-
Rohrförmige Bohrstange Die Erfindung betrifft eine Bohrstange für
das schIggende und drehschlagende Bohren speziell von Gestein.
-
Beim Gesteinbohren ist am unteren Ende mehrerer miteinander gekoppelter,
ein Bohrgestänge bildender Bohrstangen ein Bohrmeißel angeordnet. Das Gestänge kann
über einen druckmittelbetätigten Bohrmotor schlagend und drehend angetrieben sein.
Es ist Voraussetzung für eine wirksame Schneidleistung des Bohrmeißels, daß das
Bohrklein laufend von der Bohrlochsohle aus mittels eines Spülmittels entfernt wird.
-
Untersuchungen über die Wirkung der Spülluft in Bohrlöchern haben
ergeben, daß die zum Ausheben des Bohrkleins aus dem Bohrloch zur Verfügung stehende
Energie, z. B. von Druckluft, nur sehr unvollkommen ausgenutzt wird und daß der
schlechte Wirkungsgrad gi undsätzlich auf die Konstruktion herkömmlicher Bohrstangen
zurückzuführen ist. Wahrscheinlich sind die größten Energieverluste der Tatsache
zuzuschreiben, daß bisher übliche Bohrstangen keine optimale Querschnittsfläche
für den Spülmediumkanal haben. Dabei fällt ins Gewicht, daß der Außendurchmesser
von runden oder sechskantförinigen Bohrstangen bisher nicht optimal auf den Durchmesser
des Bohrmeißels und das Bohrloch abgestimmt worden ist, um die Querschnittsfläche
des Spülkanals einerseits möglichst klein zu halten und andererseits einen ausreichenden
Spielraum für die Rotation des Bohrgestänges und eine ungehinderte Abführung des
Bohrkleins vorzusehen. Diesen Mängeln in der Konstruktion von Bohrstangen stand
bisher ein technisches Vorurteil entgegen, nämlich die Tatsache, daß man es bisher
für zwingend hielt, für Bohrstangen sehr starke Wandstärken verwenden zu müssen.
Auf Grund dieses vermeintlichen technischen Zwangs mußte zur Gewährleistung annehmbarer
Stückgewichte der Außendurchmesser der Stange entsprechend klein gehalten sein.
-
Die bisher üblichen Bohrstangenkonstruktionen mit relativ starken
Wandungen führten zu einer Verminderung des Wirkungsgrades der Energieübertragung,
und außerdem war die Handhabung von Bohrgestängen dieser Art naturbedingt erschwert,
ganz davon abgesehen, daß sich ein höherer Materialaufwand mit entsprechend höheren
Werkstoffkosten ergab.
-
In der Erkenntnis, daß in bekannten Bohrstangenkonstruktionen der
Energieverlust der Spülluft auf die nichtoptimale Querschnittsfläche des Spülkanals
zurückzuführen ist und daß bisher fälschlicherweise angenommen wurde, dünnwandige
Bohrstangen müßten notwendigerweise funktionsunfähig sein, wird erfindungsgemäß
eine rohrförmige Bohrstange vorgesehen, die einen verhältnismäßig kleinen Wandungsquerschnitt
aufweist, einen größeren Teil des Lochvolumens ausfüllt und dadurch die Fläche des
Spülkanals für die rückströmende Spülluft verkleinert. Eine derartige Verkleinerung
der Fläche des Spülkanals bewirkt eine Verringerung der Luftausdehnung und führt
zu einer höheren Strömungsgeschwindigkeit und zu einem höheren Druck der am Lochboden
aus dem Bohrmeißel ausströmenden Spülluft. Die erfindungsgemäße Bohrstange hat dabei
etwa die gleiche Festigkeit und das gleiche Stückgewicht wie bekannte Bohrstangen.
Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß dadurch, daß die Stangenwandung
mit einem harten Mantel und mit einem weichen Kern vorgesehen wird.
