CN116498215A - 钻头和包括这种钻头的钻孔系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种钻头，所述钻头在运行中能够围绕转动轴线旋转并且所述钻头的有效钻孔直径可扩大，所述钻头具有：基体，所述基体包括配备有至少一个切削刀具的端侧；以及至少一个扩展臂，所述扩展臂与所述基体以能够围绕枢转轴线枢转的方式耦联，并且能够在缩回位置和第一展开位置之间枢转，所述第一展开位置将有效钻孔直径扩大第一量值，其中所述至少一个扩展臂包括配备有至少一个切削刀具的作用侧，所述作用侧在所述至少一个扩展臂的所述缩回位置中与所述基体的所述端侧至少近似位于一个平面上，并且在所述至少一个扩展臂的第一展开位置中所述作用侧以在所述转动轴线的方向上至少近似无阶梯偏移的方式从所述基体的所述端侧延伸。

Description

钻头和包括这种钻头的钻孔系统
本发明申请是申请日期为2019年3月8日、申请号为“201980017618.X”、发明名称为“钻头和包括这种钻头的钻孔系统”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种钻头，所述钻头在运行中能够围绕转动轴线旋转并且所述钻头的有效钻孔直径能够扩大，所述钻头具有：基体，所述基体包括配备有至少一个切削刀具的端侧；以及至少一个扩展臂，所述扩展臂能够与所述基体以围绕枢转轴线枢转的方式耦联，并且能够在缩回位置和第一展开位置之间枢转，所述第一展开位置将有效钻孔直径扩大第一量值，其中所述扩展臂包括配备有至少一个切削刀具的作用侧。
背景技术
从KR 20060006754中已知具有这些特征的钻头。在缩回位置中，扩展臂的至少一个切削刀具不起作用；在展开位置中，在运行中借助基体钻出的钻孔的直径紧随着钻孔底部扩展。
这种钻头例如在用于风力设备的海上基底钻孔中使用。
为了提高风力设备的性能，所述风力设备尤其是所谓的“海上风电场”的一部分，存在风力设备越来越大的趋势。因此必须设计风力设备的基座以承受越来越大的负载。
为了满足这种要求，例如已知的是，提供多个，例如三个布置成三角形的桩作为用于风力设备的基座，所述桩沉入海床并且突出于水面。这些桩的上端部经由承载结构彼此连接，风力设备的塔的下端部锚固在所述承载结构上。这些也被称为“三脚架”的基座还具有下述缺点：由于需要大量的基底钻孔，因此增加了所需的设立耗费。
因此，目前在近海区域中使用许多风力设备，所述风力设备的塔分别锚固在单个桩基底(也称为“单桩”)的上端部上。为了获得这些桩基底的所需的稳定性，所述桩基底在水下区域中至少在被引入海底的长度上具有比相应的上端部的直径更大的直径，其中所述风力设备的塔被锚固在该上端部上。因此，这些桩基座通常包括一个“瓶颈”，不同直径的两个区域经由所述瓶颈过渡到彼此中。
为了使这些桩基座下降，通常需要对位于桩内的海底钻孔。为此，必须将钻头穿过直径较小的区域从上方引入桩基座的内部中。因此需要使用开始描述的类型的钻头，其有效钻孔直径是可扩展的。
发明内容
本发明所基于的目的是，提供一种钻头，所述钻头对于规定的应用进行了改进。
所述目的通过在权利要求1中给出的钻头实现。
根据本发明的钻头构成为，使得所述扩展臂的作用侧在缩回位置中与基体的端侧至少近似位于一个平面上。“至少近似”理解为，在扩展臂的作用侧与基体的端侧之间不应存在大于切削刀具沿转动轴线的方向的伸展的阶梯偏移。
由于这种构成方案，在根据本发明的钻头中，至少一个扩展臂的至少一个切削刀具也能够在其缩回位置中用于在钻孔底部去除土壤。因此，与属于现有技术的钻头相比，借助根据本发明的钻头可实现的钻孔功率得以提高，在属于现有技术的钻头中，至少一个扩展臂的至少一个切削刀具在其缩回位置中不起作用。
