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Die
Erfindung betrifft eine maschinelle Vorrichtung zum Einbringen einer
Erdbohrung in das Erdreich mit einem Bohrgestänge, an welchem
ein Bohrwerkzeug mit einer Schneidwendel angeordnet ist, und mit
einer Bohrantriebseinheit zum Antrieb des Bohrwerkzeuges mit dem
Bohrgestänge um eine Bohrachse.
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Maschinelle
Vorrichtungen dieser Art sind als stationäre oder mobile
Erdbohrgeräte in vielfältiger Ausgestaltung bekannt.
Die Erfindung befasst sich insbesondere mit maschinellen Vorrichtungen,
welche Erdbohrungen mittlerer und großer Tiefe, zum Beispiel
für monolithische Gründungspfähle oder
für Brunnen oder Erdwärmenutzungsanlagen, in Trockenbohrtechnologie
herstellen.
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Diese
Erdbohrgeräte verwenden bei dieser Größenordnung
der Erdbohrungen als Bohrwerkzeug üblicherweise einen Schneckenbohrer
oder eine mit dem Bohrgestänge verbundene Bohrkrone, die
eine Schneid- und Förderwendel aufweist. Von der Bohrantriebseinheit
wird die Antriebsenergie über das Bohrgestänge
auf das Bohrwerkzeug übertragen, welches sich um eine Bohrachse
dreht, die im Wesentlichen der Längsachse des Schneckenbohrers
bzw. des Bohrgestänges entspricht. Das Bohrwerkzeug nimmt
den Erdaushub bzw. das Bohrgut in seinem Schneckengang auf, wobei
das Bohrgut trocken, d. h. ohne Verwendung von Spülwasser,
aus der Erdbohrung herausgefördert wird.
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Der
vertikale Trockenaushub des Bohrgutes erfolgt nach bekanntem Stand
der Technik in verschiedenen Methoden, z. B. mit Hilfe eines Elevators zum
Heben des Bohrgestänges mit dem Bohrwerkzeug bzw. zum Heben
des gesamten Erdbohrgerätes.
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Aus
der Druckschrift
DE
87 13 000 U1 ist eine Vorrichtung zum Bohren von Löchern
für Ortbetonpfähle mit einem motorisch antreibbaren
Bohrgerät bekannt. Das Bohrgerät weist einen an
das Bohrgerät angekuppelten Schneckenbohrer auf, der gemeinsam
mit dem Bohrgerät vertikal verfahrbar ist, so dass das
im Schneckenbohrer befindliche Erdreich zur Entnahme aus dem Bohrloch
hochgezogen werden kann.
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Diese
Art der Bohrgutförderung erfordert entsprechend der Bohrtiefe
einen erheblichen Platzbedarf über dem Bohrloch mit damit
verbundenem hohen technischen Aufwand, da zur Entnahme des Bohrgutes
aus dem Schneckengang der Schneckenbohrer bzw. das Bohrgestänge
mit der Bohrkrone vollständig aus dem Bohrloch gehoben
werden muss.
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Aus
dem Stand der Technik sind Bohrgeräte mit segmentiertem
Bohrgestänge bekannt, deren erstes Gestängesegment
die Bohrkrone trägt und weitere, aneinander anschließbare
Gestängesegmente das Bohrgestänge zur Erzielung
der gewünschten Bohrtiefe in der Erdbohrung stückweise verlängern.
Zum Fördern des Bohrgutes wird das Bohrgerät mit
dem Bohrgestänge gehoben, wobei die Gestängesegmente
sukzessiv wieder demontiert werden, so dass oberhalb des Bohrloches
lediglich der Platz für das Bohrgerät mit einem
bis zwei Gestängesegmenten vorgehalten werden muss. Diese Bohrgeräte
haben zwar einen geringeren Platzbedarf, jedoch fällt hierbei
nachteilig ins Gewicht, dass zum Fördern des Bohrgutes
die mit dem Bohrgut gefüllte Bohrkrone häufig
entladen und somit aus der Erdbohrung herausgezogen werden muss.
Dazu ist das Bohrgestänge jedes Mal stückweise
auseinanderzuschrauben und zum Fortsetzen des Bohrvorganges wieder
stückweise zusammenzufügen. Entsprechend aufwendig
und langwierig ist der Bohr- und Fördervorgang besonders
bei größeren Bohrtiefen.
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Die
Druckschrift
DE
10 2004 003 706 A1 offenbart eine Vorrichtung mit Bohrgerät
zum Niederbringen von Gründungsbohrungen in den Boden,
insbesondere zur Verwendung in Gebäuden, mit einem in einem
Gestell vertikal angeordneten und drehbar gelagerten Bohrgestänge
mit Bohrkopf und einem Drehantrieb für das Bohrgestänge.
Das Bohrgestänge weist mehrere, teleskopierbare Segmente
auf. Ein Auflastmittel am unteren Segment wird zur Unterstützung
des Vortriebes und zur Aufnahme der weiteren teleskopartigen Segmente
benötigt. Zum Absenken und Anheben des teleskopartigen
Bohrgestänges mit dem Bohrkopf ist ein gesondertes Hebemittel
vorgesehen. Mit dieser Vorrichtung können Erdbohrungen ohne
erheblichen Zeit- und Platzbedarf zum Heben des Bohrgutes erzeugt
werden. Allerdings ist die Bohrtiefe durch eine technisch sinnvolle,
teleskopisierbare Länge des Bohrgestänges beschränkt.
Je länger das Bohrgestänge sein soll, umso aufwendiger
wird dieses in seiner technischen Gestaltung. Es besteht außerdem
die Gefahr, dass der Teleskopmechanismus nicht genügend
robust gegenüber den Bedingungen im Erdreich ist und zu
Ausfällen neigt.
