DE3545438A1 - Kegelrollenmeissel - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft allgemein Erdbohrmeißel und speziell Kegelrollenmeißel.

Kegelrollenmeißel weisen im allgemeinen einen Meißelhaupt­ körper auf, der an einem Drehbohrstrang befestigt sein kann. Der Meißelhauptkörper hat normalerweise zwei oder drei nach unten verlaufende Schenkel. Jeder Schenkel trägt einen abge­ winkelt nach unten und innen verlaufenden Lagerzapfen. Eine Kegelrolle mit an ihrer Außenfläche angeordneter Bohrkrone mit "Zähnen" oder Rippen ist drehbar auf jedem Lagerzapfen mon­ tiert. Beim Bohren bewirkt die Rotation des Bohrstrangs eine Drehung jeder Kegelrolle um ihren Lagerzapfen, so daß die Bohrkrone am Gestein angreift und es zerkleinert.

Wegen ihrer aggressiven Bohrwirkung und den daraus resultie­ renden schnelleren Eindringraten werden Kegelrollenmeißel in großem Umfang für Öl- und Gasbohrungen sowie für geothermi­ sches Bohren eingesetzt. Es gibt jedoch einige Probleme, die die Standzeit und den Wirkungsgrad von Kegelrollenmeißeln be­ grenzen. Die Standzeit eines Kegelrollenmeißels ist ein beson­ ders kritischer Punkt im Hinblick auf den hohen Zeit- und Kostenaufwand, der erforderlich ist, um wegen des Ausfalls eines Meißels den gesamten Bohrstrang auszubauen und auszu­ tauschen.

Die zwischen den Lagerzapfen und den Kegeln verwendeten Lager sind die Ursache erheblicher Probleme. Diese Lager arbeiten in extrem aggressiver Umgebung infolge hoher und ungleichmäßiger Belastungen, hoher Temperaturen und Drücke sowie des Vorhan­ denseins von Schleifkörnern sowohl in den Bohrlöchern als auch im Bohrfluid. Dies trifft insbesondere beim Bohren tiefer Löcher zu. Ferner unterliegen einige Meißel, wie sie etwa bei der geothermischen Exploration verwendet werden, korrodieren­ den chemischen Einflüssen. Ein weiterer Faktor, der zu früh­ zeitigem Lagerausfall führen kann, ist die Unfähigkeit der Lager, Änderungen der auf die Kegelrolle wirkenden Momente standzuhalten. Mit dem allmählichen Verschleiß der Einsätze aus der Bohrlehrenreihe werden die Bohrlochseiten weniger gut definiert. Infolgedessen erhöhen sich die von der Bohrloch­ seite her einwirkenden Kräfte. Diese erhöhten Seitenkräfte haben die Tendenz, den Kegel von seiner ursprünglichen Dreh­ achse weg zu verschieben, wodurch die Lager in ihren Lauf­ ringen eingeklemmt werden, was zu frühzeitigem Ausfall bei­ trägt.

Leider führen diese extremen Bedingungen häufig zum Versagen der Kegelrollenlager, bevor irgendein Teil des Meißels und selbst die Bohrkrone ausfällt. Mit zunehmendem Verschleiß der Lager ergibt sich ferner ein stärkeres "Taumeln" der Kegel. Infolgedessen spurt ein Kegelrollenmeißel mit verschlissenen Lagern im Bohrloch nicht so gut und hat eine verminderte Eindringrate. Diese Einschränkungen der Lagerleistungsfähig­ keit beschränken wiederum die Last, mit der der Meißel beauf­ schlagt werden kann, sowie die Winkelgeschwindigkeit, mit der er rotieren kann, so daß sich Einschränkungen hinsichtlich erzielbarer Eindringraten und möglicher Bohrkronenkonstruk­ tionen ergeben.

Bei einigen frühen Kegelrollenmeißel-Konstruktionen war der Lageraufbau relativ einfach. Die US-PS′en 16 49 858 und 19 09 078 zeigen jeweils einen Kegelrollenmeißel mit einer kegelstumpfförmigen Gleitbuchse, die zwischen dem Lagerzapfen und dem Kegel positioniert ist. Solche Lager hatten eine rela­ tiv kurze Lebenserwartung. Das traf aber auch auf die übrigen Bauteile der frühen Meißel zu. Mit dem Einsatz härterer und dauerhafterer Werkstoffe wie Sinterhartmetall für einige der übrigen Bauteile der Kegelrollenmeißel und mit dem Einsatz dieser neuen Kegelrollenmeißel zum Bohren immer tieferer Löcher durch immer härtere Formationen wurden verschiedene Änderungen vorgenommen, um die Fähigkeit der Lager zur Aufnahme höherer Belastungen über längere Zeiträume zu verbessern.

Heute bestehen die typischen Lager zwischen dem Lagerzapfen und der Kegelrolle aus Kombinationen von Wälz- und Gleitla­ gern. Die Wälzlager (etwa Kugel- oder Rollenlager) dienen der Erleichterung der Rotation, sie nehmen radial gerichtete Kräf­ te auf und halten häufig die Kegelrolle auf dem Lagerzapfen. Die Gleitlager dienen sowohl als "Druck"-Lager, wobei die zusammenwirkenden Flächen senkrecht zur Lagerzapfenachse ange­ ordnet sind und axial gerichtete Kräfte aufnehmen, wie auch als Radiallager, wobei die zusammenwirkenden Flächen parallel zur Lagerzapfenachse angeordnet sind und radial gerichtete Kräfte aufnehmen.

Schmier- und Kühlmittel werden häufig zur Verlängerung der Lagerstandzeit eingesetzt. Bei einer Konstruktion wird zum Schmieren der Lager ein Schmierfett verwendet. Bei Meißeln, die ein solches Schmiermittel verwenden, müssen die Lager dicht sein, damit einerseits das Schmierfett erhalten bleibt und andererseits Bohrschlamm und Bohrgestein nicht eindringen können. Die meisten dieser Meißel enthalten auch einen Schmiermittelvorrat und eine Druckausgleichsvorrichtung, so daß Schmiermittelverluste sowie die hohen Temperaturen, denen der Meißel beim Bohren tiefer Löcher ausgesetzt ist, ausge­ glichen werden können (vgl. z. B. die US-PS′en 33 97 928, 34 76 195 und 40 61 376). Selbstverständlich wird durch jedes dieser Merkmale die Komplexität der Meißelkonstruktion erhöht, und bei der Herstellung ist es normalerweise notwendig, daß die Kegel zuerst auf den Lagerzapfen der einzelnen Schenkel montiert oder darauf festgelegt werden, wonach die Schenkel an einen Meißelhauptkörper angeschweißt werden. Wegen den schäd­ lichen Auswirkungen hoher Temperaturen auf die Dichtungen und Schmiermittel ist ferner die Höchstdrehzahl, mit der diese Meißel mit hermetisch dichten Lagern arbeiten können, häufig begrenzt.

Die Lagerstandzeit wird auch durch den Einsatz härterer, ver­ schleißfesterer Werkstoffe gesteigert. Z. B. verwenden die meisten Meißel heute Einsatzhärtung, Auftragsschweißen oder spezielle Metalleinlagen für die Lagerflächen, wodurch jedoch wiederum die Komplexität und die Herstellungskosten gesteigert werden (vgl. z. B. die US-PS 40 54 426). Ferner lehrt die US-PS 41 90 301 die Verwendung von zwei entgegengesetzten Vielkristalldiamant-Preßkörpern für das "Nasen"-Drucklager.

