DE2606004A1 - Gesteinsbohrwerkzeug - Google Patents
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Description
SKF KUGELLAGERFABRIKEN GMBH
Schweinfurt, 1976-02-10 NL 75 005 DT FR-gw
Die Erfindung betrifft ein Gesteinsbohrwerkzeug, insbesondere zum Bohren nach Energiequellen in der Erdkruste, mit
einem Bohrkörper, der mit einem Bohrgestänge verbindbar ist, und an dem mehrere mittels Wälzlagerelemente drehbar gelagerte
Schneidkegel befestigt sind, die jeweils einen zentralen Zapfen aufweisen, in dessen Bereich die Wälzlagerelemente
angeordnet sind.
Die lange Zeit vertretene Ansicht, die Lebensdauer der einzelnen Schneidkegel sei der bestimmende Faktor für die
relativ kurze Standzeit derartiger Bohrwerkzeuge, ist
mittlerweile überholt. Seit der Einführung von mit Hartmetallplättchen
bestückten Schneidkegeln hat sich gezeigt, dass die Standzeit nunmehr durch ein Versagen der hierfür
verwendeten Lageranordnungen bestimmt wird.
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ORIGINAL INSPECTOR
SKF KUGELLAGERFABRIKEN GMBH
Ein grosser Fortschritt in der Ausbildung derartiger Lager wurde durch den Einsatz von Wälzlagern erzielt. So sind
bereits eine Reihe von Lagerkonstruktionen vorgeschlagen worden, bei denen die einzelnen Schneidkegel mittels Wälzlager
gelagert sind. Beispielsweise ist in der US-PS 3.307,645 ein Gesteinsbohrwerkzeug der eingangs beschriebenen
Art gezeigt, bei dem die einzelnen Schneidkegel z.B. mittels einem einreihigen Zylinder- und einem einreihigen
Kegelrollenlager direkt im Bohrkörper gelagert sind. Da jedoch Gesteinsbohrwerkzeuge einer sehr hohen Belastung
ausgesetzt sind, bleibt es nicht aus, dass diese Werkzeuge trotz einer verbesserten Lagerung der Schneidkegel nach wie
vor eine relativ kurze Standzeit haben. Dies bedeutet, dass die Schneidkegel relativ oft ausgewechselt werden müssen,
wozu sich die bekannte Konstruktion jedoch weniger eignet, da die Aussenringe der hierbei verwendeten Wälzlager unmittelbar
in den Bohrkörper eingesetzt werden müssen. Hinzu kommt, dass das hier verwendete Abdichtungselement, welches
den Endabschnitt des Schneidkegels gegenüber dem Bohrkörper abdichtet, unmittelbar in der Arbeitszone des Bohrwerkzeugs
angeordnet ist. Diese Umstand kann jedoch leicht zu dessen Zerstörung führen.
Ferner ist ein Gesteinsbohrwerkzeug bekannt (US-PS 3.550.972), bei dem die einzelnen Schneidkegel keinen einstückig mit
diesem ausgebildeten zentralen Zapfen, sondern einen in den Schneidkegel eingesetzten zentralen Zapfen zur Aufnahme der
Wälzlager haben. Bei dieser Konstruktion sind die einzelnen Schneidkegel mit Hilfe dieser Zapfen an den jeweiligen Armen
des Bohrkörpers befestigt. Gegenüber dem eingangs beschriebenen Typ eines Bohrwerkzeuges, ist es bei dieser Konstruktion
besonders nachteilig, dass der zentrale Zapfen nicht einstückig mit dem Schneidkegel ausgebildet ist. Gerade der
letzte Umstand verleiht dem Schneidkegel vorteilhaft eine hohe Steifigkeit.
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26Q60IH
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein kostengünstiges Gesteinsbohrwerkzeug der eingangs geschilderten Art zu
schaffen, bei dem die einzelnen Schneidkegel getrennt vom Bohrkörper vollkommen vormontiert werden können, so dass
sich diese in einfacher Weise an dem Bohrkörper befestigen bzw. wieder abnehmen lassen, wobei die Schneidkegel eine
hohe Betriebssicherheit aufweisen sollen, insbesondere hinsichtlich ihrer Schmierung und somit ihrer Abdichtung gegenüber
äusseren Schadstoffen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass jeder Schneidkegel zusammen mit den Wälzlagerelementen eine
selbständige geschlossene Einheit bildet, die mit dem Bohrkörper durch mindestens ein Befestigungsglied lösbar verbunden
ist, das in den Bohrkörper und in eines der Wälzlagerelemente eingreift.
