DE161696C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

Die vorliegende Neuerung bezweckt eine möglichst vollkommene Lösung der Aufgabe, bei Gesteindrehbohrmaschinen, welche mit selbsttätigem Vorschub arbeiten, insbesondere bei solchen für Kraftbetrieb, den Druck des Bohrers auf das Gestein (Bohrdruck) möglichst unabhängig von der Gesteinshärte unveränderlich zu erhalten. Die Größe dieses Druckes wird praktisch so.gewählt, wie es

ίο eben noch die Festigkeit des Bohrers und der Maschine zuläßt; der Aufgabe gemäß soll dann der Vorschub des Bohrers, von dessen Größe offenbar der Bohrdruck abhängt, in derartig weiten Grenzen selbsttätig veränderlich sein, daß der Bohrdruck im härtesten Gestein möglichst derselbe bleibt wie in dem gewöhnlich vorkommenden.

Bisher sind zwei Anordnungen bekannt geworden, welche die Lösung der·. obigen Aufgabe erstrebten; die eine ist in der deutschen Patentschrift 75303, die andere in. der englischen Patentschrift 4028 des Jahres 1898 beschrieben. ' . ■

Bei der erstgenannten Anordnung kommt ein Differentialschraubenvorschub zur Verwendung, bei welchem sowohl die den Bohrer tragende Schraubenspindel (Vorschubspindel), als auch die den Vorschub bewirkende Mutter (Vorschubmutter) gedreht wird, aber beide Drehungen im gleichen Sinne, nur mit verschiedener Winkelgeschwindigkeit erfolgen: der Vorschub des Bohrers entspricht demnach bei gegebener Steigung des Schraubengewindes der Differenz der Umdrehungszahlen von Mutter und Spindel. Die Selbstregelung wird bei dieser Anordnung erreicht durch Einschaltung einer Reibungskupplung in die Antriebsorgane für die Vorschubmutter. Sobald nämlich das durch den Bohrdruck hervorgerufene Reibungsmoment zwischen Mutter und Spindel· einen durch die Druckverhältnisse und Abmessungen der Reibungskupplung gegebenen Höchstbetrag übersteigt, verringert sich zufolge Gleitens der Reibflächen aufeinander die Differenz der Drehgeschwindigkeiten. von Mutter und Spindel, und der' Vorschub wird entsprechend geringer.

Bei der zweiten Anordnung findet ein Antrieb der Vorschubmutter nicht statt, diese wird vielmehr, und zwar ebenfalls durch eine Reibungskupplung, am Gehäuse festgehalten; die den Druck zwischen den Reibflächen (Reibungsdruck) hervorrufende Feder ist aber so angeordnet, daß der Reibungsdruck sich bei zunehmendem Bohrdruck verringert. Hier stellt sich dann ebenfalls ein gewisser Gleichgewichtszustand im vorbeschriebenen Sinne ein, wie unten des näheren ersichtlich werden wird.

(2. Auflage, ausgegeben am iS.Juli igo8.J

Jede der beiden Anordnungen leidet aber an einem gewissen Mangel, welcher ihre praktische Brauchbarkeit beeinträchtigt.

Bei der ersten Anordnung ändert sich — einen gleichbleibenden Reibungskoeffizienten für die unter öl gehaltenen Flächen der Kupplung vorausgesetzt — der Bohrdruck nahezu umgekehrt wie der Koeffizient der Reibung zwischen Mutter und Spindel. Da

ίο nun in der Praxis keine Möglichkeit vorliegt, diesen letzteren Koeffizienten (auf welchen insbesondere die Verschmutzung der Spindel durch Bohrmehl, Wasser usw. sowie durch Verrosten von allergrößtem Einfluß ist) auch nur annähernd unverändert zu erhalten, so wird der beabsichtigte Zweck, stets mit gleichem Druck zu bohren, nur unvollkommen erreicht, der Bohrdruck schwankt vielmehr praktisch im Verhältnis 1 :2 und mehr.