Ferner lehrt die US-PS 42 60 203 die Verwendung von Radial-und Drucklagerflächen aus polykristallinem Diamant oder Vielkri­ stalldiamant. Der Einsatz von Vielkristalldiamant-Lagerflächen kann zwar eine Verbesserung gegenüber dem Einsatz anderer Werkstoffe bringen; die Konstruktion dieser US-PS berücksich­ tigt jedoch nicht bestimmte, dem Vielkristalldiamant eigene Eigenschaften. Insbesondere wurde beobachtet, daß Vielkri­ stalldiamant zwar eine sehr hohe Druckfestigkeit, jedoch keine gute Zugfestigkeit hat. Da die Konstruktion der genann­ ten US-PS sowohl Radial- wie auch Axiallager aufweist, die senkrecht zueinander angeordnet sind, wird der Vielkristall­ diamant erheblichen Zugkräften ausgesetzt. Wenn nämlich die Drucklager unter Drucklast gesetzt werden, werden die Radial­ lager auf Zug beansprucht. Ferner gibt die US-PS lediglich die konventionelle Methode zum Festlegen des Kegels auf dem Lager­ zapfen mit Kugellagern an, was wohl als schwacher Punkt im Lagersystem anzusehen ist.

Die US-PS 41 45 094 zeigt ein etwas vereinfachtes Lagersystem für Kegelrollenmeißel, bei dem zum Festlegen des Kegels auf dem Lagerzapfen keine Kugellager verwendet werden. Dabei wird der Kegel auf dem Lagerzapfen dadurch gehalten, daß ein ring­ förmiges Druckstück durch Elektronenstrahlschweißen auf dem Lagerzapfen befestigt wird, nachdem es zuvor in den Kegel ein­ gesetzt wurde, wodurch der Kegel auf den Lagerzapfen "aufge­ steckt" wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines verbesserten Lagersystems für einen Kegelrollenmeißel, das eine längere Lebensdauer hat und mit höheren Drehzahlen und unter höheren Belastungen arbeiten kann.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch Anspruch 1 gelöst. Die Erfindung schafft ein verbessertes Lagersystem für Kegelrollen an Kegelrollenmeißeln. Insbesondere umfaßt sie einen Kegel­ rollenmeißel mit einer kegelstumpfförmigen Lagerfläche auf dem Lagerzapfen, die mit einer umgekehrt geformten Lagerfläche auf der Kegelrolle zusammenpaßt. Ferner sind gemäß der Erfindung Haltemittel zum Vorbelasten und zur Aufrechterhaltung der Andrückung zwischen diesen beiden Lagerflächen vorgesehen.

Bei der bevorzugten Ausführungsform bestehen die Haltemittel aus einem langen Stift, dessen eines Ende am Kegel befestigt ist, der sich durch die Mitte des Lagerzapfens erstreckt und am anderen Ende so ausgebildet ist, daß eine Drucklagerfläche vorgesehen ist, die eine Drucklagerfläche am Schenkel des Meißels kontaktiert. In der einfachsten Form ist dieser Stift ein Bolzen, der im Kegel durch Verschrauben befestigt ist und im Lagerzapfen rotiert, und es sind zwei Drucklager zwischen dem Bolzenkopf und einer Außenfläche des Schenkels vorgesehen.

Bei einer zweiten bevorzugten Ausführungsform bestehen die Haltemittel aus einem langen Stift, der mit einem Ende am Lagerzapfen oder am Schenkel befestigt ist, den Kegel durch­ setzt und am anderen Ende so ausgebildet ist, daß er eine Drucklagerfläche aufweist, die mit einer an der Kegelaußen­ seite angeordneten Drucklagerfläche zusammenpaßt.

Vorteilhaft weisen der Lagerzapfen, die Kegelrolle und die Drucklager Vielkristalldiamant auf. Ferner können bei der bevorzugten Ausführungsform Mittel zum Leiten eines Bohr­ fluidstroms über die Lagerflächen vorgesehen sein, was eine vorteilhafte Kühlung und Schmierung der Lager bewirkt.

Die Erfindung ist im folgenden anhand schematischer Zeichnun­ gen an Ausführungsbeispielen mit weiteren Einzelheiten näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Perspektiv- und teilweise Querschnittsan­ sicht eines typischen bekannten Kegelrollenmei­ ßels;

Fig. 2 eine Schnittdarstellung, die eine erste bevorzug­ te Ausführungsform des Kegelrollenmeißels nach der Erfindung zeigt, wobei zwischen dem Lager­ zapfen und dem Meißel eine kegelstumpfförmige Lagerzwischenfläche vorgesehen ist;

Fig. 3 eine Perspektivansicht eines kegelstumpfförmigen Zapfenlägers zur Verwendung bei der Ausführungs­ form nach Fig. 2;

Fig. 4 eine schematische Darstellung mit einem Schnitt durch zwei kegelstumpfförmige Lager sowie deren Beaufschlagung mit Kräften und mit dem zugehöri­ gen Kräfteplan; und

Fig. 5 eine Schnittdarstellung einer zweiten bevorzugten Ausführungsform, wobei die Haltevorrichtung an dem Schenkel des Meißels befestigt ist.

Fig. 1 ist eine Perspektivansicht eines typischen bekannten Kegelrollenmeißels 11. Der Meißel besteht aus einem Hauptkör­ per 12 mit einem Ende 13, das mit einem Bohrstrang (nicht gezeigt) verschraubbar ist. Vom Hauptkörper gehen drei Schen­ kel 14 aus, deren jeder einen daran ausgebildeten Lagerzapfen 15 aufweist. Ein Kegel 16 mit einer Krone 17 ist drehbar auf jedem Lagerzapfen 15 montiert. Der Kegel ist auf dem Lager­ zapfen 15 durch einen Kugellagersatz 18 gehalten, wobei die Kugeln einen aus dem Lagerzapfen und dem Kegelinneren gearbei­ teten Laufring ausfüllen. Bei der Herstellung werden die Lagerkugeln in den Laufring durch einen Durchgang 19 einge­ bracht. Dieser Durchgang wird anschließend durch einen Stopfen 20 verschlossen und hat dann die Funktion, dem Kugellager 18 und Rollenlagern 21 Schmiermittel zuzuführen, da der Durchgang mit einem Kanal 22 in Verbindung steht, der wiederum an einen Schmiermittelvorrat 23 angeschlossen ist. Eine Druckaus­ gleichsvorrichtung 24 ist im Schmiermittelvorrat 23 positio­ niert, um höhere Drücke und Temperaturen sowie Schmiermittel­ verluste auszugleichen. Eine Elastomerdichtung 25 ist zwischen dem Kegel und dem Lagerzapfen positioniert und hat die Funk­ tion, Schmierstoff im Lagersystem zu halten und das Eindringen von Bohrmehl zu verhindern. Ein Drucklager 27 hat die Funk­ tion, den Kegel axial beaufschlagende Kräfte aufzunehmen und zu übertragen, während Rollenlager 21 und ein Ringlager 28 die gleiche Funktion in bezug auf den Kegel radial beaufschlagende Kräfte haben.

Die Schnittdarstellung von Fig. 2 zeigt eine erste bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Dabei umfaßt ein Kegelrollen­ meißel einen Hauptkörper 31 mit einem Ende 32, das mit einem Bohrstrang 30 verschraubbar ist. Ein Schenkel 34 verläuft vom Hauptkörper nach unten. Bei der bevorzugten Ausführungsform sind ferner zwei weitere Schenkel (nicht gezeigt) vorgesehen, die um den Hauptkörper herum gleichbeabstandet angeordnet sind. Es gibt Bohrmeißel mit einem, zwei, drei oder mehr Schenkeln, und solche Meißel liegen im Rahmen der Erfindung. Ein Lagerzapfen 35 ist am Schenkel 34 angeformt und verläuft unter einem Winkel nach unten und innen. Eine Kegelrolle 36 ist drehbar auf dem Lagerzapfen 35 montiert. Eine Bohrkrone 37 ist in der Kegelrolle befestigt und greift am Bohrlochunter­ ende an. Ein Vorteil der vorliegenden Ausführungsform besteht darin, daß durch einen vereinfachten Lageraufbau die Kegel­ rolle dicker ausgebildet sein kann, so daß für die Bohrkrone 37 tiefere Taschen vorgesehen sein können. Bei alternativen Ausführungsformen können die Kegelrollen eine einstückig ange­ formte Bohrkrone aus Zähnen oder ringförmigen Rippen zum An­ griff am Gestein aufweisen. Paßeinsätze 38 sind an der Bohr­ lehrenreihe des Kegels zum Angriff am Gestein an der Bohrloch­ seite montiert und haben die wichtige Funktion, für einen gleichbleibenden Bohrlochdurchmesser zu sorgen. Mit zunehmen­ dem Verschleiß dieser Bohrlehrenreihe nehmen von der Bohrloch­ seite in Pfeilrichtung C einwirkende Kräfte zu und haben die Tendenz, die Kegelrolle von ihrer ursprünglichen Rotations­ achse weg zu verschieben.

