DE19803304A1

DE19803304A1 - Bohrgestänge zum Drehschlagbohren, insbesondere zum Überlagerungsbohren

Info

Publication number: DE19803304A1
Application number: DE19803304A
Authority: DE
Inventors: Friedrich Dipl Ing Flemming
Original assignee: Boart Longyear GmbH and Co KG Hartmetallwerkzeugfabrik; Boart HWF GmbH and Co KG Hartmetallwerkzeugfabrik
Current assignee: Longyear TM Inc
Priority date: 1997-05-29
Filing date: 1998-01-29
Publication date: 1998-12-03
Anticipated expiration: 2018-01-30
Also published as: DE19803304C2; DE19803304C5

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bohrgestänge zum Drehschlagbohren, insbesondere zum Überlagerungsbohren, dessen einzelne Bohrstangen ein Ende mit einem Außengewinde und ein Ende mit einem Innengewinde aufweisen, wobei beide Gewinde jeweils eine größere, lastaufnehmende Flanke und eine kleinere, nicht lastaufnehmende Flanke aufweisen.

Große Bauwerke erfordern eine gute Gründung, jedoch ist der Untergrund oftmals nicht fest genug, um eine sichere Gründung herzustellen. In diesen Fällen muß der Untergrund durch das Einbringen von Ankern in in den Untergrund gebohrte Löcher verfestigt werden. Das Bohren dieser Löcher wird als Überlagerungsbohren bezeichnet.

Obwohl verschiedene Verfahren existieren, wird das Überlagerungsbohren üblicherweise drehschlagend ausgeführt, wobei ein Kopfhammer (Bohrhammer) und ein Doppelbohrgestänge verwendet werden. Die Bohrstangen müssen somit imstande sein, Schläge (Stöße) und das Drehmoment vom Hammer auf den Bohrmeißel zu übertragen. Auch müssen sie imstande sein, ineinandergeschoben zu werden.

Für das Überlagerungsbohren ausgebildete Bohrstangen werden durch zylindrische oder konische Gewinde miteinander verbunden. Obwohl sie für diese Anwendung speziell entwickelt worden sind, weisen sie zahlreiche Schwachpunkte auf. Die wichtigsten sind:

a) Gewindeverschleiß während der Kopplung;
b) Selbsthemmung bei größeren Gewindedurchmessern;
c) Materialbrüche bei kleineren Gewindedurchmessern nahe dem innenliegenden Ende des Innengewindes.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Bohrgestänge der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß die vorgenannten Nachteile weitestgehend beseitigt sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Stangenenden jeweils einen gewindelosen Einführabschnitt aufweisen, an den sich das Außen- bzw. Innengewinde anschließt, wobei das Profil des Außengewindes eine abgeflachte Gewindespitze und einen kreisbogenförmigen Gewindegrund aufweist, während das Profil des Innengewindes eine kreisbogenförmige Gewindespitze und einen flachen Gewindegrund aufweist, und wobei an dem das Außengewinde aufweisenden Stangenende eine umlaufende Schulter ausgebildet ist, über die die Schlagwirkung auf eine nachfolgende Bohrstange übertragbar ist.

Das erfindungsgemäße Bohrgestänge zeichnet sich durch eine hohe Lebensdauer, insbesondere einen minimalen Gewindeverschleiß beim Verbinden der Bohrstangen aus. Die Ausgestaltung seines Gewindes stellt sicher, daß eine Selbsthemmung auch bei größeren Gewindedurchmessern verhindert wird.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Bohrgestänges besteht darin, daß die nicht lastaufnehmende Flanke jeweils kreisbogenförmig ausgebildet ist und den gleichen Radius wie die kreisbogenförmige Gewindespitze des Innengewindes bzw. wie der kreisbogenförmige Gewindegrund des Außengewindes aufweist. Dies trägt zu einer Verringerung von Spannungsspitzen an den Gewindeflanken bei.

Nach einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung beträgt die Länge des dem Außengewinde vorgeordneten Einführabschnitts mindestens das 0,3 bis 0,35fache des Außendurchmessers der jeweiligen Bohrstange, wobei der dem Außengewinde vorgeordnete Einführabschnitt vorzugsweise mindestens doppelt so lang wie der dem Innengewinde vorgeordnete Einführabschnitt ist. Diese relativ langen Einführabschnitte tragen dazu bei, den Verschleiß an den Außenflanken der Gewinde zu minimieren.

