DE2449108A1 - Bohrmaschine mit frei um ihre achse drehbaren bohrmeisseln - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE A. GRL)NbCKbR

3¹PL-IKG.

H. KINKELDEY

DR.-ING.

W. STOCKMAIR

DR.-INS. · AoE(CALTECI 1}

K. SCHUMANN 4 H 3 I U O P. H. JAKOB

DIPL.-ING.

G. BEZOLD

DR. RER. NAT. ■ D1PL.-CHEM.

MÜNCHEN E. K. WF.iL

DR. RER. OEC. ING.

LINDAU

MÜNCHEN

MAXIMILIANSTRASSE

15. Okt. 1974

PH 8621

Tone Boring Company Ltd.

6-17, Meguro 1-Chome, Meguro-ku,

Tokyo / Japan

Bohrmaschine mit frei um ihre
Achse drehbaren Bohrmeissein

Die Erfindung betrifft eine Bohrmaschine mit mehreren Bohrmeissein.

Eine Bohrmaschine, die mit mehreren Bohrvjerkzeugen
versehen ist, welche imstande sind, eine Bohrbev.'egung längs einer Trochoid-Kurve auszuführen, ist bereits

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bekannt. Diese bekannte Haschine ist kor.struktionsniaSig so aufgebaut, daß jedes einzelne Bohrwerkzeug co ν; ο hl u:ü seine eigene Achse als auch um die Achse des Bohrrohres drehbar ist, wobei die Umdrehung um das Bohrrohr in ineinandergreifender Weise auf die Drehung des Bohrrohres angestellt ist. Diese bekannte Bohrmaschine enthält im allgemeinen eine Zentralwelle, die mit dem Bohrrohr verbund-^-·: ist. Bei dieser bekannten Bohrmaschine sind ein Sonnenrad und ein Zentralgehäuse auf dieser Zentralwelle befestigt und Planetenräder, die mit den Bohrwerkzeugen verbunden sind, sind in dem Zentralgehäuse derart befestigt, daß sie mit dem Sonnenrad kämmen. Aufgrund dieser Bauweise wird eine Rotationskraft von dem rotierenden Bohrrohr über das Sonnenrad und die Planetenräder auf die einzelnen Bohrwerkzeuge übertragen, so daß die einzelnen Bohrwerkzeuge zwangsweise um die Achse des Bohrrohres und um ihre eigene Achse gedreht werden können.

Der Nachteil dieser bekannten Bohrmaschine ist demzufolge darin zu sehen, daß ein kräftiges und massiges Getriebe erforderlich ist, welches hohe Kosten verursacht. Wenn der Durchmesser des zu bohrenden Loches geändert werden soll, d.h. wenn der Abstand der Bohrwerkzeuge voneinander verändert werden soll, so müssen die Zahnräder des Getriebes gegen andere geeignete Zahnräder ausgetauscht v;erden oder es müssen Zwischenräder in das Getriebe eingefügt werden. Dieses Auswechseln von Zahnrädern ist jedoch mit vielen Problemen verbunden. Soll ein Loch mit relativ großem Durchmesser gebohrt werden, so sind einige der Bohrwerkzeuge auf einem Kreis mit kleinem Radius und andere Bohrv;erkzeuge auf einem Kreis mit großem Radius angeordnet. In einem solchen Fall werden die radial innen angeordneten Bohrwerkzeuge in einer Richtung angetrieben, die der Drehrichtung derjenigen

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BAD ORIGINAL

Bohrwerkzeuge, die radial außen angeordnet sind, entgegengesetzt ist. Dieses ergibt sich aus dem Bestreben, die Konstruktion möglichst einfach zu gestalten, wobei diese Anordnung -jedoch zu dem Nachteil führt, daß lösgelöste Erde und Sand leicht zwischen die Bohrwerkzeuge gelangen. Diese mitgerissenen Erd- und Sandteilchen behindern die Drehung der Bohrwerkzeuge um ihre eigene Achse, wodurch die Bewegung der Bohrwerkzeuge auf eine Drehung um die Achse des Bohrröhres begrenzt wird, die im Gleichlauf mit der. Drehung des Bohrrohres erfolgt. Das hat zur Folge, daß die Bohrleistung beträchtlich vermindert wird.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Bohrmaschine der eingangs genannten Art zu schaffen, welche von einfacher Bauweise ist, ein leichtes Verändern des Abstandes der Bohrwerkzeuge voneinander gestattet und ausgezeichnete Bohrleistungen erbringt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Bohrwerkzeuge derart in einem an einem Bohrrohr befestigten Gehäuse gehalten sind, daß die Achsen dieser Bohrwerkzeuge' im wesentlichen parallel zur Achse des Bohrrohres verlaufen,und die Bohrwerkzeuge unabhängig von der Drehung des Bohrrohres frei um ihre eigene Achse drehbar sind.

Gegenstand der Erfindung ist somit eine Bohrmaschine, bei welcher eine Vielzahl von Bohrwerkzeugen in einem Gehäuse vorgesehen ist, welches an einem Bohrrohr befestigt ist, wobei die Anordnung der Bohrwerkzeuge derart gewählt ist, daß sich letztere in axialer Richtung im wesentlichen parallel zur Achse des Bohrrohres erstrecken und daß die

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BAD ORIGINAL

— if. —

Bohrwerkzeuge unabhängig von der Umdrehung des Bohrrohres um ihre eigene Achse drehbar sind. Dadurch, daß die einzelnen Bohrwerkzeuge unabhängig von der Drehung des Bohrrohres frei um ihre eigene Achse drehbar sind-,ist gewährleistet, daß die Umdrehung der einzelnen Bohrwerkzeuge ohne eine feste Beziehung zur Umdrehung des Bohrrohres erfolgt.

