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Drehvollbohrkrone mit Flachstrahldüsen Die Erfindung betrifft eine
Drehvollbohrkrone mit Flachstrahldüsen und einem mutigen Zuführkanal für ein unter
Druck stehendes Spülmedium sowie mit einem Kronenkopf, dessen etwa kreisförmige
Stirnfläche sektorenartig einander abwechselnd Arbeitsleisten und Spülnuten aufweist,
in denen schlitzförmige Spüldüsen für das Spülmedium senkrecht zur Oberfläche -der
Spülnuten angeordnet sind, und weiterhin Schneidelemente besitzt, die auf den Arbeitsleisten
angeordnet sind und aus Diamanten, Wolfram Karbid oder aus Schneidmessern bestehen
können.
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Bekanntlich räumen bei derartigen Werkzeugen die von den Schlitzen
abgegebenen Spülungsstrahlen Ansammlungen fester, sich in dem Schlamm befindender
Teilchen und von Gesteinssplittern, die an der Oberfläche des Bohrlochbodens kleben,
ab und führen eine vorbereitende Arbeit für die Zerstörung des Gesteins durch Strahlwirkung
bei ihrem Auftreffen auf den Bohrlochboden aus. Die so verteilte Bohrspülung gewährleistet
gleichzeitig das Kühlen und Waschen der Schneidelemente.
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Die beiden parallelen Ränder jedes sehr schmalen Schlitzes am Kopf
des Werkzeuges sind längs einer ihrer Anordnung angepaßten Linie angeordnet, die
zumindest einer flachen oder doppelten Kurve der Oberfläche des Werkzeuges folgt,
die im folgenden wie üblich mit »Meridian« bezeichnet wird. Die Innenwandungen eines
Schlitzes verlaufen in Nähe der Oberfläche des Werkzeuges entlang der gesamten Länge
eines Meridians tangential zu einem Zylinder, dessen Mantellinien parallel zur Achse
des Werkzeuges liegen, das sich auf diesem Meridian aufstützt.
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Um die Wirkung der Strahlen weitmöglichst auszunutzen, wäre es vorteilhaft,
die Anzahl von Schlitzen zu vergrößern. Unter Berücksichtigung der daraus entstehenden
Vergrößerung des Durchlaßbereiches für das Bohrmedium ergäbe eine derartige Vergrößerung
eine Verringerung der Austrittsgeschwindigkeit der Spülung und daher eine entsprechende
Verringerung der Strahlwirkung. Daher darf eine bestimmte Gesamtlänge der verschiedenen
Schlitze nicht überschritten werden, um der Spülung eine verhältnismäßig hohe Austrittsgeschwindigkeit
zu erhalten, die 150 m/sec erreichen und sogar überschreiten kann.
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Weiterhin wird ein Verteilungsschlitz für einen Spülungsstrahl praktisch
in einem schmalen Feld angeordnet, das zwei Schneidfelder voneinander trennt; die
profilierte Oberfläche dieses schmalen Feldes ist -in der Richtung einer Parallele
im Verhältnis zu dem Schneidfeld in der Höhe versetzt, um eine Berührung zwischen
diesem Feld und dem Bohrlochboden zu vermeiden; diese Versetzung muß jedoch gering
bleiben, um die Wirksamkeit der Strahlwirkung nicht zu verringern.
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Auch ist bekannt, daß die Bohrgeschwindigkeit eines Bohrwerkzeuges
dieser Art praktisch durch die Tatsache verringert ist, daß die Tangentialgeschwindigkeit
der Schneidelemente, die in dem mittigen Bereich liegen, geringer ist als die der
von der Mitte weiter entfernten Elemente.