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Eine
einfache und platzsparende Handhabung zum Heben des Bohrgutes bietet
ein von Hand betätigtes Erdbohrgerät zum Einbringen
vorwiegend kleiner Erdbohrungen, welches in der Druckschrift
DE 10 2004 042 195
A1 beschrieben ist. Die Bohrkrone mit Förderwendel
ist auf ein handbetriebenes Bohrgestänge mit Vorbohrer
aufgeschoben. Über einen Mitnehmer ist die Bohrkrone mit
dem Bohrgestänge drehfest verbunden. Mittels einer Hebevorrichtung,
die aus einem an der Bohrkrone befestigten Zugseil besteht, wird
die Bohrkrone zum Entladen des Bohrgutes, entlang des Bohrgestänges
gleitend, von Hand aus dem Erdloch gezogen, ohne das Bohrgestänge
aus der Erdbohrung herausnehmen zu müssen.
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Allerdings
sind mit diesem Erdbohrer die Bohrtätigkeit und der Aushub
des Bohrguts, besonders bei Erdbohrungen größeren
Durchmessers und Tiefe, sehr beschwerlich. Für einen maschinellen
Betrieb zur Arbeitserleichterung ist dieser Erdbohrer indes nicht
geeignet. Bei einem rotierenden Betrieb des Bohrgestänges
in maschinell üblichen Umdrehungszahlen würde
sich das im Erdreich mitgeführte Zugseil der Hebevorrichtung
in kürzester Zeit vielfach um das Bohrgestänge
schlingen. Die Folge wäre eine Blockierung des Bohrbetriebs
und eine Funktionsuntüchtigkeit der Hebevorrichtung.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine maschinelle Vorrichtung
zum Einbringen einer Erdbohrung in das Erdreich zu entwickeln, welche
mit geringem technischem Aufwand eine einfache und platzsparende
Handhabung des Bohrgutaushubes gewährleistet.
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Die
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches
1 gelöst.
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Erfindungsgemäß wird
vorgeschlagen, dass das Bohrwerkzeug axial beweglich am Bohrgestänge gelagert
ist und entlang des Bohrgestänges mittels einer Werkzeughubeinrichtung
verfahrbar ist, welche drehfest mit dem Bohrgestänge verbindbar
ist.
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Hierbei
sind das Bohrwerkzeug und das Bohrgestänge relativ zueinander
beweglich ausgebildet, und zwar in axialer Richtung des längserstreckten
Bohrgestänges, wogegen zur Übertragung der Antriebsenergie
in das Erdreich das Bohrwerkzeug drehfest mit dem Bohrgestänge
verbunden ist, beispielsweise durch ein Mitnehmerelement oder durch formschlüssige
Führungselemente.
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Dabei
geht die Erfindung davon aus, dass der Vortrieb bzw. axiale Einzug
des Bohrwerkzeuges entlang der Bohrachse in das Erdreich durch das
Eigengewicht des Bohrwerkzeuges und durch die Drehbewegung der schneckenförmigen
Schneidwendel des Bohrwerkzeuges im Wesentlichen selbsttätig
bewirkt wird. Dadurch fixiert sich das am Bohrgestänge
axial beweglich gelagerte und nur von einer vorhandenen Endlage
begrenzte Bohrwerkzeug während des maschinellen Bohrvorgangs
selbsttätig in dieser Endlage und verrichtet eine mechanische Arbeit
in Vortriebsrichtung ohne sich von dem Bohrgestänge abzulösen.
Eine Endlage der axialen Lagerung des Bohrwerkzeuges wird beispielsweise
durch ein Anschlagelement am freien Ende des Bohrgestänges
oder durch eine entsprechende vertikale Hubbegrenzung der mit dem
Bohrwerkzeug verbundenen Werkzeughubeinrichtung gebildet. Die dennoch
beibehaltene axiale Beweglichkeit des Bohrwerkzeuges kann dabei
jederzeit für das Heben des Bohrgutes genutzt werden. Dazu
wird das mit Bohrgut gefüllte Bohrwerkzeug, beispielsweise
in einem Längslager, entlang des Bohrgestänges
geführt und mittels der Werkzeughubeinrichtung, welche
vorzugsweise außerhalb der Erdbohrung angeordnet ist, aus
dem Bohrloch gehoben. Während das Bohrgestänge
vollständig und unverändert in der Erdbohrung
verbleibt, ohne zerlegt oder teleskopisiert werden zu müssen,
kann das Bohrgut oberirdisch leicht und schnell entladen werden.
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Die
Werkzeughubeinrichtung ist erfindungsgemäß zumindest
während des Bohrvorganges unter Betrieb des Bohrgestänges
mittelbar oder unmittelbar mit dem rotierenden Bohrgestänge
verbunden. Damit kann die Werkzeughubeinrichtung synchron mit dem
Bohrgestänge mitdrehen und steht jederzeit funktionsbereit
zur Verfügung, um unmittelbar nach dem Bohrprozess für
den nachfolgenden Hebevorgang des Bohrwerkzeuges zum Entladen des
Bohrgutes wirksam zu werden.
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Die
zwischen den maschinellen Bohrvorgängen notwendige Entnahme
des Bohrgutes kann somit sehr einfach, schnell und zuverlässig
vorgenommen werden, wobei neben einem geringen Platzbedarf für
die Entladung des Bohrgutes eine kurze Entladezeit gewährleistet
werden kann. Auf diese Weise können auch tiefere Bohrungen
bequem bewältigt werden.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den
abhängigen Patentansprüchen 2 bis 22, der nachfolgenden
Beschreibung und den zugehörigen Zeichnungen hervor.
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Als
Werkzeughubeinrichtung eignet sich insbesondere ein Zugmitteltrieb,
welcher eine Hubfunktion mit besonders geringem technischem Aufwand realisiert.
Der Zugmitteltrieb greift mithilfe eines wickelbaren Zugmittels
am Bohrwerkzeug an und überträgt über
das Zugmittel und diversen Wickelmitteln eine Zugkraft auf das am
Bohrgestänge geführte Bohrwerkzeug. Durch die
Verbindung des Zugmitteltriebes mit dem rotierenden Bohrgestänge
während des Bohrprozesses wird auch ein Umschlingen des synchron
mitgeführten Zugmittels um das Bohrgestänge sicher
vermieden.