Eine besonders kompakte Bauweise der Schneidkegel wird erzielt, wenn in weiterer Ausgestaltung der Erfindung diese
einen Art Ringkanal aufweisen, der durch den zentralen Zapfen und durch einen Mantelabschnitt des Schneidkegels
begrenzt ist, und dass in diesem Ringkanal die Wälzlagerelemente angeordnet sind, die aus einem einstückigen Aussenring
und einem mehrteiligen Innenring mit zwischen diesen mehrreihig angeordneten Wälzkörpern bestehen.
Für eine einfache, jedoch betriebssichere Befestigung der Schneidkegel an dem Bohrkörper ist in weiterer Ausgestaltung
der Erfindung vorgesehen, dass das Befestigungsglied ein Schraubelement ist, das in dem Bohrkörper gehalten und in
den Aussenring geschraubt ist. Gemäss einem weiteren Merkmal der Erfindung, hat der Aussenring eine Ausnehmung, in die
ein entsprechend ausgebildeter Ansatz am Bohrkörper - oder umgekehrt - eingreift. Durch diese Massnahme wird vorteil-
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haft erreicht, dass jede Schneidkegeleinheit immer in einer bestimmten Lage zum Bohrkörper an diesem befestigt wird.
Nach weiteren Merkmalen der vorliegenden Erfindung hinsichtlich einer günstigen Abdichtung der Wälzlagerelemente und
somit auch deren Schmierung ist vorgesehen, dass zwischen dem Aussenring und dem Mantelabschnitt des Schneidkegels ein
relativ langer Ringspalt als eine Art Labyrinthdichtung vorgesehen ist, der mindestens in einem seiner Endbereiche
durch ein Dichtglied, wie ein Rundschnurring, abgedichtet ist. Ferner, dass ein Teil des Ringkanals als Schmiermittelvorratsraum
dient. Und schliesslich, dass im Bereich des freien Endes des zentralen Zapfens ein membranartiges Element
vorgesehen ist, das den Raum zwischen dem Aussen- und Innenring vollkommen abschliesst. Da bei derartigen Bohrwerkzeugen
im Betriebszustand hohe Temperaturen auftreten, wird durch das membranartige Element vorteilhaft erreicht,
dass sich das Schmiermittel ausdehnen kann, ohne aus der Schneidkegeleinheit auszutreten.
Weitere Einzelheiten und Vorteile sind nachstehend anhand zweier in der Zeichnung schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert:
Es zeigen:
Fig. l einen Axialschnitt durch eine erste Ausführungsform einer Schneidkegeleinheit, die zusammen mit
einem Arm des Bohrkörpers dargestellt ist und
Fig. 2 einen Axialschnitt durch eine zweite Ausführungsform einer Schneidkegeleinheit.
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In Fig. 1 ist eine erste Ausflihrungsform eines Gesteinsbohrwerkzeugs gezeigt, das einen Bohrkörper 2 hat, von
welchem ein Teil dargestellt ist. Der Bohrkörper 2 besitzt einen hülsenförmigen Ansatz 3 mit einem genormten Aussengewinde
4, der einen Kanal 5 begrenzt, in welchen Bohrungen 6 (in der Zeichnung ist nur eine zu sehen) münden. Mit dem
Ansatz 3 kann der Bohrkörper mit einem nicht dargestellten Bohrgestänge verbunden werden. Im Betriebszustand wird dem
Bohrwerkzeug über den Kanal 5 unter Druck eine Spülflüssigkeit zugeführt, die dann über die Bohrungen 6 in den Bohrbereich
gelangt.
