DE1097920B - In ein Bohrloch absenkbares Schlagbohrgeraet - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung betrifft ein in ein Bohrloch absenkbares Schlagbohrgerät mit einem angetriebenen zylindrischen Gehäuse, das das die Schläge des stets von Frischluft beaufschlagten Kolbens empfangende eingesteckte Bohrwerkzeug mittels Führungsrollen in Drehrichtung mitnimmt, und mit einer einen Durchströmkanal zur vorderen Kolbenstirnseite steuernden Ventileinrichtung zwischen hinterer Kolbenstirnseite und Gehäuse.

Es sind bereits Schlagbohrgeräte bekanntgeworden, bei welchen der Kolben mit in der Gehäusewandung angeordneten Schlitzen zusammenwirkt, um die Strömung der Preßluft zu steuern. Damit erstreckt sich der Kolbenhub auf eine ganz bestimmte, nach Länge und Lage innerhalb des Gehäuses festliegende Strecke, und die Schlagkraft des Kolbens sowie die Schlagfrequenz können nicht verändert werden. Fällt bei einem solchen Schlagbohrgerät das Bohrwerkzeug nach vorn, weil es z. B. auf eine Aushöhlung im Gestein trifft oder weil das Gerät zu wenig schnell nachgeschoben wird, so hämmert der Schlagkolben mit unverminderter Kraft und Frequenz am Gehäuse weiter.

Bei einem anderen bekannten Schlagbohrgerät wird bei grundsätzlich ähnlicher Anordnung der vom Schlagkolben bzw. von im Gehäuse angeordneten Schlitzen gebildeten Ventileinrichtungen der Durchströmkanal zur vorderen Kolbenstirnseite gesperrt, wenn der Schlagkolben vorfällt, so daß wenigstens das Hämmern am Gehäuse vermieden wird. Die Schlagkraft und die Schlagfrequenz können jedoch auch bei diesem Gerät nicht beeinflußt werden.

Es versteht sich, daß diese bekannten Geräte praktisch nur bei ständiger unmittelbarer Beobachtung benutzt werden können und vor allem nicht geeignet sind, in tiefen Bohrlöchern abgesenkt zu arbeiten.

Daneben sind auch schon besondere Bohrwerkzeuge für Tiefbohrungen geschaffen worden, die jedoch die hinsichtlich der Regelbarkeit der Schlagkraft und Frequenz gestellten Anforderungen noch nicht restlos befriedigen konnten.

Beim erfindungsgemäßen Schlagbohrgerät ist nun das Auslaßventilglied an der vorderen Stirnseite des Schlagkolbens vorgesehen, das mit einem entsprechenden Gegenventilsitz im Bohrwerkzeug in Abhängigkeit von der Schlagkolben- und Bohrwerkzeugstellung zusammenarbeitet.

Dadurch erfolgt der beim geschlossenen Auslaß erteilte Rückstoßimpuls für den Schlagkolben in Abhängigkeit von der jeweiligen Venschiebungslage des Bohrwerkzeugs also an verschiedenen Stellen eines bestimmten Endbereichs des Schlagkolbenhubs, während der bis zum Öffnen des Durchströmkanals dauernde Schlagimpuls immer an der gleichen An-

In ein Bohrloch absenkbares
Schlagbohrgerät

Anmelder:

Bassinger Tool Company,
San Antonio, Tex. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. W. Kruse, Patentanwalt,
Augsburg, Säulingstr. 42

