DD236366A5

DD236366A5 - Bohrkopf mit planetengetriebe und einfachem bohrgestaenge

Info

Publication number: DD236366A5
Application number: DD27348785A
Authority: DD
Inventors: Wolfgang Ebeling
Original assignee: Turmag Turbo-Maschinen-Ag Nuesse U. Graefner,De
Priority date: 1984-12-13
Filing date: 1985-02-22
Publication date: 1986-06-04

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Bohrkopf zum Bohren im Gestein mit einer Zentralwelle, die mit einem einfachen Bohrgestaenge gekuppelt ist und auf der mindestens ein Werkzeugtraeger mit Bohrwerkzeugen ueber ein Planetengetriebe drehbar und antreibbar ist. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung dieser Art zu schaffen, die eine guenstige Umlaufbewegung des Werkzeugtraegers sicherstellt und dadurch eine guenstige Schnittgeschwindigkeit und Bohrleistung der Bohrwerkzeuge gewaehrleistet. Diese Aufgabe wird im wesentlichen dadurch geloest, dass zum Andruck gegen die zylindrische Bohrlochwandung auf der Zentralwelle eine aus mehreren radialsymmetrisch angebrachten Abstuetzelementen bestehende Abstuetzvorrichtung angeordnet ist, die ueber ein Getriebe so mit der Zentralwelle einerseits und mit dem Werkzeugtraeger andererseits getrieblich verbunden ist, dass der Werkzeugtraeger in eine langsame Umdrehung um die Zentralwelle antreibbar ist. Fig. 3

Description

Hierzu 4 Seiten Zeichnungen

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Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Bohrkopf zum Bohren im Gestein mit einer Zentralwelle, die mit einem einfachen Bohrgestänge gekuppelt ist und auf der mindestens ein Werkzeugträger mit Bohrwerkzeugen über ein Planetengetriebe drehbar und antreibbar ist.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Ein bekannter Bohrkopf dieser Art nach der US-PS 3 771 611 weist um je 120° zueinander versetzte, als Schrämscheiben ausgebildete Bohrwerkzeuge auf, die von der Zentralwelle gegenläufig und mit verminderter Drehzahl antreibbar sind. Dadurch . wirken die Bohrwerkzeuge zwar unterstützend im Richtungssinn des Antriebsmomentes, wobei zudem zwischen der Zentralwelle und den Antriebswellen für die Bohrwerkzeuge über entsprechend ausgebildete Planetengetriebe eine Untersetzung stattfindet. Grundsätzlich müßte ein Bohrkopf mit diesen Merkmalen im Gestein eine entsprechend hohe Schnittleistung erbringen. Denn durch die Gegenläufigkeit und durch die infolge einer Getriebeuntersetzung mit erhöhtem Drehmoment schneidenden Bohrwerkzeuge erzeugt ein jedes für sich am Gestein ein Reaktionsmoment, welches die Drehbewegung des Bohrkopfgehäuses um die Zentralwelle unterstützt. Durch diese Drehmomentenunterstützung gelingt es, das nicht unmittelbar angetriebene Bohrkopfgehäuse in die erforderliche Umlaufbewegung zu setzen. Dabei können die Getriebeuntersetzungen, die Anzahl der Schneidwerkzeuge auf den einzelnen Kreisbahnen und die jeweilige Größe der zu bearbeitenden Ringfläche der Bohrlochsohle aufeinander abgestimmt werden. Dennoch hat sich anhand von Versuchen überraschend gezeigt, daß mit diesen Merkmalen allein eine günstige Umlaufbewegung des Werkzeugträgers und eine günstige Schnittgeschwindigkeit der Bohrwerkzeuge nicht sichergestellt werden kann. Vielmehr hat sich herausgestellt, daß sich mit hoher Umlaufdrehzahl der Werkzeugträger freidrehen kann und sodann mit ungünstiger Umlaufbewegung um die Zentralwelle umläuft. Dies liegt insbesondere daran, daß gemäß Fig. 2 der US-PS 3 771 611 die einzelnen Bohrwerkzeuge in der Nähe des an der Bohrlochwandung liegenden Scheitelpunktes ihrer Evolventenbahn keine echte Schneidwirkung, sondern nur noch eine Drehbewegung um sich selbst ausführen. Dadurch bleibt in der Nähe der Bohrlochwandung eine nur langsam und schwer abtragbare Stufe stehen, die den Vortrieb des Bohrkopfes erheblich hemmt. An der dadurch bedingten höheren Umlaufdrehzahl des Werkzeugträgers und der damit verknüpften geringeren Bohrleistung vermag sich die Gegenläufigkeit sämtlicher Bohrwerkzeuge gegenüber der Zentralwelle nichts zu ändern. Insofern kommt es auf die Gegenläufigkeit der Bohrwerkzeuge gegenüber der Zentralwelle diesbezüglich nicht mehr an.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, einen Bohrkopf zum Bohren im Gestein zur Anwendung zu bringen, der bei e"iner Senkung des apparativen Aufwandes eine Verbesserung der Bohrleistung zur Folge hat.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Bohrkopf zum Bohren im Gestein mit einer Zentralwelle, die mit einem einfachen Bohrgestänge gekuppelt ist und auf der mindestens ein Werkzeugträger mit Rohrwerkzeugen über ein Planetengetriebe drehbar und antreibbar ist, zu schaffen, der eine günstige Umlaufbewegung des Werkzeugträgers sicherstellt und dadurch eine günstige Schnittgeschwindigkeit und Bohrleistung der Bohrwerkzeuge gewährleistet.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zum Andruck gegen die zylindrische Bohrlochwandung auf der Zentralwelle eine aus mehreren radialsymmetrisch angebrachten Abstützelementen bestehende Abstützvorrichtung angeordnet ist, die über ein Getriebe so mit der Zentralwelle einerseits und mit dem Werkzeugträger andererseits getrieblich verbunden ist, daß der Werkzeugträger in eine langsame Umdrehung um die Zentralwelle antreibbar ist. Auf diese Weise findet über die Abstützvorrichtung eine Verklammerung des von der Zentralwelle angetriebenen Getriebes mit dem Gebirge statt, wodurch der oder die Werkzeugträger für die Bohrwerkzeuge in einen Zwangsumlauf um die Zentralwelle versetzt werden. Durch diese Verklammerung mit dem Gebirge und dem dadurch in jedem Augenblick erzielten Zwangsumlauf der Werkzeugträger können wechselnde Gesteinseigenschaften, unterschiedliche Abstumpfungserscheinungen der Bohrwerkzeuge und ein unregelmäßiger Angriff der Bohrwerkzeuge beim Anbohren nicht mehr zu einem freien Umlauf der Werkzeugträger um die Zentralwelle führen. Die Folge ist eine gleichmäßige, und zwar eine gleichmäßig langsame und damit günstige Umlaufbewegung des Werkzeugträgers um die Zentralwelle und dadurch auch eine günstige Schnittgeschwindigkeit und Bohrleistung der Bohrwerkzeuge.