-
Erfindungsgemäß sollen außerdem mehrere gleicher rohrförmiger Rohrstangen
mit Hilfe von Gewindeinnenkupplungen zu einem Bohrgestänge kombinierbar sein, das
einen im wesentlichen bündig abschließenden Außenmantel bildet, so daß an den Stößen
zu einem Bohrgestänge kombinierter Bohrstangen keinerlei Unterbrechungen vorhanden
sind,
die zu einer Wirbelbildung oder zu Strömungsstörungen der
Spülluft führen können.
-
Die Erfindung ist im nachfolgenden an Hand eines Ausführungsbeispieles
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 Teilstücke
im Schnitt auf einem erfindungsgemäßen Bohrgestänge, F i g. 2 ein komplettes,
an eine Schlagbohrmaschine angekuppeltes erfindungsgemäßes Bohrgestänge, F i
g. 3 einen Schnitt im vergrößerten Maßstab an der Linie 4-4 der F i
g. 2, F i g. 4 eine Einzelheit im Schnitt an der Linie 5-5
der
F ig. 4, F i g. 5 eine Einzelheit im Schnitt durch die in F i g. 1
gezeigte Gewindeform.
-
Die allgemeine Konstruktion des erfindungsgemäßen Bohrgestänge
10 ist in seinen Einzelheiten in F i g. 1 dargestellt. Dazu gehören
ein Schaft 12, eine obere Bohrstange 14 und eine untere Bohrstange 14 a,
ein Bohrmeißel- 16 und Kupplungselemente 20, 20 a und 20
b, die die einzelnen Bohrstangen miteinander kuppeln. Es versteht sich, daß
jede beliebige Anzahl von Bohrstangen in der dargestellten Weise entsprechend gekuppelt
sein können.
-
Der Schaft 12 umfaßt ein zylindrisches Ende 24, das über einen konischen
Zwischenteil 26 einstückig mit einem erweiterten Ende 28 verbunden
ist. Die Außenf14che- des, Schaftendes 24 -ist mit über den Umfang verteilten Ke
ilen 30 versehen, die radial vorspringen und in das Futter einer Schlagbohrmaschine
8
gemäß F i g. 3'-eiiipäßbar sind. Der Außendurchmesser des vergrößerten
Endes 30 entspricht dem Durchmesser der Bohrstangen 14 und 14 a. üblicherweise
sind diese Durchmesser etwa in der in der Zeichnung dargestellten Weise aufeinander
abgestimmt, obgleichl das, nicht zwingend ist. In Längsrichtung des Schafts
12 erstreckt sich ein Loch 34, das innerhalb% des erweiterten Endes des Schaftes
mit Innengewinde 36 versehen ist. Das Innengewinde 36
kämmt mit dem
Außengewinde 38 des Kupplungselementes 20. Dabei handelt es sich um eine
Art Sägengewinde mit einem Profil, das etwa dem in F i g. 5 gezeigten entspricht.
An seinem unteren Ende endet der Schaft 12 ' in einer ringförmigen Fläche
40, die im Stoß an einer. entsprechenden Fläche 42 am
oberen Ende der Stange
14 anliegt.
-
Die Stangen 14 und 14 a sind gleich, so daß die Beschreibung
der Stange 14 zur Erläuterung der technischen Sachverhalte genügt. Im übrigen sind
entsprechende Einzelheiten der Stange 14 a mit den gleichen Bezugszeichen
unter Anfügung des Buchstabens a wie bei der Stange 14 gekennzeichnet. Die Stange
14 besteht aus einem dünnwandigen langen Rohr. Gemäß F i g. 4 hat die Stange
im Abschnitt 44 einen Außendurchmesser D, einen Innendurchmesser
d und eine Wandstärke T. An den Stangen# enden sind durch Anstauchen oder
auf andere geeignete Neise innen verdickte Abschnitte 46 und 48 .vorgesehen. In
diese ist umgekehrtes Innensägengewinde 50 bzw. 52 eingeschnitten.
