EP4198253B1 - Bohrwerkzeug und verfahren zum erstellen einer bohrung im boden - Google Patents

Bohrwerkzeug und verfahren zum erstellen einer bohrung im boden Download PDF

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EP4198253B1
EP4198253B1 EP21214859.7A EP21214859A EP4198253B1 EP 4198253 B1 EP4198253 B1 EP 4198253B1 EP 21214859 A EP21214859 A EP 21214859A EP 4198253 B1 EP4198253 B1 EP 4198253B1
Authority
EP
European Patent Office
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drilling tool
drilling
rotary
removal element
basic body
Prior art date
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EP21214859.7A
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French (fr)
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EP4198253A1 (de
EP4198253C0 (de
Inventor
Fabian Denk
Robert Lauerer
Michael Stohl
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Bauer Maschinen GmbH
Original Assignee
Bauer Maschinen GmbH
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Publication date
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Application filed by Bauer Maschinen GmbH filed Critical Bauer Maschinen GmbH
Priority to CA3241334A priority patent/CA3241334A1/en
Priority to PCT/EP2022/084183 priority patent/WO2023110450A1/de
Priority to US18/719,587 priority patent/US12359511B2/en
Priority to CN202280090985.4A priority patent/CN118922613A/zh
Priority to AU2022409132A priority patent/AU2022409132B2/en
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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
    • E21B10/26—Drill bits with leading portion, i.e. drill bits with a pilot cutter; Drill bits for enlarging the borehole, e.g. reamers
    • E21B10/32—Drill bits with leading portion, i.e. drill bits with a pilot cutter; Drill bits for enlarging the borehole, e.g. reamers with expansible cutting tools
    • E21B10/327—Drill bits with leading portion, i.e. drill bits with a pilot cutter; Drill bits for enlarging the borehole, e.g. reamers with expansible cutting tools the cutter being pivoted about a longitudinal axis
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02D—FOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
    • E02D7/00—Methods or apparatus for placing sheet pile bulkheads, piles, mouldpipes, or other moulds
    • E02D7/22—Placing by screwing down
    • 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
    • E21B27/00—Containers for collecting or depositing substances in boreholes or wells, e.g. bailers, baskets or buckets for collecting mud or sand; Drill bits with means for collecting substances, e.g. valve drill bits
    • 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
    • E21B7/00—Special methods or apparatus for drilling
    • E21B7/003—Drilling with mechanical conveying means
    • 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
    • E21B7/00—Special methods or apparatus for drilling
    • E21B7/20—Driving or forcing casings or pipes into boreholes, e.g. sinking; Simultaneously drilling and casing boreholes

Definitions

  • the invention relates to a drilling tool for creating a bore in the ground, with a rotatably driven base body, a removal device at a lower end of the base body for removing soil material and at least one adjustable removal element which is adjustable between a radially inner retraction position and a radially outer extension position in which the removal element protrudes radially outwardly from the base body to expand a bore diameter, according to the preamble of claim 1.
  • a drilling tool is known from CN 113 236 131 A known.
  • the invention further relates to a method for creating a borehole in the ground according to the preamble of claim 11.
  • Such drilling tools are typically used for creating foundation piles in the ground.
  • a support tube is often inserted together with the drilling tool, which has a slightly larger diameter than the drilling tool guided in it.
  • the lower end of the tube can be fitted with a so-called cutting shoe with removal elements. Depending on the intended drilling depth, these can be subject to considerable wear.
  • the support tube cannot or can hardly be withdrawn from the borehole during the ongoing process, as otherwise the borehole would lose the support it needs for the further drilling process.
  • radially adjustable removal elements on the drilling tool when the drilling tool is in a certain lead position relative to the subsequent support tube.
  • the radial removal elements can be extended into an area below the support tube so that the soil material is removed directly below the support tube. This significantly reduces wear on the support tube and makes it easier to insert the support tube into the ground.
  • the radially adjustable removal element can be withdrawn from its extended position using an adjustment device so that the drilling tool can be withdrawn from the support tube without collision.
  • the invention is based on the object of specifying a drilling tool and a method for creating a borehole in the ground, with which a radial diameter change can be achieved in a simple and reliable manner.
  • an adjustment mechanism with a rotary member for adjusting the removal element, which is rotatable on the base body about the drilling axis between a first rotation position and a second rotation position, wherein the at least one removal element is arranged on a pivot arm which is pivotable relative to the base body between a first pivot position, in which the at least one removal element is in its retracted position, and a second pivot position, in which the at least one removal element is in its extension position, wherein an actuating cam is provided on the rotary member and/or on the at least one pivot arm, by means of which a rotary movement of the rotary member can be converted into a pivoting movement of the at least one pivot arm.
  • the drilling tool can basically be designed in any way, for example as a continuous auger, a drilling auger or as a box drill.
  • a first aspect of the invention is that the at least one radially adjustable removal element is not simply linearly adjustable in a radial direction, but is mounted on a swivel arm so that it can pivot between a retraction position and an extension position.
  • the adjustment mechanism for adjusting the removal element has a rotary member which can be rotated between a first rotary position and a second rotary position.
