Die Erfindung betrifft eine Einrichtung gemäss dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs.
Tiefere Bohrlöcher müssen mit Bohrrohren ausgekleidet werden, um ein Nachrutschen von Erd-reich zu verhindern. Mit fortschreitender Tiefe der Bohrung muss die Verrohrung auch entsprechend in die Tiefe fortgeführt werden. Hierzu werden an einzelne Bohrrohre sukzessive weitere Bohrrohre angesetzt, und der so erhaltene Bohrrohrstrang wird insgesamt tiefer in das Erdreich hineingedrückt. Um diese Bewegung zu erleichtern, wird der gesamte Bohrrohrstrang in Drehung versetzt.
Die einzelnen Bohrrohre haben eine Höhe von typischerweise etwa 6 m. Wird ein neues Bohrrohr auf das Ende des Bohrrohrstranges aufgesetzt, so musste bisher ein Arbeiter das obere Ende des neu angesetzten Bohrrohres mechanisch mit dem Antriebsteil verbinden, welches auf den Bohrrohrstrang arbeitet. Diese Verbindung erfolgte bisher unter Verwendung von Gewindebolzen genauso wie die Verbindung der Bohrrohre im Strang untereinander.
Da die Verbindungsstelle zwischen Antriebsteil und neu angesetztem Bohrrohr etwa 6 m über dem Erdboden liegt, muss jeweils ein Arbeiter an einer Leiter nach oben zur Verbindungsstelle steigen und die Schraubbolzen eindrehen. Da die Bohrrohre typischerweise einen Durchmesser von 600 bis 1200 mm haben, muss die Leiter zum Eindrehen der verschiedenen Schraubbolzen mehrmals angestellt werden. Das Herstellen der mechanischen Verbindung zwischen neu angesetztem Bohrrohr und Antriebsteil ist somit zeitraubend und gefährlich. Wird eine Bohrung beendet, so wird der Bohrrohrstrang unter Drehen und Ziehen des Antriebsteiles wieder aus dem Bohrloch herausgezogen, und sowie ein Bohr rohr völlig über dem Erdreich liegt, wird es vom darunter liegenden Strangteil wieder abgetrennt.
Hernach muss dann die Verbindung zwischen dem Bohrrohrende und dem Antriebsteil wieder in grosser Höhe gelöst werden, analog wie oben für das Herstellen der Verbindung zwischen Bohrrohrende und Antriebsteil beschrieben. Auch diese Arbeit ist somit zeitraubend und gefährlich.
Durch die vorliegende Erfindung soll daher eine Einrichtung zum Indrehungversetzen und axialen Bewegen von Bohrrohrsträngen geschaffen werden, bei welcher die Herstellung und Aufhebung der mechanischen Verbindung zwischen oberem Bohrrohrende und Antriebsteil automatisch erfolgen kann.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäss gelöst durch eine Einrichtung gemäss Anspruch 1.
Bei der erfindungsgemässen Antriebseinrichtung ist eine ferngesteuert betätigbare spezielle Riegelkupplung zwischen dem Antriebsteil und dem oberen Bohrrohrende vorgesehen. Diese Riegelkupplung umfasst Kupplungsstifte, die durch eine Servoantriebseinrichtung gemeinsam in fluchtende Löcher am unteren Ende des Antriebsteiles bzw. am oberen Bohrrohrende im wesentlichen spielfrei eingeführt werden können. Da diese Stifte somit die im Betrieb auftretenden Kräfte in Umfangsrichtung und axialer Richtung vollständig aufnehmen, wird auf die Servoantriebseinrichtung im Betrieb keine grosse Kraft ausgeübt.
Durch die Erfindung lässt sich die Zeit, die zum Aufbauen oder Auseinanderbrechen eines Bohrrohrstranges erforderlich ist, erheblich verkürzen. Insbesondere auch dann, wenn ein Bohrloch schräg geneigt abgeteuft wird und die Bohrlochverrohrung entsprechend schräg geneigt eingebracht werden muss, entfällt das Problem des schwierigen Zuganges zu einigen der Verbindungsstellen zwischen Antriebsteil und Bohrrohrende.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.
Die Weiterbildung der Erfindung gemäss Anspruch 2 ist im Hinblick auf besonders exaktes Führen der Kupplungsstifte, auf die sichere Aufnahme etwa doch noch auf die Kupplungsstifte ausgeübter Restkräfte und auch im Hinblick auf ein einfaches Austauschen der Kupplungsstifte von Vorteil.
Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäss Anspruch 3 wird erreicht, dass die Kupplungsstifte auch bezüglich ihrer eigenen Längsachse verdrehsicher geführt sind.
Die Weiterbildung der Erfindung gemäss Anspruch 4 ist im Hinblick auf eine einfache Herstellung der feststehenden Führungswände und im Hinblick auf einen einfachen Zugang zu den Kupplungsstiften zur Wartung und zum Ersatz von Vorteil.
Eine Führungseinrichtung, wie sie im Anspruch 5 angegeben ist, hat mechanisch sehr einfachen Aufbau und lässt sich auch verhältnismässig einfach an schon vorhandenen Antriebsteilen nachrüsten.
Dabei wird mit der Weiterbildung der Erfindung gemäss Anspruch 6 erreicht, dass der Kupplungsstift nur geringfügig bogenförmig abgenommen werden muss, um sein Hinein- und Herausbewegen aus der Kupplungsöffnung des Rohrendes zu ermöglichen. Ein möglichst spielfreier Sitz des Kupplungsstiftes in den fluchtenden Kupplungsöffnungen von Antriebsteil und Bohrrohrende ist aber im Hinblick auf eine möglichst gute Kraftübertragung vom Antriebsteil zum Bohrrohrstrang unter Betriebsbedingungen von Vorteil.
Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäss Anspruch 7 wird erreicht, dass die beim Drehen des Bohrrohrstranges auf die Kupplungsstifte allenfalls noch ausgeübten Restkräfte nicht zu einem Verschwenken der Führungshebel um deren Schwenk-achse führen können.
Bei einer Einrichtung gemäss Anspruch 9 sind Betätigungsteile, die den einzelnen Kupplungsstiften zugeordnet sind, mechanisch zusammengeschaltet. Es reicht also aus, wenn die Servoantriebseinrichtung eine einzige Stellbewegung bereitstellt, durch welche dann sämtliche Kupplungsstifte eingefahren oder zurückgezogen werden.
Bei einer Einrichtung gemäss Anspruch 10 ist die Stellbewegung für den Betätigungsring eine Drehbewegung um die Achse des Antriebsteiles. Eine derartige Bewegung lässt sich leicht von einem hydraulischen oder elektrischen Motor bereitstellen oder auch durch Drehen des Antriebsteiles und Festbremsen des Betätigungsringes von dem sowieso für das Antriebsteil vorgesehenen Motor ableiten (vergl. Anspruch 19).
Bei der Alternativlösung gemäss Anspruch 11 ist die Stellbewegung des Betätigungsringes eine axiale Bewegung, und diese kann durch hydraulische Arbeitszylinder bereitgestellt werden oder dadurch erzeugt werden, dass man das Antriebsteil durch den sowieso zum axialen Verfahren des Bohrrohrstranges vorgesehenen Arbeitszylinder in axialer Richtung bewegt, den Betätigungsring dagegen durch eine Anschlageinrichtung axial festlegt (vergl. Anspruch 19).
Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäss Anspruch 12 wird bei axial beweglichem Betätigungsring gewährleistet, dass dieser Ring schon durch sein Gewicht in diejenige Stellung vorgespannt ist, in welcher die Kupplungsstifte voll in die Kupplungsöffnungen des Bohrrohrendes eingefahren sind.
