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Die Erfindung betrifft eine Horizontalbohranlage mit einem mehrteiligen Bohrgestänge, die eine Bohrgestängevermessung im in-line Betrieb ermöglicht.
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Aus dem Stand der Technik sind Horizontalbohranlagen mit Bohrgestängen für Erdbohrungen als solche bekannt. Hierbei sind die Bohrgestänge regelmäßig mehrteilig ausgebildet. Die Bohrgestänge weisen an ihren axialen Enden jeweils ein Kopplungsgewinde auf, das eine axiale Ankopplung der Bohrgestängeelemente aneinander ermöglicht, so dass im gekoppelten Zustand ausreichende Längen der Bohrgestänge für die einzubringenden Bohrkanäle erreicht werden.
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Es ist als Problem in diesem Zusammenhang bekannt, dass die Bohrgestänge infolge der Mantelreibung gegenüber dem umgebenden Erdreich einer abrasiven Belastung und damit einem Verschleiß unterliegen. Überwiegend sind die Bohrgestänge tailliert ausgebildet, wobei die sogenannten Köpfe nahe an den Kopplungsgewinden angeordnet sind. Dort liegt daher der größte Materialabtrag infolge der Mantelreibung vor. Dieser Bereich ist daher auch maßgeblich für das Verschleißmaß, das sich durch den Durchmesser ausdrückt. Wird ein bohrgestängespezifisches Verschleißmaß unterschritten, müssen die Bohrgestänge gegen neue oder regenerierte Bohrgestänge ausgetauscht werden, da sonst die Gefahr eines Bruchs des Bohrgestänges besteht.
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Nach dem Stand der Technik werden die demontierten Bohrgestänge in bestimmten Abständen manuell vermessen. Nachteilig ist hierbei zum einen der Zeitaufwand für die Vermessung sowie der organisatorische Aufwand zur Sicherstellung angemessener Überwachungszyklen. Ferner ist zum anderen die Zugänglichkeit eines zu vermessenden Bohrgestänges in einem Bohrgestängemagazin je nach Bauart nur bedingt gegeben. Nachteilig ist es zudem, dass vorsorglich auch solche Bohrgestänge ausgetauscht werden müssen, bei denen das Verschleißmaß zwar noch nicht gänzlich erreicht ist, aber eine Unterschreitung innerhalb des nächsten Überwachungszyklus zu befürchten ist.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, unter Überwindung der Nachteile des Standes der Technik eine Lösung aufzuzeigen, die eine sichere Verschleißmaßerkennung ermöglicht, den organisatorischen Aufwand reduziert, manipulationssicher ist und zugleich eine vollständige Ausnutzung der möglichen Standzeit eines Bohrgestänges zulässt.
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Die Aufgabe wird durch die Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die erfindungsgemäße Horizontalbohranlage weist als Grundkomponenten eine Bohrmechanikbaugruppe und eine Bohrgestängevermessungseinheit auf.
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Die Bohrmechanikbaugruppe ist in an sich bekannter Weise ausgebildet und weist ein Grundgestell, ein mehrteiliges Bohrgestänge, einen Drehantrieb einen Bohrschlitten sowie eine Brechvorrichtung auf.
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Das mehrteilige Bohrgestänge besteht aus einer Mehrzahl von Bohrgestängeelementen, die einen vorderen und einen hinteren endseitigen Verbindungsabschnitt aufweisen und in einer Längsachse koppelbar ausgebildet sind. Hierfür weisen die Bohrgestängeelemente an den endseitigen Verbindungsabschnitten vorzugsweise Gewindeabschnitte auf, die vorzugsweise konisch ausgebildet sind um eine Schraubkopplung zu vereinfachen. Einer der beiden Verbindungsabschnitte weist einen Außengewindeabschnitt, auch als Pin bezeichnet, und der andere der beiden Verbindungsabschnitte eine Innengewindeabschnitt mit korrespondierendem Gewinde, auch als Dose bezeichnet, auf. Auf diese Weise können die Bohrgestängeelemente in axialer Abfolge in gewünschter Anzahl zur Ausbildung des Bohrgestänges in gewünschter Länge durch Verschraubung gekoppelt werden.
