DE10234338B4

DE10234338B4 - Device for propelling holes in the ground

Info

Publication number: DE10234338B4
Application number: DE2002134338
Authority: DE
Inventors: Michael Dipl.-Ing. Dipl.-Wirtsch.-Ing. Mohrmann
Original assignee: Wirth Maschinen und Bohrgeraete Fabrik GmbH
Current assignee: Mhwirth GmbH
Priority date: 2002-07-26
Filing date: 2002-07-26
Publication date: 2005-05-04
Anticipated expiration: 2022-07-27
Also published as: CN1688785A; CN100343470C; DE10234338A1

Abstract

Vorrichtung zum Vortreiben von Bohrungen im Erdreich,
mit einer drehangetriebenen Hauptwelle (12), die einen Wellenzapfen (11) umfaßt, dessen 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.Device for propelling holes in the ground,
a rotary main shaft (12) comprising a shaft journal (11) whose axis (B) forms an acute angle (w) to the axis (A) of the main shaft (12),
and a drill head (1) which is rotatably mounted about the axis (B) of the journal (11) and has a peripheral region (18) which runs on a mating peripheral region (19),
characterized,
the counter-circumference area (19) can be set in rotation.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Vortreiben von Bohrungen im Erdreich, wie sie aus der DE 43 32 113 A1 bekannt ist.The invention relates to a device for propelling holes in the ground, as shown in the DE 43 32 113 A1 is known.

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 deren der Ortsbrust bzw. der Bohrungssohle zugewandten Ende ein Bohrkopf angeordnet ist. For horizontal drilling in particular from about 150 mm to 1300 mm bore diameter, but also for Vertical holes in the ground become. Drilling devices used, in which within a machine housing a rotary driven shaft-rotatable is stored, facing on the working face or the bore sole End of a drill head is arranged.

Je nach Beschaffenheit des Erdreichs, in das die Bohrung eingebracht werdden 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.ever according to the nature of the soil, in which the bore introduced should be, the drill head is designed differently. Difficulties occur therefore often then up when over the drill length the nature of the soil to be degraded changes. To stick rocky heads, the usually with rollers, chisels or discs are occupied, in soft, for example loamy soils; Boring heads on the other hand, those in loamy or mobile soils show good drilling performance, fail fast due to high wear, if you are on rock or big Hit stones.

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 Bohrleistung (Bohrfortschritt) bei härteren Formationen wesentlich erhöht werden.At the time of the DE 43 32 113 A1 known device to solve this problem in that the drill head is placed in a tumbling motion, so that it exerts rapid shocks at high frequency and consequently with high kinetic energy against the working face or bore sole, but at the same time with high torque and slow speed dissolved Clears cuttings, or if the soil at the working face is too soft to chip off, soil with high torque peels off. Due to the impact effect, the drilling performance (drilling progress) is to be significantly increased in the case of harder formations.

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.to Generation of the tumbling motion is the shaft face facing the working face the main driven shaft of the device on which the drill head is rotatably mounted, at an acute angle to the axis of the Main shaft employed. Now, if the main shaft is rotated, Thus, the drill head wobbles at a frequency corresponding to the rotational frequency of the Main shaft corresponds, the amplitude of the wobbling motion of Distance of Taumelmittelpunkts and the size of the wobble angle is dependent.

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 Gestaltung des Außenkegelrades relativ zu derjenigen des Innenkegelrades abhängt. Untersetzungen von 30:1 bis 60:1 sollen erzielbar sein.To the Generating the slow speed of the drill head is this with an external bevel gear provided during the tumbling motion in a stationary Innenkegelrad expires. As a result, the drill head is in a direction opposite to the main shaft speed offset, and with a reduction, by design of the external bevel gear relative to that of the Innenkegelrades depends. Reductions of 30: 1 up to 60: 1 should be achievable.

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.Although it has been shown that from the DE 43 32 113 A1 known device for solving very different soil is suitable, is disadvantageous, however, that the speed of the drill head for many Erdreichbeschaffenheiten not optimal, since usually too high.

