaulicht, die einen Kerbring 7 nach
dein bisherigen Stand der Technik einschließt, der vollständig aus
Stahl hergestellt wird. Der Kerbring 7 weist eine im allgemeinen
rechteckige oder orthogonale Basis auf, von der aus ein Paar im
allgemeinen konkave und gegenüberliegende
Seiten konvergieren, um einen First für einen Eingriff mit dem Formationsmaterial
und ein Brechen dieses zu definieren. Der in 2 veranschaulichte Stahlkerbring ist im
allgemeinen für
eine Verwendung in weicheren weniger scheuernden Formationen zufriedenstellend,
neigt aber in härteren,
stärker
scheuernden Formationen zu einem zu schnellen Verschleiß.
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3 ist
eine Längsschnittdarstellung
einer Schneidkopfbaugruppe, wie sie von der vorliegenden Erfindung
in Betracht gezogen wird, in jeder Hinsicht der in 2 gleich, außer daß der Kerbring 7 nach dem
bisherigen Stand der Technik mit einer Vielzahl von Hartmetalleinsätzen 17 versehen
ist, die vorzugsweise aus Wolframsinterkarbid im First des Kerbringes 7 gebildet
werden. Bei dieser Ausführung nach
dem bisherigen Stand der Technik ragen Hartmetalleinsätze 17 über den
First des Kerbringes 7 im allgemeinen in einem Bereich
von 6,35 mm bis 1,27 mm (0,250 bis 0,500 in.) hinaus. Hartmetalleinsätze 17 sind
dazu gedacht, die Verschleißfestigkeit
des Kerbringes 7 in härteren,
stärker
scheuernden Formationen zu erhöhen.
Jedoch, wegen des Vorsprunges der Einsätze 17, werden die
Einsätze 17 eher
als der kontinuierliche First des Kerbringes 7 zur primären Schneidkonstruktion
und verändern
die Methode, nach der das Formationsmaterial gebrochen wird. Eher
als daß die
Formation in kreisfönnigen
Mustern in der Art und Weise eines konventionelleren Kerbringes 7 eines
Scheibenschneidkopfes eingeritzt wird, erzeugen die Hartmetalleinsätze 17 hohe
Spitzen- oder Kontaktspannungen in relativ kleinen Bereichen des
Formationsmaterials, wodurch kleines Bohrklein und scheuernde Feinteile
erzeugt werden, die auf die Bohrmeißelbauteile eine zerstörende Wirkung
haben können,
zusätzlich
dazu, daß sie
schwierig aus dem Schacht oder Tunnel zu entfernen sind.
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4 ist
eine perspektivische Teilschnittdarstellung eines Kerbringes nach
dein bisherigen Stand der Technik in der in 3 veranschaulichten Ausführung. Wie
gesehen werden kann, weist der Kerbring 7 eine im allgemeinen
rechteckige oder orthogonale Basis auf, von der aus ein Paar im
allgemeinen konkave Seiten konvergieren, um einen kontinuierlichen
First zu definieren. Eine Vielzahl von Hartmetalleinsätzen 17,
vorzugsweise aus Wolframsinterkarbid geibldet, werden mittels Preßpassung
im First des Kerbringes 7 gesichert und ragen über den
First des Ringes 7 mit den vorangehend diskutierten begleitenden
Nachteilen hinaus.
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5 ist
eine perspektivische Teilschnittdarstellung eines Kerbringes 7 entsprechend
der vorliegenden Erfindung, der an Schneidkopfmänteln in einer gleichen Weise
gesichert ist, wie es in 2 und 3 veranschaulicht wird. Wiederum
weist der Kerbring 7 eine im allgemeinen rechteckige oder
orthogonale Basis auf, die ein Paar im allgmeinen konkave gegenüberliegende
Seiten aufweist, die konvergieren, um einen kontinuierlichen First
zu definieren. Eine Vielzahl von Hartmetalleinsätzen 17, die vorzugsweise
aus Wolframsinterkarbid gebildet werden, wird im Kerbring 7 eingelassen
und durch Preßpassung
gesichert. Die Seiten der Einsätze 17 sind
im allgemeinen mit den Seiten des Kerbringes 7 bündig, und
der First der Einsätze 17 ragt über den
First des Kerbringes 7 annähernd um 6,35 mm (0,250 in.)
oder weniger hinaus. Entsprechend der vorliegenden Erfindung liefern
die Einsätze 17 eine
zusätzliche
Verschleißfestigkeit
beim Kerbring 7, während
die Ringgeometrie und die Brechmethode beibehalten werden, die konventionell
bei den Stahlkerbringen der Scheibenschneidköpfe (wie in 2 veranschaulicht) zur Anwendung gebracht
werden.
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6 ist
eine perspektivische Teilschnittdarstellung eines weiteren Kerbringes
entsprechend der bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung. Bei
dieser Ausführung
erstrecken sich eine konvexe Seite 7A und eine konkave
Seite 7B von der rechteckigen oder orthogonalen Basis des
Kerbringes 7, um einen Kerbring zu definieren, der einen
gewölbten Querschnitt
aufweist. Wiederum werden Hartmetalleinsätze 17, vorzugsweise
aus Wolframsinterkarbid hergestellt, im Kerbring 7 eingelassen
und durch Preßpassung
gesichert, so daß die
Seiten der Einsätze 17 im
allgemeinen mit den Seiten 7A, 7B des Kerbringes
bündig
sind. Der First der Einsätze 17 ragt wiederum
annähernd
0,254 mm (0,100 in.) aus dem First des Kerbringes 7 heraus.
Die gewölbte
Konfiguration des Kerbringes aus 6 ist
besonders für eine
Verwendung in Schneidkopfbaugruppen am oder in der Nähe des Umfanges
des Bohrmeißelkörpers (1 in 1) angepaßt und besitzt die Fähigkeit, das
Maß oder
den Außendurchmesser
des zu bohrenden Schachtes oder Tunnels auszukratzen und zu schneiden,
um eine Bohrung mit vollem Durchmesser oder vollem Maß aufrechtzuerhalten.
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Um die vorteilhafte Brechmethode
der Scheibenschneidköpfe
am besten zu nutzen, ist es nützlich zu
sichern, daß die
Kerbringe 7 der Schneidkopfbaugruppen „Nachlauf" zustände vermeiden. Das Nachlaufen
tritt auf wenn der Einsatz in die gleiche Einkerbung fällt, die
vorher vom gleichen oder einem anderen Einsatz bewirkt wurde. Die
Regelmäßigkeit
des Nachlaufzustandes führt
zu einem weniger wirksamen Brechen des Formationsmaterials.
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Das Nachlaufen kann vermieden werden,
indem der Abstand P (wie in 5 gezeigt
wird) oder der Abstand von Mitte zu Mitte zwischen benachbarten
Einsätzen
reguliert wird, dort gemessen, wo sich der Einsatz mit der Schneidkopfmantelfläche 5 schneidet.
Entsprechend einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung
werden benachbarte Einsätze
in Gruppen von drei bis sieben eingruppiert, wobei der Abstand P
zwischen einem jeden Paar von benachbarten Einsätzen variiert, wie im einvernehmlich
abgetretenen U.S. Patent Nr. 4316515, 23. Februar 1982 an Pessier,
offenbart wird, worauf man sich hierin bezieht.
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Ein weiterer Plan zum Vermeiden des
Nachlaufens entsprechend der vorliegenden Erfindung wird im einvernehmlich
abgetretenen U.S. Patent Nr. 4441566, 10. April 1984 an Pessier,
offenbart, worauf man sich hierin bezieht. Bei dieser Ausführung wird ein „wahlloses" oder verteiltes
Muster von Einsätzen durch
willkürliches
Anbringen oder Anordnen eines ersten Einsatzes im Ring, Anordnen
eines zweiten Einsatzes im Ring wahllos mit Bezugnahme auf den ersten,
Anordnen eines dritten Einsatzes willkürlich mit Bezugnahme auf den
zweiten, usw. erhalten, um eine Reihe von Einsätzen zu komplettieren, die
in der Konfiguration unregelmäßig, zerstreut
oder wahllos ist.
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Die Erfindung wurde mit Bezugnahme
auf deren bevorzugten Ausführungen
beschrieben. Sie ist daher nicht begrenzt, sondern für eine Veränderung
und Abwandlung zugänglich,
ohne daß man vom
Bereich der Patentansprüche
abweicht.