Bei der zweiten Anordnung ist, wie unten besonders erörtert wird, der Reibungskoeffizient zwischen Mutter und Spindel von geringerem Einfluß auf den Bohrdruck, dagegen ist die Gesamtanordnung eine für Kraftbetrieb unzulängliche. Zunächst nämlich darf eine Drehbohrmaschine für Kraftbetrieb zur Erzielung einer ausreichenden Bohrleistung und aus Konstruktionsrücksichten nicht mit zu geringer Geschwindigkeit laufen; beispielsweise beträgt bei den Drehbohrmaschinen System Siemens & Halske die Umdrehungszahl der Spindel mindestens 120 in der Minute. Da nun der höchstens zu erreichende Vorschub durch die Gesteinshärte, Lochweite und Maschinengröße begrenzt ist, so fällt die Gewindesteigung der Spindel ganz unannehmbar klein aus. Für 180 mm Vorschub in der Minute bei 120 Umdrehungen der Spindel würde beispielsweise die Steigung 1,5 mm betragen. Bei einem Spindeldurchmesser von 30 mm entspräche dies dem außerordentlich geringen Steigungsverhältnis des Gewindes von 1,5 : 30 ττ = ι : 63. Der Wirkungsgrad einer Schraube ist in solchem Falle bekanntlich ein sehr schlechter, er würde z.B. bei obiger Annahme, einen Reibungskoeffizienten 1 :3 zwischen Mutter und Spindel vorausgesetzt, noch nicht 5 Prozent betragen. Statt der eigentlichen, z. B. bei einem Bohrdruck von 600 kg an sich nicht unerheblichen Vorschubarbeit hat die Maschine dann ungefähr das 20 fache derselben zu leisten. Trifft nun der Bohrer auf hartes Gestein, in welchem er beispielsweise nur 45 mm in der Minute vordringen kann, so müssen die Flächen der Reibungskupplung nach obigen Annahmen mit 90 Umdrehungen in der Minute aufeinander gleiten, wobei demnach ³/₄ von der etwa 20 fachen Vorschubarbeit, d.h. das 15fache der eigentlichen Vorschubarbeit, zwischen diesen Reibflächen in Wärme umgesetzt wird, also auf Abnutzung wirkt. Eine derartige Anordnung ist deshalb ebenso undauerhaft wie unwirtschaftlich. Hierzu kommt noch, daß praktisch schon bei einer kleinen, etwa 1 bis 2 pferdigen Maschine eine Gewindesteigung von vielleicht 1,5 mm an sich kaum ausführbar bezw. brauchbar ist, und daß dieses bei der zum Zweck des Bohrerrückzuges auseinandernehmbaren Mutter in noch viel höherem Maße zutrifft.

Aus diesen Gründen hat die bergmännische Praxis schon bei Maschinen mit mäßigen Umdrehungszahlen den unmittelbaren Schraubenvorschub fast ganz verlassen und ist größtenteils zum Differentialvorschub übergegangen, bei welchem zufolge beliebig hoher Gewindesteigung durchaus günstige Verhältnisse zu erreichen sind. Völlig unmöglich aber ist der unmittelbare Schraubenvorschub bei Diamantbohrmaschinen, welche noch bei einer Leistung von etwa 2 P. S. mit etwa 1000 Umdrehungen in der Minute arbeiten. Andererseits erfordern diese Maschinen noch mehr als andere einen möglichst unveränderlichen Bohrdruck, so daß auch der selbstregelnde Differentialvorschub in seiner bisherigen Form hier nicht ausreicht.

Ein allen Anforderungen der Praxis genügender selbstregelnder Vorschub läßt sicli nun bei beliebiger Umdrehungszahl der Spindel erreichen, wenn man gemäß der vorliegenden Neuerung in derselben. Weise wie nach der angeführten englischen Patentschrift die festgehaltene Vorschubmutter mit dem Gehäuse, so bei dem selbstregelnden Differentialvorschub nach D. R. P. 75303, die umlaufende Vorschubmutter mit dem dieselbe antreibenden Differentialrade durch eine Reibungskupplung verbindet, deren Preßdruck so unter den Einfluß des Bohrdruckes gestellt wird, daß er bei dessen Anwachsen abnimmt. Zugleich lassen sich dabei durch besondere Ausführung der Reibungskupplung die Grenzen, innerhalb welcher der Bohrdruck unverändert erhalten werden kann, viel enger ziehen, als dies nach der in der erwähnten englischen Patentschrift 4028 beschriebenen Reibungskupplung ■—■ von der Untauglichkeit der Gesamtanordnung für Kraftbetrieb abgesehen — praktisch erreichbar wäre. Die hier beschriebene Neuerung gewährt somit auch die bisher fehlende Möglichkeit, kleinere Diamantbohrmaschinen für bergmännische Zwecke mit selbsttätigem mechanischen Vorschub an Stelle des hierfür sich nicht bewährenden hydraulischen Vorschubes zu betreiben.