Ross Bassinger, San Antonio, Tex.,

und James D. Gardner, Houston, Tex. (V. St. A.),

sind als Erfinder genannt worden

fangsstrecke des Kolbenhubs wirksam ist. Die räumliche Entfernung zwischen der Erteilung des Rückstoßimpulses und des Schlagimpulses ist nun maßgebend — wie dies später noch ausführlicher erläutert wird — für die Schlagkraft und die Schlagfrequenz. Dies bedeutet, daß das Schlagen mit nur kleiner Kraft und kleiner Frequenz erfolgt, wenn das Bohrwerkzeug voreilt, oder, umgekehrt, daß die Schlagkraft und die Schlagfrequenz mit der Regulierung des Werkzeugvorschubs beeinflußt werden können. Es ist nun nicht mehr nötig, den Vorschub mit Rücksicht auf das mögliche Vorfallen oder Voreilen des Bohrers übermäßig groß zu wählen und damit das Verlaufen des Werkzeugs zu riskieren. Bohrgeschwindigkeit, Schlagkraft und Schlagfrequenz können willkürlich gewählt werden. Das Werkzeug bedarf zum einwandfreien Arbeiten gar nicht der direkten Beobachtung und kann folglich in Tiefbohrlöcher abgesenkt werden. Dies ist ein besonderer Vorteil, kann doch dabei das Gerät direkt und nicht unter Umständen durch beträchtlich lange Verlängerungsstücke mit dem Bohrwerkzeug gekoppelt werden. Dadurch bleiben die Arbeitsverhältnisse bei jeder Bohrtiefe erhalten. Die erreichbare hohe Schlagfrequenz gestattet zudem, eine relativ kleine Schlagmasse zu verwenden. Alles in allem bringt das beschriebene Schlagwerkzeug einen besseren Wirkungsgrad und eine größere Leistungsfähigkeit.

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In einem Ausführungsbeispiel ist der Erfindungsgegenstand in der Zeichnung dargestellt, und zwar zeigen

Fig. 1 bis 3 ein erstes Ausführungsbeispiel im Schnitt mit dem Schlagkolben in verschiedenen Stellungen,

Fig. 4 A und 4 B die beiden Hälften einer etwas modifizierten Ausführungsform des ersten Ausführungsbeispiels in größerem Maßstab,

Fig. 5 einen Schnitt nach der Linie 5-5 der Fig. 4 B,

Fig. 6 und 7 die beiden Hälften eines weiteren Ausführungsbeispiels,

Fig. 8 eine besondere Ausbildung des unteren Endes des Schlagkolbens,

Fig. 9 ein weiteres Ausführungsbeispiel zum Arbeiten in einer Flüssigkeit, und

Fig. 10 eine Einzelheit des letztgenannten Beispiels in schaubildlichen Darstellung.

In allen Figuren sind zur Bezeichnung der gleichen Teile die gleichen Bezugsziffern verwendet.

Von dem beschriebenen Schlagbohrgerät soll nur das in den Bereich der Erfindung fallen, was in den Ansprüchen als solche gekennzeichnet ist.

Nach den Fig. 1 bis 3 besitzt das Schlagbohrgerät ein am Ende einer das Arbeitsmedium führenden Rohrleitung vorgesehenes, aus einem Gehäuseteil 11 und einem rohrförmigen Gehäuseteil 20 bestehendes Gehäuse, in dem ein abgestufter Schlagkolben mit seinem im Durchmesser kleineren Kolbenteil 23 in einer Bohrung des Gehäuseteils 11 und seinem im Durchmesser größeren Kolben teil 24 in einer Bohrung des Gehäuseteils 20 geführt ist. Die Rohrleitung 17 mündet in eine Kammer 18 des Gehäuseteils 11, die durch Bohrungen 39 mit der vom Kolbenteil 23 abgeschlossenen Bohrung des Gehäuseteils 11, d. h. mit dem mit 41 bezeichneten Arbeitsraum verbunden ist. Die kleinere Kolbenfläche ist somit stets vom Arbeitsmedium beaufschlagt. Im Schlagkolben 10 ist ein Durchströmkanal 45 vorgesehen, durch welchen die Luft am geringfügig abgesetzten Kolbenteil 24 vorbei in den Raum 48 des Gehäuseteils 20 gelangt. Dieser Durchströmkanal 45 wird von einem mit 15 bezeichneten, teleskopartigen Steuerventil beherrscht, das aus der Mündung 43 'des Kanals 45 und einem am Gehäuseteil 11 angeordneten Zapfen 44 gebildet wird. Dieser Zapfen 44 dringt in den Mündungsabschnitt 43 des Durchströmkanals 45 ein und verschließt diesen, wenn der Schlagkolben 10 sich im oberen Endbereich seines Hubs befindet (Fig. 2 und 3).

