EP1525370B1 - Vorrichtung zum vortreiben von bohrungen im erdreich - Google Patents

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EP1525370B1
EP1525370B1 EP03766209A EP03766209A EP1525370B1 EP 1525370 B1 EP1525370 B1 EP 1525370B1 EP 03766209 A EP03766209 A EP 03766209A EP 03766209 A EP03766209 A EP 03766209A EP 1525370 B1 EP1525370 B1 EP 1525370B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
drill head
main shaft
circumferential region
drill
receiving end
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP03766209A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1525370A2 (de
Inventor
Michael Mohrmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mhwirth GmbH
Original Assignee
Wirth Maschinen und Bohrgeraete Fabrik GmbH
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Filing date
Publication date
Priority claimed from DE2002134336 external-priority patent/DE10234336A1/de
Priority claimed from DE2002134337 external-priority patent/DE10234337B4/de
Priority claimed from DE2002134338 external-priority patent/DE10234338B4/de
Priority claimed from DE2002137889 external-priority patent/DE10237889C1/de
Application filed by Wirth Maschinen und Bohrgeraete Fabrik GmbH filed Critical Wirth Maschinen und Bohrgeraete Fabrik GmbH
Publication of EP1525370A2 publication Critical patent/EP1525370A2/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1525370B1 publication Critical patent/EP1525370B1/de
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B10/00—Drill bits
    • E21B10/08—Roller bits
    • E21B10/083—Roller bits with longitudinal axis, e.g. wobbling or nutating roller bit
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B10/00—Drill bits
    • E21B10/08—Roller bits
    • E21B10/086—Roller bits with excentric movement
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B4/00—Drives for drilling, used in the borehole
    • E21B4/006—Mechanical motion converting means, e.g. reduction gearings
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B4/00—Drives for drilling, used in the borehole
    • E21B4/16—Plural down-hole drives, e.g. for combined percussion and rotary drilling; Drives for multi-bit drilling units
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21D—SHAFTS; TUNNELS; GALLERIES; LARGE UNDERGROUND CHAMBERS
    • E21D9/00—Tunnels or galleries, with or without linings; Methods or apparatus for making thereof; Layout of tunnels or galleries
    • E21D9/10—Making by using boring or cutting machines
    • E21D9/11—Making by using boring or cutting machines with a rotary drilling-head cutting simultaneously the whole cross-section, i.e. full-face machines
    • E21D9/112—Making by using boring or cutting machines with a rotary drilling-head cutting simultaneously the whole cross-section, i.e. full-face machines by means of one single rotary head or of concentric rotary heads
    • E21D9/113—Making by using boring or cutting machines with a rotary drilling-head cutting simultaneously the whole cross-section, i.e. full-face machines by means of one single rotary head or of concentric rotary heads having a central part for making a pilot tunnel and a follow-up part for enlarging the pilot tunnel

Definitions

  • the invention relates to a device for propelling holes in the ground, as is known from DE 43 32 113 A1.
  • a rotationally driven shaft is rotatably mounted within a machine housing, on which the working face or the bore sole facing the end of a drill head is arranged.
  • the drill head is formed differently. Difficulties therefore often occur when changing over the drilling length, the nature of the degraded soil.
  • rock drill heads which are generally filled with rollers, chisels or disks, stick in soft, for example loamy soils;
  • drill heads that show good drilling performance in loamy or mobile soils quickly fail due to high wear when encountering rocks or large rocks.
  • a further disadvantage is that the drilling operation subject to a significant wear boring head by the external bevel gear is expensive to manufacture, thereby increasing the operating costs of this device.
  • the invention is therefore the object of developing a known from DE 43 32 113 A1 device such that it is suitable for a wider range of different soils.
  • the rotary drive of the drill head is further characterized in that it has a peripheral region which runs during the rotation of the main shaft at a mating peripheral region.
  • the rotation of the drill head caused by the run-off is now influenced according to the invention in terms of its rotational speed by virtue of the fact that the counter-peripheral region itself can be displaced in rotation. Depending on the direction of rotation of the circumferential area, an increase or reduction of the resulting rotational speed of the drill head is thus effected at a constant rotational speed of the main shaft.
  • peripheral area and the peripheral area running on it can be turned off in any way that ensures drainage during operation. Because of the ease of manufacture and reliability, however, it is preferred if the peripheral region comprises an outer toothing and the mating peripheral region comprises an internal toothing.
  • the mating peripheral region is preferably formed by a ring gear arranged concentrically to the main shaft axis, which can be set into rotation in accordance with the invention.
  • a preferred embodiment of the device according to the invention therefore provides that the mating peripheral region can be set in rotation by means of a planetary gear meshing with the main shaft.
  • This embodiment has the advantage that it requires no further complicated drive motors compared with the generic device. Furthermore, this embodiment is characterized by a particularly high reliability.
  • the mating peripheral area by means of a separate drive independent of the main shaft, i. No coupling of the circumference area and main shaft.