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Der Drehantrieb weist einen Bohrwellenadapter auf, der zur Kopplung zu dem Bohrgestänge ausgebildet ist. Hierfür weist der Bohrwellenadapter vorzugsweise einen auf das Gewinde des Bohrgestänges angepassten Gewindeabschnitt auf, über den auf das vom Bohrkopf aus betrachtet letzte Bohrgestängeelement das Antriebsdrehmoment übertragen wird.
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Der Bohrschlitten ist ausgebildet zur Bereitstellung einer Linearbewegung des Bohrgestänges. Die Linearbewegung kann dabei sowohl als Vortriebbewegung in Richtung Bohrkopf als auch umgekehrt als eine Rückzugbewegung vorliegen.
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Der Bohrschlitten ermöglicht zugleich das Einsetzen von Bohrgestängeelementen bei einer Vortriebbewegung als auch das Entnehmen von Bohrgestängeelementen bei der Rückzugbewegung. Hierfür ist dem Bohrschlitten die Brechvorrichtung zugeordnet, die zum Lösen der Bohrgestängeelemente zueinander ausgebildet ist. Infolge des Antriebsdrehmoments sind die Bohrgestängeelemente fest miteinander verschraubt, so dass zum Lösen der Gewindekopplung sehr hohe Drehmomente aufgebracht werden müssen. Dies ermöglicht die Brechvorrichtung, die zwei Klemmvorrichtungen aufweist, von denen jeweils eine den vorderen Verbindungsabschnitt und jeweils eine weitere den dort angekoppelten hinteren Verbindungsabschnitt drehfest umfasst, so dass unmittelbar auf die Gewindekopplung ein hohes Drehmoment aufgebracht und die gekoppelte Verbindung zwischen den Bohrgestängeelementen gelöst werden kann. Nach dem Lösen kann das betreffende Bohrgestängeelement aus seiner Entnahmepostion entnommen und vorzugsweise in einem Bohrgestängemagazin abgelegt werden. Anschließend kann beispielsweise zur Fortsetzung einer Räumbohrung mit Rückzugbewegung wieder die Kopplung zum Bohrwellenadapter hergestellt werden, bis sich das nächste Bohrgestängeelement in einer Entnahmeposition befindet.
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Die erfindungsgemäße Horizontalbohranlage ist insbesondere durch eine Bohrgestängevermessungseinheit gekennzeichnet.
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Die erfindungsgemäße Bohrgestängevermessungseinheit weist einen Messaufnehmer und eine Auswertungseinheit auf, wobei der Messaufnehmer mit der Auswertungseinheit verbunden ist.
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Der Messaufnehmer ist ausgebildet in einer zu der Längsachse senkrecht stehenden Messebene in mindestens einem Verbindungsabschnitt eines der Bohrgestängeelemente ein Abstandsmaß aufzunehmen und als Messsignal bereitzustellen.
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Als Abstandsmaß wird im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere der Durchmesser oder der Radius verstanden. Der Messaufnehmer ist dabei so angeordnet, dass das Abstandmaß an dem verschleißmaßrelevanten Abschnitt des Bohrgestängeelements erfasst wird.
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Der Messaufnehmer ist besonders bevorzugt zur berührungslosen Aufnahme des Abstandsmaßes ausgebildet. Insbesondere kann der Messaufnehmer als optischer Messaufnehmer, beispielsweise als ein Laserscanner, eine Gabellichtschranke oder als Lasertriangulationseinheit, auch bezeichnet als Triangulationssensor, ausgebildet sein.
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Der Messaufnehmer ist vorzugsweise so angeordnet, dass sein Erfassungsbereich den verschleißmaßrelevanten Abschnitt des Bohrgestängeelements erfasst, wenn sich das Bohrgestängeelement in einer Entnahmeposition befindet.
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Die Auswertungseinheit ist mit dem Messaufnehmer verbunden und ausgebildet, das Messsignal von dem Messaufnehmer zu erhalten, auszuwerten und als Messwert auszugeben. Die Auswertungseinheit kann hierbei eine eigenständige elektronische Schaltung oder Prozessor sein, die kann aber auch in die Steuerungselektronik für die Bohrmechanikbaugruppe integriert sein. Als ein Ausgeben des Messwertes wird insbesondere ein Ausdruck, eine Visualisierung beispielsweise auf einem Display oder eine Erfassung in einem Datenspeicher verstanden. Insbesondere kann eine Ausgabe auf dem Monitor der Steuerungseinheit der Horizontalbohrmaschine erfolgen, so dass ein Anlagenführer über den Messwert unmittelbar informiert ist.