Als Folge der Tatsache, daß die Bohrwerkzeuge erfindungsgemäß ohne feste oder direkte Beziehung zur Umdrehung des Bohrrohres frei drehbar sind, werden alle frei drehbaren Bohrwerkzeuge im gleichen Richtungssinn infolge einer Reibungskraft in Umdrehung versetzt, die ihnen erteilt wird, wenn das Bohrrohr zwecks Ausführung des Bohrvorganges angetrieben wird. Das hat zur Folge, daß die Bohrwerkzeuge ein Loch bohren während sie sich um die Achse des Bohrrohres und um ihre eigene Achse drehen, wodurch befriedigende Bohrleistungen erzielbar werden.

Erfindungsgemäß ist demzufolge das Gehäuse einstückig mit einem Körper ausgebildet, in welchem die Bohrwerkzeuge in Lagern gelagert sind. Das Gehäuse ist jedoch in Form getrennter Körper ausgebildet, wobei wenigstens einer dieser Körper die Bohrwerkzeuge derart hält oder aufnimmt, daß sich dieselben frei-drehen können. Die einzelnen Körper sind beispielsweise mit Hilfe von Bolzen miteinander verbunden, wobei sich diese Verbindung jedoch leicht lösen läßt. Im Falle getrennter Körper besteht das Gehäuse aus einem Zentralgehäuse, welches an einem Bohrrohr befestigt ist, sowie aus Gehäusen zur Halterung der Bohrwerkzeuge, wodurch die Versiellbarkeit des Abstandes der Bohrwerkzeuge voneinander verwirklicht worden ist.

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Die Leichtigkeit der Veränderung dieses Abstandes, worin , einer der besonderen Vorteile der erfindungsgemäßen Maschine zu sehen ist, wird dadurch erreicht, daß einstellbare Block- oder Sperrglieder zwischen das Zentralgehäuse und diejenigen Gehäuse einfügbar sind, welche zum Halten der Bohrwerkzeuge dienen. Die Veränderung des Abstandes der Bohrwerkzeuge voneinander sowie die Einstellung des Neigungswinkels der Bohrwerkzeuge kann dadurch erreicht werden, daß die genannten Blockglieder von geeigneter Dicke eingefügt werden, wobei diese Maßnahme die befriedigende Leistung der Maschine nach der Erfindung gewährleistet.

Die von diesen Gehäusen gehaltenen Bohrwerkzeuge besitzen die gleiche untere Oberfläche der Schneidkante. Erfindungsgemäß können die Bohrwerkzeuge jedoch in geeigneter axialversetzter Weise angeordnet sein, um eine Versetzung zwischen der Schneidkantenebene des einen Bohrwerkzeuges im Vergleich zu der eines anderen zu erzielen, wodurch das Leistungsvermögen der Bohrmaschine nach der Erfindung gesteigert wird.

Erfindungsgemäß ist eine ineinandergreifende Einrichtung vorgesehen, um die Umdrehung der frei drehbaren Bohrwerkzeuge in einer ineinandergreifenden Weise zu veranlassen, so daß die Bohrwerkzeuge in die gleiche Richtung gedreht werden können, wobei sie miteinander zusammenwirken, wodurch verhinderbar ist, daß eines oder mehrere der Bohrwerkzeuge infolge des Eindringens von gelösten Erd- und Sandteilchen ihre Rotation einstellen.

Erfindungsgemäß ist auf der äußeren Seitenfläche eines

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jeden der Gehäuse ein besonderes Bohrwerkzeug vorgesehen, mit dessen Hilfe die Wandoberfläche des von den Bohrwerkzeugen in Form eines Blattes gebohrten Loches zu einer im wesentlichen richtigen Zylinderobex'fläche bearbeitet werden kann.

Fex^ner kann erf in dungs gemäß'als die oben genannte ineinandergreifende Einrichtung■ein Zahnradgetriebe oder eine Kette vorgesehen sein, um auf zuverlässige und einfach verstellbare Weise das Ineinandergreifen oder Verbinden der frei drehbaren Bohrwerkzeuge zu erzielen.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindungergeben sich aus der folgenden Besclrpeibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. In dieser zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch eine bekannte Bohrmaschine mit veränderbarem Abstand der Bohrwerkzeuge voneinander,

Fig. 2 einen Vertikalschnitt durch eine Ausführungsform der Bohrmaschine nach der Erfindung entlang der Linie II-II in Fig. 3,

Fig. $ einen Querschnitt durch die in Fig. 2 dargestellte Bohrmaschine entlang der Linie III-III in Fig. 2,

Fig. 4 einen Vertikalschnitt durch eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Bohrmaschine entlang der Linie IV-IV in Fig. 5,

Fig. 5 einen Schnitt durch die in Fig. 4 dargestellte Bohrmaschine entlang der Linie V-V in Fig. 4,

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Fig. 6 eine vergrößerte Darstellung eines Teils von Fig. 4,

Fig. 7 einen Vertikalschnitt durch noch eine weitere Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 8 einen Querschnitt durch die in Fig. 7 dargestellte Ausführungsform entlang der Linie VIII-VIII in Fig. 7,

Fig. 9 ein Schaubild, welches die verschiedenen Kräfte dar stellt, die auf ein frei drehbares Bohrwerkzeug wirken,

Fig.10 ein Schaubild, welches die Beziehung zwischen dem Widerstandsverhältnis und dem Momentenverhältnis bei dem frei drehbaren Bohrwerkzeug darstellt,

Fig.11 ein Schaubild, welches die Bewegung des frei drehbaren Bohrwerkzeuges während des Bohrvorganges darstellt,

Fig.12 ein Schaubild einer anderen Verbindungseinrichtung für die Bohrwerkzeuge und

Fig.1Ja, 13b und 13c Schaubilder, die andere Bohrwerkzeug-Anordnungen darstellen.