Auf dem Lagerzapen 35 ist ein kegelstumpfförmiges Lager 41 montiert. Es ist zu beachten, daß "kegelstumpfförmig" sich auf die Mantelfläche eines Kegelstumpfs und nicht dessen Ober­ oder Unterseite bezieht. Dieses Lager 41 ist auch in Fig. 3 dargestellt, und weitere Einzelheiten seines Aufbaus bei der bevorzugten Ausführungsform sowie alternative Ausführungs­ formen werden in Verbindung mit dieser Figur erläutert. Wenig­ stens ein Teil der gekrümmten Außenfläche der Zapfenlager­ fläche besteht aus Vielkristalldiamant. Im vorliegenden Zu­ sammenhang bedeutet "Vielkristalldiamant" einen Werkstoff mit Diamantkristallen, die bei Höchstdruck und -temperatur gesin­ tert wurden unter Bildung einer Masse von zufallsorientierten Kristallen, die im wesentlichen direkt an benachbarte Kristal­ le gebunden sind. Da ferner die Eigenschaften von polykri­ stallinem kubischem Bornitrid denen von Vielkristalldiamant sehr ähnlich sind, gilt ein Großteil des hier Gesagten auch für polykristallines kubisches Bornitrid. Aus später noch erläuterten Gründen ist Vielkristalldiamant der am meisten bevorzugte Werkstoff. Ein zum Lager 41 passendes kegelstumpf­ förmiges Lager 42 ist in der Kegelrolle 36 angeordnet. Bei der bevorzugten Ausführungsform weist die Lagerfläche dieses Kegelrol­ lenlagers 42 ebenfalls Vielkristalldiamant auf.

Ein Schraubbolzen 43 ist mit seinem Ende 44 mit der Kegelrolle 36 verschraubt. Der Schraubbolzen 43 läuft daher mit dem Kegel 36 um. Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann ein Siche­ rungsstift 61 in einen Durchgang 62 eingeführt werden und legt den Schraubbolzen in seiner Stellung fest, so daß eine Dreh­ bewegung des Schraubbolzens relativ zum Kegel, die sonst aus der Reibung zwischen den Drucklagerflächen 45 und 46 resul­ tieren würde, ausgeschlossen ist. Der Schraubbolzen kann auch mit anderen Methoden an einer Drehbewegung im Kegel 36 gehin­ dert werden, z. B. durch Schweißen, das Anbringen von Siche­ rungen, Verstemmen etc.

Bei einer weiteren Ausführungsform wurde überraschend fest­ gestellt, daß dann, wenn das Zapfenlager 41 und das Kegel­ rollenlager 42 aus Vielkristalldiamant bestehen, der Schraub­ bolzen nicht gesichert zu werden braucht und selbstspannend ist, ohne daß die Lager klemmen. Nicht nur erfolgt dabei kein Klemmen der Lager, sondern das Selbstspannen des Schraubbol­ zens hat die vorteilhafte Funktion, die Lager aneinanderge­ drückt zu halten, während gleichzeitig ein Verschleißaus­ gleich erfolgt. Infolgedessen kann es bei den bevorzugten Aus­ führungsformen erwünscht sein, dieses Selbstspannen des Schraubbolzens vorzusehen. Es liegt im Ermessen des Durch­ schnittsfachmanns, eine Gewindesteigung vorzusehen, die einer­ seits eine zu starke Belastung des Schraubbolzens vermeidet und andererseits die Vorteile dieser Selbstspannwirkung maxi­ miert.

Der Schraubbolzen 43 durchsetzt ein Loch 54 im Lagerzapfen 35 und hat einen Kopf 47, der breiter als das Loch 54 ist. An diesem Kopf 47 kann ein Spannwerkzeug wie etwa ein Sechskant­ stiftschlüssel angreifen. Angrenzend an den Kopf 47 des Schraubbolzens 43 ist ein Drucklager bzw. eine Druckscheibe 46 angeordnet, die an einem zweiten Drucklager 45 anliegt, das wiederum an den Schenkel 34 angrenzt. Jedes dieser Drucklager 46 oder 45 kann entweder in seiner jeweiligen Lage (also am Kopf 47 bzw. am Schenkel 34) festgelegt oder unbefestigt sein. Wie ersichtlich, dient eine Aussparung 56 im Schenkel 34 der Aufnahme der Drucklager 45 und 46 gemeinsam mit dem Kopf 47. Ferner kann es erwünscht sein, über dieser Ausnehmung 56 eine Abdeckung zu befestigen oder sie mit einem Füllstoff wie Epoxidharz zum Schutz während des Bohrvorgangs auszufüllen. Bei der bevorzugten Ausführungsform bestehen die einander kon­ taktierenden Lagerflächen der Drucklager 45 und 46 aus Viel­ kristalldiamant. Ferner haben bei der bevorzugten Ausführungs­ form die Drucklager eine im wesentlichen ebene Zwischenfläche. Bei alternativen Ausführungsformen kann es erwünscht sein, den Kopf 47 und die Lager 45 und 46 so zu formen, daß zwischen den Drucklagern eine kegelstumpfförmige Zwischenfläche vorgesehen ist.

Es ist ersichtlich, daß zwischen der fernen Endfläche 59 des Zapfenlagers 41 und der Innenfläche 58 der Kegelrolle 36 ein Zwischenraum 57 freigelassen ist. Ferner kontaktiert die nahe Endfläche 60 der Kegelrolle 36 den Lagerzapfen 35 oder den Schenkel 34 nicht. Diese beiden Merkmale sind wesentlich, da sie eine ungehinderte Andrückung des Kegelrollenlagers 42 an das Zapfenlager 41 erlauben. Mit anderen Worten ist bei der bevorzugten Ausführungsform das kegelstumpfförmige Zapfen­ lager die einzige Fläche am Zapfen oder am Schenkel, die die Kegelrolle an einer Axialbewegung in Pfeilrichtung B hindert.

Es wurde gefunden, daß bei Anwendung dieser Anordnung die kegelstumpfförmigen Lager und der Schraubbolzen mit seinen Druckscheiben zusammenwirken, wobei mindestens zwei bedeutende Vorteile erzielt werden. Erstens können durch Anziehen des Schraubbolzens die kegelstumpfförmigen Lager mit einer Druck­ vorspannung beaufschlagt werden. Insbesondere wird der Schraubbolzen ausreichend stark angezogen, um ihn unter Zug­ spannung zu setzen, wodurch der Lagerzapfen und die Kegelrolle eine gegenseitige Anpressung erfahren. Diese Anpressung ist besonders vorteilhaft, wenn der Lagerzapfen und die Kegelrol­ lenlager aus Vielkristalldiamant bestehen. Es wurde beobach­ tet, daß Vielkristalldiamant zwar unter Kompression sehr hohe Festigkeit hat, unter Zugspannung jedoch relativ schwach ist. Wenn dieser Werkstoff somit als Lager eingesetzt wird, sollte er am besten mit Druckkräften vorgespannt sein, um die Zug­ spannungskräfte, mit denen er beaufschlagt wird, zu minimie­ ren. Mit anderen Worten besteht bei dem unter Druckvorspannung stehenden Lager eine geringere Gefahr des Auftretens von La­ gervibrationen, die für das Gefüge des Vielkristalldiamant- Werkstoffs schädlich sein könnten. Dies gilt insbesondere für die Anwendung bei Kegelrollenmeißeln, da hier während des Bohrens das Vielkristalldiamant-Lager ungleichen Belastungen aus vielen Richtungen unterliegt.