Vorteilhaft ist es auch, wenn die umlaufende Schulter an dem das Außengewinde aufweisenden Stangenende konisch in Richtung des anderen Stangenendes geneigt ist und das andere Stangenende eine komplementär gestaltete Stirnseite aufweist. Hierdurch wird die Kontaktfläche der Schulter vergrößert, so daß eine gute Schlagübertragung vom Bohrhammer auf den Bohrmeißel sichergestellt wird. Der Neigungswinkel der Schulter liegt dabei vorzugsweise zwischen 10° und 20° bezogen auf die dortige Radialebene der jeweiligen Bohrstange.

Die Bohrstangen des erfindungsgemäßen Bohrgestänges lassen sich schnell und einfach ohne Selbsthemmung verbinden sowie lösen, wenn der Steigungswinkel des Außen- bzw. Innengewindes über den gesamten Größenbereich der Stangen zwischen 12° und 16°, vorzugsweise zwischen 12,3° und 15,8° liegt.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, daß die lastaufnehmende Flanke der Gewinde um 25° bis 35° gegenüber der Bohrstangenmittelachse geneigt ist. Dies schafft nicht nur eine relativ große Berührungsfläche für die lastaufnehmende Flanke, sondern unterstützt auch die Ausrichtung der Gewinde beim Einführen des das Außengewinde aufweisenden Bohrstangenendes in das das entsprechende Innengewinde aufweisende Ende einer nachfolgenden Bohrstange. Auf diese Weise wird der Verschleiß weiter minimiert.

Gemäß einer weiteren Lehre der Erfindung weisen alle Bohrstangen die gleiche Gewindetiefe auf, die zwischen 1,5 mm und 2,5 mm, vorzugsweise ungefähr 2 mm, beträgt. Dadurch werden die Werkzeugkosten minimiert.

Eine andere bevorzugte Ausgestaltung besteht ferner darin, daß die Bohrstangen bezüglich ihres Außen- und Innendurchmessers derart abgestuft sind, daß eine Bohrstange vorgegebener Größe in das Innere einer um zwei Größen größeren Bohrstange einführbar ist. Auf diese Weise kann mit dem erfindungsgemäßen Bohrgestänge mit zwei oder drei teleskopartig ineinander angeordneten Bohrstangen gebohrt werden.

Vorzugsweise beträgt für Bohrstangen mit einem Außendurchmesser zwischen 75 und 180 mm der maximale Außendurchmesser das 1,15 bis 1,55fache, vorzugsweise das 1,25 bis 1,45fache, des minimalen Innendurchmessers. Der Flankendurchmesser des Außen- bzw. Innengewindes hat dabei vorzugsweise einen Wert im Bereich zwischen 1/1,25 × AD und 1/1,05 × AD, wobei AD für den Außendurchmesser der Bohrstange steht. Dadurch ist sichergestellt, daß Bohrstangen in Bohrstangen der nächst größeren Größe eingeführt werden können und gleichwohl eine ausreichende Festigkeit aufweisen, denn die Querschnittsfläche der Bohrstangen wird am innenliegenden Ende des Innengewindes mit zunehmendem Außendurchmesser der Bohrstangen größer.

Auch ist es vorteilhaft, wenn die Querschnittsfläche am innenliegenden Ende des Innengewindes größer ist als die Querschnittsfläche am innenliegenden Ende des Außengewindes, da bei Bohrstangen, bei denen die Schlagwirkung über die Außenschulter übertragen wird, das das Innengewinde aufweisende Ende einer höheren Biegespannung unterworfen ist als das das Außengewinde aufweisende Ende.

Um eine Selbstreinigung des Gewindes zu erzielen, ist nach einer weiteren Ausgestaltung vorgesehen, daß die nicht-lastaufnehmende Flanke jeweils kreisbogenförmig ausgebildet ist, wobei der Radius des Kreisbogens einen Wert im Bereich zwischen 3,2 mm und 4,5 mm, vorzugsweise ungefähr 3,8 mm, aufweist. Der Radius des Kreisbogens wird für den gesamten Größenbereich der Bohrstangen beibehalten. Diese Ausgestaltung, zusammen mit dem unveränderlichen Flankenwinkel und der unveränderlichen Gewindetiefe gewährleistet, daß dasselbe Gewindeschneidwerkzeug für den gesamten Größenbereich der Bohrstangen verwendet werden kann.

