CH648633A5 - Rotationsfraeser fuer erd- oder gesteinsbohrer. - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Rotationsfräser für Erd- oder Gesteinsbohrer, mit einer Achse, die einen mittleren Teil mit gegenüberliegenden Schultern und zwei Zapfen aufweist, die einen kleineren Durchmesser als der mittlere Teil haben, mit einer auf dem mittleren Teil der Achse drehbar gelagerten Fräserhülse, und mit Abdichtungen auf beiden Seiten der Fräserhülse zwischen derselben und der Achse.

Erdbohrer mit grossem Durchmesser haben üblicherweise eine Fräsertragplatte, welche an einem Bohrstrang befestigt ist. Mehrere Rotationsfräser sind auf der Fräserplatte 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 Aufwärtsbohrverfahren üblich ist.

Erdbohrer dieser Bauart sind in den US Patentschriften 3 612 196 und 3 216 513 beschrieben. Bei den Erdbohrern entsprechend diesen Patentschriften und bei allen anderen, der Anmelderin bekannten Erdbohrern haben die Abdichtungen einen Durchmesser, der im wesentlichen dem Durchmesser der Lagerzwischen der Fräserhülse und dem Schaft entspricht oder noch etwas grösser 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 Abdichtung 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 Fällen ist die Anwendungeines schmaleren Fräsers jedoch erwünscht.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen verbesserten Rotationsfräser für einen Erd- oder Gesteinsbohrer mit grossem Durchmesser mit grossem Durchmesser zu schaffen, welcher eine vorteilhaftere Anordnung der Lager und Abdichtungen aufweisen soll, um die Relativgeschwindigkeit zwischen den Abdichtungsteilen ohne Herabsetzung der Lagergrösse zu verringern.

Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst,

dass die Schultern des mittleren Teiles mit ringförmigen Aussparungen versehen und die Abdichtungen mindestens zum Teil in diesen Aussparungen angeordnet sind.

Auf diese Weise kann die Abdichtung einen kleineren Durchmesser als der Lagerdurchmesser erhalten. Die Fräserbreite kann auch ohne Verringerung der Lagerbreite möglichst klein gehalten werden.

Ausführungsarten des Rotationsfräsers sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.

Ein Ausführungsbeispiel des Rotationsfräsers ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden ausführlicher beschrieben, es zeigen:

Figur 1 eine Draufsicht eines Erd- oder Gesteinsbohrers mit Rotationsfräsereinheiten.

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 hervorzuheben.

Die Figuren 3 und 4 Scheiben-Rotationsfräser, welche,

falls erwünscht, anstelle der Fräsereinheiten nach Figur 1 benutzt werden können.

Figur 5 eine Ansicht im Vertikalschnitt einer Rotationsfräsereinheit wobei die benachbarte innenliegende Fräsereinheit teilweise mittels gestrichelten Linie und in die Zeichenebene der Figur 5 gedreht dargestellt ist.

Figur 6 ist eine der Figur 2 entsprechende Ansicht im Vertikalschnitt eines Erd- oder Gesteinsbohrers mit Scheibenfrä5

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sern entsprechend den Figuren 3 und 4, anstelle der Zahnfräser nach den Figuren 2 oder 5.

