JP4112554B2 - 地盤内で作孔を掘進するための装置 - Google Patents

Description

本発明は、ドイツ連邦共和国特許公開第４３３２１１３号明細書により公知である、地盤内で作孔（ボーリング孔）を掘り進むための装置に関する。

地盤に、特に約１５０ｍｍ〜１３００ｍｍの作孔直径を有する水平な作孔又は垂直な作孔を掘進するために、機械ケーシング内に回転駆動せしめられる軸が回転可能に支承されていて、この軸の、ドリル先端若しくは作孔底面に向けられた端部にドリルヘッドが配置されている作孔装置が用いられる。

作孔しようとする地盤の地質に応じて、ドリルヘッドは種々異なって構成されている。従って、取り除こうとする地盤の地質がドリルの全長に亘って異なっている場合には、しばしば困難が生じる。従ってローラ、ビット又はディスクを有する鑿岩機ヘッドは、例えばローム質の軟らかい地盤内では固着し、これに対してローム質の又は緩い地盤内において良好な作孔結果を示すドリルヘッドは、岩石の塊又は大きい石にぶつかると、強い摩耗に基づいて直ちに作動しなくなる。

このような問題を解決するために、ドイツ連邦共和国特許公開第４３３２１１３号明細書により公知の装置によれば、ドリルヘッドが揺動運動（Taumelbewegung;横揺れ回転運動）せしめられ、それによって高い周波数及びひいては高い運動エネルギーを伴う高速の衝撃がドリル先端若しくは作孔底面に作用し、しかしながらそれと同時に高いトルク及び低い回転数によって緩められた作孔屑が取り出されるようになっており、若しくはドリル先端における地盤が軟らか過ぎて剥離させることができない場合には、高いトルクで地盤を剥がすようになっている。比較的硬い地質においては、打撃効果によって、作孔前進（掘り進み）を著しく高める必要がある。

揺動運動を生ぜしめるために、作孔底面に向けられた、装置の駆動される主軸の軸ジャーナル（ドリルヘッドが回転可能に支承されている）は、主軸の軸線に対して鋭角を成している。主軸が回転駆動せしめられると、ドリルヘッドは、主軸の回転数に相当する周波数で揺動し、この場合、揺動運動の振幅は、揺動中心点の間隔及び揺動角度の大きさに基づいている。

ドリルヘッドの遅い回転数を生ぜしめるために、ドリルヘッドは外側かさ歯車を有しており、この外側かさ歯車は揺動運動時に定置の内側かさ歯車と噛み合って転動する。これによってドリルヘッドは、主軸とは逆回転で、内側かさ歯車の構成に対する外側かさ歯車の構成に基づいて減速回転せしめられる。３０：１〜６０：１の減速比が得られるようにしなければならない。

ドイツ連邦共和国特許公開第４３３２１１３号明細書によれば、著しく異なる地盤を緩めるための装置が公知であるが、この場合、ドリルヘッドの回転数は大抵の場合高すぎるので、多くの地盤条件のために適していない。

この場合さらに、作孔過程によって強い摩耗にさらされるドリルヘッドは、外側のかさ歯車が設けられているために、製造コストが非常に高価であり、ひいてはこの装置の運転コストが高価になる、という欠点がある。

さらに、互いに噛み合って転動し合うかさ歯車は廃石が侵入することによって強い摩耗にさらされる、という欠点がある。

また、特に大きい作孔屑は確実に搬出することができず、搬送管路が詰まってしまう、という欠点がある。

そこで本発明の第１の課題は、ドイツ連邦共和国特許公開第４３３２１１３号明細書により公知の装置を改良して、種々異なる土壌に広範囲に適したものを提供することである。本発明の第２の課題は、前記装置を改良して、この装置を使用した場合の運転コストが低減されるようにすることである。本発明の第３の課題は、前記装置の使用継続時間を長くすることである。本発明の第４の課題は、作孔屑がドリルヘッドスペースから確実に搬出されるようにすることである。勿論、以上の異なる課題が有利な形式で１つの装置においてまとめて実現されてもよい。