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Vorzugsweise
weist die Bohrantriebseinheit eine Antriebswelle auf, die lösbar
mit dem Bohrgestänge verbunden ist. Diese Antriebswelle
dient der Kraftübertragung auf das Bohrgestänge.
Ist diese lösbar mit dem Bohrgestänge verbunden,
kann das Bohrwerkzeug vom Bohrgestänge abgezogen und ausgetauscht
werden oder das Bohrgestänge durch Zwischenfügen
von Bohrgestängeabschnitte mit gleichartiger, lösbarer
Verbindung zur Antriebswelle verlängert werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform ist an der Antriebswelle
eine Zugmitteltrommel des Zugmitteltriebes drehfest angeordnet.
Damit wird einerseits die Mitführung des Zugmitteltriebes
mit der Drehung des Bohrgestänges beim Bohrvorgang auf
einfache Weise realisiert. Andererseits kann durch diese Anordnung
der Zugmitteltrieb mittels der Bohrantriebseinheit zum Heben des
Bohrwerkzeuges betrieben werden. In einem Zustand, in dem das Bohrgestänge von
der Antriebswelle gelöst ist, kann die Zugmitteltrommel über
die durch die Bohrantriebseinheit angetriebene Antriebswelle separat
zum Bohrgestänge drehbewegt werden und – gegebenenfalls über
Umlenkrollen – das Zugmittel betätigen, welches
das Bohrwerkzeug entlang des Bohrgestänges heraufzieht.
Somit wird mit einem einzigen Antrieb sowohl der Bohrvorgang als
auch der Hebevorgang des Bohrwerkzeuges maschinell verwirklicht,
was die technisch notwendige Ausstattung der maschinellen Vorrichtung
besonders effizient gestaltet.
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Eine
besonders vorteilhafte Nutzung des Zugmitteltriebes ergibt sich
daraus, dass mittels einer Schwenkeinrichtung die Bohrantriebseinheit
gemeinsam mit der Antriebswelle um eine senkrecht zur Bohrachse
gerichtete Schwenkachse schwenkbar ist. Damit kann die längs
der Antriebswelle verlaufende Antriebsachse gegenüber der
Bohrachse geneigt werden. Ist die Antriebswelle vom Bohrgestänge
gelöst, kann die Antriebswelle vorzugsweise in eine horizontale
Position und somit senkrecht zum im Wesentlichen vertikal ausgerichteten
Bohrgestänge, angeordnet werden. Gemeinsam mit der Bohrantriebseinheit
ist auch die auf der Antriebswelle sitzende Zugmitteltrommel verschwenkbar,
die in einer horizontalen Ausrichtung der Antriebsachse wie eine Winde
einen reibungsarmen Wickelbetrieb in Laufrichtung des Zugmittels
ermöglicht (Windenposition der Bohrantriebseinheit). Die
Bohrantriebseinheit mit der Antriebswelle und dem Zugmitteltrieb
sind in dieser Windenposition desgleichen auch dazu geeignet, andere
Betriebsmittel, wie zum Beispiel eine beim Brunnenbohren verwendete
Kiespumpe, in der Erdbohrung abzusenken und zu heben.
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Ist
die Zugmitteltrommel derart an der Antriebswelle angeordnet, dass
die Schwenkachse mittig zur Zugmitteltrommel verläuft,
kann die Zugmitteltrommel das Zugmittel geradläufig und
rechtwinklig zur Drehachse der Zugmitteltrommel und damit besonders
zuverlässig und leichtgängig wickeln.
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Vorzugsweise
weist die Schwenkeinrichtung einen Stellantrieb auf, um das Verschwenken
der Bohrantriebseinheit, welche einen meist schweren Motorblock
umfasst, zu erleichtern und definierte Schwenkpositionen für
die Ausrichtung der Antriebswelle (z. B. vertikale Bohrposition
und horizontale Windenposition) schnell und exakt einstellen zu
können.
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In
einer zweckmäßigen Ausführungsform der Schwenkeinrichtung
weist diese eine drehbar gelagerte, kreisförmige Drehscheibe
auf, an welcher die Bohrantriebseinheit angeordnet ist, und an deren Umfang
der Stellantrieb zur Drehverstellung angreift. Die Lagerachse der
Drehscheibe bildet hierbei zugleich die Schwenkachse zum Verschwenken
der Bohrantriebseinheit mit der Antriebswelle. Diese Ausführungsform
stellt eine stabile und zuverlässige Konstruktion der Schwenkeinrichtung
dar. Der Radius der Drehscheibe bietet eine günstige Hebelwirkung
für den am Umfang der Drehscheibe angreifenden Stellantrieb
zur Kraftübertragung beim Verschwenken der schwergewichtigen
Bohrantriebseinheit.
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Eine
vorteilhafte Aufwandsminimierung ergibt sich dadurch, dass am Umfang
der Drehscheibe eine Zugkette befestigt ist, die mit einem Kettenzahnrad
des Stellantriebes in Wirkverbindung steht. Die am Umfang der Drehscheibe
befestigte Kette wird über ein Kettenzahnrad geführt
und durch dieses vor- oder zurückgefördert, wodurch
die Drehscheibe in ihrer Drehstellung verändert wird. Diese
Lösung bietet günstige Übersetzungsverhältnisse
bei der Kraftübertragung zum Verschwenken der Bohrantriebseinheit
und erspart den Einsatz eines teuren Zahnradgetriebes mit umlaufendem
Zahnkranz.