  • the rotary member and the at least one swivel arm are coupled to one another via an actuating cam, so that a positive control is provided. With a defined rotary position of the rotary member, a defined swivel position of the swivel arm can thus be achieved.
  • the rotary member is mounted so that it can rotate around the drilling axis of the drilling tool, so that depending on the direction of rotation of the drilling tool, the rotary member is rotated and the swivel arm is swiveled.
  • This achieves a forced control in which at least one removal element on the swivel arm is moved in a defined manner between the retraction position and the radial extension position.
  • the at least one actuating cam is designed as a bolt.
  • the bolt preferably extends in the longitudinal direction of the drilling tool, i.e. in the drilling direction and parallel to the drilling axis.
  • the bolt can basically be attached to the swivel arm and engage in a corresponding guide on the rotary member.
  • the actuating cam designed as a bolt is attached to the rotary member and that a guide hole, in particular an elongated hole, is formed on the at least one swivel arm, into which the bolt engages. This allows a particularly robust and simple construction of the drilling tool.
  • a further robust design is achieved according to the invention in that at least one pivot pin is arranged on the base body, on which the at least one pivot arm is pivotably mounted.
  • the pivot pin can be fixed on the base body, while the pivot arm is pivotably mounted on the pivot pin via a simple sliding bearing.
  • the pivot pin can also be firmly attached to the pivot arm and engage in a corresponding sleeve-shaped pivot bearing on the base body.
  • swivel arms with at least one removal element are provided in an opposite arrangement at the lower end of the base body.
  • the swivel arms are arranged offset by approximately 180° from one another around the drilling axis. This essentially symmetrical design enables a uniform force distribution in relation to the circumference.
  • the base body is designed as a drum-shaped drilling box with at least one lower receiving opening and that the rotating member is designed as a rotating base for opening and closing the at least one receiving opening.
  • the drilling tool is thus designed as a box drill or drilling bucket with a drum-shaped base body.
  • Such drilling buckets have a rotating base for opening and closing the at least one receiving opening, which is mounted so as to be rotatable about the drilling axis.
  • Such a rotating base can be used as a rotating member for the invention.
  • the removal device is arranged on the rotating base.
  • the removal device can be formed in particular by cutting teeth which are arranged approximately linearly in a radial direction along the rotating base at the receiving opening.
  • a hinged base is arranged in a lower area of the drum-shaped drilling box, on which the rotating base is rotatably mounted.
  • the hinged base with the rotating base can thus be opened about a substantially horizontal pivot or folding axis, which is directed approximately perpendicular to the drilling axis. In this way, the underside of the drilling box can be opened so that soil material located therein can be easily emptied.
  • a particularly compact design of the drilling tool is achieved according to a further development of the invention in that the at least one pivot pin on the base body is designed as a stop for limiting the rotational movement of the rotating base.
  • the rotating base can thus be designed with a limited rotation or adjustment range so that it precisely exposes or covers the at least one receiving opening.
  • a practical operation of the drilling tool according to the invention is further achieved in that a recess is formed on the at least one pivot arm to form a passage area for removed soil material.
  • the pivot arm can have a region with a reduced wall thickness in the direction of the drilling axis, so that a passage area for removed soil material is provided in a horizontal direction. This also simplifies pivoting of the pivot arm.
  • a further advantageous embodiment of the invention consists in that the at least one removal element is in the retracted position when the rotating base closes the at least one receiving opening on the drilling box, and that the at least one removal element is in the radially protruding extension position when the rotating base releases the receiving opening.
  • the receiving opening is closed by rotating the rotating base.
  • the provided forced control returns at least one removal element from the radially outer extension position to the radially inner retraction position. In this way, the drilling tool can be retracted reliably and without the risk of the removal element colliding with the support tube.
  • the invention further comprises a method for producing a borehole in the ground, wherein the drilling tool according to the invention described above is used.
  • the advantages described above when producing a borehole in the ground can be achieved with the method according to the invention.
  • a particularly preferred method variant according to the invention consists in that the at least one removal element is adjusted radially by rotating the rotary member of the drilling tool during drilling, whereby a bore diameter changes. In this way, a radial bore expansion can be carried out by radially extending the at least one removal element. Conversely, by radially retracting the at least one removal element into a retracted position, a state of the drilling tool can be achieved in which the drilling tool can be easily retracted through the support tube.
  • the drilling tool 10 is designed as a drilling bucket with a base body 12, which comprises a housing-like, drum-shaped drilling box 14.
  • a connecting device 16 for releasably connecting a drill rod and an unlocking device 17 are arranged in a basically known manner.
  • the unlocking device 17 serves to unlock and open a folding base 24, which is mounted on the underside of the drum-shaped drilling box 14 so that it can be opened via a folding joint 26.
  • the mechanism for unlocking and locking the folding floor 24 is basically known and will not be explained in more detail below.
  • a plate-shaped rotary member 40 is mounted on the hinged base 24 on the underside of the base body 12 so as to be rotatable about a central drilling axis between a first rotary position and a second rotary position.
  • Figures 1 to 3 the plate-shaped rotary member 40 is in the first rotary position, with the adjustable removal elements 30 being in their radially retracted retraction position, as can be seen particularly clearly in the Figures 2 and 3 is shown.