以上の課題は、本発明の請求項１、請求項１１、請求項１４及び請求項１７に記載した構成によって解決された。

請求項１記載の装置によれば、ドリルヘッドが周縁部領域を有していて、この周縁部領域が主軸の回転中に対応周縁部領域で転動するようになっていることによって、ドリルヘッドの回転駆動が得られる。転動によって生ぜしめられるドリルヘッドの回転は、本発明によればその回転速度に関連して、対応周縁部領域が回転可能であることによって影響を受ける。それによって、対応周縁部領域の回転方向に応じて、主軸の一定の回転数において、ドリルヘッドの回転数を増大又は減少させることができる。

対応周縁部領域と、この対応周縁部領域で転動する周縁部領域とは、運転中に確実に転動が行われるすべての形式で、遮断することができる。製造の簡略化及び運転確実性を得るために、周縁部領域が外歯列を有していて、対応周縁部領域が内歯列を有していれば、有利である。

対応周縁部領域は有利な形式で、主軸の軸線に対して同心的に配置された、本発明に従って回転せしめられる中空歯車によって形成されている。

ドイツ連邦共和国特許公開第４３３２１１３号明細書により公知な装置においては、ドリルヘッドの回転数と揺動周波数との比は、多くの使用例において最適ではないことが分かっている。大抵の場合、作孔前進を行うためには、ドリルヘッドの比較的低い回転速度が適している。従って本発明による装置の有利な実施例では、対抗周縁部領域が、主軸と噛み合う遊星歯車伝動装置によって回転せしめられるようになっている。この構成によれば、冒頭に述べた装置と比較して、高価な駆動モータを必要としない。この構成は、特に高い運転確実性が得られることを特徴としている。

しかしながら同様に、対応周縁部領域を別個の駆動装置によって主軸とは無関係に回転させる、つまり対応周縁部領域と主軸とを連結しないことも可能である。有利な形式で、別個の駆動装置は制御可能又は調整可能に構成されており、これによって運転中に、ドリルヘッド回転数と揺動周波数との比を、その都度の地盤の質に合わせることができる。

特に主軸の回転駆動装置の過負荷を避けるために、及び特にドリルヘッドの摩耗を少なくするために、ドリルの前進運動を主軸の回転駆動装置の出力に基づいて制御可能又は調整可能とする手段が設けられている。この構成によって、ドリルヘッドの駆動出力と前進運動との間の最適な比が常に得られる。

主軸の回転駆動及び前進を液圧媒体によって行う場合には、有利な形式で、主軸の回転駆動と前進を行うために液圧を互いに相対的に制御又は調整する手段が設けられている。例えば駆動モータにおける圧力が回転駆動のために十分に高くない場合には、駆動モータにおける作業圧が回転運動を生ぜしめるために十分に高くなるまで、前進運動を生ぜしめるための液圧が減少せしめられる。駆動モータにおける圧力が高すぎる場合には、前進運動を生ぜしめるための液圧は、駆動モータにおいて同様に所望の圧力が調節されるまで、減少せしめられる。このような構成によれば、最大可能な作孔前進運動が得られ、しかもこのために常にマニュアルによる制御処置を必要とすることがないことによって、装置を最適に利用することができる。

請求項１１に記載した装置によれば、ドリルヘッドが複数の部分より構成されており、緩めようとする地盤における摩擦によって高い摩耗にさらされる工具部分が、軸受部分から分離できるように構成されている。このような手段によって、ドリルヘッドが回転中に揺動運動にさらされる装置に伴う運転コストは、従来のように作業する装置におけるよりも高価ではない。何故ならば、製造が高価であるかさ歯車及びドリルヘッドの軸受構成部分は、種々異なるドリルヘッドにおいて交換する必要がないからである。ドリルヘッドが、有利には、中央の軸受部分と、この軸受部分に固定された工具部分とに２分割されていれば、従来の装置においてドリルヘッド全体を交換するのに要する作業時間と比較して工具部分を交換するのに要する時間は著しく短縮される。これによって得られた時間的効率が高められ及びひいては単位時間毎のドリル前進が高められることによって、運転コストはさら低下される。