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.The invention is therefore based on the object, one from the DE 43 32 113 A1 develop known device such that it is suitable for a wider range of different soils.

Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 wiedergegebene Vorrichtung gelöst.These The object is achieved by the recited in claim 1 device solved.

Bei dieser Vorrichtung 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 Gegenumfangsbereichs wird bei konstanter Drehzahl der Hauptwelle somit eine Erhöhung oder Reduzierung der resultierenden Drehzahl des Bohrkopfes bewirkt.at This device is the rotary drive of the drill head continues in that it has a peripheral area which during the Rotation of the main shaft takes place at a circumferential area. The by the running caused rotation of the drill head is now in terms of their rotational speed according to the invention thereby affected the circumference area itself can be set in rotation. Depending on the direction of rotation of the circumference range is at constant speed of the Main shaft thus an increase or reducing the resulting speed of the drill head causes.

Der Gegenumfangsbereich und der an ihm ablaufende Umfangsbereich können in jeder Weise, die während des Betriebes ein Ablaufen sicherstellt, ausgestaltet werden. Wegen der Einfachheit der Herstellung und der Betriebssicherheit ist es jedoch bevorzugt, wenn der Umfangsbereich eine Außenverzahnung und der Gegenumfangsbereich eine Innenverzahnung umfaßt.Of the The circumference area and the peripheral area running on it can in every way that while the operation ensures a drain, be configured. Because of It is the simplicity of manufacture and operational safety however, it is preferable if the peripheral portion has an outer toothing and the mating peripheral portion comprises internal teeth.

Der Gegenumfangsbereich ist vorzugsweise von einem konzentrisch zur Hauptwellenachse angeordneten Hohlrad ausgebildet, das erfindungsgemäß in Rotation versetzbar ist.Of the The circumference area is preferably concentric with a Main shaft axis arranged ring gear formed according to the invention in rotation is displaceable.

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 keiner weiteren, aufwändigen Antriebsmotoren bedarf. Ferner zeichnet sich diese Ausführungsform durch eine besonders hohe Betriebssicherheit aus.At the time of the DE 43 32 113 A1 In the prior art, it has been shown in the past that the ratio between the tumble frequency and the rotational frequency of the drill head is not optimal for a large number of applications. In most cases, a relatively lower rotational speed of the drill head for the drilling progress would be more advantageous. A preferred embodiment of the erfindungsge According to the device 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, complex drive motors compared to the generic device. Furthermore, this embodiment is characterized by a particularly high reliability.

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.It but it is also possible the peripheral area by means of a separate drive regardless of to rotate the main shaft, i. Circumferential region and main shaft not to couple. Particularly preferred is the separate Drive then designed controllable or controllable, which during the Operating an adjustment of the ratio between drill head speed and Taumelfrequenz to the type of each upcoming soil possible is.

Zur Vermeidung von Überlastungen insbesondere des Drehantriebes 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- oder regelbar ist. Durch diese Ausgestaltung kann bewirkt werden, dass stets ein optimales Verhältnis zwischen Vorschub und Antriebsleistung des Bohrkopfes besteht.to Avoid overloads in particular the rotary drive of the main shaft and to reduce the wear, in particular of the drill head, it is preferable To provide means with which the feed depending on the performance of the rotary drive the main shaft is controlled or regulated. By this configuration can always be achieved an optimal relationship between Feed and drive power of the drill head is.