  • the separate drive is then configured controllable or controllable, whereby an adjustment of the ratio between Bohrkopffitiere and Taumelfrequenz to the type of each pending soil is possible during operation.
  • the feed and the rotary drive of the main shaft by means of a hydraulic medium means that control the hydraulic pressures for effecting the feed and the rotary drive of the main shaft relative to each other or regulate. For example, if the pressure on the engine for the rotary drive is not high enough, the hydraulic pressure to effect the feed is reduced until the working pressure on the drive motor to effect the rotary drive is sufficient. If the pressure at the drive motor is too high, the hydraulic pressure to effect the feed is reduced until the desired pressure at the rotary motor also sets. As a result, optimal utilization of the device is ensured by this configuration by the largest possible drilling progress is achieved; without this need to be readjusted manually permanently.
  • the drill head is designed in several parts, such that the by the friction of the soil to be dissolved a high-subject subject tool part of the bearing part is solvable.
  • the drill head wherein the tool part is fastened by screws to the bearing part. These are preferably arranged evenly distributed uniformly over a pitch circle of the bearing part.
  • a sealing arrangement which seals the bearing assembly for the drill head at least substantially, prevents wear-increasing overburden reaches up to the area in which the peripheral region runs off at the mating peripheral area.
  • the sealing arrangement comprises an elastic bellows. This serves to compensate for the radial relative movement between the bearing part of the drill head and a non-tumbling, but revolving with disc speed flange.
  • the latter is preferably sealed by a mechanical seal with respect to the housing of the device.
  • the drill head and the receiving end of the conveyor line are designed such that by the tumbling motion of the drill head such cuttings that is located in front of the receiving end, is mechanically transported to the conveyor line, the removal of the cuttings is much more effective than in the prior art ,
  • the drill head has on its side facing away from the face at least one projection which penetrates by the wobbling at least almost into the receiving end of the delivery line, the cuttings are particularly effectively introduced into the delivery line and by the recurrent mechanical pressure in the conveyor unit transported further.
  • means for reducing at least large drill bits are preferably provided in the region adjoining the receiving end of the delivery line.
  • These means may consist of actively working, i. even driven stone breakers exist.
  • the means for comminution include very difficult in the cross section of the conveying line extending crushing ribs.
  • the effectiveness of the delivery line i. the Abtragsrate achieved with this is again increased when the receiving end is formed in partial cross-section in cross section. It is then possible to arrange the receiving end in the bore along the inner circumference of the bore and symmetrically to its lowest point, so that no "height differences have to be overcome for the" loading "of the receiving end.
  • the application rate can be increased again if the device additionally comprises means for injecting conveying air into the drill head space, as is known for the pneumatic removal of the prior art.
  • the apparatus designated as a whole by 100 comprises a drill head 1 which has a tool part 30 designed as a scraping disk 2 and a bearing part 3.
  • the scraper 2 and the bearing part 3 are fastened together with a plurality of cylinder screws 4, only one of which is shown in the drawing.
  • the cylinder screws 4 are evenly distributed on a pitch circle with the radius R arranged. Due to the division of the drill head 1 of the subjected to wear tool part 30 can be dismantled after reaching the wear limit by loosening the screws 4 on the site and replaced by a new or restored tool part.
  • the scrub location 2 is provided with a central cutting edge 5 whose tip 6 lies on the axis of rotation A of the drill head.
  • the scraper 2 has in the illustrated embodiment, three radially outwardly extending arms 7, 7 ', 7 ", of which the arm 7 shown in the drawing above is occupied by a plurality of chisels 8.
  • the drill head 1 is mounted on the bearing part 3 by means of a bearing assembly 40, the tapered roller bearings 9, 10, rotatably mounted on a shaft journal 11 of a main shaft 12.
  • the one substantially cylindrical outer peripheral surface having shaft journals 11 is formed on the main shaft 12 so that its axis B with the axis of rotation A forms an acute angle w of about 5 °.
  • the main shaft 12 is in turn rotatably supported by tapered roller bearings 13, 14 in a machine housing 15 about the axis of rotation A and is rotationally driven by a frontally flanged hydraulic motor 16.
  • the part of the bearing part 3 applied to the scraper 2 is known as concentric with the axis B of the shaft journal 11 arranged gear, hereinafter referred to as the wobble edge 17, and thus formed as a peripheral portion 18 which expires upon rotation of the main shaft 12 in an acting as a counter-peripheral region 19 internal teeth 20.
  • the internal toothing 20 is formed on a ring gear 21, which is arranged concentrically with respect to the main shaft axis and rotatably mounted relative thereto.
  • the ring gear has a further internal toothing 22 which is part of a planetary gear designated as a whole by 28.
  • the teeth of the smaller diameter parts 24 of planetary gears 23 engage.
  • the larger diameter parts 25 of the planet gears 23 engage with their teeth in a provided on the main shaft 12 external teeth 26 and provided in the machine housing 15 internal teeth 27, so that the planetary gears 12 during rotation of the main shaft in the same sense of rotation encircle the axis of rotation A.