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Zum
Eingriffsschutz in die drehende Zugmitteltrommel ist es vorteilhaft,
wenn die Zugmitteltrommel ein Trommelgehäuse aufweist,
das drehbar mit der Zugmitteltrommel oder der Antriebswelle verbunden
ist. Damit sind Trommelgehäuse und Zugmitteltrommel relativ
zueinander drehbar. Das Trommelgehäuse bildet somit eine
feststehende, nicht mitdrehende Schutzabdeckung, während
in der Windenposition die Zugmitteltrommel zum Wickeln des Zugmittels
mit der Antriebswelle dreht. In der Bohrposition rotiert das Trommelgehäuse
gemeinsam mit der Zugmitteltrommel mit und hält das senkrecht
zur Zugmitteltrommel umgelenkte Zugmittel auf der Zugmitteltrommel.
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Bei
der Herstellung sehr tiefer Erdbohrungen wird ein entsprechend langes
Zugmittel benötigt. Dies würde eine erhebliche
Größe der Zugmitteltrommel zur Aufnahme des aufgewickelten
Zugmittels erfordern. Um die Größe der Zugmitteltrommel
zu minimieren und das Zugmittel zu sammeln, weist der Zugmitteltrieb
einen Zugmittelbehälter auf. Als Teil des Zugmitteltriebes
dreht auch der Zugmittelbehälter während des Bohrprozesses
um die Rotationsachse der Antriebswelle bzw. um die Bohrachse des Bohrgestänges
mit diesem mit.
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Vorzugsweise
weist der Zugmittelbehälter ein Mitnehmerelement zur Arretierung
am Bohrgestänge auf, um den Zugmittelbehälter
während der Drehung um die Bohrachse des Bohrgestänges
zu sichern und gegenüber dem Bohrgestänge abzustützen.
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Ist
der Zugmittelbehälter drehbar am Trommelgehäuse
gelagert, bleibt der Zugmittelbehälter sowohl in der vertikalen
Position der Zugmitteltrommel beim Bohrprozess (Bohrposition der
Bohrantriebseinheit) als auch beim Verschwenken der Zugmitteltrommel
in die Horizontale (Windenposition der Bohrantriebseinheit) stets
in seiner Lage senkrecht unterhalb der Zugmitteltrommel ausgerichtet,
um das herabhängende, wirkfreie Ende des Zugmittels zu halten
und zu führen.
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Vorteilhafter
Weise ist eine Verriegelung vorgesehen, mittels der der Zugmittelbehälter
in einer lotrechten Lage arretierbar ist. Der an dem frei drehbaren
Trommelgehäuse befestigte Zugmittelbehälter hat
das Bestreben, sich in eine geneigte Schwerpunktlage unmittelbar
unterhalb der Antriebswelle zu verlagern, sobald das Bohrgestänge,
an welchem sich der Zugmittelbehälter mit dem Mitnehmerelement
abstützt, von der Antriebswelle abgetrennt wird. Diesem
Bestreben wirkt die Verriegelung in der Windenposition der Bohrantriebseinheit
entgegen, in dem sie den Zugmittelbehälter anstelle des
Mitnehmerelementes in seiner lotrechten Lage abfängt. Damit
wird verhindert, dass der Zugmittelbehälter den Hebevorgang
des Bohrwerkzeuges entlang des abgetrennten Bohrgestänges
behindert.
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Außerdem
wird durch diese Verriegelung eine Verdrehsicherung des mit dem
Zugmittelbehälter verbundenen Trommelgehäuses
in der Windenposition realisiert. Es wird so wirksam verhindert, dass
sich das Trommelgehäuse beim Wickeln des Zugmittels mitdreht.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist als Zugmittel
eine Gliederkette, insbesondere eine Rundgliederkette vorgesehen.
Die Kettenglieder insbesondere der Rundgliederkette können
ohne Bruchgefahr in einem beliebigen Winkel zueinander geführt
werden, wogegen beispielsweise ein Drahtseil nur in einem großen
Radius biegsam sind. Damit eignet sich die Gliederkette hervorragend für
den Einsatz in dem erfindungsgemäßen Zugmitteltrieb,
bei dem das Zugmittel eine Abwinklung in Laufrichtung und quer zur
Laufrichtung der Zugmitteltrommel von bis zu 90° erfährt.
Außerdem bricht im Gegensatz zu einem Drahtseil eine Gliederkette
aufgrund ihres hohen Eigengewichtes im lastfreien Zustand nicht
aus der Wickelführung aus.
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Ist
die Zugmitteltrommel als eine Haspel mit einer Kettenführung
ausgebildet, wird die Gliederkette beim Wickeln verrutschsicher
geführt. Die Haspel weist hierfür eine Kettenführung
mit beispielsweise passenden Ausnehmungen für die Aufnahme
jeweils eines Kettengliedes auf.
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Die
Wirksamkeit des Bohrprozesses wird erheblich verbessert, wenn am
freien Ende des Bohrgestänges ein Vorbohrwerkzeug befestigt
ist. Dieses Vorbohrwerkzeug bearbeitet das Erdreich vor und lockert
es auf, so dass das aufgelockerte Bohrgut vom nachfolgenden Bohrwerkzeug
leicht aufgenommen werden kann. Dadurch wird nicht nur der selbsttätige Vortrieb
des Bohrwerkzeuges verbessert, sondern auch der Aushub des Bohrwerkzeuges
mit dem Bohrgut erleichtert. Der Abriss zum Heben des in das Erdreich
eingeschnittenen Bohrwerkzeugs erfolgt durch die Vorlockerung des
Erdreiches mit weniger Kraftaufwand.
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Bei
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist die Bohrantriebseinheit
gemeinsam mit der Schwenkeinrichtung mit tels eines Elevators parallel
zur Bohrachse verfahrbar. Je nach dem in welcher Schwenkposition
die Bohrantriebseinheit sich befindet und welche Bohrkomponenten
entsprechend dem Bohrvorgang mit der Bohrantriebseinheit verbunden
sind, erfolgt der Hubweg und die Zugkraft des Elevators mit unterschiedlicher
Ausprägung. Beispielsweise kann ein mittels des Elevators
realisierbarer Hubweg der Bohrantriebseinheit die Montage und Demontage
der Verbindung der Antriebswelle mit dem Bohrgestänge bzw.
den Bohrgestängeverlängerungen erleichtern. Mittels
des Elevators kann des Weiteren der Zugmitteltrieb, welcher in der
Windenposition das Bohrwerkzeug hebt, in einer Hubstellung frei über
dem abgetrennten Bohrgestänge gehalten werden. Ist die
Antriebswelle in der Bohrposition mit dem Bohrgestänge
verbunden, können alle Bohrkomponenten gleichzeitig mittels
des Elevators gehalten und längs der Bohrachse verfahren
werden.
