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Die Erfindung betrifft einen Bohrkopf nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Zum Erzeugen von Bohrlöchern im Bereich des Horizontalbohrens ist es bekannt, sogenannte Erdraketen einzusetzen, die einen über ein Antriebsfluid gesteuerten hin- und hergehenden Schlagkolben aufweisen. Dieser Kolben überträgt seine kinetische Energie beim Auftreffen auf eine Kontaktfläche des Gehäuses bzw. des Bohrkopfs und treibt diese schrittweise durch das Erdreich.
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Dabei erfüllt der Bohrkopf der Vorrichtung mehrere Aufgaben. Zum einen überträgt dieser die Schlagenergie des Schlagkolbens auf das davor liegende Erdreich und lockert dieses. Weiterhin soll das gelockerte Erdreich seitlich verdrängt werden, so daß ein Bohrloch mit dem gewünschten Durchmesser entsteht. Zusätzlich soll der Bohrkopf durch eine spezielle Formgebung für eine Führung und folglich für eine Richtungsstabilität der Vorrichtung sorgen.
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In Erfüllung dieser Aufgaben wurden verschiedene Bohrkopfformen entwickelt.
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Aus dem Stand der Technik sind zum einen Bohrköpfe mit einem konischen Grundkörper bekannt (zum Beispiel aus
DE 21 57 259 C ). Diese zeichnen sich dadurch aus, daß der möglichst glatte, konische Mantel einen minimalen Widerstand entgegen der Bewegungsrichtung aufweist.
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Teilweise weisen die konischen Bohrköpfe Vertiefungen in Richtung der Längsachse der Vorrichtung auf. Durch diese Vertiefungen wird das gelockerte Erdreich nach außen transportiert.
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Als Nachteil zeigen diese Bohrköpfe eine geringe Richtungsstabilität, so daß durch Seitenkräfte, die durch das Auftreffen auf Hindernisse oder Inhomogenitäten innerhalb des Erdbodens entstehen, die Vorrichtung aus der gewünschten Bahn abgelenkt wird.
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Neben den konischen Bohrköpfen sind die sogenannten Stufenköpfe bekannt (zum Beispiel aus
DE 101 12 985 A1 ). Auch die Stufenköpfe weisen einen Durchmesser auf, der von der Spitze ausgehend ansteigt, jedoch erfolgt der Durchmesseranstieg stufenförmig. Im Längsschnitt zeigt ein Bohrkopf dieser Art somit zwei Treppen, die sich in der Spitze des Kopfes treffen. Durch die Aufteilung der Mantelfläche in eine Vielzahl von Abschnitten, die entweder (nahezu) parallel oder senkrecht zu der Längsachse der Vorrichtung verlaufen, treten nur geringe Seitenkräfte am Bohrkopf auf, so daß Stufenköpfe eine gute Richtungsstabilität aufweisen. Nachteilig ist, daß durch die senkrecht zur Längsachse gelegenen Stufenflächen ein hoher Bewegungswiderstand in Vortriebsrichtung entsteht. Dies resultiert in einer entsprechend verringerten Vortriebsgeschwindigkeit.
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Ferner ist aus
DE 101 12 985 A1 bekannt, den Bohrkopf oder mehrere Elemente des Bohrkopfs gegeneinander beweglich zu gestalten, um eine gezieltere Einleitung der zur Verfügung stehenden Schlagenergie zu erreichen.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Bohrkopf zu schaffen, der Vorteile des konischen Bohrkopfs – zum Beispiel geringer Bewegungswiderstand – mit Vorteilen des Stufenkopfs – zum Beispiel hohe Richtungsstabilität – verbindet.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beansprucht.
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Die Erfindung sieht vor, den Bohrkopf aus mindestens zwei Bohrkopfabschnitten auszuführen.