  • the ring gear 21 is offset in opposite directions rotation to the drill head 11, the rotation of which is effected by running of the wobble wheel 17 on the internal teeth 20. It is understood that by selecting the ratios in the planetary gear 28, the rotational speed of the ring gear 21 relative to the main shaft 12 and thus in the result the ratio of wobble frequency to rotational frequency of the drill head can be specified.
  • a sealing arrangement 50 is provided. It comprises an elastic bellows 51, which is approximately V-shaped in cross section. It is mounted so that its concave side is directed against the drill head O.
  • the annular, free ends of the bellows 51 each have outwardly directed thickenings 52, 53, wherein the one thickening 52 in a complementary formed annular groove 54 of the bearing part 3, the other thickening 53 in an annular groove 55 with respect to the machine housing 15 by means of a ball bearing 56 rotatably mounted ring 57 rests.
  • the bellows 51 therefore absorbs the vertical movement component of the drill head 1 caused by the tumbling motion relative to the machine housing 15.
  • a mechanical seal 58 is arranged, which prevents ingress of contaminants in the ball bearing 56.
  • the apparatus designated as a whole by 200 in FIG. 2 in turn comprises a drill head 1 which has a scraper disk 2 and a bearing part 3.
  • the scraper 2 and the bearing part 3 are fastened together with a plurality of cylinder screws 4, of which only two are shown in the drawing.
  • the scraper 2 is provided with a central cutting edge 5, the tip 6 of which lies on the axis of rotation A of the drill head.
  • the scraping disk 2 has three radially outwardly extending arms 7, 7 ', 7 ".
  • the drill head 1 is rotatably mounted on the bearing part 3 by means of bearings, not shown in the drawing, on a shaft journal of a main shaft.
  • the one substantially cylindrical outer peripheral surface having shaft journals is formed on the main shaft, that its axis B encloses an acute angle w with the axis of rotation A.
  • the main shaft is in turn rotatably mounted in a machine housing 8 about the rotation axis A and is rotatably driven by a hydraulic motor.
  • the removal of loosened drilled material is a conveying channel 10, the rear portion 11 is circular inner cross-section flattened towards the Bohrkopfraum O finally to end in a receiving end 12 of a partially annular cross-section in the Bohrkopfraum O (see, in particular Fig. 2 and 3).
  • crushing ribs 13 are provided which extend approximately radially, as can be seen in Fig. 2.
  • the crushing ribs 13 are each arranged in pairs, such that a larger distance follows a small distance between two adjacent crushing ribs 13.
  • the division of the ribs 13 is selected such that the cuttings to be removed are comminuted so that it can be removed by the conveyor channel 10 without problems.
  • the tumbling frequency of the scraper is synchronized with the rotational speed of the same so that a mechanical insertion of cuttings in the receiving end 12 of the conveyor line 10 when passing one of the arms 7, 7 ', 7 "is effected.
  • the device according to the invention comprises an inlet for injecting conveying air into the drill head space O, which is not recognizable in the drawing.
  • an air flow is generated in the delivery line 10, which is symbolized by the arrows P.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Vortreiben von Bohrungen im Erdreich, wie sie aus der DE 43 32 113 A1 bekannt ist.
  • Für Horizontalbohrungen insbesondere von etwa 150 mm bis 1300 mm Bohrungsdurchmesser, aber auch für Vertikalbohrungen im Erdreich werden Bohrvorrichtungen verwendet, bei denen innerhalb eines Maschinengehäuses eine drehangetriebene Welle drehbar gelagert ist, auf derer der Ortsbrust bzw. der Bohrungssohle zugewandten Ende ein Bohrkopf angeordnet ist.
  • Je nach Beschaffenheit des Erdreichs, in das die Bohrung eingebracht werden soll, ist der Bohrkopf unterschiedlich ausgebildet. Schwierigkeiten treten daher häufig dann auf, wenn sich über die Bohrlänge die Beschaffenheit des abzubauenden Bodens ändert. So verkleben Felsbohrköpfe, die in der Regel mit Rollen, Meißeln oder Disken besetzt sind, in weichen, beispielsweise lehmigen Böden; Bohrköpfe dagegen, die in lehmigen oder rolligen Böden gute Bohrleistungen zeigen, versagen schnell aufgrund hohen Verschleißes, wenn sie auf Fels oder große Steine treffen.
  • Bei der aus der DE 43 32 113 A1 bekannten Vorrichtung soll dieses Problem dadurch gelöst sein, daß der Bohrkopf in eine Taumelbewegung versetzt wird, so daß er schnelle Stöße mit hoher Frequenz und demzufolge mit hoher kinetischer Energie gegen die Ortsbrust bzw. Bohrungssohle ausübt, gleichzeitig jedoch mit hohem Drehmoment und langsamer Drehzahl das gelöste Bohrgut abräumt, bzw. wenn das Erdreich an der Ortsbrust zu weich zum Abplatzen ist, Erdreich mit großem Drehmoment abschält. Durch den Schlageffekt soll besonders die Bohrleitung (Bohrfortschrift) bei härteren Formationen wesentlich erhöht werden.
