DE3445492C2

DE3445492C2 - Bohrköpfe zum Bohren im Gestein

Info

Publication number: DE3445492C2
Application number: DE3445492A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl.-Ing. 3000 Hannover Ebeling
Original assignee: Turmag Turbo-Maschinen-AG Nüsse & Gräfer, 4322 Sprockhövel
Current assignee: Hazemag & Epr 48249 Duelmen De GmbH
Priority date: 1984-02-25
Filing date: 1984-12-13
Publication date: 1986-10-02
Also published as: SE8500888D0; SE8500888L; DE3445492A1; US4627501A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Bohrkopf zum Bohren im Gestein mit einer Zentralwelle, die mit einem einfachen Bohrgestänge gekuppelt ist und auf der mindestens ein Werkzeugträger mit Bohrwerkzeugen über ein Planetengetriebe drehbar und antreibbar ist. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung dieser Art zu schaffen, die eine günstige Umlaufbewegung des Werkzeugträgers sicherstellt und dadurch eine günstige Schnittgeschwindigkeit und Bohrleistung der Bohrwerkzeuge gewährleistet. Diese Aufgabe wird im wesentlichen dadurch gelöst, daß zum Andruck gegen die zylindrische Bohrlochwandung (39, 56) auf der Zentralwelle (2) eine aus mehreren radialsymmetrisch angebrachten Abstützelementen (41, 54, 59, 79) bestehende Abstützvorrichtung (40, 50, 60, 70, 80) angeordnet ist, die über ein Getriebe (43, 44, 45, 46, 47, 48, 95-98) so mit der Zentralwelle (2) einerseits und mit dem Werkzeugträger (4) andererseits getrieblich verbunden ist, daß der Werkzeugträger (4, 84, 85) in eine langsame Umdrehung um die Zentralwelle (2) antreibbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft Bohrköpfe zum Bohren im Gestein, mit einer Zentralwelle, die mit einem einfachen, zwischen Bohrlochmund und Bohrkopf verlaufenden Bohrgestänge gekuppelt ist und auf der mindestens ein Werkzeugträger mit Bohrwerkzeugen gelagert ist, die über ein Planetengetriebe drehend antreibbar sind, wobei gemäß einer Variante die Bohrwerkzeuge aus am Werkzeugträger drehbar gelagerten und vom Planetengetriebe angetriebenen Planetenschrämscheiben bestehen.

Ein bekannter Bohrkopf dieser Art nach der US-PS 37 71 611 weist um je 120° zueinander versetzte, als Schrämscheiben ausgebildete Bohrwerkzeuge auf, die von der Zeutralwelle gegenläufig und mit verminderter Drehzahl antreibbar sind. Dadurch wirken die Bohrwerkzeuge zwar unterstützend im Richtungssinn des Antriebsmomentes, wobei zudem zwischen der Zentralwelle und den Antriebswellen für die Bohrwerkzeuge über entsprechend ausgebildete Planetengetriebe eine Untersetzung stattfindet. Grundsätzlich müßte ein Bohrkopf mit diesen Merkmalen im Gestein eine entsprechend hohe Schnittleistung erbringen. Denn durch die Gegenläufigkeit und durch die infolge einer Getriebeuntersetzung mit erhöhtem Drehmoment schneidenden Bohrwerkzeuge, erzeugt ein jedes für sich am Gestein ein Reaktionsmoment, welches die Drehbewegung des Bohrkopfgehäuses um die Zentralwelle unterstützt Durch diese Drehmomentunterstützung gelingt es, das nicht unmittelbar angetriebene Bohrkopfgehäuse in die erforderliche Umlaufbewegung zu setzen. Dabei können die Getriebeuntersetzungen, die Anzahl der Schneidwerkzeuge auf den einzelnen Kreisbahnen und die jeweilige Größe der zu bearbeitenden Ringfläche der Bohrlochsohle aufeinander abgestimmt werden.