Erfolgt der Vorschub des Bohrkopfes und der Drehantrieb der Hauptwelle mittels eines Hydraulikmediums, so sind bevorzugt Mittel vorgesehen, die die Hydraulikdrücke zur Bewirkung des Vorschubes und des Drehantriebs der Hauptwelle relativ zueinander steuern oder regeln. Ist beispielsweise der Druck am Motor für den Drehantrieb nicht hoch genug, so wird der Hydrau likdruck 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.He follows the feed of the drill head and the rotary drive of the main shaft means a hydraulic medium, so are preferably provided means which the hydraulic pressures for effecting the feed and the rotary drive of the main shaft control or regulate relative to each other. For example, if the pressure is on Engine for the rotary drive is not high enough, the hydrau is likdruck to Activation of the feed reduced until the working pressure at Drive motor sufficient to effect the rotary drive. Is the Pressure on the drive motor too high, so the hydraulic pressure to effect of the feed so far reduced until also the desired pressure adjusts the rotary motor. As a result, this embodiment ensuring optimal utilization of the device by providing the greatest possible drilling progress is reached without having to be manually readjusted permanently.

In der Zeichnung ist – schematisch – ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Längsschnitt dargestellt.In the drawing is - schematically - an embodiment the device according to the invention in longitudinal section shown.

Die als Ganzes mit 100 bezeichnete Vorrichtung umfaßt 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 eine dargestellt ist, aneinander befestigt.The as a whole with 100 referred device comprises a drill head 1 , a scraper 2 and a bearing part 3 having. The scraper 2 and the bearing part 3 are with a plurality of cylinder screws 4 , of which only one is shown in the drawing, fastened together.

Die Schürfscheibe 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 erstrekkende Arme 7, 7', 7'' auf, von denen der in der Zeichnung oben dargestellte Arm 7 mit einer Mehrzahl von Meißeln 8 besetzt ist.The scraper 2 is with a central cutting edge 5 provided, whose top 6 lies on the axis of rotation A of the drill head. The scraper 2 has in the illustrated embodiment, three radially outwardly erstrekkende arms 7 . 7 ' . 7 '' on, of which the arm shown in the drawing above 7 with a plurality of chisels 8th is busy.

Der Bohrkopf 1 ist über das Lagerteil 3 mittels Kegelrollenlager 9, 10 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 3° einschließt.The drill head 1 is over the bearing part 3 by means of tapered roller bearing 9 . 10 on a shaft journal 11 a main shaft 12 rotatably mounted. The one substantially cylindrical outer peripheral surface having shaft journals 11 is so to the main shaft 12 formed that its axis B with the axis of rotation A includes an acute angle w of about 3 °.

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.The main shaft 12 is in turn by tapered roller bearings 13 . 14 in a machine housing 15 is rotatably mounted about the rotation axis A and is driven by a front side flanged hydraulic motor 16 rotatably driven.

Der der Schürfscheibe 2 abgewandte Teil des Lagerteils 3 ist als konzentrisch zur Achse B des Wellenzapfens 11 angeordnetes Zahnrad, im foglenden Taumelrad 17 genannt, und damit als Umfangsbereich 18 ausgebildet, der bei Rotation der Hauptwelle 12 in einer als Gegenumfangsbereich 19 wirkenden Innenverzahnung 20 abläuft.The scraper 2 remote part of the bearing part 3 is as concentric to the axis B of the journal 11 arranged gear, in foglenden wobble wheel 17 called, and thus as a peripheral area 18 formed during rotation of the main shaft 12 in one as a counter-circumference area 19 acting internal toothing 20 expires.

Die Innenverzahnung 20 ist an einem konzentrisch zur Hauptwellenachse angeordneten und gegenüber dieser drehbar gelagerten Hohlrad 21 ausgebildet.The internal toothing 20 is arranged on a concentric with the main shaft axis and with respect to this rotatably mounted ring gear 21 educated.

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 Planetenzahnrädern 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 Drehantriebes der Hauptwelle 12 in demselben Drehsinne die Rotationsachse A umkreisen. Hierbei wird das Hohlrad 21 in gegensinnige Rotation zu dem Bohrkopf 1 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 Rotationsgeschwindigkeit des Hohlrades 21 relativ zur Hauptwelle 12 und somit im Ergebnis das Verhältnis von Taumelfrequenz zu Drehfrequenz des Bohrkopfes vorgegeben werden kann.At the of the internal toothing 20 opposite end, the ring gear has a further internal toothing 22 on, the part of one as a whole with 28 designated planetary gear is. In the internal toothing 22 grip the teeth of the smaller diameter parts 24 of planetary gears 23 one. The parts 25 larger diameter of the planet gears 23 engage with their teeth in one on the main shaft 12 provided external toothing 26 and in one in the machine housing 15 provided internal toothing 27 a, so that the planetary gears during the rotary drive of the main shaft 12 orbiting the axis of rotation A in the same sense of rotation. This is the ring gear 21 in opposite rotation to the drill head 1 offset, its rotation by running off the wobble wheel 17 on the internal toothing 20 is effected. It is understood that by choosing the ratios in the planetary gear 28 the rotational speed of the hollow wheel 21 relative to the main shaft 12 and thus as a result, the ratio of wobble frequency to rotational frequency of the drill head can be specified.

11: Bohrkopfwellhead
22: Schürfscheibecutting disc
33: Lagerteilbearing part
44: Zylinderschraubecylinder head screw
55: ZentralschneideCentral cutting
66: Spitzetop
7, 7', 7''7, 7 ', 7' ': Armepoor
88th: Meißelchisel
99: KugelrollenlagerBall Roller Bearings
1010: KugelrollenlagerBall Roller Bearings
1111: Wellenzapfenshaft journal
1212: Hauptwellemain shaft
1313: KugelrollenlagerBall Roller Bearings
1414: KugelrollenlagerBall Roller Bearings
1515: Maschinengehäusemachine housing
1616: Hydraulikmotorhydraulic motor
1717: Taumelradoscillating wheel
1818: Umfangsbereichperipheral region
1919: GegenumfangsbereichCircumferential region
2020: Innenverzahnunginternal gearing
2121: Hohlradring gear
2222: Innenverzahnunginternal gearing
2323: PlanetenzahnräderPlanet gears
2424: Teilpart
2525: Teilpart
2626: Außenverzahnungexternal teeth
2727: Innenverzahnunginternal gearing
2828: Planetengetriebeplanetary gear
100100: Vorrichtungcontraption
A A: Rotationsachseaxis of rotation
BB: Achse Wellenzapfenaxis shaft journal

Claims

Apparatus for propelling holes in the ground, comprising a rotary main shaft ( 12 ), which has a shaft journal ( 11 ) whose axis (B) to the axis (A) of the main shaft ( 12 ) forms an acute angle (w), and with a drill head ( 1 ), about the axis (B) of the journal ( 11 ) is rotatably mounted and a peripheral region ( 18 ), which is located on a circumference area ( 19 ), characterized in that the counter circumference area ( 19 ) is set in rotation.

Device according to claim 1, characterized in that the peripheral region ( 18 ) an external toothing and the peripheral area ( 19 ) has an internal toothing.

Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the mating peripheral area ( 19 ) of a concentric with the axis (A) of the main shaft ( 12 ) arranged ring gear ( 21 ) is formed.

Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the mating peripheral area ( 19 ) by means of one with the main shaft ( 12 ) in meshing planetary gear ( 28 ) is set in rotation.

Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the mating peripheral area ( 19 ) by means of a separate drive independent of the main shaft ( 12 ) is set in rotation.

Device according to claim 5, characterized in that the separate drive can be controlled or regulated.

Device according to one of claims 1 to 6, characterized that means are provided with which the feed in dependence the power of the rotary drive of the main shaft in rotation displaceable is.

Device according to claim 7, characterized in that the separate drive can be controlled or regulated.

Device according to one of claims 1 to 8, characterized that means are provided with which the feed in dependence the power of the rotary drive of the main shaft controlled or regulated is.

Apparatus according to claim 9, wherein the feed and the rotary drive of the main shaft by means of a hydraulic medium takes place, characterized in that means are provided which the hydraulic pressures to effect the feed and the rotary drive control or fix the main shaft.