特に有利なドリルヘッドの構成によれば、工具部分が複数のねじを介して軸受部分に固定されている。これらのねじは、有利な形式で、軸受部分の部分円に亘って一様に分配配置されている。

請求項１４に記載した装置において、ドリルヘッドのための軸受装置を少なくともほぼシールするシール装置が設けられていることによって、摩耗を高める廃石が、周縁部領域が対応周縁部領域において転動する領域まで達することは避けられる。

本発明による装置の有利な実施例では、シール装置が弾性的なベローズを有している。このベローズは、ドリルヘッドの軸受部分と、揺動運動はしないがスクレーパディスク回転数で回転するフランジとの間の半径方向の相対運動を補償するために用いられる。スクレーパディスク回転数で回転するフランジは、有利な形式でスライドリングシールを介して装置のケーシングに対してシールされている。

請求項１７に記載した装置によれば、ドリルヘッドと搬送管路の受容端部とは、受容端部の前に存在する作孔屑がドリルヘッドの揺動運動によって機械的に搬送管路内に搬送されるように、構成されている。これによって、作孔屑の搬出は、従来技術におけるよりも著しく効果的に行うことができる。

有利な実施態様によれば、ドリルヘッドが、その先端部とは反対側で少なくとも１つの延長部を有しており、この延長部が、揺動運動によって少なくともほぼ搬送管路の受容端部内に侵入しており、これによって作孔屑は特に効果的に搬送管路内に入れられ、搬送ユニット内で繰り返される機械的な圧力によってさらに搬送される。

より効果的な搬送が得られ、しかも搬送プロセスが中断又は停止されるのを避けるために、有利な形式で、搬送管路の受容端部に続く領域内に、少なくとも大きい作孔屑を小さく粉砕するための手段が設けられている。

この手段は、アクティブに作業する、つまりそれ自体が駆動される砕石機より成っている。しかしながら、作孔屑を小さく粉砕するための手段が搬送管路の横断面に延びる粉砕リブを有していれば、特に効果的、かつ簡単に製造可能な有利な実施例が得られる。

受容端部の横断面が部分環状に構成されていれば、搬送管路の有効性、つまりこの搬送管路によって得られる搬出率はさらに高められる。受容端部を作孔内で作孔の内周面に沿って、及び作孔の最も深い箇所に対して左右対称に配置することも可能であるので、受容端部を「装入する」ために高低差を克服する必要はない。

空圧式の搬出のために従来技術により公知であるように、この装置が付加的に、ドリルヘッドスペース内に搬送空気を吹き込むための手段を有していれば、搬出効率はさらに高められる。

図面には、本発明による装置の概略的な実施例が示されている。

図１は第１の実施例の縦断面図、
図２は第２実施例の縦断面図、
図３は図２のＡ−Ａ線に沿った断面図、
図４は図２のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。

全体が符号１００で示された装置はドリルヘッド１を有しており、このドリルヘッド１は、スクレーパディスク２として構成された工具部分３０と軸受部分３とを有している。スクレーパディスク２と軸受部分３とは、複数の円筒形ねじ４（そのうちの図面には１つだけが示されている）によって互いに固定されている。円筒形ねじ４は、曲率半径Ｒを有する部分円に一様に分配配置されている。ドリルヘッド１が２つの部分より構成されていることによって、摩耗にさらされる工具部分３０は、摩耗限界に達するとねじ４を緩めることによって現場で取り外して、新たな又は修理された工具部分と交換することができる。

スクレーパディスク２は中央のカッタ５を備えており、この中央のカッタ５の先端６はドリルヘッドの回転軸線Ａに位置している。スクレーパディスク２は、図示の実施例では、半径方向で外方に延びるアーム７，７′，７″を有しており、これらのアームのうちの図面で上に示されたアーム７は、複数のビット８を備えている。

ドリルヘッド１は、円錐形の転がり軸受９，１０を有する軸受装置４０によって、軸受部分３を介して、主軸１２の軸ジャーナル１１に回転可能に支承されている。ほぼ円筒形の外周面を有する軸ジャーナル１１は、この軸受ジャーナル１１の軸線Ｂが主軸１２の軸線Ａと約３５°の鋭角を形成するように、主軸１２に一体成形されている。

