DE2332737A1 - Bohrer mit schmiersystem fuer eine rotierende bohrschneide - Google Patents

Description

• Bohrer mit Schmiersystem für eine rotierende Bohrschneide Die Erfindung betrifft einen Bohrer mit einem Gehäuse, von dem wenigstens ein Bein nach unten absteht, mit einer rotierenden Bohrschneide, die mittels Lager an dem Bein drehbar gelagert ist, mit einem Schmiersystem, das ein in dem Bein untergebrachtes Reservoir fLir ein Schmiermittel und Verbindungen vom Reservoir zu den Lagern umfaßt, und mit einer Abdichtung zwischen der Bohrschneide und dem Bein.
• Man hat festgestellt, daß das Versagen von Bohrern manchmal von dem Unvermögen des Schmiersystems herrührt, Druckunterschiede auszuhalten, und von dem dadurch bedingten Ausfall der Lager für die Bohrschneide. Deshalb sind bereits Kompensatoren in der Form flexibler Membranen vorgesehen worden, um den an den Abdichtungen der Bohrschneide einwirkenden Bohrlochdruck dadurch auszugleichen, daß das Schmiersystem dem Bohrlochdruck unterworfen wird, um so die Lebensdauer der Dichtungen zu verlängern. Diese KompeADatoren versagen jedoch, wenn sie einen Schutz gegen die Ausbildung eines übermäßigen Druckunterschiedes zwischen dem Schmiekrsystem und den Bohrlochfluiden gewähren sollen. Sie gehen zu Bruch und begrenzen dadurch die Lebensdauer der Bohrschneide.
• Beim Herausziehen eines Bohrers aus einem tiefen Bohrschacht w,rd der übermäßige Druck, dem der Bohrer am Boden des Bohrloches ausgesetzt war, manchmal in dem Schmiersystem gefangen und verursacht einen Bruch des Kompensators und eine Beschädigung der Dichtungen, so daß der Bohrer nicht mehr weiter verwendbar ist.
• Wenn außerdem der Kompensator vollständig in dem Schmiermittelreservoir eingetaucht ist, wozu es durch ein langsames Lekken von Schmiermittel aus dem System kommen mag, kann der Druck im Schmiersystem unter den Außendruck absinken. Dies kann zu einer Beschädigung der Dichtungen infolge eines zu hohen Druckgefälles führen und damit einen Bruch der Membran verursachen.
• Man nimnt an, daß ein Bruch des Kompensators zu einem derart raschen, vorzeitigen Versagen des Bohrers führt, daß ein Schutz gegen übermäßige Druckunterschiede die I,ebensdaue? des Bohrers verlängert, selbst dann, wenn dieser Schutz in der Form einer Druckentlastung vorgesehen wird, die eine Entlüftung aus dem Schmiersystem und ein Abblasen in das Schmiersystem gestattet. Eine solche Druckentiastung nach beiden Richtungen kann zu einer geringen Verunreinigung des Schmiersystems führen, verursacht aber nicht das rasche, vorzeitige Versagen, das durch einen Bruch des Kompensators herbeigeführt wird und das Schmiersystem für immer den Pluiden und Feststoffen in dem Bohrloch öffnet.
• Die Erfindung will eine verbesserte Druckentlastungseinrichtung für das Schmiersystem eines Bohrers schaffen, die dem Bohrer eine längere Lebensdauer gewährleistet, auch wenn er hohen Drucken ausgesetzt oder aus dem Bohrloch herausgezogen wird.
• Die Druckentlastungseinrichtung soll eine Beschädigung des Kompensators verhindern und übermäßige Druckunterschiede auf das zum Schutz des Bohrers notwendige Maß reduzieren.
