Vorrichtung zum Bohren von Löchern mit grossem Durchmesser in hartem Erdgrund, besonders Gestein, unter gleichzeitiger Wirkung mehrerer Einzelbohrer Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bohren von Löchern mit grossem Durchmesser in hartem Erdgrund, besonders Gestein, unter gleich zeitiger Wirkung mehrerer Einzelbohrer.
Die Vor richtung nach der Erfindung kennzeichnet sich durch einen Bohrkopf mit darin derart angeordneten Meis- selbohrern, dass ihre Schneiden in einer kegeligen Fläche zur Einwirkung gelangen, einen Halter, in dem der Bohrkopf drehbar gelagert ist und der einen oder mehrere elektrische Antriebsmotoren für die Meisselbohrer trägt, sowie einen Führungsteil, der den Halter umschliesst und in dem der Halter längs verschiebbar gelagert ist.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung veranschaulicht.
Fig. 1 ist eine Seitenansicht und Fig. 2 ein Längsschnitt des Bohrgeräts in seiner Arbeitslage in einem Bohrloch.
Fig. 3 und 4 sind Querschnitte nach den Linien III-111 bzw. IV-IV in Fig. 2.
Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Einzel bohrers im Längsschnitt.
Das dargestellte Bohrgerät besteht aus drei Hauptteilen, nämlich einem Bohrkopf 1, in dem mehrere gleichzeitig arbeitende Einzelbohrer gelagert sind, einem Halter 2, in dem der Bohrkopf 1 dreh bar gelagert ist, sowie einem Führungsteil 3, in dem der Halter 2 längsverschiebbar geführt ist und der an die Wand des Bohrlochs A anspannbar ist.
Gemäss der Zeichnung arbeitet das Bohrgerät in einem lotrechten Bohrloch A und die nachstehenden Richtungsangaben beziehen sich auf diese Lage, doch sei bemerkt, dass das Bohrloch auch eine andere Lage haben kann, beispielsweise eine waagrechte. In der Arbeitslage ist der Führungsteil 3 mit Hilfe von Klemmbacken 6 im Bohrloch festgespannt. Die Klemmbacken 6 sind mit Hilfe von hydraulischen Zylindern 5 durch Öffnungen im Mantel des Füh rungsteils verschiebbar. Die Zylinder 5 sind an eine selbsttätig wirkende oder von oben her steuerbare Druckflüssigkeitspumpe 4 oder an eine Druckleitung angeschlossen.
Der Bohrkopf 1 ist mit Hilfe einer Hohlwelle 51 im Halter 2 drehbar gelagert. Die Hohlwelle wird durch ein Zahnrad- oder Kettengetriebe 52 angetrie ben, dessen Antriebswelle mit einem im Halter an geordneten, mit einem Schneckengetriebe versehenen Motor 24 gekuppelt ist. Im Halter 2 ist ferner ein elektrischer Antriebsmotor 7 für die im Bohrkopf angeordneten Einzelbohrer vorgesehen. Diese werden im Ausführungsbeispiel durch eine Nockenscheibe 9 betätigt, die die Form eines Exzenters hat und im Bohrkopf angebracht ist sowie durch die Motorwelle 8 angetrieben wird.
Die Bewegung der Nocken scheibe wird mit Hilfe von sechs Gestängen 10 auf die verschiedenen Einzelbohrer übertragen, wobei ein Gestänge mehrere Einzelbohrer in Bewegung ver setzen kann.
Der Bohrkopf hat unten die Form eines mit seiner Spitze nach unten gerichteten Kegels. Die Schäfte und Meissel der im Bohrkopf schräg zur Eintreib- richtung gelagerten Einzelbohrer liegen ausserhalb des Kegelmantels. Vorzugsweise liegen die Längs achsen einiger oder aller Einzelbohrer in Ebenen, die parallel zur Längsachse des Bohrkopfes, aber seitlich dieser Längsachse liegen. Gegebenenfalls können die Längsachsen einiger der Einzelbohrer parallel zur Längsachse des Bohrkopfes sein. Die Schneiden der Einzelbohrer bilden zusammen im grossen ganzen eine Bohrspitze.
