EP2927417B1

EP2927417B1 - Sich öffnende dreh-schlagbohrkrone, insbesondere zum überlagerungsbohren

Info

Publication number: EP2927417B1
Application number: EP15161307.2A
Authority: EP
Inventors: Günter Fennel
Original assignee: Sysbohr Bohrtechnik fur Den Spezialtiefbau GmbH
Current assignee: Sysbohr Bohrtechnik fur Den Spezialtiefbau GmbH
Priority date: 2014-03-31
Filing date: 2015-03-27
Publication date: 2018-11-14
Anticipated expiration: 2035-03-27
Also published as: EP2927417A2; DE102014104516A1; EP2927417A3

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine sich öffnende Dreh-Schlagbohrkrone, insbesondere zum Überlagerungsbohren sowie eine Bohrvorrichtung mit einer Bohrkrone nach den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.

Stand der Technik

Sich öffnende Bohrkronen zum Überlagerungsbohren kommen zum Einsatz, wenn ein Bohrloch mit einem Durchmesser erzeugt werden soll, der größer ist als der Außendurchmesser der einzubringenden Verrohrung. Häufig kommen zum verrohrten Durchbohren von Überlagerungsböden ohne störende harte Bodeneinlagerungen sich öffnende Bohrkronen zum Einsatz, die drehbohrend diese Erdschichten durchbohren können. Der bewegliche Teil der Bohrkrone wird bei Berührung am Bohrlochtiefsten durch Drehung in Arbeitsdrehrichtung aufgefahren, um einen Bohrdurchmesser zu erhalten, der größer als der Außendurchmesser der Verrohrung ist. Die Schneiden dieser Bohrkronen sind meist mit angelöteten Hartmetallplatten oder mit wechselbaren Rundschaftmeißeln bestückt. Bei einem Wechsel des Bohrgestänges und nach vollendeter Bohrung kann der bewegliche Teil der Bohrkrone entweder durch Drehung entgegen der Arbeitsdrehrichtung eingefahren oder klappt durch einfaches Zurückziehen in die Verrohrung wieder ein und kann zurückgezogen werden.
Solche sich öffnende Bohrkronen eignen sich jedoch nicht zum durchbohren felsiger Störzonen.
In Überlagerungsböden ist unter Umständen der Einsatz einer Doppelverrohrung notwendig, wobei das Innengestänge mit einer Bohrkrone zum Dreh- Schlagbohren bestückt ist, um auch durch felsige Bodeneinlagerungen bohren zu können, bei denen Drehbohrverfahren an Grenzen kommen. Hierbei kommen Schlagbohrantriebe in Form von Hydraulikhämmern, die hinter einem Drehantrieb gemeinsam auf einem Schlitten montiert sind und auf der Lafette einer Bohrmaschine sitzen, zum Einsatz. Man spricht dann von Topphämmern, die mit dem Innengestänge gekoppelt sind und dreh-schlagbohrend abgebohrt werden, wobei die Außengestänge die am unteren Ende mit einer Ringbohrkrone bestückt und mit dem Drehbohrantrieb gekoppelt sind, nur drehbohrend, meist in gegenläufiger Drehrichtung abgebohrt werden. Bei diesem Verfahren wird also die Schlagenergie auf die Bohrkrone über das Innengestänge übertragen. Alternativ ist auch möglich, dass die Innengestänge ebenfalls mit einem Drehantrieb angetrieben und die Schlagenergie auf die Bohrkrone mittels eines Imlochhammers (auch Senkbohrhammer, DTH-Hammer oder "down the hole hammer" genannt), die mit Luft oder Wasser betrieben werden, übertragen wird. Diese DTH Hämmer sitzen dann am Bohrlochtiefsten zwischen Dreh-Schlagbohrkrone und Innengestänge, wobei die Energiezufuhr durch das Innengestänge erfolgt. Falls die felsigen Bodeneinlagerungen allerdings sehr mächtig sind, können damit Haltbarkeitsprobleme der Ringbohrkrone am Außengestänge verbunden sein.
Bekannt aus den Odex - Nachbohrsystemen für Senkbohrhämmer sind ferner Exzenterbohrkronen, die einen exzentrischen mit Hartmetallstiften bestückten Ring, einen sogenannten Räumer besitzen, der sich um den Bohrkronenkörper drehen lässt.
Der exzentrische Teil dieser Schlagbohrkronentypen wird bei Berührung am Bohrlochtiefsten durch Drehung in Arbeitsrichtung ausgefahren, um einen Bohrdurchmesser zu erhalten, der größer ist, als der Außenrohrdurchmesser misst.
Diese Exzenterbohrkronen werden konstruktionsbedingt einseitig belastet und weisen eine Schneide mit wenigen Hartmetallstiften auf. Auch können relativ hohe Abweichungen von der Bohrachse auftreten. Ferner ist die Vortriebsleistung gering und der Einfahrvorgang der Exzenterschneide entgegen der Arbeitsdrehrichtung problematisch, da sich ungewollt Gewindeverbindungen lösen können.