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Der erste Bohrkopfabschnitt, der dem vorderen Ende der Vorrichtung näher gelegen ist, weist Abführkanäle auf und kann zur Lockerung des Erdreichs bzw. zum Zertrümmern von Hindernissen dienen. Das gelockerte bzw. zertrümmerte Erdreich kann durch die Abführkanäle in dem ersten Bohrkopfabschnitt nach hinten in Richtung des zweiten Kopfabschnittes und je nach Ausführung auch nach außen geführt werden.
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Unter ”Bohrkopf” im Sinne der Erfindung ist dabei insbesondere das Werkzeug am Kopfende eines Erdbohrgeräts zu verstehen, welches zum Herstellen und Aufweiten von Bohrungen und bereits verlegten Leitungen dienen kann.
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Unter ”Abführkanälen” werden Vertiefungen beziehungsweise Vertiefungsabschnitte oder Bohrungen verstanden, die nicht quer zu der Längsrichtung des Erdbohrgeräts verlaufen.
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Dabei sind die Begriffe ”Vertiefung” und ”Bohrung” nicht herstellungstechnisch beschränkend, sondern geometrisch zu verstehen, so daß erfindungsgemäße Vertiefungen beziehungsweise Bohrungen auch durch Anbau hergestellt werden können.
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Besonders vorteilhaft ist, wenn die Abführkanäle, je nach Ausführung des Erdbohrgeräts, mit einem Winkel zwischen 0° und 45° zu der Längsrichtung des Erdbohrgeräts angeordnet sind.
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Der zweite Bohrkopfabschnitt mit einem oder mehreren weitgehend konischen Abschnitten auf der Mantelfläche kann für die radiale Verdichtung des gelockerten Erdreichs sorgen. Die erfindungsgemäße Wirkung läßt sich aber auch mit beliebigen anderen Geometrien erreichen.
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Unter weitgehend konischer Form wird dabei insbesondere eine Mantelfläche verstanden, die, ausgehend von einem kleinen Durchmesser, kontinuierlich bis zu einem großen Durchmesser ansteigt und somit keine Abschnitte innerhalb des konischen Bereichs aufweist, in denen sich der Radius wieder verringert.
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Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Bohrkopfs liegt darin, daß die Lockerungsarbeit bzw. die Zertrümmerungsarbeit zunächst von einem voreilenden Bohrkopfabschnitt ausgeführt wird, dessen Formgebung für diese Aufgabe optimiert wurde. Die bevorzugte Kombination der Meißelspitze mit kreisförmig angeordneten Schneiden sorgt für eine hohe Zertrümmerungsleistung des ersten Kopfabschnitts bei gleichzeitig niedrigem Bewegungswiderstand. Durch das Fehlen großer, schräg (nicht senkrecht) zur Bewegungsrichtung liegender Flächen fällt die Reaktion des ersten Bohrkopfabschnitts auf isolierte Seitenkräfte infolge einseitiger Hindernisse gering aus.
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Der zweite Bohrkopfabschnitt verdichtet das gelockerte und zertrümmerte Erdreich, welches durch die Vertiefungen hinter den ersten Kopfabschnitt geführt wurde. Durch die weitgehend konische Formgebung (von Abschnitten) des zweiten Kopfabschnitts ist dieser besonders gut für die radiale Verdrängung des Erdreichs bei gleichzeitig geringem Bewegungswiderstand ausgelegt.
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Der formimmanente Nachteil dieser Kopfform, die hohe Empfindlichkeit gegen einseitige Krafteinleitung wird dadurch weitgehend kompensiert, daß der erste Kopfabschnitt auftretende Hindernisse bereits zerstört haben kann und weiterhin dadurch, daß der zweite Bohrkopfabschnitt ausschließlich der durch den ersten Abschnitt vorgegebenen Richtung folgt.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Bohrkopfs zeichnet sich dadurch aus, daß die zwei Bohrkopfabschnitte längsaxial zueinander beweglich sind. Dadurch kann erreicht werden, daß zunächst der erste Kopfabschnitt in das Erdreich vorgetrieben wird. Dabei wird das Erdreich gelockert bzw. zertrümmert und nach hinten geleitet. Der daraufhin vorgetriebene zweite Kopfabschnitt verdichtet das gelockerte Erdreich und erstellt somit den gewünschten Durchmesser des Bohrlochs.