  • the removal elements 30 designed as cutting teeth are retracted radially inwards so that they do not protrude radially from the outer circumference of the drum-shaped drilling box 14.
  • the swivel arms 50 are pivotally mounted on a swivel pin 28 at their radially inner end.
  • the swivel pin 28 is firmly attached to the folding base 24 and extends parallel with a certain radial offset to the central drilling axis.
  • the swivel arms 50 each have a guide hole 52 extending approximately in the radial direction, which in the embodiment shown is essentially designed as an elongated hole.
  • Two removal elements 30 angled to one another are detachably attached to the radially outer end of the swivel arms 50.
  • the strip-shaped pivot arms 50 have a reinforced outer region and a thinned inner region, with a recess 58 formed on the inner region of the pivot arm 50.
  • the recess 58 allows passage of removed soil material beneath the pivot arm 50.
  • the plate-shaped rotary member 40 which is designed as a rotary base 42, two removal devices 20 with removal teeth 22 are arranged on a holder 21 each.
  • the removal teeth 22 designed as cutting teeth are used to remove existing soil material during drilling.
  • a pilot cutting edge 19 is also arranged in a basically known manner for centering the drilling tool 10 during drilling.
  • the functionality of the adjustment mechanism for adjusting the removal elements 30 is explained in more detail in connection with the Figures 4 to 6 explained.
  • the two swivel arms 50 are each pivotably mounted about swivel bolts 28, which are firmly attached to the folding base 24 and thus to the base body 12 of the drilling tool 10.
  • To pivot the swivel arms 50 two actuating cams 46 designed as bolts 48 are attached to the plate-shaped rotary member 40. The bolts 48 engage in the respectively assigned guide hole 52 on the respective swivel arm 50.
  • the plate-shaped rotary member 40 with the removal devices 20 attached thereto is moved counter to the drilling direction of rotation from the first rotation position according to Figure 3 into a second rotation position according to Figure 5 adjusted.
  • this second rotational position two receiving openings 25 on the folding floor 24 are released, through which the removed soil material can reach the receiving space within the drum-shaped drilling box 14.
  • the rotary member 40 is rotatably mounted on the folding floor 24 via a central rotary axis 44.
  • the actuating cams 46 are also adjusted in relation to the swivel arms 50 mounted on the folding base 24 in the respective guide hole 52. Due to this positively controlled relative movement, the swivel arms 50 with the removal elements 30 attached to them are moved from their radially retracted retraction position according to Fig.3 into its radially extended extension position according to Fig.5 adjusted. In this extended position, the removal elements 30 protrude radially outward from the outer circumference of the drum-shaped drilling box 14, so that the removal elements 30 cause an increase in the drilling diameter.
  • the increase in the drilling diameter can be set so that soil material is removed below a support pipe (not shown), so that the support pipe can be guided into the borehole in a simplified manner.
  • a brief reverse rotation of the drilling tool 10 against the drilling direction i.e. in relation to the Figures 3 and 5 clockwise, the rotary member 40 designed as a rotating base 42 returns to the first rotation position according to Fig.3 be turned back.
  • the receiving openings 25 are closed at the bottom so that when the drilling tool 10 is pulled out of the borehole, no soil material can fall down from the receiving space.
  • the swivel arms 50 with the removal elements 30 are returned to their retracted position according to Fig.3 swung back. In this retracted position, the drilling tool 10 can easily be pulled axially through the support tube protruding from above.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Bohrwerkzeug zum Erstellen einer Bohrung im Boden, mit einem drehbar antreibbaren Grundkörper, einer Abtragseinrichtung an einem unteren Ende der Grundkörpers zum Abtragen von Bodenmaterial und mindestens einem verstellbaren Abtragselement, welches zwischen einer radial innenliegenden Rückzugsposition und einer radial außenliegenden Erweiterungsposition verstellbar ist, in welcher das Abtragselement radial nach außen gegenüber dem Grundkörper zum Erweitern eines Bohrungsdurchmessers vorsteht, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein derartiges Bohrwerkzeug ist aus der CN 113 236 131 A bekannt.
  • Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Erstellen einer Bohrung im Boden gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 11.
  • Derartige Bohrwerkzeuge werden typischerweise für das Erstellen von Gründungspfählen im Boden eingesetzt. Zum Abstützen des Bodens beim Bohren wird häufig zusammen mit dem Bohrwerkzeug ein Stützrohr eingebracht, welches einen etwas größeren Durchmesser als das darin geführte Bohrwerkzeug aufweist. Zum Abtragen von Bodenmaterial unmittelbar durch das Stützrohr kann dieses an seinem unteren Ende mit einem sogenannten Schneidschuh mit Abtragselementen versehen sein. Diese können abhängig von der vorgesehenen Bohrtiefe einem erheblichen Verschleiß ausgesetzt sein. Anders als ein Bohrwerkzeug kann das Stützrohr während des laufenden Verfahrens grundsätzlich nicht oder kaum wieder aus dem Bohrloch rückgezogen werden, da ansonsten das Bohrloch seine notwendige Abstützung für den weiteren Bohrvorgang verlieren würde.