Durch die Stange 14 verläuft ein Durchgangsloch 54. An den Enden der Stange. 14
sind kreisringförmige Stoßflächen 42 und.56 gebildet. Die Stoßfläche 42 liegt im
Stoß an der entsprechenden Gegenstoßfläche 40 des Schaftes 12 an. Die Stoßfläche
56 liegt im Stoß an der entsprechenden Gegenstoßfläche 42 a der Stange 14
a an.
-
Alle drei dargestellten Kupplungselemente 20, 20 a
und 20
b sind gleich. Deshalb braucht auch hier wiederum nur ein einziges Kupplungselement
im einzelnen beschrieben zu werden. Entsprechende Einzelheiten der Verbindungselemente
20a bzw. 20b sind durch gleiche Bezugszeichen unter Anfügung des Buchstabens
a bzw. b gekennzeichnet. Das Kupplungselement 20 umfaßt einen zweiseitigen
Körper 66 und zwei außen angeformte Sägengewinde 38 und
39. Die Gewinde 38 und 39 sind gleichgängig, haben die gleiche
Steigung, und ihr Gewindeprofil ist entgegengesetzt gerichtet und läuft zu entgegengesetzten
Enden des Körpers 66. Es ist zum Eingriff mit den Innengewinden
36 und 50 des Schaftes 12 bzw. der Stange 14 vorgesehen. Die Gewinde
38a und 39a des Kupplungselementes 20a greifen in das Gewinde 52 der Stange
14 und in das Gewinde 50 a der Stange 14a ein. Durch die Kupplungselemente
führt jeweils eine Durchgangsbohrung entsprechend der in F i g. 1
dargestellten
Durchgangsbohrung 68a des Kupplungselementes 14 a. Das Bohrgestänge
10 wird durch die in F i g. 3 in Einzelheiten dargestellte druckmittelbetätigte
Schlagbohrmaschine 8 angetrieben. Die Wirkungsweise, und die Funktion der
Einzelteile der Schlagbohrmaschine gemäß der Darstellung in Fig. 3
sind bekannt,
so daß auf sie hier nicht im einzelnen eingegangen zu werden braucht.
-
Ein Teil der Druckluft vom Verteiler 70 wird durch die- Bohrmaschine
8 und die miteinander verbundenen Bohrstangen des Bohrgestänges
10 zur Sohle des Bohrlochs 18 geleitet, um Bohrklein aus dem Bohrloch
herauszuspülen. Im einzelnen - wird Spülluft vom Verteiler 70 über
die Luftleitung 76
und ein mit. dieser verbundenes Rohr in das Bohrloch
18 geleitet. Die durch das Bohrgestänge zur Bohrlochsohle geleitete Luft
strömt dann durch den Spülkanal 19 nach oben, wobei sie das Bohrklein aus
dem Bohrloch _herausspült.
-
Das erforderliche Luftvolumen zum, Herausspülen von Bohrklein bestimmter
Größe aus einer bestimmten Tiefe hängt von der Strömungsgeschwindigkeit und von
der Ringfläche des Kanals 19 ab, de - shälb ist erfindungsgemäß eine
rohrförmige Stange mit einem verhältnismäßig großen AußendurchmesserD vorgesehen,
der -in einem solchen Verhältnis zum Lochdurchmesser H steht, daß die Kreisringfläche
des Kanals 19 möglichst klein ist und gleichzeitig ein ausreichender Zwisch
- enraum für die ungehinderte Ausspülung von Bohrklein bestimmter Größe gewährleistet
ist. Durch die Verringerung der Querschnittsfläche des Spülluftkanals, der durch
die Lochwandung und durch die Bohrstange begrenzt ist, wird die Ausdehnung der Spülluft
bei ihrem Hochströmen im Rahmen gehalten, und es werden ein bestimmter Luftdruck
und die erforderliche Strömungsgeschwindigkeit zum Herausspülen des Bohrkleins aus
dem Bohrloch gewährleistet.
