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Drehbohrmeißel Zusatz zum Patent 697 705
In dem Hauptpatent
697 705 ist ein Drehbohrmeißel für Tiefbohren beschrieben, bei dem mehrere Schneidrollen
auf einem drehbaren Träger angeordnet sind. Dabei liegt die Drehachse des tellerförmigen
Schneidrollenträgers, auf dessen Umfangsfläche die Schneidrollen sitzen, im wesentlichen
senkrecht zur Bohrerachse. Der Zweck dieser Anordnung ist der, daß immer nur einige
der Schneidrollen mit dem Gebirge in Eingriff stehen, die übrigen dagegen in Ruhe
sind und daß durch die Drehung des ganzen Meißels die Schneidrollen nacheinander
und abwechselnd in die Schneidstellung gebracht werden.
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Ziel der vorliegenden Erfindung ist, die Schneidwirkung der umlaufenden
Schneidrollen zu verbessern und gleichzeitig zu verhindern, daß die Rollen bei ihrer
Bewegung über die Bohrlochwand eine andere als eine reine Rollbewegung ausführen.
Weiterhin soll der Drehbohrmeißel so gestaltet sein, daß die Schneidrollen am Bohrlochboden
exzentrisch zur Längsachse des Bohrloches mit dem Gebirge in Berührung gehalten
werden. Das wird dadurch erreicht, daß der Schneidrollenträger geneigt zur Längsachse
des Drehbohrers angeordnet und ein vorteilhaft aus einer Verstärkung des Schaftschenkels
bestehender Führungsteil vorgesehen ist.
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Infolge der Neigung des Trägers sind die Schneidrollen zur Waagerechten
und zu dem Gebirge geneigt, so daß sie sich in einer solchen Lage befinden, um sowohl
in aufwärts als auch in abwärts gerichteten Spiralen über einander gegenüberliegenden
Seiten zu rollen. Infolgedessen schneiden die Schneidrollen das Gebirge von beiden
Seiten des Meißels. Außerdem wird die zwangsläufige Drehung des Trägers sowohl dadurch
herbeigeführt,
daß die Schneidrollen bestrebt sind, einer geneigten
Bahn zu folgen, als-auch dadurch, daß die Schneidrollen mit dem Boden des Bohrloches
in einem Punkt in Berührung kommen, der außerhalb der Schaftachse liegt.
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Diese Anordnung erfordert zweckmäßig eine besondere Lagerung des Schneidrollenträgers
auf seinem Drehzapfen, die gemäß der Erfindung aus einem mittleren Gleitlager und
zwei seitlichen Wälzlagern besteht. Dabei dient das mittlere Gleitlager zur Aufnahme
der Hauptbelastung, während die seitlichen Kugellager die restliche Belastung aufnehmen.
Dabei sind die Ebenen, in der die Kugeln des Kugellagers liegen, ebenfalls zur Lagerachse
geneigt, wodurch gleichzeitig die Kugellaufflächen sich leicht der Abnutzung des
Gleitlagers anpassen können.
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In den Abbildungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt,
und zwar zeigt Abb. i die Seitenansicht eines Drehbohrwerkzeuges nach der Erfindung,
Abb. 2 einen senkrechten Schnitt durch das Werkzeug nach Abb. i, welcher die Lageranordnung
in Aufsicht wiedergibt, Abb.3 einen Horizontalschnitt nach der Linie 3-3 der Abb.
i, Abb.4 die Seitenansicht eines vollständi-g e n Schneidrollenträgers mit
Schneidrollen, welcher aus dem Schaft herausgenommen wurde, Abb.5 eine perspektivische
Teilansicht, welche das Ende eines Schaftschenkels des Werkzeuges und den anstoßenden
geflanschten Lagerteil wiedergibt, und Abb. 6 einen vergrößerten Teilschnitt, welcher
die Ausbildung des Lagers für den Schneidrollenträger zeigt.
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Wie beim Gegenstand des Hauptpatents wird der Schneidrollenträger
14 in einem Schaft io, der mit Hilfe des Gewindebolzens i i an dem Bohrgestänge
befestigt ist, zwisehen den beiden Schenkeln 12 gehalten.