Zweitens wird durch diese Konfiguration die Fähigkeit des Meißels, seine ursprüngliche Drehachse beizubehalten, verbes­ sert. Dies beruht darauf, daß sich durch die Kombination der kegelstumpfförmigen Lager und der Drucklager ein Dreiecksquer­ schnitt durch die Drehachse ergibt (d. h., die entgegengesetz­ ten Seiten der Kegelrollen-/Zapfen-Lagergrenzfläche und der Grenzfläche zwischen den Drucklagern bilden drei Seiten eines Dreiecks). Wenn also die Kegelrolle aus irgendeiner Richtung mit Kraft beaufschlagt wird, gibt es einen Teil einer der Lagerflächen, zu der die Kraft eine im wesentlichen senkrechte Komponente hat. Wenn z. B. auf den Kegel zunehmende Kräfte von der Bohrlochseite infolge von Verschleiß der Bohrerlehre ein­ wirken (in der durch den Pfeil C von Fig. 2 bezeichneten Rich­ tung), wird die Drucklager-Zwischenfläche zusammengedrückt, und das Kegelrollenlager klemmt nicht und kann sich nicht vom Zapfenlager abheben.

Bei einer anderen Ausführungsform kontaktiert die ferne Fläche 59 des Lagerzapfens 35 die Fläche 58 des Kegels 36. Die Abmes­ sungen sind sorgfältig so gewählt, daß die Flächen 58 und 59 einander kontaktieren können und trotzdem eine ausreichende Andrückung zwischen dem Zapfenlager und dem Kegelrollenlager erzielt ist. Bei dieser Ausführungsform ist es erwünscht, daß Vielkristalldiamant ebenfalls wenigstens auf einem Teil der Flächen 58 und 59 vorgesehen ist. Eine Kontaktierung der bei­ den Flächen 58 und 59 bietet Schutz für das Lager gegen über­ mäßige axiale Belastungen, die während des Bohrens auftreten. Das gleiche Ergebnis kann auch dadurch erreicht werden, daß man die hintere Endfläche 60 des Kegels 36 den Schenkel 34 des Meißels kontaktieren läßt. Das Vorsehen dieser "Gegenhalte­ rung" zum Schutz der Zapfen- und Kegelrollenlager vor über­ mäßigen axialen Kräften kann bei Meißeln erwünscht sein, die zum Einsatz in heterogenen Formationen bestimmt sind oder vom Bohrstrang mit hohen Belastungen beaufschlagt werden. Diese Ausführungsformen können auch für die Einstellung der genauen Druckvorspannung der Lager nützlich sein, da der Schraubbolzen bis zur Kontaktierung der Flächen angezogen und dann zurück­ gedreht werden könnte.

Es ist zu beachten, daß die bevorzugte Ausführungsform diese "Gegenhalterung" zum Schutz des Zapfen- und des Kegelrollen­ lagers vor axialen Kräften nicht aufweist. Es wurde überra­ schend gefunden, daß dieses Lagersystem mit dieser speziellen Geometrie unter extremen Axialkräften sehr gut arbeitet. Wie noch in Verbindung mit Fig. 4 erläutert wird, wurde angenom­ men, daß die hohen Axialkräfte zum Fressen des kegelstumpf­ förmigen Lagers führen würden, wenn kein gesondertes Druck­ lager zur Aufnahme dieser Axialkräfte vorgesehen ist. Im Gegensatz dazu wurde jedoch gefunden, daß die hohen Axial­ kräfte für die Funktionsweise der Lager günstig sind.

Bei einer weiteren Ausführungsform wird nicht ein Schraubbol­ zen zur Festlegung des Kegels 36 auf dem Lagerzapfen 35 ver­ wendet, sondern es wird eine Stange am Kegel entweder in der gleichen Lage wie der Bolzen befestigt oder ist einstückig mit dem Kegel ausgebildet. Diese Stange weist an dem in die Aus­ sparung 56 des Schenkels 34 verlaufenden Ende ein Gewinde auf. Auf die Stange wird dann eine Mutter geschraubt, wobei zwi­ schen dieser und dem Schenkel zwei Druckscheiben angeordnet sind. Bei einer weiteren Ausführungsform durchsetzt ein Loch sowohl den Lagerzapfen und den Kegel, und durch das Loch wird ein Bolzen mit Gewinden an beiden Enden eingeführt. Eine Mut­ ter wird auf jedes Ende aufgeschraubt, und Drucklager werden zwischen jeder Mutter und dem Schenkel oder einer äußeren fernen Fläche des Kegels angeordnet. Bei dieser Anordnung kann es erwünscht sein, ein Selbstspannen der Muttern zu ermögli­ chen. Dies könnte zu einer besseren Einstellung der auf den Bolzen wirkenden Zugspannung während der verschiedenen Ver­ schleißphasen der Meißelelemente führen.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil der bevorzugten Ausführungs­ form der Erfindung ist, daß sie einen Meißel bereitstellt, der einfacher herstellbar ist. Erstens umfaßt die Herstellung typischer bekannter Kegelrollenmeißel einen komplizierten Festlegeschritt, bei dem die Kugellager durch ein Loch in einen Laufring eingebracht werden, um den Kegel auf dem Lager­ zapfen festzulegen. Dagegen können die Kegelrollen der bevor­ zugten Ausführungsform durch einfaches Einschieben des Fest­ legebolzens durch den Schenkel und Verschrauben im Kegel be­ festigt werden.

Zweitens wird bei der typischen bekannten Herstellungsweise wegen der Komplexität des Festlegeschritts und räumlicher Ein­ schränkungen jeder Schenkel normalerweise gesondert geschmie­ det. Nachdem ein Kegel an jedem Schenkel festgelegt ist, wer­ den die Schenkel mit einem Hauptkörper des Meißels verschweißt (vgl. die US-PS 42 66 622, in der die Probleme dieses Vor­ gehens besprochen sind). Da die Kegel gemäß der Erfindung mit einem einfacheren Verfahren befestigt werden, ist es dagegen möglich, die Schenkel als integralen Teil des Meißelkörpers auszubilden und doch die Kegel befestigen zu können. Wenn ferner räumliche Beschränkungen ein Befestigen der Kegel auf den Lagerzapfen verhindern, wenn sich die Schenkel bereits in ihrer Lage befinden, kann die bevorzugte Ausführungsform geringfügig modifiziert werden. Insbesondere können die Lager­ zapfen getrennt von den Schenkeln hergestellt werden. Auf diese Weise können die Lagerzapfen in die Kegel eingesetzt, die Kegel und Lagerzapfen in ihre Lage geschoben und dann der Befestigungsbolzen durch den Schenkel in den Kegel eingeführt werden. Die Lagerzapfen können mit dem Schenkel verrastet wer­ den, um eine richtige Positionierung und Halterung am Schenkel zu gewährleisten.

Ein weiterer durch diese Vereinfachung des Herstellungsver­ fahrens sich einstellender Vorteil ist, daß eine Instandset­ zung verbrauchter Meißel ermöglicht wird. Zur Zeit ist es in der Bohrindustrie üblich, den gesamten Meißel zu beseitigen, wenn irgendein Teil desselben ausfällt, da die Kegel oder Lager bei angeschweißten Schenkeln nicht ausgetauscht werden können. Mit der Erfindung ist es möglich, die Kegel auszutau­ schen, ohne den gesamten Meißel zerstören und neu herstellen zu müssen. Es ist somit wirtschaftlich, jedes Teil des Meißels im größtmöglichen Ausmaß zu nützen. Tatsächlich haben Vorver­ suche gezeigt, daß die Lager die längste Lebenserwartung haben. Somit können die Lager ausgebaut und in einen neuen Meißel eingebaut werden, wenn der Meißelkörper und die Bohr­ krone verschlissen sind.