Im Gehäuseteil 20 ist ferner in noch näher zu beschreibender Weise ein Bohrwerkzeug 12 in der Bewegungsrichtung des Schlagkolbens 10 hin- und herbewegbar und mittels des Teils 32 dicht geführt. Der zwischen diesem Teil 32 und dem größeren Kolbenteil 24 des Schlagkolibens 10 eingeschlossene Rückhubraum 48 ist durch einen Ausströmkanal 52, der durch eine Axialbohrung des Bohrwerkzeugs 12 gebildet ist, mit der Außenluft verbunden. Die Mündung 50 des Ausströmkanals 52 dient in Verbindung mit einem sich in der Achsrichtung von der Schlagfläche des Kolbenteils 24 erstreckenden Ventilzapfen 49 als Auslaßsteuereinrichtung 16, die geschlossen ist, wenn der Ventilzapfen 49 sich in der entsprechenden Relativlage des Schlagkolbens 10 und des Werkzeugs-12 in der Mündung 50 des Auslaßkanals 52 befindet. Eine Schulter 35 des Bohrwerkzeugs 12 wirkt mit der Stirnseite 34 des Gehäuseteils 20 als Endanschlag für die oberste Verschiebelage des Bohrwerkzeugs zusammen. Die ganze Anordnung ist so getroffen, daß in der oberen Endlage des Bohrwerkzeugs, d. h. bei Anschlag der Flächen 35 und 34, beide Steuerventile 15 und 16 geschlossen sind. Am aus dem Gehäuseteil 20 ragenden Ende des Bohrwerkzeugs 12 ist die Bohrkrone 12 α befestigt.

In später noch näher zu erläuternder Weise ist für das Bohrwerkzeug 12 ein weiteres Anschlagpaar 36, 37 gegen Verschiebung des Bohrwerkzeugs aus dem Gehäuseteil 20 vorgesehen.

Es sei nun angenommen, daß die Bohrkrone 12 a und teilweise — oder ganz —< auch das Schlagwerkzeug in ein Bohrloch versenkt sind, wobei die Bohrkrone 12 α durch Belasten der Rohrleitung 17 gegen den Lochboden gedrückt wird. Die Anschläge 34 und 35 liegen also aufeinander auf. Das Arbeitsmedium strömt, wenn der Schlagkolben 10 — wie in der Fig. 1 dargestellt — am Bohrwerkzeug 12 aufliegt, durch den Durchströmkanal 45 in den Rückhubraum 48 und hebt — bedingt durch den Unterschied zwischen den wirksamen Kolbenflächen der Kolbenteile 23 und 24 — den Schlagkolben 10 vom Bohrwerkzeug 12 ab. Der dabei dem Schlagkolben 10 erteilte Rückhub dauert so lange, bis der Zapfen 49 die Mündung 50 des Auslaßkanals freigibt (Fig. 2), doch setzt der Schlagkolben 10 seinen Weg bis in seine in der Fig. 3 dargestellte obere Totpunktlage fort. Nun erteilt die Luft dem Schlagkolben 10 einen Schlaghub, der andauert, bis den Zapfen 44 die Mündung 43 des Durchströmkanals 45 freigibt. Hierbei sind unter Voraussetzung, daß die beiden Anschläge 34 und 35 nach

jedem Schlag erneut aufeinander aufliegen, die größte Schlagkraft und Schlagzahl des Kolbens vorhanden.