根据本发明的钻头还构成为，使得在扩展臂的第一展开位置中，作用侧以在转动轴线的方向上至少近似无阶梯偏移的方式连接在基体的端侧上。
“至少近似无阶梯偏移”表示：阶梯偏移不应大于切削刀具在转动轴线的方向上的伸展。无阶梯偏移并不表示：作用侧和端侧必须彼此平行地定向。而是，所述作用侧能够相对于端侧倾斜。
由于这种构成方案，至少一个扩展臂的至少一个切削刀具在第一展开位置中在如下平面中工作，所述平面以至少近似无阶梯偏移的方式通入基体的至少一个切削刀具所工作的平面中。因此，在借助位于第一展开位置中的扩展臂来钻出钻孔时，能够实现没有所扩大的直径的水平的阶梯偏移的钻孔底部，但是，钻孔底部的借助至少一个扩展臂提供的区域能够相对于借助基体提供的区域倾斜。
在借助这种类型的钻头钻入的钻孔中，钻孔底部的借助钻头的基体向前推进的区域领先于借助扩展臂向前推进的区域。然而，因为这对于桩基座的掘进不是必需的，因此通过可避免的钻孔时间和可避免的要去除的钻屑的量而增加这种类型的钻头所需的耗费，这借助根据本发明的钻头来避免。
在根据本发明的钻头的一个优选的改进方案中，至少一个扩展臂能够枢转到第二展开位置中，所述第二展开位置将钻头的有效钻孔直径扩大第二量值。由于钻头的这种构成方案可行的是，首先借助将有效钻孔直径扩大第一量值，将钻孔穿过桩基座的内部推进到桩基座的下端部中，随后借助将有效钻孔直径扩大第二量值继续推进。因此能够使桩基座更容易地引入到所需的最终深度处。为了该目的，将以第二量值扩大的有效钻孔直径优选选择为，使得其至少对应于桩基座的外径。
在根据本发明的钻头的另一优选的实施形式中，在第一和/或第二展开位置中，至少一个扩展臂的作用侧相对于基体的端侧从端侧向基体倾斜地具有20°至45°的角度。由于该措施，钻孔底部的由至少一个扩展臂提供的区域相对于由基体提供的区域以大约相同的角度升高。令人意外地表明：以这种方式，能够将松散的钻屑特别有效地从钻孔底部运走，进而能够在向下推进钻孔期间减小钻头的摩擦。因此，该优选的实施形式的特征在于，用于向下推进钻孔的能量需求特别小，以及钻头并且尤其是切削刀具的磨损特别低。
在根据本发明的钻头的另一优选的实施形式中设有封闭元件，所述封闭元件至少基本上封闭在扩展臂的第一和/或第二展开位置中在端侧与作用侧之间产生的空隙面。因此避免：钻屑能够穿过所述空隙面进入钻头的区域中，所述区域阻止至少一个扩展臂向回移动到其缩回位置中，这可能会使钻头很难或者甚至无法从钻孔中移出。
在根据本发明的钻头的一个优选的实施形式中，至少一个扩展臂具有朝向钻头的转动轴线的侧。在该侧的区域中，操作杆的第一端部能够以围绕大致平行于枢转轴线伸展的轴线移动的方式铰接在扩展臂上，其中所述操作杆的第二端部沿着横向于轴线延伸的导向部可移动地铰接在基体上。由于这种设计方案，至少一个扩展臂以特别稳定的方式与基体耦联，使得即使在岩石上推进钻孔时，在第一或第二展开位置中作用到至少一个扩展臂上的力能够无损坏地导入所述基体中。
为了使至少一个扩展臂在缩回位置以及第一和/或第二展开位置之间移位，优选设有直线马达，所述直线马达借助第一端部铰接在基体上，并且借助第二端部铰接在操作杆上。术语“直线马达”不应被理解为局限于电动的马达，而是应被广义地解释。尤其，在此也应理解为液压缸或气动缸。在根据本发明的钻头的一个特别优选的实施形式中，设有液压缸，所述液压缸借助第一端部铰接在基体上，并且借助第二端部铰接在操作杆上。
在根据本发明的钻头的一个特别优选的改进方案中，所述操纵杆构造为，使得其形成封闭元件。由此避免了与附加的封闭元件相关联的结构上的耗费。
当——如优选地那样——切削刀具的至少一部分构成为滚轮车刀时，根据本发明的钻头即使在岩石基底上也特别适合于向下推进钻孔。