Die als Meisselbohrer ausgebildeten Einzelbohrer bearbeiten jeweils einen geringen Teil des Gesteins, das zwecks Bildung des Bohrlochs zu beseitigen ist. Sie sind im Ausführungsbeispiel stufen weise übereinander in verschiedenen Absätzen an geordnet und sind der Deutlichkeit halber nicht alle in der Zeichnung dargestellt. Es sind jedoch die ver schiedenen Absätze b-h angedeutet, in denen je ein oder mehrere Einzelbohrer gleichzeitig arbeiten. Die Anzahl dieser Einzelbohrer in den verschiedenen Absätzen wird zweckmässig so gewählt, dass jeder Einzelbohrer etwa die gleiche Materialmenge ent fernt.
In den obersten Absätzen können beispiels weise je sechs Einzelbohrer arbeiten, in den zwei fol genden Absätzen je vier usw. In der Zeichnung ist nur ein Einzelbohrer 18 im obersten Absatz und ein Einzelbohrer 18' eines der unteren Absätze darge stellt. Ausserdem ist ein Einzelbohrer 17 gezeigt, der an der Spitze des Bohrkopfs arbeitet. In Fig. 2 ist leicht zu sehen, dass die Schneiden in kegeligen Flä chen zur Einwirkung gelangen.
Der Einzelbohrer 17 hat die Aufgabe, den er sten, mittleren Teil 16 des Bohrlochs herzustellen, der als Führung für den Bohrkopf dienen kann. Der Einzelbohrer 17 ist schräg zur Längsrichtung des Bohrkopfs gerichtet und hat eine solche Lage, dass das eine Ende seiner Schneide auf der Längsachse des Bohrkopfs liegt, so dass der Durchmesser des Führungslochs 16 etwa doppelt so gross ist als die Länge der Meisselschneide. Der Bohrkopf 1 hat an seinem unteren Ende einen Führungskragen 23 oder dergleichen, der in das Führungsloch 16 eintritt.
Es sei bemerkt, dass auf den Bohrer 17 verzichtet wer den kann, falls vorher ein enges Führungsloch vor gebohrt wird (Fig. 1), das ungefähr denselben Durchmesser hat wie der Führungskragen 23.
Die meisselförmigen Schneiden der Einzelbohrer sind zweckmässig im wesentlichen radial zur Mitte des Bohrkopfs hin gerichtet. In Absätzen mit zwei oder mehr Einzelbohrern ist es jedoch vorteilhaft, die Schneiden abwechselnd nach der einen und an deren Seite des entsprechenden Halbmessers des Ab satzes zu richten, so dass die durch die Schneiden gehenden Geraden einander kreuzen. Dadurch wird das gelöste Material in grösseren Stücken erhalten als bei rein radial gerichteten Schneiden.
Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Einzel bohrers, der durch das Gestänge 10 betätigt wird, das mit einem Stössel 11 verbunden ist. Der Schaft 55 des Meissels 54 ist in einer Stange 12 befestigt, die mit einem Federgehäuse 12a verbunden ist und zusammen mit diesem in der Längsrichtung ver schiebbar in einem Aussengehäuse 14 geführt wird. Der Stössel 11 hat einen scheibenförmigen Anschlag 11a, an dessen beiden Seiten je eine Feder 13 an liegt. Die entgegengesetzten Enden der Federn 13 stützen sich am Federgehäuse 12a ab.
Die hin- und hergehende Bewegung des Stössels 11 wird auf das Federgehäuse und den Meissel übertragen. An den Enden des Gehäuses 14 sind zwei einander entgegen wirkende Federn 15 angeordnet, die das Federge häuse 12a schwebend im Aussengehäuse halten. Die Federn 15 sind so bemessen, dass die Eigen frequenz des beweglichen Bohrsystems 12, 13 unge fähr gleich gross oder etwas niedriger ist als die dem Stössel 11 aufgezwungene Frequenz.
