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Verlängerungsbohrgestänge für Gesteins-Drehbohrmaschinen Im Bergbau,
besonders im Kalibergbau, werden Sprenglöcher von mehreren Metern Tiefe verlangt.
Da bei der Verwendung von Drehbohrmaschinen mit Zwangsvorschub oder Vorschubhilfseinrichtungen
der Bohrndruok bei den üblichen Bohrlochdurchmessern, z. B. von 36. bis 4 mm, bis
zu mehreren hundert Kilogramm ansteigt, werden an das Bohrgestänge in mechanischer
Hinsicht hohe Anforderungen gestellt. Es ist bekannt, zur Herstellung tiefer Bohrlöcher
sagenannte Satzbohrgestänge- zu verwenden, :d. h. für ein z. B. 5 m langes Bohrloch
werden fünf Bohrstangen von je 1, 2, 3, q. und 5 m Länge benötigt, wobei nach Abbohren
der kürzeren Bohrstunge jeweils die nächstlängere Stange eingesetzt wird. Mit Rücksicht
auf die Umständlichkeit in der Handhabung der langen Bohrstangen bei den beschränkten
Raumverhältnissen und; den durch das Auswechseln der sperrigen Bohrstangen bedingten
Zeitaufwand ist es auch bekannt, ein sogenanntes Verlängerungsbohrgestänge zu verwenden.
Dieses Verlängerungsbohrgestänge besteht aus mehreren Bohrstangen einheitlicher
Länge, z. B. vorn r m, die durch eine besondere Kupplung nach Bedarf zu einem Gestänge
der gewünschten Länge zus,ammensetzbar sind. Auf diese Weise können auch bei beschränkten
Raumverhältnissen Bohrungen großer Länge hergestellt werden.
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Das Bohrgestänge hat meist das übliche Schwertprofil, und zur Kupplung
je zweier Bohrstangen wird ein axialer unrunder Doppelkonuszapfen benutzt, welcher
in, entsprechende Öffnungen der miteinander zu verbindenden Bohrstangenenden gesteckt
ist. Zur Übertragung der Zugkräfte,
z. B'. beiT Herausziehen des
abgebohrtenGestänges, ist der "Doppelkonuszapfen in ;den Bohrstangenenden .durch
Niete, Drahtstücke, Stifte od. dgl. befestigt, welche durch entsprechende Bohrungen
gesteckt sind. Beim Zusammensetzen bzw. Atiseina.ndernehmen des Gestänges ist somit
jeweils die Zuhilfenahme eines Werkzeuges zum Einführen und Herausziehen der erforderlich.
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Es ist auch bereits eine Verbindung der einzelnen Bohrstangen mit
einem sogernannten Nasenzapfen bekannt, bei der die Zuhilfenahme eines Werkzeuges
zur Herstellung und Lösung der Verbindung nicht erforderlich ist.
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Fig. z ist eine .derartige Nasenzapfenverbindung im Längsschnitt,
Fig. 2 im Schnitt nach der Linie IhII und Fig. 3 nach der Linie IT;I-III.
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Die beiden miteinander zu verbindenden Bohrstangenenden sind mit z
und 2 bezeichnet. In eine konische Öffnung 3 des einen Bohrstangenendes z ist ein
ebenfalls konischer Verbindungszapfen 4 eingesetzt und durch einen Stift 5 festgelegt.
Das linke Ende des Verbindungszapfens 4 besitzt eine einseitig vorstelhende Nase
6, welche im zusammengesetzten Zustand in eine Nische 7 im anderen Bohrstangenende
2 hineinragt und eine Schulter 8 hintergreift, so daß beim Zug an der Bohrstange
-z die Bohrstange'2 mitgenommen wird. Das Drehmoment, welches beispielsweise von
der Bohrstange i auf die Bohrstange.2 übertragen werden muß, wird durch den unrunden
Zapfen 4 vermittelt. Um die Einführung des Nasenzapfens zu ermöglichen, muß das
Bohrgestänge an der Kupplungsstelle etwas abgeknickt werden, bis die Nase 6 die
Schulter 8 verläßt. Um diese Bewegung zu ermöglichen, ist das Bohrstangenende r
bei 9 etwas abgeschrägt.
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Obwohl die Bohrgestänge und insbesondere die Verbindungszapfen aus
hochwertigen Stählen hergestellt werden, gestattet die ungünstige Quer-s
-c linittsgestaltung - an den Verbindungsstellen der Verlängerungsbohrgestänge in
tiefen Bohrlöchern oder bei härterem Gestein nicht, unter einen gewissen Bohrlochdurchmesser
von beispielsweise etwa 3.6 mm herunterzugehen, weil anderenfalls bei den hohen
Bean'spruchüngen die Gefahr vön Brüchen eintreten "wurde: `Eine Verringerung des
Bohrlochdurchmessers würde aber beträchtliche Vorteile mit sich bringen. Es würde
damit nicht nur das'Gewicht des. Bohrgestänges verkleinert und somit dessen Transport
und Handhabung .erleichtert, sondern auch eine merkliche Verringerung der Antriebskräfte
erreicht werden, woraus .sich wieder eine Verkleinerung der Antriebsmaschine ergäbe.