• Weitere Einzelheiten und Vorzüge der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausf ührung sb eispielen anhand der beigefügten Zeichnungen. Es zeigen: Fig.1 einen Vertikalschnitt durch ein Bein eines Bohrers mit einer konischen Bohrschneide, der eine erfindungsgemäße Druckentlastungseinrichtung zeigt; Fig.2 eine vergrößerte Teilschnittansicht zur Verdeutlichung von Einzelheiten der erfindungsgemäßen Einrichtung der Fig.1; Fig.3 eine andere Schnittansicht des Beines eines Bohrers, die die erfindungsgemäße Druckentlastungseinrichtung in Kombination mit dem Kompensator des Schmiersystems veranschaulicht; Fig.4 eine Schnittansicht einer abgewandelten Form der erfindungsgemäßen Entlastungsmembran; Fig.5 eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Entlastungsmembran; Fig.6 eine Teilschnittansicht wieder einer anderen Form der erfindungsgemäßen Entlastungsmembran.
• Der erfindungsgemäße Bohrer 10 weist ein Gehäuse 12 auf, das normalerweise drei vom Gehäuse nach unten ragende Beine 14 hat, von denen in den Zeichnungen nur eines dargestellt ist. Eine Rollen-Bohrschneide 16 ist mittels passender Lager 18, 20 und Buchsen 22 und 24 drehbar an den Beinen 14 gehaltert. Der Bohrer 10 ist mit einem Schmiersystem versehen, zu dem Kanäle 26, 28 und 30 und ein Reservoir 32, sowie eine Dichtung 34 gehören. Die Dichtung 34 dichtet zwischen der rotierenden Bohrschneide 16 und dem Bein 14 des Bohrers 10 ab, so daß die Bohrflüssigkeit und andere schädliche Stoffe nicht in die Lager und Buchsen gepreßt werden, wenn der Bohrer arbeitet. Der äussere Teil des Reservoirs ist mit einer Membran 36 als Kompensator bedeckt, die auf geeignete Weise derart angebracht ist, daß der Außendruck auf sie einwirken kann. Folglich steht das Schmiersystem praktisch unter dem gleichen Druck, der an der Außenseite des Bohrers herrscht, wodurch der Druck auf die Dichtung 34 ausgeglichen ist und deren Lebensdauer verlängert wird.
• Wie eben erwähnt, hat die Kompensator-Membran 36 die Aufgabe, in dem Schmiersystem einen verhältniswäßig gleichmäßigen Druck aufrechtzuerhalten und Volumenänderungen des Schmiersystems zu ermöglichen. Es gibt jedoch Fälle, wo eine solche Membran übermäßige Druckunterschiede nicht richtig steuert, und deshalb ist in dem Bein 14 in Verbindung mit dem Schmiersystem die erfindungsgemäße Druckentlastungseinrichtung 38 vorgesehen.
• Wie Fig.2 zeigt, steht mit dem Kanal 26 ein Kanal 38 in Verbindung, der bis zu einer Einsenkung 40 im Bein 14 reicht, die zur Außenseite des Beins hin offen ist. Im Boden der Einsenkung 40 ist ein steuernder Einsatz 42 eingelegt. Ein Sicherungsring 46, der in den äußeren Teil der Einsenkung 40 eingeschraubt ist, drückt eine Entlastungsmembran 44 gegen die nach außen gekehrte Fläche des Einsatzes. Wie aus der Fig. ersichtlich, bildet der Einsatz 42 eine Öffnung 48, die mit dem Kanal 38 in Verbindung steht und den Einsatz 42 durchzieht, um eine Verbindung mit der Innenseite der Entlastungsmembran 44 herzustellen. Die nach außen gekehrte Seite des Einsatzes 42 bildet eine napfförmige Vertiefung 50. Der nicht unterstützte durch messer der Entlastungsmembran 44 kann in seiner Größe durch Verändern des Durchmessers der Vertiefung 50 variiert werden.
• Dieser variable Durchmesser mann dazu dienen, den Entlaztungsdruck, bei dem die Entlastungsmembran 44 nach innen nachgibt, zu steuern. Der Sicherungsring 46 ist ebenfalls mit einer napfförmigen Vertiefung 52 versehen, sowie mit einem Kanal 54, der den Sicherungsring durchzieht und eine Verbindung mit der Aussenseite des Bohrers 10 herstellt.
