DE2606004B2 - Gesteinsbohrwerkzeug - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Gesteinsbohrwerkzeog, insbesondere zum Tiefbohren mit Spülflüssigkeiten, aus einem mit mehreren Armen versehenen Bohrkörper, an denen jeweils eine Schneideinheit befestigbar in, welche aus einem Schneidkegel, einem im Inneren dieses Schneidkegels mit Abstand angeordneten zentralen Zapfen und einer in dem zwischen Schneidkegel und zentralen Zapfen gebildeten Ringkanal vorgesehenen mehrreihigen Walzlagerung besteht, die einen einteiligen Außenring und einen mehrteiligen Innenring aufweist

Die lange Zeit vertretene Ansicht die Lebensdauer der einzeinen-Schneidkegel sei der bestimmende Faktor für die relativ kurze Standzeit derartiger Bohrwerkzeuge, ist mittlerweile überholt Seit der Einführung von mit Hartmetaliplattchen bestückten Schneidkegeln hat sich gezeigt, daß die Standzeit nunmehr durch ein Versagen der hierfür verwendeten Lageranordnungen bestimmt wird

Ein großer Fortschritt in der Ausbildung derartiger Lager wurde durch den Einsatz von Wälzlagern erzielt So sind bereit» eine Reihe von Lagerkonstruktionen vorgeschlagen worden, bei denen die einzelnen Schneidkegel mittels Walzlager gelagert sind. Beispiel«' weise ist in der US-PS 33 07 645 ein Gesteinsbohrwerkzeug gezeigt, bei dem die einzelnen Schneidkegel 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 Schneidkege'i relativ oft

in 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

ü den Endabschnitt des Schneidkegels gegenüber dem bohrkörper abdichtet unmittelbar in der Arbeitszone des Bohrwerkzeugs angeordnet ist Dieser Umstand kann jedoch leicht zu dessen Zerstörung führen.

Ferner ist ein Gesteinsbohrwerkzeug bekannt

(US-PS 35 50 972), bei dem die einzelnen Schneidkegel keinen einstückig mit diesem ausgebildeten zentralen Zapfen, sondern einen in den Schneidkegei eingesetzten zentralen Zapfen zur Aufnahme der Wälzlager haben. Bei dieser Konstruktion sind die einzelnen Schneidkegel mit Hilfe des Zapfens am jeweiligen Arm des Bohrkörpers befestigt Gegenüber dem eingangs beschriebenen Typ eines Bohrwerkzeugs, ist es bei dieser Konstruktion besonders nachteilig, daß der zentrale Zapfen nicht einstückig mit dem Schneidkegel

jo ausgebildet ist Gerade der letzte Umstand verleiht dem Schneidkegel vorteilhaft eine hohe Steifigkeit

Zum Stand der Technik gehört auch ein Gesteinsbohrwerkzeug mit Schneidkegeln, bei dem jeder Schneidkegel über einen mit diesem einstückig verbundenen axial vorstehenden, mit Wälzlagern versehenen Zapfen am Bohrkörper befestigt ist (US-PS 29 15 291). Dieses andere bekannte Gesteinswerkzeug hat den Nachteil, daß am axial vorstehenden Zapfen jeder Schneidrolle hohe Biegemomente im Betrieb auftreten,

•to so daß die Festigkeit des Zapfens «αϊ wünschen Übrig läßt Außerdem muß hier eine Platte mit Schraube am Ende des Zapfens zur Bildung einer vormontierten Einheit aus Schneidkegel, Zapfen und Wälzlagerung vorgesehen werden, so daß diese Einheit nur seitlich und somit, durch die Dicke des Außenringes der Wälzlager begrenzt, nur relativ schwach am Bohrkörper befestigt werden kann.

Schließlich ist auch ein Gesteinswerkzeug bekannt bei dem die Schneidkegel über einen zentralen, mit

V) Gleitlagerflachen versehenen Zapfen am Bohrkörper gelagert sind (US-PS 17 92 604). Die Gleitlagerflächen besitzen aber eine im Vergleich zur Wälzreibung hohe Gleitreibung, so daß diese vor allem beim Tiefbohren eine unzulässig hohe Betriebstemperatur aufweisen und infolge Verschleiß vorzeitig ausfallen.