Gleichzeitig wäre mit :der Ve"rringerurig des Bohrlochdurchmessers auch eine durchaus
erwünschte Verririge.rung des spezifischen Sprengstoffverbrauches verbunden.
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Die bekannten Bohrgestänge haben außerdem meistens ein sogenaimtes
Schwertprofil, d. h. ein rautenförmiges Profil gemäß Fig. 2. Derartige Schwertprofile
wirken sich hinsichtlich des `"Transportes des Bohrmehls insofern urigünstig aus,
weil die transportierende, schrau=benartig gewundene Vorderfläche, wie aus Fig.
2 ersichtlich, einen spitzen Winkel-mit der Bohrwandung einschließt. Die Folge ist,
daß das Bohrmehl statt zu fließen, mehr oder weniger herausgewa:lkt wird. Dieser
,Tac'liteü- macht sich besonders bei grobkörnigem 1
Bohrmehl, wie es bei dem
aus verschiedenen Gründen erwünschten Bohren mit brechenden Bohrschneiden, .also
bei dickem Span, und bei langsamer Drehzahl der Bohrer anfällt, bemerkbar. Auch
das im Betrieb unvermeidlicheAbnutzen bzw. Abschleifen der hohen Kante des Schwertprofils
an den Bohrlochwandungen verhindert bald den ausrei@hemideri Abtransport des Bohrmehls,
so daß das Bohrloch sich -verstopft und Gestängebrüche infolge von Verklemmungen
eintreten können. Verwendet man, wie es bereits vorgeschlagen wurde, zur Erhöhung
der Festigkeit des Verlängerungsbohrgestänges an den durch die Unterbringung der
Verbindungszapfen. geschwächten Verbindungsstellen ein sogernanntes Schwertlinsenprofil,
das an den äußerem Kanten etwas verstärkt ist, so werden, wie sich ohne weiteres
ergibt, die Schwierigkeiten für den Bohrmehltransport nur noch größer.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der geschilderten
Nachteile der bekannten Verlängerungsbohrgestänge eine Erhöhung der Festigkeit der
Gestängeverbindung sowie ein.. Verringerung .der Verklemmungsgefahr :durch Erleichterung
des Bohrmehltransportes zu erreichen, um die Vorausetzungen für die erwünschte Verringerung
des Bohrlochdurchmessers zu schaffen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe benutzt die Erfindung ebenfalls eine Nasenzapfenverbindung;sie
befreit den Nasenzapfen aber von einer Torsionsbeanspruchung und läßt das Drehmoment
von einer Bohrstange zur nächsten auf andere Weise unmittelbar Übertragen. Die Erfindung
schlägt vor, den Nasenzapfen in einer der Bohrstangen drehbar zu haltern und die
Drehmomentübertragung durch eine davon getrennte Mitnehmerverbindung zu bewirken.
Damit fällt dem Nasenzapfen außer der Zentrierung nunmehr die Aufgabe zu, das Gestänge
in axialer Richtung zusammenzuhalten; seine Hauptbeanspruchung erfolgt also lediglich
auf Zug. .A.us diesen Gründen kann er wesentlich schwächer gehalten werden als bisher.
Die Mntnehmerverbinbin.dung zwischen .den miteinander zu kuppelnden Bohrstanäen,
die .durch einfache Mitnehmervorspränge an den Bohrstangenenden gebildet sein kann,
liegt seitlich des Verbindungszapfens. Die Drehkräfte greifen mehr am Umfang des
Gestänges, d. h. mit größerem Hebelarm, an. Um den Bohrstangenenden, insbesondere
den Mitnehmern, ausreichende Festigkeit zu geben, ist es vorteilhaft, das Bohrstangenprofil
am Umfang besonders zu verstärken. Dabei: ergibt sich die Möglichkeit, das Profil
geriiäß der weiteren Erfindung so auszubilden, däß es mindestens auf der Förderseite
am Rande schaufelartig vorspringt. Es ist auch möglich, eine Art Doppdl-T-Profil
mit einer runden Verstärl{üng im Kern zur Aufnahme des Verbindungszapfens
zu
verwenden. Eine auf diese Weise am Rand verstärkte Profilform bedingt mit ihrer
äußeren Rundung gleichzeitig eine gute Führung des Gestänges im Bohrloch, so daß
seineAbnutzung am Umfang auf .den Bohrmehltransport praktisch bedeutungslos bleibt.