  • Zur Erzeugung der Taumelbewegung ist der der Ortsbrust zugewandte Wellenzapfen der angetriebenen Hauptwelle der Vorrichtung, auf dem der Bohrkopf drehbar gelagert ist, in einem spitzen Winkel gegen die Achse der Hauptwelle angestellt. Wird nun die Hauptwelle drehangetrieben, so taumelt der Bohrkopf mit einer Frequenz, die der Drehfrequenz der Hauptwelle entspricht, wobei die Amplitude der Taumelbewegung vom Abstand des Taumelmittelpunkts und der Größe des Taumelwinkels abhängig ist.
  • Zum erzeugen der langsamen Eigendrehzahl des Bohrkopfes ist dieser mit einem Außenkegelrad versehen, das bei der Taumelbewegung in einem ortsfesten Innenkegelrad abläuft. Hierdurch wird der Bohrkopf in eine zur Hauptwelle gegensinnige Drehzahl versetzt, und zwar mit einer Untersetzung, die von der Gestalt des Außenkegelrades relativ zu derjenigen des Innenkegelrades abhängt. Untersetzungen von 30:1 bis 60:1 sollen erzielbar sein.
  • Zwar hat sich gezeigt, daß die aus der DE 43 32 113 A1 bekannte Vorrichtung zum Lösen stark unterschiedlichen Erdreichs geeignet ist, nachteilig ist jedoch, daß die Drehzahl des Bohrkopfes für viele Erdreichbeschaffenheiten nicht optimal, da meist zu hoch ist.
  • Nachteilig ist ferner, daß der durch den Bohrvorgang einem deutlichen Verschleiß unterworfene Bohrkopf durch das Außenkegelrad aufwendig in seiner Herstellung ist, wodurch sich die laufenden Betriebskosten dieser Vorrichtung erhöhen.
  • Nachteilig ist darüber hinaus, daß die einander ablaufenden Kegelräder durch eindringenden Abraum einem erhöhten Verschleiß unterliegen.
  • Nachteilig ist schließlich, daß insbesondere große Bohrgutstücke nicht zuverlässig abtransportiert werden und die Förderleitung zum Verstopfen neigt.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine aus der DE 43 32 113 A1 bekannte Vorrichtung derart weiterzubilden, daß sie für eine größere Bandbreite an unterschiedlichen Böden geeignet ist.
  • Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 wiedergegebene Vorrichtung gelöst.
  • Bei der Vorrichtung nach Anspruch 1 erfolgt der Drehantrieb des Bohrkopfes weiterhin dadurch, daß er einen Umfangsbereich aufweist, der während der Drehung der Hauptwelle an einem Gegenumfangsbereich abläuft. Die durch das Ablaufen hervorgerufene Drehung des Bohrkopfes wird nun hinsichtlich ihrer Drehgeschwindigkeit erfindungsgemäß dadurch beeinflußt, daß der Gegenumfangsbereich selbst in Rotation versetzbar ist. Je nach Drehsinn des Gegenumfangsbereich wird bei konstanter Drehzahl der Hauptwelle somit eine Erhöhung oder Reduzierung der resultierenden Drehzahl des Bohrkopfes bewirkt.
  • Der Gegenumfangsbereich und der an ihm ablaufende Umfangsbereich können in jeder Weise, die während des Betriebes ein Ablaufen sicherstellt, ausgeschaltet werden. Wegen der Einfachheit der Herstellung und der Betriebssicherheit ist es jedoch bevorzugt, wenn der Umfangsbereich eine Außenverzahnung und der Gegenumfangsbereich eine Innenverzahnung umfaßt.
  • Der Gegenumfangsbereich ist vorzugsweise von einem konzentrisch zur Hauptwellenachse angeordneten Hohlrad ausgebildet, das erfindungsgemäß in Rotation versetzbar ist.
  • Bei der aus der DE 43 32 113 A1 bekannten Vorrichtung hat sich in der Vergangenheit gezeigt, daß das Verhältnis zwischen der Taumelfrequenz und der Drehfrequenz des Bohrkopfes für eine Vielzahl von Anwendungen nicht optimal ist. Meist wäre eine im Verhältnis niedrigere Drehgeschwindigkeit des Bohrkopfes für den Bohrfortschritt vorteilhafter. Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht daher vor, daß der Gegenumfangsbereich mittels eines mit der Hauptwelle in Eingriff befindlichen Planetengetriebes in Rotation versetzbar ist: Diese Ausführungsform hat den Vorteil, daß es gegenüber der gattungsgemäßen Vorrichtung keine weiteren, aufwendigen Antriebsmotoren bedarf. Ferner zeichnet sich diese Ausführungsform durch eine besonders hohe Betriebssicherheit aus.