Dennoch hat sich anhand von Versuchen überraschend gezeigt, daß mit diesen Merkmalen allein eine günstige Umlaufbewegung des Werkzeugträgers und eine günstige Schnittgeschwindigkeit der Bohrwerkzeuge nicht sichergestellt werden kann. Vielmehr hat sich herausgestellt, daß sich mit hoher Umlaufdrehzahl der Werkzeugträger frei drehen kann und sodann mit ungünstiger Umlaufbewegung um die Zentralwelle umläuft Dies liegt insbesondere daran, daß gemäß Fi g. 2 der US-PS 37 71 611 die einzelnen Bohrwerkzeuge in der Nähe des an der Bohrlochwandung liegenden Scheitelpunktes ihrer Evolventenbahn keine echte Schneidwirkung, sondern nur noch eine Drehbewegung um sich selbst ausführen. Dadurch bleibt in der Nähe der Bohrlochwandung eine nur langsam und schwer abtragbare Stufe stehen, die den Vortrieb des Bohrkopfes erheblich hemmt An der dadurch bedingten höheren Umlaufdrehzahl des Werkzeugträgers und der damit verknüpften geringeren Bohrleistung, vermag auch die Gegenläufigkeit sämtlicher Bohrwerkzeuge gegenüber der Zentralwelle nichts zu ändern. Insofern kommt es auf die Gegenläufigkeit der Bohrwerkzeuge gegenüber der Zentralwelle diesbezüglich nicht mehr an.

Ferner ist nach der US-PS 43 81 038 ein Bohrkopf bekannt, dessen Werkzeugträger mit den darauf angeordneten Rollenbohrwerkzeugen unmittelbar über eine Zentralwelle von einem einfachen Bohrgestänge angetrieben wird. Hier läuft der Werkzeugträger mit derselben Drehzahl wie das Bohrgestänge um. Insofern ist dieser Bohrkopf gattungsfremd. An seinem unteren Ende ist die Zentralwelle über ein Planetengetriebe mit einem Schwungrad gekuppelt, welches von einem Gehäuse umgeben ist, das über mehrere Abstützvorrichtungen gegen die Bohrlochwandung eine Abstützung erfährt. Bei diesem raise boring kann unter bestimmten geologisehen Bedingungen der Werkzeugträger von einer Seite zur anderen um eine Achse kippen, die senkrecht zu der Längsachse der Zentralwelle verläuft. Dadurch werden hohe Biegespannungen im Bohrgestänge erzeugt. Um diesen Kippbewegungen entgegenzuwirken, wird ein am unteren Ende der Zentralwelle befestigtes Schwungrad großer Masse über das ins Schnelle übersetzende Planetengetriebe in eine hohe Umlaufdrehzahl versetzt.

Das beim Gegenstand der US-PS 37 71 611 erläuterte Problem des Stehenbleibens einer Stufe infolge der auf einer Evolventenbahn verlaufenden Werkzeuge kann beim Bohrkopf nach der US-PS 43 81 038 gar nicht auftreten, da dort die Rollenbohrwerkzeuge stets auf einer Kreisbahn konzentrisch um das einfache Bohrgestänge umlaufen.

Aus der US-PS 42 78 136 ist ein gattungsfremder Bohrkopf bekannt, dessen Zentralwelle von einem einfachen Bohrgestänge über mehrere hydraulische Motoren angetrieben wird, die ihrerseits von einer über ein mechanisches Mehrstufengetriebe angetriebenen hydraulische Pumpe gespeist werden. Der im wesentlichen als kreisrunder Schlagbohrkopf ausgebildete Bohrkopf ist ebenso wie die hydraulische Pumpe, die beiden Getriebe und die hydraulischen Motoren innerhalb eines Gehäuse gelagert, welches sich über drei um je 120° zueinander

versetzte Blockelemente an der Bohrlochwandung abstützt. Diese Abstülzung ist bei dieser Vorrichtung unerläßlich, da sich andernfalls das Maschinengehäuse um ihre Längsachse dreht, wodurch sich die Bohrleistung des Bohrkopfes bis auf Null verringern kann.