Fig. ι stellt eine mit der neuen Vorschubeinrichtung versehene Drehbohrmaschine für

Kraftbetrieb dar, welche in ihrer allgemeinen Anordnung der in der .deutschen Patentschrift 75303 beschriebenen entspricht. Die Maschine ist zunächst für Arbeiten mit stählernen Bohrern gedacht.

Die mit Längsnut versehene, an ihrem vorderen Ende den zur Aufnahme des Bohrers dienenden Kopf d tragende Schraubenspindel s wird in bekannter Weise mit Hilfe des mit der zugehörigen . Nutenfeder c versehenen Mitnehmerrohres ρ von einem konischen Räderpaare α b angetrieben, welches am rückwärtigen Ende der Maschine sitzt. Die (etwa zum Zwecke der Zurückführung der Spindel wie üblich auseinandernehmbare) Vorschubmutter m ist in der Figur nur in äußerer Ansicht dargestellt. Der Antrieb der Mutter erfolgt Wie bekannt von dem .Mitnehmerrohr ρ aus durch die vier — paarweise in ihrer Größe etwas verschiedenen — sogenannten Differentialräder tu ν η>, jedoch unter Einschaltung einer Reibungskupplung. Die Vorschubmutter m ist nämlich mittels der an ihr befestigten Hülse /; durch Verschraubung fest mit einem Kegelstumpf g verbunden, während der zugehörige Hohlkegel 0 mit dem Rade w verschraubt ist. Die beiden Kegelflächen werden durch eine einerseits gegen den Hohlkegel o, andererseits mittels Federtellers e und Kugellagers k gegen einen ringförmigen Ansatz η der Hülse h drückende Schraubenfedery gegeneinander gepreßt. Der zwischen 0 und w ausgesparte Raum dient als Ölbehälter für Schmierung der Reibflächen. Die Spannung der Feder kann in geeigneter (in der Zeichnung nicht dargestellter) Weise je nach dem gewünschten Bohrdruck eingestellt werden,, am einfachsten durch Unterlegen bezw. Fortnehmen von Blechscheiben oder durch verschieden starke Federteller.

Der Druck zwischen den aus weiter unten erörterten Gründen, in der Zeichnung als konisch angenommenen, gegebenenfalls aber auch ebenen Flächen der Reibungskupplung ist zunächst durch die Spannung der Feder f gegeben, indem diese unter Vermittelung des Federtellers e und Kugellagers k mit ihrem vorderen (in der Zeichnung oberen) Ende gegen den ringförmigen Ansatz η der Hülse h drückt und demnach den mit h verbundenen Kegelstumpf g nach oben, also in den Hohl-

. kegel 0 hineinpreßt, welcher andererseits unter dem gleich großen Druck des rückwärtigen Federendes steht. Trifft aber der Bohrer gegen das Gestein und übt bei der Arbeit einen Druck auf dasselbe aus, so wirkt der diesem gleiche Rückdruck durch die Vorschubmutter m und die Hülse h auf den Kegelstumpf g nach hinten (in der Zeichnung nach unten), also dem Federdruck entgegen. Der Kegelstumpf g wird somit jetzt nur noch mit der Differenz von Federdruck und Bohrdruck in den Hohlkegel 0 hineingepreßt. Eine Verschiebung zwischen den beiden Kegelflächen bezw. eine Entfernung derselben voneinander tritt dabei nicht ein, da, wie die unten folgende Berechnung lehrt, der Bohrdruck nie größer werden kann als der Federdruck; es erfolgt lediglich eine Druckverminderung zwischen den Reibflächen. Der Rückdruck des Bohrers auf die Maschine ist natürlich, unabhängig vom Federdruck, stets gleich dem Bohrdruck; er wird zunächst auf das Rad w, dann durch das Kugellager i auf das Rad t und das Mitnehmerrohr p, von diesem aber durch das Kugellager q auf das Maschinengehäuse übertragen. Die Anordnung von Kugellagern erweist sich als nötig mit Rücksicht auf den fast stets sehr hohen Druck, unter welchem Gesteindrehbohrmaschinen arbeiten müssen.

Hat der Bohrdruck etwa den Wert Q, der (unveränderliche) Federdruck den Wert F, so werden nach dem Erörterten die Reibflächen' nur mit dem Druck F-Q. gegeneinander gepreßt. Demgemäß vermag auch die Reibungskupplung bei wachsendem Bohrdruck von dem die Mutter antreibenden Rade w aus nur ein immer geringer werdendes Drehungsmoment auf die Mutter zu übertragen, und bei einem gewissen Bohrdruck muß das Drehungsmoment zwischen den Reibflächen kleiner werden als dasjenige zwischen Mutter und Spindel. Infolgedessen gibt jetzt die Reibungskupplung nach, und der Vorschub verringert sich.