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Ein besonderer Vorteil dieser Ausführung ist, daß bei dem Vorwärtstreiben des ersten Bohrkopfabschnitts das Gehäuse und der zweite Kopfabschnitt zunächst nicht beschleunigt werden, so daß ein großer Teil der kinetischen Energie des Schlagkolbens zur Zertrümmerung und Lockerung des Erdreichs in dieses übertragen wird.
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Besonders vorteilhaft ist, wenn die Abführkanäle des ersten Bohrkopfabschnitts so dimensioniert sind, daß eine Vielzahl in gleichmäßiger Teilung angeordneter Schneiden mit geringer Wandstärke entstehen. Die dünnen Schneiden sorgen für eine hohe Schnittwirkung, während eine großzügige Dimensionierung der Abführkanäle für einen widerstandsarmen Abtransport des Erdreichs sorgt.
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Im Sinne der Erfindung ist es nicht notwendig, daß die Abführkanäle konstant von der Vorderseite des ersten Bohrkopfabschnitts bis zu dessen Rückseite verlaufen. Vielmehr können die Abführkanäle innerhalb des ersten Bohrkopfabschnitts auslaufen oder der erste Bohrkopfabschnitt kann aus zwei Hälften bestehen, die beide mit Abführkanälen bzw. Schneiden versehen sind, jedoch rotatorisch zueinander versetzt sind. Somit kann hinter jedem Abführkanal der vorderen Hälfte des ersten Bohrkopfabschnitts eine Schneide der hinteren Hälfte angeordnet sein.
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Auf diese Weise treffen Festkörper, die von der vorderen Hälfte nicht zertrümmert wurden, auf die Schneiden der hinteren Hälfte.
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Ferner ist vorteilhaft, wenn der Durchmesser des ersten Bohrkopfabschnitts im wesentlichen dem Durchmesser eines nachfolgenden Gehäuses eines Bohrgeräts entspricht. Damit kann erreicht werden, daß das Erdreich von den Schneiden des ersten Bohrkopfabschnitts in einem Querschnitt aufgelockert wird, der im wesentlichen dem des Gehäuses des Bohrgeräts entspricht. In der Regel entspricht der Gehäusedurchmesser und somit der aufgelockerte Durchmesser dem Nenndurchmesser der zu erstellenden Bohrung.
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Insbesondere können die Bohrkopfabschnitte so dimensioniert sein, daß der größte Durchmesser des ersten Bohrkopfabschnitts größer als der kleinste Durchmesser des zweiten Bohrkopfabschnitts ist.
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Durch diesen Durchmessersprung, ebenso wie durch die optionale Relativbewegung der zwei Kopfabschnitte, entsteht zwischen diesen ein Entspannungsraum, in dem sich das gelockerte Erdreich zunächst in Grenzen wieder entspannen kann.
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Weiterhin kann es vorteilhaft sein, den größten Durchmesser des ersten Bohrkopfabschnitts größer zu machen als denjenigen des Gehäuses. Dadurch wird sichergestellt, daß ein ausreichendes Volumen innerhalb des Erdreichs gelockert wird und folglich der Bewegungswiderstand, der auf das Gehäuse wirkt, verringert wird.