Ein weiterer Vorteil, der sich durch diese Vereinfachung der Meißelherstellung ergibt, besteht darin, daß es nunmehr mög­ lich ist, Kegelrollenmeißel im Einsatz zu warten. Da die Kegel in einem relativ einfachen Arbeitsgang und mit üblichen Werk­ zeugen aus- und eingebaut werden können, ist es möglich, Kegel an der Bohrstelle auszutauschen. Dabei ist es nicht nur mög­ lich, verbrauchte Kegel auszutauschen, sondern der Bohrerbe­ diener kann einen Lagerbestand von Kegeln mit verschiedenen Bohrkronen unterhalten und damit die Bohreigenschaften des Meißels besser auf die Formation abstimmen, in der gebohrt wird. Mit der derzeitigen Technologie muß der Bohrerbediener einen teuren Lagerbestand vollständiger Meißel unterhalten, um das gleiche Ergebnis zu erzielen.

Vorversuche haben zwar gezeigt, daß das Lager gemäß der Erfin­ dung unter höheren Belastungen und mit höheren Drehzahlen ohne Schmierung sehr gut läuft; es wird jedoch bei dem Ausführungs­ beispiel als erwünscht angesehen, die Lagerzapfen- und Kegel­ rollenlager 41 und 42 sowie die Druckscheiben 46 und 45 zu kühlen und zu schmieren. Dies wird bei der bevorzugten Ausfüh­ rungsform dadurch erreicht, daß ein Kanal 52 vorgesehen ist, der am einen Ende mit einem zentralen Hohlraum 51 im Meißel­ körper 31 in Verbindung steht, der seinerseits mit einer Bohr­ fluidversorgung im Bohrstrang verbunden ist. Ein Rost oder Gitter 53 ist im zentralen Hohlraum 51 angeordnet und verhin­ dert den Eintritt großer Teilchen in den Kanal 52. Das andere Ende des Kanals 52 ist mit dem Loch 54 im Lagerzapfen verbun­ den. Auf diese Weise kann ein Bohrfluidstrom über die Lager­ zapfen- und Kegelrollenlager sowie die Druckscheiben 45 und 46 strömen. Es war überraschend, daß ein Bohrfluid wie typischer Bohrschlamm sowohl als Schmierstoff und als Kühlmittel für das Lager gemäß der bevorzugten Ausführungsform wirken kann. Bohr­ schlamm enthält typischerweise hohe Anteile von abtragend wir­ kenden Silikatteilchen. Viele Bohrmeißel sind so ausgelegt, daß der Bohrschlamm von den Lagern ferngehalten wird. Wenn bei der vorliegenden Erfindung das Lager aus Vielkristalldiamant besteht, werden diese Silikatteilchen sogar von den Vielkri­ stalldiamantflächen zermahlen und resultieren in feinen Teil­ chen, die als Schmiermittel auf den Diamantlagerflächen wir­ ken. Infolgedessen benötigt die bevorzugte Ausführungsform keine Dichtungen, um den Bohrschlamm von den Lagern fernzu­ halten, sondern verwendet den Bohrschlamm sogar als Schmier- und Kühlmittel.

Fig. 3 ist eine Perspektivansicht des kegelstumpfförmigen Zap­ fenlagers 41 gemäß der bevorzugten Ausführungsform. Dieses Lager ist so geformt, daß es mit einem umgekehrt geformten Kegelrollenlager (nicht gezeigt) zusammenfügbar ist. Bei der am meisten bevorzugten Ausführungsform hat das Zapfenlager einen Basisteil 71, der in Löchern 73 Vielkristalldiamant- Einsätze 72 haltert. Jeder Einsatz 72 besteht aus einer Viel­ kristalldiamantschicht 74, die direkt mit einem Sinterhart­ metallträger 75 verbunden ist. Diese hartmetallgestützten Ein­ sätze 72 werden durch Sintern einer Diamantkristallmasse an­ grenzend an das vorgesinterte Karbidstück unter Anwendung von Höchstdruck und -temperaturen hergestellt.

Höhe, Radius und Neigung des Basisteils 71 sind durch die ver­ schiedenen Konstruktionsparameter wie Größe und Form des Konus vorgegeben. Insbesondere müssen die Maße des kegelstumpfför­ migen Lagers unter Beachtung der nachfolgenden Uberlegungen gewählt werden. Das Lager muß in den Kegel passen und eine ausreichende Wandstärke der Kegelrolle ermöglichen. Die Lager­ abmessungen müssen auch eine ausreichende Dicke des Lagerzap­ fens ermöglichen, der außerdem das ihn durchsetzende Loch 54 aufweist. Wegen des erheblichen Verschleißes, dem die Bohr­ lehrenreihe des Meißels unterliegt, ist es wesentlich, daß die kegelstumpfförmigen Lager sich nicht zur Meißelaußenseite erstrecken. D. h. der der Bohrlehrenreihe zunächst befindliche Teil des Lagers sollte in dem Loch des Kegels enthalten sein. Ferner beeinflußt die Neigung des Lagers auch die Festlegung des Kegels auf dem Lagerzapfen, da er den aus vielen Richtun­ gen einwirkenden Kräften von der Seite und dem Grund des Bohr­ lochs unterliegt. Mit einem großen Winkel zwischen der Lager­ fläche und der Drehachse weisen die von der Seite und vom Grund des Lochs einwirkenden Kräfte eine größere Scherkompo­ nente an der Grenzfläche zwischen Zapfenlager und Kegelrol­ lenlager auf, als diese Kräfte bei einem kleineren Winkel haben würden. Bei der bevorzugten Ausführungsform beträgt der Winkel zwischen der Lagerfläche und der Drehachse 20°.

Allgemeine mechanische Grundsätze würden den Fachmann eher zu dem Schluß führen, daß die Kegelstumpfgeometrie für Gleitla­ ger, die hohen axial gerichteten Kräften unterliegen, unge­ eignet ist. Ein kegelstumpfförmiges Gleitlager mit hohen axialen Belastungen würde ziemlich ähnlich wie ein Keil wir­ ken, bei dem die zur Fläche des Keils senkrechte Kraft die aufgebrachte nach unten wirkende Kraft übersteigt. Dies ist in Fig. 4 gezeigt, die ein schematischer Querschnitt von zwei kegelstumpfförmigen Gleitlagern ist. Während das Kegelrol­ lenlager 82 auf das Zapfenlager 81 mit der durch den Pfeil F _a bezeichneten Kraft geschoben wird, ist die dieser Bewegung entgegenwirkende Kraft durch den Pfeil F _r bezeichnet. Da jedoch die beiden Lagerflächen nicht befestigt sind, muß die einzige entgegenwirkende Kraft zu den beiden Flächen senkrecht verlaufen und ist durch den Pfeil F _N bezeichnet. Da diese Normalkraft F _N einen Winkel zu der Kraft F _r bildet, muß sie größer als die Kraft F _r sein. Infolgedessen wird die Normal­ kraft F _N (die Kraft, die die Reibungskraft zwischen den beiden Lagern bestimmt) vergrößert.

Trigonometrisch sind die Beziehungen zwischen der aufgebrach­ ten Kraft F _a und der Normalkraft F _N des kegelstumpfförmigen Zapfenlagers 81 gegenüber dem kegelstumpfförmigen Kegelrollen­ lager 82 durch die folgenden Gleichungen gegeben:

F _N = F _a sin R und [F _N = F _a sin R ] (1)
F _f = m F _N = μ F _a sin R (2)

wobei R der Winkel zwischen der Außenfläche des Lagers und der Drehachse der Kegelrolle, μ der Reibungskoeffizient des Lagerwerkstoffs und F _f die Reibungskraft ist, die der Rotation des Kegelrollenlagers 81 auf dem Zapfenlager 81 entgegenwirkt. In bezug auf die zu der Lagerfläche normalen Kräfte wird die aufgebrachte Kraft F _a um einen Faktor 1/sinR vergrößert. Mit der Näherung von R an 0 (d. h. mit zunehmender Steilheit des Lagers) wird 1/sinR unendlich, und die Normalkraft F _N wird unendlich groß. Für die Praxis resultiert daraus, daß die Normalkräfte in einem hohen axialen Belastungen ausgesetzten kegelstumpfförmigen Gleitlager so groß werden würden, daß sie die Reibungskraft F _f übersteigen und ein Fressen des Lagers bewirken würden. Ein überraschendes Resultat der vorliegenden Erfindung ist, daß selbst bei hoher Druckvorspannungsbelastung kein solches Fressen auftritt, wenn als Lagerwerkstoff ein Werkstoff wie Vielkristalldiamant eingesetzt wird.