Eine andere bevorzugte Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Gewindegänge mit zunehmendem Außendurchmesser der Bohrstange zunimmt, wobei vorzugsweise Bohrstangen mit einem Außendurchmesser kleiner als 75 mm einen Gewindegang, Bohrstangen mit einem Außendurchmesser zwischen 75 mm und 105 mm zwei Gewindegänge, Bohrstangen mit einem Außendurchmesser zwischen 105 mm und 140 mm drei Gewindegänge und Bohrstangen mit einem Außendurchmesser größer als 140 mm vier Gewindegänge aufweisen. Auch hierdurch wird bei zunehmendem Außendurchmesser der Bohrstangen eine Vergrößerung der lastaufnehmenden Fläche der Gewindeflanken erzielt. Hierdurch wird gewährleistet, daß bei der Anwendung desselben Gewindeprofils für den gesamten Größenbereich der Bohrstangen sich der Steigungswinkel nicht übermäßig mit größer werdendem Außendurchmesser (AD) ändert.

Um die Gefahr von Materialbrüchen aufgrund von Spannungs konzentrationen zu minimieren, wird ferner vorgeschlagen, daß sowohl das Außen- als auch das Innengewinde Übergangsradien von ungefähr 1 mm bei allen Übergängen aufweisen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel schematisch darstellenden Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1a ein erfindungsgemäßes Bohrstangenende mit Außengewinde im Längsschnitt,

Fig. 1b ein erfindungsgemäßes Bohrstangenende mit Innengewinde im Längsschnitt,

Fig. 2a eine Profildarstellung des Außengewindes in vergrößertem Maßstab,

Fig. 2b eine Profildarstellung des Innengewindes in vergrößertem Maßstab, und

Fig. 3 einen Abschnitt eines Außengewindes einer erfindungsgemäßen Bohrstange mit gegenüber Fig. 2a abweichendem Durchmesser in Seitenansicht.

Die Fig. 1a und Fig. 1b zeigen die Enden einer Bohrstange mit einem zylindrischen Außengewinde 1 und einem entsprechenden Innengewinde 2 im Längsschnitt. Die Bohrstangenenden weisen jeweils einen gewindelosen Einführabschnitt 3 bzw. 4 auf, an den sich das jeweilige Gewinde anschließt. Die Länge des dem Außengewinde 1 vorgeordneten Einführabschnitts 3 beträgt etwa das 0,3 bis 0,35fache des Außendurchmessers AD der Bohrstange und ist etwa doppelt so lang wie der dem Innengewinde 2 vorgeordnete Einführabschnitt 4.

Ferner ist zu erkennen, daß an dem in Fig. 1a dargestellten Ende der zum Drehschlagbohren bestimmten Bohrstange eine umlaufende Außenschulter 5 ausgebildet ist, die der Übertragung der Schlagwirkung auf eine nachfolgende Bohrstange bzw. den Bohrmeißel dient. Die Schulter 5 ist konisch ausgebildet, und zwar mit einem Neigungswinkel von etwa 15° gegenüber der Radialebene, wobei das andere Bohrstangenende eine komplementär abgeschrägte Stirnseite 6 aufweist.

Um mit zwei oder mehr teleskopartig angeordneten Bohrstangen bohren zu können, sind die Bohrstangen bezüglich ihres Außen- und Innendurchmessers größenmäßig derart abgestuft, daß eine Bohrstange vorgegebener Größe in das Innere einer um zwei Größen größeren Bohrstange einführbar ist. Für Bohrstangen mit einem Außendurchmesser AD zwischen 75 und 180 mm beträgt der maximale Außendurchmesser AD einer Bohrstange beträgt dabei etwa das 1,15 bis 1,55fache ihres minimalen Innendurchmessers ID. Der Flankendurchmesser FD des Außen- bzw. Innengewindes liegt zwischen 1/1,25 × AD und 1/1,05 × AD. Somit nimmt die Querschnittsfläche am innenliegenden Ende des Innengewindes 2 mit zunehmendem Bohrstangenaußendurchmesser AD zu. Auch ist zu erkennen, daß die Querschnittsfläche am innenliegenden Ende des Innengewindes 2 größer ist als die Querschnittsfläche am innenliegenden Ende des Außengewindes 1. Der am innenliegenden Ende des Innengewindes 2 angrenzende Abschnitt 8 und der entsprechende Abschnitt 7 des Außengewindes 1 haben dabei im wesentlichen die gleiche Wandstärke WA bzw. WI, wobei sich der Innendurchmesser ID der Bohrstange konisch in Richtung des Innengewindes 2 hin aufweitet.

Die Fig. 2a und 2b zeigen in vergrößerter Darstellung das Gewindeprofil des erfindungsgemäßen Bohrgestänges. Das Außengewinde 1 und das Innengewinde 2 weisen jeweils eine lastaufnehmende Außenflanke 9 und eine nicht lastaufnehmende Innenflanke 10 auf.