如果所述钻头的基体和至少一个扩展臂构成为，使得有效钻孔直径能够在5000mm和8000mm的范围内扩展，那么根据本发明的钻头特别适合用于在海上区域中引入用于风力设备的桩基座。在根据本发明的钻头的一个实施形式中，有效钻孔直径例如在至少一个扩展臂的缩回位置中能够是5150mm，在扩大了第一量值的第一展开位置中为6800mm，而在扩大了第二量值的第二展开位置中为7400mm。
本发明也涉及一种钻孔系统，所述钻孔系统包括旋转装置、承载杆和与所述承载杆耦联的根据本发明的钻头。
附图说明
在附图中纯示意性地示出根据本发明的钻头的一个实施例。附图示出：
图1示出根据本发明的钻头的实施例在小直径的柱的区域中的侧视图，所述钻头具有位于缩回位置中的扩展臂；
图2示出根据图1的具有位于缩回位置中的扩展臂的钻头的该实施例的底视图；
图3示出根据本发明的钻头的相同的实施例的在柱的较大直径的区域中的对应于图1的视图，所述钻头具有位于第一展开位置中的扩展臂；
图4示出根据本发明的钻头的相同的实施例的在位于柱的下端部下方的位置中对应于图3的视图，所述钻头具有位于第二展开位置中的扩展臂；以及
图5示出根据本发明的钻头的相同的实施例的底视图，其中水平延伸的扩展臂位于第一展开位置中，而竖直延伸的扩展臂位于第二展开位置中。
具体实施方式
在附图中作为整体用100表示的根据本发明的钻头的实施例(下文简称为“钻头100”)在运行期间与在图1中所示出的承载杆1耦联，所述承载杆能够借助于在附图中没有示出的转动装置置于围绕转动轴线S的旋转中。所述钻头100因此能够在运行中围绕转动轴线S旋转。
所述钻头具有基体2，所述基体2包括配备有多个切削刀具3的端侧4。
此外，所述钻头100具有扩展臂5，所述扩展臂——关于其中心平面——沿转动方向错开90°设置。每个扩展臂5借助于栓6与基体2耦联，所述栓限定了枢转轴线W，相应的扩展臂能够围绕所述枢转轴线枢转。所述枢转轴线W垂直于转动轴线S定向。
每个扩展臂5包括配备有多个切削刀具7的作用侧8。
每个扩展臂5能够在图1和2中所示出的缩回位置、第一展开位置以及第二展开位置之间围绕所述枢转轴线W枢转，在所述缩回位置中每个作用侧8与端侧4至少近似位于一个平面E中并且所述钻头具有有效钻孔直径D0(见图1)，在第一展开位置中有效钻孔直径D1以第一量值B1扩大(见图3)，在第二展开位置中有效钻孔直径D2以第二量值B2扩大(见图4)。
如在图3和图4中可见的，扩展臂5的作用侧8仅在第一展开位置(图3)中和第二展开位置(图4)中关于转动轴线S的方向至少近似无阶梯偏移地从基体2的端侧4延伸。
在扩展臂5位于第一展开位置和第二展开位置的情况下，所述作用侧8分别相对于基体2的端侧4具有在20°和45°之间，优选为大约37°的角度α。以这种方式引起，借助于扩展臂5的切削刀具7去除的钻屑在重力作用下沿钻孔中心方向下落，进而例如更简单地经由位于基体2的端侧4中的抽吸口9通过抽吸被引出。
为了能够使所述扩展臂5在缩回位置与第一和第二展开位置之间枢转，为每个扩展臂5设有液压缸10。每个液压缸借助第一端部11铰接在基体2上，并且在第二端部12处铰接在操纵杆13上。
每个操作杆13借助第一端部14铰接在扩展臂5的朝向转动轴线S的侧的区域中。所述操作杆13的第二端部15在平行于转动轴线S的导向部16中可移动地支承在基体2上。
如通过比较图1、3和4可见，液压缸的长度变化借助于这种装置引起扩展臂5围绕枢转轴线W的枢转运动。
所述操作杆13构成为，使得所述操作杆至少基本上封闭在基体2的端侧4与在第一和第二展开位置中的扩展臂5的作用侧8之间产生的空隙面。因此，所述操作杆同时用于形成封闭元件17，所述封闭元件防止钻屑进入基体2中，并且防止可能由此引起的扩展臂5的卡住。
附图标记列表：
100钻头
1承载杆
2基体
3切削刀具
4端侧
5扩展臂
6栓
7切削刀具
8作用侧
9抽吸口
10液压缸
11第一端部
12第二端部
13操作杆
14第一端部
15 第二端部
16 导向部
17封闭元件
B1、B2量值