Außerdem sind Planeten-Gesteinsbohrköpfe in vielfältiger Bauweise bei Vortriebsmaschinen bzw. Schachtbohrmaschinen bekannt (Glückauf, Heft 4, 1961, Seiten 833 und 844), wo sie jedoch mit der Antriebsmaschine direkt und während des Vortriebs dauernd verbunden sind. Sie besitzen dann entweder eigene Antriebsmotoren für die Planeten oder mindestens zwei, verschiedene Drehmomente übertragende Verbindungen zur Antriebsmaschine, nämlich einerseits das Drehmoment zur Drehung des Cesamtgesteinsbohrkopfes um eine Zentralwelle und zum anderen für ein Antriebsmoment für die Drehung der Planetenachsen mit den Bohrwerkzeugen.

ίο Damit entfällt bei diesen Ausführungen die besondere Problematik des über Hunderte von Metern verlängerbaren Bohrgestänges als einziges Antriebsmittel und somit auch die daraus resultierende besondere Ausbildung der Bohrköpfe.

Von diesem Stand der Technik ausgehend, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, Bohrköpfe der eingangs genannten Art zu schaffen, die eine günstige Umlaufbewegung des Werkzeugträgers sicherstellen und dadurch eine günstige Schnittgeschwindigkeit und Bohrleistung der Bohrwerkzeuge gewährleisten.

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Gattungsbegriffes nach einer ersten Alternative dadurch gelöst, daß zum Andruck gegen die zylindrische Bohrlochwandung auf der Zentralwelle eine aus mehreren radialsymmetrisch angebrachten Abstützelementen bestehende Abstützvorrichtung angeordnet ist, die über ein Getriebe mit der Zentralwelle einerseits und mit dem Werkzeugträger andererseits getrieblich verbunden ist, wobei der Werkzeugträger in eine langsame Umdrehung um die Zentralwelle antreibbar ist. Auf diese Weise findet über die Abstützvorrichtung eine Verklammerung des von der Zentralwelle angetriebenen Getriebes mit dem Gebirge statt, wodurch der oder die Werkzeugträger für die Bohrwerkzeuge in einen Zwangsumlauf um die Zentralwelle versetzt werden. Durch diese Verklammerung mit dem Gebirge und dem dadurch in jedem Augenblick erzielten Zwangsumlauf der Werkzeugträger können wechselnde Gesteinseigenschäften, unterschiedliche Abstufungserscheinungen der Bohrwerkzeuge und ein unregelmäßiger Angriff der Bohrwerkzeuge beim Anbohren nicht mehr zu einem freien Umlauf der Werkzeugträger um die Zentralwelle führen. Die Folge ist eine gleichmäßige, und zwar eine gleichmäßig langsame und damit günstige Umlaufbewegung des Werkzeugträgers um die Zentralwelle und dadurch auch eine günstige Schnittgeschwindigkeit und Bohrleistung der Bohrwerkzeuge.

Da die Verklammerung der vorbeschriebenen Abstützvorrichtung mit dem Gebirge bis auf eventuell — unerwünschte — Abrutscheffekte in der jeweiligen Bohrebene stets ortsfest ist, kann man diese Verklammerung nachfolgend auch kurz und prägnant als »statische Abstützung« bezeichnen.

Bei dieser statischen Abstützung können nach einer ersten Ausführungsform die Abstützeiemente aus mehreren zueinander um einen gleichen Winkel versetzte Kufen bestehen, deren Längsrichtungen parallel zur Zentralwelle ausgerichtet sind.

Nach einer zweiten Ausführungsform können die Abstützelemente aus mehreren zueinander um einen gleichen Winkel versetzte Rollen bestehen, deren Abrollrichtungen parallel zur Zentralwelle verlaufen. Dabei können die Kufen und/oder die Rollen mit Schneidkanten versehen und/oder mittels einer Druckfeder an die Bohrlochwandung andrückbar sein. In diesem Zusammenhang sei erwähnt, daß beispielsweise die Übertragung der Abstützvorrichtungen des Gehäuses nach der US-PS 42 78 136 oder nach der US-PS 43 81 038 auf den Gegenstand der US-PS 37 71 611, zum Beispiel durch Befestigung dieser Abstützvorrichtungen an dem in letzterer offenbarten Gehäuse nicht zur Erfindung hinführt. Denn bei einem Festhalten des Gehäuses nach der US-PS 37 71 611 durch eine Abstützvorrichtung wurden die Bohrwerkzeuge an einer Drehung um die Zentralwelle gehindert und führten nur soweit örtliche Bohrungen aus, bis das untere Ende der Zentralwelle auf der Bohrlochsohle aufsetzt.