  • Es ist weiterhin bekannt, bei einem gewissen Vorauseilen des Bohrwerkzeuges gegenüber dem nachfolgenden Stützrohr an dem Bohrwerkzeug radial verstellbare Abtragselemente vorzuzusehen. Die radialen Abtragselemente können in einen Bereich unterhalb des Stützrohres ausgefahren werden, so dass das Bodenmaterial unmittelbar unterhalb des Stützrohres abgetragen wird. Hierdurch werden ein Verschleiß des Stützrohres erheblich vermindert und ein erleichtertes Einbringen des Stützrohres in den Boden ermöglicht. Zum Rückziehen des Bohrwerkzeuges aus dem Stützrohr kann über eine Verstelleinrichtung das radial verstellbare Abtragselement wieder aus seiner Erweiterungsposition rückgezogen werden, so dass das Bohrwerkzeug kollisionsfrei aus dem Stützrohr rückziehbar ist.
  • Zum Verstellen ist es bekannt, hydraulisch betätigte Stellzylinder am Bohrwerkzeug vorzusehen. Dies ist jedoch mechanisch aufwendig und bedarf zudem einer Drehdurchführung zum Zuführen von Hydraulikfluid von außen an das im Betrieb drehende Bohrwerkzeug. Weiterhin sind Verstelleinrichtungen bekannt, bei welchen eine axiale Stellbewegung am Bohrwerkzeug, etwa durch das axiale Bohrgestänge, in eine radiale Verstellbewegung umgesetzt wird. Das Umsetzen einer Axialbewegung in eine Radialbewegung ist mechanisch aufwendig und benötigt in dem begrenzten Bauraum eines Bohrwerkzeuges entsprechend Platz.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bohrwerkzeug und ein Verfahren zum Erstellen einer Bohrung im Boden anzugeben, mit welchen in einfacher und zuverlässiger Weise eine radiale Durchmesserveränderung erreichbar sind.
  • Die Aufgabe wird zum einen durch ein Bohrwerkzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und zum anderen durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Das erfindungsgemäße Bohrwerkzeug, bei welchem zum Verstellen des Abtragselementes ein Verstellmechanismus mit einem Drehglied vorgesehen ist, welches an dem Grundkörper drehbar um die Bohrachse zwischen einer ersten Drehposition und zweiten Drehposition ist, wobei das mindestens eine Abtragselement an einem Schwenkarm angeordnet ist, welcher gegenüber dem Grundkörper zwischen einer ersten Schwenkposition, bei welcher sich das mindestens eine Abtragselement in seiner Rückzugsposition befindet, und einer zweiten Schwenkposition verschwenkbar ist, in welcher sich das mindestens eine Abtragselement in seiner Erweiterungsposition befindet, wobei an dem Drehglied und/oder an dem mindestens einen Schwenkarm ein Betätigungsnocken vorgesehen ist, durch welchen eine Drehbewegung des Drehgliedes in eine Schwenkbewegung des mindestens einen Schwenkarms umsetzbar ist.
  • Das Bohrwerkzeug kann grundsätzlich beliebig ausgebildet sein, etwa als eine Endlosschnecke, eine Bohrschnecke oder als ein Kastenbohrer. Ein erster Aspekt der Erfindung besteht dabei darin, dass das mindestens eine radial verstellbare Abtragselement nicht einfach in einer radialen Richtung linear verstellbar ist, sondern an einem Schwenkarm verschwenkbar zwischen einer Rückzugsposition und einer Erweiterungsposition gelagert ist.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist der Verstellmechanismus zum Verstellen des Abtragselementes ein Drehglied auf, welches zwischen einer ersten Drehposition und einer zweiten Drehposition verdrehbar ist. Das Drehglied und der mindestens eine Schwenkarm sind dabei über einen Betätigungsnocken miteinander gekoppelt, so dass eine Zwangssteuerung gegeben ist. Bei einer definierten Drehposition des Drehgliedes kann so eine definierte Schwenkposition des Schwenkarms erreicht werden.
  • Das Drehglied ist dabei drehbar um die Bohrachse des Bohrwerkzeuges gelagert, so dass abhängig von der Drehrichtung des Bohrwerkzeuges eine Verdrehung des Drehgliedes und damit ein Verschwenken des Schwenkarmes bewirkt wird. Somit wird eine Zwangssteuerung erreicht, bei welcher definiert das mindestens eine Abtragselement an dem Schwenkarm zwischen der Rückzugsposition und der radialen Erweiterungsposition bewegt wird. Insgesamt kann so ein einfacher und kompakter Verstellmechanismus und damit ein einfach aufgebautes Bohrwerkzeug mit der Möglichkeit zur radialen Durchmessererweiterung verwirklicht werden.
  • Nach der Erfindung ist vorgesehen, dass die mindestens eine Betätigungsnocke als ein Bolzen ausgebildet ist. Dies ergibt eine besonders robuste und einfach herzustellende Ausführung. Vorzugsweise erstreckt sich der Bolzen in Längsrichtung des Bohrwerkzeuges, also in Bohrrichtung und parallel zur Bohrachse.