主軸１２自体は機械ケーシング１５内で円錐形の転がり軸受１３，１４によって回転軸線Ａを中心にして回転可能に支承されていて、端面側でフランジ結合された（フランジを用いて結合された）液圧モータ１６によって回転駆動せしめられる。軸受部分３の、スクレーパディスク２に向けられた部分は、軸ジャーナル１１の軸線Ｂに対して同心的に配置された歯車（以下では揺動歯車１７と称呼されている）として、ひいては周縁部領域１８として構成されており、この周縁部領域１８は対応周縁部領域１９として働く内歯列２０内で転動する。

内歯列２０は、主軸の軸線に対して同心的に配置され、かつ主軸に対して回転可能に支承された中空歯車２１として構成されている。

中空歯車２１は、内歯列２０に向き合う端部で、別の内歯列２２を有しており、この別の内歯列２２は、全体が符号２８で示された遊星歯車伝動装置の部分である。この内歯列２２に、遊星歯車２３の直径の小さい方の部分の歯列が噛み合う。遊星歯車２３の直径の大きい方の部分２５はその歯列が、主軸１２に設けられた外歯列２６並びに機械ケーシング１５に設けられた内歯列２７に噛み合うようになっているので、遊星歯車は主軸１２の回転駆動中に同じ回転方向で回転軸線Ａの周りを公転する。この場合、中空歯車２１はドリルヘッド１１の回転方向に対して逆の回転方向で回転せしめられ、この中空歯車２１の回転は、内歯列２０における揺動歯車１７の転動によって生ぜしめられる。遊星歯車伝動装置２８の伝達比を選択することによって、主軸１２に対して相対的な中空歯車２１の回転速度、及びひいてはドリルヘッドの回転数に対する揺動周波数の比が得られる。

ドリルヘッドＯに対して機械ケーシング１５の内部若しくは軸受装置４０をシールするためにシール装置５０が設けられている。このシール装置５０は、横断面がほぼＶ字形に構成された弾性的なベローズ５１を有している。このベローズ５１はその凹状の側がドリルヘッドＯに向けられるように、組み付けられている。

ベローズ５１の環状の自由端部は、それぞれ外方に向けられた厚み部５２，５３を有しており、この場合、一方の厚み部５２は、軸受部分３の相補的に形成された環状溝５４内に入り込んでいて、他方の厚み部５３は、機械ケーシング１５に関連してボールベアリング５６によって回転可能に支承された環状部材５７の環状溝５５内に入り込んでいる。従って、ベローズ５１は揺動運動（Taumelbewegung:横揺れ回転運動）によって生ぜしめられた、機械ケーシング１５に対するドリルヘッド１の分力を吸収する。

揺動周波数を伴って回転する環状部材５７と、この環状部材５７に向けられた、機械ケーシングの端面側との間に、不純物がボールベアリング５６内に侵入するのを阻止するスライドリングシール５８が配置されている。

図２に全体が符号２００で示された装置はドリルヘッド１を有しており、このドリルヘッド１はスクレーパディスク２と軸受部分３とを有している。スクレーパディスク２と軸受部分３とは複数の円筒形ねじ４（図面ではそのうちの２つしか示されていない）によって互いに固定されている。

スクレーパディスク２は中央カッタ５を備えており、この中央カッタ５の先端６はドリルヘッドの回転軸線Ａ上に位置している。スクレーパディスク２は、図示の実施例では半径方向で外方に延びる３つのアーム７，７′，７″を有している。

ドリルヘッド１は、軸受部分３を介して、図示されていない軸受によって主軸の軸ジャーナルに回転可能に支承されている。ほぼ円筒形の外周面を有する軸ジャーナルは、その軸線Ｂと回転軸線Ａとが鋭角ｗを形成するように、主軸に一体成形されている。

主軸は、それ自体が機械ケーシング８内で回転軸線Ａを中心にして回転可能に支承されていて、液圧モータによって回転駆動せしめられる。

掘削された作孔屑を搬出するために搬送管路１０が用いられる。この搬送管路１０の、円形の内側横断面を有する後ろの領域１１は、ドリルヘッドスペースＯに向かって面取りされており、それによって、一部環状の横断面の受容端部１２内でドリルヘッドスペースＯに開口している（特に図２及び図３参照）。