Die Aussengehäuse 14 der Einzelbohrer sind vorzugsweise fest im Bohrkopf 1 gelagert mit Aus nahme der Aussengehäuse des obersten Absatzes, die zwecks Erleichterung des Emporziehens des Bohrgeräts aus dem Bohrloch nach innen verschieb bar geführt sind. Im Ausführungsbeispiel bestehen diese Aussengehäuse aus Führungshülsen 19, die un ter der Einwirkung von Federn 20 stehen, welche die Einzelbohrer in den Bohrkopf hineinzuschieben stre ben.
Entgegen der Wirkung dieser Rückführfedern 20 werden die Einzelbohrer in die Arbeitslage mit Hilfe von hydraulischen Zylindern 22 geschoben, die von einer Druckpumpe 21 oder einer Druckleitung gespeist werden. Die Zuführung des Druckmittels kann so gesteuert sein, dass die Einzelbohrer zu Be ginn des Bohrens selbsttätig in die Arbeitslage ge bracht werden.
Im Ausführungsbeispiel, bei dem ein lotrechtes Loch gebohrt wird, ist der Halter 2 mit einem Draht seil 26 verbunden, mit dem das Bohrgerät gehoben oder gesenkt werden kann. Oben im Halter 2 sind hydraulische Zylinder 25 befestigt, in denen Kolben laufen, deren Stangen mit dem Führungsteil 3 ver bunden sind. Das Bohren erfolgt stufenweise, wobei zunächst der Halter 2 und der Bohrkopf 1 mit Hilfe des Seils 26 in einer Lage gehalten werden, in der die Einzelbohrer sich etwas oberhalb der Sohle des Bohrlochs befinden. Wie mit vollen Linien in Fig. 2 gezeigt, stützt sich der Führungsteil 3 auf dem Halter 2 ab.
Beim Bohren wird zunächst der Führungsteil mit Hilfe der Backen 6 im Bohrloch eingespannt, worauf der Motor 7 inganggesetzt und das Seil 26 losgelas sen wird, so dass das Gerät zum Teil auf den Meis- selbohrern steht. In dem Masse wie die Einzelbohrer sich bei umlaufendem Bohrkopf nach unten arbeiten, entweicht die Flüssigkeit aus den Zylindern 25, da der Halter 2 auf den Flüssigkeitspolstern oberhalb der Kolben ruht. Die Flüssigkeit wird durch eine mit einem Drosselventil 28 versehene Leitung nach oben in einen Behälter 27 gedrückt.
Durch Verstellen des Drosselventils lässt sich der Druck auf die Einzel bohrer und damit die Bohrgeschwindigkeit regeln. Beim Bohren kann sich der Halter 2 nicht gegenüber dem Führungsteil 3 drehen, da er daran durch unge fähr gerade Leisten 29 am Führungsteil gehindert wird. Am Ende der Abwärtsbewegung nimmt der Führungsteil 3 die mit gestrichelten Linien in Fig. 2 gezeigte Lage gegenüber dem Halter 2 ein.
Der An trieb wird nun abgeschaltet und dabei werden die Klemmbacken 6 gelöst, so dass der Führungsteil 3 infolge seiner eigenen Schwere über den am Seil hängenden Halter 2 nach unten geht, bis die Teile wieder die in Fig. 2 mit vollen Linien gezeigte Lage einnehmen. Dabei werden die Zylinder 25 aus dem Behälter 27 über eine mit einem Rückschlagventil 30 versehene Rücklaufleitung mit Flüssigkeit gefüllt, worauf das Gerät für die nächste Bohretappe bereit ist.
