DE10146024C2 - Schlagvorrichtung, Erdbohrvorrichtung und Verfahren zum Vortrieb eines Bohrkopfes oder eines Aufweitkörpers - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schlagvorrichtung mit einem elektromagnetischen Schlagantrieb für den dynamischen Vortrieb des Bohrkopfes eines Hori­ zontal-Erdbohrgeräts und eine Erdbohrvorrichtung, bei der der Vortrieb des Bohrkopfes der Erdbohrvorrichtung mit einem Schub- und/oder Zugantrieb sowie einem elektromagnetisch betriebenen Schlagantrieb erfolgt. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Vortrieb des Bohrkopfes oder eines Aufweitkörpers eines Erdbohrgeräts im Erdreich.

Erdbohrgeräte, insbesondere für den grabenlosen Leitungsbau sind in viel­ fältiger Ausgestaltung bekannt. Der Vortrieb solcher Bohrgeräte erfolgt sta­ tisch oder dynamisch, insbesondere drehend und/oder schlagend. Beim sta­ tischen Vortrieb wird der Bohrkopf mittels eines Zug- oder Schubgestänges oder auch einer Seilzugvorrichtung durch das Erdreich gezogen bzw. geschoben, wobei die Verwendung eines Bohrgestänges gleichzeitig ein Drehen des Bohrkopfes ermöglicht, was den unterirdischen Vortrieb oder das Aufweiten von Pilotbohrungen erleichtert. Für den statischen Vortrieb oder Zug wird in der Regel ein hydraulischer Antrieb verwendet, der in sei­ ner Schubkraft nach der für das Zerstören der Altleitung aufzubringenden Kraft ausgewählt wird.

Im praktischen Einsatz hat sich der statische Vortrieb mittels eines hydrau­ lisch zug- oder druckbeaufschlagten Bohrgestänges in vielen Situationen bewährt, stößt jedoch an seine Leistungsgrenzen, wenn die zur Verfügung stehende Maschinenkraft für die zu überwindenden Widerstände nicht aus­ reicht, wie dies insbesondere beim Aufbrechen von Altleitungen größeren Durchmessers der Fall sein kann.

Zur Erhöhung der Vortriebskraft ist es bekannt, den statischen Vortrieb in Kombination mit einem dynamisch schlagenden Vortrieb einzusetzen. Hierzu wird ein herkömmliches Schlaggerät in Verbindung mit einem Schub- oder Zuggestänge oder einer Seilzugvorrichtung eingesetzt. Derartige Systeme sind jedoch nicht immer erwünscht, da sie einen gewissen Ein­ richtungs- und Materialaufwand erfordern.

Aus der US-Patentschrift 5 782 311 ist eine Vorrichtung zum Aufbrechen unterirdischer Rohrleitungen bekannt, bei der ein statischer Vortrieb durch eine Schlageinheit unterstützt wird. Die Schlageinheit weist jedoch keinen pneumatischen oder hydraulischen Antrieb auf. Vielmehr wird der dynami­ sche Vortrieb durch eine Umsetzung des über das Bohrgestänge des stati­ schen Antriebs übertragenen Drehmomentes in Schlagimpulse erzeugt. Die Vorrichtung besitzt hierzu einen federkraftbeaufschlagten Schlagkolben, der im Wege einer Rotation des Bohrgestänges über eine Rampe vorgespannt und zur Übertragung des Schlagimpulses in Vortriebsrichtung schlagartig freigegeben wird. Diese Vorrichtung ermöglicht zwar den Einsatz eines Schlagantriebs ohne zusätzliche hydraulische oder pneumatische Antriebs­ mittel, weist jedoch in der Praxis den Nachteil auf, daß die mechanische Umsetzung von Dreh- in Schlagenergie neben einem hohen Verschleiß eine erhebliche Wärmeentwicklung bewirkt und zudem die entwickelten Schlag­ kräfte entweder nur gering oder das zum Vorspannen der Feder erforderliche Drehmoment hoch ist.