受容端部１２の領域内に複数の粉砕リブ１３が設けられており、これらの粉砕リブ１３は、図２に示されているように、ほぼ半径方向に延びている。これらの粉砕リブ１３は、小さい間隔で隣接し合う２つの粉砕リブ１３に続いて、より大きい間隔で隣接する２つの粉砕リブが設けられるように、それぞれ一対形式で配置されている。粉砕リブ１３のピッチは、搬出しようとする作孔屑が搬送管路１０によって問題なく搬出され得る程度に細かく粉砕されるように、選定されている。

作孔屑を搬送管路１０の受容端部１２内に機械的に供給するために、スクレーパディスク２のアーム７，７′，７″の端部に延長部９，９′，９″が設けられており、この延長部の、後ろに向けられた面１４，１４′，１４″は、作孔屑のための搬送面として構成されている。これらの面１４，１４′，１４″は同様に作孔屑を粉砕するための打撃面として用いられる。スクレーパディスクの揺動周波数と回転速度とは、アーム７，７′，７″のうちの１つが通過する際に作孔屑が搬送管路１０の受容端部１２内に機械的に押し込まれるように、同期されている。

搬送過程を補助するために、本発明による装置は、搬送空気をドリルヘッドスペースＯ内に吹き込むためのインレット（図示せず）を有している。空気をドリルヘッドスペース内に吹き込むことによって、搬送管路１０内に、矢印Ｐで示された空気流が生ぜしめられる。

本発明の第１の実施例による装置の縦断面図である。 本発明の第２実施例による装置の縦断面図である。 図２のＡ−Ａ線に沿った断面図である。 図２のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。

Claims (22)