  • Es ist jedoch ebenfalls möglich, den Gegenumfangsbereich mittels eines separaten Antriebs unabhängig von der Hauptwelle in Rotation zu versetzen, d.h. Gegenumfangsbereich und Hauptwelle nicht zu koppeln. Besonders bevorzugt ist der separate Antrieb dann steuer- oder regelbar ausgestaltet, wodurch während des Betriebes eine Anpassung des Verhältnisses zwischen Bohrkopfdrehzahl und Taumelfrequenz an die Art des jeweils anstehenden Erdreichs möglich ist.
  • Zur Vermeidung von Überlastungen insbesondere des Drehantriebs der Hauptwelle und zur Reduzierung des Verschleißes insbesondere des Bohrkopfes ist es bevorzugt, Mittel vorzusehen, mit denen der Vorschub in Abhängigkeit der Leistung des Drehantriebes der Hauptwelle steuer- der regelbar ist. Durch diese Ausgestaltung kann bewirkt werden, daß stets ein optimales Verhältnis zwischen Vorschub und Antriebsleistung des Bohrkopfes besteht.
  • Erfolgt der Vorschub und der Drehantrieb der Hauptwelle mittels eines Hydraulikmediums, so sind bevorzugt Mittel angesehen, die die Hydraulikdrücke zur Bewirkung des Vorschubes und der Drehantriebs der Hauptwelle relativ zueinander steuern oder regeln. Ist beispielsweise der Druck am Motor für den Drehantrieb nicht hoch genug, so wird der Hydraulikdruck zur Bewirkung des Vorschubs soweit reduziert, bis der Arbeitsdruck am Antriebsmotor zur Bewirkung des Drehantriebs ausreicht. Ist der Druck am Antriebsmotor zu hoch, so wird der Hydraulikdruck zur Bewirkung des Vorschubs soweit reduziert, bis sich ebenfalls der gewünschte Druck am Drehmotor einstellt. Im Ergebnis wird durch diese Ausgestaltung eine optimale Ausnutzung der Vorrichtung sichergestellt, indem der größtmögliche Bohrfortschritt erreicht wird; ohne daß hierzu permanent manuell nachgeregelt werden müßte.
  • Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung ist der Bohrkopf mehrteilig ausgebildet, derart, daß der durch die Reibung an dem zu lösenden Erdreich einem hohen Verschließ unterworfene Werkzeugteil von dem Lagerteil lösbar ist. Durch diese Maßnahme sind die mit der Vorrichtung, bei der der Bohrkopf während seines Umlaufs in eine Taumelbewegung versetzt wird, verbundenen Betriebskosten nicht höher als bei einer konventionell arbeitenden Vorrichtung, da das aufwendig herzustellende Kegelrad und die Lagerbauteile des Bohrkopfes im Falle eines verschlissenen Bohrkopfes nicht ausgewechselt werden müssen. Ist der Bohrkopf - wie bevorzugt - in einem zentralen Lagerteil und einem an diesem befestigten Werkzeugteil zweigeteilt, so sind die mit einem Wechsel des Werkzeugteils gegenüber den mit dem Wechsel des gesamten Bohrkopfes bei herkömmlichen Vorrichtungen verbundenen Umrüstzeiten wesentlich emiedrigt. Durch die hiermit erzielte Erhöhung der Zeiteffizienz und damit des Bohrfortschritts pro Zeiteinheit sind die Betriebskosten abermals gesenkt.
  • Besonders bevorzugt ist eine Ausgestaltung des Bohrkopfes, bei der der Werkzeugteil über Schrauben an dem Lagerteil befestigt ist. Diese sind vorzugsweise gleichmäßig über einen Teilkreis des Lagerteils gleichmäßig verteilt angeordnet.
  • Dadurch, daß bei einer Weiterbildung der Vorrichtung eine Dichtungsanordnung vorgesehen ist, die die Lageranordnung für den Bohrkopf zumindest im wesentlichen abdichtet, wird verhindert, daß verschleißerhöhender Abraum bis zu dem Bereich vordringt, in dem der Umfangsbereich an dem Gegenumfangsbereich abläuft.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfaßt die Dichtungsanordnung einen elastischen Balg. Dieser dient der Kompensation der radialen Relativbewegung zwischen dem Lagerteil des Bohrkopfes und einem nichttaumelnden, jedoch mit Schürfscheibendrehzahl umlaufenden Flansch. Letzterer ist vorzugsweise über eine Gleitringdichtung gegenüber dem Gehäuse der Vorrichtung abgedichtet.
  • Wenn, wie bevorzugt der Bohrkopf und das Aufnahmeende der Förderleitung derart ausgestaltet sind, daß durch die Taumelbewegung des Bohrkopfes solches Bohrgut, daß sich vor dem Aufnahmeende befindet, mechanisch in die Förderleitung transportiert wird, erfolgt der Abtransport des Bohrgutes erheblich effektiver als beim Stand der Technik.
  • Wenn - wie bevorzugt - der Bohrkopf auf seiner der Ortsbrust abgewandten Seite mindestens einen Vorsprung aufweist, der durch die Taumelbewegung zumindest nahezu in das Aufnahmeende der Förderleitung eindringt, wird das Bohrgut besonders effektiv in die Förderleitung eingebracht und durch den wiederkehrenden, mechanischen Druck in der Fördereinheit weiter transportiert.