Aus DE 24 19 164 A1 ist es ferner bekannt, einen Bohrhammer mit einem dauerhaft betriebenen Schlagantrieb zu versehen. Dieser Schlagantrieb wird durch einen elektromagnetischen Antrieb angetrieben. Dabei besteht der elektromagnetische Antrieb aus einem röhrenförmigen Induktor aus magne­ tisch gut leitendem Material, in dem ringförmig angeordnete Windungen ein­ gebracht sind, und einem als Läufer ausgebildeten Schlagkolben, dem ent­ gegengesetzt der Schlagfläche eine Feder zugeordnet ist. Der Antrieb wird ständig ein-, aus- und umgeschaltet, wobei die Windungen zunächst mit einem Strom beaufschlagt werden, der eine Kraftwirkung erzeugt, mit der der Läufer entgegen der Schlagrichtung gegen die Feder bewegt wird. Nach einer vorbestimmten Zeit wird das Signal auf 0 gesetzt, wodurch der Schlag­ kolben keine Kraftwirkung mehr erfährt. Für den Schlaghub wird unmittelbar nach Ausschalten des Motors dieser mit entgegengesetzter Stromrichtung betrieben, wodurch der Schlagkolben durch die Motorkraft und die Feder­ kraft der komprimierten Feder beschleunigt auf die Schlagfläche zubewegt wird. Nachteilig an dem bekannten Antrieb ist der hohe Energieverbrauch einer solchen Vorrichtung.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen statischen Antrieb mit einem schlagenden Antrieb zu kombinieren, der verbesserte Vortriebsei­ genschaften aufweist.

Die Aufgabe wird gelöst durch Vorrichtungen und ein Verfahren gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Gegenstand der Unteransprüche sind vorteilhafte Ausgestal­ tungen.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die Vorteile eines den statischen Vortrieb unterstützenden Schlagantriebs ohne hydraulische oder pneumati­ sche Einrichtungen zu nutzen, ohne dabei die Nachteile des drehmoment­ vermittelten Schlagantriebs in Kauf nehmen zu müssen, indem der Schlag­ kolben elektromagnetisch betrieben wird und - durch einen Schalter aktiviert - erst bei Überschreiten eines bestimmten Drucks oder Zugs des statischen Antriebs initiiert wird. Dies kann durch einen Druckschalter erreicht werden und weist den Vorteil einer stromsparenden Funktionsweise sowie der Ver­ meidung von Prellschlägen auf.

Unter Erdbohrgerät ist jedes Gerät zu verstehen, dessen Bohrkopf unterir­ disch bewegt wird, um eine Pilotbohrung zu erstellen oder aufzuweiten, um ein im Erdreich verlegtes Rohr zerstörend oder nicht zerstörend zu ersetzen, oder um Leitungen in bestehende Rohre oder andere Langkörper einzuzie­ hen, sowie sämtliche Vorrichtungen für Bauarbeiten des unterirdischen Vor­ triebs. Als Horizontal-Erdbohrgerät wird ein Erdbohrgerät verstanden, dessen Bohrkopf besonders zum horizontalen Vortrieb in einem Erdreich oder Erdkanal ausgebildet ist.

Der Begriff "Erdkanal" im Sinne der vorliegenden Erfindung erfaßt jede Art von Erdbohrung, Erdleitung oder Rohrleitung, die sich durch Einsatz eines entsprechenden Werkzeugs aufweiten, zerstören oder aufschneiden läßt.

Vorzugsweise wird der Schlagkolben elektromagnetisch vorgespannt und die hierbei in einem Federelement gespeicherte Energie durch Unterbrechen des elektromagnetischen Feldes freigesetzt.

Die zum Betrieb der elektromagnetischen Einheit erforderliche elektrische Energie kann durch eine Batterie oder einen Akku, der vorzugsweise im Bohr- bzw. Aufweit- oder Berstwerkzeug vorgesehen ist, zur Verfügung gestellt werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann ebenso zum Erstellen von Pilot- oder Aufweitbohrungen als auch zum Bersten oder Zerteilen von Altleitungen verwendet werden. Bei letzterer Verwendung lassen sich insbesondere die Probleme beim Zerstören bzw. zerstörenden Ersetzen von Duktilgußrohren, bei welchen insbesondere im Bereich von Muffen oder Reparaturstellen erhebliche Kräfte aufzubringen sind, lösen.

Die für solche Arbeiten im Stande der Technik eingesetzten statischen Vor­ triebsgeräte müssen bezüglich ihrer Leistungsfähigkeit an denjenigen Rohr­ abschnitten ausgerichtet werden, die am schwersten durchtrennbar sind und daher in bezug auf die überwiegende Rohrstrecke überdimensioniert aus­ gelegt sein. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung lassen sich für den sta­ tischen Vortrieb nun Geräte geringerer Leistungsfähigkeit einsetzen, da im Bereich der Muffen und Reparaturstellen der Schlagantrieb zugeschaltet werden kann.

Der noch zur Verfügung stehende Drehantrieb kann zusätzlich noch zum Zerstören von Altleitungen verwendet werden. Aus diesem Grund können am Aufweitwerkzeug Hartmetallbits angebracht sein, welche eine fräsende Wirkung am Altrohr haben.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels des näheren erläutert. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Schlagvorrichtung und

Fig. 2 die Schlagvorrichtung der Fig. 1 mit Hartmetallbits.