• Die Entlastungsmembran 44 ist vorzugsweise aus einem elastischen Material, etwa Buna N oder Neopren mit einem Härtegrad von 70. Die Entlastungsmembran 44 ist, wie in Fig.2 durch die Linie 56 angedeutet, durchlöchert, so daß sie, sobald sie einem ausreichenden Druckunterschied ausgesetzt wird, öffnet und das Druckgefälle ausgleicht. Das Loch 56 wird angebracht, indem man ein verhältnismäßig scharfes Instrument, etwa eine Nadel, durch die Membran stößt, ohne daß Material abgetragen wird. Die Löcherung mittels einer Nadel ist eine besonders zweckmäßige Form zum Herstellen der erfindungsgemäßen Entlastungsmembran; doch kann die Druckentlastung vermutlich auch auf andere Weise erfolgen, etwa indem man die Membran mit einem scharfen Messer, das geeignete Abmessungen hat, durchsticht.
• Die Veränderlichen, die einen Einfluß auf den Druckunterschied haben, bei dem das Membranloch 56 öffnet, um den Druck auszugleichen, umfassen das für die Membran verwendete Material, die Dicke der Entlastungsmembran an dem Loch, und der effektive freie Bewegungsbereich der Membran. Wie man daraus sieht, gibt es zwei einfache Wege, den Entlastungsdruck zu steuern, nämlich die Veränderung der Membranstärke und die Veränderung des freien Bewegungsbereichs der Membran, während das Material der Membran und die Art und Weise der Durchlöcherung zeimlich konstant bleibt. Der wirksame Bewegungsbereich der Entlastungsmembran 44 ist durch die Vertiefungen 50, 52 begrenzt. Die Entlastungsmembran 44 kann sich in dem kreisförmigen Bereich innerhalb des ringförmigen Kontaktes des Einsatzes 42 und des Sicherungsringes 46 mit dem äußeren Teil der Membran frei durchbiegen. Ein einfacher und bequemer Weg, den Entlastungsdruck zu ändern, ist die Veränderung des freien Bewegungsbereiches der Membran etwa durch Anbringung einer Einsenkung 58 im Einsatz 42 gemäß den gestrichelten Linien in Fig.2. Durch eine derartige Ausbildung wird der effektive Bewegungsbereich der Membran stark vermindert und damit der Druck, bei dem die Membran aufmacht, wesentlich erhöht. Wenn, wie in dieser Fig. angedeutet, die Innenseite der Membran auf einem viel kleineren Plächenbereich freiliegt als die Membranaußenseite, sind die zur Entlastung führenden Druckdifferenzen in den beiden Richtungen merklich verschieden.
• Bei der in Fig.3 dargestellten Ausführungsform der Erfindung sind diejenigen Teile, die den in Fig.1 gezeigten und bereits beschriebenen Teilen entsprechen, mit den gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet. Der einzige Unterschied zwischen den beiden Ausführungsformen besteht in der Druckentlastungseinrichtung. Bei dem Bohrer 10 der Fig.3 ist die gesonderte Druckentlastungseinrichtung weggelassen und die Kompensator-embran 60 ist derart modifiziert, daß sie die Druckentlastungsfunktion für das Schmiersystem übernimmt. Die Membran 60 ist im wesentlichen die gleiche wie die Membran 36 der Fig.1 mit der Ausnahme, daß sie mit einem zentralen Durchstich versehen ist, der das Loch 62 bildet, durch welches der Druck entlastet wird, wenn die Membran weit genug gespannt ist, daß dieses Loch durch die vorbestimmten Druckunterschiede gesteuert öffnet. Wie oben beschrieben, wird das Loch 62 in der Membran 60 vorzugsweise ohne Abtragen von Material angebracht, damit die Membran dem gewünschten hohen Druck standhält, bevor sie öffnet.
• Bei manchen Ausfahrungsformen der Erfindung ist eine geformte Entlastungsmembran verwendbar, wie betspLe7sweise die Membran 64 der Fig.4. Die Membran 64 hat einen verdickten äußeren Ring 66 und einen dünnen Mittelteil 68. Das Loch 70 geht durch den dünnsten Teil der Membran 64. Der äußere dicke Ring begrenzt den freien Bewegungsbereich der Membran 64 und bietet somit den nötigen Raum zum Durchbiegen der Membran bis zur Druckentlastung, ohne daß der Sicherungsring und der Einsatz, die die Membran 64 halten, mit Vertiefungen versehen werden müssen.