  • Um zu vermeiden, daß es trotz der effektiveren Förderung zum Stocken oder gar Erliegen des Förderprozesses kommen kann, sind vorzugsweise in dem sich in das Aufnahmeende der Förderleitung anschließenden Bereich Mittel zur Verkleinerung zumindest großer Bohrstücke vorgesehen.
  • Diese Mittel können aus aktiv arbeitenden, d.h. selbst angetriebenen Steinbrechern bestehen. Überraschend wirksam sowie einfach herstellbar und daher bevorzugt ist jedoch eine Ausführungsform, bei der die Mittel zur Zerkleinerung recht schwer in dem Querschnitt der Förderleitung erstreckende Brechrippen umfassen.
  • Die Wirksamkeit der Förderleitung, d.h. die mit dieser erzielte Abtragsrate wird abermals erhöht, wenn das Aufnahmeende im Querschnitt teilringförmig ausgebildet ist. Es ist dann nämlich möglich, das Aufnahmeende in der Bohrung entlang des Innenumfangs der Bohrung und symmetrisch zu deren tiefster Stelle anzuordnen, s0 daß zur "Beschickung"" des Aufnahmeendes keine Höhendifferenzen überwunden werden müssen.
  • Die Antragsrate kann abermals erhöht werden, wenn die Vorrichtung zusätzlich Mittel zum Einblasen von Förderluft in den Bohrkopfraum umfaßt, wie dies für den pneumatischen Abtransport aus dem Stand der Technik bekannt ist.
  • In der Zeichnung sind - schematisch - Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Es zeigen:
    • Fig. 1
    einen Längsschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel;
    Fig. 2
    einen Längsschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel;
    Fig. 3
    eine Ansicht gemäß Schnittlinie A-A in Fg. 2 sowie
    Fig. 4
    eine Ansicht gemäß Schnittlinie B-B- in Fig. 2.
  • Die als Ganzes mit 100 bezeichnete Vorrichtung umfaßt einen Bohrkopf 1, der einen als Schürfscheibe 2 ausgebildeten Werkzeugteil 30 und einen Lagerteil 3 aufweist. Die Schürfscheibe 2 und der Lagerteil 3 sind mit einer Mehrzahl von Zylinderschrauben 4, von denen in der Zeichnung nur eine dargestellt ist, aneinander befestigt. Die Zylinderschrauben 4 sind gleichmäßig verteilt auf einem Teilkreis mit dem Radius R angeordnet. Durch die Zweiteilung des Bohrkopfes 1 kann der dem Verschleiß unterworfene Werkzeugteil 30 nach Erreichen der Verschleißgrenze durch Lösen der Schrauben 4 auf der Baustelle demontiert und durch einen neuen oder wiederhergestellten Werkzeugteil ersetzt werden.
  • Die Schürfstelle 2 ist mit einer Zentralschneide 5 versehen, deren Spitze 6 auf der Rotationsachse A des Bohrkopfes liegt. Die Schürfscheibe 2 weist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel drei sich radial nach außen erstreckende Arme 7, 7', 7" auf, von denen der in der Zeichnung oben dargestellte Arm 7 mit einer Mehrzahl von Meißeln 8 besetzt ist.
  • Der Bohrkopf 1 ist über das Lagerteil 3 mittels einer Lageranordnung 40, die Kegelrollenlager 9, 10 umfasst, auf einem Wellenzapfen 11 einer Hauptwelle 12 drehbar gelagert. Der eine im wesentlichen zylindrische Außenumfangsfläche aufweisende Wellenzapfen 11 ist derart an die Hauptwelle 12 angeformt, daß seine Achse B mit der Rotationsachse A einen spitzen Winkel w von etwa 5° einschließt.
  • Die Hauptwelle 12 ist ihrerseits durch Kegelrollenlager 13, 14 in einem Maschinengehäuse 15 um die Rotationsachse A drehbar gelagert und wird von einem stirnseitig angeflanschten Hydraulikmotor 16 drehangetrieben. Der der Schürfscheibe 2 angewandte Teil des Lagerteils 3 ist als konzentrisch zur Achse B des Wellenzapfens 11 angeordnetes Zahnrad, im folgenden Taumelrand 17 genannt, und damit als Umfangsbereich 18 ausgebildet, der bei Rotation der Hauptwelle 12 in einer als Gegenumfangsbereich 19 wirkenden Innenverzahnung 20 abläuft.
  • Die Innenverzahnung 20 ist an einem konzentrisch zur Hauptwellenachse angeordneten und gegenüber dieser drehbar gelagerten Hohlrad 21 ausgebildet.