Da die Verklammerung der vorbeschriebenen Abstützvorrichtung mit dem Gebirge bis auf eventuell - unerwünschte Abrutscheffekte in der jeweiligen Bohrebene stets ortsfest ist, kann man diese Verklammerung nachfolgend auch kurz und prägnant als „statische Abstützung" bezeichnen.

Bei dieser statischen Abstützung können nach einer ersten Ausführungsform die Abstützelemente aus mehreren zueinander um den gleichen Winkel versetzte Kufen bestehen, deren Längsrichtungen parallel zur Zentralwelle ausgerichtet sind.

Nach einer zweiten Ausführungsform können die Abstützelemente aus mehreren zueinander um einen gleichen Winkel versetzte Rollen bestehen, deren Abrollrichtungen parallel zur Zentralwelle verlaufen. Dabei können die Kufen und/oder die Rollen mit Schneidkanten versehen sein und/oder unter Wirkung einer Druckfeder mit der Bohrlochwandung in Eingriff gelangen.

Nach einer dritten Ausführungsform können die Abstützelemente aus mehreren zueinander um einen gleichen Winkel versetzte, gegen die Bohrlochwandung andrückbare Raupen hergestellt werden, deren Raupenbewegungsrichtung parallel zur Zentralwelle ausgerichtet ist.

Und schließlich können nach einer vierten Ausführungsform die Abstützelemente aus mehreren, an sich bekannten, zueinander um einen gleichen Winkel versetzte hydraulische Spannvorrichtungen mit je zwei Kolbenzylindereinheiten bestehen, von denen eine Kolbenzylindereinheit mit einer Spannpratze gegen die Bohrlochwandung drückt und die andere Kolbenzylindereinheit als Schreitvorrichtung mit ihrer Längsachse parallel zur Zentralwelle ausgerichtet ist.

Die verspannten Raupen und Kolbenzylindereinheiten können mit einer sie in Vortriebsrichtung des Bohrkopfes vorantreibenden