• Die Kompensator-Membran 60 kann, wenn sie geformt ist, ebenfalls mit einem dünneren Mittelteil versehen werden, so daß sich die Membran mit einem vorgegebenen Durchmesser durchbiegen kann; dann ist der Entlastungsdruck mindestens teilweise durch die spezielle Form der Membran bestimmt.
• Verwendet man derartige Kompensator-Membranen als Entlastungsmembran, so ist es günstig, in Kombination mit der Membran ein Mittel vorzusehen, um die Strömungsgeschwindigkeit durch die Entlastungsöffnung, also etwa das zentrale Loch, zu drosseln.
• Dies ist für die Kompensator-Membran 72 in Fig.5 dargestellt.
• Auf der Innenseite der Membran 72 ist eine Platte 74 festgeklebt (beispielsweise mit einem Epoxy-Kleber). In der Platte ist eine Öffnung 76 ausgebildet, die derart bemessen ist, daß sie die Strömung durch das Loch 78 der Membran auf eine Geschwindigkeit begrenzt die gewährleistet, daß die Membran 72 gegen ein Reißen oder sonstige Beschädigungen durch zu starke Strömungen geschützt ist.
• Manchmal kann es zweckmäßig sein, eine Kompensator-Membran noch mehr zu schützen, indem man an beiden Seiten eine Strömungsdrosselung vorsieht, wie dies in Fig.6 gezeigt ist. Die Kompensator-Membran 80 dieser Fig. hat ein Loch 82, das durch eine innere Platte 84 mit einer Öffnung 86 und eine äußere Platte 88 mit einer Öffnung 90 geschützt ist. Die Platten 84 und 88 sind in geeigneter Weise an der Membran 80 befestigt, etwa mittels eines Epoxy-Klebers. Derartige, mit einer schmalen Öffnung versehene Platten schützen die Kompensator-Membran gegen Beschädigung, ändern dabei aber nicht den Druck, bei dem das Loch der Membran zum Ausgleich der Druckunterschiede öffnet.
• Im Gebrauch liefert d5e erfindungsgemäße Druckenulastungseirlrichtung einen Abbau übermäßiger Druckunterschiede, denen das Schmiersystem ausgesetzt ist. In beiden Ausfahrungsformen der Erfindung ist eine durchstochene Membran vorgesehen, um einen Druckausgleich zwischen dem Schmiersystem und der Umgebung des Bohrers zu schaffen. Im allgemeinen ist für Druckunterschiede, bei denen der Druck in dem Schmiersystem höher ist, ein niedrigerer Druckentlastungspunkt günstiger als für solche mit einem höheren Druck in der äußeren Umgebung des Schmiersystems.
• Während des Bohrens bewirkt die Drehung der konischen Bohrschneide 16 eine leichte Bewegung derselben gegenüber dem Bein 14 und Schwankungen oder Fluktuationen des Volumens des Schmiersystems, die auf das Reservoir 32 und die Membran 36 übertragen werden, so daß die Membran 36 sich bewegt und diese Volumenänderungen ausgleicht. Bei der in Fig.1 veranschaulichten Ausführungsform ist es wünschenswert, die Entlastungsmentbran 44 gegen diese oszillierenden Volumenänderungen des Schmiersystems zu schützen. Hierzu dient die Öffnung 48 in dem Einsatz 42, die einen solchen reduzierten Durchmesser hat, daß vorübergehende Fluktuationen in dem Systemdruck nicht vollständig zur Membran 44 durchgelassen werden Die Öffnung 48 schützt demnach die Entlastungsmembran 44 vor solchen Ubergangszustanden.
• Wenn die Druckdifferenz, bei der die Druckentlastungseinrichtung in jeder Richtung öffnet, reduziert werden soll, muß man lediglich entweder die Dicke der Membran oder den effektiven Bewegungsbereich der Membran ändern, wie oben erläutert wurde. Manchmal kann es auch zweckmäßig sein, die Größe der Nadel zu ändern, mit der das Loch 56 eingestochen wird, da eine dickere Nadel im Vergleich zu einer dünneren Nadel den Druckausgleich durch Öffnen der Membran schon bei einer kleineren Druckdifferenz stattfinden läßt.

