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Bohrwerkzeuge für drehend arbeitende Tiefbohrvorrichtungen.
Die Erfindung betrifft ein Bohrwerkzeug für Tiefbohrvorriehtungen, bei dem ein Bohrkopf auf einem zur lotrechten Achse des Bohrergestänges geneigten Lager angeordnet ist. Bei derartigen Bohrwerkzeugen übt das Gewicht des Gestänges einen hohen Druck auf die Lagerflächen aus, so dass an diesen eine starke Reibung und ein hoher Verschleiss auftritt. Letzterer wird noch dadurch begünstigt, dass zu Schmierungs- und Kühlungszwecken Schlamm durch die Lagerung hindurchgepresst wird, der schleifend wirkende Teilchen, z. B. Quarzsand, enthält. Lockert sich aber zufolge des Verschleisses der Sitz des Bohrkopfes am Schaft, so hat dies eine ungleichmässige Druckverteilung zur Folge, wodurch der Verschleiss noch erhöht wird.
Die genannten Nachteile treten besonders bei bekannten geneigten Lagern auf, die aus einem zylindrischen Teil zur Aufnahme der Radialdrücke und einem konischen Teil zur Aufnahme der in der Achse des Lagers wirksamen Drücke bestehen. Bei derartigen geneigten Lagern liegt die unterste Erzeugende des Konusteiles entweder waagrecht oder sie verläuft von der Basis des Konus gegen dessen Spitze hin schräg nach aufwärts. Im ersten Fall wird der gesamte lotrechte Bohrdruck vom konischen Lagerteil aufgenommen, ohne dass ein Bestreben vorhanden wäre, den Bohrkopf am Konus des Schaftes zu zentrieren oder zu dezentrieren.
Im zweiten Fall hingegen wird der lotrechte Bohrdruck nur teilweise vom konischen Lagerteil aufgenommen, und es entsteht eine radiale Kraftkomponente, die vom zylindrischen Lagerteil aufgenommen wird und sogar einer Zentrierung des Bohrkopfes am Lager entgegenwirkt, d. h. den Bohrkopf zu dezentrieren trachtet. In beiden Fällen ist eine satte, allseitige Anlage der zusammenarbeitenden Konusflächen nicht gesichert, in den so entstehenden Spalt dringen Sand-und sonstige schleifend wirkende Teilchen ein, so dass der genannte Verschleiss noch verstärkt wird. Überdies bildet dieser Spalt zwischen den Lagerflächen einen freien Durchgang für das Schmiermittel, das somit nicht, wie erforderlich, gleichmässig zur gesamten Lagerfläche gelangt.
Gemäss der Erfindung werden die genannten Nachteile dadurch beseitigt, dass der Komplementärwinkel des halben Scheitelwinkels des konischen Lagerteiles grösser ist als der Neigungswinkel der Lagerachse gegenüber der Gestängeachse. Bei Einhaltung dieser Beziehung verlaufen sämtliche, u. zw. auch die untersten Erzeugenden des Konus, von der Basis zur Spitze des Konus nach abwärts. Es wird somit durch den lotrechten Bohrdruck eine Kraftkomponente erzeugt, die ständig das Bestreben hat, den Bohrkopf am konischen Lagerteil des Schaftes zu zentrieren. Dadurch wird eine gleichmässige, satte Anlage der beiderseitigen Lagerflächen erzielt, die durch die Abnutzung im Betriebe nicht nur nicht verschlechtert, sondern verbessert wird, da sich der Konus des Schaftes im Konus des Bohrkopfes sozusagen einschleift.
Durch die selbstzentrierende Wirkung bzw. die gleichmässige Verteilung der Abnutzung wird die Lebensdauer des Werkzeuges erheblich vergrössert.
Zweckmässig ist der konische Lagerteil am unteren Ende des Lagers angeordnet und ist als abnehmbarer Druckstift ausgebildet, der bei eingetretener Abnutzung leicht ausgewechselt werden kann.