Wie bereits angedeutet, ist bei dieser Anordnung der kritische Bohrdruck, bei welchem die Reibflächen aufeinander zu gleiten beginnen, weniger als bei Anwendung einer unter unveränderlichem Druck stehenden Reibungskupplung abhängig von dem Koeffizienten der Reibung zwischen Mutter und Spindel. Die praktisch vorkommende große Veränderlichkeit dieses Reibungskoeffizienten macht sich aber nur dann in einem für alle Arbeitszwecke genügend kleinen Maße fühlbar, wenn der Druck, welchen die Reibungskupplung zur Übertragung des Drehungsmoments erfordert, klein genug ist im Verhältnis zu dem gewünschten Bohrdruck. Bei Anwendung ebener Reibflächen müßte man zu diesem Zwecke den Flächen einen möglichst großen Durchmesser geben, um bei ■ kleinem Druck das Reibungsmoment möglichst groß zu machen; die betreffenden Maschinenteile würden dann aber praktisch unzulässige Größen erhalten. Bei der in Fig. 1 dargestellten Anordnung wird derselbe Erfolg dadurch erzielt, daß die Reibflächen kegelförmig gestaltet sind. Hierbei entsteht bekanntlich eine Druckvermehrung im Verhältnis 1 : sin γ, wenn γ den halben Spitzenwinkel der Kegel-

flächen bezeichnet. Bei der in Fig. 2 angedeuteten Modifikation der Reibungskupplung sind statt der beiden Kegelflächen mehrere Paare ebener Reibflächen verwendet, welche eine sogenannte Lamellenkupplung bilden. Dabei tritt eine Druckvergrößerung im Verhältnis η : ι ein, wenn η die Anzahl der wirksamen Flächenpaare bezeichnet. Beide Anordnungen wirken in genau gleicher Weise, wenn 1 : sin γ — η : ι gemacht wird.

Es läßt sich nun leicht zeigen, wie durch geeignete Wahl der Vergrößerungszahl 1 : sin γ bezw. η : ι die verlangte Unabhängigkeit des Bohrdruckes von der stark veränderlichen Reibung zwischen Mutter und Spindel erreicht werden kann. Die obige Vergrößerungszahl möge dabei allgemein mit η bezeichnet werden.

Ist α der Steigungswinkel der Schräubenspindel, φ der sogenannte Reibungswinkel zwischen Mutter und Spindel, μ derjenige zwischen den Reibflächen der Kupplung, ferner r₁ der mittlere Halbmesser der Schraube, r.₂ derjenige der Reibflächen, so hat beim Bohrdruck Q das Drehungsmoment zwischen Mutter und Spindel den Wert

Q.^-ri ·'*£ (^a +ΦΛ ■

das Drehungsmoment zwischen den unter dem Druck F-Q stehenden Reibflächen aber bei der Vergrößerungszahl η den Wert

ii'(F-Q). r₂· Xg μ.

Im kritischen Augenblick, in welchem die Reibungskupplung nachzugeben beginnt, sind beide Momente einander gleich. Dann ergibt sich für das Verhältnis des Bohrdruckes zum Federdruck durch Gleichsetzen der obigen Ausdrücke die Beziehung
40

Q ι

ψ)

η ■ r₂

tg μ

Man sieht zunächst, daß, wie bereits erwähnt, der Bohrdruck stets kleiner bleiben muß als der Federdruck, daß er diesem aber um so näher kommt, je kleiner der Bruch im Nenner rechter Hand ist. Man erkennt aber ferner, daß ebenfalls eine Änderung von φ um so weniger auf Q. einwirkt, d.h. daß der Bohrdruck von einer Änderung des Koeffizienten der Reibung zwischen Mutter und Spindel um so weniger beeinflußt wird, je kleiner jener Bruch, je größer also sein Nenner η · r₂ · tg μ ist.