Werden für die Herstellung der mechanischen Verbindung zwischen Antriebsteil und oberem Bohrrohrende solche Kupplungsstifte verwendet, die eine glatte Aussenfläche haben, wobei dann die Kupplungsöffnungen entsprechend glattwandig sind, so müssen in den Bohrrohrenden diese glattwandigen Kupplungsöffnungen zusätzlich zu den für das normale Verbinden von Bohrrohren vorgesehenen Gewindebohrungen angebracht werden. Dies bedeutet eine Nachbearbeitung schon im Einsatz befindlicher Bohrrohre, die sich nicht ohne weiteres auf Baustellen oder auf Lagerplätzen für derartige Bohrrohre durchführen lassen. Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäss Anspruch 13 wird erreicht, dass für die automatische Verbindungsherstellung zwischen Antriebsteil und Bohrrohrende die sowieso schon in den Bohrrohrenden vorgesehenen Gewindebohrungen verwendet werden.
Dabei sind gemäss Anspruch 14 wieder die verschiedenen Kupplungsstifte mechanisch gekoppelt, und durch Drehen eines einzigen Betätigungsringes werden sämtliche Kupplungsstifte gleichzeitig in die zugeordneten Gewindebohrungen des oberen Bohrrohrendes eingefahren oder aus diesen herausgeschraubt. Die entsprechende Drehbewegung kann wieder von einem umlaufenden Motor bereitgestellt werden. Stattdessen kann man auch die Drehbewegung des das Antriebsteil in Drehung versetzenden Motors ausnützen, wobei dann der Betätigungsring durch eine steuerbare Anschlageinrichtung festgebremst wird (vergl. Anspruch 19).
Bei der Einrichtung gemäss Anspruch 15 kann über die Rutschkupplungen ein Unterschied in der Phasenlage der verschiedenen Gewindebohrungen am oberen Bohrrohrende aufgenommen werden. Der den Zahnkranz tragende Betätigungsring kann solange gedreht werden, dass mit Sicherheit alle Kupplungsstifte in die zugeordneten Gewindebohrungen voll eingedreht sind, ohne dass die Gefahr eines Abscherens oder Ausreissens an den Gewinden besteht.
Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäss Anspruch 16 ist es möglich, die Kupplungsstifte soweit zurückzufahren, dass ihre Stirnflächen vollständig von den Gewindebohrungen der Bohrrohrenden entfernt sind. Umgekehrt werden die Kupplungsstifte beim Herstellen der mechanischen Verbindung zwischen Antriebsteil und Bohrrohrende automatisch an die Gewindebohrungen im Bohrrohrende herangefahren und gegen diese Gewindebohrungen gedrückt, so dass die Kupplungsstifte dann selbsttätig in die Gewindebohrungen des Bohrrohrendes hineinlaufen.
Mit den Weiterbildungen der Erfindung gemäss den Ansprüchen 17 und 18 wird erreicht, dass Unterschiede in der Phasenlage (Umfangspositionierung) des Zustellgewindes und der Gewindebohrung im Bohrrohrende ausgeglichen werden können.
Auch eine Führungseinrichtung, wie sie im Anspruch 20 angegeben ist, zeichnet sich durch einen mechanisch besonders einfachen Aufbau aus. Eine derartige Führungseinrichtung, die durch die Servoantriebseinrichtung selbst vorgegeben ist, lässt sich auch besonders einfach an schon im Einsatz befindlichen Antriebsteilen nachrüsten.
Werden beim herkömmlichen Verbinden von Antriebsteil und Bohrrohrende Gewindebolzen durch das Antriebsteil in die Gewindebohrungen des Bohrrohres eingedreht, so hat der diese Arbeit durchführende Arbeiter eine visuelle Kontrolle für die Korrektheit der hergestellten Verbindung: der Kopf des jeweils verwendeten Schraubbolzens muss bündig in der Aussenseite des Antriebsteiles einsitzen. Eine entsprechende Kontrolle wird gemäss Anspruch 21 automatisch bei der erfindungsgemässen Stellungseinrichtung durchgeführt.
Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
In dieser zeigen:
Figur 1: eine schematische seitliche Ansicht einer Einrichtung zum Verrohren eines Bohrloches, teilweise axial geschnitten;
Figur 2: einen transversalen Schnitt durch eine Servo-Kupplungseinrichtung der Verrohrungsmaschine nach Figur 1 längs der dortigen Schnittlinie II-II, wobei ein Nocken-Betätigungsring dieser Kupplung abgenommen ist;
Figur 3: eine Aufsicht auf die Oberseite des Nocken-Betätigungsringes der Kupplungseinrichtung der Verrohrungsmaschine;
Figur 4: einen axialen Teilschnitt durch die Kupplungseinrichtung längs der Schnittlinie IV-IV von Figur 2; und
Figuren 5 bis 7: zu Figur 4 ähnliche Schnitte durch abgewandelte Kupplungseinrichtungen.
Die in Figur 1 schematisch und nur in Teilen wiedergegebene Verrohrungseinrichtung ist Teil eines im übrigen nicht näher gezeigten Bohrgerätes. Zu diesem Bohrgerät gehört ein langer vertikaler Bohrmast 10, der über Lenker 12, 14 von einem Bagger (nicht gezeigt) oder einem anderen Fahrzeug getragen ist.
Auf dem Bohrmast ist ein Bohrkopf (nicht gezeigt) verfahrbar, und durch einen vom letzteren angetriebenen Bohrer wird im Erdreich 16 ein Bohrloch 18 erzeugt. Um ein Einfallen der Bohrlochwände zu verhindern, wird in das Bohrloch ein Strang von Bohrrohren 20 hineingedrückt. Die Bohrrohre haben jeweils eine Länge von 6 m, und wenn das Bohrloch 18 um eine entsprechende Strecke vorgetrieben worden ist, wird an den Bohrrohrstrang 20 ein neues Bohrrohr 22 angesetzt.
Wie aus Figur 1 ersichtlich, haben die Bohrrohre 22 jeweils am oberen Ende eine aussenliegende Schulter, so dass man einen Rohrendabschnitt 24 verminderten Durchmessers erhält. Entsprechend ist das untere Ende eines Bohrrohres jeweils mit einer Gegenbohrung 26 versehen, in welcher ein Rohrendabschnitt 24 Aufnahme findet.
Am Rohrendabschnitt 24 sind an zwei gegenüberliegenden Stellen zwei stirnseitige Ausnehmungen 28 vorgesehen, in welche stirnseitige Klauen 30 des Bodens der Gegenbohrung 26 eingeführt werden können. Auf diese Weise lassen sich zwei Bohrrohre 22 nur in fester winkelmässiger Ausrichtung zusammenstecken.
In dieser Winkelausrichtung fluchten dann regelmässig in Umfangsrichtung verteilte Kupplungs-Gewindebohrungen 32 im Rohrendabschnitt 24 mit glatten Kupplungsöffnungen 34 im unteren Ende des darüberliegenden Bohrrohres 22. In die Gewindebohrungen 32 können so dann Senkkopf-Schraubbolzen 36 eingedreht werden, um die beiden Bohrrohre zur gemeinsamen axialen Bewegung und Drehbewegung fest miteinander zu verbinden. Die Schraubbolzen 36 sind so gestaltet und dimensioniert, dass die Stirnfläche ihres Gewindeabschnittes bei eingedrehtem Schraubbolzen in der Innenfläche des zugeordneten Bohrrohres 22 liegen, während die Stirnfläche ihres Senkkopfes bündig in der Aussenfläche des unteren Bohrrohrendes liegen.
Wie aus Figur 1 ersichtlich, haben die Rohrendabschnitte 24 einen Satz von Kupplungsöffnungen 38, die zum bleibenden Verbinden aufeinanderfolgender Bohrrohre unter Verwendung der Schraubbolzen 36 nicht benötigt werden. Diese Kupplungsöffnungen dienen zur Herstellung einer mechanischen Verbindung des oberen Endes des jeweils obersten Bohrrohres 22 mit einem Antriebsteil 40, durch welches der gesamte Bohrrohrstrang in Drehung versetzt und in axialer Richtung verfahren wird.