Das Außengewinde 1 (Zapfengewinde) hat eine abgeflachte Gewindespitze 11 und einen kreisbogenförmigen Gewindegrund 12, während das Innengewinde 2 (Muffengewinde) eine kreisbogenförmige Gewindespitze 13 und einen flachen Gewindegrund 14 besitzt.

Die lastaufnehmende Außenflanke 9 ist jeweils um einen Winkel (αF von etwa 30° gegenüber der Bohrstangenmittelachse M geneigt. Die nicht lastaufnehmende Innenflanke 10 ist dagegen jeweils kreisbogenförmig ausgebildet und hat den gleichen Radius R wie die kreisbogenförmige Gewindespitze 13 des Innengewindes 2 bzw. wie der kreisbogenförmige Gewindegrund 12 des Außengewindes 1. Der Radius R des Kreisbogens liegt zwischen 3,2 mm und 4,5 mm, vorzugsweise bei ungefähr 3,8 mm.

Beim Innengewinde 2 sind die Übergänge vom flachen Gewindegrund 14 zu den Gewindeflanken 9, 10 als Kehlrundungen 15 ausgebildet. Der Radius dieser Kehlrundungen 15 beträgt ungefähr 1 mm. Dementsprechend sind am Außengewinde 1 die Übergänge 16 von der abgeflachten Gewindespitze 11 zu den Gewindeflanken 9, 10 kreisbogenförmig abgerundet ausgestaltet, wobei der Radius des Kreisbogens dem der Kehlrundungen entspricht.

Um Werkzeugkosten zu minimieren, weisen alle Bohrstangen denselben Gewindegang auf. Die Gewindetiefe eines Gewindegangs liegt zwischen 8,5 mm und 10,5 mm, vorzugsweise bei ungefähr 9,5 mm.

In Fig. 3 ist in Seitenansicht schematisch ein Außengewinde gezeigt, wobei oben der Steigungswinkel (α1 für ein eingängiges Gewinde und unten der Steigungswinkel (α2 für ein zweigängiges Gewinde angetragen ist.

Die Anzahl der Gewindegänge hängt vom Außendurchmesser der Bohrstange ab. Bohrstangen mit einem Außendurchmesser AD < 75 mm haben beispielsweise einen Gewindegang, während Bohrstangen mit einem Außendurchmesser AD ≧ 75 mm und AD < 105 mm zwei Gewindegänge, Bohrstangen mit einem Außendurchmesser AD ≧ 105 und AD < 140 mm drei Gewindegänge und Bohrstangen mit einem Außendurchmesser AD < 140 mm vier Gewindegänge aufweisen.

Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Insbesondere kann das Gewindeprofil der Bohrstangen nicht nur zylindrisch, sondern auch konisch ausgeführt sein.

Claims

1. Bohrgestänge zum Drehschlagbohren, insbesondere zum Überlagerungsbohren, dessen einzelne Bohrstangen ein Ende mit einem Außengewinde (1) und ein Ende mit einem Innengewinde (2) aufweisen, wobei beide Gewinde (1, 2) jeweils eine größere, lastaufnehmende Flanke (9) und eine kleinere, nicht-lastaufnehmende Flanke (10) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Stangenenden jeweils einen gewindelosen Einführabschnitt (3, 4) aufweisen, an den sich das Außen- bzw. Innengewinde anschließt, wobei das Profil des Außengewindes (1) eine abgeflachte Gewindespitze (11) und einen kreisbogenförmigen Gewindegrund (12) aufweist, während das Profil des Innengewindes (2) eine kreisbogenförmige Gewindespitze (13) und einen flachen Gewindegrund (14) aufweist, und wobei an dem das Außengewinde (1) aufweisenden Stangenende eine umlaufende Schulter (5) ausgebildet ist, über die die Schlagwirkung auf eine nachfolgende Bohrstange übertragbar ist.

2. Bohrgestänge nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht-lastaufnehmende Flanke (10) jeweils kreisbogenförmig ausgebildet ist und den gleichen Radius (R) wie die kreisbogenförmige Gewindespitze (13) des Innengewindes (2) bzw. wie der kreisbogenförmige Gewindegrund (12) des Außengewindes (1) aufweist.

3. Bohrgestänge nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des dem Außengewinde (1) vorgeordneten Einführabschnitts (3) mindestens das 0,3 bis 0,35fache des Außendurchmessers (AD) der jeweiligen Bohrstange beträgt.