Beim Bohren wird vorzugsweise Wasser zuge führt, und zwar durch einen Schlauch 31 und einen im Führungsteil 3 angeordneten Düsenring 32. Das herabrinnende Wasser nimmt die gelösten Teile mit sich, die im Wasser aufgeschlämmt werden und sich an der Bohrlochsohle ansammeln. Eine Schlamm pumpe 33 saugt das Schlammwasser durch Schläuche 34, 35 und ein Rohr 36 an, das sich durch die Mo torwelle 8 und den Motor 7 erstreckt, und drückt es durch einen Schlauch 37 nach oben aus dem Bohr loch.
Mit 38 und 39 sind am Halter 2 beziehungsweise Führungsteil 3 federnd angebrachte Rollen bezeich net, die das Gerät beim Hinabführen oder Heraus ziehen aus dem Bohrloch führen. Falls das Gerät zum Bohren waagerechter oder schwach geneigter Löcher verwendet wird, können diese Rollen Treib- rollen sein. Beim Bohren von Löchern, die von der vertikalen Richtung stark abweichen, können die Zy linder 25 doppelwirkend sein und mit Druckflüssig keit gespeist werden. In diesem Fall sind einige Än- derungen bezüglich der Wasserspülung erforderlich.
Um Abweichungen des Bohrgeräts von der beab sichtigten Eintreibrichtung zu korrigieren, kann bei- spelsweise die Druckmittelzufuhr zu den auf die Backen 6 wirkenden Druckzylindern 5 von der Bo denoberfläche her regelbar sein. Gegebenenfalls kön nen diese drei Backen je paarweise in Höhenrich tung vorgesehen sein. Ein Signal über die Abwei chung kann durch einen Winkelregler gegeben wer den, der die Abweichung von der vorgeschriebenen Eintreibrichtung anzeigt.
Beispielsweise kann im Hal ter 2 ein Lot oder ein Pendel in Form einer elek trisch leitenden Stange angeordnet sein, das an sei nem Aufhängungspunkt an eine elektrische Strom quelle angeschlossen ist. Bei vertikaler Lage des Ge räts hängt das Pendel frei herab, während es bei Abweichung von der vertikalen Lage des Geräts an einen von mehreren Kontakten anschlägt, die den unteren Teil des Pendels umgeben. Dabei wird ein Stromkreis geschlossen, der ein auf der Bodenober fläche ablesbares Signal über dieArt derAbweichung abgibt.
Durch Änderung der Druckmittelzufuhr zu den Zylindern 5 lässt sich dann das Gerät wieder in die gewünschte Lage bringen.
Mit der beschriebenen Vorrichtung können Lö cher zwischen 40 cm und 200 cm gebohrt werden.
Device for drilling large-diameter holes in hard ground, especially rock, with the simultaneous action of several individual drills. The invention relates to a device for drilling large-diameter holes in hard ground, especially rock, with the simultaneous action of multiple individual drills.
The device according to the invention is characterized by a drill head with chisel drills arranged therein in such a way that their cutting edges come into action in a conical surface, a holder in which the drill head is rotatably mounted and the one or more electric drive motors for the chisel drills carries, as well as a guide part which surrounds the holder and in which the holder is mounted to be longitudinally displaceable.
An embodiment of the invention is illustrated in the drawing.
Fig. 1 is a side view and Fig. 2 is a longitudinal section of the drill in its working position in a borehole.
FIGS. 3 and 4 are cross-sections along the lines III-111 and IV-IV in FIG. 2, respectively.
Fig. 5 shows an embodiment of a single drill in longitudinal section.
The drilling device shown consists of three main parts, namely a drill head 1 in which several simultaneously working single drills are mounted, a holder 2 in which the drill head 1 is rotatably mounted, and a guide part 3 in which the holder 2 is longitudinally displaceable and guided which can be clamped to the wall of the borehole A.