Das Antriebsteil 40 ist seinerseits in einem Schlitten 42 drehbar gelagert, der in Längsrichtung verschiebbar auf dem Bohrmasten 10 geführt ist. Auf dem Schlitten 42 ist ein hydraulischer Motor 44 angeordnet, der das Antriebsteil 40 in beiden Drehrichtungen antreiben kann, und am Schlitten 42 greift die Kolbenstange 46 eines im übrigen nicht näher gezeigten hydraulischen Arbeitszylinders an, der direkt oder indirekt am Bohrmast 10 abgestützt ist und dazu dient, den Bohrrohrstrang ins Erdreich hineinzudrücken oder aus dem Erdreich herauszuziehen.
Wie aus den Figuren 1 bis 4 ersichtlich, hat das untere Ende des Antriebsteiles 40 eine Gegenbohrung 48, die gleiche Form aufweist wie die Gegenbohrung am unteren Ende der Bohrrohre 22. In diesem unteren Ende des zylindrischen Antriebsteiles 40 sind Kupplungsöffnungen 50 unter gleichem Winkelabstand derart angebracht, dass sie in eine mit den Kupplungsöffnungen 38 des Rohrendabschnittes 24 fluchtende Lage kommen können.
Vom Boden der Gegenbohrung 48 stehen Klauen 52 über, die in Form und Lage den Klauen 30 der unteren Bohrrohrenden entsprechen. Damit kann auch das Antriebsteil 40 mit einem Bohrrohr 22 nur in fester winkelmässiger Ausrichtung verbunden werden, und auf diese Weise ist die Ausfluchtung der Kupplungsöffnungen 38 und 50 aufeinander erleichtert.
An das untere Ende des zylindrischen Antriebsteiles 40 ist ein becherförmiges, nach oben offenes Kupplungsgehäuse 54 angeschweisst.
Wie aus Figur 2 ersichtlich, weist der Boden des Kupplungsgehäuses 54 vier in Umfangsrichtung gleich verteilte, nach oben offene Führungsnuten 56 mit quadratischem Querschnitt auf. In den Führungsnuten 56 ist jeweils ein entsprechend quadratischen Querschnitt aufweisender Führungskopf 58 im Gleitspiel eingesetzt. Dieser trägt auf seiner radial innenliegenden Stirnfläche jeweils einen Kupplungsstift 60, der im Gleitspiel in den Kupplungsöffnungen 38 und 50 laufen kann.
In Figur 2 ist der radiale Verstellweg des Führungskopfes 58 in einer Führungsnut 56 mit x bezeichnet. Diese Strecke ist etwas grösser als die Wandstärke des Rohrendabschnittes 24, jedoch kleiner als die Summe der Wandstärken des Rohr-endabschnittes 24 und des unteren Bohrrohrendes. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass der Kupplungsstift 60 nie aus der Kupplungsöffnung 50 herausgefahren wird.
Die Führungsköpfe 58 tragen in der Mitte ihrer obenliegenden Begrenzungsfläche jeweils einen Betätigungsstift 62. Dieser Betätigungsstift greift jeweils in eine Nockennut 64 im Gleitspiel ein. Die Nockennuten 64 sind in der Unterseite eines Betätigungsringes 66 ausgebildet, wie aus Figur 3 ersichtlich. Jede Nockennut 64 hat einen radial innenliegenden, zur Ringachse koaxialen Nutabschnitt 68, einen schräg geneigt nach aussen verlaufenden mittleren Nutabschnitt 70 sowie einen radial aussenliegenden, wieder kreisbogenförmigen, zur Ringachse koaxialen Nutabschnitt 72.
Durch die Querschnittsanpassung der Führungsnuten 56 und der Führungsköpfe 58 ist gewährleistet, dass die Führungsköpfe 58 auch bezüglich der Unterseite des Betätigungsringes 66 im Gleitspiel laufen.
Wie aus den Figuren 1 und 4 ersichtlich, hat der Betätigungsring 66 eine obenliegende Ringschulter 74, welche von einem Haltering 76 im Gleitspiel übergriffen wird. Der Haltering 76 ist seinerseits mittels Schrauben 78 mit der Umfangswand des becherförmigen Kupplungsgehäuses 54 verbunden.
Ein hülsenförmiger Endabschnitt 80 des Betätigungsringes 66, der durch den Haltering 76 hindurchgeführt ist, trägt einen radialen Anschlagstab 82. Dieser kann mit einem vom Schlitten 42 getragenen in Drehrichtung feststehenden Anschlag 84 zusammenarbeiten, der in axialer Richtung in die Bahn des Anschlagstabes 82 bewegbar ist. Hierzu kann z.B. der Anschlag 84 einfach durch die Kolbenstange eines Arbeitszylinders 86 gebildet sein, der auf dem Schlitten 42 angebracht ist.
Bei der oben beschriebenen Verrohrungsmaschine wird ein neues Bohrrohr 22 wie folgt an den schon in das Erdreich eingebrachten Bohrrohrstrang angesetzt.
Das neu anzusetzende Bohrrohr wird durch ein externes Hebezeug in vertikaler Ausrichtung neben dem Bohrloch abgesetzt. Durch Verfahren des Bohrmastes 10 wird das Antriebsteil 40 über das obere Rohrende gestellt, und der Schlitten 42 wird über den obenliegenden Rohrendabschnitt 24 gefahren. Der Schlitten 42 wird dann langsam abgesenkt, wobei das Antriebsteil 40 durch den Motor 44 langsam in Drehung versetzt wird, so dass die Klauen 52 des Antriebsteiles 40 mit den Ausnehmungen 28 des Rohrendabschnittes 24 in Eingriff kommen. Bei Erreichen dieser vorgegebenen Winkelstellung fällt dann das Antriebsteil 40 vollends auf das obere Rohrende. Wie oben schon dargelegt, liegt das obere Rohrende zu diesem Zeitpunkt etwa 6 m über dem Erdboden.
Nunmehr wird der Anschlag 84 vom Arbeitszylinder 86 ausgefahren, und wenn anschliessend das Antriebsteil 40 in Aufsicht gesehen im Uhrzeigersinne in Drehung versetzt wird, kommt der Anschlagstab 82 spätestens nach einer Umdrehung des Antriebsteiles 40 in Anlage an den Anschlag 84, und ab diesem Zeitpunkt wird der Betätigungsring 66 im Kupp lungsgehäuse 54 so gedreht, dass die Betätigungsstifte 62 der Führungsköpfe 58 von den aussenliegenden Nutabschnitten 72 über die schräg geneigten mittleren Nutabschnitte 70 in die Nutabschnitte 68 bewegt werden. Damit werden die von den Führungsköpfen 58 getragenen Kupplungsstifte 60 in die Kupplungsöffnungen 38 des Rohrendabschnittes 24 eingefahren. Damit ist das Bohrrohr 22 fest mit dem Antriebsteil 40 verbunden.
Der Anschlag 84 wird nun wieder eingefahren, damit der Betätigungsring 66 beim Drehen des Antriebsteiles 40 mit diesem unbehindert umlaufen kann und die Kupplungsstifte 66 verriegelt bleiben. Der Schlitten 42 wird nun wieder angehoben, und der Bohrmast wird so verfahren, dass das Antriebsteil 40 und das mit diesem verbundene neu anzusetzende Bohrrohr 22 auf die Bohrlochachse zu stehen kommen.