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Vorteilhafter
Weise weist der Elevator einen leistungsstarken Stellantrieb auf,
mittels dem der Hubweg der Bohrantriebseinheit gesteuert werden kann,
um den Vortrieb des Bohrwerkzeuges bzw. des Vorbohrwerkzeuges im
Erdreich wirksam dosieren zu können oder eine hohe Zugkraft
auf das Bohrgestänge zum Abreißen des im Erdreich
eingeschnittenen Bohrwerkzeugs aufzubringen. Das Abreißen
des Erdreiches mittels des Elevators erleichtert vor allem den nachfolgenden
Hebevorgang des mit Bohrgut gefüllten Bohrwerkzeuges durch
den Zugmitteltrieb. Die erforderliche Hebeleistung des Zugmitteltriebs kann
folglich minimiert werden.
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Nach
einer sehr zweckmäßigen Ausführungsform
weist der Elevator eine gestellfest angeordnete vertikale Führung
zur geführten Bewegung eines Stellschlittens auf, an welchem
die Bohrantriebseinheit oder die Schwenkeinrichtung angeordnet ist.
Diese Ausführung ermöglicht eine leichtgängige
und genaue Verfahrbarkeit der Bohrantriebseinheit für eine
gezielte Hubbewegung.
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Vorzugsweise
steht dabei der Elevator mittelbar – über die
zwischengeordnete Schwenkeinrichtung – mit der Bohrantriebseinheit
in Wirkverbindung.
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Sind
die Werkzeughubeinrichtung, die Bohrantriebseinheit, die Schwenkeinrichtung
und/oder der Elevator hydraulisch betrieben, erhöht dies
die mögliche Kraftübertragung und die Stellgenauigkeit der
Antriebe, was die Eignung der maschinellen Vorrichtung für
die Ausführung besonders großer Erdbohrungen verbessert.
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Vorteilhafter
Weise ist ein Gestell vorgesehen, an dem ein Fahrwerk zum Verfahren
der maschinellen Vorrichtung ausgebildet ist. Mit dieser fahrbaren
maschinellen Vorrichtung kann eine Bohrstelle mit geringem Transportaufwand
auch in für gebräuchliche Erdbohranlagen unzugänglichen
Bereichen, wie zum Beispiel unter einem Carport oder Vordach, erreicht
werden. Dabei weist das Fahrwerk vorzugsweise Abmessungen auf, die
eine Verladung der maschinellen Vorrichtung auf einem Kleintransporter oder
PKW-Anhänger ermöglichen.
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Diese
und weitere aus den Patentansprüchen, der Beschreibung
der Ausführungsbeispiele und den Zeichnungen hervorgehenden
Merkmale können jeweils für sich oder in Kombination
als vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung verwirklicht
sein, für die hier Schutz beansprucht wird.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung wird nachfolgend
an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
Die zugehörigen Zeichnungen zeigen in einer schematischen
Darstellung in
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1 eine
Seitenansicht eines maschinellen Erdbohrgerätes mit einem
Fahrwerk als eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen
maschinellen Vorrichtung,
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2a eine
Vorderansicht des maschinellen Erdbohrgerätes mit einer
Bohrantriebseinheit in Bohrposition und in einer ersten Drehstellung
der Antriebswelle,
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2b die
Vorderansicht des maschinellen Erdbohrgerätes nach 2a in
einer zweiten Drehstellung der Antriebswelle,
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3 die
Vorderansicht des maschinellen Erdbohrgerätes nach 2a mit
der Bohrantriebseinheit in Wickelposition.
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Das
maschinelle Erdbohrgerät 1 nach 1 weist
eine Bohrantriebseinheit 2 auf, die drehbar und vertikal
verschiebbar an einem Gestell 3 angeordnet ist. Die Bohrantriebseinheit 2 besteht
aus einem Motor 4, einem Getriebe 5 und einer
Antriebswelle 6, welche mit einem Bohrgestänge 7 verbunden
ist. Die von der Bohrantriebseinheit 2 angetriebene Antriebswelle 6 bildet
eine Antriebsachse 8, die im Verbund mit dem Bohrgestänge 7 mit
der Bohrachse 9 übereinstimmt. Am Bohrgestänge 7 ist
ein verschiebbar gelagertes Bohrwerkzeug 10 mit einer Schneidwendel 11 angeordnet.
Auf der Antriebswelle 6 sitzt eine Haspel 12 als
Teil eines Kettentriebes 13, wobei eine Gliederkette 14 des
Kettentriebes 13 einen Endes am Bohrwerkzeug 10 befestigt
ist, über die Haspel 12 geführt ist und
anderen Endes in einem Kettenbehälter 15 gesammelt
wird. Mittels einer Schwenkeinrichtung 16, von der in 1 nur
eine Drehscheibe 17 ersichtlich ist, auf welcher die Bohrantriebseinheit 2 befestigt
ist, wird die Bohrantriebseinheit 2 in zwei Positionen
geschwenkt, nämlich in eine vertikale Bohrposition und
eine horizontale Windenposition, auf die im Folgenden noch eingegangen
wird. In 1 befindet sich das maschinelle
Erdbohrgerät 1 in der vertikalen Bohrposition.