Bevor die Bohrmaschine nach der Erfindung im einzelnen beschrieben wird, sei eine bekannte Bohrmaschine kurz erläutert. V/ie Fig. 1 zu entnehmen, ist ein Sonnenrad 2 an einem Bohrrohr 1 so befestigt, daß sich das Sonnenrad gemeinsam nit dem Bohrrohr dreht. Ein Zentralgehäuse' 3 ist drehbar von dem Bohrrohr 1 gehalten. Ein Paar nicht darge-

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stellter Bohrwerkzeuge ist an den einander gegenüberliegenden Seiten des Boh.rroh.res 1 befestigt und drehbar in diesem Zentralgehäuse 3 sowie in den Gehäusen 8 und 9 Gehalten. Planetenräder 6 und 7 sind an den Wellenabschnitten 4 bzw. 5 dieser Bohrwerkzeuge befestigt und kämmen mit den Sonnenrad 2. Die Gehäuse 8 und 9 sind lösbar an den jeweils einander gegenüberliegenden Seitenwandungen des Zentralgehäuses 3 befestigt, wobei Abstandshalter 10 dazwischen eingefügt sind. Planetenräder 13 und 14 sind jeweils an Wellenabschnitten 11 und 12 dieser Bohrwerkzeuge befestigt. Diese Planetenräder 13 und 14 stehen über antriebslose Zwischenräder 15 und 16, die auf geeignete Weise im Zentralgehäuse 3 befestigt sind, in kämmendem Eingriff mit dem Sonnenrad 2. Bei dieser bekannten Bohrmaschine erfolgt die Einstellung des Durchmessers eines zu bohrenden Loches, d.h. die Einstellung des Abstandes P durch Veränderung der Abstandshalter 10 und durch Auswechseln oder Verstellen der Stellung der antriebslosen Zwischenräder 15 und 16.

Wird mit einer Bohrmaschine der beschriebenen Art eine Bohrung ausgeführt, so wird das Bohrrohr 1 in Umdrehungen versetzt, um eine Rotationskraft über das Sonnenrad 2 auf die Bohrwerkzeuge zu übertragen, wobei das Zentralgehäuse 3 mit Hilfe einer RotaUionskraft in Umdrehung versetzt wird, die von einer Antriebsquelle wie einem im Erdboden installierten Elektromotor erzeugt.wird. Aus diesem Grunde drehen sich die Bohrwerkzeuge um die Achse des Bohrrohrs 1 während sie sich um ihre eigene Achse drehen. Wenn sich das Bohrrohr 1 in der durch den Pfeil 17 dargestellten Weise im Uhrzeigersinn dreht, so drehen sich die im Zentralgehäuse 3 gehaltenen Bohrwerkzeugswellen 4 und 5 im Gegen-

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Uhrzeigersinn, wie durch, die Pfeile 18a und 18b veranschaulicht. Die Bohrwerkzeugswellen 11 und 12, die in den Gehäusen 8 und 9 gehalten sind, drehen sich im Uhrzeigersinn, wie durch die Pfeile 19a und 19b veranschaulicht. Demzufolge drehen sich die Bohrwerkzeuge, die von den Werkzeugwellen 11 und 12 getragen werden, in einer Richtung, die der Drehrichtung der Bohrwerkzeuge entgegengesetzt ist, welche von den Werkzeugwellen 4 und· 5 getragen werden. Das führt dazu, daß abgelöste Erd- und Sandteilchen, leicht zwischen benachbarte Bohrwerkzeuge hineingezogen werden, wodurch die Umdrehung der Bohrwerkzeuge um ihre eigene Achse begrenzt wird. Das hat zur Folge, daß sich das Zentralgehäuse 3» die Gehäuse 8 und 9 und die Bohrwerkzeuge in·einheitlicher Weise mit dem Bohrrohr 1 drehen, wodurch die Bohrleistung beträchtlich vermindert wird.

Bei der Bohrmaschine nach der Erfindung ist es jedoch gelungen, diese der bekannten Maschine innewohnenden Nachteile zu vermeiden. Einige bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden im folgenden im einzelnen unter Bezug auf die Figuren 2 bis 13 beschrieben. Wie den eine erste bevorzugte Ausführungsform der Erfindung darstellenden Figuren 2 und 3 zu entnehmen, ist ein Zentralgehäuse 23 fest mit Bolzen am unteren Ende eines Bohrrohres 21 befestigt. Die Gehäuse 28 und 29 sind lösbar an einander gegenüberliegenden Seitenwandungen des Zentralgehäuses 23 befestigt. Dieses Zentralgehäuse 23 besitzt einen Hohlraum und ein zentrales Bohrwerkzeug 27 ist lösbar am unteren Ende des Zentralgehäuses 23 befestigt. Eine öffnung 38 ist in einem unteren Seitenwandungsabschnitt des Zentralgehäuses 23 ausgebildet, so daß der bei dem Bohrvorgang ent-

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fernte Bohrschlamm zur Erdoberfläche durch das Zentralgehäuse 23 und das Bohrrohr 21 abgeführt werden kann.