Nunmehr wird der Schlitten 42 wieder abgesenkt, bis das untere Ende des anzusetzenden Bohrrohres 22 über den Rohrendabschnitt 24 des gerade noch aus dem Erdreich herausragenden Bohrrohres 22 zu liegen kommt. Beim letzten Teil der Absenkbewegung wird das Antriebsteil 40 wieder in Drehung versetzt, damit die Klauen 30 des oberen Bohrrohres in die Ausnehmungen 28 des unteren Bohrrohres fallen können. In dieser Ausrichtung fluchten nun die Kupplungsöffnungen 34 mit den Kupplungs-Gewindebohrungen 32, so dass die Schraubbolzen 36 eingedreht werden können. Nun wird der Motor 44 in Gang gesetzt und gleichzeitig der Arbeitszylinder, zu welchem die Kolbenstange 46 gehört, in Gang gesetzt, so dass das neu angesetzte Bohrrohr unter Drehen und Ausübung axialen Druckes in das Erdreich nachgeschoben wird.
Die vorgenannten Arbeiten werden wie gesagt bei zurückgezogenem Anschlag 84 durchgeführt, so dass sich der Betätigungsring 66 zusammen mit dem Kupplungsgehäuse 54 frei drehen kann. Die Kupplungsstifte 60 bleiben somit in die Kupplungsöffnungen 38 eingefahren. Da die beim Ausüben axialen Druckes und beim Ausüben von Drehmoment auf den Bohrrohrstrang ausgeübten Kräfte vollständig von den Kupplungsstiften 60 aufgenommen werden, entstehen auch keine auf den Betätigungsring 66 zurückwirkenden Kräfte, welche zu einer unbeabsichtigten Verstellung dieses Ringes führen könnten. Dies ist auch dann gewährleistet, wenn aufgrund von Abnutzung der Kupplungsstifte oder unter ungünstigen Bedingungen doch radiale Restkräfte an den Kraftübertragungsstellen zwischen Kupplungsstiften und Kupplungsöffnungen erzeugt werden sollten.
Diese radialen Restkräfte werden nämlich durch den zur Achse des Antriebsteiles 40 koaxialen Nutabschnitt 68 sicher aufgenommen, ohne dass es zur Ausübung eines Drehmomentes auf den Betätigungsring 66 käme.
Zum Ansetzen eines weiteren Bohrrohres wird der Anschlag 84 wieder ausgefahren, und der Motor 44 wird entgegen dem Uhrzeigersinne erregt, so dass der Anschlagstab 82 nunmehr von der anderen Seite gegen den Anschlag 84 läuft. Der Betätigungsring 66 wird dann so gedreht, dass die Kupplungsstifte 60 aus den Kupplungsöffnungen 38 herausgezogen werden. Der Schlitten 42 kann nun vom Ende des Bohrrohrstranges hochgefahren werden, und ein weiteres Bohrrohr kann analog wie oben beschrieben an den Bohrrohrstrang angesetzt werden.
Wird nach Fertigstellung der Bohrung der Bohrrohrstrang wieder aus dem Bohrloch herausgezogen, so lassen sich die einzelnen Bohrrohre nacheinander abbauen, wobei der oben im einzelnen beschriebene Ansetzzyklus in umgekehrter Reihenfolge durchgeführt wird. Dieses Zerlegen des Bohrrohrstranges unter Verwendung der oben im einzelnen beschriebenen Kupplungseinrichtung braucht somit nicht noch einmal im Detail beschrieben zu werden. Wichtig ist, dass auch beim Zerlegen des Bohrrohrstranges keine mechanischen Verbindungen zwischen dem oberen Ende eines Bohrrohres und dem Antriebsteil in grosser Höhe über dem Erdboden durchgeführt werden müssen Die Figuren 5 bis 7 zeigen abgewandelte Einrichtungen zur Führung und Verstellung der Kupplungsmittel in der Kupplungseinrichtung zwischen Antriebsteil und Bohrrohr.
Einrichtungsteile, die obenstehend unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 4 schon in gleicher oder funktional äquivalenter Form beschrieben wurden, sind wieder mit den entsprechenden Bezugszeichen versehen und werden nachstehend nicht noch einmal detailliert beschrieben.
Bei der Führungs- und Betätigungseinrichtung für die Kupplungsstifte 60 gemäss Figur 5 sind die Kupplungsstifte am freien Ende eines Winkelhebels 88 angebracht. Der Winkelhebel 88 hat einen getriebenen Hebelarm 90, der verglichen mit der Wandstärke der Bohrrohre 22 grosse Länge aufweist und einen zugeordneten Kupplungsstift 60 im wesentlichen senkrecht auf der Hebelarmachse stehend trägt. Der Winkelhebel 88 ist mittels eines tangential zum Antriebsteil 40 verlaufenden Stiftes 92 auf Lageraugen 94 schwenkbar angebracht. Die Lageraugen 94 sind auf der Aussenseite des Antriebsteiles 40 festgeschweisst.
Der Winkelhebel 88 hat ferner einen Betätigungsarm 96, der im wesentlichen senkrecht auf dem getriebenen Hebelarm 90 steht. Der Betätigungsarm 96 hat ein abgerundetes Ende und greift unter Spiel in eine Betätigungsnut 98, die in einer horizontalen Ebene von innen in den nun nach unten offenen becherförmig ausgebildeten Betätigungsring 66 eingestochen ist. Der so abgewandelte Betätigungsring 66 ist seinerseits im Gleitsitz auf der Aussenseite des Antriebsteiles 40 geführt und hat einen dicken Boden. Auf diese Weise erhält der Betätigungsring 66 hohes Gewicht und spannt die Kupplungsstifte 60 in die eingerückte Stellung vor.
Der Betätigungsring 66 arbeitet nun mit einem Anschlag 84 zusammen, der in und aus der vertikalen Bahn des Betätigungsringes 66 bewegbar ist. Damit kann die Bewegung zum Verstellen des Betätigungsringes 66 von der vertikalen Verstellbewegung des Schlittens 42 abgeleitet werden: Trifft der Betätigungsring 66 beim Absenken des Antriebsteiles 40 auf den Anschlag 84, so wird er zurückgehalten, und beim weiteren Absenken des Antriebsteiles 40 werden die Winkelhebel 88 im Sinne eines Ausrückens der Kupplungsstifte 60 bewegt. Zieht man bei so angehobenem Betätigungsring 66 den Anschlag 84 zurück, drückt der Betätigungsring 66 durch sein Gewicht die Kupplungsstifte 60 wieder in die eingerückte Stellung.
Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 6 sind die Kupplungsstifte 60 jeweils durch die Kolbenstange eines hydraulischen Arbeitszylinders 100 gebildet, der unter Zwischenschaltung eines Befestigungsteiles 102 auf die Aussenseite des Antriebsteiles 40 fest aufgebracht ist. Durch entsprechende Druckbeaufschlagung des doppeltwirkenden Arbeitszylinders 100 kann der zugeordnete Kupplungsstift 60 aus der zugeordneten Kupplungsöffnung 38 herausgefahren oder in diese eingefahren werden.
Wie aus Figur 6 ersichtlich, sind die Arbeitsleitungen für die verschiedenen Arbeitszylinder 100 zusammengeschaltet, so dass alle Arbeitszylinder gleichzeitig und in der gleichen Richtung betätigt werden.
Den verschiedenen Arbeitszylindern ist jeweils ein Stellungsgeber 104 zugeordnet, der dann ein Ausgangssignal erzeugt, wenn der Kupplungsstift 60 seine voll eingerückte Stellung erreicht hat. Die Ausgangssignale der verschiedenen Stellungsgeber 104 werden durch ein UND-Glied 106 zusammengefasst, dessen Ausgang somit nur dann ein Signal bereitstellt, wenn sämtliche der mechanisch nicht gekoppelten Arbeitszylinder 100 die eingerückte Stellung der Kupplungsstifte 60 herbeigeführt haben.
Man erkennt, dass die Führungs- und Betätigungseinrichtung für die verschiedenen Kupplungsstifte 60, die in Figur 6 gezeigt ist, besonders leicht an schon im Einsatz befindlichen Antriebsteilen 40 nachgerüstet werden kann.
Bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen war es notwendig, in Umfangsrichtung verschachtelt zwischen den Kupplungs-Gewindebohrungen 32 die glatten Kupplungsöffnungen 38 vorzusehen. Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 7 werden zum Herstellen der mechanischen Verbindung zwischen Antriebsteil 40 und oberem Rohr-ende die im Rohrendabschnitt 24 sowieso schon vorgesehenen Kupplungs-Gewindebohrungen 32 verwendet.
Die Kupplungsstifte 60 haben einen mit Gewinde versehenen Endabschnitt 108, der direkt mit der Kupplungs-Gewindebohrung 38 zusammenarbeiten kann. An den mit Gewinde versehenen Endabschnitt 108 schliesst sich ein glatter Zwischenabschnitt 110 an, der im Gleitspiel in der zugeordneten Kupplungsöffnung 50 des Antriebsteiles 50 läuft. Auf den Zwischenabschnitt 110 folgt ein kegelförmiger Kopfabschnitt 112, dessen Form der Form des Senkkopfes der Schraubbolzen 36 entspricht. Die Abschnitte 108 bis 112 entsprechen somit insgesamt einem Schraubbolzen 36. Der Kopfabschnitt 112 ist an einen Spindelabschnitt 114 angeformt, der ein Gewinde trägt, welches in Drehsinn und Steigung dem Gewinde auf dem Endabschnitt 108 entspricht. Der Spindelabschnitt 114 läuft in einer Gewindehülse 116, die in axialem Gleitspiel in einer Kammer 118 des ringförmig ausgebildeten Kupplungsgehäuses 54 Aufnahme findet.
Zur Sicherung der Gewindehülse 116 gegen Drehungen innerhalb der Kammer 118 ist die Gewindehülse 116 mit einer in Längsrichtung verlaufenden Nut 120 versehen, in welche ein in der Kammerwand einsitzender Positionierstift 122 im Gleitspiel eingreift.
Wie aus Figur 7 ersichtlich, hat die Gewindehülse 116 geringere axiale Abmessung als die effektive Länge der Kammer 118 und ist an ihren beiden Stirnseiten über gewellte Federn 124, 126 an den Kammerstirnwänden abgestützt.
Um die Gewindehülse 116 in die Kammer 118 einführen zu können und die Vorspannung der gewellten Scheibenfedern 124, 126 einstellen zu können, ist die Kammer 118 durch einen ringförmigen Deckel 128 verschlossen, der aussen mit einem Gewinde versehen ist und in den mit Gewinde versehenen äussersten Abschnitt der Kammer 118 hineinschraubbar ist.
Wie aus Figur 7 ersichtlich, ist die Länge des Spindelabschnittes 114 mindestens um die Wandstärke des Rohrendabschnittes 24 grösser als die axiale Abmessung der Gewindehülse 116, so dass der zugleich den Kupplungsabschnitt darstellende Endabschnitt 108 vollständig aus der Kupplungs-Gewindebohrung 32 herausgedreht werden kann. Zum Indrehungversetzen des Spindelabschnittes 114 dient ein Zahngetriebe. Zu diesem gehört ein Ritzel 130, welches über eine Rutschkupplung auf den Spindelabschnitt 114 arbeitet. Hierzu ist das Ritzel 130 drehbar auf einen aussenliegenden Spindelendabschnitt 132 aufgesetzt und durch einen Sprengring 134 axial festgelegt, der von einem Zapfen 136 gehalten ist, der seinerseits vom Boden einer Federkammer 138 nach aussen übersteht.
Die Federkammer 138 ist ringförmig in die freie Stirnfläche des Spindelabschnittes 114 eingestochen und nimmt unter Vorspannung einen Scheibenfederstapel 140 auf.
Das Ritzel 130 kämmt mit einem Zahnkranz 142, der in der obenliegenden Stirnfläche des Betätigungsringes 66 ausgebildet ist. Der Betätigungsring 66 ist beim hier betrachteten Ausführungsbeispiel auf einer Schulter 144 des Kupplungsgehäuses 54 im Gleitsitz gelagert. Der Anschlagstab 82 ist direkt an die Aussenseite des Betätigungsringes 66 angeformt, und der feststehende Anschlag 84 ist wieder um in und aus der Bahn des Anschlagstabes 82 bewegbar. Bei zurückgezogenem Anschlag 84 dreht sich der Betätigungsring 66 wieder mit dem Kupplungsgehäuse 54 mit, kommt der Anschlagstab 82 in Anlage an den ausgefahrenen Anschlag 84 wird der Betätigungsring 66 auf dem Kupplungsgehäuse 54 verdreht, und über die Ritzel 130 werden die Kupplungsstifte 60 aus den Kupplungs-Gewindebohrungen 32 heraus oder in diese hineingedreht.
Beim Herausdrehen der Kupplungsstifte kommen diese vollständig von der zugeordneten Kupplungs-Gewindebohrung 32 frei, da der Spindelabschnitt 114 weiterhin mit der Gewindehülse 116 zusammenarbeitet. Umgekehrt wird beim Herstellen der Antriebsverbindung zwischen Antriebsteil 40 und Rohrendabschnitt 24 der mit Gewinde versehene Endabschnitt 108 dadurch überhaupt an die Kupplungs-Gewindebohrung 32 herangefahren, dass der Spindelabschnitt 114 mit der Gewindehülse 116 zusammenarbeitet.
In der Praxis ist es nicht möglich, den Anfang sämtlicher der Kupplungs-Gewindebohrungen winkelmässig exakt gleich festzulegen, was notwendig wäre, damit die verschiedenen mit Gewinde versehenen Kupplungsstifte alle gleichzeitig in die zugeordneten Kupplungs-Gewindebohrungen 32 hineinlaufen. Um derartige Unterschiede in der Phasenlage der im Rohrendabschnitt 24 liegenden Gewinde auszugleichen, ist die Gewindehülse 116 entgegen der Kraft der gewellten Scheibenfedern 124, 126 um mindestens eine Ganghöhe verstellbar.
Um im Notfall einen sehr stark festgeschraubten Kupplungsstift wieder lösen zu können ist der zwischen dem Deckel 128 und dem Ritzel 130 liegende Teil des Kupplungsstiftes mit einem Sechskant 146 versehen, an welchem ein Schraubenschlüssel angesetzt werden kann.
Auf folgende Abwandlungen der oben beschriebenen Ausführungs beispiele, die nicht in der Zeichnung wiedergegeben sind, sei nachstehend kurz hingewiesen: Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 5 kann der Betätigungsring 66 drehbar auf dem Antriebsteil 66 gelagert werden, wobei an die Stelle der ebenen Ringnut 98 eine in vertikaler Richtung ansteigende und abfallende Abschnitte aufweisende Nockennut-Anordnung tritt.
Werden beim Ausführungsbeispiel nach Figur 5 die Winkelhebel um eine achsparalle (vertikale) Achse drehbar gelagert, kann man ihre Betätigungsarme mit einem Betätigungsstift versehen und durch einen ähnlichen drehbaren Betätigungsring antreiben, wie er in Figur 3 gezeigt ist.
Umgekehrt kann man beim Ausführungsbeispiel nach den Figuren 1 bis 4 auch einen axial verlagerbaren Betätigungsring 66 vorsehen, der über Keil-flächen auf dann schräg angestellte hintere Stirnflächen der Führungsköpfe 58 arbeitet.
The invention relates to a device according to the preamble of the independent claim.
Deeper boreholes must be lined with drill pipes to prevent soil from slipping. As the depth of the bore progresses, the piping must also be continued accordingly. For this purpose, additional drill pipes are successively attached to individual drill pipes, and the drill pipe string obtained in this way is pressed overall deeper into the ground. To facilitate this movement, the entire drill string is rotated.