Gemäß Fig. 3 sind die Lage, Größe und Zahl der Einsätze in jedem Lager so gewählt, daß gewährleistet ist, daß die Viel­ kristalldiamantflächen die Lasten zwischen der Kegelrolle und dem Lagerzapfen aufnehmen. Wie gezeigt, springt jeder Einsatz 72 geringfügig von der Außenfläche des Basisteils 71 vor. Bei der gezeigten Ausführungsform befinden sich auf jedem Lager drei Ringreihen von Einsätzen. Auf dem Zapfenlager befinden sich zehn Einsätze in der dem Schenkel zunächstliegenden Reihe, acht Einsätze in der Mittelreihe und acht Einsätze in der entfernten Reihe. Auf dem Kegelrollenlager sind in jeder der drei Reihen neun Einsätze vorgesehen. Diese spezielle An­ ordnung wurde gewählt, um einen geeigneten Überlappungsgrad der Vielkristalldiamantflächen an jedem gegebenen Rotations­ punkt des Kegels zu erzielen. Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform sind in jedem Lager zwei Ringreihen von Ein­ sätzen vorgesehen, und der Winkelabstand zwischen den Einsät­ zen ist so gewählt, daß in entsprechenden Reihen des Kegel­ rollen- und des Zapfenlagers verschieden viele Einsätze vor­ gesehen sind, so daß ein gleichmäßiger Betrieb ermöglicht wird. Das eine Lager kann engbeabstandete Einsätze aufweisen, während die Einsätze im anderen Lager relativ weit voneinander beabstandet sind. Selbstverständlich muß der Zwischenraum zwi­ schen den Einsätzen auf dem einen Lager kleiner als der Durch­ messer der Einsätze auf dem anderen Lager sein. Alternative Ausführungsformen sind auch Konstruktionen, bei denen weniger oder mehr Einsätze sowie mehr Reihen vorgesehen sind.

Als Lagerflächenwerkstoff wird Vielkristalldiamant (PCD)am meisten bevorzugt. Dieser ist zwar extrem verschleißfest, er ist jedoch relativ spröde, d. h. er hat eine relativ geringe Zugfestigkeit. Infolgedessen würde man nicht erwarten, daß Vielkristalldiamant für den Einsatz als Lager des Kegelrollenmei­ ßels geeignet ist, wobei derart hohe und ungleichmäßige Stoß­ belastungen auftreten. Es wurde jedoch gefunden, daß dieses Problem dadurch lösbar ist, daß die Vielkristalldiamant-Lager in einem Zustand der Druckbeanspruchung gehalten werden. D. h. es wurde erkannt, daß die extrem hohe Druckfestigkeit von Viel­ kristalldiamant dazu genutzt werden kann, die geringe Zug­ festigkeit auszugleichen. Wenn die Lager in einem Zustand der Druckbeanspruchung gehalten sind, werden die Zugkräfte stark vermindert. Daher kann der druckvorgespannte Vielkristall­ diamant den hohen Stoßbelastungen widerstehen, die auf die Zapfen- und Kegelrollenlager einwirken.

Ein weiterer Grund, weshalb man nicht davon ausgehen würde, Vielkristalldiamant als Lager einzusetzen, besteht darin, daß Vielkristalldiamant bisher meistens für spanabhebende, Schleif- oder Abrasionsvorgänge eingesetzt wird. Man würde somit denken, daß Vielkristalldiamant zu rauh oder zu stark abtragend ist, um erfolgreich als Lager eingesetzt zu werden. Es wurde jedoch gefunden, daß der Reibungskoeffizient tatsäch­ lich sehr niedrig ist, wenn zwei Vielkristalldiamantflächen gut geschliffen und gut zusammengefügt sind. Es wurden inner­ halb weiter Belastungs-und Drehzahlbereiche von bis zu 18.120 kp axialer Druckvorspannung und 1000 U/min so niedrige Werte wie 0,005 erhalten. Tatsächlich bleibt der Reibungs­ koeffizient innerhalb eines beachtlichen Bereichs von Bela­ stungen niedrig, und zwar wahrscheinlich aufgrund der hohen Druckfestigkeit. Dieser niedrige Reibungskoeffizient bei hohen Belastungen ist im Hinblick auf die Kegelstumpfgeometrie, die unter Bezugnahme auf Fig. 4 erläutert wurde, sehr wesentlich.

Ein weiterer Vorteil, der bei der Verwendung von Vielkristall­ diamant für die Lager der bevorzugten Ausführungsform fest­ gestellt wurde, ist die hohe Wärmeleitfähigkeit dieses Werk­ stoffs. Insbesondere ist es für die Lager wesentlich, daß sie die im Betrieb entwickelte Wärme ableiten können.

Ein weiterer Vorteil der bevorzugten Ausführungsform unter Verwendung von Vielkristalldiamant ist die relative Reaktions­ trägheit. D. h., bei den meisten Lagern, die mit hohen Bela­ stungen bei hohen Temperaturen beaufschlagt werden, tritt das Problem einer Verschweißung der Kontaktflächen auf. Zur Ver­ meidung dieses Problems werden viele derartigen Lager aus un­ gleichen Werkstoffen hergestellt; diese Lösung kann jedoch zu neuen Problemen hinsichtlich ungleicher Wärmedehnzahlen etc. führen. Wenn dagegen Vielkristalldiamant bei der Erfindung eingesetzt wird, werden diese Probleme dadurch beseitigt, daß Diamant relativ reaktionsträge ist.

Alternative Ausführungsformen können von Vielkristalldiamant verschiedene Werkstoffe für die Lagerflächen der kegelstumpf­ förmigen Kegelrollen- und Zapfenlager verwenden. Polykristal­ lines kubisches Bornitrid weist viele gleiche Eigenschaften wie Vielkristalldiamant auf und besitzt außerdem eine viel bessere Wärmebeständigkeit, so daß es bei dem Lager gemäß der Erfindung eingesetzt werden kann. Ferner können bestimmte Keramikwerkstoffe oder Keramik-Metall-Verbundwerkstoffe die für den Einsatz im Lagersystem erforderlichen Eigenschaften aufweisen.

Sowohl die Tragfläche 75 als auch die Vielkristalldiamant­ schicht 74 sind so vorgeformt, daß sie an die Krümmung und Neigung der Außenfläche des Zapfenlagers angepaßt sind. Die Vielkristalldiamantschicht 74 wird während des Höchstdruck/ Höchsttemperatur-Preßzyklus geformt durch Sintern auf die Carbidtragfläche 75, die bereits vorher die richtige Form erhalten hat. Ebenso werden die Einsätze im Kegelrollenlager (nicht gezeigt) vorgeformt, so daß sie der Krümmung und Nei­ gung der Innenfläche des Kegelrollenlagers entsprechen. Das Vorformen der Diamantschicht so weit wie möglich zur erforder­ lichen Endform - im Gegensatz zur Verwendung von flachen oder anderen nicht passenden Formen - hat sich aus drei Gründen als wichtig erwiesen. Erstens ist Vielkristalldiamant äußerst ver­ schleißfest. Infolgedessen würde es einen sehr großen Zeit­ und Arbeitsaufwand erfordern, den Vielkristalldiamant zur End­ form zu schleifen oder spanabhebend zu bearbeiten.

Da zweitens der Vielkristalldiamant ein relativ spröder Werk­ stoff ist, ist es wichtig, daß die Einsätze glatte Oberflächen aufweisen, bevor sie aneinander reiben können. D. h. mit anderen Worten, wenn die Vielkristalldiamant-Einsätze einem Punktkontakt ausgesetzt werden, besteht die Gefahr des Ab­ splitterns oder der Rißbildung. Infolgedessen müssen die Viel­ kristalldiamant-Einsätze der Krümmung und Neigung der Lager­ zwischenfläche vor dem praktischen Einsatz entsprechen.