Die Figur 2 zeigt einen Gesteinsbohrer 11 bei der Bohrung eines Schachtes 13 in Aufwärtsbohrweise, d.h. das Bohrwerkzeug wird nach oben durch eine vorher gebohrte Führungsbohrung 15 gezogen. Der Gesteinsbohrer 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 23 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 ihre Achse drehbar und jede Achse liegt im wesentlichen in einer radialen Vertikalebene, in welcher auch die Drehachse der Fräsertragplatte 17 liegt, wie aus Figur l ersichtlich ist. Bei Rotation der Fräsertragplatte 17 durch den Bohrstrang drehen die Fräsereinheiten 21 in ringförmigen Bahnen zum Abfräsen der Erdformationsfläche 27. Der Ausdruck «Bohrlochgrund» sowie auch der Ausdruck «Erdformationsfläche» werden benutzt zur Bezeichnung der von dem Bohrwerkzeug abzufräsenden 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 31 a bis 31 g, und drei äussere oder Kaliberfräser 33 vorgesehen. Der innere Fräser 29 und die Kaliberfräser 33 haben etwa die halbe Breite der 7wischenfräser31. 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. Der innere Fräser 29 ist in der Nähe des Schaftes 19 angeordnet zum Abfräsen des Randes der Führungsbohrung 15 ( Figur 2). Der innerste Zwischenfräser 31 a liegt mit seinem inneren Rand im gleichen Abstand von dem Schaft 19 als der innere Rand des inneren Fräsers 29. Eine Hälfte des Zwischenfräsers 31 a 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 31 a vollständig überlappt von der inneren Hälfte des Zwischenfräsers 31b. Der äussere Rand des Zwischenfräsers 31 b 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 31 c überlappt sich vollständig mit dem inneren Teil oder der inneren Hälfte des Zwischenfräsers 31 d. Der äussere Teil des Zwischenfräsers 31 d überlappt sich vollständig mit dem inneren Teil des Zwischenfräsers 3 le. Der äussere Teil des Zwischenfräsers 31 e überlappt sich vollständig mit dem inneren Teil des Zwischenfräsers 31 f. Der äussere Teil des Zwischenfräsers 31 f überlappt sich vollständig mit dem inneren Teil des Zwischenfräsers 31g. Der äussere Teil des Zwischenfräsers 31 g 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 a mit der Drehachse der Fräserschale 59 und der innere Teil bildet einen grösseren s Winkel ß mit der Drehachse der Fräserschale 59. Vorzugsweise beträgt der Winkel a 7l/i Grad und der Winkel ß 12'/2 Grad. Jeder Teil dient zum Fräsen einer ebenen Fläche. Wie aus Figur 2 ersichtlich ist, sind die Arme 25 sämtlicher Fräserträger 23 angeordnet, um den Bohrlochgrund von der Füh-lo rungsbohrung 15 bis zur Wand des Schachtes 13 abzufräsen. Jede 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 15 Zwischenfräser durch den zugeordneten Fräserträger derart angeordnet, dass der Neigungswinkel seines äusseren Teiles etwa der gleiche ist als der Neigungswinkel des benachbarten äusseren Fräsers, in bezug auf die Fräsertragplatte 17.

Die Figur 5 zeigt, dass jede Fräsereinheit 21 mehrere 20 Reihen von Wolframkarbideinsätzen 39 aufweist, die in zugeordnete Löcher in der äusseren Fläche des Fräsers einge-presst 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 Anord-25 nung 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 30 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 Erdformationsfläche 35 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 23 angeordnet werden 40 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 23 anzuordnen ist. Beide Scheibenfräser 93 und 95 haben glatte Umfangsflächen, mit Ausnahme eines 45 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 6 dargestellt, mit innenliegendem Kamm 97 eingebaut werden zum Abfräsen des Bohrlochgrundes in der Nähe der Führungsbohrung und er kann so mit aussenliegenden Kamm 97 eingebaut werden zum Abfräsen des Bohrlochgrundes in der Nähe der äusseren Wand des Schachtes 13.

Falls die Zwischenfräser 31 zwei 76-Millimeter breite Bahnen abfräsen, so sind die Bahnen der Kämme 97 nur um 55 76 Millimeter voneinander entfernt, infolge der in Figur 6 mit Bezugnahme auf Figur 1 dargestellten Überlappung. Zum Beispiel liegt der Kamm 97 des Fräsers 3 lc nur um die halbe Fräserbreite ausserhalb des Kammes 97 des Fräsers 31b.

Ohne die in Figur 1 dargestellte Überlappung wären zwei 60 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.

65 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 mitt

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leren Teiles 43. Zwischen dem mittleren Teil 43 und den Zapfen 45 sind Schultern 47 vorgesehen. Jede Schulter 47 hat " eine Aussparung 49. Die Aussparung 49 hat einen inneren Durchmesser, welcher etwas grösser ist als der Durchmesser des Zapfens 45, und einen äusseren Durchmesser, der etwa drei Viertel des kleinsten Durchmessers des mittleren Teiles 43 beträgt. Die Zapfen 45 sind mit Bohrungen 51 versehen zur Befestigung an den Armen 25 der Fräserträger 23.

Zwei innere Lagerringe 53 sitzen auf dem mittleren Teil 43 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 57 sitzen in einer Fräserschale 59. Ein Gewindering 58 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 53 dienen als Wälzlagerung zur drehbaren 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 Stift 69 und einen Festhaltering 71 gesichert. Jede ringförmige Scheibe 61 hat desweiteren eine Gewindebohrung 73 zum Anschluss eines Werkzeuges während dem Zusammenbau.