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Ferner ist ein Drehvollbohrmeißel bekannt, der an seiner Oberfläche
abwechselnd Arbeitsleisten und Spülnuten aufweist, in die von einem Zentralkanal
kommende Spüldüsen einmünden, die im wesentlichen in der Nähe des Zentrums des Bohrmeißels
angeordnet sind, wobei die Spülnuten schmaler als die Arbeitsleisten ausgebildet
sind. Ebenso sind Drehbohrmeißel bekannt, die Spüldüsen in ihrem Zentrum aufweisen,
die in die Spülnuten einmünden.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Drehvollbohrkrone
der eingangs genannten Art zu schaffen, die eine maximale Austrittsgeschwindigkeit
der Bohrspülung gewährleistet, die Spülung der Schneidflächen und die Waschung des
Bohrlochbodens verbessern läßt und die Verringerung der Bohrgeschwindigkeit des
Werkzeuges ausgleicht, die auf die geringe Tangentialgeschwindigkeit seines mittigen
Schneidbereiches zurückzuführen ist. Bekanntlich soll vor allem bei Bohrmeißeln
mit Diamantbesetzung Bohrklein so rasch wie möglich von der zu bearbeitenden Gesteinsfläche
weggespült werden,
damit die Diamantbesetzung stets im frischen
Gestein wirkungsvoll arbeitet und die durch die Diamantbesetzung übertragene Energie
nicht zu unnützem Verkleinern des Bohrkleins verwendet wird. Außerdem soll die Energie
der aus den Düsen austretenden Flachspülstrahlen dazu benutzt werden, das Gestein
für die Bearbeitung durch die Diamantbesetzung gleichmäßig vorzubereiten. Die bisher
bekannten genannten Bohrmeißel sind nicht in der Lage, diesen Forderungen insgesamt
zu genügen.
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Mit der hier vorgeschlagenen Drehvollbohrkrone wird dagegen vorstehende
Aufgabe dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß die schlitzförmigen Spüldüsen entlang
mehrerer Radien der Kronenkopfstirnfläche derart verteilt angeordnet sind, daß jeder
auf dieser gedachte, zur Drehachse des Kronenkopfes koaxiale Kreis zumindest eine
der Spüldüse schneidet. Hierdurch ist ein Bohrmeißel geschaffen, der eine wirkungsvolle
Bespülung der vom Bohrmeißel bearbeiteten Fläche zufriedenstellend gewährleistet.
Die erfindungsgemäß vorgeschlagene geometrische Anordnung der Spüldüsen läßt nämlich
an jeder Stelle des Abbaustoßes .einen zu ihm senkrechten Schlammstrahl entstehen,
wobei der-Schlamm mit hoher Geschwindigkeit in Bewegung gesetzt wird. Die in diesem
Strahl -enthaltene Energie kann unter diesen Bedingungen auf beste Weise dazu verwendet
werden, um das Bersten des Gesteins und den Abtransport der gebrochenen Stücke zu
erleichtern. Dieses Bersten. wird noch erleichtert durch das Versickern der Bohrspülung
in den -durch den Angriff der Schneidelemente geschaffenen Spalten und Rissen: Der
Abzug der Bruchstücke ist hierbei noch verbessert durch die- sich durch das Auftreffen
des Schlammstrahls auf den Abbaustoß ergebende Wirbelwirkung. Es wird somit eine
optimale Bohrgeschwindigkeit und größtmögliche Lebensdauer des Bohrmeißels erzielt:
Neben deren erzielten höheren Arbeitsgeschwindigkeit und größeren Arbeitsleistung
besteht auch der Vorteil einer ausgezeichneten Verwertung, der Diamanten und sonstigen
Schneidelemente, welche die Kosten pro gebohrter Meter erheblich senken läßt.