Der in Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein kostengünstiges Gesteinsbohrwerkzeug der eingangs geschilderten Art zu schaffen, bei dem die einzelnen Schneidkegel getrennt vom

M) 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.

Gelöst wird diese Aufgabe mittels der im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale.

Mit der Anordnung nach der Erfindung wird eine besonders kompakte Bauweise der Schneidkegel des Gesteinsbohrwerkzeuges erzielt, die als Einheiten bestehend aus Schneidkegel, Zentralzapfen und Wälzlager vormontiert werden können. Die als Einheiten vormontierten Schneidkegel lassen sich durch Elemente lösbar am Bohrkörper befestigen. Dabei ist infolge großer Festigkeit der Schneidkegel mit einstückig mit diesem ausgebildeten Zapfen eine hohe Betriebssicherheit des Gesteinsbohrwerkzeuges gegeben.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Mit der Ausgestaltung nach Anspruch 2 wird eine Anordnung geschaffen, bei der ein Auswechseln verbrauchter Schneidkegel des Gesteinsbohrwerkzeuges durch schraubbare Elemente, z. B. Schrauben, schnell und wirtschaftlich erfolgen kann, die einfach in die Außenringe der Wälzlagerung schraubbar sind Dadurch ist jeder Schneidkegel am Bohrkörper betriebssicher befestigbar.

Die Ausgestaltung nach Anspruch 3 schafft ein Gesteinsbohrwerkzeug, bei dem die Wälzlagerung im Innern jedes Schneidkegels gegenüber dem Eindringen von schädlichen Schadstoffen der Umgebung, z.B. Bohrschlamm, besonders wirkungsvoll abgedichtet ist

Die Ausgestaltung nach Anspruch 4 bewirkt, daß der Raum der Wälzlagerung jedes Schneidkegels nach außen abgedichtet ist, so daß das in diesem Raum eingefüllte Schmiermittel nicht austreten kann. Gleichzeitig wird durch das membranartige Element vorteilhaft erreicht, daß sich das Schmiermittel bei den im Betrieb auftretenden hohen Temperaturen, ohne aus dem Raum der Wälzlagerung auszutreten, ausdehnen kann.

Weitere Einzelheiten und Vorteile sind nachstehend anhand zweier in der Zeichnung schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert Es zeigt

F i g. 1 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 Ausführungsonn einer Schneidkegeleinheit

In F i g. 1 ist eine erste Ausführungsform 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 Walzlagerelementen in der Form eines einstückigen Außenrings 10 und eines mehrteiligen Innenrings 11 mit zwischen diesen zweireihig angeordneten Wälzkörpern (hier Kugeln 12) bestehen. Der Schneidkegel 9, der mit Hartmetalleinsätzen ausgestattet ist hat einen einstückig mit ihm ausgebildeten zentralen Zapfen 13, der zusammen mit einem Mantelabschnitt 14 des Schneidkegels einen Art Ringkanal 15 begrenzt, in dem die Wäizlagerelemente 10 bis 12, die ein zweireihiges Schrägkugellager darstellen, angeordnet sind.

ί 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 Dichtungsglied 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 SpülflGssigkeit. 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 den zentral :n Zapfen 13 gesteckt und mittels einer Scheibe 19 axial gesichert Die Scheibe 19 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 Lösen gesichert

sind.

Zur Befestigung der Schneidkegeleinheit 8 am Arm 7

dient ein mit einem Gewindeabschnitl 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 Lösen gesichert. Um die Schneidkegeleinheit 8 genau gegenüber dem Arm 7 zu fixieren, so daß eine gleichmäßige Breite des Dichispaltes 16 gewährleistet ist, hat der Außenring 10 eine Ausnehmung in der Form einer Ringnut 26, in die ein entsprechend ausgebildeter ringförmiger Ansatz 27

4> am Arm 7 eingreift Selbstverständlich kann diese Verbindung auch umgekehrt angeordnet sein.