Claims (13)

Ansprüche

1. Bohrer mit einem Gehäuse, von dem wenigstens ein Bein nach unten absteht, mit einer rotierenden Bohrschneide, die mittels Lager an dem Bein drehbar gelagert ist, mit einem Schmiersystem, das ein in dem Bein untergebrachtes Reservoir für ein Schmiermittel und Verbindungen vom Reservoir zu den Lagern umfaßt, und mit einer Abdichtung zwischen der Bohrschneide und dem Bein, gekennzeichnet durch eine Druckentlastungseinrichtung (38, 60) in dem Bein (14) zwischen dem Schmiersystem und der Umgebung des Beins, die auf bestimmte an ihr angreifende Druckunterschiede anspricht und einen übermäßigen Systemdruck aus dem Schmiersystem abläßt, sowie einen überhöhten Außendruck in das Schmiersystem einströmen läßt.

2. Bohrer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckentlastungseinrichtung eine Membran (44, 60) aufweist, die in dem Bein montiert ist und auf der einen Seite dem Schmiermitteldruck in dem Reservoir (32) und den Verbindungen und auf der anderen Seite dem Umgebungsdruck ausgesetzt ist und die ein durchgehendes Loch (56, 62) hat, wobei Biegsamkeit, Dicke und effektiver Biegungsdurchmesser der Membran derart gewählt sind, daß das Loch bei einer vorgegebenen Druckdifferenz öffnet und ein Druckausgleich durch das Loch hindurch stattfinden kann.

3. Bohrer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (44) in einem durch das Bein gehenden Entlüftungskanal (38) angeordnet ist.

4. Bohrer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (60) in dem Reservoir (32) als Kompensator-Membran für das Reservoir und zugleich als Druckentlastungseinrichtung angeordnet ist.

5. Bohrer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß an dem -äußeren Ende des Entlüftungskanals (38) in der.Außenfläche des Beins eine Einsenkung (40) angebracht ist, in der ein Sicherungsring (46) befestigt ist, der die Membran in der Einsenkung festhält.

6. Bohrer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Sicherungsring (46) an seiner Innenseite eine konkave Vertiefung (52) und eine Ringfläche hat, mit der er die Membran erfaßt, um so einen effektiven Biegungsbereich für die Membran zur Entlastung nach der Umgebung des Bohrers vorzusehen.

7. Bohrer nach Anspruch 5 oder 6, gekennzeichnet durch einen Einsatz (42), der in der Einsenkung (40) eingelegt ist und mit der Innenseite der Membran auf einer Ringfläche an seinem äußeren Umfang Kontakt hat und der'einen effektiven Biegungsbereich für die Membran zur Entlastung in das Schmiersystem hinein vorsieht.

8. Bohrer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (42) eine Öffnung (48) bildet, die von dem Entlüftungskanal (38) zur Innenseite der Membran führt und in Größe und Länge so bemessen ist, daß sie die Übertragung aller vorübergehenden Druckschwankungen im Schmiersystem verhindert.

9. Bohrer nach einem der Ansprüche 2 bis 8, gekennzeichnet durch Mittel, um die Strömungsgeschwindigkeit durch das Loch (62, 78, 82) in der Membran (60, 72, 80) zu drosseln.

10. Bohrer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die strömungsdrosselnden Mittel eine mit einer Öffnung (76) versehene Platte (74) sind, die auf der Innenseite der Membran (72) befestigt ist (Fig.5).

11. Bohrer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die strömungsdrosselnden Mittel aus einer mit einer Öffnung versehenen Platte auf der Außenseite der Membran bestehen.

12. Bohrer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die strömungsdrosselnden Mittel aus je einer mit einer Öffnung (86, 90) versehenes Platte (84, 88) auf beiden Seiten der Membran (80) bestehen.

13. Bohrer nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran eine Kompensator-Membran ist.