4. Bohrgestänge nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Außengewinde (1) vorgeordnete Einführabschnitt (3) mindestens doppelt so lang wie der dem Innengewinde (2) vorgeordnete Einführabschnitt (4) ist.

5. Bohrgestänge nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die umlaufende Schulter (5) an dem das Außengewinde (1) aufweisenden Stangenende konisch in Richtung des anderen Stangenendes geneigt ist, wobei das andere Stangenende eine komplementär gestaltete Stirnseite (6) aufweist.

6. Bohrgestänge nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die umlaufende Schulter (5) an dem das Außengewinde (1) aufweisenden Stangenende mit einem Neigungswinkel zwischen 10° und 20° gegenüber einer Radialebene konisch in Richtung des anderen Stangenendes geneigt ist.

7. Bohrgestänge nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Steigungswinkel des Außen- bzw. Innengewindes (1, 2) zwischen 12° und 16° liegt.

8. Bohrgestänge nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Steigungswinkel des Außen- bzw. Innengewindes (1, 2) zwischen 12,3° und 15,8° liegt.

9. Bohrgestänge nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die lastaufnehmenden Flanken (9) jeweils die zu den Bohrstangenenden weisenden Außenflanken der Gewinde (1, 2) sind.

10. Bohrgestänge nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß jede lastaufnehmende Flanke (9) der Gewinde (1, 2) um 25° bis 35° gegenüber der Bohrstangenmittelachse (M) geneigt ist.

11. Bohrgestänge nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewindetiefe (GT) von Bohrstangen einen Wert im Bereich zwischen 1,5 mm und 2,5 mm, vorzugsweise von ungefähr 2 mm, aufweist.

12. Bohrgestänge nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrstangen bezüglich ihres Außen- und Innendurchmessers größenmäßig derart abgestuft sind, daß eine Bohrstange vorgegebener Größe in das Innere einer um zwei Größen größeren Bohrstange einführbar ist.

13. Bohrgestänge nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß bei Bohrstangen mit einem Außendurchmesser (AD) zwischen 75 und 180 mm der Außendurchmesser das 1,15 bis 1,55fache, vorzugsweise das 1,25 bis 1,45fache, ihres minimalen Innendurchmessers beträgt.

14. Bohrgestänge nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Flankendurchmesser (FD) des Außen- bzw. Innengewindes einen Wert im Bereich zwischen 1/1,25 × AD und 1/1,05 × AD aufweist, wobei AD für den Außendurchmesser der Bohrstange steht.

15. Bohrgestänge nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche am innenliegenden Ende des Innengewindes (2) größer ist als die Querschnittsfläche am innenliegenden Ende des Außengewindes (1).

16. Bohrgestänge nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht-lastaufnehmende Flanke (10) jeweils kreisbogenförmig ausgebildet ist, wobei der Radius (R1) des Kreisbogens einen Wert im Bereich zwischen 3,2 mm und 4,5 mm, vorzugsweise einen Wert von ungefähr 3,8 mm, aufweist.

17. Bohrgestänge nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Außengewinde (1) und das Innengewinde (2) als mehrgängige Gewinde ausgebildet sind.

18. Bohrgestänge nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Gewindegänge mit zunehmendem Außendurchmesser der Bohrstange zunimmt.

19. Bohrgestänge nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrstangen mit einem Außendurchmesser kleiner 75 mm einen Gewindegang, die Bohrstangen mit einem Außendurchmesser größer/gleich 75 mm und kleiner 105 mm zwei Gewindegänge, die Bohrstangen mit einem Außendurchmesser größer/gleich 105 mm und kleiner 140 mm drei Gewindegänge und die Bohrstangen mit einem Außendurchmesser größer 140 mm vier Gewindegänge aufweisen.

20. Bohrgestänge nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Innengewinde (2) die Übergänge vom Gewindegrund (14) zu den Gewindeflanken (9, 10) als Kehlrundungen (15) ausgebildet sind, deren Radius ungefähr 1 mm beträgt.

21. Bohrgestänge nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Außengewinde (1) die Übergänge von der abgeflachten Gewindespitze (11) zu den Gewindeflanken (9, 10) kreisbogenförmig abgerundet sind, wobei der Radius des Kreisbogens einen Wert von ungefähr 1 mm aufweist.

22. Bohrgestänge nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewinde (1, 2) zylindrisch ausgebildet sind.

23. Bohrgestänge nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewinde (1, 2) konisch ausgebildet sind.