Drittens wurde gefunden, daß die Endbearbeitung der Vielkri­ stalldiamant-Flächen dadurch erreichbar ist, daß die beiden Lager einfach mit hohen Geschwindigkeiten und unter hohen Belastungen gegeneinander laufen. Diese Vereinfachung des Bearbeitungsverfahrens wäre nicht möglich, wenn die Vielkri­ stalldiamant-Flächen nicht bereits nahezu ihre Endform hätten.

Zuzüglich zu dem bevorzugten Verfahren der Verwendung von Vielkristalldiamant-Einsätzen, die in kegelstumpfförmige Basisteile eingebaut sind, gibt es alternative Methoden der Bildung von Vielkristalldiamant-Lagerflächen mit der Kegel­ stumpfform gemäß der Erfindung. Theoretisch wäre es erwünscht, ein Lager für die Erfindung mit einem einzigen Vielkristall­ diamantstück mit oder ohne Carbidunterlage zu erzeugen, das für das Zapfen- oder das Kegelrollenlager verwendbar wäre. Bei Anwendung der derzeitigen Hochdrucktechnik ist es jedoch nicht möglich, ausreichend große Stücke von Vielkristalldiamant her­ zustellen.

Eine mögliche Alternative besteht in der Erzeugung mehrerer Vielkristalldiamant-Segmente oder Platten, die zusammengesetzt werden könnten unter Bildung aneinandergrenzender Vielkri­ stalldiamantflächen für die Lager gemäß der Erfindung. Diese Platten könnten dazu verwendet werden, die gesamten Kegel­ stumpfflächen zu bedecken, oder sie könnten in ringförmigen Reihen oder anderen Konfigurationen angeordnet werden, die genügend Vielkristalldiamant-Kontaktflächen bilden würden, um die Lasten zwischen der Kegelrolle und dem Zapfen aufzunehmen, während gleichzeitig die Rotation der Kegelrolle um den Lager­ zapfen erleichtert wird.

Eine weitere Alternative zum Formen der Vielkristalldiamant- Lagerflächen gemäß der Erfindung ist die Verwendung von Viel­ kristalldiamant in einer hochkonzentrierten Matrix. Insbeson­ dere ist es möglich, eine Masse von Brocken oder groben Kör­ nern aus Vielkristalldiamant mit einem geeigneten Metall od. dgl. zu füllen zur Erzeugung eines einheitlichen Stücks, das Eigenschaften aufweist, die denjenigen eines Stücks aus massi­ vem Vielkristalldiamant gleichen. Ein Vorteil dabei ist, daß dieses hochkonzentrierte Matrix-Vielkristalldiamantmaterial in erheblich größeren Stücken als massiver Vielkristalldiamant herstellbar ist. Somit könnte eine einstückige Vielkristall­ diamant-Lagerfläche erzeugt werden.

Eine weitere Alternative zur Bildung der Vielkristalldiamant- Lagerfläche wäre die Beschichtung des Basisteils mit Viel­ kristalldiamant. Es ist möglich, ein Zapfenlager-Basisteil oder ein Kegelrollenlager-Basisteil mit einer Vielkristall­ diamantschicht zu beschichten, und zwar durch Flammspritzen, stromloses Plattieren etc. Auf diese Weise können auf die Lager gemäß der Erfindung Vielkristalldiamantflächen aufge­ bracht werden.

Diese weiteren Alternativen zum Einbau von Vielkristalldiamant in die Lagerzapfen- und Kegelrollenlager stehen zwar zur Ver­ fügung, es ist aber zu beachten, daß sich mit der bevorzugten Ausführungsform, also vorgeformten Vielkristalldiamant-Ein­ sätzen, die in kegelstumpfförmigen Basisteilen gehalten sind, gewisse überraschende und bedeutende Vorteile eingestellt haben. Selbstverständlich ist es im Hinblick auf die relativ hohen Herstellungskosten wirtschaftlich, nur so viel Vielkri­ stalldiamant wie nötig einzusetzen. Es wurde jedoch angenom­ men, daß für eine ausreichend ruhige Rotation und Belastbar­ keit eine zusammenhängende Vielkristalldiamantfläche erfor­ derlich wäre. Uberraschenderweise läuft das Lager gemäß der bevorzugten Ausführungsform außerordentlich ruhig und hat eine hohe Belastbarkeit. Ein weiterer Vorteil der Verwendung ein­ zelner Vielkristalldiamant-Einsätze im Lager besteht darin, daß eine verbesserte Kühlung und Schmierung der Vielkristall­ diamantflächen möglich ist. Aufgrund des geringen Vorspringens der Einsätze vom Basisteil kann der Bohrschlamm jeden Einsatz 72 umströmen. Da ferner die Vielkristalldiamant-Einsätze keine zusammenhängende Fläche darbieten, kann der Bohrschlamm direkt über die Lagerflächen strömen.

Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform, die ähnlich derjenigen nach Fig. 2 ist; dabei ist jedoch der Festlegebolzen 93 in Fig. 5 in den Schenkel 34 und nicht in den Kegel wie in Fig. 2 ge­ schraubt. Der Kopf 98 des Schraubbolzens 93 kontaktiert ein Drucklager 96, das mit einem Drucklager 97 zusammenwirkt, das die Bodenfläche einer Ausnehmung 106 in der Kegelrolle 36 kontaktiert. Durch diese Befestigung dreht sich der Festlege­ bolzen 93 nicht zusammen mit dem Kegel. Die Reibung zwischen den zusammenwirkenden Lagerflächen der Drucklager 95 und 96 und die Steigung des Gewindes 94 erzeugt jedoch einen Selbst­ spanneffekt wie bei der Ausführungsform nach Fig. 2. Auch hier ist es erwünscht, den Schraubbolzen 93 unter Spannung zu hal­ ten, so daß das Zapfenlager 41 und das Kegelrollenlager 42 ständig gegeneinander geschoben sind, was in einer Anpressung der Lagerflächen resultiert.

Bei einer nicht gezeigten weiteren Alternative weist der Fest­ legebolzen an beiden Enden Gewinde auf. Zwei Drucklager und eine Mutter sind auf jedes Ende geschraubt. Diese Drucklager könnten wie in Fig. 2 und 5 flach sein, sie könnten auch Kegelstumpfform oder andere Formen haben, die jeweils das beste Resultat erbringen würden. Richtung und Steigung jedes Gewindesatzes sind so gewählt, daß an beiden Enden ein Selbst­ spanneffekt erzielt wird. Diese Ausführungsform kann zur Ver­ minderung der auf den Festlegebolzen wirkenden Beanspruchung erwünscht sein.

In der vorstehenden Erläuterung war zwar nur von Schraubbolzen zum Festlegen der Kegelrolle auf dem Lagerzapfen und zum Auf­ rechterhalten der Kompression zwischen der Kegelrollen- und der Lagerzapfen-Lagerfläche die Rede; es gibt jedoch auch andere Ausführungsformen. Z. B. können diese beiden Funktionen auch von Stiften ausgeübt werden, die angeschweißt und/oder thermisch aufgeschrumpft sind. Ferner verwenden die beschrie­ benen Kegelrollen sämtlich Bohreinsätze zum Abtragen des Materials, es ist jedoch zu beachten, daß das angegebene Lagersystem sich auch für andere Arten von Kegelrollen eignet, z. B. für solche mit Stahlzähnen oder ringförmigen Rippen zum Angriff an und zur Zerkleinerung von Material. Ferner betrifft ein großer Teil der Beschreibung zwar die Verwendung von Viel­ kristalldiamant auf den Lagerflächen; es liegt jedoch im Rah­ men der Erfindung, als Lagerflächen auch andere Werkstoffe einzusetzen, z. B. polykristallines kubisches Bornitrid, Kera­ mikwerkstoffe oder Metall-Keramik-Verbundwerkstoffe, die unter diesen Bedingungen gut arbeiten können.