Der Bohrkörper 2 besitzt ferner mehrere Arme 7 (normalerweise drei), die in einem gleichen Abstand zueinander angeordnet
sind, wobei der Raum zwischen den Armen 7 aus Montagegründen genügend gross gewählt werden muss. Am freien
Ende jedes Armes 7 ist eine Schneidkegeleinheit 8 befestigt, die im wesentlichen aus einem Schneidkegel 9 und Wälzlagerelementen
in der Form eines einstückigen Aussenrings 10 und eines mehrteiligen Innenrings 11 mit zwischen diesen zweireihig
angeordneten Wälzkörpern (hier Kugeln12) bestehen. Der Schneidkegel 9, der mit Hartmetalleinsätzen ausgestattet
ist, hat einen einstückig ausgebildeten zentralen Zapfen 13, der zusammen mit einem Mantelabschnitt 14 des Schneidkegels
einen Art Ringkanal 15 begrenzt, in dem die Wälzlagerelernente
10 bis 12, die ein zweireihiges Schrägkugellager darstellen, angeordnet sind.
Die Anordnung der Wälzlagerelemente 10 bis 12 ist dabei derart, dass zwischen dem Aussenring 10 und dem Mantelabschnitt
14 des Schneidkegels 9 ein relativ langer Ringspalt 16 verbleibt, der als eine Art Labyrinthdichtung dient und
in seinen beiden Endbereichen durch je ein Dichtungsglied 17, hier Rundschnurringe, abgedichtet ist. Als Dichtungs-
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glied 17 können jedoch verschiedene Arten von Dichtungen verwendet werden: z.B. lippen- oder bürstenförmige Dichtungen,
spiralförmig ausgebildete Dichtnuten, oder die übergänge in den Endbereichen können verengt ausgebildet
werden. Ein derartig ausgebildeter Dichtspalt verhindert einerseits ein Herauslaufen des Schmiermittels und andererseits
ein Eindringen der Spülflüssigkeit. Die Anordnung der Wälzlagerelemente 10 bis 12 ist ferner derart, dass im
Grund des Ringkanals 15 ein Schmiermittelvorratsraum 18 verbleibt.
Der Innenring 11 ist auf dem zentralen Zapfen 13 gesteckt und mittels einer Scheibe 19 axial gesichert. Die Scheibe
ist hierzu mittels Schrauben 20 an der Stirnseite des zentralen Zapfens 13 angeschraubt, wobei die Schrauben 20 untereinander
wiederum durch einen Draht 21 in bekannter Weise gegen ein sich Lösen gesichert sind.
Zur Befestigung der Schneidkegeleinheit 8 am Arm 7 dient ein mit einem Gewindeabschnitt 22 versehenes ringförmiges Schraubelement
23, das einerseits mit einem Flansch 24 auf einem in einer Bohrung im Arm 7 vorgesehenen Ansatz 25 aufliegt und
das andererseits mit seinem Gewindeabschnitt 22 in ein korrespondierendes Gewinde im Aussenring 10 geschraubt ist. Das
Schraubelement 23, welches mittels eines SpezialWerkzeuges, das in Ausnehmungen im Schraubelement eingreift, eingeschraubt
wird, ist mittels eines nicht dargestellten Gewindestifts gegen ein sich Lösen gesichert. Um die Schneidkegeleinheit
8 genau gegenüber dem Arm 7 zu fixieren, so dass eine gleichmässige Breite des Dichtspaltes 16 gewährleistet
ist, hat der Aussenring 10 eine Ausnehmung in der Form einer Ringnut 26, in die ein entsprechend ausgebildeter
ringförmiger Ansatz 27 am Arm 7 eingreift. Selbstverständlich kann diese Verbindung auch umgekehrt angeordnet sein.
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Der offene Raum zwischen dem Aussen- und Innenring 10, 11
ist durch ein in die Bohrung des Schraubelements 23 eingesetztes membranartiges Element 28 vollkommen abgeschlossen.
Dieses Element 28 bewirkt, dass einerseits keine Spülflüssigkeit in das Innere der Schneidkegeleinheit 8 eintreten und
andererseits, dass kein Schmiermittel aus diesem austreten kann. Ferner bewirkt dieses Element 28 durch seine Flexibilität,
dass sich das Schmiermittel aufgrund der hohen Betriebstemperaturen beim Bohren ausdehnen kann, ohne verloren
zu gehen.
In Fig. 2 ist eine zweite Ausführungsform einer Schneidkegeleinheit
gezeigt, die sich gegenüber der nach Fig. 1 dadurch unterscheidet, dass zur Lagerung des Schneidkegels
anders ausgebildete Wälzlagerelemente verwendet sind und durch eine andere Befestigungsart. Ferner ist hier nur ein
Dichtungsglied 17 verwendet.