  • Der Bolzen kann dabei grundsätzlich an dem Schwenkarm angebracht sein und in eine entsprechende Kulissenführung am Drehglied eingreifen. Es ist erfindungsgemäß, dass die als Bolzen ausgebildete Betätigungsnocke an dem Drehglied angebracht ist und dass an dem mindestens einen Schwenkarm ein Kulissenloch, insbesondere ein Langloch, ausgebildet ist, in welches der Bolzen eingreift. Dies erlaubt einen besonders robusten und einfachen Aufbau des Bohrwerkzeuges.
  • Eine weitere robuste Ausgestaltung wird nach der Erfindung dadurch erzielt, dass an dem Grundkörper mindestens ein Schwenkbolzen angeordnet ist, an welchem der mindestens eine Schwenkarm schwenkbar gelagert ist. Der Schwenkbolzen kann dabei am Grundkörper feststehend sein, während der Schwenkarm über ein einfaches Gleitlager an dem Schwenkbolzen schwenkbar gelagert ist. Grundsätzlich kann jedoch der Schwenkbolzen auch an dem Schwenkarm fest angebracht sein und in ein entsprechendes hülsenförmiges Schwenklager am Grundkörper eingreifen.
  • Eine besonders gute Funktionsfähigkeit und Kraftverteilung wird nach einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung dadurch erzielt, dass zwei Schwenkarme mit mindestens einem Abtragselement in einer gegenüberliegenden Anordnung am unteren Ende des Grundkörpers vorgesehen sind. Die Schwenkarme sind dabei etwa um 180° zueinander um die Bohrachse versetzt angeordnet. Diese im Wesentlichen symmetrische Ausgestaltung ermöglicht eine gleichmäßige Kraftverteilung in Bezug auf den Umfang.
  • Besonders zweckmäßig ist es nach einer Weiterbildung der Erfindung, dass der Grundkörper als ein trommelförmiger Bohrkasten mit mindestens einer unteren Aufnahmeöffnung ausgebildet ist und dass das Drehglied als ein Drehboden zum Öffnen und Schließen der mindestens einen Aufnahmeöffnung ausgebildet ist. Das Bohrwerkzeug ist somit als ein Kastenbohrer oder Bohreimer mit einem trommelförmigen Grundkörper ausgebildet. Derartige Bohreimer weisen zum Öffnen und Schließen der mindestens einen Aufnahmeöffnung einen Drehboden auf, welcher um die Bohrachse drehbar gelagert ist. Ein solcher Drehboden kann als ein Drehglied für die Erfindung verwendet werden.
  • Dabei ist es nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorteilhaft, dass die Abtragseinrichtung an dem Drehboden angeordnet ist. Die Abtragseinrichtung kann dabei insbesondere durch Schneidzähne gebildet sein, welche etwa linear in einer radialen Richtung entlang des Drehbodens an der Aufnahmeöffnung angeordnet sind.
  • Für ein schnelles Entleeren eines derartigen Kastenbohrers oder Bohreimers ist es nach einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung bevorzugt, dass an einem unteren Bereich des trommelförmigen Bohrkastens ein Klappboden aufklappbar angeordnet ist, an welchem der Drehboden drehbar gelagert ist. Der Klappboden mit dem Drehboden kann so um eine im Wesentlichen horizontale Schwenk- oder Klappachse, welche etwa senkrecht zur Bohrachse gerichtet ist, aufgeklappt werden. Auf diese Weise kann die Unterseite des Bohrkastens geöffnet werden, so dass darin befindliches Bodenmaterial einfach entleert werden kann.
  • Eine besonders kompakte Bauform des Bohrwerkzeuges wird nach einer Weiterbildung der Erfindung dadurch erzielt, dass der mindestens eine Schwenkbolzen an dem Grundkörper als ein Anschlag zum Begrenzen der Drehbewegung des Drehbodens ausgebildet ist. Der Drehboden kann so mit einem begrenzten Dreh- oder Verstellbereich ausgebildet sein, so dass dieser exakt die mindestens einen Aufnahmeöffnung freigibt oder abdeckt.
  • Ein zweckmäßiger Betrieb des erfindungsgemäßen Bohrwerkzeugs wird weiter dadurch erreicht, dass an dem mindestens einen Schwenkarm eine Ausnehmung zum Bilden eines Durchgangsbereiches für abgetragenes Bodenmaterial ausgebildet ist. Insbesondere kann der Schwenkarm in Richtung der Bohrachse einen Bereich mit verringerter Wandstärke aufweisen, so dass ein Durchgangsbereich für abgetragenes Bodenmaterial in einer horizontalen Richtung gegeben ist. Dies vereinfacht zudem ein Verschwenken des Schwenkarms.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltungsform der Erfindung besteht darin, dass sich das mindestens eine Abtragselement in der Rückzugsposition befindet, wenn der Drehboden die mindestens einen Aufnahmeöffnung am Bohrkasten verschließt, und dass sich das mindestens einen Abtragselement in der radial vorstehenden Erweiterungsposition befindet, wenn der Drehboden die Aufnahmeöffnung freigibt.