The individual drill pipes are typically around 6 m high. Previously, when a new drill pipe was placed on the end of the drill pipe string, a worker had to mechanically connect the upper end of the newly attached drill pipe to the drive part which works on the drill pipe string. This connection was previously carried out using threaded bolts as well as the connection of the drill pipes in the string to each other.
Since the connection point between the drive part and the newly attached drill pipe is about 6 m above the ground, one worker must climb a ladder to the connection point and screw in the bolts. Since the drill pipes typically have a diameter of 600 to 1200 mm, the ladder must be turned on several times to screw in the various bolts. Establishing the mechanical connection between the newly attached drill pipe and the drive part is therefore time-consuming and dangerous. If a drilling is finished, the drill pipe string is pulled out of the borehole by turning and pulling the drive part, and as soon as a drill pipe is completely above the ground, it is separated from the string part underneath.
Then the connection between the drill pipe end and the drive part must be released again at a great height, analogous to that described above for establishing the connection between the drill pipe end and the drive part. This work is also time-consuming and dangerous.
The present invention is therefore intended to provide a device for rotating and axially moving drill pipe strings, in which the mechanical connection between the upper end of the drill pipe and the drive part can be established and canceled automatically.
According to the invention, this object is achieved by a device according to claim 1.
In the drive device according to the invention, a remotely operable special locking coupling is provided between the drive part and the upper end of the drill pipe. This locking coupling comprises coupling pins which are jointly aligned in aligned holes at the lower end of the drive part or by a servo drive device. can be inserted essentially free of play at the upper end of the drill pipe. Since these pins thus completely absorb the forces occurring in operation in the circumferential direction and in the axial direction, no great force is exerted on the servo drive device during operation.
The invention significantly reduces the time required to build up or break apart a drill pipe string. In particular, even when a borehole is sunk at an incline and the borehole piping has to be installed at an incline, the problem of difficult access to some of the connection points between the drive part and the end of the drill pipe is eliminated.
Advantageous developments of the invention are specified in the subclaims.
The development of the invention according to claim 2 is advantageous in terms of particularly precise guiding of the coupling pins, on the safe absorption of residual forces still exerted on the coupling pins, and also in terms of simple replacement of the coupling pins.
With the development of the invention according to claim 3 it is achieved that the coupling pins are guided against rotation with respect to their own longitudinal axis.
The development of the invention according to claim 4 is advantageous in terms of simple manufacture of the fixed guide walls and in terms of easy access to the coupling pins for maintenance and replacement.
A guide device, as specified in claim 5, has a mechanically very simple structure and can also be retrofitted relatively easily to already existing drive parts.
It is achieved with the development of the invention according to claim 6 that the coupling pin only has to be removed in a slightly arcuate manner in order to enable it to be moved in and out of the coupling opening of the pipe end. However, a seat of the coupling pin that is as free of play as possible in the aligned coupling openings of the drive part and the drill pipe end is advantageous with regard to the best possible power transmission from the drive part to the drill pipe string under operating conditions.
With the development of the invention according to claim 7 it is achieved that the residual forces that may still be exerted on the coupling pins when the drill pipe string is rotated cannot lead to a pivoting of the guide levers about their pivot axis.
In a device according to claim 9, actuating parts which are assigned to the individual coupling pins are mechanically interconnected. It is therefore sufficient if the servo drive device provides a single actuating movement, through which all coupling pins are then retracted or withdrawn.
In a device according to claim 10, the actuating movement for the actuating ring is a rotary movement about the axis of the drive part. Such a movement can easily be provided by a hydraulic or electric motor or can be derived from the motor provided for the drive part anyway by rotating the drive part and braking the actuating ring (cf. Claim 19).
In the alternative solution according to claim 11, the actuating movement of the actuating ring is an axial movement, and this can be provided by hydraulic working cylinders or can be generated by moving the drive part in the axial direction by the working cylinder which is provided anyway for axially moving the drill pipe string, but the actuating ring against it axially fixed by a stop device (cf. Claim 19).
With the development of the invention according to claim 12 with axially movable actuating ring, it is ensured that this ring is already biased by its weight into the position in which the coupling pins are fully inserted into the coupling openings of the drill pipe end.
If such coupling pins are used for the production of the mechanical connection between the drive part and the upper end of the drill pipe, which have a smooth outer surface, the coupling openings then being correspondingly smooth-walled, then these smooth-walled coupling openings must be provided in the drill pipe ends in addition to the threaded holes provided for the normal connection of drill pipes will. This means reworking drill pipes that are already in use, which cannot be easily carried out on construction sites or in storage locations for such drill pipes. With the development of the invention according to claim 13 it is achieved that the threaded holes already provided in the drill pipe ends are used for the automatic connection between the drive part and the drill pipe end.
Again, according to claim 14, the various coupling pins are mechanically coupled, and by rotating a single actuating ring, all coupling pins are simultaneously inserted into or removed from the associated threaded holes in the upper end of the drill pipe. The corresponding rotary movement can again be provided by a rotating motor. Instead, one can also use the rotary movement of the motor that sets the drive part in rotation, the actuating ring then being braked by a controllable stop device (cf. Claim 19).
In the device according to claim 15, a difference in the phase position of the different threaded bores at the upper end of the drill pipe can be recorded via the slip clutches. The actuating ring supporting the ring gear can be rotated until all coupling pins are securely fully screwed into the associated threaded bores without the risk of the threads being sheared or torn out.
With the development of the invention according to claim 16, it is possible to retract the coupling pins so far that their end faces are completely removed from the threaded bores of the drill pipe ends. Conversely, when the mechanical connection between the drive part and the drill pipe end is established, the coupling pins are automatically moved up to the threaded bores in the drill pipe end and pressed against these threaded bores, so that the coupling pins then automatically run into the threaded bores of the drill pipe end.
With the developments of the invention according to claims 17 and 18 it is achieved that differences in the phase position (circumferential positioning) of the infeed thread and the threaded bore in the end of the drill pipe can be compensated for.
A guide device, as specified in claim 20, is also characterized by a mechanically particularly simple construction. Such a guide device, which is predetermined by the servo drive device itself, can also be retrofitted particularly easily to drive parts that are already in use.
If threaded bolts are screwed into the threaded bores of the drill pipe through the drive part during the conventional connection of the drive part and the drill pipe end, the worker performing this work has a visual check for the correctness of the connection made: the head of the screw bolt used in each case must sit flush with the outside of the drive part . A corresponding check is carried out automatically in the positioner according to the invention.
The invention is explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments with reference to the drawing.
In this show:
Figure 1 is a schematic side view of a device for casing a borehole, partially cut axially;
FIG. 2: a transverse section through a servo coupling device of the piping machine according to FIG. 1 along the section line II-II there, a cam actuating ring of this coupling being removed;
Figure 3 is a plan view of the top of the cam actuating ring of the coupling device of the piping machine;
FIG. 4: an axial partial section through the coupling device along the section line IV-IV of FIG. 2; and
Figures 5 to 7: cuts similar to Figure 4 through modified coupling devices.
The piping device shown schematically in FIG. 1 and only in parts is part of a drilling device that is not shown in any more detail. This drilling device includes a long vertical drilling mast 10, which is supported by an excavator (not shown) or another vehicle via links 12, 14.
A drill head (not shown) can be moved on the drilling mast, and a drill hole 18 is produced in the soil 16 by a drill driven by the latter. In order to prevent the borehole walls from collapsing, a string of drill pipes 20 is pressed into the borehole. The drill pipes each have a length of 6 m, and when the borehole 18 has been advanced a corresponding distance, a new drill pipe 22 is attached to the drill pipe string 20.
As can be seen from FIG. 1, the drill pipes 22 each have an outer shoulder at the upper end, so that a pipe end section 24 of reduced diameter is obtained. Accordingly, the lower end of a drill pipe is provided with a counterbore 26, in which a pipe end section 24 is received.