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Einzelheiten der Drehvollbohrkrone gemäß der Erfindung und durch sie
erzielte Vorteile gehen aus der nachstehenden Beschreibung mehrerer, beispielsweise-
gewählter Ausführungsformen hervor, die schematisch in der Zeichnung dargestellt
sind, in welcher F i g.1 eine Unteransicht einer erfindungsgemäßen Bohrkrone ist,
F i g. 2 eine Ansicht ist, die eine Verteilungsart der Austrittsöffnungen für die
Flüssigkeitsflachstrahlen auf den verschiedenen Meridianen einer erfindungsgemäßen
Bohrkrone schematisch darstellt, F i g. 3 a und 3 b Schnitte längs der Linie HI-III
der F i g. 1 sind, F i g. 4 ein Schnitt durch die Bohrkrone nach der Linie IV-IV
der F i g. 1 ist, F i g. 5 ein Schnitt durch die Bohrkrone längs der Linie V-V der
F i g. 1 ist, F i g. 6 ein Schnitt durch die Bohrkrone längs der Linie VI-VI der
F i g. 1 und V ist, F i g. 7 bis 9 Schnitte längs den Linien VH-VH, VIII-VIII und
IX-IX der F i g. 4 sind.
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Unter Bezug auf F i g. 1 weist die von unten gesehene Bohrkrone fünf
nebeneinanderliegende Feldeinheiten auf, die die Bezugszeichen 1, 2, 3, 4 und 5
tragen. Jede dieser ähnlichen Einheiten besteht aus einem Schneidfeld la, das Schneidelemente
6; wie etwa Diamanten, trägt, und aus einem schmalen Feld l b; Öffnungen
1 c geringer Breite und verringerter Länge sind in dem Bohrkronenkopf angeordnet
und bilden die Austrittsöffnungen für die Bohrspülung, welche durch den mittigen
Zuführkanal des Werkzeuges unter hohem Druck zugeführt wird, wobei die Flüssigkeitsflachstrahlen.
durch die senkrecht zur Oberfläche des Werkzeuges angeordneten Öffnungen austreten.
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In F i g. 1 sind die Feldeinheiten 1 und 2 mit den Öffnungen 1 c und
2 c dargestellt, die in der Drehrichtung des Werkzeuges, wie von dem Pfeil F angegeben,
gesehen im hinteren Bereich der schmalen. Felder angeordnet sind.
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Als Variante sind die Öffnungen 3c, 4 c und 5 c der Feldeinheiten
3, 4 und 5 als beim vorderen Rand der Schneidfelder angeordnet gezeigt. Diese öffnungen
können in jedem anderen Bereich dieser Felder und insbesondere in deren Mitte liegen.
Ein Teil der aus diesen Öffnungen austretenden Spülung könnte dann die Spülnuten
wie etwa 1 b und 2 b (F i g. 3 b), nur erreichen, indem sie unter einem Steg, wie
etwa B' und B", durchläuft, der jedoch mit Diamanten oder Schleifelementen besetzt
ist. Im Grenzbereich könnten die schmalen Felder der Spülnuten, wie etwa 1b und
2b, eine sehr geringe Breite im Verhältnis zur Breite der Schneidoberflächen besitzen.
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Bei bekannten Bohrkronen mit Flüssigkeitsflachstrahlen, die eine geringe
Anzahl von Schneidfeldem aufweisen, und zwar im allgemeinen .zwei oder drei, erstrecken
sich die in den schmalen, zwei Schneidfelder voneinander trennenden Spülungsfelder
angeordneten Schlitze entlang den ganzen Meridianen.
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Bei der erfindungsgemäßen Bohrkrone hat jede der entweder in einem
schmalen Spülungsfeld oder in einem Schneidfeld angeordneten Schlitze eine verringerte
Länge auf einem Meridian und weist so eine Öffnung auf, deren Länge nur ein Bruchteil
der Länge eines Meridians ist.
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In der Feldeinheit 5 sind ebenfalls Spülnuten w dargestellt, die in
dem Schneidfeld 5a angeordnet sind und hier mit den Schlitzen 5c in Veibindung
stehen. Derartige Spülnuten können die Überspülung des Schneidfeldes verbessern.
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In F i g. 2 ist schematisch eine Anordnung dieser verschiedenen Schlitze
beispielsweise dargestellt: Die verschiedenen abgewickelten Meridiane wurden mit
den Bezugszeichen 1, 2, 3, 4 und 5 bezeichnet, die den gleichen Bezugszeichen entsprechen,
die in F i g. 1 die verschiedenen nebeneinanderliegenden Feldeinheiten bezeichnen.