Die erfindungsgemäße Schlagvorrichtung 1 ist an einem Schub- oder Zug­ gestänge 10 in einem Aufweitwerkzeug 20 angeordnet. Zwischen dem Zug­ gestänge 10 und dem Aufweitwerkzeug 20 ist ein Druckschalter 30 angeord­ net, um die Schlagvorrichtung 1 bei Überschreiten eines bestimmten Aktivie­ rungsdruckes zuzuschalten. Die Schlagvorrichtung 1 weist einen Schlagkol­ ben 40, einen Elektromagneten 50 und eine Feder 60 auf. Der Elektroma­ gnet 50 wird von einer Batterie 80 über eine Steuerelektronik 70 und einen Kabelkanal 90 mit elektrischer Energie versorgt.

Beim statischen Vortrieb bzw. Zug kann die Zug-/Druckkraft, beispielsweise beim Auftreffen der Berstvorrichtung 20 auf eine Rohrmuffe einen bestimm­ ten Aktivierungsgrad überschreiten, wodurch der Druckschalter 30 betätigt wird. Dieser aktiviert den Elektromagneten 50 über die Steuerelektronik 70. Dadurch wird der Schlagkolben 40 gegen die Kraft der Feder 60 zurückbe­ wegt, vorgespannt und schlagartig wieder freigegeben. Die Steuerelektronik 70 bestimmt die Schlagfrequenz.

Sobald der Aktivierungszug/-druck an dem Zuggestänge 10 wieder unter­ schritten wird, wird der Elektromagnet 50 über die Steuerelektronik endgültig abgeschaltet, so daß der Schlagkolben 40 seinen Betrieb einstellt.

Eine weitere Optimierung dieses System bildet die Anbindung des Aufweit­ körpers mit dem Bohrgestänge über einen Bolzen 100. Durch Zuschalten eines Drehantriebs kann somit ein fräsender Effekt erzeugt werden. Vor­ zugsweise werden zu diesem Zweck Hartmetallbits 110 in den Aufweitkörper eingebracht.

Claims (10)

1. Schlagvorrichtung mit einem elektromagnetischen Schlagantrieb für den dynamischen Vortrieb des Bohrkopfes eines Horizontal-Erdbohrgeräts, dadurch gekennzeichnet daß der elektromagnetische Schlagantrieb (50) mit Hilfe eines Schalters zuschaltbar ist, der auf einen bestimmten Aktivierungsdruck oder -zug beim statischen Vortrieb des Bohrkopfes des Horizontal-Erdbohrgerätes reagiert.

2. Erdbohrvorrichtung, wobei der Vortrieb des Bohrkopfes der Erdbohrvor­ richtung mit einem Schub- und/oder Zugantrieb sowie einem elektro­ magnetisch betriebenen Schlagantrieb erfolgt, dadurch gekennzeich­ net, daß der Schlagantrieb mit Hilfe eines Schalters zuschaltbar ist, der auf einen bestimmten Aktivierungsdruck oder -zug beim statischen Vortrieb der Erdbohrvorrichtung reagiert.

3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Schlagantrieb einen Kolben (40) aufweist, der durch ein Federelement (60) beim Einschalten eines Elektromagneten vorgespannt wird und bei Ausschalten des Elektromagneten schlagartig vorschnellt.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Schlagantrieb durch eine Batterie (80) oder ei­ nem Akku mit der notwendigen elektrischen Energie versorgt wird.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Schlagantrieb eine Steuerelektronik (70) zur Steuerung der Schlagfrequenz aufweist.

6. Schlagvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle des Bohrkopfes ein Aufweitkörper vorgesehen ist, welcher drehfest über ein Bohrgestänge mit dem Horizontal-Erdbohrgerät ver­ bunden ist.

7. Schlagvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufweitkörper (20) Fräselemente aufweist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein in dem Schlagantrieb vorgesehener Kolben beim Einschalten des elek­ tromagnetischen Antriebs ein Federelement vorspannt und beim Aus­ schalten des elektromagnetischen Antriebs schlagartig vorschnellt.

9. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che zum Aufweiten eines Erdkanals oder beim Zerstören der Rohrlei­ tung.

10. Verfahren zum Vortrieb des Bohrkopfes oder eines Aufweitkörpers eines Erdbohrgeräts im Erdreich, bei dem der Bohrkopf oder der Aufweitkör­ per statisch vorgetrieben wird und bei Überschreiten eines bestimmten auf das Erdbohrgerät wirkenden Drucks oder Zugs ein elektromagne­ tisch angetriebener Schlagantrieb zugeschaltet wird.