Im Gegensatz zu diesem normalen Betriebsfall besteht die Möglichkeit, daß das Anschlagpaar 36, 37 aufeinaniderliegt, z. B. dann, wenn der Bohrer auf eine Aushöhlung trifft und zu weit nach vorn fällt, oder weil das Schlagwerkzeug überhaupt nicht oder bezüglich der Bohrgeschwindigkeit mit zu geringem Anpreßdruck nachgeschoben wird. In dieser Lage des

+o Bohrwerkzeugs wäre der Rückhubweg des Schlagkolbens am längsten. Dabei erstreckt sich zwar der Rückhub immer noch auf einen der Länge des Ventilzapfens 49 entsprechenden Kolbenweg, er bleibt also in der Größenordnung des vorher beschriebenen normalen Betriebsfalls; der vergrößerte Rückhubweg bedingt jedoch, daß der Schlagkolben mit seiner Kanalmündung 43 nicht mehr bis zum Ventilzapfen 44 emporgehoben werden kann. Der Schlagkolben 10 fällt dann nach der gänzlichen Einbuße seiner nach oben gerichteten Geschwindigkeit in Richtung auf das Bohrwerkzeug zurück und trifft—wenn überhaupt— mit minimaler, nur durch den freien Fall erteilten Wucht auf das Bohrwerkzeug auf, wobei die Schlagzahl außerdem ihren geringsten Wert annimmt und im Laufe der Zeit gerät der Schlagkolben praktisch in einen dem Schweben ähnlichen Zustand. Auf alle Fälle ist eine Beschädigung des Schlagbohrgeräts infolge Hämmerns des Schlagkolbens auf den Bohrer und damit infolge von Schlagen des Anschlags 36 auf den Anschlag 37 ausgeschlossen.

Trifft nun die Bohrkrone 12 α erneut auf Widerstand und wird dabei das Schlagbohrgerät derart vorgeschoben, daß der vom Bohrer zurückgeschobene Schlagkolben 10 mdt seiner Mündung 43 wiederum bis zum Ventilzapfen 44 während seines Rückhubs angehoben wird, so erfolgen wiederum Schlagimpulse. Je stärker das Schlagbohrgerät bei der jeweiligen Bohrgeschwindigkeit vorgeschoben wird, je kleiner also die Entfernung zwischen dem Ventilzapf en 44 und dem Mündungsaibschnitt 50 des Auslaßkanals 52

gehalten wird, um so weiter wird der Schlagkolben längs des Ventilzapfens 44 hochfliegen, und entsprechend langer kann der Schlagimpuls zur Wirkung gelangen. Diese Steigerung der Schlagkraft erfolgt bis zu ihrem Maximum, beim Aufliegen der Anschlage 34 und 35.

Weitere Einzelheiten des Schlagbohrgeräts sind aus Fig. 4 A und 4 B zu entnehmen, wobei auf einige Modifikationen hinzuweisen ist. Vor allem ist aus diesen Figuren deutlich ersichtlich, daß der Gehäuseteil 11 mit der Rohrleitung 17 mittels eines Gewindes 21 und mit dem Gehäuseteil 20 mittels eines weiteren Gewindes 22 verbunden ist. Der kleinere Kolbenteil 23 ist der besseren Abdichtung halber mit Labyrinthrillen 40 versehen. Um das an diesem Kolbenteil durchsickernde Arbeitsmedium abzuführen, wird die mit 42 bezeichnete Kammer über Kanäle 42 α entlüftet, die in einer Umfangsnut 42 c des Gehäuseteils 11 münden und mittels eines in diese Nut eingesetzten O-Rings42& verschlossen sind. Der O-Ring 42 b wirkt als Einwegventil und ist so zu wählen, daß der Druck in der Kammer 42 den Außendruck praktisch nicht übersteigen kann.