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Die an den verschiedenen Meridianen angeordneten Öffnungen sind in
diesem Beispiel auf jedem Meridian wie folgt verteilt: Zuerst beträgt die Anzahl
dieser Öffnungen, entlang jeder Parallele gezählt, zumindest eine; in diesem Beispiel
beträgt diese Zahl drei (3 c, 4 c und 5 c) in der Nähe der Mitte des Werkzeuges,
d. h. am oberen Ende C C der F i g. 2, zwei, 2 c und 4c, in der Mitte
und ein einziges, I c, am Umfang des Werkzeuges, d. h.. am unteren PP' der F i g.
2. Diese Verteilung wurde so vorgenommen, um den Unterschied in der Drehgeschwindigkeit
der Schneidelemente je nach ihrem Abstand von der Mitte der Bohrkrone durch -eine
am oberen Ende C C
d. h. im mittigen Bereich -der Krone bedeutendere
Strahlwirkung auszugleichen, im Vergleich zum unteren Ende PP', das den Umfang.
darstellt.
Die verschiedenen Öffnungen sind an dem Werkzeug so angeordnet,
daß, wenn sie durch die Umdrehung des Werkzeuges Kreise beschreiben, die Gesamtheit
dieser beschriebenen Kreise die ganze Schneidoberfläche bedeckt. Anders gesagt und
wenn von der Mitte des Werkzeuges, d. h. vom oberen Ende C C der F
i g. 2 ausgegangen wird, die die Meridiane darstellt, entspricht das Ende einer
Öffnung eines Meridians dem Anfang einer Öffnung eines anderen Meridians mit oder
ohne überlappung.
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Schließlich ist die Summe der Längen der verschiedenen auf den verschiedenen
Meridianen verteilten Öffnungen gleich zumindest der Länge eines Meridians; in F
i g. 2 wurden die verschiedenen öffnungen als eine gleichmäßige Länge von einem
Fünftel einer Meridianlänge gezeigt, wobei eine doppelte Öffnung, wie etwa 2c, als
zwei nebeneinanderliegende Öffnungen betrachtet wird; elf Öffnungen sind vorgesehen,
die etwas mehr als zwei Meridianlängen bilden.
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Beispielsweise kann eine Verteilung von fünf Öffnungen mit Einheitslängen,
die gleich einem Fünftel einer Meridianlänge sind, vorgenommen werden, und zwar
eine Öffnung für jeden der fünf Meridiane, wobei eine Versetzung einer Öffnung bezüglich
einer anderen Öffnung vorgenommen wird, um die ganze Schneidoberfläche zu bestreichen;
weiterhin könnte eine Verteilung von vierzehn Öffnungen mit Einheitslänge, die gleich
einem Siebtel einer Meridianlänge ist, vorgenommen werden, wobei zwei Öffnungen
auf jedem der sieben Meridiane angeordnet werden.
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Im Hinblick auf die Austrittsgeschwindigkeiten beträgt die Gesamtlänge
aller verteilten Öffnungen meistens ungefähr zwei Meridianlängen, und zwar trotz
der größeren Anzahl von nebeneinanderliegenden Feldeinheiten im Vergleich zu einem
bekannten Werkzeug mit Flüssigkeitsflachstrahlen; die Strahlwirkung der aus diesen
Öffnungen austretenden Flachstrahlen bleibt infolgedessen im höchsten Maße erhalten.
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Es ist leicht verständlich, daß durch eine Vergrößerung der Anzahl
von mit Öffnungen versehenen Meridianen das Waschen und das Kühlen der Schneidbereiche
der Bohrkrone wesentlich verbessert wird.
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Diese Wirkung kann weiter durch eine Veränderung der Form des schmalen
Feldes auf der Höhe eines Schlitzes bei bekannten Kronen dieser Art verbessert werden.