Eine Abdichtung 80 befindet sich zwischen jedem Zapfen

45 und jeder Abdichtungsfläche 65, damit keine Verunreinigungen in die Wälzlagerung eintreten können. Die Abdichtung 80 kann z.B. der Bauart entsprechend der US Patentschrift 3 612 196 entsprechen. Sie umfasst ein Gehäuse 75, das s 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 io befindet sich im Innern 81 des U-förmigen 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 15 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 20 Zapfen 45 durch einen Keil 93 festgehalten zur Halterung in den Armen 25 des Trägers 23. Der Durchmesser der Abdichtung ist wesentlich kleiner als der Durchmesser des mittleren Teiles 43 der Achse und auch wesentlich kleiner als der innere Durchmesser der beiden inneren Lagerringe 53. Entspre-25 chend 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 80 30 mit kleinem Durchmesser vorgesehen zur Verringerung der Relativgeschwindigkeit und zur Herabsetzung der Reibungswärme. Ausserdem nimmt die Aussparung 49 mehr als die halbe Breite der Abdichtung 80 auf, d.h. man erhält eine verkleinerte Fräserbreite. Bei dem bevorzugten Ausführungsbei-35 spiel ist die Abdichtung etwa 4,13 cm breit und etwa 2,85 cm der Abdichtung 80 befinden sich innerhalb der Aussparung 49. Der Abstand zwischen der Abdichtung 80 auf einer Seite zu der Abdichtung 80 auf der anderen Seite des Fräsers ist also geringer als die Breite der beiden inneren Lagerringe 53.

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2 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

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1. Rotationsfräser für Erd- oder Gesteinsbohrer, mit einer Achse (41), die einen mittleren Teil (43) mit gegenüberliegenden Schultern (47) und zwei Zapfen (45) aufweist, die einen kleineren Durchmesser als der mittlere Teil (43) haben, mit einer auf dem mittleren Teil (43) der Achse (41) drehbar gelagerten Fräserhülse (59), und mit Abdichtungen auf beiden Seiten der Fräserhülse (59) zwischen derselben und der Achse (41), dadurch gekennzeichnet, dass die Schultern (47) des mittleren Teiles (43) mit ringförmigen Aussparungen (49) versehen und die Abdichtungen (80), mindestens zum Teil in diesen Aussparungen angeordnet sind.

2. Fräser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass je eine ringförmige Scheibe (61) von jedem Ende der Fräserhülse (59) nach innen ragt, wobei jede ringförmige Scheibe (61) eine mittlere axiale Bohrung (63) aufweist, deren Durchmesserkleinerist als der Durchmesser des mittleren Teiles (43) der Achse (41), und dass die zugeordnete Abdichtung (80) in dieser axialen Bohrung (63) der Scheibe (61) vorgesehen ist.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Fräser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede Abdichtung (80) ein Gehäuse (75) aufweist, welches an einem Zapfen (45) der Achse (41) befestigt ist, dass ein feststehender Ring (83) innerhalb dieses Gehäuses (75) angeordnet ist und eine erste metallische Fläche aufweist, dass ein elastischer Dichtungsring (85) zwischen dem feststehenden Ring (83) und dem Gehäuse (75) vorgesehen ist, dass ein drehbarer Ring (87) innerhalb der axialen Bohrung (63) vorgesehen ist und eine zweite metallische Fläche aufweist, welche in gleitender Berührung mit der Fläche des feststehenden Ringes ist, dass ein elastischer Dichtungsring (89) zwischen der axialen Bohrung (63) und dem drehbaren Ring (87) vorgesehen ist, und dass der äussere Durchmesser der metallischen Flächen kleiner ist als der Durchmesser des mittleren Achsteiles (43).

4. Fräser nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass jede ringförmige Scheibe (61) im Bereich ihrer axialen Bohrung (63) in die Aussparung (49) der zugeordneten Schulter (47) des mittleren Achsteiles (43) hineinragt.

5. Fräser nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Bohrung (63) einer jeden ringförmigen Scheibe (61) eine Dichtungsfläche (65) aufweist,

welche in der Aussparung (49) der zugeordneten Schulter (47) liegt.

6. Fräser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der drehbare Ring (87) einer jeden Abdichtung (80) innerhalb der zugeordneten Aussparung (49) liegt.

7. Fräser nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die äusseren Flächen der ringförmigen Scheiben (61) im wesentlichen mit den Stirnflächen der Fräserhülse (59) fluchten.

8. Fräser nach Anspruch 3, wobei zwei Lager zwischen dem mittleren Teil (43) der Achse (41), und der Fräserhülse (59) vorgesehen sind, welche zwei innere und zwei äussere Lagerringe (53,57) aufweisen, dadurch gekennzeichnet dass der Abstand von dem drehbaren Ring (87) auf einer Fräserseite zu dem drehbaren Ring (87) auf der anderen Fräserseite geringer ist als die Gesamtbreite der beiden inneren Lagerringe (53) in eingebauter Stellung.