Das Zentralgehäuse 23 hält drehbare Bohrwerkzeuge;] le:j 24- und 25 an den einander gegenüberlieconden Seiten der Drehachse A des Bohrrohres 21. Diese V/erkzeugwellen oder -spindeln 24- und 25 sind frei drehbar in Lagern Jü und 39 gelagert und in paralleler Ausrichtung nach der Drehachse A des Bohrrohrs 21 angeordnet. Bohrwerkzeuge 3^ und 32 sind jeweils lösbar am unteren Ende der Werkzeug-pindelr: 24- bzw. 25 befestigt. Demzufolge können eich diese Bohrwerkzeuge 31 und 32 unabhängig von der Drehung des Bohrrohrs 21 frei drehen. Jedes dieser Bohrwerkzeuge 3"· und 32 besitzt Schneidkantenoberflächen, die in einer senkrecht zu ihrer Drehachse B liegenden Ebene angeordnet sind. Die Räume 33» die die Werkzeugspindeln 24 und 25 innerhalb des Zentralgehäuses 23 umgeben, sind mit Hilfe von Abdeckgliedern 34- und Dichtungen 35 gegen die Außenwelt abge- ·· dichtet. Diese Räume 33 sind mit Schmieröl gefüllt.

Die Gehäuse 28 und 29 sind unabhängig vom Zentralgehäuse 23 und Werkzeugspindeln 4-1 und 42 (Fig. 3) sind jeweils in ihnen in einer Weise gehalten, die der Halterungsweise der Werkzeugspindeln 24- und 25 gleicht. Diese Verkzeugspindeln 4-1 und 4-2 erstrecken sich nach unten und Bohrwerkzeuge 36 und 37 sind lösbar am unteren Ende dieser V/erkzeugcpindeln 41 bzw. 42 befestigt. Erfindungsgemäß sind diese Gehäuse 28 und 29 fest mittels Bolzen mit dem Zentralgehäuse 23 verbunden, wobei ein einstellbares Sperrglied 40 als Abstandshalter jeweils zwischen jedem dieser Gehäuse und dem Zentral gehäuse eingefügt ist. Außerdem ist jede dieser V/erk-

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λ r* ORIGINAL

_ ΛΛ _

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zeugspindeln 41 und 42 derart angeordnet, daß ihre Eöta-■tionsach.se G parallel zur Rotationsachse A des Bohrrohrs 21 verläuft. Die Schneidkantenoberflächen eines jeden der Bohrwerkzeuge 36 und 37 liegen in einer Ebene, welche senkrecht zur-Rotationsachse A steht, was auch für'die Bohrwerkzeuge 31 und 32 gilt. Dabei sind die Schneidkanten der Bohrwerkzeuge 36 und 37 derart angeordnet, daß sie etwas oberhalb der Schneidkanten der Bohrwerkzeuge 31 und 32 liegen, wie in Fig. 2 dargestellt.' Die Bohrwerkzeuge 36 und 37 besitzen einen Bohrradius, der größer ist als derjenige der Bohrwerkzeuge 31 und 32. Der Abstand P zwischen diesen Bohrwerkzeugen 36 und 37 kann durch Einstellen der Dicke der verstellbaren Abstandsglieder 40 eingestellt werden. Bohrwerkzeuge 43 und 44 zur Bearbeitung der Bohrlochwände können an der äußeren Seitenfläche der Gehäuse 28 und 29 befestigt werden, so daß die Wsndoberflache des von den Bohrwerkzeugen 36 und 37 gebohrten Loches dahingehend bearbeitet werden kann, daß eine im wesentlichen exakte zylindrische Oberfläche erhalten wird.

Wird mit der vorstehend beschriebenen Bohrmaschine gebohrt, so wird das Bohrrohr 21 in Umdrehung versetzt und mit Hilfe einer nicht dargestellten Antriebsquelle nach unten vorgeschoben, ν/ob ei Wasser in das entstehende Bohrloch eingeführt und der durch das Bohren entstandene Schlamm aus der Öffnung 38 im Zentralgehäuse 23 zur Erdoberfläche abgeführt wird, was über das Zentralgehäuse 23 und das Bohrrohr 21 erfolgt. Bei diesem "Vorgang drehen sich die Bohrwerkzeuge 31» 32, und 37 un die Drehachse A des Bohrrohres 21. Da die Schneidkanten der einzelnen bohrwerkzeuge, die sich um die Drehachse A des Bohrrohres 21 drehen, durch Bohrwiderstände been nflußt werden, die an den Innen- und Außenseiten der einzelnen Werkzeuge unterschiedlich sind, was von der radialen·

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ORIGINAL INSPECTED

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Stellung gegenüber der Drehachse 1 des Bohrrohres 21 abhängt, werden noch zusätzlich Rotationskräfte erzeugt, die geeignet sind, eine Drehung der einzelnen Bohrwerkzeuge 31» 32 und 36, 37 um die Drehachsen A bzw. C herbeizuführen.