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Der Schneidrollenträger 14 besteht aus aus einem allgemein kreisförmig
ausgebildeten radähnlichen Körper, der am Umfang eine Mehrzahl von radial gerichteten
Schlitzen 22 aufweist. Zu den beiden Seiten der Schlitze 22 sind kleinere Kerben
23 ausgebildet, in denen Bolzen 24 z. B. durch Schweißen fest eingelegt sind. Auf
diesen Bolzen sind die Schneidrollen 18 gelagert. Die Bolzen 24 und damit die Schneidrollenachsen
können wie beim Gegenstand des Hauptpatents verschiedene Stellungen einnehmen je
nach dem gewünschten Zweck.
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Zur drehbaren Lagerung des Trägers zwischen den Schaftschenkeln dient
zunächst der hohlzylindrische Körper 26, welcher ein Innengewinde aufweist und auf
der Außenseite glatt ausgebildet ist und so ein Gleitlager für den Träger 14 bildet.
Auf jeder Stirnseite des Zylinders 26 ist ein geflanschter Teil 28 mit einem
Gewindebolzen angebracht, der in das anstoßende Ende des Zylinders 26 eingeschraubt
ist. jeder Flansch ist außerhalb des Zylinders 26 nach außen hin konisch gestaltet,
und in dieser konischen Fläche ist eine zur Aufnahme von Kugeln dienende etwa halbkreisförmige
Nut 29 vorhanden. Die Kugeln liegen somit auf einem Kreis mit größerem Durchmesser
als der Durchmesser des Teils 26.
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Wie aus Abb. 2 und 3 hervorgeht, entsprechen die inneren Flächen des
Trägers 14 den äußeren Flächen des Lagerkörpers 28, auf welchem der Träger gelagert
wird. Der Träger 14 hat eine zentrale Bohrung, die auf den Teil 26 paßt,
und weist an den Außenseiten entsprechend der konischen Gestaltung des Lagerkörpers
28 ebenfalls konische Flächen auf, in denen eine zur Aufnahme von Kugeln dienende
Nut 3o enthalten ist. Die beiden Nuten 3o des Trägers stimmen mit den beiden Nuten
29 in den Flanschen derart überein, daß sie ringförmige Kanäle bilden, welche zur
Aufnahme einer Anzahl von Kugeln 32 dienen, so daß an jedem Ende des Gleitlagers
ein Kugellager entsteht.
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Die Anbringung des Trägers auf dem zusammengesetzten Lager erfolgt
in der Weise, daß die beiden geflanschten Teile fest in dem mittleren Teil
26 eingeschraubt werden, so daß infolge des Längsdruckes der Flanschen auf
die Kugeln 32 der Träger 14 auf den Kugellagern ruht. Die beiden geflanschten Teile
werden dann gegen Verdrehung durch einen U-förmigen Verriegelungsbolzen 33 gesichert,
der durch einander gegenüberliegende Öffnungen an den beiden geflanschten Teilen
hindurchgesteckt wird. Der Bolzen wird in diese Öffnungen durch die Bohrung 34 eingeführt,
welche sich nach der Außenseite des Flansches 28 zu öffnen. Wenn der Träger und
das Lager so zusammengesetzt sind, können sie gemeinsam von der Seite aus in den
Raum zwischen den Schaftschenkeln 12 eingeführt werden. jeder Flansch 28 besitzt
auf der Außenseite eine vorstehende Nabe 36, die an der Ober- und Unterseite abgeflacht
;st und einen solchen Durchmesser hat, daß sie in einen waagerecht verlaufenden
Schlitz 12, hineinpaßt, der auf der Innenseite des anstoßenden Schaftschenkels 12
ausgebildet ist. Die beiden Schlitze 12" öffnen sich nach der gleichen Seite des
Schaftschenkels 12 hin, so daß das zusammengesetzte Lager waagerecht in die beiden
Schlitze eingeschoben werden kann. Wenn es sich in dieser Lage befindet, sichern
die Naben 36 das Lager gegen Verdrehung in dem Schaft. Die begchiiebene
Anordnung
wird in dem Schaft durch ein Paar- mit Gewinde versehener konischer Bolzen 38 gesichert,
wobei jeder Bolzen durch eine konische Öffnung 37 in der Seite jedes Schaftschenkels
12 eingeführt und in mit Innengewinde versehene Bohrungen 34 des Flansches z8 eingeschraubt
wird. Nachdem die Bolzen 38 genügend angezogen sind, werden die Enden der Splinten
39, welche vorher in jeden Bolzen .eingesetzt worden sind, nach außen umgebogen,
so daß sie in entsprechenden Kerben des Schaftschenkels eingreifen und die konischen
Bolzen gegen Verdrehung sichern.