Die Drehscheibe 17 der Schwenkeinrichtung 16 ist
an einem Stellschlitten 18 drehbar gelagert. Der Stellschlitten 18 ist
Teil eines Elevators 19 zur vertikalen Verstellung der
Bohrantriebseinheit 2. Dazu wird der Stellschlitten 18 in
einer Führung 20 eines senkrechten Mastes 21 des
Gestells 3 geführt. Als technisch günstige
Lösung erweist sich ein Mast 21 mit einem Doppel-T-Profil,
in dessen beidseitigen U-förmigen Schienenprofilen 20 jeweils
eine Rolle 22 mindestens eines Rollenpaar des Stellschlittens 18 rollen
kann. Der Stellschlitten 18 wird mit einem Stellantrieb 23 entlang
des Schienenprofils 20 bewegt. Im Ausführungsbeispiel
besteht der Stellantrieb 23 aus einer motorgetriebenen
Seilwinde, die am Gestell 3 montiert ist, wobei deren Zugseil 24 über
eine Umlenkrolle 25 am oberen Ende des Mastes 21 führt und
am Stellschlitten 18 angreift. Das Gestell 3 weist ein
Fahrwerk 26 mit zumindest drei Rädern auf, wobei
ein Vorderrad 27 für einen engen Wenderadius des
fahrbaren Gestells 3 mit einem Lenkgestänge ausgeführt
ist. 1 stellt einen für den Transport geeigneten
Ausgangszustand des maschinellen Erdbohrgerätes 1 dar,
bei dem sich die vertikal ausgerichtete Bohrantriebseinheit 2 in
einer mittleren Hubstellung befindet und das Bohrgestänge 7 ein
erstes Bohrgestängesegment 7' umfasst.
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In
den 2a und 2b sind
die Schwenkeinrichtung 16 des maschinellen Erdbohrgerätes 1 gemeinsam
mit der Bohrantriebseinheit 2, dem Kettentrieb 13 und
dem Bohrgestänge 7 mit dem Bohrwerkzeug 10 detailliert
dargestellt. Der Übersichtlichkeit halber wird in diesen
Ansichten, wie auch in der Ansicht nach 3, auf die
Darstellung des Gestells 3 mit dem Fahrwerk 26 verzichtet.
Die Bohrantriebseinheit 2 befindet sich in 2a und 2b in
der Bohrposition, bei der sich die Antriebsachse 8 mit
der Bohrachse 9 deckt. Die senkrecht gerichtete Antriebswelle 6 ist
mit dem Bohrgestänge 7 verbunden. 2b zeigt
in gleicher Ansicht auf das maschinelle Erdbohrgerät 1 eine
um 90° versetzte Drehstellung der Antriebswelle 6 gegenüber
der Drehstellung in 2a, wobei auch der mit der Antriebswelle 6 verbundene
Kettentrieb 13 entsprechend drehversetzt dargestellt ist.
Beim Bohrvorgang umfasst das Bohrgestänge 7 mehrere
aneinander steckbare Bohrgestängesegmente 7', 7'',
... entsprechend der zu erzielenden Bohrtiefe. In der Darstellung
nach 2a und 2b ist
lediglich ein erstes Bohrgestängesegment 7' des
Bohrgestänges 7 gezeigt. Am freien Ende des ersten
Bohrgestängesegmentes 7' ist eine Bohrspitze mit
einem Vorbohrwerkzeug 28 ausgebildet. Die Verbindung zwischen
der Antriebswelle 6 und dem ersten Bohrgestängesegment 7' – wie
auch die nicht dargestellten Verbindungen mit weiteren Bohrgestängesegmenten 7'', 7''' ... – bestehen
vorzugsweise jeweils aus ineinander steckbare formschlüssige Steckprofile.
Die Steckprofile verfügen jeweils über eine deckungsgleiche
Durchgangsbohrung, in die ein Sicherungsbolzen 29 eingeführt
wird, um die Verbindung in Längserstreckung des Bohrgestänges 7 zu sichern.
Diese Sicherung ist vor allem bei einer Hubbewegung der Bohrantriebseinheit 2 entgegen
der Vortriebsrichtung des Bohrwerkzeuges 10 zweckdienlich.
Die Bohrgestängesegmente 7', 7'', 7''' ...
bestehen im Ausführungsbeispiel aus fertigungstechnisch
günstig herstellbaren Vierkant-Hohlprofilen, an deren Enden
die Vierkant-Steckprofile geformt sind. Der Wellenstumpf der Antriebswelle 6 verfügt über ein
hierzu passendes Vierkant-Vollprofil.
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Das
Bohrwerkzeug umfasst eine Rohrhülse 30, anderen
Außenmantel die Schneidwendel 11 angeordnet ist.
Das obere Ende der Rohrhülse 30 schließt
mit einem Flansch 31 ab, in dem eine Vierkant-Öffnung
passend zum Vierkant-Hohlprofil des Bohrgestänges 7 vorgesehen
ist (nicht dargestellt). Die Rohrhülse 30 ist
auf das Bohrgestänge 7 aufgesteckt und entlang
desselben verschiebbar. Die Vierkant-Öffnung im Flansch 31 ermöglicht
die Mitnahme des Bohrwerkzeuges 10 bei der Drehbewegung
des Bohrgestänges 7 um die Bohrachse 9.
Das Vorbohrwerkzeug 28 am ersten Bohrgestängesegment 7' lockert
das Erdreich auf und bildet ein Anschlagelement für die
Rohrhülse 30, was das Herabrutschen des Bohrwerkzeuges 10 vom
Bohrgestänge 7 verhindert.
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In 2a und 2b ist
die Ausrichtung des Kettentriebes 13 in Bohrposition der
Bohrantriebseinheit 2 ersichtlich. In dieser Ausrichtung
ist die Drehachse der mit der Antriebswelle 6 verbundenen
Haspel 12, deckungsgleich mit der Bohrachse 9.
Die Gliederkette 14 verläuft in der Haspel 12 um
ca. 90° abgewinkelt gegenüber ihrer Laufrichtung
längs des Bohrgestänges 7. Diese Abwinklung
realisiert insbesondere die Rundgliederkette 14 aus runden
oder ovalen Kettengliedern schadlos und stö rungsfrei. An ihrem
Umfang verfügt die Haspel 12 über eine
Kettenführung 32 mit aneinander gereihten Ausnehmungen,
in die die einzelnen Kettenglieder aufgenommen werden, was zu einem
sicheren und störungsfreien Betrieb des Kettentriebes 13 beiträgt.