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Der erste Kopfabschnitt kann einen Schlagbolzen aufweisen oder mit einem solchen verbunden sein. Der Schlagbolzen wiederum kann eine in das Erdreich ragende Meißelspitze aufweisen, durch die eine gezielte Einleitung der Stoßenergie in das vor dem Bohrkopf befindliche Erdreich erfolgen kann. Insbesondere können durch die so erfolgende punktförmige Krafteinleitung Hindernisse, beispielsweise Steine im Erdreich, auf einfache Weise zertrümmert werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform durchdringt der Schlagbolzen den zweiten Kopfabschnitt und kann somit als Führung für eine Relativbewegung der zwei zueinander beweglichen Kopfabschnitte dienen.
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Besonders vorteilhaft ist in diesem Fall, wenn ein Schlagkolben des Erdbohrgeräts, welcher durch ein Druckfluid zu reziproken Bewegungen angetrieben wird, zunächst auf eine Kontaktfläche des Schlagbolzens auftrifft und somit die Schlagenergie auf die Meißelspitze bzw. den ersten Bohrkopfabschnitt überträgt.
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Erst in einem zweiten Schritt wird die Schlagenergie auf den zweiten Kopfabschnitt bzw. das damit verbundene Gehäuse der Vorrichtung übertragen. Dazu kann der Schlagkolben nach einer bestimmten Vorwärtsbewegung des Schlagbolzens auf eine Kontaktfläche des Gehäuses oder des zweiten Kopfabschnitts auftreffen.
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Alternativ kann der Schlagbolzen eine Kontaktfläche aufweisen, die nach einer bestimmten Vorwärtsbewegung des Schlagbolzens auf eine korrespondierende Kontaktfläche des Gehäuses/des zweiten Kopfabschnitts auftrifft.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der zweite Kopfabschnitt zumindest in längsaxialer Richtung fest mit dem Gehäuse verbunden.
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Besonders vorteilhaft ist es, die Verbindung zwischen dem zweiten Kopfabschnitt und dem Gehäuse als Schraubverbindung auszuführen. Dies ist insbesondere hinsichtlich der Wartungsfreundlichkeit von Vorteil.
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Alternativ kann die Verbindung auch durch Schweißen hergestellt werden, wofür sich insbesondere das Reibschweißverfahren eignet. Die Verbindung durch Schweißen eignet sich insbesondere dann, wenn eine möglichst kurze Baulänge der Vorrichtung gefordert wird.
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Jedoch sind neben den hier genannten jegliche Arten von Bauteilverbindungen einsetzbar und auch hinsichtlich der Schweißverfahren ist die Verbindung nicht eingeschränkt.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung wird das gelockerte Erdreich in dem Entspannungsraum zwischen den zwei Bohrkopfabschnitten mit Öl, Betonit oder einem anderen Fluid vermischt.
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Zu diesem Zweck können Bohrungen in dem Gehäuse oder in einem der Kopfabschnitte vorgesehen sein, die das verwendete Fluid radial in das gelockerte Erdreich einleiten.
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Die Vermischung des Erdreichs mit einem Fluid kann dazu dienen, die Mantelreibung des nachgezogenen Gehäuses zu reduzieren. Zudem kann es die auftretende Kohäsion des verdrängten Erdreichs erhöhen, so daß die Standfestigkeit des Bohrlochs verbessert wird und Einbrüche des Bohrlochs in verringerter Zahl auftreten.
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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In den Zeichnungen zeigt:
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1 einen Ausschnitt eines Erdbohrgeräts mit einem erfindungsgemäßen Bohrkopf in einer ersten Ausführungsform;
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2 ein Bauteil des ersten Bohrkopfabschnitts der Ausführungsform aus 1 in einer Frontansicht;
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3 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bohrkopfs in einer perspektivischen Ansicht;
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4 eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bohrkopfs in einer perspektivischen Ansicht;
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5 eine vierte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bohrkopfs in einer perspektivischen Ansicht.
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1 zeigt den vorderen Teil eines Rammbohrgeräts, bestehend aus einem Gehäuse 1 und einem damit verbundenen erfindungsgemäßen Bohrkopf in einer ersten Ausführungsform.