Der Mechanismus, welcher die Umdrehung der Bohrwerkzeuge um ihre eigene Achse herbeiführt, wird im folgenden unter Bezug auf Fig. 9 im einzelnen erläutert. In Fig. 9 wird davon ausgegangen, daß einem Stab R ein Drehmoment Tj erteilt worden ist, um eine Drehung im Uhrzeigersinn eines Bohrwerkzeuges um einen Punkt 0. herbeizuführen, wobei der Punkt CL der Drehachse A entspricht. Eine auf den Mittelpunkt 0~ des -Bohrwerkzeuges einwirkende Tangentialkraft F ist dann durch die Beziehung F = T-r/r^ gegeben, wobei τ. für den Rotationsradius des Bohrwerkzeuges um den Punkt O_x. steht. Eine das Bohrwerkzeug während des Bohrens beaufschlagende Widerstandskraft sei als Kraft f ausgedrückt, die auf einen Punkt ρ einwirkt. Daraus ergibt sich die V/iderstandskraft, welche der Drehung des Bohrwerkzeuges um den Punkt CL entgegensteht, zu F - f₍ wenn die Umdrehung des Bohrwerkzeuges außer Betracht bleibt, In diesem Fall sind ein Drehmoment Tq., welches die Umdrehung des Bohrwerkzeuges um den Punkt CL hervorruft, ein Drehmoment Tq₂, welches die Umdrehung des Bohrwerkzeuges um seinen Mittelpunkt CL hervorruft und ein Drehmoment T welches in einer Richtung tangential zur Wand des gebohrten Loches als Reaktion auf die Umdrehung des Bohrwerkzeuges um seinen Mittelpunkt O₂ erzeugt wird, durch die folgenden Gleichungen gegeben:

- (F - f) P₁ = (T₁ /τ_Λ - f) P₁ - T₁ - fr

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^T02 - - ^fr2 (2)

= f Cr₁ + T₂) = ϊτ_Λ + It₂

Es ist deutlich, daß für das Momentengleichgewicht die Beziehung Tj = Tq. + T_Q2 + T_Q, gilt. Dieses wird auch durch eine Energiegleichung bestätigt. Das heißt mit anderen Worten, daß.das Drehmoment T₀₂, welches die Umdrehung des Bohrwerkzeuges um seinen Mittelpunkt O₂ verursacht, erzeugt wird, weil die Kraft f infolge des Bohrwiderstandes von Null verschieden ist.

Außerdem wirken- diese Drehmomente Tq., abhängig voneinander.und sind die Summen der Kraft in den jeweiligen Umdrehungsrichtungen unabhängig voneinander. Demzufolge kann der.Absolutwert des zusammengestzten Ausgangsdrehmomentes J TqI ausgedrückt werden als

⁺ IM ⁺ N

I I I -Ί (4)

-T₁₊ 2fr₂

Wird für das Widerstandsverhältnis f/F«x gesetzt und -ist das Radiusverhältnis rp/r.*^, so erhält die Gleichung (4) die Gestalt

2 τ₂/

Wird in der Gleichung 5 für ]f ein Radiusverhältnis von *f= 4/5 eingesetzt, was bei Maschinen der in Rede stehenden Art üblich ist, so wird die in Fig. 10 veranschaulichte

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Beziehung erhalten. Es ergibt sich somit, daß wegen des •Umstandes, daß die Gesamtsumme aller dem Bohrwerkzeug erteilter Einzel-Ausgangsmomente größer ist als das über den Stab E übertragene Drehmoment Tj, dem Stab E nur ein verringertes Lastmoment für den Bohrvorgang durch das Bohrwerkzeug erteilt zu werden braucht und daß die während des Bohrvorganges erforderliche Belastung des Stabes E mit dem Anstieg der Widerstandskraft f verringert wird, wobei diese Widerstandskraft f in einem Punkt angreift, der radial vom Punkte O^ entfernt ist.

Aus den oben erläuterten Gründen drehen sich die einzelnen Bohrwerkzeuge 31, 32, 36 und 37 um die Drehachse A des Bohrrohres· 21 und um ihre eigene Achse, wobei die Drehrichtung dieser Bohrwerkzeuge um ihre eigene Achse der Brehrichtung um die Drehachse A des Bohrrohres 21 entgegengesetzt gerichtet ist. Wird beispielsweise ein Punkt auf dem Bohrwerkzeug 36 herausgegriffen^ so bewegt sich demzufolge dieser Punkt längs einer Kurve T oder, einer Trochoide, wie in Eig. 11 dargestellt, wodurch eine ausgezeichnete Bohrleistung erzielt wird. Das Bohren mit Bohrwerkzeugen, die sich auf einer Trochoide bewegen, führt jedoch zur Ausbildung von blattförmigen Unregelmäßigkeiten 45 auf der Wandoberfläche des gebohrten Loches. Diese blattförmige Unregelmäßigkeit 45 wird mit Hilfe der Bohrwerkzeuge 43 und 44 beseitigt, Vielehe die V/andungen des gebohrten Loches bearbeiten. Diese Bearbeitung führt dazu, daß ein im Querschnitt vollständig kreisförmiges Bohrloch, erzielt v/erden kann.

In den Figuren 4 und 5 ist eine andere Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Bei dieser Ausfülirungsfona sind Bohr-

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werkzeuge 51 und 52 iu einem Zentralgehäuse 53 gehalten, wobei ihre Drehachsen B parallel zur Drehachse A des Bohrrohres 21 ausgerichtet sind und die Bohrwerkzeuge ■51 und 52 einen großen Bohrradius besitzen. Gehäuse 48 und 49 sind am Zentral gehäuse 53 mit Hilfe von einstellbaren Abstandsgliedern 50 befestigt, wie bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform. Wie aus Fig. 4 zu ersehen, ist die Drehachse G eines jeden der anderen Bohrwerkzeuge 56 und 57» die in den Gehäusen 48 bzw. 49 gehalten sind, leicht nach innen in Richtung auf die Bohrrichtung um einen Winkel θ gegenüber der Drehachse A des Bohrrohres 21 geneigt. Der Bohrradius dieser Bohrwerkzeuge 56 und 57 ist kleiner als derjenige der Bohrwerkzeuge 51¹JJfId 52. Ein zentrales Bohrwerkzeug 27 ist oberhalb der Bohrwerkzeuge 51, 52, 56 und 57 angeordnet und Wandbearbeitungsbohrwerkzeuge 58 und 59 sind an den Außenseiten des Zentralgehäuses

53 zu beiden Seiten des Bohrrohres 21 befestigt.