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Man erkennt, daß der Träger i¢ so -auf dem Schaft verlagert ist, daß
er sich um eine Achse B-B drehen kann, welche gegen die Waagerechte und damit auch
gegen die Achse des Schaftes und des zu bohrenden Bohr-Loches geneigt ist. Die Drehachse
des Trägers wird vorteilhaft gegen die Waagerechte um einen Winkel von annähernd
r5° geneigt, doch kann auch ein größerer oder kleinerer Winkel gewählt werden. 'Die
mittlere Drehebene des Trägers, welche senkrecht zu der Trägerachse verläuft, ist
gegen die Schaftachse um einen gleich großen Winkel geneigt. Der Winkel von annähernd
i5° wurde gewählt, da dann der Träger sich einmal bei 5 bis 15 Umdrehungen des Schaftes
dreht; je nach den Bohrverhältnissen, und die Bewegung der Schneidrollen auf dem
Gebirge dadurch in den richtigen Grenzen gehalten werden. Die Schaftachse geht durch
die Trägeranordnung hindurch und schneidet vorteilhaft- die Drehebene- des Trägers
annähernd in dessen Mittelpunkt, wie aus Abb. 2 zu entnehmen ist. Die Trägerachse
führt vorteilhaft ebenfalls durch diesen Schnittpunkt hindurch bzw. in dessen -Nähe
vorbei.
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Durch Drehung des Bohrwerkzeuges wird die Bohrlochsohle halbkugelförmig
ausgeschnitten. Die Schneidrollen haben dabei das natürliche Bestreben, auf einer
Seite des Trägers zu dem tiefsten Punkt des Bohrloches herabzurollen. Wenn der Schaftkörper
so - klein ausgebildet ist, daß auf allen Seiten ein gewisser Spielraum zwischen
dem Schaftkörper und der Bohrlochwandung vorhanden ist, bewegt sich der Meißel (s.
Abb. i) nach rechts, bis die unterste Schneidrolle 18 sich in der Mitte des Bohrloches
oder in ihrer Nähe befindet. Um eine derartige Zentrierbewegung zu verhindern und
die Lage der Schneidrollen an der Bohrlochsohle festzulegen, sind Einrichtungen
vorgesehen, welche die Schneidberührung auf einer Seite der Schaftachse und ebenfalls
auf einer Seite des Bohrlochmittelpunktesaufrechterhalten. Diese Einrichtungen bestehen
aus einem vergrößerten Teil 12b an dem längeren der Schaft-Schenkel 12" wobei die
Außenfläche des Teiles i2b so weit vorsteht, daß ihr Abstand von der Schaftachse
im wesentlichen gleich dem Radius des zu bohrenden Bohrloches ist. Die Vergrößerung
iah liegt gegen die Bohrlochwandung an, führt den Meißel und bewirkt damit, daß
die Schaftachse im wesentlichen mit der Bohrlochachse zusammenfällt sowie daß die
Schneidrollen in der Nähe des Bohrlochbodens in der richtigen Entfernung von der
einen Seite der senkrechten Achse das Gebirge angreifen. Die Vergrößerung i2b erstreckt
sich in Richtung der Achse B, und zwar auf derjenigen Seite des Schaftes, welche
der Seite gegenüberliegt, auf der die Schneidrollen 18 mit dem Gebirge an der Bohrlochsohle
in Berührung kommen. Der von der Bohrwandung auf die Vergrößerung ,2b ausgeübte
Druck ist quer zur Drehebene des Trägers gerichtet. Die Vergrößerung ,2b ist abgerundet
und besitzt keine Ecken, welche das Gebirge angreifen. Sie kann jedoch gewünschtenfalls
eine harte Oberfläche erhalten, um die Abnutzung beim Reiben auf der Bohrlochwandung
zu verringern.
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Das Bohrwerkzeug bzw. der Bohrmeißel wird gewöhnlich nach rechts oder
im Uhrzeigersinn gedreht, von der Stellung nach Abb. 3 aus gesehen. Die Schneidrollen
auf der dem Beobachter zugekehrten Seite der Abb. i bewegen sich daher beim Arbeiten
nach oben, während die Schneidrollen auf der abgelegenen Seite nach unten wandern.