Der offene Raum zwischen dem Außen- und Innenring 10, U ist durch ein in die Bohrung des Schraubelements 23 eingesetztes membranartiges EIement 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 iustre'in 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 Schneidkegeleinhsit gezeigt, die sich gegenüber der nach Fig. 1 dadurcn unterscheidet daß zur Lagerung des Schneidkegels 9 anders ausgebildete Wälzlagerelemente verwendet sind und durch eine andere Befestigungsart Ferner ist hier nur ein Dichtungsglied 17 verwendet

Die Wälzlagerelemente bestehen gleichfalls aus einem einstückig ausgebildeten Außenring 29 und zwei getrennt voneinander angeordneten Innenringen 30,31. Zwischen dein Außenring 29 und den Innenringen 30,31

sind Kegelrollen 32 derart angeordnet, daß das gesamte Lager eine Art zweireihiges Kegelrollenlager darstellt, tn dii?sem Zusammenhang sei erwähnt, daß auch andere Wälzlagertypen möglich sind.

Der zentrale Zapfen, bezeichnet mit 13', der auch separut bearbeitet und danach an dem Schneidkegel angeschweißt werden kann (in F i g. 2 angedeutet), ist an seinem Endabschnitt mit einem Gewinde versehen, auf dem der tnnenring 31 geschraubt ist. Durch diese Schraubverbindung wird gleichzeitig die for derartige

Lager erforderliche axiale Vorspannung erreicht. Als Schraubelemente zum Befestigen des Außenrings 29 am Arm 7 sind hier Zylinderschrauben 33 (in F i g. 2 ist nur eine zu sehen) vorgesehen. Ferner ist das membranartige Element 28 hier in den Außenring 29 eingesetzt. Bei dieser Ausführung wird die von dem Innenraum der Schneidkegeieinheit 8 abgewandte Seite des Elements 28 aufgrund eines im Arm 7 vorgesehenen Kanals 34 mit dem im Bohrgestänge herrschenden SpOlflüssigkeitsdruck beaufschlagt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

1. Patentansprüche:

   t. Gesteinsbohrwerkzeug, insbesondere zum Tiefbohren mit Spulflüssigkeiten, aus einem mit mehreren Armen versehenen Bohrkörper, an denen jeweils eine Schneideinheit befestigbar ist, welche aus einem Schneidkegel, einem im Inneren dieses Schneidkegels mit Abstand angeordneten zentralen Zapfen und einer in dem zwischen Schneidkegel und zentralen Zapfen gebildeten Ringkanal vorgesehenen, mehrreihigen Wälzlagerung besteht, die einen einteiligen Außenring und einen mehrteiligen Innenring aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der zentrale Zapfen (13; 13') einstücldg mit dem Schneidkegel (9) ausgebildet und die Schneideinheiten (8) jeweils durch mindestens ein Element über die Stirnseite des Außenrings (10; IS) an den Armen (7) des Bohrkörpers (2) befestigbar sind.
2. 2. Gesteinebohrwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente (23; 33) in den Armen (7) gehalten und in die Außenringe (JIO; 29) geschraubt sind.
3. 3. Gesteinsbohrwerkzeug nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Außenring (10; 29) und de,m Innenmantel der Schneidkegel (9) ein Ringspalt (16) nach Art einer Labyrinthdichtung vorgesehen ist, der mindestens in einem seiner Endbereiche durch ein Dichtungsglied

   (17) abgedichtet ist
4. 4. Gesteinstohrwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß am Boden des Ringkanals (15) ein Schmiermittelvorratsrauim

   (18) ausgebildet und der Raum zwischen dem Außenring (10; 29) und dem Innenring (11; 31) Jim Bereich des freien Endes des zentralen Zapfens (13; 13') mittels eines membranartigen, dem Druck der Spülfiüssigkeit ausgesetzten Elements (28) abgedichtet ist