According to the drawing, the drilling device works in a vertical borehole A and the following directions refer to this position, but it should be noted that the borehole can also have another position, for example a horizontal one. In the working position, the guide part 3 is clamped in the borehole with the aid of clamping jaws 6. The jaws 6 are with the help of hydraulic cylinders 5 through openings in the jacket of the Füh tion part. The cylinders 5 are connected to an automatically acting or from above controllable hydraulic fluid pump 4 or to a pressure line.
The drill head 1 is rotatably mounted in the holder 2 with the aid of a hollow shaft 51. The hollow shaft is driven by a gear or chain transmission 52, the drive shaft of which is coupled to a motor 24 provided with a worm gear in the holder. In the holder 2, an electric drive motor 7 is also provided for the individual drills arranged in the drill head. In the exemplary embodiment, these are actuated by a cam disk 9, which has the shape of an eccentric and is mounted in the drill head and driven by the motor shaft 8.
The movement of the cam disc is transmitted to the various individual drills with the aid of six rods 10, with one rod being able to set several individual drills in motion.
The bottom of the drill head has the shape of a cone with its tip pointing downwards. The shanks and chisels of the individual drills, which are mounted in the drill head at an angle to the driving direction, lie outside the conical jacket. The longitudinal axes of some or all of the individual drills are preferably located in planes which are parallel to the longitudinal axis of the drill head, but to the side of this longitudinal axis. If necessary, the longitudinal axes of some of the individual drills can be parallel to the longitudinal axis of the drill head. The cutting edges of the individual drills together form a drill bit on the whole.
The individual drills designed as chisel drills each process a small part of the rock that has to be removed for the purpose of forming the borehole. In the exemplary embodiment, they are arranged one above the other in various paragraphs and are not all shown in the drawing for the sake of clarity. However, the various paragraphs b-h are indicated, in which one or more individual drills work simultaneously. The number of these individual drills in the various paragraphs is expediently chosen so that each individual drill removes approximately the same amount of material.
In the uppermost paragraphs, for example, six individual drills can work, in the two fol lowing paragraphs four etc. In the drawing, only a single drill 18 in the top paragraph and a single drill 18 'is one of the lower paragraphs Darge provides. In addition, a single drill 17 is shown working at the tip of the drill head. In Fig. 2 it is easy to see that the cutting surfaces come into action in conical surfaces.
The single drill 17 has the task of producing the most central part 16 of the borehole, which can serve as a guide for the drill head. The single drill 17 is directed obliquely to the longitudinal direction of the drill head and has a position such that one end of its cutting edge lies on the longitudinal axis of the drill head, so that the diameter of the guide hole 16 is about twice as large as the length of the chisel cutting edge. At its lower end, the drill head 1 has a guide collar 23 or the like which enters the guide hole 16.
It should be noted that the drill 17 can be dispensed with if a narrow guide hole is previously drilled (FIG. 1) which has approximately the same diameter as the guide collar 23.
The chisel-shaped cutting edges of the individual drills are usefully directed essentially radially towards the center of the drill head. In paragraphs with two or more individual drills, however, it is advantageous to align the cutting edges alternately on one side and on the side of the corresponding radius of the paragraph so that the straight lines passing through the cutting edges cross one another. As a result, the loosened material is retained in larger pieces than with purely radial cutting edges.
FIG. 5 shows an exemplary embodiment of a single drill which is actuated by the rod 10 which is connected to a ram 11. The shaft 55 of the chisel 54 is fastened in a rod 12 which is connected to a spring housing 12a and is guided together with this in the longitudinal direction in an outer housing 14 so as to be slidable. The plunger 11 has a disk-shaped stop 11a, on both sides of which a spring 13 rests. The opposite ends of the springs 13 are supported on the spring housing 12a.
The back and forth movement of the plunger 11 is transmitted to the spring housing and the chisel. At the ends of the housing 14 two opposing springs 15 are arranged, which hold the Federge housing 12a floating in the outer housing. The springs 15 are dimensioned so that the natural frequency of the movable drilling system 12, 13 is approximately the same or slightly lower than the frequency imposed on the ram 11.