Aus der EP 563 561 A1 ist eine Bohrkrone zum Überlagerungsbohren bekannt. Die Bohrkrone weist einen Bohrkopf an einem Bohrkronenträger auf. Der Bohrkronenträger ist drehfest mit einem angetriebenen Innenrohrgestänge verbunden. Am Bohrkopf ist eine Mehrzahl von über dessen Umfang symmetrisch angeordneten Schwenkelementen angeordnet, die im eingeschwenkten Zustand in Ausnehmungen zwischen feststehenden Stirnflächen im Bohrkopf angeordnet sind, so dass sie innerhalb des Bohrkopfdurchmessers zu liegen kommen und im ausgeschwenkten Zustand um ein vorgegebenes Maß über den Bohrkronendurchmesser hinauskragen. Dabei ist jedes Schwenkelement mit einem exzentrisch angeordneten Bohrkronenträger im Bohrkopf gelagert. Bei dieser Schlagbohrkrone sind konzentrisch angeordneten Klappschneiden längs der Bohrkronenachse drehend angeordnet. Bei Berührung am Bohrlochtiefsten werden durch Drehung in Arbeitsrichtung die Klappschneiden ausgefahren, um einen Bohrdurchmesser zu erhalten, der größer ist, als der Außenrohrdurchmesser misst. Falls ein Einfahren der Klappschneiden notwendig ist, beispielsweise bei einer Gestängeverlängerung oder nach vollendeter Bohrung, erfordert dies eine Drehung entgegen der Arbeitsrichtung, wobei die Klappschneiden eingefahren und durch die Außenverrohrung zurückgezogen werden können. Ebenso wie bei den Exzenterbohrkronen, ist dieses Einfahren problematisch, da die Bohrgestänge mittels Gewinde verbunden sind, und eine Drehung entgegen der Arbeitsrichtung teilweise mit Verlust von Bohrgestängen etc. verbunden ist, falls sich dabei Gewindeverbindungen lösen.
Aus der WO 01/81708 A1 ist eine Bohrkrone bekannt, bei welcher der Bohrkopf aus zwei Klappflügeln gebildet ist, die mittels eines Aktors auseinandergedrückt oder zusammengefahren werden können, um den Bohrradius zu vergrößern bzw. um die Bohrkrone durch die Verrohrung zu bewegen. Diese Bohrkrone ist auf Grund ihrer Konstruktionsweise mit vielen beweglichen Teilen zum Steuern der Klappschneiden nur zum Drehbohren geeignet. Der Aktor würde durch Einleiten von Schlagenergie aus der Verrieglungsposition getrieben, wodurch die Klappflügel wieder einklappen würden.
Der folgende Stand der Technik zeigt sich öffnende Drehbohrkronen, die nicht zum Dreh-Schlagbohren geeignet sind.
Aus der WO 01/81708 A1 ist eine Bohrkrone bekannt, bei welcher der Bohrkopf aus zwei Klappflügeln gebildet ist, die mittels eines Aktors auseinandergedrückt oder zusammengefahren werden können, um den Bohrradius zu vergrößern bzw. um die Bohrkrone durch die Verrohrung zu bewegen.
So ist aus der DE 10 2010 015 474 A1 ein Bohrkopf mit einem Grundkörper bekannt, in der dieser einen Schaft zum Anschluss an ein Bohrgestänge aufweist und einem Vorbohrer sowie Hauptbohrer, wobei die Hauptbohrer teilweise schwenkbar an dem Grundkörper angeordneten Schneidleisten angeordnet sind. Mindestens eine Schneide der schwenkbaren Hauptbohrer ragt in den ausgeschwenkten Zustand über den Innendurchmesser eines das Bohrgestänge umgebenden Führungsrohrs hinaus und ist in eingeschwenktem Zustand innerhalb des Innendurchmessers des Führungsrohres angeordnet. Dabei sind sämtliche Hauptbohrer bewegbar an dem Grundkörper angeordnet. Die Klappachse der Hauptbohrer ist quer zur Längsmittellinie des Grundkörpers angeordnet.
Aus der DE 295 13 325 U1 ist eine Bohrkrone mit einem einen Schaft aufweisenden Grundkörper und mit mindestens einer an dem Grundkörper klappbar gelagerten, mindestens einen Schneidkörper aufweisenden Klappschneide bekannt, wobei der Grundkörper über den Schaft an ein in einem Führungsrohr geführtes Bohrgestänge drehstarr anschließbar ist und wobei jede Klappschneide bis zu einem Anschlag einklappbar ist und in eingeklappter Position innerhalb des Innendurchmessers des Führungsrohres liegt. Dabei stützt sich jede Klappschneide in ausgeklappter Position an einer Anlagefläche der Bohrkrone ab und liegt mindestens ein Teil ihres Schneidkörpers außerhalb des Außendurchmessers des Führungsrohres. Dabei ist vorgesehen, dass der Grundkörper eine Grundplatte und mindestens einen nicht klappbaren Schneidkörper aufweist, die Grundplatte für jede Klappschneide den Anschlag, die Anlagefläche sowie eine Führung aufweist, jede Klappschneide um eine in einer zur Bohrkronenachse im Wesentlichen senkrechten Ebene liegenden Klappachse im Wesentlichen radial klappbar angeordnet ist und dass der Abstand jedes klappbaren Schneidkörpers in eingeklappter Position zur Bohrkronenachse größer ist als der Abstand der Klappachse zur Bohrkronenachse.
Beim Herausziehen der Bohrkrone aus dem Bohrloch wird unabhängig von der Drehrichtung der Bohrkrone durch den Kontakt mit der Stirnfläche der Führungsrohre zwangsweise wieder eingeklappt.
Aus der AT 354 960 B ist eine Bohrkrone mit zwei Klappflügeln bekannt, die konstruktiv so ausgebildet sind, dass bei rotierendem Bohrkopf die Klappflügel von einer ersten Position in eine zweite Position getrieben werden.

Aufgabe

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Bohrkrone zu schaffen, bei der eine besonders effektive Kraftübertragung auf die Bohrkrone erfolgt, die Bewegung der Bohrkrone innerhalb einer Verrohung günstig ist, die Änderung des Bohrradius vereinfacht und der Stand der Technik verbessert ist.
Eine weitere Aufgabe ist es, eine entsprechende Bohrvorrichtung mit einer Bohrkrone zu schaffen.