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Energieversorgung versehen sein, wodurch das das Bohrgestänge haltende bzw. ziehende Vorschubaggregat eine Entlastung erfährt. Dabei kann die Energieversorgung wahlweise von einer außerhalb des Bohrloches angeordneten Energiequelle herangeführt oder von einer über die Zentralwelle antreibbaren Hydraulikpumpe gebildet sein, die auf der Abstützvorrichtung befestigt ist. Unabhängig von der vorbeschriebenen Lösungsälternative der „statischen Abstützung" ist noch eine zweite Lösungsalternative möglich, die man als „dynamische Abstützung" bezeichnen kann. Diese Lösung ist in Verbindung mit den Merkmalen des eingangs genannten Gattungsbegriffes dadurch gekennzeichnet, daß der Werkzeugträger mit ihm drehfest verbundene Hilfsbohrwerkzeuge aufweist und die anderen Bohrwerkzeuge in an sich bekannter Weise aus dem Werkzeugträger drehbar gelagerten und vom Planetengetriebe angetriebenen Planetenschrämscheiben bestehen. Dabei können die Hilfsbohrwerkzeuge im Werkzeugträger in Bohrrichtung in einer vor, hinter oder in der gleichen Ebene der Bohrwerkzeuge der Planetenschrämscheiben gelegenen Ebene angeordnet sein. Dadurch graben sich die Hilfsbohrwerkzeuge im Werkzeugträger in einer dessen Umlaufgeschwindigkeit hemmenden Weise in das Gebirge ein, wodurch sie eine eigene kreisförmige Schrämnute im Gebirge hinterlassen. Da diese Hilfswerkzeuge zur Verklammerung des Werkzeugträgers im Gebirge aufgrund des Umlaufes des Werkzeugträgers um die Zentralwelle nicht an einem Ort bzw. Punkt verharren, sondern gleichfalls um die Zentralwelle umlaufen, kann man diese Verklammerung als „dynamische Abstützung" bezeichnen.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung dieser Lösungsalternativen sind zur dynamischen Abstützung die mit dem Werkzeugträger drehfest verbundenen Hilfsbohrwerkzeuge radialsymmetrisch zur Zentralwelle angeordnet und befinden sich auf einem Radius, der größer als der größtmögliche Abstand der Bohrwerkzeuge auf den Planetenschrämscheiben von der Zentralwelle ist. Hierdurch wird ein Freidrehen der Werkzeugträger mit hohen Drehzahlen unterbunden und zugleich eine für die Schneidtechnik der Bohrwerkzeuge auf den Schrämscheiben günstige Evolventenbahn erzeugt.

Es ist im Sinne der Erfindung, daß das Getriebe zur Verbindung der Abstützvorrichtung mit der Zentralwelle und dem Werkzeugträger aus mindestens einem drehfest mit der Abstützvorrichtung verbundenen Hohlrad mit Innenverzahnung, mindestens einem mit dieser Innenverzahnung kämmenden Ritzel, einer Planetenwelle und aus mindestens einem auf der Planetenwelle befindlichen Zahnrad besteht, das von einem drehfest auf der Zentralwelle angeordneten Ritzel antreibbar ist, und in weiterer Ausführung vorteilhaft, wenn auf der Zentralwelle zwei ineinander integrierte sowie konzentrisch angeordnete Werkzeugträger mit Rollenbohrwerkzeugen angeordnet sind und das Bohrgestänge mit der Zentralwelle über eine Kupplung getrieblich verbunden ist, die zur Winkelbeweglictikeit des Bohrgestänges an einem Ende eine gebogene Kuppelverzahnung und zur Längsverschieblichkeit des Bohrgestänges zur Zentralwelle am anderen Ende eine gerade Innenverzahnung aufweist, mit der sich die Kuppelverzahnung in Eingriff befindet.

Eine Ausgestaltungsform ist es, daß bei Überschreitung einer Längsverschiebung zwischen Bohrgestänge und Zentralwelle über eine Regeleinrichtung die Raupe und/oder.das hydraulische Schreitwerk in Vortriebsbewegung setzbar ist.

Eine Ausführungsvariante sieht vor, daß bei mehr als einem mit Rollenbohrwerkzeugen besetzten Werkzeugträger mindestens ein Werkzeugträger mit einem zum Umlaufsinn der Zentralwelle gleich gerichteten Umlaufsinn durch sein Planetengetriebe antreibbar ist.

Es ist eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung, daß der Werkzeugträger mit ihm drehfest verbundene Hilfsbohrwerkzeuge aufweist und die anderen Bohrwerkzeuge in an sich bekannter Weise aus dem Werkzeugträger drehbar gelagerten und vom Planetengetriebe angetriebene Schrämscheiben bestehen.

Die mit dem Werkzeugträger drehfest verbundenen Hilfsbohrwerkzeuge sind radialsymmetrisch zur Zentralwelle angeordnet. Weiterhin ist es im Sinne der Erfindung, daß die drehfest auf dem Werkzeugträger befindlichen Hilfsbohrwerkzeuge auf einem Radius angeordnet sind, der größer als der größtmögliche Abstand der Bohrwerkzeuge auf den Planetenschrämscheiben von der Zentralwelle ist, und die Hilfsbohrwerkzeuge auf dem Werkzeugträger zu den Bohrwerkzeugen auf den Schrämscheiben im entgegengesetzten Drehrichtungssinn angeordnet sind, wobei die Erfindung noch weiterhin ausgebildet ist, wenn eine Kombination einer Abstützvorrichtung sowie Raupen und Spannvorrichtungen mit einer Konsole und den Hilfsbohrwerkzeugen erfolgt.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll anhand mehrerer dargestellter Ausführungsbeispiele beschrieben werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen

Fig. 1: die Alternative einer „dynamischen Abstützung" des Bohrkopfes bei einem „Raise-Bohrkopf", links in einer Seitenansicht und rechts im Längsschnitt,