Die in den Figuren 4 und 5 dargestellte Ausführungsform der Erfindung stimmt im wesentlichen mit der in den Figuren 2 und 3 dargestellten Ausführungsform mit der Ausnahme überein, daß die vorstehend erwähnten Unterschiede vorhanden sind. In gleicher Weise sind die Werkzeugspindeln

54 und 55» welche die Bohrwerkzeuge 51 t>zw. 52 tragen, im Zentralgehäuse 53 gehalten. Die Gehäuse 48 und 49 sind mit Hilfe einstellbarer Abstandsglieder 50 an den einander gegenüberliegenden Seitenflächen des Zentralgehäuses 53 befestigt und die Längsachse eines jeden dieser Gehäuse 48 und ⁷-l9 ist leicht nach innen in Richtung auf die Bohrrichtung um einen kleinen Winkel geneigt, wie ofen beschrieben. Das zentrale Bohrwerkzeug 27 ist am unteren Ende des Zentralcchäuses 53 befestigt.

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Bei dieser zweiten Ausführungsform bohren die Bohrwerkzeuge 51? 52, 56 und 57 ei*¹ Loch, während sie sich um die Drehachse 1 des Bohrrohres 21 und um ihre eigenen Achsen drehen, wie auch "bei der ersten Ausführungsform, wenn das Bohrrohr 21 in Umdrehungen versetzt und vorwärts bewegt wird. Das hat zur Folge, daß die Schneidkanten eines Jeden Bohrwerkzeuges eine Trochoidenbahn beschreiben. Wie insbesondere Figur 6 zu entnehmen, führen die geneigten Bohrwerkzeuge 56 und 57 dieser zweiten Ausführungsform den Bohrvorgang aus, wobei sie die Oberfläche D des Bohrloches ausbilden. Da diese Bohrwerkzeuge 56 und 57 jedoch um den Winkel θ gegenüber der Drehachse A des Bohrrohres 21 geneigt sind, üben die äußeren peripheren Oberflächenabschnitte 56A und 57A der Bohrwerkzeuge 56 bzw. 57 keine nennenswerte Bohrwirkung auf die Oberfläche D der Bohrung aus. Wie Figur 6 zu entnehmen, wird an einer Seite G nahe der Wandungsoberfläche E des gebohrten Loches der Bohrwiderstand der auf die Bohrwerkzeuge 56 und 57 ausgeübt wird, infolge der Neigung an ihrer äußeren Seite vergrößert. Infolge dieses vergrößerten Bohrwiderstandes, der an der Seite G wirksam wird, wird eine vergrößerte Rotationskraft auf die Bohrwerkzeuge 56 und 57 ausgeübt, wobei diese Rotationskraft größer ist als wenn keinerlei Neigung vorgesehen wäre. Infolge ihres Eingreifens in die Wandungsoberfläche E des gebohrten Loches wird eine große Rotationskraft auch auf die anderen Bohrwerkzeuge 51 und 52 ausgeübt. Demzufolge führt die bei der in Rede stehenden Ausführungsform vorgesehene Anordnung zu einer gesteigerten Bohrleistung. Der Neigungswinkel kann durch Auswechseln des einstellbaren Abstandsgiiedes in geeigneter Weise eingestellt werden, was von der Bodenbeschaffenheit an derjenigen Stelle abhängt, an welcher die Bohrung niedergebracht wird.

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In den Figuren 7 und 8 ist noch eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Wie den Figuren 7 und 8 zu entnehmen, ist ein hohles Zentralgehäuse 63 vorgesehen, welches in seinen einander gegenüberliegenden Seitenwandungen mit Öffnungen W versehen ist und mit seinem oberen Ende mit Hilfe eines hohlen Verbindungsgliedes 60 an einem Bohrrohr 21 befestigt ist. Ein zylindrisches Glied 61 ist innerhalb dieses Zentralgehäuses 63 derart angeordnet, daß seine Zentralachse mit der Drehachse A des Bohrrohres 21 zusammenfällt. Dieses zylindrische Glied 61 ist an seinem unteren Ende von einem unteren Endabschnitt des Zentralgehäuses 63 gehaltaoj , während das obere Ende dieses Gliedes von dem Verbindungsglied 60 gehalten wird. Durch eine öffnung am unteren Ende des Zentralgehäuses 63 wird Bohrschlamm über das zylindrische Glied 61, das Verbindungsglied 60 und das Bohrrohr 21 zur Erdoberfläche gefördert. Eine Nabe 62A ist mit ihren gegenüberliegenden Enden in Lagern 63a und 63b im Gehäuse gelagert. Die Nabe 62a ist mit einem Zahnrad 62 versehen, welches drehbar innerhalb des Zentralgehäuses 63 gelagert ist, wobei es koaxial mit der Drehachse A des Bohrrohres 21 angeordnet ist. Die Nabe 62A kann sich um das zylindrische Glied 61 drehen. Zahnräder 66 und 67 sind auf entsprechende Werkzeugspindeln 64- und 65 aufgekeilt, die innerhalb des Zentralgehäuses 63 gehalten sind. Diese Zahnräder 66 und 67 stehen nicht in direktem Zahneingriff mit dem Zentralzahnrad 62. Antriebslose ZwischenZahnräder 68 und 69 sind gleichfalls im Zentralgehäuse 63 vorgesehen, wie Figur 8 zu entnehmen. Mit ihrer Hilfe können die betreffenden Zahnräder 66 und 67 ' mit dem Zentralzahnrad 62 in Eingriff gebracht werden. Die antriebslosen Zwischenräder 68 und 69 sind in ortsfester Lage gehalten. Gehäuse 78 und 79 sind mit öffnungen W¹ ver-