Lösung

Die Aufgaben werden durch die Erfindungen mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindungen sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen gekennzeichnet. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird hiermit durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Beschreibung gemacht. Die Erfindungen umfassen auch alle sinnvollen und insbesondere alle erwähnten Kombinationen von unabhängigen und/oder abhängigen Ansprüchen. Im Folgenden werden einzelne Verfahrensschritte näher beschrieben. Die Schritte müssen nicht notwendigerweise in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden, und das zu schildernde Verfahren kann auch weitere, nicht genannte Schritte aufweisen.
Die Erfindung geht aus von einer Bohrkrone, insbesondere zum Überlagerungsbohren, mit einem Bohrkopf und einem den Bohrkopf tragenden Bohrkronenträger, mit mindestens zwei Klappflügeln, von denen jeder zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position hin und her bewegbar ist, wobei jeder der Klappflügel in der ersten Position innerhalb eines Bohrrohres angeordnet ist und in der zweiten Position über den Bohrrohrdurchmesser hinausragt, und wobei der Klappflügel an seinem freien Ende eine Stirnfläche aufweist, vorzugsweise mit einer Anzahl von Schneidelementen.
Die Bohrkrone ist insbesondere als Dreh- Schlagbohrkrone ausgebildet, die nach Durchlaufen einer Außenverrohrung aufklappt und größer bohrt, als der Außendurchmesser der Außenverrohrung misst und am Ende durch einfaches zurückziehen wieder einklappt. Die Bohrkrone verfügt über ausreichend viel Hartmetall oder ähnliche Schneidelemente, um eine ordentliche Bohrleistung zu erzielen.
Es wird vorgeschlagen, dass jeder der Klappflügel quer zu einer Bohrkronenträgerlängsachse schwenkbar am Bohrkronenträger angeordnet ist und konstruktiv so ausgebildet ist, dass bei rotierendem Bohrkopf eine Wirkverbindung mit einem Bohrobjekt ein Drehmoment an dem Klappflügel quer zur Bohrkronenträgerlängsachse erzeugt und den Klappflügel von der ersten in die zweite Position treibt. Der Bohrkronenträger ist als Schaft ausgebildet. Die Bohrkrone weist eine möglichst große Anlagefläche zwischen Schaft und Klappflügel zur Schlagenergieübertragung auf.
Die Veränderung des Bohrradius erfolgt über eine passive Bewegung eines jeden der Klappflügel aufgrund der konstruktiven Ausgestaltung des Klappflügels, ohne zusätzliche Mechanik oder Aktoren seitens der Bohrkrone oder der Bohrvorrichtung. Sobald der Bohrkopf der rotierenden Bohrkrone mit dem Bohrobjekt, beispielsweise Gestein und dergleichen, d.h. mit der zu bearbeitenden Kontaktfläche, in Kontakt gerät und/oder solange der Bohrkopf der rotierenden Bohrkrone mit dem Bohrobjekt in Kontakt bleibt, wirkt ein Drehmoment an dem Klappflügel, welches den Klappflügel, bezogen auf die Bohrkronenträgerlängsachse, selbsttätig nach außen bewegt. Steht die Bohrkrone still, wirkt kein Drehmoment mehr an dem Klappflügel, und der Klappflügel kann ohne besonderen Widerstand und ohne verdrehen der Bohrkrone entgegen der Arbeitsdrehrichtung in die Außenverrohrung zurückbewegt werden. Das Drehmoment kann insbesondere über eine Wechselwirkung zwischen dem Klappflügel und dem Bohrobjekt, insbesondere über Reibungskräfte am Bohrobjekt, hervorgerufen werden. Steht die Bohrkrone still, wirkt kein Drehmoment mehr an dem Klappflügel, und der Klappflügel kann ohne besonderen Widerstand und ohne verdrehen der Bohrkrone entgegen der Arbeitsdrehrichtung in die Außenverrohrung zurückbewegt werden.
Bei einer Gestängeverlängerung oder nach vollendeter Bohrung kann die Schlagbohrkrone ohne Drehung entgegen der Arbeitsdrehrichtung durch die Verrohrung zurückgezogen werden, da die klappbaren Schneidelemente einen kleineren Durchmesser als den Innendurchmesser der Außenverrohrung annehmen.
Der Klappflügel kann, beispielsweise mit Bolzen quer zur Bohrkronenträgerlängsachse, drehbar bzw. schwenkbar im Bohrkronenträger gelagert sein. Vorzugsweise ist es, wenn in der ersten Position der radiale Abstand des höchsten Punkts des Klappflügels von der Schwenkachse einen positiven Wert aufweist, da dann ein sicheres Ausklappen des Klappflügels gewährleistet ist.
Jeder der Klappflügel ist in der Art eines Kreissegments ausgebildet, beispielsweise als Halbkreissegment. Eine gerundete Außenkontur ist für eine Bewegung in einer Verrohrung günstig. Ebenso ist eine gerundete Außenkontur für das Einleiten einer Bewegung des Klappflügels quer zur Bohrkronenträgerlängsachse zur Veränderung des Bohrradius vorteilhaft.