Hiernach kann man, da μ praktisch gegeben ist, den gewünschten Erfolg einmal dadurch erreichen, daß man r₂, den mittleren Halbmesser der Reibflächen, sehr groß macht, ebenso aber auch bei gewöhnlichen Abmessungen der Reibflächen dadurch, daß man der Vergrößerungszahl η einen erheblichen Wert gibt, also bei Kegelflächen einen kleinen Spitzenwinkel bezw. bei der Lamellenkupplung eine große Lamellenzahl verwendet. Wählt man η genügend groß, so daß der Bruch im Nenner rechter Hand gegen die danebenstehende Einheit klein genug wird, so fällt Q nur wenig kleiner aus als F und wird fast unabhängig' von φ. Diese Anordnung bietet demnach die vollkommenste, praktisch leicht ausführbare Lösung der Aufgabe. Außerdem ersieht man aus obiger Gleichung, da φ als Summand neben α steht, daß eine Änderung von φ auch um so weniger in Betracht kommt, je größer der Steigungswinkel α der Schraube ist, daß also auch in dieser Beziehung sich der Differentialvorschub als dem direkten Schraubenvorschub überlegen und die hier beschriebene Anordnung als besonders günstig erweist.

Zu der Zeichnung sei noch bemerkt, daß in Fig. ι und 2 alle Buchstaben eine und dieselbe Bedeutung haben, mit Ausnahme von g und 0, welche jedoch ebenfalls genau entsprechende Stücke bezeichnen. In Fig. 1 ist nämlich g der Kegelstumpf, in Fig. 2 das diesem entsprechende innere Druckstück für die Lamellenkupplung; ebenso ist 0 in Fig. I der Hohlkegel, in Fig. 2 das diesem entsprechende äußere, glockenförmige Druckstück der Lamellenkupplung. Die Lamellen / sind in bekannter Weise abwechselnd mit g und 0 längsverschiebbar, aber nicht drehbar verbunden.

Als Antriebsorgan für die Drehbohrmaschine ist, wie üblich, eine biegsame Welle o. dgl. gedacht, deren Seele mit der Klaue \ und deren Hülle mit der Glocke r (s. Fig. 1) gekuppelt wird. Bei kleineren Maschinen läßt sich auch ein Elektromotor direkt anbauen. In diesem Fall wählt man zweckmäßig, wie in der Figur wenigstens angedeutet ist, zum Antrieb statt der Maschinenachse x-x vielmehr die Vorgelegeachse y-y, indem man etwa auf das eine (in der Zeichnung vorspringende) Ende der Vorgelegewelle ein Zahnrad setzt, welches von einem kleineren, auf der schnell laufenden Motorwelle befindliehen Zahnrad in Umdrehung gesetzt wird. Diese beiden Räder ersetzen dann die Räder a b der Zeichnung. An der Wirkungsweise des Differentialgetriebes und der Vorschubregelung wird dabei nichts geändert.

Soll die Maschine zum Bohren mit Diamantkronen benutzt werden, so dürfte in der Regel wegen des dabei durch die vollständige Zerpulverung des Materials bedingten größeren Energiebedarfes, somit größeren Motorgewichtes, für ihren Antrieb nur derjenige durch biegsame Welle o. dgl. in Frage

kommen. Das die Krone tragende hohle Bohrrohr kann man bei seitlicher Wasserzuführung einfach an Stelle des stählernen Bohrers in den Bohrkopf d einsetzen, oder man kann auch, wenn die Wasserspülung von rückwärts erfolgen oder das Spülwasser nach rückwärts abgeführt werden soll, die Bohrspindel s in bekannter Weise hohl ausbilden. Im letzteren Fall erhält dieselbe jedenfalls

ίο einen größeren Durchmesser, und es kommen dann die erörterten Vorteile^-sowohl der vorliegenden Konstruktion im allgemeinen wie auch der besonderen Ausführung der Reibungskupplung in noch höherem Grade zur Geltung. Denn bei größerem Spindeldurchmesser ist der für genaue Regelung des Bohrdruckes bei nur einem Paar ebener Reibflächen erforderliche Wert des Verhältnisses r₂: T₁ der oben abgeleiteten Formel utn so weniger praktisch erreichbar.

Claims (1)

1. , Patent-Anspruch:

   Vorrichtung zur selbsttätigen Regelung des Vorschubs bei drehenden Gesteinbohrmaschinen mit Differentialvorschub, bei welcher bei Überschreitung eines bestimmten Bohrdruckes eine durch eine Feder beeinflußte Reibungskupplung ausgeschaltet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Reibungskupplung zwischen der Vorschubmutter und dem dieselbe antreibenden, mit ihr auf einer Achse sitzenden Zahnrad liegt und so angeordnet ist, daß die Feder zugleich den auf die Vorschubmutter wirkenden Bohrdruck aufnimmt.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.