  • Bei einem Bohrbetrieb mit geöffneter Aufnahmeöffnung kann so bei einem Voreilen des Bohrwerkzeuges eine Durchmessererweiterung unterhalb eines Stützrohres erzielt werden. Somit kann in diesem Zustand auch anstehendes Bodenmaterial unter einem radial äußeren Stützrohr zuverlässig abgetragen werden. Hierdurch wird das Einbringen des Stützrohres bei einem verrohrten Bohren erheblich vereinfacht.
  • Für ein Rückziehen des Bohrwerkzeuges aus dem Bohrloch für einen Entleervorgang wird die Aufnahmeöffnung durch Verdrehen des Drehbodens geschlossen. Dabei wird durch die vorgesehene Zwangssteuerung das mindestens eine Abtragselement von der radial äußeren Erweiterungsposition in die radial innere Rückzugsposition rückgestellt. Auf diese Weise kann das Bohrwerkzeug zuverlässig und ohne Gefahr einer Kollision des Abtragselementes mit dem Stützrohr rückgezogen werden.
  • Die Erfindung umfasst weiterhin ein Verfahren zum Herstellen einer Bohrung im Boden, wobei das zuvor beschriebene erfindungsgemäße Bohrwerkzeug eingesetzt wird. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können die zuvor beschriebenen Vorteile beim Erstellen einer Bohrung im Boden erzielt werden.
  • Eine besonders bevorzugte Verfahrensvariante besteht erfindungsgemäß darin, dass durch ein Verdrehen des Drehgliedes des Bohrwerkzeuges beim Bohren das mindestens eine Abtragselement radial verstellt wird, wobei sich ein Bohrungsdurchmesser verändert. So kann durch radiales Ausfahren des mindestens einen Abtragselementes eine radiale Bohrungserweiterung vorgenommen werden. In umgekehrter Weise kann bei einem radialen Rückziehen des mindestens einen Abtragselementes in eine Rückzugsposition ein Zustand des Bohrwerkzeuges erreicht werden, in welchem das Bohrwerkzeug problemlos durch das Stützrohr rückgezogen werden kann.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles weiter beschrieben, welches in den Zeichnungen dargestellt ist. In den Zeichnungen zeigen:
    • Fig. 1
    eine erste Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Bohrwerkzeuges;
    Fig. 2
    eine zweite Seitenansicht, die um 90° zu der Seitenansicht von Fig. 1 gedreht ist, zu dem Bohrwerkzeug nach Fig. 1 mit Abtragselementen in Rückzugsposition;
    Fig. 3
    eine Ansicht von unten des Bohrwerkzeuges nach den Figuren 1 und 2 mit Abtragselementen in Rückzugsposition;
    Fig. 4
    eine Seitenansicht des Bohrwerkzeuges entsprechend Fig. 2 mit radial ausgefahrenen Abtragselementen;
    Fig. 5
    eine Ansicht des Bohrwerkzeuges von Fig. 4 von unten; und
    Fig. 6
    eine perspektivische Explosionsdarstellung des Bohrwerkzeuges nach den Figuren 1 bis 5.
  • Nachfolgend wird ein erfindungsgemäßes Bohrwerkzeug 10 im Zustand mit Abtragselementen 30 in Rückzugsposition in Zusammenhang mit den Figuren 1 bis 3 erläutert. Das Bohrwerkzeug 10 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel als ein Bohreimer mit einem Grundkörper 12 ausgebildet, welcher einen gehäuseartigen trommelförmigen Bohrkasten 14 umfasst. In einem Deckbereich 15 des Grundkörpers 12 sind in grundsätzlich bekannter Weise eine Verbindungseinrichtung 16 zum lösbaren Anbinden eines Bohrgestänges und eine Entriegelungseinrichtung 17 angeordnet. Die Entriegelungseinrichtung 17 dient zum Entriegeln und Öffnen eines Klappbodens 24, welcher über ein Klappgelenk 26 aufklappbar an der Unterseite des trommelförmigen Bohrkastens 14 gelagert ist.
  • Die Mechanik zum Entriegeln und Verriegeln des Klappbodens 24 ist grundsätzlich bekannt und wird im Folgenden nicht näher erläutert.
  • An dem Klappboden 24 an der Unterseite des Grundkörpers 12 ist ein plattenförmiges Drehglied 40 drehbar um eine mittige Bohrachse zwischen einer ersten Drehposition und einer zweiten Drehposition gelagert. In den Figuren 1 bis 3 befindet sich das plattenförmige Drehglied 40 in der ersten Drehposition, wobei die verstellbaren Abtragselemente 30 sich in ihrer radial eingezogenen Rückzugsposition befinden, wie insbesondere deutlich in den Figuren 2 und 3 dargestellt ist.
  • In der Rückzugsposition sind die als Schneidzähne ausgebildeten Abtragselemente 30 radial so nach innen eingefahren, dass diese nicht radial gegenüber dem Außenumfang des trommelförmigen Bohrkastens 14 vorstehen.
  • Zum Verstellen der Abtragselemente 30 sind diese bei dem Bohrwerkzeug 10 an zwei gegenüberliegenden Schwenkarmen 50 angeordnet. Die Schwenkarme 50 sind dabei an ihrem jeweils radial innenliegenden Ende an jeweils einem Schwenkbolzen 28 schwenkbar gelagert. Der Schwenkbolzen 28 ist fest an dem Klappboden 24 angebracht und erstreckt sich parallel mit einem gewissen Radialversatz zur mittigen Bohrachse. Weiterhin weisen die Schwenkarme 50 jeweils ein sich etwa in radialer Richtung erstreckendes Kulissenloch 52 auf, welches im dargestellten Ausführungsbeispiel im Wesentlichen als ein Langloch ausgebildet ist. Am radial äußeren Ende der Schwenkarme 50 sind jeweils zwei zueinander angewinkelte Abtragselemente 30 lösbar angebracht.
  • Die leistenförmigen Schwenkarme 50 weisen einen verstärkten äußeren Bereich und einen verdünnten inneren Bereich auf, wobei eine Ausnehmung 58 am inneren Bereich des Schwenkarmes 50 gebildet ist. Die Ausnehmung 58 erlaubt einen Durchgang von abgetragenem Bodenmaterial unterhalb des Schwenkarmes 50.
  • An dem plattenförmigen Drehglied 40, welches als ein Drehboden 42 ausgebildet ist, sind zwei Abtragseinrichtungen 20 mit Abtragszähnen 22 an jeweils einer Halterung 21 angeordnet. Die als Schneidzähne ausgebildeten Abtragszähne 22 dienen zum Abtragen von anstehendem Bodenmaterial beim Bohren. Am unteren Ende des Bohrwerkzeuges 10 ist weiterhin in grundsätzlich bekannter Weise eine Pilotschneide 19 zum Zentrieren des Bohrwerkzeuges 10 beim Bohren angeordnet.
  • Die Funktionsweise des Verstellmechanismus zum Verstellen der Abtragselemente 30 wird näher in Zusammenhang mit den Figuren 4 bis 6 erläutert. Die beiden Schwenkarme 50 sind jeweils schwenkbar um Schwenkbolzen 28 gelagert, welche fest an dem Klappboden 24 und damit an dem Grundkörper 12 des Bohrwerkzeuges 10 angebracht sind. Zum Verschwenken der Schwenkarme 50 sind an dem plattenförmigen Drehglied 40 zwei als Bolzen 48 ausgebildete Betätigungsnocken 46 angebracht. Die Bolzen 48 greifen dabei in das jeweils zugeordnete Kulissenloch 52 an dem jeweiligen Schwenkarm 50 ein.
  • Wird das Bohrwerkzeug 10 in Bezug auf die Figuren 3 und 5 in eine Bohrdrehrichtung angetrieben, welche entgegengesetzt dem Uhrzeigersinn ist, wird das plattenförmige Drehglied 40 mit den daran angebrachten Abtragseinrichtungen 20 entgegen der Bohrdrehrichtung aus der ersten Drehposition gemäß Figur 3 in eine zweite Drehposition gemäß Figur 5 verstellt. Bei dieser zweiten Drehposition werden zwei Aufnahmeöffnungen 25 am Klappboden 24 freigegeben, durch welche das abgetragene Bodenmaterial in den Aufnahmeraum innerhalb des trommelförmigen Bohrkastens 14 gelangen kann. Das Drehglied 40 ist über eine mittige Drehachse 44 an dem Klappboden 24 drehbar gelagert.
  • Durch die Drehbewegung entgegen der Bohrdrehrichtung werden auch die als Bolzen 48 ausgebildeten Betätigungsnocken 46 gegenüber den am Klappboden 24 gelagerten Schwenkarmen 50 in dem jeweiligen Kulissenloch 52 verstellt. Durch diese zwangsgesteuerte Relativbewegung werden die Schwenkarme 50 mit den daran angebrachten Abtragselementen 30 aus ihrer radial eingefahrenen Rückzugsposition gemäß Fig. 3 in ihre radial ausgefahrene Erweiterungsposition gemäß Fig. 5 verstellt. In dieser Erweiterungsposition ragen die Abtragselemente 30 radial nach außen gegenüber dem Außenumfang des trommelförmigen Bohrkastens 14 vor, so dass die Abtragselemente 30 eine Vergrößerung des Bohrdurchmessers bewirken. Die Vergrößerung des Bohrdurchmessers kann dabei so eingestellt sein, dass Bodenmaterial unterhalb eines nicht dargestellten Stützrohres abgetragen wird, so dass in vereinfachter Weise das Stützrohr in das Bohrloch nachgeführt werden kann.
  • Bei Beendigung eines Bohrschrittes, etwa bei einer ausreichenden Füllung des Aufnahmeraumes in dem Bohrkasten 14 durch abgetragenes Bodenmaterial, kann durch eine kurzzeitige Rückdrehung des Bohrwerkzeuges 10 entgegen der Bohrrichtung, also in Bezug auf die Figuren 3 und 5 im Uhrzeigersinn, das als Drehboden 42 ausgebildete Drehglied 40 wieder in die erste Drehposition gemäß Fig. 3 rückgedreht werden. Hierbei werden die Aufnahmeöffnungen 25 nach unten verschlossen, so dass beim Ziehen des Bohrwerkzeuges 10 aus dem Bohrloch kein Bodenmaterial aus dem Aufnahmeraum nach unten fallen kann.