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In F i g. 3 a wurde in schematischer Form eine bekannte profilierte
Oberfläche dargestellt, in der die Wand AB senkrecht den Schlitz auf der
dem Feld gegenüberliegenden Seite begrenzt, das die Schneidelemente 6 trägt und
mit den gleichen Bezugszeichen 2a in F i g. 1 bezeichnet ist, und die Wand
BC, die das schmale Spülungsfeld 2 b zwischen dem Punkt B und dem Schneidfeld 1
a begrenzt, wobei die Wand BC im Verhältnis zum Ende der Schneidelemente 6 um eine
Höhe zurückversetzt ist, die größer ist als diejenige der Schneidelemente.
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Eine derartige Anordnung bringt praktisch eine ungenügende Spülung
der mit Diamanten besetzten Felder mit sich und einen gleichmäßigen hohen statischen
Druck entlang der Linie BC, der eine schnelle Entfernung der von der Bohrkrone abgetragenen
Gesteinssplitter nicht erlaubt.
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Der in F i g. 3 b in der gleichen schematischen Form wie in F i g.
3a dargestellte Schnitt III-III zeigt eine profilierte Oberfläche des schmalen Spülungsfeldes
nach der Erfindung: Die. Stege B' und B" der Wände AB' und A"B" begrenzen
die Schlitze 2c bzw. 1 c und werden nach unten bis in eine Entfernung von der Höhe
der Enden der Schneidelemente verlängert, die zumindest gleich der Höhe derselben
ist, während die Wände B'C' und B"C" die Spülnuten 2 b und 1 b begrenzen und eine
so gebogene Form besitzen, daß die Punkte C und C" nach oben um eine größere
Höhe versetzt sind.
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Aus dieser Anordnung ergibt sich, daß der Druck der Bohrspülung an
den Öffnungen der Schlitze, beispielsweise bei B", vergrößert wird, während der
Druck bei C geringer ist, wodurch sich. ein teilweiser Abfluß der Bohrflüssigkeit
in der Richtung des Pfeiles f ergibt, die der Richtung F der Drehbewegung des Werkzeuges
entgegengesetzt ist, so daß die Spülung der Schneidfelder wesentlich verbessert
wird. Gleichzeitig wird der statische Druck in dem Bereich minimaler Ausmaße der
Durchlässe bei B' oder B"
im Verhältnis zu dem verringert, der entlang
der Linie BC der F i g. 3 a besteht.
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Durch eine Verbindung der Anordnung der auf den verschiedenen Meridianen
verteilten Öffnungen geringer Länge mit derjenigen der eingebogenen profilierten
Nuten der schmalen Spülungsfelder, wie oben beschrieben, und mit den mit diesen
Öffnungen in Verbindung stehenden Spülkanälen wird eine wesentlich gesteigerte Leistung
eines Bohrwerkzeuges mit Flachstrahlen erzielt.
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Um das Verständnis der verschiedenen Schnitte zu erleichtern, wurden
in den F i g.1, 4 bis 6 die Bezugszeichen a1, a2, a3, a4, a5, a6, a7, as,el, e2,
es, e4, e5 und e6 angegeben. Wie aus F i g. 7 bis 9 ersichtlich ist, nehmen die
Querschnittsbereiche s1, s2, s3 eines Spülungskanals zur Einmündung dieses Kanals
auf die Schneidfläche des Werkzeuges zu ab, so daß der untere Querschnittsbereich
des Kanals immer kleiner ist als ein oberer Querschnittsbereich dieses Kanals (s1
> s2 > s3). Die Länge 1 des unteren Querschnittsbereiches s3 eines Kanals wird so
gewählt, daß die Summe der Längen der unteren Querschnittsbereiche der an dem Werkzeug
verteilten Öffnungen gleich der Länge von zumindest einem Meridian ist und die Dicke
e eines unteren Querschnittsbereiches s. wird in Funktion der Gesamtlänge der Öffnungen
und der erwünschten Austrittsgeschwindigkeit eines Flüssigkeitsflachstrahles gewählt.