Auch der Mündungsabschnitt 43 des Überströmkanals 54 ist mit Labyrinthrillen 46 versehen, desgleichen der Mündungsabschnitt 50 des Auslaßkanals 52, wobei hier die Rillen mit 51 bezeichnet sind. Der Überströmkanal 45 kommuniziert mit dem Rückstoßraum 48 über Zweigkanäle 47 (Fig. 1 bis 3), die am Umfang des abgesetzten Endabschnitts des größeren Kolbenteils 23 münden. In diesem Zusammenhang sei bereits jetzt auf Fig. 8 hingewiesen, in der gezeigt wird, daß der Schlagkolben zweiteilig, aus den Teilen 10 a und 10 b bestehend, ausgeführt wird, welche Teile an einem Konus 10 c zusammengefügt sind. Die Kanäle 47 münden dann in einer etwa halbkugeligen Aushöhlung 10 d des Teils 10 b, deren Radius größer als der Durchmesser des Überströmkanals 45 ist. Bei dieser Ausbildung konnten die sonst vielfach auftretenden Ermüdungsbrüche vermieden werden.

Mit Bezugnahme auf Fig. 4 B und 5 ist auf ein Gewinde 28 des Gehäuseteils 20 hinzuweisen, in das eine in einer Axialebene geteilte, zweiteilige Mutter 27 eingeschraubt ist. Die beiden Hälften 27 a der Mutter werden vor dem Einschrauben auf das Bohrwerkzeug 4-5 12 aufgelegt, so daß ihre Teilungsflächen 27 b aufeinanderliegen, und dann mittels Stiften 27 c miteinander verbunden. Das Einschrauben in den Gehäuseteil 20 kann dann leicht erfolgen. Das Bohrwerkzeug und die Innenwandung der Mutter weisen eine Anzahl Längsnuten 30 bzw. 29 auf, die beim montierten Werkzeug paarweise zusammenfallen und Führungen bilden, in die Walzen 31 eingesetzt sind. Zweckmäßig sind die Führungen in der Teilungsebene der Mutter 27 und in einer weiteren um 90° verdrehten Axialebene angeordnet. Die Walzen 31 bilden eine drehfeste Verbindung zwischen dem Gehäuseteil 20 und dem Werkzeug 12, ohne die Relativverschiebung dieser Teile zu hindern. Sie übernehmen auch die Längsführung des Werkzeugs, sobald der sonst diesem Zweck dienende Ansatz 33 desselben sich nicht mehr im Bereich der Mutter 27 befindet. Selbstverständlich dient nun die Stirnseite 34 der Mutter als oberer Endanschlag. Als unterer Endanschlag wirkt das Ende 36 der Nuten 30 des Werkzeugs 12 mit den in den Führungen zuoberst liegenden Walzen zusammen. Die Anordnung erlaubt größtmögliche Präzision in der Werkzeugführung, das Verdrehen des Bohrers ohne Beeinträchtigung anderer Bewegungen, insbesondere jener des Schlagkolbens.

Der Auslaßkanal 52 mündet über Zweigkanäle 53 an der Außenfläche des am Werkzeug aufgeschraubten Bohrers 12 a. Die Mündungen 54 der Zweigkanäle liegen in der unmittelbaren Nähe der Bohrschneiden.

Weitere Ausgestaltungen des Schlaggeräts sind aus Fig. 6 und 7 zu entnehmen. Die Kolbenteile 23 und 24 sind mittels O-Ringe40a und 40 δ abgedichtet. Desgleichen sind solche mit 44 a und 49 c bezeichneten Ringe an den Ventilzapfen 44 bzw. 49 angebracht. Der letztgenannte Zapfen ist bei 49 a ausgehöhlt, um Ermüdungsbrüche zu vermeiden. Zum gleichen Zweck ist der Übergang 49 & des Zapfens 49 in die Fläche 13 des Kolbens mit großem Radius ausgeführt. Entsprechend ist das Bohrwerkzeug mit einer Einsenkung 32 b versehen, was aus strömungstechnischen Gründen günstiger ist, als — wie bei 32 a angedeutet — die Mündung des Auslaßkanals 52 auszurunden.