Weitere Merkmale der Erfindung gehen aus der nachstehenden Beschreibung hervor.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, u. zw. zeigt Fig. 1 eine Seitenansicht mit geschnittenem Bohrkopf, Fig. 2 eine Ansicl t des Bohrkopfes, wobei die Lage desselben gegenüber der in Fig. 1 dargestellten Lage um 1800 verdreht ist, Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie A-A in Fig. 1 und Fig. 4 einen Schnitt nach der Linie 4-4 in Fig. 1.
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Fig. 1 zeigt einen vollständig zusammengesetzten Bohrer mit einem Schaft 11, der in ein Gewinde 12 am unteren Ende des Bohrergestänges, mittels welchem der Bohrer in Umdrehung versetzt wird, eingeschraubt ist. Der untere Teil des Schaftes 11 trägt ein geneigtes Lager 15, dessen Achse. 4.- mit der in der Regel lotrechten Gestängeachse B-B einen Winkel 14 einschliesst. Der Bohrkopf 18 ist mit einem topfförmigen Teil 20 am Lager 15 drehbar gelagert. Die Umhüllenden der Zähne des Bohrkopfes 18 werden teils von einer Kugel, teils von einem Kegel gebildet, dessen Achse mit der Achse J.-i zusammenfällt.
Am Ende des Schaftes 11 ist eine zylindrische Lagerfläche 21 vorgesehen. In das Ende des Schaftes ist ein Teil 22 eingeschraubt, dessen zylindrische Aussenfläche 23 die Fortsetzung der Lagerfläche 21 bildet und in einen konischen Teil 24 übergeht. Der halbe Scheitelwinkel 26 dieses Konus beträgt vorzugsweise 45 , kann aber auch von diesem Betrag etwas abweichen.
Das Lager 15 besteht somit aus den Zylinderflächen 21 und 28 sowie aus der Konusfläche 2-1.
Aus praktischen Gründen ist es vorteilhaft, einen entfernbaren konischen Druckstift 22 vorzusehen, weil er bei eintretender Abnutzung leicht ausgetauscht werden kann. Das Lager 15 kann aber auch aus einem Stück bestehen.
Der Schaft 11 ist mit einer Bohrung 30 ausgestattet, mittels welcher Flüssigkeit in das Bohrloch eingeführt werden kann. Die Bohrung 30 steht mit einer weiteren Bohrung 31 in Verbindung, die sich durch den Druckstift 22 erstreckt und in eine Öffnung 32 endet. Von der Bohrung 31 zweigen eine oder mehrere Bohrungen 34 ab und münden in zwei in der konischen Lagerfläche 24 ausgesparten Kanäle-36, die nach oben in einen ringförmigen Kanal 38 übergehen. Letzterer ist zwischen dem unteren Ende des Schaftes 11 und dem Druckstift 22 ausgebildet. Mittels dieser Kanäle bzw. Bohrungen wird Schmiermittel den Lagerflächen zugeführt. Die einander diametral gegenüberliegenden Nuten 36 dienen auch zur Aufnahme eines Schlüssels zum Einsetzen oder Entfernen des Druckstifte.
Von der Bohrung 30 zweigt eine weitere Bohrung 40 ab, in die eine Düse 41 eingesetzt ist, mittels welcher ein Flüssigkeitsstrahl gegen die Schneiden des Bohrers gerichtet werden kann, um anhaftende Schmutzteilchen abzuspülen.
Der topfförmige Körper 20 des Bohrkopfes weist an der Aussenfläche eine Anzahl Schneiden 42 auf, deren Form je nach der Art der zu durchbohrenden geologischen Schichten verschieden sein kann.