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Die erfindungsgemäße Horizontalbohrmaschine weist insbesondere die nachfolgenden Vorteile auf.
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Die Erfassung des Verschließmaßes erfolgt vorteilhaft automatisiert und ohne zusätzlichen personellen Aufwand. Zudem kann die Erfassung in-line, also im laufenden Arbeitsprozess erfolgen, ohne dass eine Unterbrechung oder eine Zusatzmaßnahme durchgeführt werden muss. Ferner ist es vorteilhaft, dass eine objektivierbare und protokollierbare Erfassung durchgeführt werden kann. Hierbei ist es als besonderer Vorteil gesichert, dass die Erfassung an der zutreffenden axialen Position des Bohrgestängeelements durchgeführt wird. Vorteilhaft kann zudem der mittels der Auswertungseinheit in elektronischer Form vorliegende Messwert für eine nachfolgende automatisierte Messwertauswertung oder zur Steuerung von Betriebszuständen weiterverarbeitet werden, was bei einer manuellen Messung nach dem Stand der Technik nicht möglich wäre. Weiterhin besteht ein besonderer Vorteil darin, dass die Messung bei jeder Entnahme oder Zuführung eines Bohrgestängeelements erfolgen kann, so dass ein Erreichen des Verschleißmaßes sofort erkannt wird und hieraus entsprechende Maßnahmen abgeleitet werden können. Umgekehrt kann das Bohrgestänge bis zum Eintritt des Verschleißmaßes eingesetzt werden, so dass sonst auftretende wirtschaftliche Nachteile durch einen vorsorglich vorzeitigen Austausch vermieden werden können.
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Gemäß einer ersten vorteilhaften Weiterbildung ist die Horizontalbohrmaschine dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrgestängevermessungseinheit einen weiteren Messaufnehmer aufweist der ausgebildet ist, ein weiteres Abstandsmaß aufzunehmen und als weiteres Messsignal bereitzustellen. Nach dieser Weiterbildung ist die Auswertungseinheit ausgebildet ist, das weitere Messsignal von dem weiteren Messaufnehmer zu erhalten, auszuwerten und als weiteren Messwert auszugeben. Ferner sind nach dieser Weiterbildung die Messaufnehmer dem Bohrschlitten zugeordnet.
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Der Messaufnehmer ist so angeordnet, dass dieser in einer Entnahmeposition des Bohrgestängeelements das Abstandsmaß des vorderen Verbindungsabschnitts aufnimmt und der weitere Messaufnehmer ist so angeordnet, dass dieser in einer Entnahmeposition des Bohrgestängeelements das weitere Abstandsmaß des hinteren Verbindungsabschnitts aufnimmt.
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Der Messaufnehmer und der weitere Messaufnehmer werden zusammengefasst als die Messaufnehmer, das Messsignal und das weitere Messsignal zusammengefasst als die Messsignale, das Abstandsmaß und das weitere Abstandmaß als die Abstandsmaße sowie der Messwert und der weitere Messwert als die Messwerte bezeichnet.
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Ein besonderer Vorteil dieser Weiterbildung ist es, dass bei dem Bohrgestängeelement zugleich an beiden Verbindungsabschnitten die Verschleißmaße erfasst werden können
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Entsprechend einer nächsten vorteilhaften Weiterbildung ist die Horizontalbohrmaschine dadurch gekennzeichnet, dass der Messaufnehmer oder der weitere Messaufnehmer als optischer Messaufnehmer ausgebildet ist. Vorzugsweise sind jedoch beide Messaufnehmer als optische Messaufnehmer ausgebildet. Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem Messaufnehmer um einen Laserlinienscanner oder um einen Lasertriangulationssensor oder sonstigen Laserscanner. Vorteilhaft kann der Sensor somit vor Verschmutzungseinflüssen geschützt angeordnet werden. Der Messaufnehmer kann verschließfrei arbeiten. Zudem ist darüber hinaus auch eine Messung bei einem rotierenden Bohrgestänge möglich. Hierbei kann als zusätzliches Merkmal zudem automatisiert eine Rundlaufmessung erfolgen, so dass auch nicht rotationssymmetrische Materialabträge oder Beschädigungen detektiert werden können.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die Horizontalbohrmaschine dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertungseinheit eine Datenbasis aufweist die ausgebildet ist, das Messsignal oder das weitere Messsignal einer Bohrgestängeelement-ID zuzuordnen und einen Datensatz aus Bohrgestänge-ID und mindestens einem der Messwerte in der Datenbasis zu speichern.