Die Stirnfläche ist in der ersten Position gegen die Bohrkronenträgerlängsachse um einen ersten Winkel geneigt, wobei die Stirnfläche von außen nach innen abfällt. Dadurch ist an einem äußeren Bereich des Klappflügels ein abgeschrägter Rand ausgebildet. An diesem abgeschrägten Rand sind Schneidelemente angeordnet, beispielsweise in Form von Hartmetallstiften. Günstig ist, wenn der Winkel, um den die Stirnfläche geneigt sein kann, einen Wert zwischen 17° und 10°, bevorzugt 15° aufweist. Der Winkel des Klappflügels im eingeklappten Zustand kann zwischen 10° und 15° variieren, da dies von den Wanddicken der Verrohrung abhängt. Für die Werte gelten übliche Fertigungstoleranzen bei der Herstellung des Klappflügels. Vorteilhaft ist, wenn die Stirnfläche, falls der Klappflügel maximal ausgelenkt ist, senkrecht zur Bohrkronenträgerlängsachse orientiert ist. An der Stirnfläche können zweckmäßigerweise Schneidelemente, beispielsweise in Form von Hartmetallstiften, angeordnet sein. Gemäß einer günstigen Ausgestaltung kann der Klappflügel einen Bereich an seiner der Stirnfläche gegenüberliegenden Unterseite aufweisen, der in der zweiten Position um einen zweiten Winkel gegen die Bohrkronenträgerlängsachse geneigt ist, wobei der Bereich von außen nach innen abfällt. Vorteilhaft dient dieser Bereich als Gleitfläche, wenn der Bohrkopf in eine Verrohrung zurückgezogen werden soll. Die Neigung unterstützt das Zurückgleiten des Klappflügels von der zweiten Position in seine erste Position innerhalb des Bohrkranzdurchmessers. Vorteilhaft kann der Winkel einen Wert zwischen 20° und 10° aufweisen, bevorzugt zwischen 18° und 12°, besonders bevorzugt 15°. Für die Werte gelten übliche Fertigungstoleranzen bei der Herstellung des Klappflügels.
Die Klappflügel weisen im ausgeklappten Zustand zum freien Ende der Bohrkrone eine Wölbung nach innen auf, die für die Richtungsgenauigkeit beim Bohren von Vorteil ist.
Gemäß einer günstigen Ausgestaltung kann am Klappflügel radial nach außen an der Stirnfläche ein abgeschrägter Rand vorgesehen sein, welche in der zweiten Position einen äußeren Bohrdurchmesser bildet. Günstigerweise kann der abgeschrägte Rand mit Schneidelementen, beispielsweise Hartmetallstiften ausgestattet sein. Dies ermöglicht es, auch am äußersten Bohrdurchmesser mit hoher Stückzahl an Schneidelementen zu arbeiten, was eine gute Bohrleistung ergibt. Befindet sich der Klappflügel in seiner zweiten Position, steht der abgeschrägte Rand in einem günstigen Winkel zur Bohrkronenträgerlängsachse und bildet vorzugsweise den äußersten Bohrdurchmesser des Bohrkranzes.
Erfindungsgemäß sind zwei sich, bezogen auf die Bohrkronenträgerlängsachse, gegenüberliegende Klappflügel vorgesehen. Diese können identisch aufgebaut sein. Bei dem Klappflügel ist im Innenbereich exzentrisch angeordnet eine Nase neben einer Aussparung vorgesehen, so dass die Nasen der beiden sich gegenüberliegenden Klappflügel in der ersten Position in die gegenüberliegende Aussparung eingreifen können. Dies ermöglicht eine kompakte Anordnung der Klappflügel in der ersten Position und eine große Arbeitsfläche in der zweiten Position. Zwei Klappflügel ergeben eine sehr stabile Konstruktion.
Denkbar ist auch, mehr als zwei Klappflügel vorzusehen. Dies kann für größere Bohrkranzdurchmesser günstig sein.
Gemäß einer günstigen Ausgestaltung kann innerhalb des Bohrkronenträgers wenigstens eine Spülflüssigkeitszufuhr vorgesehen sein. Der Druck der Spülflüssigkeit kann die Bewegung des oder der Klappflügel von der ersten in die zweite Position unterstützen. Ferner kann die Spülflüssigkeit die Mechanik der Bohrkrone sauber halten und Bohrklein wegspülen. Hierzu kann vorteilhaft ein Bohrmehlablauf am Bohrkronenträger vorgesehen sein, z.B. in Form von einer oder mehreren Abflachungen am Außenumfang.
Gemäß eines weiteren Aspekts der Erfindung wird eine Bohrvorrichtung mit einer wie oben beschriebenen Bohrkrone vorgeschlagen, die in einem Bohrkronenträger geführt oder führbar ist. Der Bohrkronenträger kann drehfest mit einer Abtriebswelle gekoppelt oder koppelbar sein. Vorteilhaft kann die Bohrkrone drehend und/oder schlagend antreibbar sein.
Die Bohrkrone kann sich zum vollen Bohrdurchmesser öffnen, wenn sie mit einem Bohrgestänge durch eine Verrohrung geführt wird, welche sich zur Abstützung einer Bohrwand im Boden befindet. Damit kann vorteilhaft der Verrohrung vorauseilend weitergebohrt werden.
Ferner umfaßt die Erfindung gemäß einem weiteren Aspekt eine sich öffnende Dreh-Schlagbohrkrone, die nach durchlaufen einer Außenverrohrung bei Grundkontakt zwangsläufig aufklappt und größer bohrt als der Durchmesser der Außenverrohrung misst, deren beweglichen Teile quer zum Kronenschaft drehbar gelagert sind und einen Bohrkopf bilden und die zum Bohren benötigte Energie durch Hydraulikhämmer oder Imlochhämmer zugeführt bekommt und zum Gestängewechsel oder nach vollendeter Arbeit ohne Verdrehen entgegen der Arbeitsdrehrichtung einfach in das Außenrohr zurückgezogen werden kann.
Weitere Einzelheiten und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Unteransprüchen. Hierbei können die jeweiligen Merkmale für sich alleine oder zu mehreren in Kombination miteinander verwirklicht sein. Die Möglichkeiten, die Aufgabe zu lösen, sind nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt. So umfassen beispielsweise Bereichsangaben stets alle - nicht genannten - Zwischenwerte und alle denkbaren Teilintervalle.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. Die Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren schematisch dargestellt. Gleiche Bezugsziffern in den einzelnen Figuren bezeichnen dabei gleiche oder funktionsgleiche bzw. hinsichtlich ihrer Funktionen einander entsprechende Elemente. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu verstehen. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Im Einzelnen zeigt beispielhaft:

Fig. 1 eine teilweise aufgeschnittene Darstellung einer Bohrvorrichtung mit einer Bohrkrone in einer ersten Position nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 2 eine teilweise aufgeschnittene Darstellung der Bohrvorrichtung aus Figur 1 mit der Bohrkrone in einer zweiten Position;
Fig. 3 eine teilweise aufgeschnittene Explosionsdarstellung der Bohrvorrichtung aus Figur 1;
Fig. 4 eine Seitenansicht eines Klappflügels nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 5 in Draufsicht den Klappflügel aus Figur 4;
Fig. 6 eine seitliche Schnittansicht durch eine Bohrkrone mit zwei Klappflügeln in einer ersten Position;
Fig. 7 in Draufsicht die Bohrkrone aus Figur 6;
Fig. 8 eine seitliche Schnittansicht durch die Bohrkrone aus Figur 6 mit zwei Klappflügeln in einer zweiten Position;
Fig. 9 in Draufsicht die Bohrkrone aus Figur 8;
Fig. 10 eine teilweise geschnittene Darstellung eines Klappflügels in einem Bohrkronenträger in einem zweiten ausgeklappten Zustand;
Fig. 11 eine teilweise geschnittene Darstellung eines Klappflügels in einem Bohrkronenträger in einer ersten, eingeklappten Position.