Claims (19)

1. Kegelrollenmeißel, gekennzeichnet durch

• - einen Meißelhauptkörper (31) mit wenigstens einem nach unten sich erstreckenden Schenkel (34), an dem sich ein Lager­ zapfen (35) befindet, wobei der Lagerzapfen ein Zapfenlager (41) aufweist, das eine im wesentlichen kegelstumpfförmige Lagerfläche hat;
• - eine Kegelrolle (36), die jeweils auf einem Lagerzapfen (35) drehbar gelagert ist und ein Kegelrollenlager (42) mit einer Lagerfläche hat, die zu der kegelstumpfförmigen Lagerfläche des Zapfenlagers (41) paßt; und
• - Haltemittel zum Halten der beiden Lager (41, 42) in gegen­ seitiger Andrückung.

2. Kegelrollenmeißel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltemittel einen Bolzen (43) aufweisen, der in dem Lagerzapfen (35) rotiert, dessen erstes Ende an der Kegel­ rolle (36) befestigt ist und dessen zweites Ende (47) ein Lager (46) aufweist, das zu einem Lager (45) an dem Schenkel (34) paßt.

3. Kegelrollenmeißel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Bolzenende (44) in der Kegelrolle (36) durch Verschrauben befestigt ist.

4. Kegelrollenmeißel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Lager am zweiten Ende (47) des Bolzens (43) eine erste Druckscheibe (46) mit einer Lagerfläche und das Lager am Schenkel (34) eine zweite Druckscheibe (45) mit einer Lager­ fläche ist, wobei die Lagerflächen der beiden Druckscheiben zusammenpassen und aneinandergedrückt gehalten sind.

5. Kegelrollenmeißel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltemittel einen Bolzen (93) aufweisen, um den die Kegelrolle (36) umläuft, dessen erstes Ende (94) an dem Lager­ zapfen (35) befestigt ist und dessen zweites Ende (98) ein Lager (96) aufweist, das zu einem zweiten Lager (97) an der Kegelrolle (36) paßt.

6. Kegelrollenmeißel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Ende (94) des Bolzens (93) im Lagerzapfen (35) durch Verschrauben befestigt ist.

7. Kegelrollenmeißel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Lager des zweiten Endes des Bolzens (93) eine erste Druckscheibe (96) mit einer Lagerfläche und das zweite Lager an der Kegelrolle (36) eine zweite Druckscheibe (97) mit einer Lagerfläche ist, wobei die Lagerflächen der beiden Druck­ scheiben zusammenpassen und aneinandergedrückt gehalten sind.

8. Kegelrollenmeißel nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß das Zapfenlager (41) und das Kegelrollenlager (42) aus Vielkristalldiamant bestehen.

9. Kegelrollenmeißel nach Anspruch 4 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerflächen der ersten und der zweiten Druckscheiben (46, 45 bzw. 96, 97) aus Vielkristalldiamant bestehen.

10. Kegelrollenmeißel nach einem der Ansprüche 1-9, gekennzeichnet durch Mittel zum Leiten eines Bohrfluidstroms über die Zapfen-und Kegelrollen-Lagerflächen.

11. Kegelrollenmeißel nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Leiten eines Bohrfluidstroms über die Zapfen- und Kegelrollen-Lagerflächen eine Leitung (52) durch den Meißel, die am einen Ende mit einem Bohrfluidvorrat aus einem Bohrstrang und am anderen Ende mit dem Zapfen- und dem Kegelrollenlager (41, 42) kommuniziert, sowie eine Austritts­ leitung aufweisen.

12. Kegelrollenmeißel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

• - daß der Lagerzapfen ein Loch (54) begrenzt, das die Dreh­ achse der Kegelrolle (36) einschließt;
• - daß ein Bolzen (43) das Loch (54) des Lagerzapfens (35) durchsetzt und ein erstes Ende (44), das durch Verschrauben an der Kegelrolle (36) befestigt ist, sowie ein zweites größeres Ende (47) aufweist, das außerhalb des Lochs (54) positioniert ist;
• - daß ein erstes Drucklager (46) an das größere Ende (47) angrenzt und vom Bolzen (43) durchsetzt ist, wobei das erste Drucklager (46) eine erste Drucklagerfläche aufweist;
• - daß ein zweites Drucklager (45) an den Schenkel (34) an­ grenzt und vom Bolzen (43) durchsetzt ist, wobei das zweite Drucklager (45) eine zweite Drucklagerfläche auf­ weist, die zu der ersten Drucklagerfläche paßt; und
• - daß der Bolzen (43) so unter mechanischer Spannung gehal­ ten wird, daß er das Zapfenlager (41) und das Kegelrollen­ lager (42) sowie die beiden Drucklagerflächen in gegenseitiger Anpressung hält.

13. Kegelrollenmeißel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Kegelrolle ein Loch hat, welches die Rotationsachse der Kegelrolle (36) einschließt;
• - daß ein Bolzen (93) das Loch in der Kegelrolle (36) durchsetzt, dessen erstes Ende (94) durch Verschrauben an dem Lagerzapfen (35) befestigt ist und dessen zweites, grö­ ßeres Ende (98) außerhalb des Lochs positioniert ist;
• - daß ein erstes Drucklager (96) an das größere Ende (98) angrenzt und vom Bolzen (93) durchsetzt ist, wobei das erste Drucklager (98) eine erste Drucklagerfläche hat;
• - daß ein zweites Drucklager (97) an die Kegelrolle (36) angrenzt und vom Bolzen (93) durchsetzt ist, wobei das zweite Drucklager (97) eine zu der ersten Drucklagerfläche passende zweite Drucklagerfläche hat; und
• - daß der Bolzen (93) so unter mechanischer Spannung gehalten ist, daß er das Zapfenlager (41) und das Kegelrollenlager (42) sowie die beiden Drucklagerflächen in gegenseitiger Anpressung hält.

14. Kegelrollenmeißel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Kegelrolle (36) und der Lagerzapfen (35) je ein Loch haben, welches die Rotationsachse der Kegelrolle (36) ein­ schließt;
• - daß ein Bolzen das Loch im Lagerzapfen und das Loch in der Kegelrolle durchsetzt, der ein erstes Ende mit einer darauf geschraubten Mutter und ein zweites Ende mit einer darauf geschraubten Mutter hat;
• - daß zwischen der ersten Mutter und dem Schenkel (34) ein erster Satz Drucklager angeordnet und von dem ersten Ende des Bolzens durchsetzt ist;
• - daß zwischen der zweiten Mutter und der Kegelrolle ein zweiter Satz Drucklager angeordnet und von dem zuweiten Ende des Bolzens durchsetzt ist; und
• - daß die erste und die zweite Mutter genügend angezogen sind, um den Bolzen unter Spannung zu setzen, wodurch das Zapfen­ lager (41) und das Kegelrollenlager (42) in gegenseitiger Andrückung gehalten sind.

15. Kegelrollenmeißel nach Anspruch 12, 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Bolzen während des Bohrvorgangs selbstspannend ist.

16. Kegelrollenmeißel nach Anspruch 12, 13 oder 14, gekennzeichnet durch Mittel (52) zum Leiten eines Bohrfluidstroms über die Lager­ flächen des Zapfen- und des Kegelrollenlagers.

17. Kegelrollenmeißel nach einem der Ansprüche 1-16, dadurch gekennzeichnet, daß das kegelstumpfförmige Zapfenlager (41) aus einem Basis­ teil (71) mit einer kegelstumpfförmigen Außenfläche sowie einer Mehrzahl von Vielkristalldiamant-Einsätzen (72) besteht, die in ihrer Lage durch den Basisteil (71) gehalten sind.

18. Kegelrollenmeißel nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielkristalldiamant-Einsätze (72) eine Vielkristall­ diamant-Schicht (74), die unmittelbar auf einer Hartmetall- Unterlage (75) haftend angeordnet ist, umfassen.

19. Kegelrollenmeißel nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß den Vielkristalldiamant-Einsätzen (72) eine Form gegeben wird, die im wesentlichen der Neigung und Krümmung des kegel­ stumpfförmigen Zapfenlagers (41) entspricht.