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Die
Haspel 12 umgibt ein Haspelgehäuse 33, das
frei drehbar gegenüber der Haspel 12 mit dieser verbunden
ist. An diesem Haspelgehäuse 33 ist mittels einer
drehbaren Halterung 34 der Kettenbehälter 15 befestigt,
was gut aus 2b ersichtlich ist. Der Kettenbehälter 15 hat
einen horizontal auskragenden Mitnehmer 35, der an das
Bohrgestänge 7 angreift. Dieser Mitnehmer 35 dient
der Arretierung und Mitführung des Kettenbehälters 15 während
der Drehung des Bohrgestänges 7. Während
des Bohrprozesses können sich somit das Bohrwerkzeug 10 mit der
daran befestigten Gliederkette 14, die Haspel 12 und
der Kettenbehälter 15 synchron mit dem Bohrgestänge 7 um
die Bohrachse 9 mitdrehen.
-
Der
in Bohrposition ausgerichtete Kettentrieb 13 hat keine
Hubleistung zu erbringen und ist im Wesentlichen zuglastfrei, allenfalls
ergibt sich eine geringe Zuglast aus dem Eigengewicht des anhängenden Bohrwerkzeuges 10.
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Die 2a und 2b zeigen
im Hintergrund der Bohrantriebseinheit 2 die Schwenkeinrichtung 16 des
Erdbohrgerätes 1. Die Schwenkeinrichtung 16 besteht
aus der Drehscheibe 17, auf der die Bohrantriebseinheit 2 befestigt
ist, aus einer am Umfang der Drehscheibe 17 anliegenden
und an zwei Punkten befestigten Zugkette 36 sowie aus einem Stellantrieb 37 mit
einem Kettenzahnrad 38, über das die Zugkette 36 geführt
ist. Die Drehscheibe 17 ist drehbar an einer Grundplatte 39 des
Stellschlittens 18 gelagert, an welcher auch der Stellantrieb 37 befestigt
ist. Eine Lagerachse im Mittelpunkt 40 der Drehscheibe 17 bildet
zugleich die Schwenkachse 40 für die Schwenkbewegung
der Bohrantriebseinheit 2. Dabei ist die Antriebswelle 6 mit
der Haspel 12 so im Verhältnis zur Dreh scheibe 17 angeordnet,
dass die Schwenkachse 40 mittig durch die Haspel 12 verläuft.
Die Drehung des Kettenzahnrades 38 wird auf die Zugkette 36 übertragen,
die die Drehscheibe 17 mit einem Drehwinkel von ca. 90° in
zwei Drehstellungen verstellt. Die in den 2a und 2b ersichtliche
erste Drehstellung der Drehscheibe 17 erzeugt die vorbeschriebene
Bohrposition der Bohrantriebseinheit 2.
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Die
in 3 gezeigte zweite Drehstellung der Drehscheibe 17 ergibt
die Windenposition der Bohrantriebseinheit 2, bei der die
Antriebsachse 8 der zuvor vom Bohrgestänge 7 getrennten
Antriebswelle 6 senkrecht zur Bohrachse 9 verläuft.
Die um die Schwenkachse 40 geschwenkte Haspel 12 nimmt ihre
bestimmungsgemäße Ausrichtung im Schnittpunkt
der Antriebsachse 8 und der Bohrachse 9 ein, in
der die Gliederkette 14 mittels der Bohrantriebseinheit 2 geradläufig über
die Haspel 12 gefördert werden kann. Hierdurch
wird das anhängende Bohrwerkzeug 10 entlang des
Bohrgestänges 7 gehoben. Beim Schwenken der Bohrantriebseinheit 2 in
die Windenposition bleibt der Kettenbehälter 15 in
senkrechter Stellung unterhalb der Haspel 12, so dass die Gliederkette 14 in
den Kettenbehälter 15 einlaufen kann. Dazu ist
zuvor der Kettentrieb 13 in die Drehstellung entsprechend 2a zu
bringen, bei dem die Drehachse der drehbare Halterung 34 des
Kettenbehälters 15 mit der Schwenkachse 40 fluchtet (Ansicht
der drehbaren Halterung 34 hier verdeckt).
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An
der Bohrantriebseinheit 2 ist ein Riegel 41 vorgesehen,
der in der Windenposition der Bohrantriebseinheit 2 an
den Kettenbehälter 15 angreift und diesen in seiner
lotrechten Lage sichert, da während der Windenfunktion
die Arretierung des Kettenbehälters 15 am Bohrgestänge 7 entfällt.
Außerdem verhindert diese Verrieglung ein Mitdrehen des
Haspelgehäuses 33 beim Fördern der Gliederkette 14.
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Funktionsweise des erfindungsgemäßen
maschinellen Erdbohrgerätes 1:
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Für
das Einbringen einer nicht dargestellten Erdbohrung in das Erdreich
wird das maschinelle Erdbohrgerät 1 über
die gewünschte Bohrstelle gefahren (1). Die
Bohrantriebseinheit 2 befindet sich in der Bohrposition
und ist mit dem ersten Bohrgestängesegment 7',
welches das Bohrwerkzeug 10 trägt, verbunden (2a, 2b).
Der Elevator 19 senkt die miteinander verbundenen Komponenten aus
Bohrantriebseinheit 2, Kettentrieb 13 und Bohrgestänge 7 mit
dem Bohrwerkzeug 10 ab. Das Bohrgestänge 7 wird
mittels der Bohrantriebseinheit 2 in Drehung um die Bohrachse 9 angetrieben,
wobei das Bohrwerkzeug 10 und der Kettentrieb 13 einschließlich
des Kettenbehälters 15 mitdrehen. Die Schneidwendel 11 erzeugt
mit der Drehung des Bohrwerkzeuges 10 einen Vortrieb in
das Erdreich, der durch das Eigengewicht der miteinander verbundenen Komponenten 2, 13, 7, 10 unterstützt
wird, während der Elevator 19 diese durch Absenken
nachführt.