Fig. 2: die Draufsicht entlang der Linie II—Il in Fig. 1,

Fig. 3: eine Alternative einer „statischen Abstützung" beim „Raise-Bohrkopf" mit einer konzentrischen Zwischenbohrkrone, einer Abstützvorrichtung im Zwischenbohrloch sowie in zwei Ebenen angeordneten Planetenschrämscheiben und einer zweiten Abstützvorrichtung mit federnd gegen die Großlochbohrwandung angedrückten Rollen entlang der Linie IM-III von Fig. 4,

Fig. 4: die schematische Draufsicht entlang der Linie IV-IV von Fig. 3,

Fig. 5: eine zweite Ausführungsform einer „statischen Abstützung" im Längsschnitt mit einem vom Bohrgestänge drückend vorgetriebenen Planetenbohrkopf mit einem Pilotbohrer und mit einer aus mehreren federnden Schneidkufen bestehenden, unmittelbar hinter einer Zwischenbohrkrone angeordneten Abstützvorrichtung gemäß der Schnittlinie V-V in Fig. 6,

Fig. 6: die Draufsicht entlang der Linie Vl-Vl in Fig. 5,

Fig. 7: eine dritte Ausführungsform einer „statischen Abstützung" mit einem vom ziehenden Bohrgestänge angetriebenen Erweiterungs-Bohrkopf im Vertikal-Halbschnitt mit Rollenbohrwerkzeugen auf zwei konzentrischen Werkzeugträgern, einer längsbeweglichen Kupplung für das Bohrgestänge und einer aus vier Raupenlaufwerkzeugen bestehenden Abstützvorrichtung,

Fig. 8: eine vierte Ausführungsform einer „statischen Abstützung" mit einem vom ziehenden Bohrgestänge angetriebenen Erweiterungsbohrkopf im Vertikal-Halbschnitt mit Rollenbohrwerkzeugen auf zwei konzentrischen Werkzeugträgern, einer längsbeweglichen Kupplung für das Bohrgestänge und einer aus vier hydraulischen Schreitwerken mit vier an die Großlochbohrwand anstellbaren Spannpratzen bestehende Abstützvorrichtung.

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In Fig. 1 bis 8 ist das einfache Bohrgestänge 1, die Zentralwelle 2 und die Kupplungsstelle 3 zwischen Bohrgestänge 1 und Zentralwelle 2 dargestellt. Außerdem weist jeder Bohrkopf einen um die Zentralwelle 2 drehbaren Werkzeugträger 4 auf, an den über ein Planetengetriebe 5 Bohrwerkzeuge 6 drehbar und antreibbar sind.

In Fig. 1 und 2 der zweiten Lösungsalternative einer „dynamischen Abstützung" des neuen Bohrkopfes werden die beiden Planetenräder 7, 8 über ein drehfest auf der Zentralwelle 2 angeordnetes Ritzel 9 angetrieben, wodurch zugleich auch die unmittelbar mit den Planetenrädern 7, 8 verbundenen Schrämscheiben 10,11 mit den Schrämmeißeln 12 in Drehungen versetzt werden. Bei einer angenommenen Drehrichtung des Bohrgestänges 1 und der Zentralwelle 2 in Richtung des Pfeiles 13 von Fig. 2 laufen die Planetenräder 7, 8 und damit die Schrämscheiben 10,11 in Ricghtung der Pfeile 14 um. Da der Werkzeugträger 4 drehbar auf der Zentralwelle 2 gelagert ist, läuft er in Richtung des Pfeiles 15 um. Um eine gewünschte rasche Umlaufbewegung des Werkzeugträgers 4 in Richtung des Pfeiles 15 und damit der gleichen Drehrichtung des Bohrgestänges 1 und der Zentralwelle 2 entgegen der Drehrichtung der Schrämscheiben 10,11 zu bremsen, sind am Werkzeugträger 4 Konsolen 16 mit Hilfsbohrwerkzeugen 17 angeordnet, die in Bohrrichtung in Richtung des Pfeiles 18 in einer vor der Ebene 19 der Schrämscheiben 10,11 befindlichen Ebene 20 angeordnet sind. Dadurch graben sich die Hilfsbohrwerkzeuge 17 beim Umlauf des Werkzeugträgers in Richtung des Pfeiles 15 in das Gebirge und ziehen dabei eine kreisförmige Schrämnute 21 in die Bohrfläche 22. Vorteilhaft sind die mit dem Werkzeugträger 4 über die Konsolen 16, 16'verbundenen Hilfsbohrwerkzeuge 17, 17' radialsymmetrisch zur Zentralwelle 2 angeordnet.

Eine besonders vorteilhafte Wirkung entfalten die Hilfsbohrwerkzeuge 17', wenn sie auf einem Radius 23 angeordnet sind, der geringfügig größer als der größtmögliche Abstand A der Bohrwerkzeuge 12 auf den Schrämscheiben 10,11 von der Zentralwelle 2 ist, wie dies in Fig. 1 und 2 angedeutet ist. .

In Fig. 3 und 4 ist eine erste Ausführungsform einer Lösungsalternative einer „statischen Abstützung" beim „Raise-Bohrkopf" dargestellt. Dabei sind von den Bohrwerkzeugen 6 eine Planetenschrämscheibe 24 in einer ersten Ebene 25 und dahinter in einer zweiten Ebene 26 zwei weitere auf einen größeren Bohrdurchmesser wirkende Planetenschrämscheiben 27 angeordnet. Sämtliche Planetenschrämscheiben 24, 27 werden von dem Planetengetriebe 29, 30, 31, 32 in einem Drehsinn 33 von dem Ritzel 28 der Zentralwelle 2 angetrieben, der dem Drehrichtungssinn 34 der Zentralwelle 2 und damit des Bohrgestänges 1 entgegenläuft. Der Werkzeugträger 4 läuft dabei in Richtung der Pfeile 35 gemäß Fig. 4 um.

In Bohrrichtung gemäß dem Pfeil 36 ist vor den Planetenschrämscheiben 24, 27 direkt auf der Zentralwelle 2 eine Zwischenbohrkrone 37 drehfest angeordnet, die mit ihren Schämmeißeln 38 ein Zwischenbohrloch 39 bohrt. Hinter der Zwischenbohrkrone 37 ist eine erste „statische Abstützvorrichtung" 40 mit vier festmontierten Schneidkufen 41 vorgesehen, deren Schneidkanten 42 in die Wandung des Zwischenbohrloches 39 einschneiden. Diese Abstützvorrichtung 40 ist über eine Hohlwelle 43 mit einem Hohlrad 44 verbunden, in dessen Innenverzahnung ein Ritzel 45 des zusätzlichen Planetengetriebes eingreift. Die Planetenwelle 48 wird über das Planetenzahnrad 46 von dem weiteren Ritzel 47 der Zentralwelle 2 angetrieben. Dieses Planetengetriebe zwingt im Zusammenwirken mit der Abstützvorrichtung 40, der Hohlwelle 43, dem Hohlrad 44 und dem Ritzel 45 den Werkzeugträger 4 in eine langsame Drehung um die Mittelachse 49.

Unterhalb des Werkzeugträgers 4 ist eine zweite „statische" Abstützvorrichtung 50 auf der Zentralwelle 2 angeordnet. Diese zweite Abstützvorrichtung 50 weist ebenfalls ein Hohlrad 51 auf, mit dessen Innenverzahnung ein zweites Planetenritzel 52 der Planetenwelle 48 kämmt. Die Übersetzung und der Drehsinn von der Planetenwelle 48 über das Planetenritzel 52 auf das Hohlrad 51 sind ebenso gleich wie der entsprechende Drehsinn und die Übersetzung vom oberen Planetenritzel 45 auf das Hohlrad 44. Darüber hinaus weist die zweite Abstützvorrichtung 50 auf Schwingen 53 gelagerte Rollen 54 auf, die von Druckfedern 55 gegen die Wandung der Großlochbohrung 56 gedrückt werden. Die Rollen 54 können auch mit Schneidkanten 54' versehen sein. In den Fig. 5 und 6 ist eine zweite Ausführungsform einer „statischen Abstützung" im Längsschnitt mit einem vom Bohrgestänge drückend vorgetriebenen Planeten-Bohrkopf mit einem Pilotbohrer 57 und mit einer aus mehreren mit unter der Wirkung von Druckfedern 58 bestehenden Schneidkufen 59 bestehende Abstützvorrichtung 60 dargestellt. Auf der Zentralwelle 2 befindet sich unmittelbar hinter dem Pilotbohrer 57 eine mit Schrämmeißeln besetzte Zwischenbohrkrone 37 zum Aufbohren eines Zwischenbohrloches 39. In der Darstellung der Fig. 5 und 6 bestehen die Bohrwerkzeuge 6 im Gegensatz zu dem Ausführungsbeispiel der Fig. 3 und 4 aus zwei in einer Ebene 61 angeordneten Planetenschrämscheiben 62, die über jeweils eine im Werkzeugträger 4 drehbar gelagerte_oWelle 63 und einem damit drehfest verbundenen Planetenrand 64 von einem Ritzel 65 der Zentralwelle 2 angetrieben werden. Die Abstützvorrichtung 60 ist wiederum über eine Hohlwelle 43 und ein Hohlrad 44 mit der Planetenwelle 48 über das Planetenritzel 45 getrieblich verbunden. Auf der Planetenwelle 48 ist ein weiteres Planetenzahnrad 66 drehfest angeordnet, welches von einem zweiten Ritzel 67 auf der Zentralwelle 2 angetrieben wird. Bei einem Drehrichtungssinn in Richtung des Pfeiles 68 gemäß Fig. 6 der Zentralwelle 2 erfolgt die Drehung der Planetenschrämscheiben 62 in Richtung der Pfeile 69.

In den Fig. 7 und 8 sind eine dritte und vierte Ausführungsform einer „statischen Abstützung" mit einem vom ziehenden Bohrgestänge 1 angetriebenen Erweiterungs-Bohrkopf im Vertikal-Halbschnitt dargestellt. Dabei besteht die dritte Ausführungsform der Abstützung aus mehreren um einen gleichen Winkel zueinander versetzte, gegen die Bohrlochwandung andrückbare Raupen 70, deren Raupenbewegung in Richtung des Pfeiles 71 parallel zur Zentralwelle 2 und damit zu deren Mittelachse 49 ausgerichtet ist. Die vierte Ausführungsform besteht aus mehreren, an sich bekannten, zueinander um einen gleichen Winkel versetzte hydraulische Spannvorrichtung 80 mit je zwei Kolbenzylindereinheiten 72, 73, von denen die eine Kolbenzylindereinheit 72 mit einer Spannpratze 74 gegen die Bohrlochwandung 56 drückt und die andere Kolbenzylindereinheit 73 als Schreitvorrichtung mit ihrer Längsache 75 parallel zur Achse 49 der Zentralwelle 2 ausgerichtet ist. Die Raupen 70 und die Kolbenzylindereinheiten können mit einer sie in Vortriebsrichtung des Pfeiles 76 des Bohrkopfes vorantreibenden Energieversorgung versehen sein, die entweder von einer außerhalb des Bohrloches 56 angeordneten Energiequelle herangeführt ist oder aus einer Hydraulikpumpe 77 besteht, die wie im dargestellten Fall auf einer über Konsolen 78 mit den Raupen 70 und/oder den Kolbenzylindereinheiten verbundenen Abstützplatte 79 befestigt ist, durch welche die Zentralwelle 2 frei drehbar hindurchgreift. Die Hydraulikpumpe 77 wird über ein am oberen Ende der Zentralwelle 2 befindliches Zahnrad 81 und ein Antriebsritzel 82 angetrieben.

In den Fig. 7 und 8 bohrt der dargestellte Bohrkopf absteigend auf ein Vorbohrloch 83 in hartem Gestein. Er ist mit Rollenbohrwerkzeugen 103 bestückt, die auf zwei konzentrisch um die Zentralwelle 2 drehenden Werkzeugträgern 84, 85 befestigt sind. Das Bohrgestänge 1 ist über eine Kupplung 86 mit der Zentralwelle 2 gekuppelt. Die Kupplung 86 weist am Ende des Bohrgestänges 1 eine kreisförmige Außenverzahnung 87 auf, die sich mit einer am Ende der Zentralwelle 2 befindlichen Geradverzahnung 88 in Eingriff befindet. Durch die kugelförmige Kuppelverzahnung kann zwischen dem Bohrgestänge 1 und der

Teilen erfolgen. Dabei wirken mehrere Druckfedern 89 in der Kupplung 86 dem Zug des Bohrgestänges 1 entgegen. Die Längsverschiebung der Kuppelverzahnung 87 zur Geradverzahnung 88 der Zentralwelle 2 wird über eine Reglerstange 90 auf den Fühler 91 eines Reglers 92 übertragen. Dieser Regler 92 setzt sodann über die strichpunktiert eingezeichnete Regelleitung 93 beispielsweise die Hydraulikpumpe 77 in Tätigkeit, die wiederum über die Hydraulikleitungen 94 entweder die Raupen 70 in Richtung des Pfeiles 71 oder das aus den Kolbenzylindereinheiten bestehende Schreitwerk zu einer Bewegung seines Zylinders 73 in Richtung des Pfeiles 76 veranlaßt. Dadurch werden die Rollbohrwerkzeuge 103 gegen das Gebirge gedrückt und zugleich das Bohrgestänge 1 entlastet.

Zugleich treibt die Zentralwelle 2 über ihr Ritzel 95 und das Doppelplanetenrad 96 den Innenzahnkranz 97 des äußeren Werkzeugträgers 84 langsam und entgegen der Drehrichtung des Bohrgestänges 1 an. Das Doppelplanetenrad 96 stützt sich hierbei zugleich auf dem Innenzahnkranz 98 der innenverzahnten Abstützplatte 79 der Abstützvorrichtung ab und nimmt über die Planetenachse 99 den inneren Werkzeugträger 85 in mit etwas schnellerer und mit dem Bohrgestänge 1 gleichsinniger Drehung

Mit dem inneren Werkzeugträger 85 ist ein Führungskorb 100 verbunden, der mit seinem Ring 101 die Führung und Zentrierung des Bohrkopfes im Vorbohrloch 83 sicherstellt.

Im wesentlichen sind beim Ausführungsbeispiel der Fig. 7 und 8 auf der hohl ausgebildeten Zentralwelle 2 zwei ineinander integrierte sowie konzentrisch angeordnete Werkzeugträger 84, 85 mit Rollenbohrwerkzeugen 103 angeordnet, von denen ein Werkzeugträger, hier der äußere Werkzeugträger 84, mit einem zum Umlaufsinn der Zentralwelle 2 und damit des Bohrgestänges 1 entgegengesetzten Umlaufsinn durch sein Planetengetriebe antreibbar ist.

Es versteht sich, daß im Rahmen der Erfindung verschiedene Kombinationen möglich sind. So ist beispielsweise die „dynamische Abstützung" gemäß den Fig. 1 und 2 auch kombinierbar mit der „statischen Abstützung" gemäß den Fig. 3 bis 6.

Ferner können auch die Abstützvorrichtungen der Fig. 7 und 8 an die Stelle der Abstützvorrichtung 50 gemäß den Fig. 3 und 4 treten.

Schließlich stellt die Ausführung nach den Fig. 7 und 8 eine „dynamische Abstützung" entsprechend den Fig. 1 und 2 dar, indem die Gegenläufigkeit der beiden Werkzeugträger 84, 85 auch zu einem Abbau des von der statischen Abstützvorrichtung zu haltenden Restmomentes führt. Entsprechend zur Ausführung nach den Fig. 1 und 2 kann bei dem Bohrkopf nach den Fig. 7 und 8 dieser Momentausgleich durch entsprechende Dimensionierung der Werkzeugträger 84, 85, Wahl der gegenseitigen Getriebeübersetzungen und Besetzung der Werkzeugträger 84, 85 mit Bohrwerkzeugen gemäß den Fig. 1 und 2, so weit vervollkommnet werden, daß auf die statische Abstützung verzichtet werden könnte. In diesem Fall müßte allerdings der Bohrandruck durch das Gewicht des Bohrkopfes und die Zugkraft des Bohrgestänges 1 aufgebracht werden.

Claims

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Erfindungsanspruch:

1. Bohrkopf zum Bohren im Gestein mit einer Zentralwelle, die mit einem einfachen Bohrgestänge gekuppelt ist und auf der mindestens ein Werkzeugträger mit Bohrwerkzeugen über ein Planetengetriebe drehbar und antreibbar ist, gekennzeichnet dadurch, daß zum Andruck gegen die zylindrische Bohrlochwandung (39, 56) auf der Zentralwelle (2) eine aus mehreren radialsymmetrisch angebrachten Abstützelementen bestehende Abstützvorrichtung (40, 50, 60) angeordnet ist, die über ein Getriebe so mit der Zentralwelle (2) einerseits und mit dem Werkzeugträger (4) andererseits getrieblich verbunden ist, daß der Werkzeugträger (4, 84, 85) in eine langsame Umdrehung um die Zentralwelle (2) antreibbar ist.
2. Bohrkopf nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Abstützvorrichtung (40, 60) aus mehreren zueinander um einen gleichen Winkel versetzte Schneidkufen (41, 59) bestehen, deren Längsrichtungen parallel zur Zentralwelle (2) ausgerichtet sind.
3. Bohrkopf nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Abstützvorrichtung (50) aus mehreren zueinander um einen gleichen Winkel versetzte Rollen (54) bestehen, deren Abrollrichtungen parallel zur Zentralwelle (2) verlaufen.
4. Bohrkopf nach einem oder mehreren der Punkte 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Schneidkufen (41, 59) und/oder die Rollen (54) mit Schneidkanten (42, 54') versehen sind.
5. Bohrkopf nach einem oder mehreren der Punkte 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß die Schneidkufen (41, 59) und die Rollen (54) unter Wirkung einer Druckfeder (58, 55) mit dem Bohrloch (39, 56) in Eingriff gelangen.
6. Bohrkopf nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Abstützelemente aus mehreren zueinander um einen gleichen Winkel versetzte, gegen die Großbohrlochwandung (56) andrückbare Raupen (70) bestehen, deren Raupenbewegungsrichtung parallel zur Zentralwelle (2) ausgerichtet ist.
7. Bohrkopf nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Abstützelemente aus mehreren, an sich bekannten, zueinander um einen gleichen Winkel versetzte hydraulische Spannvorrichtungen (80) mit je zwei Kolbenzylindereinheiten (72, 73) bestehen, von denen eine Kolbenzylindereinheit (72) mit einer Spannpratze (74) gegen die Bohrlochwandung (56) drückt und die andere Kolbenzylindereinheit (73) als Schreitvorrichtung mit ihrer Längsachse (75) parallel zur Zentralwelle (2) ausgerichtet ist.
8. Bohrkopf nach den Punkten 6 und 7, gekennzeichnet dadurch, daß die Raupen (70) und die Kolbenzylindereinheiten mit einer sie in Vortriebsrichtung des Bohrkopfes vorantreibenden Energieversorgung versehen sind.
9. Bohrkopf nach Punkt 8, gekennzeichnet dadurch, daß die Energieversorgung von einer außerhalb des Bohrloches angeordneten Energiequelle herangeführt ist.

lOßohrkopf nach Punkt 8, gekennzeichnet dadurch, daß die Energieversorgung für die Raupe (70) und/oder die Spannvorrichtung (80) von einer über die Zentralwelle (2) antreibbaren Hydraulikpumpe (77) gebildet ist, die auf der Abstützvorrichtung befestigt ist.

11J3ohrkopf nach einem der Punkte 1 bis 10, gekennzeichnet dadurch, daß die Zentralwelle (2) mit einem Pilotbohrer (57) und/oder einer Zwischenbohrkrone'(37) versehen ist und die Abstützvorrichtung (40, 60) in Bohrrichtung zwischen der Bohrkrone (37) und der Ebene dar nachfolgenden Bohrwerkzeuge (24, 27, 62) angeordnet ist sowie in eine Vorstufe (39) des'Großbohrloches (56) eingreift.

12ßohrkopf nach einem oder mehreren der Punkte 1 bis 10, gekennzeichnet dadurch, daß die Abstützvorrichtung (50) in Bohrrichtung hinter der Ebene des letzten Bohrwerkzeuges (27) angeordnet ist und an der Bohrlochwandung (56) angreift.

13ßohrkopf nach den Punkten 1 bis 12, gekennzeichnet durch eine ,Kombination der Abstützvorrichtung (40, 60) mit der Abstützvorrichtung (50).

14ßohrkopf nach einem oder mehreren der Punkte 1 bis 13, gekennzeichnet dadurch, daß das Getriebe zur Verbindung der Abstützvorrichtung (40, 60) mit der Zentralwelle (2) und dem Werkzeugträger (4) aus mindestens einem drehfest mit der Abstützvorrichtung (40, 60) verbundenen Hohlrad (44) mit Innenverzahnung, mindestens einem mit dieser Innenverzahnung kämmenden Ritzel (45), einer Planetenwelle (48) und aus mindestens einem auf der Planetenwelle (48) befindlichen Zahnrad (46, 66) besteht, das von einem drehfest auf der Zentralwelle (2) angeordneten Ritzel (9, 47, 67) antreibbar ist.

iößohrkopf nach einem oder mehreren der Punkte 1 bis 14, gekennzeichnet dadurch, daß auf der Zentralwelle (2) zwei ineinander integrierte sowie konzentrisch angeordnete Werkzeugträger (84, 85) mit Rollenbohrwerkzeugen (103) angeordnet sind und das Bohrgestänge (1) mit der Zentralwelle (2) über eine Kupplung (86) getrieblich verbunden ist, die zur Winkelbeweglichkeit des Bohrgestänges (1) an einem Ende eine gebogene Kuppelverzahnung (87) und zur Längsverschieblichkeit des Bohrgestänges (1) zur Zentralwelle (2) am anderen Ende eine gerade Innenverzahnung (88) aufweist, mit der sich die Kuppelverzahnung (87) in Eingriff befindet.

16J3ohrkopf nach Punkt 15, gekennzeichnet dadurch, daß bei Überschreitung einer Längsverschiebung zwischen Bohrgestänge (1) und Zentralwelle (2) über eine Regeleinrichtung (90, 91, 92) die Raupe (70) und/oder das hydraulische Schreitwerk in Vortriebsbewegung setzbar ist.

17ßohrkopf nach Punkt 15 oder 16, gekennzeichnet dadurch, daß bei mehr als einem mit Rollenbohrwerkzeugen (103) besetzten Werkzeugträger (84, 85) mindestens ein Werkzeugträger (84) mit einem zum Umlaufsinn der Zentralwelle (2) gleich gerichteten Umlaufsinn durch sein Planetengetriebe antreibbar ist.

18ßohrkopf nach Punkt 1 bis 17, gekennzeichnet dadurch, daß der Werkzeugträger (4) mit ihm drehfest verbundene Hilfsbohrwerkzeuge (17,17') aufweist und die anderen Bohrwerkzeuge in an sich bekannter Weise aus am Werkzeugträger (4) drehbar gelagerten und vom Planetengetriebe (5) angetriebene Schrämscheiben (10,11) bestehen.

19ßohrkopf nach Punkt 18, gekennzeichnet dadurch, daß die mit dem Werkzeugträger (4) drehfest verbundenen Hilfsbohrwerkzeuge (17,17') radialsymmetrisch zur Zentralwelle (2) angeordnet sind.

20ßohrkopf nach einem oder mehreren der Punkte 17 oder 18, gekennzeichnet dadurch, daß die drehfest auf dem Werkzeugträger (4) befindlichen Hilfsbohrwerkzeuge (17, 17') auf einem Radius (23) angeordnet sind, der größer als der größtmögliche Abstand (A) der Bohrwerkzeuge (12) auf den Schrämscheiben (10, 11) von der Zentralwelle (2) ist.

21,Bohrkopf nach einem.oder mehreren der Punkte 17 bis 20, gekennzeichnet dadurch, daß die Hilfsbohrwerkzeuge (17,17') auf dem Werkzeugträger (4) zu den Bohrwerkzeugen (12) auf den Schrämscheiben (10, 11) im entgegengesetzten Drehrichtungssinn gemäß Pfeil (15) angeordnet sind.

22J3ohrkopf nach einem oder mehreren der Punkte 1 bis 17, gekennzeichnet durch eine Kombination einer Abstützvorrichtung (40, 50, 60) sowie Raupen (70) und Spannvorrichtungen (80) mit einer Konsole (16, 16') und den Hilfsbohrwerkzeugen (17, 17').