At the pipe end section 24, two end-side recesses 28 are provided at two opposite points, into which end-side claws 30 of the bottom of the counterbore 26 can be inserted. In this way, two drill pipes 22 can only be plugged together in a fixed angular orientation.
Coupling threaded bores 32 in the pipe end section 24, which are distributed in the circumferential direction, are then regularly aligned in this angular orientation with smooth coupling openings 34 in the lower end of the overlying drill pipe 22. Countersunk screw bolts 36 can then be screwed into the threaded bores 32 in order to firmly connect the two drill pipes to one another for common axial movement and rotary movement. The bolts 36 are designed and dimensioned such that the end face of their threaded section lies in the inner surface of the associated drill pipe 22 when the screw bolt is screwed in, while the end face of its countersunk head is flush with the outer surface of the lower end of the drill pipe.
As can be seen from FIG. 1, the pipe end sections 24 have a set of coupling openings 38 which are not required for the permanent connection of successive drill pipes using the screw bolts 36. These coupling openings serve to produce a mechanical connection of the upper end of the uppermost drill pipe 22 to a drive part 40, through which the entire drill pipe string is rotated and moved in the axial direction.
The drive part 40 is in turn rotatably mounted in a carriage 42 which is guided on the drilling masts 10 so as to be displaceable in the longitudinal direction. A hydraulic motor 44 is arranged on the carriage 42, which can drive the drive part 40 in both directions of rotation, and on the carriage 42 the piston rod 46 engages a hydraulic working cylinder, which is not shown in any more detail and which is supported directly or indirectly on the drilling mast 10 and in addition serves to push the drill string into the ground or pull it out of the ground.
As can be seen from FIGS. 1 to 4, the lower end of the drive part 40 has a counterbore 48 which has the same shape as the counterbore at the lower end of the drill pipes 22. In this lower end of the cylindrical drive part 40, coupling openings 50 are provided at the same angular distance such that they can come into a position in alignment with the coupling openings 38 of the pipe end section 24.
Claws 52 protrude from the bottom of the counterbore 48 and correspond in shape and position to the claws 30 of the lower drill pipe ends. The drive part 40 can thus also be connected to a drill pipe 22 only in a fixed angular orientation, and in this way the alignment of the coupling openings 38 and 50 with one another is facilitated.
A cup-shaped, upwardly open coupling housing 54 is welded to the lower end of the cylindrical drive part 40.
As can be seen from FIG. 2, the bottom of the coupling housing 54 has four guide grooves 56 with a square cross section, which are equally distributed in the circumferential direction and open at the top. A guide head 58 having a correspondingly square cross section is inserted in the sliding grooves in the guide grooves 56. This carries on its radially inner end face a coupling pin 60 which can run in the coupling openings 38 and 50 in sliding play.
In Figure 2, the radial adjustment path of the guide head 58 in a guide groove 56 is denoted by x. This distance is somewhat larger than the wall thickness of the pipe end section 24, but smaller than the sum of the wall thicknesses of the pipe end section 24 and the lower drill pipe end. In this way it is ensured that the coupling pin 60 is never moved out of the coupling opening 50.
The guide heads 58 each carry an actuating pin 62 in the middle of their upper boundary surface. This actuating pin engages in a cam groove 64 in sliding play. The cam grooves 64 are formed in the underside of an actuating ring 66, as can be seen from FIG. 3. Each cam groove 64 has a radially inner groove section 68 which is coaxial with the ring axis, a central groove section 70 which extends obliquely outwards and a radially outer groove section 72 which is again circular and coaxial with the ring axis.
The cross-sectional adaptation of the guide grooves 56 and the guide heads 58 ensures that the guide heads 58 also run in sliding play with respect to the underside of the actuating ring 66.
As can be seen from FIGS. 1 and 4, the actuation ring 66 has an overhead ring shoulder 74 which is overlapped by a retaining ring 76 in sliding play. The retaining ring 76 is in turn connected to the peripheral wall of the cup-shaped coupling housing 54 by means of screws 78.
A sleeve-shaped end section 80 of the actuation ring 66, which is guided through the retaining ring 76, carries a radial stop rod 82. This can cooperate with a stop 84, which is carried by the carriage 42 and is fixed in the direction of rotation and can be moved in the axial direction into the path of the stop rod 82. For this purpose, e.g. B. the stop 84 can simply be formed by the piston rod of a working cylinder 86 which is mounted on the carriage 42.
In the casing machine described above, a new drill pipe 22 is attached to the drill pipe string already introduced into the ground as follows.
The newly installed drill pipe is set down by an external hoist in a vertical orientation next to the drill hole. By moving the drilling mast 10, the drive part 40 is placed over the upper pipe end, and the carriage 42 is moved over the pipe end section 24 located above. The carriage 42 is then slowly lowered, the drive part 40 being slowly rotated by the motor 44, so that the claws 52 of the drive part 40 come into engagement with the recesses 28 of the pipe end section 24. When this predetermined angular position is reached, the drive part 40 then falls completely onto the upper end of the tube. As already explained above, the upper end of the pipe is at this time about 6 m above the ground.
Now the stop 84 is extended by the working cylinder 86, and when the drive part 40 is subsequently rotated clockwise as seen from above, the stop rod 82 comes into contact with the stop 84 at the latest after one revolution of the drive part 40, and from this point on the Actuating ring 66 in the coupling housing 54 is rotated such that the actuating pins 62 of the guide heads 58 are moved from the outer groove sections 72 via the obliquely inclined middle groove sections 70 into the groove sections 68. The coupling pins 60 carried by the guide heads 58 are thus inserted into the coupling openings 38 of the pipe end section 24. The drill pipe 22 is thus firmly connected to the drive part 40.
The stop 84 is now retracted again so that the actuating ring 66 can rotate freely with the drive part 40 when it rotates and the coupling pins 66 remain locked. The carriage 42 is now raised again, and the drilling mast is moved in such a way that the drive part 40 and the drill pipe 22 to be connected to it come to rest on the borehole axis.
Now the carriage 42 is lowered again until the lower end of the drill pipe 22 to be attached comes to rest over the pipe end section 24 of the drill pipe 22 which is just protruding from the ground. In the last part of the lowering movement, the drive part 40 is rotated again so that the claws 30 of the upper drill pipe can fall into the recesses 28 of the lower drill pipe. In this orientation, the coupling openings 34 are now aligned with the coupling threaded bores 32, so that the screw bolts 36 can be screwed in. Now the motor 44 is started and at the same time the working cylinder, to which the piston rod 46 belongs, is started, so that the newly attached drill pipe is pushed into the ground while rotating and exerting axial pressure.
As mentioned, the aforementioned work is carried out with the stop 84 retracted, so that the actuating ring 66 can rotate freely together with the clutch housing 54. The coupling pins 60 thus remain retracted into the coupling openings 38. Since the forces exerted on the drill pipe string when exerting axial pressure and exerting torque are completely absorbed by the coupling pins 60, there are also no forces acting back on the actuation ring 66 which could lead to an unintentional adjustment of this ring. This is also ensured if, due to wear on the coupling pins or under unfavorable conditions, radial residual forces should nevertheless be generated at the power transmission points between the coupling pins and coupling openings.
These radial residual forces are in fact safely absorbed by the groove section 68 coaxial with the axis of the drive part 40, without the actuating ring 66 coming to exert a torque.
To attach a further drill pipe, the stop 84 is extended again and the motor 44 is excited counterclockwise, so that the stop rod 82 now runs against the stop 84 from the other side. The actuation ring 66 is then rotated so that the coupling pins 60 are pulled out of the coupling openings 38. The carriage 42 can now be raised from the end of the drill pipe string, and a further drill pipe can be attached to the drill pipe string analogously to that described above.