  • An dem der Innenverzahnung 20 gegenüberliegenden Ende weist das Hohlrad eine weitere Innenverzahnung 22 auf, die Teil eines als Ganzes mit 28 bezeichneten Planetengetriebes ist. In die Innenverzahnung 22 greifen die Verzahnungen der Teile kleineren Durchmessers 24 von Planetenzahnrädem 23 ein. Die Teile 25 größeren Durchmessers der Planetenzahnräder 23 greifen mit ihrer Verzahnung in eine auf der Hauptwelle 12 vorgesehene Außenverzahnung 26 sowie in eine in dem Maschinengehäuse 15 vorgesehene Innenverzahnung 27 ein, so daß die Planetenzahnräder während des Drehantriebs der Hauptwelle 12 in demselben Drehsinne die Rotationsachse A umkreisen. Hierbei wird das Hohlrad 21 in gegensinnige Rotation zu dem Bohrkopf 11 versetzt, dessen Rotation durch Ablaufen des Taumelrads 17 an der Innenverzahnung 20 bewirkt wird. Es versteht sich, daß durch Wahl der Verhältnisse im Planetengetriebe 28 die Rotationsgeschwiridigkeit des Hohlrades 21 relativ zur Hauptwelle 12 und somit im Ergebnis das Verhältnis von Taumelfrequenz zu Drehfrequenz des Bohrkopfes vorgegeben werden kann.
  • Zwecks Abdichtung der Lageranordnung 40 bzw. des Inneren des Maschinengehäuses 15 gegenüber dem Bohrkopfsraum O ist eine Dichtungsanordnung 50 vorgesehen. Sie umfaßt einen elastischen Balg 51, der im Querschnitt etwa V-förmig ausgebildet ist. Er ist derart montiert, daß seine konkave Seite gegen den Bohrkopf O gerichtet ist.
  • Die ringförmigen, freien Enden des Balges 51 weisen jeweils nach außen gerichtete Verdickungen 52, 53 auf, wobei die eine Verdickung 52 in einer komplementär ausgebildeten Ringnut 54 des Lagerteils 3, die andere Verdickung 53 in einer Ringnut 55 eines bezüglich des Maschinengehäuses 15 mittels eines Kugellagers 56 rotierbar gelagerten Rings 57 ruht. Der Balg 51 nimmt daher die durch die Taumelbewegung hervorgerufene senkrechte Bewegungskomponente des Bohrkopfes 1 gegenüber dem Maschinengehäuse 15 auf.
  • Zwischen dem mit Taumelfrequenz umlaufenden Ring 57 und der diesem zugewandten Stirnseite des Maschinengehäuses ist eine Gleitringdichtung 58 angeordnet, die ein Eindringen von Verunreinigungen in das Kugellager 56 verhindert.
  • Die in Fig. 2 als Ganzes mit 200 bezeichnete Vorrichtung umfaßt wiederum einen Bohrkopf 1, der eine Schürfscheibe 2 und ein Lagerteil 3 aufweist. Die Schürfscheibe 2 und das Lagerteil 3 sind mit einer Mehrzahl von Zylinderschrauben 4, von denen in der Zeichnung nur zwei dargestellt sind, aneinander befestigt.
  • Die Schürfscheibe 2 ist mir einer Zentralschneide 5 versehen, deren Spitze 6 auf der Rotationsachse A des Bohrkopfes liegt. Die Schürfscheibe 2 weist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel drei sich radial nach außenerstreckende Arme 7, 7', 7" auf.
  • Der Bohrkopf 1 ist über das Lagerteil 3 mittels in der Zeichnung nicht dargestellter Lager auf einem Wellenzapfeneiner Hauptwelle drehbar gelagert. Der eine im wesentlichen zylindrische Außenumfangsfläche aufweisende Wellenzapfen ist derart an die Hauptwelle angeformt, daß seine Achse B mit der Rotationsachse A einen spitzen Winkel w einschließt.
  • Die Hauptwelle ist ihrerseits in einem Maschinengehäuse 8 um die Rotationsachse A drehbar gelagert und wird von einem Hydraulikmotor drehangetrieben.
  • Dem Abtransport gelösten Bohrguts dient ein Förderkanal 10, dessen hinterer Bereich 11 kreisrunden Innenquerschnitts zum Bohrkopfraum O hin abgeflacht ist um schließlich in einem Aufnahmeende 12 eines teilringförmigen Querschnitts in den Bohrkopfraum O zu münden (s. insbesondere Fig. 2 und 3).
  • Im Bereich des Aufnahmeendes 12 sind Brechrippen 13 vorgesehen, die sich etwa radial erstrecken, wie dies in Fig. 2 entnehmbar ist. Die Brechrippen 13 sind jeweils paarweise angeordnet, derart, daß auf einen geringen Abstand zweier benachbartere Brechrippen 13 ein größerer Abstand folgt. Die Teilung der Rippen 13 ist derart ausgewählt, daß das abzuführende Bohrgut so zerkleinert wird, daß es durch den Förderkanal 10 ohne Probleme abtransportiert werden kann.