Es sind zahlreiche Abwandlungen und Weiterbildungen der beschriebenen Ausführungsbeispiele verwirklichbar. Gleiche oder ähnliche Elemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen beziffert.
Die Figuren 1 bis 3 zeigen in teilweise aufgeschnittener Darstellung eine Bohrvorrichtung 100 mit einer Bohrkrone 10 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer ersten Position (Figur 1), einer zweiten Position (Figur 2) und in Explosionsdarstellung (Figur 3). Die Bohrvorrichtung 100 umfaßt ferner einen nicht dargestellten Antriebsstrang.
Die Bohrkrone 10 zum Überlagerungsbohren ist in einem Rohr 60 geführt, das teilweise aufgeschnitten abgebildet ist. Die Bohrkrone 10 umfasst einen Bohrkopf 30 und einen den Bohrkopf 30 tragenden Bohrkronenträger 20 mit einer Bohrkronenträgerlängsachse 70. Der Bohrkronenträger 20 weist an seinem zum Bohrkopf 30 entgegengesetzten Ende ein Kupplungsstück 80 auf, mit dem der Bohrkronenträger 20 an einen Abtrieb zum drehenden und/oder schlagenden Antreiben des Bohrkopfes 30 koppelbar ist (nicht dargestellt). Im Innern des Bohrkronenträgers 20 ist eine nicht dargestellte Spülflüssigkeitsleitung angeordnet. Am Außenumfang des Bohrkronenträgers 20 ist eine Abflachung zu erkennen, die einen Bohrmehlablauf 90 bildet. Vorteilhaft ist diametral gegenüberliegend eine weitere solche Abflachung als Bohrmehlablauf 90 vorgesehen.
In diesem Ausführungsbeispiel umfasst der Bohrkopf 30 zwei Klappflügel 32, 34, die quer zu der Bohrkronenträgerlängsachse 70 schwenkbar am Bohrkronenträger 20 angeordnet sind und sich, bezogen auf die Bohrkronenträgerlängsachse 70, gegenüberliegen. Dabei ist jeder Klappflügel 32, 34 mit einem Bolzen 12, 14, der in eine entsprechende Bohrung 22, 24 des Bohrkronenträgers 20 eingelassen ist, schwenkbar gelagert, und zwar quer, insbesondere senkrecht zur Bohrkronenträgerlängsachse 70.
Jeder Klappflügel 32, 34 ist an seinem Klappflügelkopf 35 kreissegmentartig ausgebildet und weist eine Stirnfläche 40 auf, die an ihrem Außenrand abgekantet ist. Der radial außen an der Stirnfläche 40 angeordnete abgeschrägte Rand 38 bildet in der zweiten Position einen äußeren Bohrdurchmesser der Bohrkrone 10. Die Stirnfläche 40 weist in Arbeitsrichtung (in den Figuren 1-3 nach rechts).
An der Stirnfläche 40 und dem abgeschrägten Rand 38 sind Schneidelemente 50 eingesetzt, beispielsweise in Form von Hartmetallstiften, die in entsprechende Bohrungen in den jeweiligen Flächen eingelassen sind. Die Schneidelemente 50 an der Stirnfläche 40 und an dem abgeschrägten Rand 38 können unterschiedlich ausgestaltet sein.
In der ersten Position (Figur 1) sind die beiden Klappflügel 32, 34 nach innen geklappt und innerhalb des Durchmessers des Rohrs 60 und damit des Bohrkronendurchmessers d10 (Figur 6, Figur 7) angeordnet. Die Klappflügel 32, 34 sind dabei so ausgestaltet, dass sie teilweise ineinandergreifen können. Dazu ist im Innenbereich jedes Klappflügels 32, 34 eine Aussparung 44 vorgesehen, die eine Nase 42 des jeweils gegenüberliegenden Klappflügels 34, 32 aufnehmen kann.
In der zweiten Position (Figur 2) sind die Klappflügel 32, 34 nach außen geklappt und ragen über den Durchmesser des Rohrs 60 bzw. den Bohrkronendurchmesser d10 (Figur 8, Figur 9) hinaus.
Die Stirnfläche 40 ist gegen die Bohrkronenträgerlängsachse 70 um einen kleinen Winkel nach innen abfallend geneigt. Durch ihre konstruktive Ausgestaltung, insbesondere ihre Schrägen, können die Klappflügel 32, 34 passiv, d.h. ohne gesonderten Antrieb, von der ersten Position zu der zweiten Position bewegt werden. Geraten die Klappflügel 32, 34 bei rotierendem Bohrkopf 30 in eine Wirkverbindung mit einem Bohrobjekt, etwa Gestein am Bohrlochtiefsten, wird ein Drehmoment an dem Klappflügel 32, 34 quer zur Bohrkronenträgerlängsachse 70 erzeugt und die Klappflügel 32, 34 von der ersten in die zweite Position getrieben.
Wie in Figur 3 zu erkennen ist, ist die den Bohrmehlablauf 90 bildende Abflachung parallel zur vorgesehenen Klappbewegungsebene der Klappflügel 32, 34 angeordnet.
Die Figuren 4 und 5 zeigen einen einzelnen Klappflügel 32, 34 als Seitenansicht (Figur 4) und in Draufsicht (Figur 5). Schneidelemente am Klappflügel 32, 34 sind nicht dargestellt. Der Klappflügel 32, 34 ist als Kipphebel ausgestaltet mit einer Bohrung 46 an einem Fußteil 48, mit dem der Klappflügel 32, 34 im Bohrkronenträger 20 (Figuren 1-3) eine schwenkbar um eine Schwenkachse befestigt ist. Eine derartige Schwenkachse kann durch einen Bolzen 12 gebildet sein und ist in den Figuren 10 und 11 dargestellt. Anschließend an das Fußteil 48 ist der massive Klappflügelkopf 35 des Klappflügels 32, 34 ausgebildet, der in Draufsicht (Figur 5) als Kreissegment ausgebildet ist. Radial von dem abgeschrägten Rand 38 des Klappflügelkopfs 35 nach innen erstreckt sich eine Nase 42, die über dem Fußteil 48 angeordnet ist. Neben der Nase 42 ist eine Ausnehmung 44 ausgebildet, welche eine Nase eines gegenüberliegenden Klappflügels aufnehmen kann (Figur 1). Nase 42 und Ausnehmung 44 sind exzentrisch zur Mitte eines gedachten Umfangskreises des kreissegmentförmigen Klappflügels 32, 34 angeordnet. An der Unterseite des Klappflügels 32, 34 ist ein abgeschrägter Bereich 36 angeordnet, der zusammen mit dem Bereich 37 eine Auflagefläche des Klappflügels 32, 34 im Bohrkronenträger bildet, um im Betrieb eine effektive Kraft- bzw. Schlagübertragung auf die Bohrkrone ermöglicht.
Die Figuren 6 und 7 zeigen eine vereinfachte Bohrkrone 10 mit zwei Klappflügeln 32, 34 in der ersten Position in einer seitlichen Schnittansicht durch die Bohrkrone 10 (Figur 6) und in Draufsicht auf die Bohrkrone 10 (Figur 7). Die Bohrkrone 10 ist im zusammengeklappten Zustand (erste Position) innerhalb des Rohrs 60 angeordnet. Der Innendurchmesser des Rohrs 60 ist geringfügig größer als der Bohrkranzdurchmesser d10. Dabei ragt das Fußteil 48 des linksseitigen Klappflügels 32 unter den rechtsseitigen Klappflügel 34 und umgekehrt, wobei der Übersichtlichkeit wegen beispielhaft nur das eine Fußteil 48 mit einem Bezugszeichen beziffert ist.