  • Gleichzeitig mit dem Schließen der Aufnahmeöffnungen 25 werden durch die Rückdrehung des Drehbodens 42 in die erste Drehposition die Schwenkarme 50 mit den Abtragselementen 30 wieder in ihre Rückzugsposition gemäß Fig. 3 rückgeschwenkt. In dieser eingezogenen Position kann das Bohrwerkzeug 10 problemlos axial durch das von oben anstehende Stützrohr gezogen werden.

Claims (11)

  1. Bohrwerkzeug zum Erstellen einer Bohrung im Boden, mit
    - einem drehbar antreibbaren Grundkörper (12),
    - einer Abtragseinrichtung (20) an einem unteren Ende des Grundkörpers (12) zum Abtragen von Bodenmaterial und
    - mindestens einem verstellbaren Abtragselement (30), welches zwischen einer radial innenliegenden Rückzugsposition und einer radial außenliegenden Erweiterungsposition verstellbar ist, in welcher das Abtragselement (30) radial nach außen gegenüber dem Grundkörper (12) zum Erweitern eines Bohrungsdurchmessers vorsteht,
    - wobei zum Verstellen des Abtragselementes (30) ein Verstellmechanismus mit einem Drehglied (40) vorgesehen ist, welches an dem Grundkörper (12) drehbar um die Bohrachse zwischen einer ersten Drehposition und einer zweiten Drehposition ist,
    - wobei das mindestens eine Abtragselement (30) an einem Schwenkarm (50) angeordnet ist, welcher gegenüber dem Grundkörper (12) zwischen einer ersten Schwenkposition, bei welcher sich das mindestens eine Abtragselement (30) in seiner Rückzugsposition befindet, und einer zweiten Schwenkposition verschwenkbar ist, in welcher sich das mindestens eine Abtragselement (30) in seiner Erweiterungsposition befindet, und
    - wobei an dem Drehglied (40) ein Betätigungsnocken (46) vorgesehen ist, durch welchen eine Drehbewegung des Drehgliedes (40) in eine Schwenkbewegung des mindestens einen Schwenkarms (50) umsetzbar ist,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der mindestens eine Betätigungsnocken (46) als ein Bolzen (48) ausgebildet ist,
    dass der als Bolzen (48) ausgebildete Betätigungsnocken (46) an dem Drehglied (40) angebracht ist und
    dass an dem mindestens einen Schwenkarm (50) ein Kulissenloch (52) ausgebildet ist, in welches der Bolzen (48) eingreift.
  2. Bohrwerkzeug nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Kulissenloch (52) an dem mindestens einen Schwenkarm (50) als ein Langloch ausgebildet ist, in welches der Bolzen (48) eingreift.
  3. Bohrwerkzeug nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass an dem Grundkörper (12) mindestens ein Schwenkbolzen (28) angeordnet ist, an welchem der mindestens eine Schwenkarm (50) schwenkbar gelagert ist.
  4. Bohrwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass zwei Schwenkarme (50) mit mindestens einem Abtragselement (30) in einer gegenüberliegenden Anordnung am unteren Ende des Grundkörpers (12) vorgesehen sind.
  5. Bohrwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Grundkörper (12) einen trommelförmigen Bohrkasten (14) mit mindestens einer unteren Aufnahmeöffnung (25) aufweist und
    dass das Drehglied (40) als ein Drehboden (42) zum Öffnen und Schließen der mindestens einen Aufnahmeöffnung (25) ausgebildet ist.
  6. Bohrwerkzeug nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Abtragseinrichtung (30) an dem Drehboden (42) angeordnet ist.
  7. Bohrwerkzeug nach Anspruch 5 oder 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass an einem unteren Bereich des trommelförmigen Bohrkastens (14) ein Klappboden (24) aufklappbar angeordnet ist, an welchem der Drehboden (42) drehbar gelagert ist.
  8. Bohrwerkzeug nach einem der Ansprüche 5 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der mindestens eine Schwenkbolzen (28) an dem Grundkörper (12) als ein Anschlag zum Begrenzen der Drehbewegung des Drehbodens (42) ausgebildet ist.
  9. Bohrwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass an dem mindestens einen Schwenkarm (50) eine Ausnehmung (58) zum Bilden eines Durchgangsbereiches für abgetragenes Bodenmaterial ausgebildet ist.
  10. Bohrwerkzeug nach einem der Ansprüche 5 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass sich das mindestens eine Abtragselement (30) in der Rückzugsposition befindet, wenn der Drehboden (42) die mindestens eine Aufnahmeöffnung (25) am Bohrkasten (14) verschließt, und
    dass sich das mindestens eine Abtragselement (30) in der radial vorstehenden Erweiterungsposition befindet, wenn der Drehboden (42) die Aufnahmeöffnung (25) freigibt.
  11. Verfahren zum Herstellen einer Bohrung im Boden,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass ein Bohrwerkzeug (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 eingesetzt wird.
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