If the drill pipe string is pulled out of the borehole again after completion of the drilling, the individual drill pipes can be dismantled one after the other, the attachment cycle described in detail above being carried out in reverse order. This disassembly of the drill pipe string using the coupling device described in detail above does not therefore need to be described again in detail. It is important that even when the drill pipe string is disassembled, no mechanical connections between the upper end of a drill pipe and the drive part have to be made at a great height above the ground. FIGS. 5 to 7 show modified devices for guiding and adjusting the coupling means in the coupling device between the drive part and Drill pipe.
Parts of the device which have already been described above with reference to FIGS. 1 to 4 in the same or functionally equivalent form are again provided with the corresponding reference numerals and are not described again in detail below.
In the guiding and actuating device for the coupling pins 60 according to FIG. 5, the coupling pins are attached to the free end of an angle lever 88. The angle lever 88 has a driven lever arm 90, which has a great length compared to the wall thickness of the drill pipes 22 and carries an associated coupling pin 60 standing essentially perpendicular to the lever arm axis. The angle lever 88 is pivotably mounted on bearing eyes 94 by means of a pin 92 running tangentially to the drive part 40. The bearing eyes 94 are welded to the outside of the drive part 40.
The angle lever 88 also has an actuating arm 96 which is essentially perpendicular to the driven lever arm 90. The actuating arm 96 has a rounded end and engages with play in an actuating groove 98 which is inserted in a horizontal plane from the inside into the cup-shaped actuating ring 66, which is now open at the bottom. The actuating ring 66 thus modified is in turn guided in a sliding fit on the outside of the drive part 40 and has a thick bottom. In this way, the actuation ring 66 is heavy and biases the coupling pins 60 in the engaged position.
The actuation ring 66 now works together with a stop 84 which is movable in and out of the vertical path of the actuation ring 66. Thus, the movement for adjusting the actuating ring 66 can be derived from the vertical adjusting movement of the carriage 42: if the actuating ring 66 hits the stop 84 when the drive part 40 is lowered, it is held back, and when the drive part 40 is further lowered, the angle levers 88 become im Moving the disengagement of the coupling pins 60 moves. With the actuating ring 66 raised in this way, the stop 84 is pulled back, the actuating ring 66 presses the coupling pins 60 back into the engaged position due to its weight.
In the exemplary embodiment according to FIG. 6, the coupling pins 60 are each formed by the piston rod of a hydraulic working cylinder 100 which is fixedly attached to the outside of the drive part 40 with the interposition of a fastening part 102. By correspondingly pressurizing the double-acting working cylinder 100, the assigned coupling pin 60 can be moved out of the assigned coupling opening 38 or inserted into it.
As can be seen from FIG. 6, the working lines for the different working cylinders 100 are interconnected, so that all working cylinders are actuated simultaneously and in the same direction.
A position transmitter 104 is assigned to the various working cylinders, which generates an output signal when the coupling pin 60 has reached its fully engaged position. The output signals of the various position transmitters 104 are combined by an AND gate 106, the output of which therefore only provides a signal when all of the mechanically uncoupled working cylinders 100 have brought about the engaged position of the coupling pins 60.
It can be seen that the guiding and actuating device for the various coupling pins 60, which is shown in FIG. 6, can be retrofitted particularly easily to drive parts 40 which are already in use.
In the exemplary embodiments described above, it was necessary to provide the smooth coupling openings 38 nested in the circumferential direction between the coupling threaded bores 32. In the exemplary embodiment according to FIG. 7, the coupling threaded bores 32 already provided in the pipe end section 24 are used to establish the mechanical connection between the drive part 40 and the upper pipe end.
The coupling pins 60 have a threaded end portion 108 which can cooperate directly with the coupling threaded bore 38. The threaded end section 108 is adjoined by a smooth intermediate section 110 which runs in sliding play in the associated coupling opening 50 of the drive part 50. The intermediate section 110 is followed by a conical head section 112, the shape of which corresponds to the shape of the countersunk head of the screw bolts 36. Sections 108 to 112 thus correspond overall to a screw bolt 36. The head section 112 is integrally formed on a spindle section 114 which carries a thread which corresponds to the thread on the end section 108 in terms of rotation and pitch. The spindle section 114 runs in a threaded sleeve 116, which is received in axial sliding play in a chamber 118 of the ring-shaped coupling housing 54.
To secure the threaded sleeve 116 against rotation within the chamber 118, the threaded sleeve 116 is provided with a longitudinally extending groove 120, in which a positioning pin 122 seated in the chamber wall engages in the sliding play.
As can be seen from FIG. 7, the threaded sleeve 116 has a smaller axial dimension than the effective length of the chamber 118 and is supported on its two end faces by corrugated springs 124, 126 on the chamber end walls.
In order to be able to insert the threaded sleeve 116 into the chamber 118 and to be able to adjust the pretensioning of the corrugated disc springs 124, 126, the chamber 118 is closed by an annular cover 128 which is threaded on the outside and in the threaded outermost section the chamber 118 can be screwed into it.
As can be seen from FIG. 7, the length of the spindle section 114 is at least by the wall thickness of the pipe end section 24 greater than the axial dimension of the threaded sleeve 116, so that the end section 108 which also represents the coupling section can be completely unscrewed from the coupling threaded bore 32. A toothed gear serves to rotate the spindle section 114. This includes a pinion 130, which works on the spindle section 114 via a slip clutch. For this purpose, the pinion 130 is rotatably mounted on an outer spindle end section 132 and axially fixed by a snap ring 134, which is held by a pin 136, which in turn projects outwards from the bottom of a spring chamber 138.
The spring chamber 138 is pierced in a ring shape in the free end face of the spindle section 114 and receives a disk spring stack 140 under pretension.
The pinion 130 meshes with a ring gear 142 which is formed in the upper end face of the actuating ring 66. In the exemplary embodiment considered here, the actuating ring 66 is mounted on a shoulder 144 of the clutch housing 54 in a sliding fit. The stop bar 82 is formed directly on the outside of the actuating ring 66, and the fixed stop 84 is again movable in and out of the path of the stop bar 82. When the stop 84 is withdrawn, the actuation ring 66 rotates again with the clutch housing 54, the stop rod 82 comes into contact with the extended stop 84, the actuation ring 66 on the clutch housing 54 is rotated, and the clutch pins 60 are removed from the clutch via the pinion 130. Threaded holes 32 out or screwed into this.
When the coupling pins are unscrewed, they come completely free from the associated coupling threaded bore 32, since the spindle section 114 continues to work together with the threaded sleeve 116. Conversely, when the drive connection between the drive part 40 and the pipe end section 24 is established, the threaded end section 108 is moved up to the coupling threaded bore 32 in that the spindle section 114 cooperates with the threaded sleeve 116.
In practice, it is not possible to set the beginning of all of the coupling threaded holes exactly the same in terms of angle, which would be necessary so that the various threaded coupling pins all run into the assigned coupling threaded holes 32 at the same time. In order to compensate for such differences in the phase position of the threads lying in the tube end section 24, the threaded sleeve 116 can be adjusted against the force of the corrugated disc springs 124, 126 by at least one pitch.
In order to be able to release a coupling pin that has been screwed down very tightly in an emergency, the part of the coupling pin lying between the cover 128 and the pinion 130 is provided with a hexagon 146 to which a wrench can be attached.
The following modifications of the above-described embodiment examples, which are not shown in the drawing, are briefly pointed out below: In the exemplary embodiment according to FIG. 5, the actuating ring 66 can be rotatably mounted on the drive part 66, with the plane annular groove 98 being replaced by a vertical one Cam groove arrangement with increasing and decreasing sections occurs.
If, in the exemplary embodiment according to FIG. 5, the angle levers are rotatably mounted about an axis-parallel (vertical) axis, their actuating arms can be provided with an actuating pin and driven by a similar rotatable actuating ring as shown in FIG.
Conversely, in the exemplary embodiment according to FIGS. 1 to 4 it is also possible to provide an axially displaceable actuating ring 66 which works via wedge surfaces on rear faces of the guide heads 58 which are then inclined.