Der Bohrkopf ist gegen Herabfallen vom Schaft 11 durch Kugeln 48 gesichert, die in einem Ringkanal liegen, welcher teils durch eine Rille 46 in der Lagerfläche 21, teils durch eine Rille 47 im Körper 20 gebildet ist. Diese Kugeln haben einen etwas geringeren Durchmesser als der Kanal, so dass sie nicht als Lager wirken und der Bohrkopf unmittelbar vom Schaft getragen wird. Da die Kugeln auch in Richtung der Achse ara Spiel in der Rille 47 haben, ist eine begrenzte axiale Verschiebbarkeit des Bohrkopfes auf seinem Lager ermöglicht, wodurch eine eintretende Abnutzung der zusammenarbeitenden konischen Lagerteile 24 berücksichtigt ist.
Es ist ersichtlich, dass dieser Lagerteil im Wesen den gesamten, in der Richtung der Achse .- ausgeübten Druck aufnimmt, da sonstige Teile zur Aufnahme dieses Druckes nicht vorhanden sind. Dies hat den Vorteil, dass die satte Auflage am konischen Lagerteil 24 auch bei vorkommender Abnutzung stets gesichert ist.
Um die Kugeln in den Kanal einführen und aus demselben entfernen zu können, ist im Schaft 11 eine Aussparung 52 vorgesehen, die bis zur Unterseite der Nut 46 herabreicht. Wenn der Bohrer zusammengesetzt ist, so wird der Kanal mittels eines Füllstückes 53 verschlossen, welches die Aussparung 52 vollständig ausfüllt und durch eine Schraube 55 festgehalten wird. Am oberen Rand des Bohrkopfes ist eine Ausnehmung 56 vorgesehen, so dass man zur Schraube 55 gelangen kann (Fig. 2,3). Wie aus Fig. 3 ersichtlich, bleibt zwischen der Ausnehmung 56 und der Rille 47 ein Steg bestehen, so dass die zylindrische Lagerfläche des Bohrkopfes an dieser Stelle nicht unterbrochen ist.
Die Aussenfläche des Füllstückes 53 ist konvex und der zylindrischen Lagerfläche 21 des Schaftes 11 angepasst, so dass auch die Lagerfläche des Schaftes oberhalb der Rille 46 nicht unterbrochen ist. Der untere, abgesetzte Teil des Füllstückes 53 ist dem Profil der Rille 46 angepasst.
Wie aus der Zeichnung zu entnehmen ist, muss nach dem Entfernen der Schraube 55 das Füllstück 53 lotrecht nach oben verschoben werden, um es aus der Ausnehmung 52 entfernen zu können. Als zusätzliche Sicherung ist in den oberen Teil der Ausnehmung 52 eine Sicherheitsschraube 57 eingesetzt, die als Widerlager dient, um eine lotrechte Bewegung des Füllstückes zu verhindern. Die Schraube 57 hat einen zylindrischen Kopf, der mit der oberen Fläche des Füllstückes 5. 3 in Berührung steht. Auf diese Weise wird ein unbeabsichtigtes Lösen des Füllstückes 53 und somit ein Herausfallen der Kugeln und Abfallen des Bohrkopfes beim Betrieb mit Sicherheit vermieden.
Beim Bohren führt der. Bohrkopf 18 eine kreiselförmige Bewegung aus, die sich aus der Bewegung der Achse j-). auf der Mantelfläche eines Kegels um die Achse B-B und aus der gleichzeitigen Um- drehung des Bohrkopfes um seine Achse A-A zusammensetzt. Das Ergebnis ist, dass die einzelnen
Schneiden des Bohrkopfes nacheinander in die Arbeitsstellung gebracht werden. Das Bohrgestänge und der Schaft drehen sich normalerweise im Uhrzeigersinn von oben gesehen, während sich der Bohrkopf gegenüber dem Bohrgrund in derselben Richtung, aber gewöhnlich nur ein Viertel so schnell dreht, so dass er sich gegenüber dem Schaft 11 entgegen dem Uhrzeiger dreht.