Auf der linken Seite der Figur ist in dem abgeschrägten Rand 38 eine Bohrung zu erkennen, die dazu gedacht ist, ein Schneidelement in Form eines Hartmetallstifts 50 aufzunehmen. Auf der Stirnfläche 40 sind der Einfachheit wegen keine der vorhandenen Schneidelemente dargestellt. In der ersten Position bildet die radial innere Kante des abgeschrägten Rands 38 die am weitesten vorragende Kante des Bohrkopfs 30. Ist der abgeschrägte Rand 38 mit Schneidelementen 50 versehen, ragen diese am weitesten in die Arbeitsrichtung (in der Figur 6 nach oben).
Die Stirnfläche 40 ist in der ersten Position gegen die Bohrkronenträgerlängsachse 70 um einen Winkel α geneigt, wobei die Stirnfläche 40 von außen nach innen abfällt. Insbesondere weist der Winkel α einen Wert zwischen 15° und 9° auf, bevorzugt zwischen 13° und 11°, besonders bevorzugt 12°. Mit einer Neigung der Stirnfläche 40 in diesem Winkelbereich gelingt es, sobald der Bohrkopf mit dem Bohrobjekt in Kontakt gerät durch Wechselwirkung, insbesondere Reibung, mit dem Gestein ein Drehmoment an den Klappflügeln 32, 34 so auszuüben, dass diese sich nach außen von der ersten Position in die zweite Position bewegen und dort verbleiben, solange der Bohrkranz 10 rotiert.
Ein radial außen angeordneter Bereich 36 an der Unterseite der Klappflügel 32, 34 weist ebenfalls eine Neigung gegenüber der Bohrkronenträgerlängsachse 70 auf, die ein Zurückbewegen der Klappflügel 32, 34 von der zweiten Position in die erste Position erleichtert. Zusammen mit dem Bereich 37 bildet der Bereich 36 eine Auflagefläche des Klappflügels 32, 34 im Bohrkronenträger, um im Betrieb eine effektive Kraft- bzw. Schlagübertragung auf die Bohrkrone zu ermöglichen.
Die Figuren 8 und 9 zeigen die vereinfachte Bohrkrone 10 mit zwei Klappflügeln 32, 34 in der zweiten Position in einer seitlichen Schnittansicht durch die Bohrkrone 10 (Figur 8) und in Draufsicht auf die Bohrkrone 10 (Figur 9).
Die Stirnflächen 40 der Klappflügel 32, 34 sind in der zweiten Position nunmehr senkrecht zur Bohrkronenträgerlängsachse 70 positioniert, so dass eine große Arbeitsfläche ausgebildet ist. Die Schneidelemente 50 an dem abgeschrägten Rand 38 bilden einen äußeren Bohrradius des Bohrkopfes 30. Dabei können die Klappflügel 32, 34 mit ihren Stirnflächen 40 zum freien Ende der Bohrkrone 30 eine Wölbung nach innen aufweisen, die für die Richtungsgenauigkeit beim Bohren von Vorteil ist.
Die Klappflügel 32, 34 weisen jeweils einen Bereich 36 an den Stirnflächen 40 gegenüberliegenden Unterseiten auf, der in der zweiten Position um einen Winkel β gegen die Bohrkronenträgerlängsachse 70 geneigt ist, wobei der Bereich 36 von außen nach innen abfällt, d.h. in derselben Richtung gegenüber der Bohrkronenträgerlängsachse 70 geneigt ist wie die jeweilige Stirnfläche 40 in der ersten Position. Vorteilhaft weist der Winkel β einen Wert zwischen 20° und 10° auf, bevorzugt zwischen 18° und 12°, besonders bevorzugt 15°. Mit einer solchen Schräge im Bereich 36 können die Klappflügel 32, 34 bei stillstehendem Bohrkranz 10 unproblematisch in das Rohr 60 zurückgezogen werden, indem die Bereiche 36 auf den Stirnkanten des Rohrs 60 gleiten.
In den Figuren 10 und 11 ist ein Klappflügel 32 in einer ersten, eingeklappten Position (Figur 11) und einer zweiten, ausgeklappten Position (Figur 10) dargestellt, an dem die Funktionsweise der Bohrkrone weiter erläutert ist. Dabei ist der Bohrkronenträger 20 geschnitten dargestellt. Der Klappflügelkopf 35 ist um die vom Mittelpunkt der Drehachse eines Bolzens 12 gebildete Schwenkachse schwenkbar.
Bezugszeichen 130 bezeichnet in der Ansicht den höchsten Punkt des Klappflügels 32, der an der Kante zwischen der Stirnfläche 40 und dem abgeschrägten Rand 38 liegt. Bezugszeichen 120 bezeichnet einen Punkt an der Kante zwischen dem abgeschrägten Rand 38, während Bezugszeichen 140 einen Punkt an der Kante zwischen den Bereich 36 und der Mantelfläche des Klappflügelkopfs 35 bezeichnet. Die Punkte 120, 130, 140 liegen in derselben gedachten Ebene. Bezugszeichen Y bezeichnet den radialen Abstand des höchsten Punkts 130 vom Mittelpunkt der Drehachse des Bolzens 12 in der ersten, eingeklappten Position. Bezugszeichen Z bezeichnet den radialen Abstand dieses Punkts 130 vom Mittelpunkt der Drehachse des Bolzens 12 in der zweiten, ausgeklappten Position. Bezugszeichen C bezeichnet den Außenumfang des Bohrkronenträgers 20. X bezeichnet den axialen Abstand zwischen der Drehachse des Bolzens 12 und dem axialen Ende des Bohrkronenträgers 20.
Solange der Wert Y, also der Abstand zwischen dem Mittelpunkt der Drehachse des Bolzen 12 zum höchsten Punkt 130 positiv ist, klappt der Klappflügel 32 sicher in die zweite Position, d.h. in die Bohrposition, bei der die Punkte 120 bis 140 außerhalb des Bohrkronenträgers 20 (und damit der Linie C in der Figur 10) liegen. Dies gilt unabhängig von der Kopfform des Klappflügelkopfs 35.
Je größer der Wert Y ist, umso sicherer klappt sich der Klappflügel 32 in die Bohrposition aus.
Je größer das Maß X ist, desto kleiner ist der Winkel a, wenn der Klappflügel 32 innerhalb des Außenumfangs des Bohrkronenträgers 20 eingeklappt ist, d.h. wenn die Punkte 120 bis 140 innerhalb Linie C liegen).
In einer nicht dargestellten Ausführung mit zwei Klappflügeln 32, 34 entsprechend den Figuren 1, 2, 3, 6, 7, 8, 9 können auch beide Klappflügel 32, 34 über einen gemeinsamen Bolzen quer zur Bohrkronenträgerlängsachse 70 des Bohrkronenträgers 20 fixiert sein, wobei die Drehachse des Bolzens die Bohrkronenträgerlängsachse 70 schneidet. Allerdings verringert sich dadurch die Auflagefläche der Klappflügel 32, 34 im Bereich 36 und 37.
Die Bolzenlage ist vorzugsweise immer so gestaltet, dass der Klappflügel 32, 34 sicher ausklappt und eine möglichst große Auflagefläche am Bohrkronenträger 20 zur Schlagübertragung bildet.