  • Zwecks mechanischer Zufuhr von Bohrgut in das Aufnahmeende 12 des Förderkanals 10 sind an den Enden der Arme 7, 7', 7" der Schürfscheibe 2 Fortsätze 9, 9', 9" vorgesehen, deren rückwärtig gerichteten Flächen 14, 14', 14" als Förderflächen für das Bohrgut ausgebildet sind. Die Flächen 14, 14', 14" dienen ebenfalls als Schlagflächen zum Brechen des Bohrguts. Die Taumelfrequenz der Schürfscheibe ist derart mit der Drehgeschwindigkeit derselben synchronisiert, daß ein mechanisches Einschieben von Bohrgut in das Aufnahmeende 12 der Förderleitung 10 beim Passieren eines der Arme 7, 7', 7" bewirkt wird.
  • Um den Fördervorgang zu unterstützen, umfaßt die erfindungsgemäße Vorrichtung einen Einlaß zum Einblasen von Förderluft in den Bohrkopfraum O, der in der Zeichnung nicht erkennbar ist. Durch Einblasen von Luft in den Bohrkopfraum wird in der Förderleitung 10 eine Luftströmung erzeugt, die mit den Pfeilen P symbolisiert ist.

Claims (22)

  1. Vorrichtung zum Vortreiben von Bohrungen im Erdreich, mit einer drehangetriebenen Hauptwelle (12), die einen Wellenzapfen (11) umfaßt, deren Achse (B) zur Achse (A) der Hauptwelle (12) einen spitzen Winkel (w) bildet,
    und mit einem Bohrkopf (1), der um die Achse (B) des Wellenzapfens (11) drehbar gelagert ist und einen Umfangsbereich (18) aufweist, der an einem Gegenumfangsbereich (19) abläuft,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Gegenumfangsbereich (19) in Rotation versetzbar ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Umfangsbereich (18) eine Außenverzahnung und der Gegenumfangsbereich (19) eine Innenverzahnung aufweist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenumfangsbereich (19) von einem konzentrisch zur Achse (A) der Hauptwelle (12) angeordneten Hohlrad (21) gebildet ist.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenumfangsbereich (19) mittels eines mit der Hauptwelle (12) in Eingriff befindlichen Planetengetriebe (28) in Rotation versetzbar ist.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenumfangsbereich (19) mittels eines separaten Antriebs unabhängig von der Hauptwelle (12) in Rotation versetzbar ist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der separate Antrieb steuer- oder regelbar ist.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, mit denen der Vorschub in Abhängigkeit der Leistung des Drehantriebs der Hauptwelle steuer- oder regelbar ist.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der separate Antrieb steuer- oder regelbar ist.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, mit denen der Vorschub in Abhängigkeit der Leistung des Drehantriebs der Hauptwelle steuer- oder regelbar ist.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei der Vorschub und der Drehantrieb der Hauptwelle mittels eines Hydraulikmediums erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, die die Hydraulikdrucke zur Bewirkung des Vorschubs und des Drehantriebs der Hauptwelle steuern oder regeln.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Bohrkopf (1) mehrteilig ausgebildet ist, derart, daß der dem Verschleiß unterworfene Teil des Bohrkopfes von dem die Lagerung des Bohrkopfes auf dem Wellenzapfen (11) bewirkenden Teil des Bohrkopfes separierbar ist.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Bohrkopf (1) einen zentralen Lagerteil (3) und einen hieran lösbar befestigten Werkzeugteil (30) umfaßt.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkzeugteil (30) mittels über einen Teilkreis gleichmäßig verteilter Schrauben an dem Lagerteil (3) befestigt ist.
  14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine Dichtungsanordnung (50) vorgesehen ist, die die Lageranordnung (40) gegenüber dem Bohrkopfraum (O) zumindest im wesentlichen abdichtet.
  15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungsanordnung (50) einen elastischen Balg (51) umfaßt.
  16. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungsanordnung eine Gleitringdichtung umfaßt.
  17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Bohrkopf (1) und das Aufnahmeende (12) der Förderleitung (10) derart ausgestaltet sind, daß durch die Taumelbewegung des Bohrkopfes (1) vor dem Aufnahmeende (12) befindlichen Bohrgut mechanisch in die Förderleitung (10) transportiert wird.
  18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Bohrkopf (1) auf seiner der Ortsbrust abgewandten Seite mindestens einen Fortsatz (9, 9', 9") aufweist, der durch die Taumelbewegung zumindest nahezu in das Aufnahmeende (12) der Förderleitung (10) eindringt.
  19. Vorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß in dem sich an das Aufnahmeende (12) der Förderleitung (10) anschließenden Bereich Mittel zur Verkleinerung zumindest großer Bohrgutstücke vorgesehen sind.
  20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Zerkleinerung sich quer in dem Querschnitt der Förderleitung (10) erstreckende Brechrippen (13) umfassen.
  21. Vorrichtung nach einem der 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufnahmeende (12) im Querschnitt teilringförmig ausgebildet ist.
  22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zum Einblasen von Förderluft in den Bohrkopfraum (O) vorgesehen sind.
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