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Wenn der Bohrer sich dreht, so ist die vordere Seite des Lagers 15, d. li. die Seite, die in Fig. 1 ersichtlich ist, die voreilende oder führende Seite, welche gegen den Bohrkopf drückt. Auf der entgegen- gesetzten, nacheilenden Seite, d. i. jene Seite, die in Fig. 2 ersichtlich ist, besteht somit zwischen Bohr- kopf und Lager der geringste Druck. Der durch das Gewicht des Bohrgestänges auf den Bohrkopf aus- geübte, lotrechte Bohrdruck und das den Bohrkopf in Umlauf setzende Drehmoment ergeben eine Resul- tierende, die im Uhrzeigersinn (Fig. 4) vor der Unterseite 15 a (Fig. 1, 4) des Lagers, also im Viertel 60 (Fig. 4) angreift, wobei der stärkste Druck etwa an der Stelle 61 auftritt. Der stärkste Verschleiss der zusammenarbeitenden Lagerflächen tritt somit im Viertel 60 auf.
Die Anordnung des Ausnehmung 52 auf der hinteren oder nacheilenden Seite des Schaftes hat somit den Vorteil, dass hiedurch die Lagerfläche an der meist beanspruchten Zone nicht beeinträchtigt wird. Es hat sich also besonders zweckmässig erwiesen, die Ausnehmung 52 gegenüber der tiefsten Stelle 15 a des Lagers etwa um 900 entgegen- gesetzt zur Drehrichtung des Schaftes anzuordnen.
Beim dargestellten Beispiele beträgt die Hälfte 26 des Scheitelwinkels des konischen Lagerteiles 45 , während der Neigungswinkel 14 der Lagerachse A-A gegenüber der lotrechten Gestängeachse B-B 300 beträgt. Es ist also die Bedingung erfüllt, dass der Komplementärwinkel des Winkels 26 grösser ist als der Winkel 14. Es ist leicht einzusehen, dass bei Erfüllung dieser Bedingung sämtliche Kegelerzeugenden,
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so dass unter der Wirkung des loterchten Bohrdruckes eine Komponente entsteht, die den Konus des
Lagers in den Konus des Bohrkopfes ständig hineinzudrücken trachtet, somit eine Selbstzentrierung des Bohrkopfes am Schaft bewirkt.
Hiedurch wird eine gleichmässige Anlage der Lagerflächen und ein gleichmässiger Verschleiss sowohl entlang des konischen als auch entlang des zylindrischen Lagerteiles erzielt. Die spezifischen Lagerdruck sind somit relativ niedrig, und die Lebensdauer des Werkzeuges übersteigt jene der bekannten Bauarten um ein Vielfaches.
Verläuft, wie bei den bekannten Bauarten, die unterste Kegelerzeugende waagrecht oder gegen die Kegelspitze nach oben, so wird zufolge des sich hauptsächlich in der Zone 60 konzentrierenden Druckes und der hiedurch bedingten ungleichmässigen Abnutzung der Sitz des Bohrkopfes bald gelockert, so dass die Achse des Bohrkopfes leicht kippt, wobei in der Nähe der Düse 41 an der oberen Seite des Lagers ein übermässiger Druck und Verschleiss hervorgerufen wird. Diese Nachteile werden durch die Erfindung vermieden. Während der konische Lagerteil die Zentrierung bewirkt, bietet der verhältnismässig lange zylindrische Lagerteil eine genügend grosse Auflagefläche zur Aufnahme der radialen Drucke und gewähr- leistet genügend niedrige spezifische Lagerdrueke.
Der Scheitelwinkel des Kegels kann auch im Rahmen der aufgestellten Winkelbeziehung von 90 abweichen. Wenn er jedoch zu gross gewählt wird, so sinkt die vorteilhafte zentrierende Wirkung. Wird er hingegen zu klein gewählt, so besteht die Gefahr, dass der Bohrkopf sich am konischen Lagerteil festklemmt bzw. festfrisst.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Bohrwerkzeug für drehend arbeitende Tiefbohrvorrichtungen, bei welchem der drehbare Bohrkopf auf einem zur lotrechten Gestängeachse geneigten, aus einem zylindrischen und einem konischen
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