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Nach dieser Weiterbildung ist es möglich, für jedes Bohrgestängeelement eine Betriebshistorie zu führen, die Informationen über die Einsatzdauer sowie besonders bevorzugt auch über die jeweiligen Einsatzbedingungen wie Gesteinsmaterial, Betriebszustände wie Bohremulsionsdrücke und -volumina und so weiter enthält, so dass eine Nachweisführung und transparente Abrechnungsgrundlage bereitgestellt werden kann. Zudem ermöglicht eine Auswertung solcher Datensätze zur Betriebshistorie die Gewinnung von Kenntnissen zur Optimierung der Anlagenführung sowie zu einer verschleißreduzierten und somit kostenreduzierten Betriebsführung der Horizontalbohranlage.
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Nach einer nächsten vorteilhaften Weiterbildung ist die Horizontalbohrmaschine dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrmechanikeinheit ein Bohrgestängemagazin und eine Bohrgestängehandlingseinheit aufweist, wobei die Bohrgestängehandlingseinheit ausgebildet ist, ein Bohrgestängeelement aus einer Entnahmeposition von dem Bohrschlittten zu entnehmen und in das Bohrgestängemagazin in eine Ablageposition einzulegen, und dass die Auswertungseinheit ausgebildet ist, die Ablageposition der Bohrgestänge-ID zuzuordnen und als einen weiteren Datensatz in der Datenbasis abzuspeichern.
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Diese Weiterbildung ermöglicht eine besonders effektive Betriebsführung, indem bereits durch die Ablageposition in dem Bohrgestängemagazin die Identität des Bohrgestängemagazins hinterlegt ist, so dass nach einer durchgeführten ersten manuellen Erfassung der Identität insbesondere anhand der Bohrgestängeelement-Kennnummer keine erneute Erfassung erforderlich ist. Dies ist insbesondere aufgrund der typischerweise problematischen Erkennbarkeit der Kennnummer aufgrund von Verschmutzungen besonders vorteilhaft.
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Eine nächste vorteilhaften Weiterbildung sieht vor dass die Horizontalbohrmaschine dadurch gekennzeichnet ist, dass die Auswertungseinheit ausgebildet ist, den Messwert oder den weiteren Messwert einem Verschleißmaß zuzuordnen, einen Vergleich durchzuführen und ein Vergleichsergebnis auszugeben.
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Durch diese Weiterbildung wird eine sichere Anlagenführung unterstützt, indem automatisiert ein Messergebnis in Abhängigkeit von dem Messwert in besonders wahrnehmbarer Weise ausgegeben werden kann. So kann insbesondere eine Verschleißwertunterschreitung als ein optischer Alarm ausgegeben werden. Ferner ist eine Darstellung in einem Ampelsystem möglich, indem Annäherungen an das Verschleißmaß graduell differenziert dargestellt werden.
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Letztlich ist nach einer hierauf aufbauenden Weiterbildung die Horizontalbohrmaschine dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertungseinheit ausgebildet ist, mittels des Vergleichsergebnisses einen Steuerbefehl zur Steuerung eines Betriebszustands der Bohrmechanikbaugruppe zu erzeugen und auszugeben.
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Insbesondere ist es nach dieser Weiterbildung vorteilhaft möglich, ein Bohrgestängeelement bei einer Verschleißmaßunterschreitung automatisiert zu sperren oder eine Inbetriebnahme der Bohrmechanikeinheit zu blockieren, wenn eine Verschleißmaßunterschreitung erkannt worden ist. Hierdurch können vorteilhaft Betriebsführungen mit bruchgefährdeten Bohrgestängeelementen ausgeschlossen und kostenintensive Schäden vermieden werden. Ferner ist es möglich, für die Aufrechterhaltung eines Notbetriebs bis zur Beschaffung eines Ersatzes für ein verschlissenes Bohrgestängeelement eine reduzierte Belastung beispielsweise durch eine automatische Drehmomentreduzierung sicherzustellen.
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Die Erfindung wird als Ausführungsbeispiel anhand von
- 1 Schematische Darstellung in einer Draufsicht
- 2 Bohrgestängeelement in einer Seitenansicht
näher erläutert.