-
Die Verwendung hohler Bohrstangen großen Durchmessers der genannten
allgemeinen Art setzt voraus, daß die Stangenwandung 44 erheblich dünner als die
Wandung einer entsprechenden Sechs" kant- oder Randstange bekannter Ausführung ist.
Die kleinste Wandstärke der Sechskantstange, auf die oben als Beispiel zurückgegriffen
worden ist, beträgt etwa 9,5 mm, die Wandstärke T der Wandung 44 der
erfindungsgemäßen Stange dagegen nur etwa 4,2 mm.
Bei Annäherung der Wandstärke
T an die einer Sechskantstange wird das Einheitsgewicht, d. h. das auf eine
Längeneinheit bezogene Gewicht der rohrförmigen Bohrstange, so hoch, daß eine praktische
Verwendung
der Bohrstange zumindest außerordentlich erschwert ist. Einmal hat in diesem Fall
die dickwandige rohrförmige Stange eine so große Trägheitsmasse, daß ein erheblicher
Teil der Energie von der Bohrmaschine 8 aufgenommen wird, so daß also die
installierte, Leistung der Bohrmaschine erhöht werden müßte, um eine bestimmte Bohrgeschwindigkeit
zu gewährleisten. Zum anderen müssen die Wandungen aber auch stark genug sein, um
Schwingungen und Verbiegungen zu verhindern, die die Energie der Bohrmaschine
8 absorbieren. Das Gewicht solcher Stangen wäre so hoch, daß die Handhabung
langer Stangenabschnitte äußerst schwierig und gefährlich wäre. Außerdem muß unter
Umständen der Heb-und Senkmechanismus bekannter Bohrlaffetten beim Arbeiten mit
einem langen Gestänge derart starken Stangenquerschnitts unter Umständen verstärkt
werden. Deshalb soll das Einheitsgewicht der rohrförmigen Stangen etwa dem üblicher
Stangen entsprechen, die für das Bohren von Bohrlöchern entsprechender Durchmesser
verwendet werden. Die beispielsweise angeführte rohrförmige Stahlstange hat bei
einer Wandstärke T von 4,2 mm ein Einheitsgewicht von etwa 5 kg/m, und das
entspricht im wesentlichen dem Einheitsgewicht einer Sechskantstange gemäß dem ausgeführten
Beispiel, das 5,7 kg/m beträgt.
-
Während der Maximalwert der Wandstärke T des Rohres durch die Masse,
die Massenträgheit und das Einheitsgewicht bestimmt ist, sind die vorherrschenden
Faktoren zur Bestimmung des Minimalwertes der Wandstärke die Festigkeit und die
Steifigkeit. Bei einer zu leichten Ausführung der rohrförmigen Stangenwandung kann
sie den starken und schnell wechselnden Spannungen nicht widerstehen, die beim Schlagbohren
auftreten. Bei einer zu schwachen Stangenwandung kann sie aufreißen oder durch Aufbauchen
völlig zerstört werden.
-
Es folgt also, daß eine Abstimmung des Durchmessers und der Wandstärke
der erfindungsgemäßen Bohrstange beim Einsatz zum Schlagbohren unter Berücksichtigung
der verschiedensten Faktoren erfolgen muß, z. B. Gewicht und Festigkeit. In bekannten
Bohrstangen beträgt aus diesem Grund das Verhältnis von Außendurchmesser zur Wandstärke
üb-
licherweise nicht mehr als etwa 3: 1. Erfindungsgemäß wird jedoch
eine optimale Abstimmung zwischen den Faktoren Gewicht und Festigkeit erzielt, so
daß das Verhältnis von Außendurchmesser zur Wandstärke auf unerwartet hohe Grenzwerte
angehoben werden kann. Im dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine
rohrförmige Bohrstange, die in der Praxis zum Bohren eines Loches mit einem verhältnismäßig
kleinen Durchmesser von beispielsweise 5,7 cm verwendet wird. Das Verhältnis
von Durchmesser zu Wandstärke bei einer solchen Stange würde vorzugsweise etwa 12,1
: 1 betragen bzw. sich dem Minimalverhältnis von 10: 1 annähem, das
erfindungsgemäß ein optimales Verhältnis zwischen Festigkeit und Gewicht darstellt.