Die hier verwendeten Wälzlagerelemente bestehen aus einem einstückig ausgebildeten Aussenring 29 und zwei getrennt
voneinander angeordneten Innenringen 30, 31. Zwischen dem Aussenring 29 und den Innenringen 30, 31 sind Kegelrollen
derart angeordnet, dass das gesamte Lager eine Art zweireihiges Kegelrollenlager darstellt. In diesem Zusammenhang
sei erwähnt, dass auch andere Wälzlagertypen möglich sind.
Der zentrale Zapfen, bezeichnet mit 13', der auch separat
bearbeitet und danach an dem Schneidkegel angeschweisst werden kann (in Fig. 2 angedeutet), ist an seinem Endabschnitt
mit einem Gewinde versehen, auf dem der Innenring geschraubt ist. Durch diese Schraubverbindung wird gleichzeitig
die für derartige Lager erforderliche axiale Vorspannung erreicht. Als Schraubelemente zum Befestigen des
Aussenrings 29 am Arm 7 sind hier Zylinderschrauben 33 (in
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Fig. 2 ist nur eine zu sehen) vorgesehen. Ferner ist das membranartige Element 28 hier im Aussenring 29 eingesetzt.
Bei dieser Ausführung wird die von dem Innenraum der Schneidkegeleinheit 8 abgewandte Seite des Elements 28
aufgrund eines im Arm 7 vorgesehen Kanals 34 mit dem im Bohrgestänge herrschenden Spulflussxgkeitsdruck beaufschlagt.
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Claims (8)
1. Gesteinsbohrwerkzeug, insbesondere zum Bohren nach Energiequellen in der Erdkruste, mit einem Bohrkörper,
der mit einem Bohrgestänge verbindbar ist, und an dem mehrere mittels Wälzlagerelemente drehbar gelagerte
Schneidkegel befestigt sind, die jeweils einen zentralen Zapfen aufweisen, in dessen Bereich die Wälzlagerelemente
angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Schneidkegel (9) zusammen mit den Wälzlagerelementen
(10 bis 12, 29 bis 32) eine selbständige geschlossene Einheit (8) bildet, die mit dem Bohrkörper
(2) durch mindestens ein Befestigungsglied (23, 33) lösbar verbunden ist, das in den Bohrkörper (2) und in
eines der Wälzlagerelemente (10, 29) eingreift.
2. Gesteinsbohrwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schneidkegel (9) einen Art Ringkanal
(15) aufweist, der durch den zentralen Zapfen (13) und durch einen Mantelabschnitt (14) des Schneidkegels (9)
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begrenzt ist, und dass in diesem Ringkanal (15) die Wälzlagerelemente angeordnet sind, die aus einem einstückigen
Aussenring (10, 29) und einem mehrteiligen Innenring (11, 30, 31) mit zwischen diesen mehrreihig
angeordneten Wälzkörpern (12, 32) bestehen.
3. Gesteinsbohrwerkzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
dass das Befestigungsglied ein Schraubelement (23, 33) ist, das in dem Bohrkörper (2) gehalten und in
den Aussenring (10, 29) geschraubt ist.
4. Gesteinsbohrwerkzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Aussenring (10) eine Ausnehmung (26)
hat, in die ein entsprechend ausgebildeter Ansatz (27) am Bohrkörper (2) -oder umgekehrt - eingreift.
5. Gesteinsbohrwerkzeug nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Aussenring (10, 29)
und dem Mantelabschnitt (14) des Schneidkegels (9) ein relativ langer Ringspalt (16) als eine Art Labyrinthdichtung
vorgesehen ist, der mindestens in einem seiner Endbereiche durch ein Dichtungsglied (17), wie ein
Rundschnurring, abgedichtet ist.
6. Gesteinsbohrwerkzeug nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des Ringkanals (15) als Schmiermitte
lvorratsraum (18) dient.
7. Gesteinsbohrwerkzeug nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des freien
Endes des zentralen Zapfens (13, 13') ein membranartiges Element (28) vorgesehen ist, das den Raum zwischen dem
Aussenring (10, 29) und Innenring (11, 31) vollkommen abschliesst.
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8. Gesteinsbohrwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zentrale Zapfen (13')
an dem Schneidkegel (9) angeschweisst ist.
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