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Schrittweise
wird das Bohrgestänge 7 durch Ansetzen von weiteren
Bohrgestängesegmenten 7'', 7''' ... verlängert.
Dazu wird der Bohrprozess unterbrochen und die Verbindung der Antriebswelle 6 mit dem
ersten Bohrgestängesegment 7' gelöst.
Zuvor wird die Bohrantriebseinheit 2 mittels des Elevators 19 soweit
angehoben, dass ein zweites, bzw. nachfolgendes Bohrgestängesegment 7'' zwischen
das erste bzw. vorangehende Bohrgestängesegment 7' und
der Antriebswelle 6 passt und mit diesen verbunden werden
kann.
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Mit
dem Zyklus der Bohrgestängeverlängerung oder auch
unabhängig von diesem, kann der Bohrgutaushub erfolgen.
Dazu wird im Stillstand des maschinellen Erdbohrgerätes 1 die
mit dem Bohrgestänge 7 komplettierte Bohrantriebseinheit 2 durch den
Elevator 19 geringfügig angehoben. Dadurch wird
das Erdreich von der eingeschnittenen Schneidwendel 11 abgerissen,
was den nachfolgenden Hebevorgang des Bohrwerkzeuges 10 erleichtert.
Der geringfügige Hub reicht außerdem aus, um die
Steckverbindung der Antriebswelle 6 mit dem Bohrgestängesegment 7', 7'', 7''' bequem
lösen zu können. Die Schwenkeinrichtung 16 ver schwenkt
anschließend die Bohrantriebseinheit 2 mit der
gelösten Antriebswelle 6 in die Windenposition
(3). Dabei verlagert sich die Haspel 12 des
Kettentriebes 15 in ihre funktionsbestimmte Ausrichtung
zum Wickeln der Gliederkette 14. Der Kettenbehälter 15 bleibt
in seiner senkrechten Lage und nimmt die geförderte Gliederkette 14 auf.
Die Bohrantriebseinheit 2 wird nun zum Antrieb der Haspel 12 in
Betrieb gesetzt, wobei die Gliederkette 14 das mit Bohrgut
gefüllte Bohrwerkzeug 10 entlang des Bohrgestänges 7 über
Tage zieht, wo es entleert werden kann. Mit einer entsprechenden
Hubstellung der Bohrantriebseinheit 2 durch den Elevator 19 kann
das Bohrwerkzeug 10 zum Entleeren auch aus der Führung
am Bohrgestänge 7 entnommen werden.
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Zum
Fortsetzen des Bohrprozesses wird unter Beibehaltung der Windenposition
der Bohrantriebseinheit 2 das entleerte Bohrwerkzeug 10 entlang
des Bohrgestänges 7 in die Erdbohrung abgesenkt,
wobei die Haspel 12 in umgekehrter Drehrichtung angetrieben
wird. Danach verschwenkt die Schwenkeinrichtung 16 die
Bohrantriebseinheit 2 in die Bohrposition und der Elevator 19 senkt
die Bohrantriebseinheit 2 ab, bis die Verbindung der Antriebswelle 6 mit
dem jeweiligen Bohrgestängesegment 7', 7'', 7''' hergestellt
werden kann. Die Bohrantriebseinheit 2 wird anschließend
erneut zum Antrieb des Bohrgestänges 7 um die
Bohrachse 9 in Betrieb gesetzt.
-
Die
laufend erforderliche Bohrgutentnahme kann mit geringem technischem
Aufwand und mit wenigen Handgriffen schnell und unkompliziert erfolgen, ohne
dass gesamte Bohrgestänge 7 aus der Erdbohrung
gehoben werden muss oder die bereits eingebrachten Bohrgestängesegmente 7', 7'', 7''' ...
einzeln demontiert werden müssen.
-
- 1
- maschinelles
Erdbohrgerät
- 2
- Bohrantriebseinheit
- 3
- Gestell
- 4
- Motor
- 5
- Getriebe
- 6
- Antriebswelle
- 7
- Bohrgestänge,
Bohrgestängesegment ', '', '''
- 8
- Antriebsachse
- 9
- Bohrachse
- 10
- Bohrwerkzeug
- 11
- Schneidwendel
- 12
- Haspel,
Zugmitteltrommel
- 13
- Kettentrieb,
Zugmitteltrieb
- 14
- Gliederkette,
Rundgliederkette, Zugmittel
- 15
- Kettenbehälter,
Zugmittelbehälter
- 16
- Schwenkeinrichtung
- 17
- Drehscheibe
- 18
- Stellschlitten
- 19
- Elevator
- 20
- Führung,
Schienenprofil
- 21
- Mast
- 22
- Rolle
- 23
- Stellantrieb
des Elevators, Seilwinde
- 24
- Zugseil
- 25
- Umlenkrolle
- 26
- Fahrwerk
- 27
- Vorderrad
des Fahrwerkes
- 28
- Bohrspitze
mit Vorbohrwerkzeug
- 29
- Sicherungsbolzen
- 30
- Rohrhülse
- 31
- Flansch
- 32
- Kettenführung
der Haspel
- 33
- Haspelgehäuse,
Trommelgehäuse
- 34
- drehbaren
Halterung des Kettenbehälters
- 35
- Mitnehmer
des Kettenbehälters
- 36
- Zugkette
- 37
- Stellantrieb
der Schwenkeinrichtung
- 38
- Kettenzahnrad
- 39
- Grundplatte
des Stellschlittens
- 40
- Mittelpunkt
der Drehscheibe, Schwenkachse
- 41
- Riegel
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 8713000
U1 [0005]
- - DE 102004003706 A1 [0008]
- - DE 102004042195 A1 [0009]