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sehen, die den Öffnungen W gegenüberliegen. Diese Öffnungen V/¹ sind in den Seitenwandungen vorgesehen, mit welchen die Gehäuse 78 und 79 mit dem Zentralgehäuse 63 verbunden sind. Zahnräder 81 und 82 sind auf Werkzeugspindein 91 und 92 ausgebildet, die in den Gehäusen 79 bzw. 78 gehalten, sind. Diese Zahnräder 81 und 82 sind innerhalb der betreffenden Öffnungen V/¹' angeordnet. Diese Zahnräder 81 und 82 stehen nicht in direktem Zahneingriff mit dem Zentralzahnrad 62, sondern werden mit Hilfe von antriebslosen Zvjischenzahnrädern 83 und 84, die innerhalb des Zentralgehäuses 63 vorgesehen and, wie Figur 8 zu entnehmen, mit .dem Zentral zahnrad 62 in Zahneingriff gebracht. Diese antriebslosen Zwischenräder 83 und 84 sind derart angeordnet, daß sie innerhalb des Zentralgehäuses 63 mit dem Zentralzahnrad 62 und dem Zahnrad 81 oder 82 in Eingriff bringbar sind. Dabei wird der günstigste Zahneingriff mit Hilfe von einstellbaren Abstandshaltern erzielt, die in geeigneter V/eise zwischen den Gehäusen 78· und 79 und dem Zentralgehäuse 63 eingefügt sind, um den Abstand der Bohrwerkzeuge voneinander zu verändern.

Bei dieser dritten Ausführungsform sind die Bohrwerkzeuge 76 und 77 so angeordnet, daß Bohrungen mit großen Badien ermöglicht sind, während andere Bohrwerkzeuge 71 und 72 für einen Bohrungsbereich mit kleinem Eadius derart angeordnet sind, daß ihre Schneidkanten unterhalb denjenigen der Bohrwerkzeuge 76 und 77 liegen. Außerdem sind die Verkzeugspindeln aller dieser Bohrwerkzeuge 71, 72, 76 und 77 parallel zur Drehachse A des Bohrrohres 21 . ausgerichtet und ist ein Zentralbohrwerkzeug 87 sm weitesten oben vorgesehen. Diese axiale Versetzung der Bohrwerkzeuge führt zu einem spürbaren Unterschied Im Bohrwider— stand, was zu einer vergrößerten Eotationskraft um die ei-

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gene Aclise eines jeden Bohrwerkzeuges führt. Wie auch, bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen wird Schmieröl in. alle Gehäuse eingefüllt. Abdeckteile 74, welche die Gehäuse 78 und 79 abdecken, sind mit zahlreichen Perforationen 73 versehen, wie Figur 7 zu entnehmen. Außerdem ist ein Diaphragma 75 zwischen jedes der Gehäuse 78, 79 und die zugehörigen Abdeckteile 74- eingeschoben, um eine fluiddichte Abdichtung zu bilden. Diese Diaphragmen 75 werden deformiert, um den Druckunterschied zwisehen dem Innendruck und dem Außendruck während des Bohrvorganges zu kompensieren.

Bei der oben beschriebenen dritten Ausführungsform der Erfindung sind die frei drehbaren Bohrwerkzeuge 7% 72, 76 und 77 untereinander mit Hilfe einer Zahnradanordnung verbunden, so daß sie sich gleichsinnig drehen können. Demzufolge werden während des Bohrvorganges Kräfte, die dazu geeignet sind, eine Umdrehung der Bohrwerkzeuge 71» 72, 76 und 77 um ihre eigene Achse zu erzeuge^ von einem Werkzeug auf das andere übertragen, wodurch eine Rotation dieser Bohrwerkzeuge um ihre eigene Achse hervorgerufen wird. Es ist demzufolge möglich, das unerwünschte Einschleppen von Bohrklein oder Erdreich und Sand zwischen einige der einzelnen Bohrwerkzeuge zu verhindern, was dazu führen würde, daß die Umdrehung der Bohrwerkzeuge um ihre eigene Achse behindert wird.

Die in den Figuren.7 und 8 dargestellte Getriebeanordnung ist derart ausgebildet, daß eine Veränderung des Abstandes der Bohrwerkzeuge voneinander möglich ist und daß die Umdrehung aller Bohrwerkzeuge in der gleichen Richtung hervorgerufen werden kann. Ist jedoch eine derartige Veränderung des Abstanden der Bohrwerkszeuge voneinander nich erforder-

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lieh, so 'Verstellt sich, daß die antriebslosen Zwisclienräder 68, 69, 83 und 84 weggelassen werden können und daß die Räder 66, 67, 81 und 82 derart angeordnet werden können, daß sie in direktem Eingriff mit dem Zentralzahnrad 62 stellen, wodurch die Bauweise der Bohrmaschine vereinfacht wird.