Infolge der besonderen Gestaltengder vorderen, fördernden Kante erfolgt der Bohrmehltransport
in günstiger Weise in gewundenen Transportkanälen mit mehr oder weniger kastenförmigem
Querschnitt, der sich leicht so gestalten läßt, :daB die transportierenden Flächen
mit der Bohrlochwandung einen annähernd rechten Winkel bilden. Dadurch ist die Gewähr
gegeben, daß auch gröberes Bohrmehl einwandfrei transportiert wird, so daß Überbeanspruchungen
des Gestänges durch Verklemmungen vermieden werden und .die Windungszahl des Gestänges
auch bei kleineren. Bohrdrehzahlen verhältnismäßig gering gehalten werden kann.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
Es zeigt Fig.,i eineAnsicht der gekuppeltenEnden zweier Bohrstangen, F ig. 5 eine
Draufsicht, Fig. 6 einen Schnitt nach VI-VI in Fig. d. und Fig. 7 einen Schnitt
nach VII-VN in Fig. d..
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Die beiden miteinander gekuppelten Bohrstangenenden sind mit @vo und
iii bezeichnet. Die eine Bohrstange i-o enthält eine zylindrrische Bohrung, in die
der ebenfalls zylindrische Verbindungszapfen 13 drehbar eingesetzt ist. Zur Verhinderung
seiner Axialverschiebung weist er eine oder mehrere Ringnuten 1q., i4.' auf, in
die durch entsprechende Bohrungen des Stangenendes io gesteckte Stifte 'i5, 15'
tangential eingreifen. Das Ende i i der benachbarten Bohrstange weist ähnlich wie
bei der bekannten Ausführung nach Fig. i bis 3 eine Nische 16 auf. Der Verbindungszapfen
i3 trägt eine Nase 17, welche die durch die Nische i b gebildete Schulter
i $ hintergreift. Die Nische 16
und die Nase 17 sind so ausgebildet, daß letztere
bei einer Verdrehung der Gestängeenden io, ii gegeneinander in der dargestellten
Lage verbleibt und sich der Verbindungszapfen -i3 im Bohrstangenende io frei dreht.
Die Nase 17 kann dabei vorteilhaft .das in Fig. q.a dargestellte Profil haben,
das einem Schnitt nach a-a in Fig. ,l entspricht. Dieses Profil kann über eine Linsenform
nach Fig-4b, entsprechend dem Schnitt nach b-b in Fig. .4, in das kreisförmige Profil
innerhalb des Stangenendes io allmählich übergehen.
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Die Mitnehmerverbindung zwischen den beiden Bohrstangenenden io und
ifi geschieht vorteilhaft durch in der Nähe ihresUmfanges vorhandeneM,itnehinervorsprünge.
Hierzu kann, wie aus Fig. d. bis 7 ersichtlich ist, das Bdhrstangenende @iri auf
beiden Seiten mit einer Ausnehmung versehen sein, in die ein, durch eine entsprechende
Ausnehmung gebildeter Vorsprung 12 des anderen Bohrstangenendes io eingreift. Die
Anordnung ist so getroffen, daß die Bohrstange i i durch die beiden Mitnehmer 12
mitgenommen wird. In den Fig..6 und 7 ist dies in der Pfeilrichtung der Fall. Beim
dargestellten Ausführungsbeispiel ist durch hälftige Unterteilung der ineinandergreifenden
Teile der Mitnehmerverbindung erreicht, .daß die Bohrstangenprofile an der Verbindungsstelle
zwischen zwei Stangen übereinstimmen bzw. fluchten: Wenn auch diese Ausbildung insbesondere
für den Transport des Bohrmehls besonders günstig sein kann, so ist doch die Erfindung
hierauf nicht beschränkt. Wesentlich ist nur, @daß der Verbindungszapfen
13 von den bei der Bohrarbeit zu .übertragenden Drehkräften befreit ist und
sich bei einer Verdrehung der beiden miteinander .gekuppelten Stangen lose mitdrehen
kann, während das Drehmoment selbst durch eine von ihm getrennte Mitnehmerverbindung
zwischen -den miteinander zu kuppelnden Stangenenden erfolgt.
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Zum Zusammensetzen und Auseinandernehmen des Bohrgestänges ist ähnlich
wie beider bekannten Nasenzapfenverbindung gemäß Fig. i bis 3 wieder eine Knickeng
des Gestänges um einen Winkel erforderlich, welcher der wirksamen Höhe der Nase
17 entspricht. Um diese Bewegung zu ermöglichen, sind auf der Seite der Nische r6
die Begrenzungsflächen des vorstehenden Anschlages 112 bei i9, 2o und e2a sowie
bei 22 um einen entsprechenden Betrag abgewinkelt.