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Hierbei beziehen sich gleiche Bezugszeichen in den verschiedenen Figuren auf jeweils gleiche Merkmale oder Bauteile. Die Bezugszeichen werden in der Beschreibung auch dann verwandt, sofern sie in der betreffenden Figur nicht dargestellt sind.
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1. zeigt in einem Ausführungsbeispiel sowohl den Grundaufbau der Bohrmechanikbaugruppe 1 als auch der Bohrgestängevermessungseinheit 7.
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Die Bohrmechanikbaugruppe 1 weist ein Grundgestell 2 auf, an dem insbesondere der Bohrschlitten 5, der Drehantrieb 4, mit dem Bohrwellenadapter 41, die Brechvorrichtung das Bohrgestängemagazin 8 und die Bohrgestängehandlingseinheit 9 angeordnet sind.
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1 zeigt hierbei ein Bohrgestängeelement 31 in einer Endnahmeposition auf dem Bohrschlitten 5. Die Brechvorrichtung hat bereits die Schraubkopplung mit dem vorgelagerten nächsten Bohrgestängeelement gelöst. Das Bohrgestängeelement ist Bestandteil des Bohrgestänges 3, das hier bereits teilweise in dem Bohrgestängemagazin 8 lagert, wobei die Entnahme aus der Entnahmeposition und die Ablage in dem Bohrgestängemagazin durch die Bohrgestängehandlingseinheit 9, hier ausgebildet als Greifarm, durchgeführt wird.
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Die Bohrgestängevermessungseinheit 7 ist in diesem Ausführungsbeispiel mit zwei Messaufnehmern 71, 72 versehen, die beide alsLaserscanner ausgebildet sind. Der Messaufnehmer 71 erfasst in einer Messebene 73 das Verschleißmaß an dem vorderen Verbindungsabschnitt 32 und der weitere Messaufnehmer 72 das Verschleißmaß an dem hinderen Verbindungsabschnitt. Beide Messaufnehmer sind mit der Auswertungseinheit 74 verbunden, so dass deren Messsignale an die Auswertungseinheit 74 übertragen werden können. Die Auswertungseinheit 74 ist als ein Rechner ausgebildet und verarbeitet die Messsignale. Sie verfügt über eine eigene Datenbasis 75, die als ein beschreibbarer Datenspeicher ausgebildet ist und kann so einen Vergleich mit dort hinterlegten zulässigen Verschleißmaßen durchführen. Ferner ist dort für jedes der Bohrgestängeelemente 31 des Bohrgestänges 3 ein Datensatz angelegt, der laufend fortgeschrieben wird, indem dort insbesondere die Messwerte und Datum und Zeitpunkt der Erfassung eingeschrieben werden. Dieser Datensatz kann als eine Betriebshistorie für jedes Bohrgestängeelement ausgegeben werden.
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2 zeigt ergänzend ein Bohrgestängeelement 31 als solches und außerhalb der erfindungsgemäßen Horizontalbohrvorrichtung. In 2 ist zudem die Längsachse dargestellt, um die das Bohrgestängeelement bei bestimmungsgemäßer Verwendung rotiert. Ortogonal hierzu ist - dargestellt an dem vorderen Verbindungsabschnitt 32 - die Messebene 73 angeordnet. An den Enden befinden sich der vordere Verbindungsabschnitt 32 und der hintere Verbindungsabschnitt 33. Dargestellt ist ferner das Kopplungsgewinde an dem distalen Ende des vorderen Verbindungsabschnitts 32 als Pin mit Außengewinde und am hinteren Verbindungsabschnitt 33 als sogenannte Dose mit einem Innengewinde.
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Verwendete Bezugszeichen
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- 1
- Bohrmechanikbaugruppe
- 2
- Grundgestell
- 3
- Bohrgestänge
- 31
- Bohrgestängeelement
- 32
- vorderer Verbindungsabschnitt
- 33
- hinterer Verbindungsabschnitt
- 4
- Drehantrieb
- 41
- Bohrwellenadapter
- 5
- Bohrschlitten
- 6
- Brechvorrichtung
- 7
- Bohrgestängevermessungseinheit
- 71
- Messaufnehmer
- 72
- weitererer Messaufnehmer
- 73
- Messebene
- 74
- Auswertungseinheit
- 75
- Datenbasis
- 8
- Bohrgestängemagazin
- 9
- Bohrgestängehandlingseinheit