The outer housing 14 of the individual drills are preferably fixedly mounted in the drill head 1 with the exception of the outer housing of the uppermost paragraph, which are guided inwardly displaceable bar to facilitate the pulling of the drill out of the borehole. In the exemplary embodiment, these outer housings consist of guide sleeves 19 which are under the action of springs 20, which strive to push the individual drills into the drill head.
Against the action of these return springs 20, the individual drills are pushed into the working position with the aid of hydraulic cylinders 22 which are fed by a pressure pump 21 or a pressure line. The supply of the pressure medium can be controlled in such a way that the individual drills are automatically brought into the working position at the start of drilling.
In the embodiment in which a vertical hole is drilled, the holder 2 is connected to a wire rope 26 with which the drill can be raised or lowered. At the top of the holder 2 hydraulic cylinders 25 are attached, in which pistons run, the rods of which are ver with the guide part 3 connected. The drilling takes place in stages, with the holder 2 and the drill head 1 initially being held with the aid of the rope 26 in a position in which the individual drills are located slightly above the bottom of the borehole. As shown in full lines in FIG. 2, the guide part 3 is supported on the holder 2.
During drilling, the guide part is first clamped in the borehole with the aid of the jaws 6, whereupon the motor 7 is started and the rope 26 is released so that the device is partly on the chisel drills. As the individual drills work their way down with the drill head rotating, the liquid escapes from the cylinders 25, since the holder 2 rests on the liquid cushions above the piston. The liquid is forced upward into a container 27 through a line provided with a throttle valve 28.
By adjusting the throttle valve, the pressure on the individual drills and thus the drilling speed can be regulated. When drilling, the holder 2 can not rotate with respect to the guide part 3, since he is prevented from doing so by approximately straight bars 29 on the guide part. At the end of the downward movement, the guide part 3 assumes the position with respect to the holder 2, shown with dashed lines in FIG.
The drive is now switched off and the jaws 6 are released so that the guide part 3 due to its own gravity goes down over the holder 2 hanging on the rope until the parts again assume the position shown in Fig. 2 with full lines. The cylinders 25 are filled with liquid from the container 27 via a return line provided with a check valve 30, whereupon the device is ready for the next drilling stage.
When drilling, water is preferably supplied, namely through a hose 31 and a nozzle ring 32 arranged in the guide part 3. The water flowing down takes the dissolved parts with it, which are suspended in the water and collect at the bottom of the borehole. A mud pump 33 sucks the mud water through hoses 34, 35 and a pipe 36 which extends through the Mo gate shaft 8 and the motor 7, and pushes it through a hose 37 upwards out of the borehole.
With 38 and 39 on the holder 2 or guide part 3 resiliently attached rollers are designated net, which lead the device when pulling down or out of the borehole. If the device is used to drill horizontal or slightly inclined holes, these rollers can be drive rollers. When drilling holes that differ greatly from the vertical direction, the cylinder 25 can be double-acting and fed with pressure fluid speed. In this case, some changes to the water flush are required.
In order to correct deviations of the drilling device from the intended driving direction, the pressure medium supply to the pressure cylinders 5 acting on the jaws 6 can be regulated from the floor surface, for example. If necessary, these three jaws can each be provided in pairs in the height direction. A signal about the deviation can be given by an angle controller that indicates the deviation from the prescribed driving direction.
For example, a plumb bob or a pendulum in the form of an electrically conductive rod can be arranged in the Hal ter 2, which is connected to an electrical power source at its suspension point. If the device is in a vertical position, the pendulum hangs freely, while if it deviates from the vertical position of the device it strikes one of several contacts that surround the lower part of the pendulum. This closes an electrical circuit that emits a signal that can be read on the floor surface about the type of deviation.
By changing the pressure medium supply to the cylinders 5, the device can then be brought back into the desired position.
With the device described, holes between 40 cm and 200 cm can be drilled.