D0、D1、D2直径
E平面
S转动轴线
W枢转轴线
A角度

Claims (10)

1.一种钻头(100)，所述钻头在运行中能够围绕转动轴线(S)旋转并且所述钻头的有效钻孔直径(D0、D1、D2)能够扩大，所述钻头具有：
基体(2)，所述基体包括配备有至少一个切削刀具(3)的端侧(4)；
以及至少一个扩展臂(5)，所述扩展臂能够与所述基体(2)以围绕枢转轴线(W)枢转的方式耦联并且能够在缩回位置和第一展开位置之间枢转，所述第一展开位置将所述有效钻孔直径扩大第一量值(B1)，其中所述至少一个扩展臂(5)包括配备有至少一个切削刀具(7)的作用侧(8)，
其特征在于，在所述至少一个扩展臂(5)的缩回位置中，所述作用侧(8)与所述基体(2)的所述端侧(4)至少近似位于一个平面(E)上，
并且在所述至少一个扩展臂(5)的第一展开位置中，所述作用侧(8)以在所述转动轴线(S)的方向上至少近似无阶梯偏移的方式从所述基体(2)的所述端侧(4)延伸，
其中，所述至少一个扩展臂(5)能够枢转到第二展开位置中，所述第二展开位置将所述有效钻孔直径扩大第二量值(B2)。
2.根据权利要求1所述的钻头，其特征在于，在所述第一展开位置和/或所述第二展开位置中，所述至少一个扩展臂(5)的作用侧(8)相对于所述基体(2)的所述端侧(4)从所述端侧(4)向所述基体(2)倾斜地具有20°至45°的角度(α)。
3.根据权利要求1或2所述的钻头，其特征在于，设有封闭元件(17)，所述封闭元件至少基本上封闭在所述至少一个扩展臂(5)的所述第一展开位置或所述第二展开位置中在所述端侧(4)与所述作用侧(8)之间产生的空隙面。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的钻头，其特征在于，所述至少一个扩展臂(5)具有朝向所述转动轴线(S)的侧，在该侧的区域中，操作杆(13)的第一端部(14)以能够围绕大致平行于所述枢转轴线伸展的轴线枢转的方式铰接在所述至少一个扩展臂(5)上，并且所述操作杆(13)的第二端部(15)沿着导向部(16)可移动地铰接在所述基体(2)上。
5.根据权利要求4所述的钻头，其特征在于，设有直线马达，所述直线马达借助第一端部(11)铰接在所述基体(2)上，并且借助第二端部(12)铰接在所述操作杆(13)上，其中所述直线马达优选包括气动缸，并且尤其优选包括液压缸(10)。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的钻头，其特征在于，所述操纵杆(13)的尺寸设计为，使得其形成所述封闭元件(17)。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的钻头，其特征在于，所述切削刀具(3、7)的至少一部分构成为滚轮车刀。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的钻头，其特征在于，所述有效钻孔直径能够从5000mm扩大到8000mm。
9.一种钻孔系统，所述钻孔系统包括旋转装置和承载杆(1)，其特征在于，所述钻孔系统还包括与所述承载杆(1)耦联的根据权利要求1至8中任一项所述的钻头(100)。
10.一种使用根据权利要求1-8所述的钻头的方法，包括：
通过承载杆(1)，使钻头(100)在所述至少一个臂(5)处于缩回位置中的情况下穿过桩基座的上部；
将所述至少一个臂(5)展开到所述第一展开位置；
借助处于所述第一展开位置中的所述钻头(100)在所述桩基座内部钻孔；
将所述至少一个臂(5)展开到所述第二展开位置；
借助处于所述第二展开位置中的所述钻孔头(100)在所述桩基座下方钻孔。
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