Bei größeren Lochdurchmessern, die einen größeren Außendurchmesser der Stange bedingen,
wird das Verhältnis von Alaßendurchmesser zu Wandstärke vorzugsweise größere Werte
einnehmen. Wenn sich z. B. bei der betreffenden Bohrloch- und Bohrkleingröße ein
Stangenaußendurchmesser von etwa 10 cm empfiehlt, wird vorzugsweise eine
Wandstärke von 6,4 mm vorgesehen, um eine ausreichende Festigkeit der Stange und
eine gute Energieübertragung zum Bohrmeißel zu gewährleisten. Hier beträgt das Verhältnis
von Außendurchmesser zu Wandstärke 16: 1. Für noch größere Stangendurchmesser
kann das Verhältnis bei guten Werten vorzugsweise etwa 20: 1 erreichen.
-
Um die erforderliche optimale Abstimmung zwischen Einheitsgewicht
und Festigkeit bei dünnwandigen rohrförmigen Stangen mit großem Durchmesser zu erreichen,
wird erfindungsgemäß eine Rohrwandung 44 mit harten Oberschichten und weichem Kern
gemäß der Darstellung in F i g. 5 vorgeschlagen. Insbesondere umfaßt
die Wandung 44 eine harte, die Bohrung 54 begrenzende Innenschicht 118, eine
harte, die Außenwandung bildende Außenschicht 120 und eine zwischen den beiden Schichten
118 und 120 liegende, mit jenen einteilige Schicht 122 geringerer Härte.
Vorteilhafterweise werden alle Oberflächen der rohrförmigen Stange 14 und des Schaftes
12 einschließlich der mit Gewinde versehenen Enden durch eine geeignete Wärmebehandlung
auf eine bestimmte Tiefe gehärtet.
-
Dabei muß die Festigkeit der Wandung im Vergleich zu in üblicherweise
gehärteten, zum Schlagbohren verwendeten Bohrstangen erheblich höher sein, um die
Optimalisierung von Wandstärke und Durchmesser zu erzielen.
-
Als Beispiel dafür wird vorzugsweise ein nahtloses Rohr aus einem
niedriggekohlten Stahl (SAE 8620)
aufgekohlt, so daß Innenschichten
118 und Außenschichten 120 entstehen, die 0,75 bis 1
mm tief sind und eine Rockwellhärte C von zwischen 55 und
63
aufweisen. Die Härte des Kerns 122 wird vorzugsweise von einer Rockwell-C-Härte
von 15 bis 20 im unbehandelten Zustand auf eine Rockwell-C-Härte von
35 bis 43 im vergüteten Zustand erhöht. Als Folge der Wärmebehandlung beträgt
die Zugfestigkeit der inneren Schicht 122 etwa 12 200 kg: cm2 und der äußeren
Schichten 118 und 120 etwa 24 400 kg: em2. Durch die Anordnung von
weichem Kern zwischen harten Außenschichten wird die Dauerfestigkeit des betreffenden
Stangenwerkstoffes durch Schaffung einer größeren Werstoffhärte und eines günstigen
Spannungsverhältnisses zwischen den Schichten 118, '120 und 122 vergrößert,
wobei die härteren äußeren Schichten 118 und 120 die größere Festigkeit besitzen
und die Zwischenschicht 122 die größere Zähigkeit hat.