Die Schneidrollen i8 kommen mit dem Gebirge zunächst an einem Punkt in Berührung,
der annähernd waagerecht gegenüber dem Trägermittelpunkt liegt und rollen auf dem
Gebirge in einer nach unten gerichteten schraubenförmigen Bahn bis zu einem Punkt
an der Bohrlochsohle unterhalb des Meißels. Von dort rollen sie auf dem Gebirge
in einer aufwärts gerichteten Schraubenlinie bis zu einem Punkt in gleicher Höhe
mit dem ersten Berührungspunkt, worauf sie sich von dem Gebirge lösen.
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Wenn man auf das Bohrwerkzeug in Richtung der Abb. i blickt, erkennt
man, daß die Schneidrollen genau einander gegenüberliegen, wenn sie sich an den
Stellen der ersten Berührung mit dem Gebirge und der Lösung von ihm befinden. Wenn
die Sehneidrollen von dem einen dieser Punkte zum anderen wandern, gehen sie nicht
durch die Schaftachse hindurch. Durch Neigung der Trägerachse gelangen die Schneidrollen
daher vollkommen oder im wesentlichen auf die eine Seite der Schaftachse, so daß
an der Bohrlochsohle oder in ihrer Nähe sie das Gebirge in einem Punkt berühren,
der gegen die Schaftachse versetzt ist bzw. auf einer Seite derselben liegt, und
somit die Schneidstellung
der Rollen fast vollkommen auf einer Seite
der Schaftachse liegt. Infolge der Drehung des Trägers kommt jede der Rollen abwechselnd
mit dem Gebirge in Berührung, und alle Schneidrollen bewegen sich nacheinander auf
ähnlichen Bahnen.
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Da zwei Kräftegruppen an dem Träger angreifen, ist eine Drehung desselben
gewährleistet. Die erste dieser Kräfte entsteht durch das Bestreben der Schneidrollen,
einer geneigten Bahn in dem Gebirge zu folgen, so daß die Vertikalkomponente der
Schneidrollenbewegung den Träger in der gewünschten Richtung dreht. Man erkennt,
daß, wenn der Träger in der dargestellten Weise um eine geneigte Achse umläuft,
eine Schneidrolle auf einer Seite des Meißels sich in der richtigen Lage befindet,
um auf einer nach unten geneigten Bahn mit einer reinen Rollbewegung zu wandern.
Wenn dann infolge der Trägerdrehung diese Schneidrolle auf die andere Seite des
Meißels gelangt, besitzt sie wieder die richtige Neigung, um mit einer rollenden
Bewegung auf einer nach oben geneigten Bahn zu wandern, so daß die Vertikalkomponenten
der Schneidrollenbeivegungen auf beiden Seiten des Trägers zu der Drehung des letzteren
beitragen. Die zweite, eine Drehung des Trägers bewirkende Kraft besteht in erster
Linie aus derjenigen Kraft, welche durch die Berührung der Schneidrollen mit der
Bohrlochsohle an einem gegenüber der Schaftachse versetzten Punkt zustande kommt.
Man erkennt, daß, wenn der Schaft sich um seine Achse dreht, infolge der exzentrischen
Berührung der Schneidrollen mit dem Gebirge eine Drehung des Trägers um seine <ochse
herbeigeführt wird, wobei die Vorderseite des Trägers sich in gleicher Richtung
nach unten bewegt, wie dies bei einem Fahrzeugrad der Fall ist, wenn es über eine
Oberfläche geschoben wird, und daß die Geschwindigkeit der Trägerdrehung annähernd
proportional zu der Entfernung der Schaftachse von dem Berührungspunkt der untersten
Schneidrolle mit dem Gebirge ist.
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Die weiter oben beschriebene Lageranordnung umfaßt zwei Hauptteile.
Der eine besteht aus dem von der Außenfläche des mittleren Teils 26 gebildeten Gleitlager,
welches den Hauptteil der auf den Meißel durch die Bohrarbeit ausgeübten vertikalen
Belastung aufnimmt. Der andere Teil enthält die beiden Kugellager, die durch die
in den Nuten 29 und 3o befindlichen Kugeln 32 gebildet werden und die restliche
Belastung aufnehmen. Die Kugellager führen nicht nur eine Zentrierung des Trägers
auf dem Gleitlager herbei, sondern halten ihn auch in der richtigen Stellung in
dem Bohrloch. Die Kugellager sind infolge der neuen Ausbildung in der Lage, diese
Funktion wirksam auszuführen, und zwar ohne Rücksicht auf die Größe der Abnutzung
des Lagers.