Bezugszeichen

100: Bohrvorrichtung
10: Bohrkrone/Bohrkranz
12: Bolzen
13: Linie
14: Bolzen
20: Bohrkronenträger
22: Bohrung
24: Bohrung
30: Bohrkopf
32: Klappflügel
34: Klappflügel
35: Klappflügelkopf
36: Bereich Auflagefläche
37: Bereich Auflagefläche
38: abgeschrägter Rand
40: Stirnfläche
42: Nase
44: Aussparung/Ausnehmung
46: Bohrung
48: Fußteil
50: Schneidelemente/Hartmetallstift
60: Rohr
70: Bohrkronenträgerlängsachse
80: Kupplungsstück
90: Bohrmehlablauf
120: erster Punkt
130: zweiter Punkt
140: dritter Punkt
d10: Bohrkronen-/Bohrkranzdurchmesser

Claims

Dreh-Schlagbohrkrone, die nach Durchlaufen einer Außenverrohrung bei Grundkontakt sich öffnet, zwangsläufig aufklappt und größer bohrt als der Durchmesser der Außenverrohrung misst, wobei
- die beweglichen Teile der Dreh-Schlagbohrkrone quer zum Kronenschaft drehbar gelagert sind,

- einen Bohrkopf bilden,

- die Dreh-Schlagbohrkrone die zum Bohren benötigte Energie durch Hydraulikhämmer oder Imlochhämmer zugeführt bekommt

- die Dreh-Schlagbohrkrone zum Gestängewechsel oder nach vollendeter Arbeit ohne Verdrehen entgegen der Arbeitsdrehrichtung einfach in das Außenrohr zurückgezogen werden kann,

- die beweglichen Teile mindestens zwei Klappflügel (32, 34) umfassen,

- dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Klappflügel (32, 34) einen kreissegmentartig ausgebildeten Klappflügelkopf (35) umfasst, wobei jeder Klappflügel (32, 34)

- eine Stirnfläche (40) mit einem radial außen angeordneten abgeschrägten Rand (38) und eine sich radial von dem abgeschrägten Rand (38) nach innen erstreckende Nase (42) aufweist, wobei neben der Nase (42) eine Ausnehmung (44) ausgebildet ist, welche die Nase (42) des gegenüberliegenden Klappflügels (32; 34) aufnehmen kann, wobei

- an der Stirnfläche (40) und dem abgeschrägten Rand (38) Schneideelemente (50) eingesetzt sind.
Bohrkrone (10), mit einem Bohrkopf (30) und einem den Bohrkopf (30) tragenden Bohrkronenträger (20), mit mindestens zwei Klappflügeln (32, 34), die zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position hin und her bewegbar ist, wobei jeder der Klappflügel (32, 34) in der ersten Position innerhalb eines Bohrkronendurchmessers (d10) angeordnet ist und in der zweiten Position über den Bohrkronendurchmesser (d10) hinausragt, und wobei jeder der Klappflügel (32, 34) an seinem freien Ende eine Stirnfläche (40) aufweist, jeder der Klappflügel (32, 34) quer zu einer Bohrkronenträgerlängsachse (70) schwenkbar um eine als Bolzen (12, 14) ausgebildeten Schwenkachse am Bohrkronenträger (20) angeordnet und
konstruktiv so ausgebildet ist, dass bei rotierendem Bohrkopf (30) eine Wirkverbindung mit einem Bohrobjekt ein Drehmoment an dem Klappflügel (32, 34) quer zur Bohrkronenträgerlängsachse (70) erzeugt und den Klappflügel (32, 34) von der ersten in die zweite Position treibt,
dadurch gekennzeichnet, dass
- jeder der Klappflügel (32, 34) an seinem Klappflügelkopf (35) kreissegmentartig ausgebildet ist und

- eine Stirnfläche (40) mit einem radial außen angeordneten abgeschrägten Rand (38) und einer sich radial von dem abgeschrägten Rand (38) nach innen erstreckende Nase (42) aufweist, wobei neben der Nase (42) eine Ausnehmung (44) ausgebildet ist, welche die Nase (42) des gegenüberliegenden Klappflügels (32, 34) aufnehmen kann, wobei

- an der Stirnfläche (40) und dem abgeschrägten Rand (38) Schneidelemente (50) eingesetzt sind.
Bohrkrone nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnfläche (40) in der ersten Position gegen die Bohrkronenträgerlängsachse (70) um einen Winkel (α) geneigt ist, wobei die Stirnfläche (40) von außen nach innen abfällt.
Bohrkrone nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Position der radiale Abstand (Y) des höchsten Punkts (130) jedes Klappflügels (32, 34) von der Schwenkachse einen positiven Wert aufweist.
Bohrkrone nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Klappflügel (32, 34) einen Bereich (36) an seiner der Stirnfläche (40) gegenüberliegenden Unterseite aufweist, der in der zweiten Position um einen Winkel (β) gegen die Bohrkronenträgerlängsachse (70) geneigt ist, wobei der Bereich (36) von außen nach innen abfällt.
Bohrkrone nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (β) einen Wert zwischen 20° und 10° aufweist.
Bohrkrone nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der abgeschrägte Rand (38) in der zweiten Position einen äußeren Bohrdurchmesser bildet.
Bohrkrone nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Bohrkronenträgers (20) wenigstens eine Spülmittelzufuhr vorgesehen ist.
Bohrvorrichtung (100) mit einer Bohrkrone (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrkrone (10) in einem Rohr (60) geführt oder führbar ist.
Bohrvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Bohrkronenträger drehfest mit einer Abtriebswelle (80) gekoppelt oder koppelbar ist.