Eine weitere Möglichkeit zur Verbindung der einzelnen Bohrwerkzeuge 71, 72, 76 und 77 ist in Figur 12 dargestellt. Wie Figur 12 zeigt, ist eine endlose Kette c anstelle der Zahnradanordnung vorgesehen. Kettenräder 95, 96, 97 und 98 sind an den Werkzeugspindeln 91, 92, * 64 und 65 befestigt, welche die Bohrwerkzeuge 7^» 72, 76 und 77 tragen, wobei die endlose Kette c um diese Kettenräder herumgeführt ist. Ein Paar Spannrollen oder Spannräder 99 und 100 ist in der Nähe der Ortslage der jeweiligen Gehäuse 78 und 79 angeordnet, um die Veränderung des Abstandes der Bohrwerkzeuge voneinander mit Hilfe der Abstandshalter zu gestatten, welche zwischen dem Zentralgehäuse 63 und den Gehäusen 78 und 79 vorgesehen sind. Die in Figur 12 dargestellte Anordnung wirkt sich auch dahingehend aus, daß die Bohrwerkzeuge 7"I₅ 72, 76 und 77 in einer ineinander verschränkten Weise in die gleiche Richtung um ihre eigene Achse gedreht werden können, wodurch die Zuverlässigkeit des Aufrechterhaltens der angestrebten Bohrleistung aufrechterhalten werden kann, wie bei der mit der GetriebeanOrdnung versehenen Ausführungsform,

Die Figuren 1Ja, 13b und 13c zeigen andere bevorzugte Werkzeuganordnungen nach der Erfindung. Aus den Figuren 13a bis 13c ist ersichtlich, daß eine Vielzahl von Bohrwerkzeugen in der dargestellten Weise vorteilhaft angeordnet werden 'können.

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Es versteht sich von. selbst, daß die Erfindung nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt ist, da diese lediglich zur Erläuterung der
Erfindung dienen. Innerhalb des Erfindungsgedankens sind dem Fachmann mannigfaltige Abwandlungen und Abänderungen möglich.

Sämtliche aus der Beschreibung, der Zeichnung und den
Ansprüchen hervorgehenden Merkmale und Vorteile der Erfindung, einschließlich konstruktive Einzelheiten, räumliche Anordnungen und Verfahrensschritten können sowohl
für sich als auch in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.

Bei den vorstehend genannten Bohrwerkzeugen handelt es
sich in erster Linie um Bohrmeißel. Es können jedoch auch andere geeignete Bohrwerkzeuge verwendet werden.

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Claims (10)

2U9108 Patentansprüche

1. Bohrmaschine mit einer Vielzahl von Bohrwerkzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrwerkzeuge (31,32,36,37,51,52,56,57,7"i,72,76,7?) der-

- art in einem an einem Bohrrohr (21) befestigten Gehäuse (23,28i?9";53,48,49;63,78,79) gehalten sind, daß die Achsen (B,G) dieser Bohrv;erkzeu£e im wesentlichen parallel zur Achse (A) des Bohrrohrs verlaufen und

• die Bohrwerkzeuge unabhängig von der Drehung deo Bohrrohrs frei um ihre eigene Achse (B₁G) drehbar sind.

2. Bohrmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse aus einem am Bohrrohr (21) befestigten Zentralgehäuse (23,53,63) und aus Nebengehäusen (28,29;48,49;78,79) zum Halten der Bohrwerkzeuge besteht, wobei die Nebengehäuse lösbar am Zentralgehäuse befestigt sind.

3. Bohrmaschine nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzei.ch.net, daß ein Abstandshalter (40,50) von geeigneter Dicke einstellbar derart zwischen dem Zentralgehäuse (23,53,63) und den Nebengehausen (28,29;48,49;78,79) eingefügt ist, daß der Abstand (P) zwischen den Bohrwerkzeugen einstellbar ist.

4.'Bohrmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen (C) einiger Bohr-

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~^CJ~ 2M9108

' werkzeuge (56,57) leicht nach innen in Bohrrichtung gegenüber der Drehachse (A) des Bohrrohres (21) geneigt, sind.

5· Bohrmaschine nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schneidkantenflächen einiger Bohrwerkzeuge in axialer Richtung gegeneinander versetzt angeordnet sind.

6. Bohrmaschine nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn zeichn et, daß am Gehäuse (28,29;53) an seiner äußeren Seite ein Wandbearbeitungswerkzeug (43,44,58,59) vorgesehen ist.

7. Bohrmaschine nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis

6, dadurch gekenn zeichnet, daß das Bohrrohr (21) und das mit dem Bohrrohr verbundene Zentralgehäuse (23,53,63) hohl ausgebildet sind, und daß im unteren Ende des Zentralgehäuses eine Öffnung (38) vorgesehen ist.

8. Bohrmaschine nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis

7, dadurch gekenn zeichnet, daß eine Verbindungseinrichtung (62,66 bis 69; 81 bis 84; c) vorgesehen ist, mit deren Hilfe die Vielzahl von Bohrwerkzeugen (31,32,36,37,51,52,56,57,71,72,76,77) um ihre eigene Achse (B,C) in untereinander verbundener V/eise drehbar ist,

9- Bohrmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungseinrichtung eine Zahnradanordnung (62,66 bis 69: 81 bis 84) aufweist.

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10. Bohrmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungseinrichtung eine Kette (c) ,aufweist.

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