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Der Bohrkopf besteht im wesentlichen aus den drei Bauteilen, Schlagbolzen 2, Schneidring 3 und Verdränger 4. Schlagbolzen 2 und Schneidring 3 bilden zusammen in dieser Ausgestaltung einen ersten Bohrkopfabschnitt, der zu dem zweiten Kopfabschnitt, hier in Form des Verdrängers 4, axial beweglich ist. Dazu wird der Verdränger 4 auf dem Schlagbolzen 2 geführt.
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Das hintere Ende des Schlagbolzens 2 ragt in einen Arbeitsraum 5 des Gehäuses, in welchem sich ein Schlagkolben (nicht dargestellt), angetrieben durch ein Druckfluid, hin und her bewegt. Für den Fall der Vorwärtsbewegung des Rammbohrgeräts trifft der Schlagkolben zunächst auf das in den Arbeitsraum 5 ragende Ende des Schlagbolzens 2 und beschleunigt diesen in Richtung nach vorne. Infolge dessen wird der Schlagbolzen mitsamt der Meißelspitze 6 und dem Schneidring 3 in das Erdreich getrieben, um dieses zu lockern bzw. um auftretende Hindernisse zu zertrümmern.
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Sowohl der Verdränger 4 als auch das Gehäuse werden zunächst nicht mit bewegt.
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Je nach Auslegung der Vorrichtung trifft der Schlagkolben nach einer gewissen Relativbewegung des Schlagbolzens 2 zu dem Gehäuse 1 bzw. zu dem Verdränger 4 auf die Kontaktfläche 7 des Gehäuses 1 oder auf die Kontaktfläche 8 des Verdrängerbauteils 4. Dadurch wird das Gehäuse 1 mitsamt Verdränger 4 beschleunigt und folgt der Bewegung des Schneidrings 3. Dabei verdichtet der konische Abschnitt des Verdrängers das gelockerte Erdreich und erzeugt ein Bohrloch mit dem Durchmesser des Gehäuses 1.
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In 2 läßt sich die radiale Anordnung der Schneiden 9 erkennen, die durch eine entsprechende Dimensionierung der Abführkanäle 10 entstehen.
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Nach Beendigung eines Bewegungshubs unterstützt eine Feder, hier in Form einer Spiralfeder, das vollständige Zusammenführen der zwei relativ zueinander beweglichen Abschnitte in die Ausgangslage.
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Der erfindungsgemäße Bohrkopf ist so gestaltet, daß er als Einheit von vorne in das Gehäuse eingesetzt und dort fixiert werden kann. Dies ist besonders vorteilhaft für anfallende Wartungstätigkeiten, da der Bohrkopf die am stärksten beanspruchten Bauteile aufweist und folglich den höchsten Verschleiß während des Betriebs erleidet. Ein einfaches Auswechseln des Bohrkopfes ist somit möglich.
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Zudem können Bohrköpfe mit verschiedenen Formen, wie sie beispielsweise in den 3 bis 5 dargestellt sind, je nach Anforderung schnell und einfach mit dem Gehäuse verbunden werden.
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Die in der 3 dargestellte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bohrkopfs unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform insbesondere durch die Form der Schneiden. Diese sind im wesentlichen trapezförmig ausgebildet. Die Vertiefungen erhalten somit eine U-Form im Gegensatz zu den V-förmigen Vertiefungen in der ersten Ausführungsform.
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In der in 4 dargestellten Ausführungsform besteht der Schneidring aus zwei Hälften, deren Schneiden rotatorisch zueinander versetzt sind. Auf diese Weise treffen Festkörper, die von der vorderen Schneidringhälfte nicht zertrümmert wurden, auf die Schneiden der hinteren Schneidringhälfte.
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In der Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bohrkopfs gemäß 5 verlaufen die Längskanten der Schneiden in einem Winkel von ca. 45° zu der Längsrichtung des Bohrkopfs bzw. des Bohrgeräts.