1. 地盤内で作孔を掘進するための装置であって、回転駆動せしめられる主軸（１２）が設けられていて、この主軸（１２）が軸ジャーナル（１１）を有していて、この軸ジャーナル（１１）の軸線（Ｂ）が主軸（１２）の軸線（Ａ）に対して鋭角（ｗ）を形成しており、
   ドリルヘッド（１）が設けられていて、このドリルヘッド（１）が軸ジャーナル（１１）の軸線（Ｂ）を中心にして回転可能に支承されていて、かつ周縁部領域（１８）を有しており、この周縁部領域（１８）が対応周縁部領域（１９）に沿って転動するようになっている形式のものにおいて、
   前記対応周縁部領域（１９）が回転せしめられるようになっていることを特徴とする、地盤内で作孔を掘進するための装置。
2. 周縁部領域（１８）が外歯列を有していて、対応周縁部領域（１９）が内歯列を有している、請求項１記載の装置。
3. 対応周縁部領域（１９）が、主軸（１２）の軸線（Ａ）に対して同心的に配置された中空歯車（２１）によって形成されている、請求項１又は２記載の装置。
4. 対応周縁部領域（１９）が、主軸（１２）と噛み合う遊星歯車伝動装置（２８）によって回転せしめられるようになっている、請求項１から３までのいずれか１項記載の装置。
5. 対応周縁部領域（１９）が別個の駆動装置によって、主軸（１２）とは無関係に回転せしめられるようになっている、請求項１から３までのいずれか１項記載の装置。
6. 前記別個の駆動装置が制御可能又は調整可能である、請求項５記載の装置。
7. ドリルの前進運動を主軸の回転駆動装置の出力に基づいて回転運動に置き換える手段が設けられている、請求項１から６までのいずれか１項記載の装置。
8. 別個の駆動装置が制御可能又は調整可能である、請求項７記載の装置。
9. ドリルの前進運動を主軸の回転駆動装置の出力に基づいて制御又は調節する手段が設けられている、請求項１から８までのいずれか１項記載の装置。
10. ドリルの前進運動及び主軸の回転駆動が液圧媒体によって行われるようになっており、ドリルの前進運動及び主軸の回転駆動を制御又は調整する手段が設けられている、請求項９記載の装置。
11. 回転駆動せしめられる主軸（１２）が設けられていて、この主軸（１２）が軸ジャーナル（１１）を有していて、この軸ジャーナル（１１）の軸線（Ｂ）が主軸（１２）の軸線（Ａ）に対して鋭角（ｗ）を形成しており、ドリルヘッド（１）が設けられていて、このドリルヘッド（１）が軸ジャーナル（１１）の軸線（Ｂ）を中心にして回転可能に支承されていて、かつ周縁部領域（１８）を有していて、この周縁部領域（１８）が対応周縁部領域（１９）に沿って転動するようになっている形式の、請求項１から１０までのいずれか１項記載の、地盤に作孔を掘進するための装置において、
    ドリルヘッド（１）が複数の部分より構成されており、ドリルヘッドの摩耗にさらされる部分が、軸ジャーナル（１１）でドリルヘッドを支承する、ドリルヘッドの部分から分離可能に構成されていることを特徴とする、地盤内で作孔を掘進するための装置。
12. ドリルヘッド（１）が中央の軸受部分（３）と、この中央の軸受部分（３）から解除可能に固定された工具部分（３０）とを有している、請求項１１記載の装置。
13. 工具部分（３０）が、部分円に亘って一様に分配配置された複数のねじによって軸受部分（３）に固定されている、請求項１２記載の装置。
14. 回転駆動せしめられる主軸（１２）が設けられていて、この主軸（１２）が軸ジャーナル（１１）を有していて、この軸ジャーナル（１１）の軸線（Ｂ）が主軸（１２）の軸線（Ａ）に対して鋭角（ｗ）を形成しており、ドリルヘッド（１）が設けられていて、このドリルヘッド（１）が軸ジャーナル（１１）の軸線（Ｂ）を中心にして回転可能に支承されていて、かつ周縁部領域（１８）を有していて、この周縁部領域（１８）が対応周縁部領域（１９）に沿って転動するようになっている形式の、請求項１から１３までのいずれか１項記載の、地盤内で作孔を掘進するための装置において、
    軸受装置（４０）をドリルヘッドスペース（Ｏ）に対して少なくともほぼシールするシール装置（３０）が設けられていることを特徴とする、地盤に作孔を掘進するための装置。
15. 前記シール装置（５０）が弾性的なベローズ（５１）を有している、請求項１４記載の装置。
16. 前記シール装置がスライドリングシールを有している、請求項１４又は１５記載の装置。
17. ドリルヘッドスペース（Ｏ）内で作業する回転駆動せしめられるドリルヘッド（１）が設けられていて、このドリルヘッド（１）が回転運動の他に揺動運動を行うようになっており、受容端部（１２）が、ドリルヘッドスペース（Ｏ）内に開口する、掘削された作孔屑をドリルヘッドスペース（Ｏ）から搬出するための搬送管路（１０）が設けられている形式の、請求項１から１６までのいずれか１項記載の、地盤内で作孔を掘進するための装置において、
    ドリルヘッド（１）と搬送管路（１０）の受容端部（１２）とは、受容端部（１２）の前に存在する作孔屑がドリルヘッド（１）の揺動運動によって機械的に搬送管路（１０）内に搬送されるように、構成されていることを特徴とする、地盤内で作孔を掘進するための装置。
18. ドリルヘッド（１）が、その先端部とは反対側で少なくとも１つの延長部（９，９′，９″）を有しており、この延長部が、揺動運動によって少なくともほぼ搬送管路（１０）の受容端部（１２）内に侵入するようになっている、請求項１７記載の装置。
19. 搬送管路（１０）の受容端部（１２）に続く領域内に、少なくとも大きい作孔屑を小さく粉砕するための手段が設けられている、請求項１７又は１８記載の装置。
20. 作孔屑を小さく粉砕するための手段が、搬送管路（１０）の横断面を横切って延びる粉砕リブ（１３）を有している、請求項１９記載の装置。
21. 受容端部（１２）の横断面が部分環状に構成されている、請求項１７から２０までのいずれか１項記載の装置。
22. ドリルヘッドスペース（Ｏ）内に搬送空気を吹き込むための手段が設けられている、請求項１７から２１までのいずれか１項記載の装置。

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