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Zur Erhöhung der Festigkeit des Bohrgestänges, das bei der neuen Ausbildung
das Drehmoment in der Nähe des Umfanges zu übertragen hat, wird das Bohrstangenprofil
am Umfang vorteilhaft verstärkt. Dieses kann dadurch geschehen, daß im Gegensatz
zum bekannten Schwertprofil oder zum Schwertlinsenprofil der äußere Rand mindestens
auf der Förderseite schaufelartig vorgezogen `wird. Um auch den vorstehenden Mitnehmern
12, der Bohrstange,ro eine genügende Festigkeit zu geben, kgnri die Rückseite des
Profilrandes in gleicher Weise ausgebildet sein. Dadurch entsteht ein doppel-T-förmiges
Profil, .das in der Mitte für die Aufnahme des Verbindungszapfens eine leichte Verdickung
aufweisen kann, und, wie ohne weiteres erkennbar ist, eine außerordentlich hohe
Verdrehungsfestigkeit aufweist. Diese wird an der oder den Verbindunggs:tellen kaum
beeinträchtigt, da der Verbindungszapfen im wesentlichen nur auf Zug beansprucht
wird und deshalb erheblich kleiner ausgeführt werden kann als bei der bekannten
Nasenzapfenverbindung, bei der der Nasenzapfen auch das Drehmoment zu übertragen
hat. Somit ergibt sich :die Möglichkeit einer aus verschiedenen Gründen erwünschtem
Verkleinerung des Bohrerdurchmessers ohne Gefährdung der Gestängefestigkeit. Es
kommt noch hinzu, daß infolge der neuen Profilform die Gefahr einer hinsichtlich
der Bohrrnehlförderung nachteiligen Abnutzung der Bohrstangenkanten unterbunden
ist und daß darüber hinaus die Förderung des Bohrmehls schon an sich erheblich erleichtert
wird, weil durch die schaufelartige Förderkante das Bohrmehl von. den Bohrlochwandungen
abgedrängt und in einen zu einem großen Teil vom Bohrer selbst umschlossenen Schraubenkanal
pach rückwärts befördert wird. Dadurch . werden Verklemmungen infolge Bohrmehlverstopfung
und
Überanspruchungen des Bohrgestänges vermieden, die sonst bei der Dimensionierung
des Gestänges ebenfalls berüc!ks@ichtigt werden müßten.
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Ein weiterer Vorteil der neuen. Bohrgestäng-;-verbindung besteht auch
darin, daß sich die öffnungen für die Aufnahme des Verbindungszapfens auf erheblich
einfachere Weise herstellen lassen als bei den bekannten Ausführungen. Während bei
letzteren, z. B. nach Fig. i bis 3, die Verbindungszapfen urirund und konisch sind,
also zur Herstellung der sie aufnehmenden Öffnungen eine umständliche Fräsarbeit
mit warmer, Nachbehandlung der Ges:tängeenden erforderlich machen, lassen .sich
die zylindrischen Öffnungen zur Aufnahme des neuen drehbaren Verbindungszapfens
durch einfaches Aufbohren der Gestängeenden herstellen.
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Bei denn Ausführ.ungs.beeispiel nach den Fig. .4 bis 7 ist der Verbindungszapfen
frei drehbar. Es kann aber gegebenenfalls vorteilhaft sein, den @\Tasenzapfen rin
zusätzlich leicht so zu fixieren., daß er sich von vornherein in der richtigen Relativlage
zur Nische i!6 befindet, um das Einhängen des zu kuppelnden Gestängestückes zu erleichtern.
Dies kann mit Hilfe eines schwachen oder geschwächten Haltestiftes geschehen, der
beispielsweise in Fig. 4. etwa bei 2-3 durch einander entsprechende Bohrungen
in der Bohrstange io und in dem Verbindungszapfen113 gesteckt ist, und der nur eine
solche Abscherfestigkeit aufweist, daß er beim Kuppeln und Entkuppeln des Bohrgestänges
den Verbindungszapfen r3 in seiner Lage hält. Gibt man der Nase 17 in der
Nische 16 so viel Spiel, daß der Abscherstift erst dann durch die Bohrkräfte beansprucht
wird, wenn die übereinandergreifenden Mitnehmervorspvünge an den Gestängeenden brechen,
so wird anschließend auch der Abscherstift abgeschert. Der Verbindungszapfen i3
kann sich dann im Bohrstangenende io. frei drehen. Um das Bohrstangenende no durch
,die Stiftbohrungen nicht zu sehr zu schwächen, kann es zweckmäßig sein, nur einen
Tanggentialstift, z. B. i5', anzuordnen.