Die Flächen 13 und 14 des Schlagkolbens bzw. des Werkzeugs liegen nur teilweise aufeinander, um dem Arbeitsmedium beim Beginn des Rückstoßens des Schlagkolbens eine größere Angriffsfläche zu bieten. Zum gleichen Zweck können Radialnuten — wie bei 32 a⁷ angedeutet —· in einer der genannten Flächen vorgesehen sein.

Kanäle 36 α verbinden den Auslaßkanal 52 mit der Außenfläche des Werkzeugs, um die Führungen der Walzen 31 sauber zu halten. Das Werkzeug ist mit dem Bohrer aus einem Stück.

Die Entlüftungskanäle 42 α der Kammer 42 sind mit einem im Querschnitt flachen Ring verschlossen, dessen nachgiebig gemachter unterer Rand 42 e als Ventil wirkt (Fig. 7).

Der Überströmkanal 45 kommuniziert nun über radiale Kanäle 47a mit dem Raum 48. Die Kanäle 47 a sind im Querschnitt zweckmäßig flach oval. Diese Maßnahmen verhüten Ermüdungsbrüche.

Um mit dem Werkzeug unter einem Flüssigkeitsspiegel arbeiten zu können, muß das Eindringen der Flüssigkeit durch den Auslaßkanal 52 verhindert werden. Zu diesem Zweck ist im genannten Kanal gemäß der Fig. 9 ein in der Auslaßrichtung durchlassendes, als Schlauchventil ausgebildetes Rückschlagventil 60 eingesetzt. Dieses besitzt nach Fig. 10 einen mit einem Metallring verstärkten oberen Rand, der mittels einer Mutter 64 in einer Eindrehung des Auslaßkanals 52 festgehalten ist. Der untere Rand des Ventils 60 ist mit einer Rippe 62 verstärkt, die sicheres Schließen gewährleistet.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. In ein Bohrloch absenkbares Schlagbohrgerät mit einem angetriebenen zylindrischen Gehäuse, das das die Schläge des stets von Frischluft beaufschlagten Kolbens empfangende eingesteckte Bohrwerkzeug mittels Führungsrollen in Drehrichtung mitnimmt, und mit einer einen Durchströmkanal zur vorderen Kolbenstirnseite steuernden Ventileinrichtung zwischen hinterer Kolbenstirnseite und Gehäuse, dadurch gekennzeichnet, daß das Auslaßventilglied (49) an der vorderen Stirnseite des Schlagkolbens (10) vorgesehen ist, das mit einem entsprechenden Gegenventilsitz (50) im Bohrwerkzeug (12) in Abhängigkeit von der Schlagkolben- und Bohrwerkzeugstellung zusammenarbeitet.

2. Schlagbohrgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaßkanal (52) im Bohrwerkzeug (12) angeordnet ist und das Auslaßventilglied (49) teleskopartig in diesen eintaucht.

3. Schlagbohrgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Auslaßventilglied ein am Kolben (10) angebrachter, mit einer am Boden abgerundeten Sackbohrung (49 a) versehener Zapfen dient.

4. Schlagbohrgerat nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchströmkanal eine zentrale Längsbohrung (45) des Schlagkolbens

(10) ist, in deren Mündung (43) ein im Gehäuse

(11) fest angeordneter Zapfen (44) teleskopartig eintaucht.

5. Schlagbohrgerat nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Bohrwerkzeug (12) zwischen Anschlägen (34, 35 und 36, 37) verschiebbar ist, deren Abstände so bemessen sind,

daß in der einen Endlage des Bohrwerkzeuges beide teleskopartigen Ventilglieder (44, 49) in ihre zugehörigen Kanalmündungen (43, 50) eingetaucht sind.

6. Schlagbohrgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Anordnung eines Rückschlagventils (60) im Auslaßkanal (52).

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 553 604, 373 639,

281965;

USA.-Patentschriften Nr. 2 756 723, 2 665 119,

1891411.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen