DE2157282C3

DE2157282C3 - Erdbohrmaschine

Info

Publication number: DE2157282C3
Application number: DE2157282A
Authority: DE
Inventors: Nobuhisa Yokohama Kanagawa Ikeda (Japan)
Original assignee: TONE BORING CO Ltd TOKIO
Current assignee: TONE BORING CO Ltd TOKIO
Priority date: 1970-11-20
Filing date: 1971-11-18
Publication date: 1974-01-03
Also published as: DE2157282B2; DE2157282A1; US3773121A; FR2115264B1; GB1371931A; IT944996B; FR2115264A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Erdbohrmaschine mit mehreren Schneidwerkzeugen, die von mindestens einem Motor angetrieben werden, mit einem auf einer drehbaren Hülse befestigten Sonnenrad, das um ein zentrales Glied drehbar ist und Pianetenräder antreibt, sowie mit einer Innenverzahnung auf einem um das zentrale Glied umlaufenden Gehäuse, wobei zur Herabsetzung des Reaklionsdrehmomentes Teile des die Schneidwerkzeuge tragenden Maschinenrahmens entgegen der Drehrichtung der Schneidwerkzeuge angetrieben werden.

Bei einer solchen aus der deutschen Auslegeschrift I 002 775 bekannten Maschine sind mehrere als Fräser ausbildete Schneidwerkzeuge in einer Schilrfplatle drehbar gelagert, wobei die Fräser entwedei von einem gemeinsamen Antrieb oder aber von jeweils ihnen individuell zugeordneten Antrieben im gleichen Drehsinn angetrieben werden. Beim gemeinsamen Antrieb erfolgt dieser über ein zentrales Getriebe, das aus einem auf einer drehbaren Hülse befestigten Sonnenrad, das um ein zentrales Glied drehbar ist. und Planeienradern. die sich drehend und umlaufend in dieses Sonnenrad eingreifen und über weitere Getriebeanordnungen die Fräser antreiben, gebildet ist. Ferner ist eine Innenverzahnung auf der umlaufenden Schildplatte vorgesehen, über die die Schildplatte um das zentrale Glied umlaufend angetrieben werden kann. Durch die Drehbewegung der Fräser wird ein Reaktionsdrehmoment auf die Schildplatte ausgeübt, das die Schildplatle in der gleichen Drehrichtung wie die Fräser drehen möchte. Zum Ausgleich dieses Reaktionsdrehmomenies ist ein mit der Schildplatte verbundenes einstellbares Bremsmessei vorgesehen, das hydraulisch so steuerbar ist. daß es mehr oder weniger stark mit dem die Maschine umgebenden Erdreich in Eingriff kommt. Um ein Durchgehen der Maschine noch vor dem Wirksamwerden der Bremsmesser zu verhindern, ist der Antrieb der Schildplatte selbsthemmend ausgeführt. Zu diesem Zweck wirkt über ein Schneckengetriebe ein weiterer Motor auf die Schildplatte, und zwar diese gegen die Drehrichtung des Reaktionsmomentes antreibend. Mit diesem zusätzlichen Motor wird also ein Bremsmoment auf die Schildplatte ausgeübt, das je nach Steuerung einer hydraulischen Kupplung für das Schneckengetriebe mehr oder weniger stark wirksam wird. Mit Hilfe dieses zusätzlichen Motors kann dabei gleichzeitig auch das von den Fräsern bzw. der Schildplatte auf die gesamte Maschine ausgeübte Reaktionsdrehmoment durch entsprechende Gegenwirkung stark herabgesetzt werden, so daß die zum Auffangen dieses Reaktionsdrehmomentes erforderlichen Halterungen bzw. die Festlegung der gesamten Maschine gegenüber dem aufzufahrenden Erdreich entsprechend einfach ausgebildet werden können. Die einzelnen Fräser sind auf der Schildplatte so angeordnet und gegenüber dieser mit unterschiedlich geneigten Achsen gelagert, daß sie in ihrer Gesamtheit das aufzufahrende Erdreich schraubenlinienförmig angehen, wodurch selbsttätig eine die Maschine in Vortriebsrichtung ziehende Kraft erzeugt wird.

Aus der österreichischen Patentschrift 263 673 ist eine Lrdbohrmaschine bekannt, bei der mehrere mit unterschiedlichen Achsneigungen angeordnete und entsprechend angetriebene Schneidköpfe vorgesehen sind, die teilweise auf einer inneren Platte und teilweise auf einer diese konzentrisch umfassenden äußeren Ringplatte angeordnet sind. In die innere Platte ist dabei ein Antrieb, wie 7. B. ein Elektro-

motor, integriert, wobei die innere Platte als Rotor dieses Elektromotors wirkt. Der Stator des Elektrometers ist mit einem Sonnenrad verbunden, das mit zwei Planetenrädern im Eingriff steht. 'Jedes Planetenrad wirkt über mehrere Ritzel auf eine entsprechende Innenverzahnung der äußeren Ringplatte und gleichzeitig auf eine Außenverzahnung der inneren Platte. Durch die Reaktionskräfte zwischen Rotor und Stator des Elektromotors werden di·.* innere Platte zusammen mit dem Rotor in einer ersten Drehrichtung und die äußere Platte durch den Stator über das Planetengetriebe in die entgegengesetzte Richtung angetrieben. Da die von den Planetenrädern angetriebenen Ritzel jedoch mit beiden Platten zusammenwirken, findet eine Drehmomentrückkopplung zwischen den beiden Platten und damit auch zwischen dem Rotor und dem Stator statt. Diese Drehmomentrückkopplung bewirkt eine weitgehende Verminderung des Reaktionsdrehmomentes, so daß die Festlegung der gesamten Erdbohrmaschine gegenüber dem aufzufahrenden Erdreich entsprechend einfach ausgebildet werden kann.

Aus der USA.-Patentschrifl 3 161 243 ist es in Verbindung mit einer mehrere Schneidwerkzeuge aufweisenden Bohrmaschine bekannt, ein zentrisches und gegenüber dem aufzufahrenden Erdreich feststehendes doppel- oder mehrwandiges Rohr vorzusehen, durch das Flüssigkeiten, Gase oder Schlamm hindurchgetrieben werden können. Bei der bekannten Vorrichtung kann dabei durch das Innenrohr Schlamm zusammen mit Wasser abgesaugt werden, während durch den Zwischenraum zwischen innerem und äußerem Rohr Wasser in eine Zwischenkammer gepumpt wird, aus der dieses Wasser über geeignete Öffnungen in die die Schneidwerkzeuge antreibenden Hohlwellen gelangt, über die es dann an die Schneidwerkzeuge selbst geführt wird.

Aus der deutschen Auslegeschrift 1216 822 ist eine Streckenvortriebsmaschine bekannt, bei der mehrere Schneidköpfe in gegenüber der Vortriebsrichtung nach innen geneigten Stellungen angeordnet sind und. ein radial zur Maschinenlängsachse von innen nach außen gerichteter Vorschub der Schneidköpfe erreicht wird.

Aufgabe der Erfindung ist es. eine Erdbohrmaschine der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der das Reaktionsdrehmoment bei möglichst geringem konstruktivem Aufwand und ohne zusätzliche Antriebsqucllen auf ein Minimum herabgesetzt ist, so daß annähernd keine Rückwirkungen auf die die Erdbohrmaschine mit den übrigen und außerhalb der aufzufahrenden Strecke befindlichen Anlagen verbindenden Einrichtungen auftreten können.

Bei einfr Erdbohrmaschine der genannten Art ist diese Aufgabe gemäß der Erfindung gelöst durch den Antrieb des Sonnenrades mittels des Motors über die Hülse, durch eine neben der Innenverzahnung auf dem umlaufenden Gehäuse zweite Innenverzahnung auf einem Übertragungsglied, wobei die Innenverzahnungen mit den Planetenrädern im Eingriff stehen und sich das Übertragungsglied um das zentrale Glied dreht, durch eine kleinere Zähnezahl der ersten Innenverzahnung gegenüber der zweiten Innenverzahnung, durch eine auf dem Übertragungsglied vorgesehene Außenverzahnung. die koaxial zur zweiten Innenverzahnung angeordnet ist, und durch Zahnräder, die jeweils auf den Wellen der Schneidwerkzeuge befestigt und in dem umlaufenden Gehäuse drehbar und mit der Außenverzjhnunfc im iiingriif stehend gelagert sind.

Durch diese geschickte Getriebeanordnung zum Antrieb sowohl der Schneidwerkzeuge als auch des die Schneidwerkzeuge drehbar lagernden Gehäuses ist es ohne nennenswerten zusätzlichen Drehmomentaulwand von einem einzigen Antrieb her möglich, die Erdbohrmaschine so anzutreiben, daß praktisch k-nne Reaktionskräfte auftreten, die die Erdbohrmaschine gegenüber dem aufzufahrenden Erdreich verdrehen möchten. So sind bei der erfindungsgemäßen Erdbohrmaschine gegenüber der zuerst diskutierten bekannten Erdbohrmaschine weder ein zusätzlicher Motor zum Aufbringen eines Breni¹·- momentes noch eine relativ aufwendige Steueruni; für die Kupplung dieses Motors, geschweige denn zusätzliche Bremsmesser erforderlich. Durch die Übertragung zweier unterschiedlicher Drehmomente von den Planetenrädern her auf zwei unterschiedliche Innenverzahnungen, wovon eine etwas weniger Zähne aufweist als die jeweils andere, ist eine optimale Einleitung eines Drehmomentes in das die Schneidwerkzeuge lagernde Gehäuse möglich, während das jeweils andere Drehmoment über eine weitere Zw ischenverzahnung und ein drehbares Übertragungsglied auf die mit den Wellen der Schneidwerkzeuge verbundenen Zahnräder übertragen wird. Gerade durch diese Abstimmung der Zahnradübertragung wird aber bei einfachstem konstruktivem Aufwand eine optimale Verminderung des auf die Erdbohrmaschine ausgeübten Reaktionsdrehmomentes in einer bei bisher bekannten vergleichbaren Maschinen nicht gekannten Weise erzielt.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung besteht das zentrale Glied aus einem Innenrohr und aus einem Außenrohr, die beide koaxial zueinander angeordnet sind: sie können zum Zuführen und Abführen von Spülung in das und aus dem Bohrloch dienen. Eine derartige Maschine kann für Erdbohrarbeiten verwendet werden, bei denen eine Wasserspülung im Zwangsumlauf angewendet wird.

Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung sind auf einem mit dem umlaufenden Gehäuse verbundenen Rahmen Wasserdüsen vorgesehen, die mit dem Zwischenraum zwischen Innen- und Außenrohr an deren unterem Ende verbunden sind. Diese können Wasser unter Druck zu jedem der Fräser hin abgeben, und zwar vorzugsweise zu der vorlaufenden Seite des Fräsers in Umlaufrichtung der Fräser. Auf diese Weise können die Schneiden jedes Fräsers ständig saubergehalten und ein Anhaften von Schlamm an ihnen verhindert werden. Infolgedessen sind die Schneiden stets scharf, und der Abtransport des Schlamms wird erleichtert.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung ist dadurch gegeben, daß die Drehachse jedes Schneidwerkzeugs nach vorn gegenüber der Senkrechten um einen kleinen Winkel geneigt ist, daß die Zahnräder mit einer gekeilten Innenmantelfiäche versehen sind und die Wellt· jedes Schneidwerkzeugs mit geneigter Achse in K.cm umlaufenden Gehäuse gelagert und mit einer gekeilten Mantelfläche versehen ist, die jeweils mit der Innenmantelfläche eines der Zahnräder im Eingriff steht. Bei dieser Anordnung befinden sich die 65 Schneiden der Fräser auf der in Umlaufrichtung gesehenen nachlaufenden Seite im Abstand von dem Grund des Bohrloches, so daß die Bohrleisiung der Maschine weiter verbessert wird.

Die Erfindung wird an Hand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispicle näher erläutert. Im einzelnen zeigt

F i g. 1 schematisch in Ansicht, teilweise geschnitten, die allgemeine Anordnung einer Bohranlage mit einer erfindungsgemäßen Erdbohrmaschine,

F i g. 2 in Ansicht ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Erdbohrmaschine, die zur Darstellung von Einzelheiten teilweise weggeschnitten ist.

F i g. 3 in einer der F i g. 2 ähnlichen Darstellung ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 4 bis 8 in Draufsicht verschiedene Beispiele von Fräseranordnungen,

Fi g.') in einer Schnittansicht die Verwendung der erfindungsgemäßen Maschine zum Erdbohren,

Fig. 10 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Maschine, in der jeder Fräser und seine Antriebselemente eine auswechselbare Baueinheit bilden.

Fig. 11 in einer Seitenansicht einen Fräser, der auf einer vorwärtsgeneigten Spindel angeordnet ist,

Fig. 12 einen Schnitt längs der Linie XIl-XIl in Fig. 11 und

Fig. 13 in einer Seitenansicht einen zum Einstellen der Schubkraft dienenden Schwimmer, der zusammen mit der erfindungsgemäßen Maschine verwendet werden kann.

Die in F i g. 1 dargestellte Maschine dient zum Bohren unter Wasser. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Erdbohrmaschine allgemein mit 1 bezeichnet. Die erfindungsgemäße Erdbohrmaschine 1 ist nur einem sehr kleinen Reaktionsdrehmoment ausgesetzt, so daß kein Bohrgestänge von hoher Drehsteifigkeit erforderlich ist und die ganze Maschine an einem dünnwandigen Rohr, einem Schlauch oder gemäß der Zeichnung an einer Kette 2 aufgehängt werden kann.

Die Antriebseinrichtung der Maschine besteht aus einem oder mehreren elektrischen oder hydraulischen wasserdichten Motoren, die unter Wasser verwendet werden können und die im folgenden kurz »Tauchmotoren« genannt werden. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind mehrere elektrische Tauchmotoren vorgesehen, die über ein elektrisches Kabel 3 mit Strom gespeist werden, das entsprechend dem Bohrfortschritt von einer Kabeltrommel 9 abläuft.

Bei der Verwendung von hydraulischen Antriebsmotoren kann man an Stelle des elektrischen Kabels 3 ölzuführungsschläuche verwenden. Ein Wasserzuführungsschlauch 4 dient zum Zuführen der Spülung, z. B. von bentonithaltigem Wasser. Die Spülung tritt am unteren Ende 1 aus und wird zusammen mit dem mitgeführten Schlamm durch einen Rückführungsschlauch S zurückgeführt. Man kann durch einen Luftzuführungsschlauch 6 Druckluft zuführen, die zur Bildung von Blasen führt, welche die Entfernung des Schlamms erleichtern. Zu diesem Zweck ist ein Luftkompressor 13 vorgesehen.

Das schlammhaltige Wasser wird durch ein Schlammsieb 11 und einen Zyklon 12 zu einer Wasserzuführungspumpe 10 zurückgeführt.

Andere über Tage angeordnete Einrichtungen. /. B. ein Bohrgerüst 7, können einfacher ausgebildet sein als üblich. Wie aus der nachstehenden Beschreibung hervorgeht, brauchen über Tage keine Einrichtungen zum Drehen und Vorschieben eines Bohrgestänges, keine Kraftübertragung und keine Lage rung dafür vorgesehen zu sein. Es genügt eine Einrichtung zum Heben der Bohrmaschine 1, z. B. ein elektrisch angetriebener Kettenzug 8, der auf dem Bohrgerüst 7 montiert ist und die Kette 2 trägt, an der die Maschine 1 aufgehängt ist. Da das Wasser in den Schläuchen 4 und 5 geführt ist, sind in der Wasserführung keine Gelenke erforderlich, wie sie in den üblichen Bohrvorrichtungen mit einem zum Αηχο trieb dienenden Bohrgestänge erforderlich waren.

Erforderlichenfalls kann die Maschine 1 von geeigneten Führungen 14 umgeben sein, welche gewährleisten, daß das Bohrloch geradlinig ist.

Nachstehend wird die in Fig. 1 dargestellte Maschine an Hand der F i g. 2 ausführlicher beschrieben.

Das in F i g. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel der Erdbohrmaschine ist mit elektrischen Tauchmotoren versehen. Das Gehäuse 100 der Maschine 1 besitzt ein zentrales Glied 110 mit einem Innenrohr 111 und einem Außenrohr 112. Das Innenrohr 111 ist mit dem Wasserrückführungsschlauch 5 und das Außenrohr 112 mit dem Wasserzuführungsschlauch 4 verbunden. Die über den Schlauch 4 zugeführte Spülung tritt durch den Raum zwischen dem Innenrohr 111 und dem Außenrohr 112 und wird von Düsen 141 abgegeben. Durch den Luftzuführungsschlauch 6 wird dem Innenrohr 111 an einer zwischen seinen Enden liegenden Stelle Druckluft zugeführt, so daß sich Luftblasen bilden, welche den Abtransport des Schlamms durch den Wasserrückführungsschlauch 5 erleichtern.

Die Verwendung des doppelwandigen Rohrs als zentrales Glied 110 mit dem Innenrohr 111 und dem Außenrohr 112 hat den Vorteil, daß die von über Tage unter Druck zugeführte Spülung den Schneiden jedes Fräsers zugeführt werden und den Schlamm in das doppclwandige zentrale Rohr mitführen kann. Das zentrale Glied 110 trägt elektrische Tauchmotoren 120 mit hoher Drehzahl. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwei Motoren vorgesehen, doch kann man erfindungsgemäß natürlich jede zweckmäßige Anzahl von Motoren verwenden. Jeder Motor 120 besitzt eine Abtriebswelle, auf der ein Zahnrad I-I befestigt ist, das mit einem zweiten Zahnrad 1-2 kämmt, das um die Achse des zentralen Glieds 110 drehbar ist. Das Zahnrad 1-2 ist auf einer Hülse 130 befestigt, die auf dem Rohr 110 drehbar gelagert ist. Die Zahnräder 1-1 und 1-2 bilden die erste Stufe eines Untersetzungsgetriebes.

Ein zweites Zahnrad in Form eines Sonnenrades II-l ist am unteren Teil der Hülse 130 befestigt unc von mehreren Planetenrädern 11-2 umgeben, die mii dem Sonnenrad und mit innenverzahnten Zahnräderr 11-3 und 11-4 kämmen. Das innenverzahnte Rad W-I hat eine etwas kleinere Zähnezahl als das innenver zahnte Rad II-4. Da die verschiedene Zähnezahler besitzenden, innenverzahnten Räder 11-3 und II-< gleichzeitig mit denselben Planetenrädern 11-2 kam men, müssen alle Zahnräder 11-1, Π-2, 11-3 und 1Ι-< profilverschoben sein.

Das innenverzahnte Zahnrad II-3 ist an einem Ge häuse 140 befestigt, das um die Achse der Maschim drehbar ist und in dem Fräser drehbar gelagert sind Das InnenzahnTad Π-4 ist an einem Kraftübertra gungsglicd 150 befestigt. Die Planetenräder 11-2 kön nen in dem Ringraum zwischen dem Sonnenrad 11-einerscits und den innenverzahnten Rädern 11-3 um

[1-4 andererseits frei umlaufen, wobei eine Einrichtung vorgesehen ist, die einen Austritt der Planelenräder aus diesem Ringraum \ erhindert. Die Zahnräder 11-1, 11-2, Ii-3 und 11-4 bilden die zweite Stufe eines Untersetzungsgetriebes mit hohem Untersetzungsverhältnis. Da das innenverzahnte Rad 11-4 eine etwas größere Zähnezahl hat als das innenverzahntc Rad 11-3, dreht sich das Rad 11-4 in derselben Richtung wie das Sonnenrud 11-1.

Am unteren Teil des das innenverzahnte Rad 11-4 tragenden Kraftübertragungsgliedes ISO ist ein Zahnrad 1II-1 montiert, das Zahnräder 111-2 antreibt, die auf der Spindel je eines als Fräser ausgebildeten Schneidwerkzeugs 160 befestigt sind. Die Zahnräder 111-1 und III-2 können eine dritte Stufe des Untersetzungsgetriebes bilden. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel dienen sie jedoch zum Übersetzen ins Schnelle. Je nach dem Durchmesser des Bohrloches können die Zahnräder 111-1 und 111-2 somit ein Unter- oder ein Übersetzungsgetriebe bilden.

Das Gehäuse 140, welches die Fräser trägt, und das Kraftüberlragungsglied 150, welches die Zahnräder II-4 und IH-I trägt, sind gegenüber dem Körper 100 drehbar, der aus dem doppelwandigen Glied 110 besteht und die Motoren 120 trägt. Zwischen dem Körper 100 und dem Gehäuse 140 kann eine geeignete Dichtung vorgesehen sein.

Nachstehend wird die Wirkungsweise der vorstehend beschriebenen Vorrichtung unter Angabe von tatsächlich verwendeten Werten beschrieben.

Es sei angenommen, daß die Maschine zum Herstellen eines Bohrloches von 1,3 m Durchmesser zur Aufnahme eines Stahlbetonpfahl in einer relativ weichen Erdformation, z. B. aus dem Alluvium oder Diluvium, verwendet werden soll.

Die Motoren 120 bestehen aus zwei zweipoligen Drehstrom-lnduktionsmotorcn mit je einer zulässigen Antriebsleistung H von 11 kW (15 PS), die mit 200 V bei 50 Hz gespeist werden. Jeder Motor 120 hat eine Synchrondrehzahl von 3000 U min.

Die Zahnräder 1-1 und 1-2 der ersten Stufe des Untersetzungsgetriebes haben die Zähnezahl 60 bzw. 100 und einen Modul von 3 mm, so daß die erste Stufe ein Untersetzungsverhältnis von 1,66 hat.

Die Zahnräder II-l, Π-2, 11-3 und Π-4 sind profilverschoben und haben einen Modul von 5 mm und die Zähnezahl 60, 20, 100 bzw. 102. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel werden zwei Zahnräder 11-2 verwendet. Die zweite Stufe des Untersetzungsgetriebes hat daher ein Übersetzungsverhältnis von ungefähr 136.

Die dritte Stufe kann eine weitere Untersetzungsstufe sein. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel haben jedoch die Zahnräder 111-1 und 1II-2 einen Modul von 5 mm und angesichts der Abmessungen die Zähnezahlen 100 bzw. 50, so daß die dritte Stufe ein Drehzahlverhältnis von 0,5 aufweist und ins Schnelle übersetzt.

Das Gesamt-Untcrsetzungsverhältnis der ersten, zweiten und dritten Stuft· beträgt daher

1,66· 136-0,5 = 114.

Bei einer Drehzahl des Motors 120 von 3000 U'min beträgt dann die Drehzahl des Fräsers

3000/114 =

Das unter Vollast auf den Fräser 160 übertragene Drehmoment T_tt kann wie folgt berechnet werden:

T₁

60 ■ 75 · //

2.-7«
60-75-2- 15

2 .-7 · 26
= 820 mkg.

Dabei ist N die Drehzahl in U/min und H die Abtricbsleistung in PS.

Dieses Drehmoment wird als für das Bohren in einer relativ lockeren Erdformation, /.. B. aus dem Alluvium oder Diluvium, geeignet angeschen.

In diesem Fall kann das auf den Körper 100 wirkende Reaktionsdrehmoment in Abhängigkeit von dem Reaktionsdrehmomcnl 7"_M eines Motors und dem auf die Lagcrlast an der Motorwelle zurückzuführenden Reaktionsdrehmoment T₁ durch folgende Gleichung berechnet werden:

T — 9 7" ~> T

Die Drehmomente T_M und T₁ können durch folgende Gleichungen dargestellt werden:

_ 60-75-15 ,. , ⁷M ~ _ "= 3.6 mkg.

300

T₁. = T_M

>, r D,) D,

Dabei sind D₁ und D., die Durchmesser der Zahnräder 1-1 und 1-2. Daher ist

T_R = 2T_L-2 7-_M - 2T₁₁₁DJD₁

2-3.(S- 100-3

60 ■ 3

12 mkg.

Ein Gcgendrehmomenl von dieser Größenordnung kann ohne Verwendung eines Bohrgestänges mit hoher Drehsteifigkeit aufgenommen werden. Daher kann man die Bohrmaschine 1 an einem dünnwandigen Rohr, einem festen Schlauch oder gemäß der

Zeichnung an einer Kette 2 aufhängen.

In der vorstehenden Berechnung wurde angenommen, daß die Kraftübertragung verlustfrei erfolgt. Man erkennt aber, daß das auf den Körper 100 wirkende Reaktionsdrehmoment genügend herabgesetzt werden kann.

In der Praxis kann an der Dichtung zwischen dem Körper 100 und dem Gehäuse 140 ein Reibungswiderstand auftreten. In einer Anordnung, in der die Richtung des auf den Körper 100 wirkenden Rcaktionsdrehmoments T_R der Umlaufrichtung des Fräsers entgegengesetzt ist, wie das in dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Fall ist, wirkt der Reibungswiderstand zwischen dem Körper 100 und dem Gehäuse 140 dem auf den Körper 100 ausgeübten Rc-

aktionsdrehmoment entgegen, so daß das von dci Halterung des Körpers 100 aufzunehmende Reak tionsdrehmoment weiter herabgesetzt wird.

Die Maschine 1 kann an einer Kette 2 od. dgl

309 681/41'

aufgehängt werden, ohne daß eine Gefahr besteht, daß das Kabel 3 und die Schläuche 4, 5 und 6 in unerwünschter Weise miteinander verdrillt oder verschlungen werden.

In dem in F i g. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel werden mehrere Motoren verwendet. Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einem einzigen Motor in Form eines elektrischen Tauehmolors 120. der von einem doppelwandigen Glied 110 zentral durchsetzt ist. Wie in dem vorher beschriebenen Ausführungsbeispiel ist an dem doppelwandigen Glied 110 ein Motorgehäuse befestigt, das mit einem Stator 121 versehen ist. Der Rotor 122 des Motors 120 ist direkt mit einer Hülse 130 verbunden, die der Hülse in Fig. 2 entspricht. In dieser Ausführungsform entfällt somit die in der Ausführungsform nach F i g. 2 verwendete erste Stufe des Untersetzungsgetriebes, doch hat die Maschine insgesamt dieselbe Funktion wie die Maschine gemäß F i g. 2.

Gemäß F i g. 3 wird ein besonders ausgebildeter Motor verwendet, der von dem doppelwandigen Glied 110 durchsetzt ist. Man kann aber natürlich auch einen üblichen Motor verwenden.

In den F i g. 4 bis 8 sind schematisch Beispiele von Anordnungen von mehreren Fräsern dargestellt, die an solchen Stellen angeordnet sind, daß sie einander auswuchten.

In dem in Fig. 4 gezeigten Beispiel sind drei durchmessergleiche Fräser gleichmäßig in den Umfang der Maschine verteilt, jeder der Fräser rotiert in der durch den Pfeil Γ angedeuteten Richtung um seine eigene Achse und läuft in der durch den Pfeil Q angedeuteten, dem Pfeil /' entgegengesetzten Richtung um die Achse der Maschine 1 um. Infolge dieser Rotation des Fräsers um seine eigene Achse und seines Umlaufs um die Achse der Maschine in der seiner Rotationsrichtung entgegengesetzten Richtung bewegt sich jede der Schneiden des Fräsers längs einer trochoidförmigen Bahn.

In den in den F i g. 5 und 6 gezeigten Beispielen sind vier Fräser auf einem mit der Maschine koaxialen Kreis angeordnet. Gemäß Fig. 5 sind die Fräser um den Umfang der Maschine gleichmäßig verteilt, was der Anordnung gemäß F i g. 2 entspricht. Gemäß Fig. 6 sind die Abstände zwischen den Fräsern in der Umfangsrichtung der Maschine verschieden, doch wuchten auch hier die Fräser einander aus.

Die Anordnung gemäß F i g. 7 entspricht jener nach Fig. 3. Es sind zwei große Fräser als Schneidwerkzeuge 160 und zwei kleine Fräser als Schneidwerkzeuge 161 vorgesehen. Jeder Fräser rotiert in der Richtung des Pfeiles Γ um seine eigene Achse und läuft in der Richtung des dem Pfeil P entgegengesetzten Pfeils Q um die Achse der Maschine herum. Bei dieser Anordnung kann man die großen Fräser sehr nahe beieinander anordnen, so daß mar¹, ein Loch bohren kann, ohne daß in der Mitte desselben eine beträchtliche Menge Erdreich zurückbleibt.

Gemäß F i g. 8 sind sechs Fräser gleichmäßig um

den Umfang verteilt.

Aus den F i g. 4 bis 8 erkennt man, daß bei einer Anordnung von mehreren Fräsern auf einem mit der Maschine koaxialen Kreis das in der Mitte des Bohrloches vorhandene Erdreich R nicht entfernt wird. Ferner erkennt man, daß die Abmessung des verbleibenden Kerns R mit der Anzahl der Fräser zunimmt. Zum Beseitigen des Kerns R kann man unmittelbar unterhalb des zentralen Gliedes 110 einen Kernbrecher 170 vorsehen, wie er in Fig.') gezeigt ist. Dieser Kernbrecher 170 kann an einem Rahmen 142 befestigt sein, der an dem Gehäuse 140 vorgesehen ist. Dabei dreht sich der Kernbrecher 170 mit ■ dem Gehäuse 140. so daß der Kern R wirksam entfernt werden kann. Der Kernbrecher 170 dreht sich dabei infolge des Gegendrehmoments in der Umlaufrichtung. Da der Kern R ein beträchtliches Drehmoment aufnimmt, soll er nicht zu groß sein.

Der Kernbrecher 170 kann auch ;ine andere zweckmäßige Form haben als in Fig. 9 gezeigt ist. Wenn gemäß F i g. 2 eine Eidbohrmaschine mit einem doppelwandigen zentralen Rohr zum Bohren unter Wasser in einer relativ lockeren Erdformation verwendet wird, muß man Kies oder große Steine vom Grund des Bohrlochs in das zentrale Rohr aufnehmen und zusammen mit der schlammhaltigen ia Spülung nach über Tage fördern. Daher muß der Kernbrecher 170 eine genügend große Eintriltsörtnung 171 haben, damit der Durchmesser des Innenrohrs so groß gewählt werden kann, daß der Innendurchmesser nicht durch große Steine verlegt wird. Nun kann die Eintrittsoffnung 171 auf einen Stein auftreffen, der größer ist als die Öffnung selbst. Daher soll die Maschine so ausgebildet sein, daß der Stein durch einen Schlag zerbrochen werden kann, der durch die Drehung des Kernbrechers 170 bewirkt wird. Die erfindungsgemäße Maschine neigt jedoch dazu. Kies und große Steine in die Wandung des Bohrloches zu schieben, so daß ein Auftreten eines großen Steins an der Eintrittsoffnung des zentralen Rohrs sehr unwahrscheinlich ist. Selbst bei einer Anordnung mit mehreren im Kreis angeordneten Fräsern kann man daher das Erdreich vollständig entfernen, ohne daß ein unzerstörter Kern R zurückbleibt.

Im Betrieb der Maschine 1 kann von der Wasseraustrittsdüse 141 wäßrige Spülung unter Druck zu den Fräsern, vorzugsweise zu deren vorlaufender Seite, hin abgegeben werden. Da die Stellung der Düse 141 gegenüber dem ihr zugeordneten Fräser nicht verändert wird, werden die Schneiden auf der vorlaufenden Seite des Fräsers ständig gereinigt.

Fig. 10 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dabei ist die Maschine 1 mit mehreren Fräserantriebseinheiten 180 versehen, die je eine Fräsera.itr'ebsspindel 181, ein auf dieser befestigtes Zahnrad 111-2. und ein Gehäuse 182 besitzen, das abnehmbar an dem Gehäuse 140 befestigt ist und die Antriebsspindel und das Zahnrad umschließt. Die Fräserantriebseinheiten 180 sind daher von dem Gehäuse 140 abnehmbar. Zu dem dargestellten Ausführungsbeispiel besitzt das Gehäuse iS2 jeder Antriebseinheit 180 einen Flansch 183, der an einem Rahmen 142 des Gehäuses Ι4Θ befestigbar ist.

In der Maschine 1 gemäß Fig. 10 kann jeder Fräser durch einen anderen Fräser von anderer Größe ersetzt werden, so daß in einer einzigen Erdbohrmaschine verschiedene Fräserantriebseinheiten IM verwendet werden können. In Fig. 10 ist ein größerer Fräser 1··' strichpunktiert angedeutet. 65 In der Anordnung nach Fig. 10 kann man auch das Zahnrad I1I-1 durch ein Zahnrad mit einem anderen Durchmesser ersetzen. In der in Fig. 10 gezeigten Anordnung sind wie in Fig. 5 vier Einheiten

180 gleichmäßig um den Umfang verteilt, doch können die Einheiten auch anders angeordnet werden.

Fig. 11 zeigt eine Erdbohrmaschine mit Fräsern auf vorwärts geneigten Spindeln. Gemäß der Zeichnung ist jeder Fräser an seinem Außenumfang mit Schneiden versehen, und die Achse S der Spindel 181 ist gegenüber der Vertikalen V unter einem Winkel (-> angeordnet. Daher greifen die Schneiden auf der vorlaufenden Seite des Fräsers in die Sohle des Loches H ein, während sie auf der nachlaufenden Seite des Fräsers in einem Abstand G von der Bohrlochsohle angeordnet sind. Infolgedessen greifen die Schneiden des Fräsers intermittierend in die Bohrlochsohle ein.

Aus der Zeichnung geht hervor, daß die Schneiden auf der vorlaufenden Seite mehr Arbeit leisten als auf der nachlaufenden Seite. In einer üblichen Anordnung, in der jeder Bohrer auf einer vertikalen Spindel angeordnet ist, fräsen die Schneiden daher nur auf der Oberfläche der Bohrlochsohle, so daß Leistung vergeudet wird und die Schneiden in unerwünschter Weise abgenutzt werden. Dieser Nachteil wird in der Anordnung nach Fig. I vermieden.

Es ist bekannt, in einer Planfräsmaschine die Leistung des Fräsers durch seine Anordnung auf einer vorwärts geneigten Spindel zu verbessern. Dabei erhält man aber eine konkav geformte, gefräste Fläche, was unerwünscht ist, so daß die Anordnung nur zum Schruppen verwendet werden kann. Dagegen kann beim Erdbohren die Bohrlochsohle unbedenklich konkav sein, so daß die Anordnung hier nur zu einem Vorteil führt.

Durch die erfindungsgemäßc Anordnung wird ferner das Problem der Übertragung eines beträchtlichen Drehmoments zwischen zwei nichtparallelen Wellen gelöst.

Fs sind schon Schraubenräder bzw. Schneckenräder zum Übertragen einer Bewegung zwischen gegeneinander versetzter! Wellen bekannt. In der Theorie überträgt ein Schraubenrad eine Bewegung nur durch Punktberührung, so daß es keine Kraft übertragen kann. Insbesondere in einer Erdbohrmaschine wird die Einrichtung zur Bewegungsübertragung stark belastet. Deshalb kann hier ein Schraubenrad nicht verwendet werden.

Diese Schwierigkeit kann durch die in der Zeichnung gezeigte Anordnung beseitigt werden. Gemäß den Fig. 11 und 12 ist ein mit einem Zahnrad III-l kämmendes Zahnrad 111-2 mit einer Innenkeilverzahnung III-3 versehen, die mit einer Außcnkeüverzahnung 111-4 im Eingriff steht, wobei gcmäC. Fig. 12 zwischen den Keilverzahnungen II1-3 und 111-4 ein Abstand vorhanden ist. so daß die Achs,- S der Antriebsspinde! 181 gegenüber der Vertikalen (·' bzw. den Achsen der Zahnräder III-l, III-2 und III-3 unter einem Winkel H angeordnet werden kann. Die \on dem Erfinder vorgenommenen Versuche haben gezeigt, daß die mittels der Keilverzahnung hergestellte Verbindung praktisch brauchbar ist. Der Neigungswinkel (-> kann kleiner sein als 5 und beträgt vorzugsweise 2 bis 3 .

ίο Man kann die erfindungsgeniülk Maschine 1 gemäß F i g. I an einer Kette 2 aufhängen. In diesem Fall wird die Schubkraft für den Abwärtsschub der Maschine durch das Gewicht der Maschine selbst erzeugt. Wenn man annimmt, daß das Gewicht der M;i schine angesichts der Beschaffenheit der zu durchbohrenden Erdformationen die erforderliche Schubkraft nicht erzeugen kann, kann man Belastungsgewichte od. dgl. hinzufügen.

Wenn zum Bohren das Bohrloch mit einer Spühing, beispielsweise schlammhaltigem Wasser, gefüllt wird, kann man zum Einstellen der Schubkraft einen Schwimmer verwenden. Fig. 13 zeigt ein Beispiel einer derartigen Anordnung mit einem Einstel!- schwimmer 200, der oberhalb der Bohrmaschine 1 angeordnet und an einer Kette 2 aufgehängt ist. Wenn angesichts der Beschaffenheit der Erdformation zum Bohren in derselben nur eine kleinere Schubkraft benötigt wird, kann man Druckluft durch einen Luftschlauch 202 in ein Luftreservoir 201 einleiten, so daß das in diesem befindliche Wasser durch ein-' Wasseraustrittsöffnung 203 herausgedrückt und dadurch der Auftrieb des Schwimmers vergrößert und die auf die Maschine wirkende Schubkraft der Maschine entsprechend herabgesetzt werden. Wenn di; Maschine 1 dagegen auf harte Erdformalionen trifft, kann durch den Luftschlauch 202 Luft aus dem Reservoir 201 abgezogen werden, so daß der Wasserstand in diesem steigt, der Auftrieb des Schwimmers vermindert und die Schubkraft entsprechend vergrößert wird. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß die Maschine je nach der Beschaffenheit der zu durchbohrenden Erdformation mit der am besten geeigneten Schubkraft arbeiten kann.

Man erkennt, daß beim Arbeiten mit der Bohrmaschine gemäß der Erfindung kein Bohrgestänge von hoher Festigkeit und keine raumaufwendige und komplizierte Einrichtung über Tage erforderlich sind und daß der Wirkungskrad der Bohrarbeit vergrößert werden kann. Die Erfindung schafft ferner eine neuartige Maschine, die sich besonders zum Bohren ί·.ι relativ lockeren Erdformationen eignet.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Erdbohrmaschine mit mehreren Schneidwerkzeugen, die von mindestens einem Motor angetrieben weiden, mit einem auf einer drehbaren Hülse befestigten Sonnenrad, das um ein zentrales Glied drehbar ist und Planetenrüder antreibt, sowie mit einer Innenverzahnung auf einem um das zentrale Glied umlaufenden Gehäuse, wobei zur Herabsetzung des Reukiionsdrehmomenies Teile des die Schneidwerkzeuge tragenden Maschinenrahmen* entgegen der Drehrichiung der Schneidwerkzeuge angetrieben werden, gek c η π ζ e i c h η e t d u r c h den Antrieb des Sonnenrades (II,) mittels des Motors (120) über die Hülse (130), durch eine neben der Innenverzahnung (IL) auf dem umlaufenden Gehäuse (140) zweite Innenverzahnung (H₁) auf einem Übertragungsglied (150), wobei die Innenverzahnungen mit den Planetenrädern im -Eingriff stehen und sich das Übertragungsglied (150) um das zentrale Glied (110) dreht, durch eine kleinere Zähnezahl der ersten Innenverzahnung gegenüber der zweiten Innenverzahnung, durch eine au! dem Übertragungsglied (150) vorgesehene Außenverzahnung (IH₁). die koaxial zur zweiten Innenverzahnung (H₁) angeordnet ist. und durch Zahnräder (III.,), die jeweils auf den Wellen der Schneidwerkzeuge (160) befestigt und in dem umlaufenden Gehäuse (140) drehbar ur.d mit der Außenverzahtumg im Eingriff stehend gelagert sind.

2. Erdbohrmasehine nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß das zentrale Glied (110) aus einem Innenrolir (111) und einem Außenrohr (112) besteht, die beide koaxial zueinander an-' geordnet sind.

3. Erdbohrmaschine nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß auf einem mit dem umlaufenden Gehäuse (140) veibundenen Rahmen (142) Wasserdüsen (141) vorgesehen sind, die mit dem Zwischenraum zwischen Innen- und Außenrohr (111. 112) an deren unterem Ende verbunden sind.

4. Erdbohrmaschine nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehachse jedes Schneidwerkzeuges (160) nach vorn gegenüber der Senkrechten um einen kleinen Winkel geneigt ist, daß die Zahnräder (111.,) mit einer gekeilten Innemnantelfläche versehen sind und die Welle jedes Schneidwerkzeugs (160) mit geneigter Achse in dem umlaufenden Gehäuse (140) gelagert und mit einer gekeilten Mantelfläche versehen ist. die jeweils mit der Inneiimantelriache eines der Zahnräder (III.,) im Eingriff steht.

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