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Die Nuten 29 sind im Querschnitt halbkreisförmig ausgebildet und besitzen
im wesentlichen den gleichen Krümmungsradius wie die Kugeln 32, welche in den Nuten
angeordnet sind und über deren ganzer Breite aufliegen. Dadurch, daß die Kugeln
32 über einen möglichst großen Teil der Nutenbreite aufliegen, besitzen die Nuten
29 eine große Widerstandsfähigkeit gegen Abnutzung, welche noch dadurch erhöht werden
kann, daß die Nuten mit einem harten und abnutzungsbeständigen Metall ausgekleidet
werden. Jede Nut 30 besitzt im Querschnitt einen größeren Krümmungsradius,
als dem Radius der Ku-
geln 32 entspricht, und ist vorteilhaft etwa doppelt
so breit wie tief. Die Nuten 30 werden vorteilhaft nicht mit einem harten
Metall ausgekleidet, sondern aufgekohlt und abgeschreckt, so daß eine harte Oberfläche
entsteht, die trotzdem etwas weicher ist als die Auskleidung der Nuten 29.
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Durch diese Ausbildung wird die Berührung des Trägers mit den Kugeln
auf einen kleinen Teil der Nuten beschränkt, wobei dieser Teil in der Mitte der
Nut 30 liegt, wie klar aus Abb. 6 zu entnehmen ist. Der tatsächlich in Berührung
mit einer Kugel 32
kommende Abschnitt der Nut 30 ist so kurz, daß die
Berührung auf einer Seite der Kugeln auf eine zu der Lagerachse geneigte Fläche
beschränkt ist, wobei diese ganze Fläche im wesentlichen die gleiche Neigung aufweist,
jedoch gegenüber einer ebenen Fläche den Vorteil besitzt, daß die Berührungsfläche
etwas größer und damit der Druck je Flächeneinheit niedriger ist. Erwünschtenfalls
kann diese geneigte Fläche auf dem Flansch oder sowohl auf dem Träger als auch auf
dem Flansch ausgebildet werden, doch empfiehlt es sich, sie lediglich auf dem Träger
vorzusehen, wie dies in den Zeichnungen dargestellt ist.
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Durch diese Ausbildung der Kugelnut kann man ihre Abnutzung weitgehend
derart beherrschen, daß sie annähernd der Abnutzung des Gleitlagers entspricht.
Die Nut-3o ist weniger abnutzungsbeständig als die anderen Lagerflächen und nutzt
sich daher verhältnismäßig schneller ab, was noch dadurch unterstützt wird, daß
weniger Material entfernt zu werden braucht. Der auf das Lager ausgeübte Druck liegt
anfänglich in Richtung der Pfeile 45 (s. Abb. 6), rechtwinklig zu der mit der Kugel
in Berührung stehenden Trägerfläche. Durch Abnutzung des Gleitlagers wird der Träger
in Richtung des Pfeiles 46 radial zu dem Zapfen bewegt.
Um mit Milfe
des Drucklagers eine gleiche Bewegung des Trägers herbeizuführen, braucht die Abnutzung
dieses Drucklagers nur gleich er Bewegungskomponenten 46 in der Richtung45 zu sein,_
wobei sich diese Komponente mit dem Kosinus des Winkels 47 ändert. Wenn der Winkel,
unter dem die Kraft angreift, wie dargestellt, 45° beträgt, braucht die Gesamtabnutzung
des Kugellagers nur 0,7 der Abnutzung des Zapfens zu sein, damit alle Teile
ihre -ursprüngliche Einstellung zueinander beibehalten und eine konstante Belastungsverteilung
auf den Zapfen und die Kugellager aufrechterhalten wird. Wenn die Resultierende
aller dieser verschiedenen Faktoren so liegt, daß die beiden Lager sich nicht in
diesem Verhältnis abnutzen, kann der Winkel47 geändert werden, so daß eine mehr
oder weniger große Abnutzung an dem Drucklager erfolgt, und zwar, je nachdem wie
sie erforderlich ist, um die gewünschte Lastverteilung aufrechtzuerhalten.