Nach einer dritten Ausführungsform können die Abstützelemente aus mehreren zueinander um einen gleichen Winkel versetzten, gegen die Bohrlochwandung andrückbaren Raupen hergestellt werden, deren Raupenbewegungsrichtung parallel zur Zentralwelle ausgerichtet ist
Und schließlich können nach einer vierten Ausführungsform die Abstützelemente aus mehreren, an sich bekannten, zueinander um einen gleichen Winkel versetzten hydraulischen Spannvorrichtungen mit je zwei Kolbenzylindereinheiten bestehen, von denen eine Kolbenzylindereinheit mit einer Spannpratze gegen die Bohrlochwandung drückt und die andere Kolbenzylindereinheit als Schreitvorrichtung mit ihrer Längsachse parallel zur Zentralwelle ausgerichtet ist Diese Art der Verspannung ist bei einer Bohrmaschine gänzlich anderer Gattung, nämlich bei Strecken-Vortriebsmaschinen bzw. Tunnelschachtmaschinen zur Lösung einer anderen Aufgabe aus der US-PS 34 77 762 und der US-PS 33 87 892 grundsätzlich bekannt.

Die verspannten Raupen und Kolbenzylindereinheiten können mit einer sie in Vortriebsrichtung des Bohrkopfes vorantreibenden Energieversorgung versehen sein, wodurch das das Bohrgestänge haltende bzw. ziehende Vorschubaggregat eine Entlastung erfährt Dabei kann die Energieversorgung wahlweise von einer außerhalb des Bohrloches angeordneten Energiequelle herangeführt oder von einer über die Zentralwelle antreibbaren Hydraulikpumpe gebildet sein, die auf der Abstützvorrichtung befestigt ist

Unabhängig von der vorbeschriebenen Lösungsalternative der »statischen Abstützung« ist noch eine zweite Lösungsalternative möglich, die man als »dynamische Abstützung« bezeichnen kann. Bezüglich des Gattungsbegriffes wird ausgegangen von dem eingangs genannten Oberbegriff gemäß der US-PS 37 71 611₁ wobei darüber hinaus die Bohrwerkzeuge aus am Werkzeugträger drehbar gelagerten und vom Planetengetriebe angetriebenen Planetenschrämscheiben bestehen sollen. In Verbindung mit diesen Merkmalen wird die bereits genannte Aufgabe mittels einer »dynamischen Abstützung« dadurch gelöst daß der Werkzeugträger zu seiner Abstützung gegen das umgebende Gestein zusätzlich drehfest mit ihm verbundene Hi'fsbohrwerkzeuge aufweist Dabei können die Hilfsbohrwerkzeuge im Werkzeugträger in Bohrrichtung in einer vor, hinter oder in der

gleichen Ebene der Bohrwerkzeuge der Planetenschrämscheiben gelegenen Ebene angeordnet sein. Dadurch graben sich die Hilfsbohrwerkzeugträger im Werkzeugträger in einer dessen Umlaufgeschwindigkeit hemmenden Weise in das Gebirge ein, wodurch sie eine eigene kreisförmige Schrämnute im Gebirge hinterlassen. Da diese Hilfsbohrwerkzeuge zur Verklammerung des Werkzeugträgers im Gebirge aufgrund des Umlaufs des Werkzeugträgers um die Zentralwelle nicht an einem Ort bzw. Punkt verharren, sondern gleichfalls um die Zentralwelle umlaufen, kann man diese Verklammerung kurz als »dynamische Abstützung« bezeichnen.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung dieser Lösungsalternative sind zur dynamischen Abstützung die mit dem Werkzeugträger drehfest verbundenen Hilfbohrwerkzeuge radialsymmetrisch zur Zentralwelle angeordnet und befinden sich auf einem Radius, der größer als der größtmögliche Abstand der Bohrwerkzeuge auf den Planetenschrämscheiben von der Zentralwelle ist Hierdurch wird ein Freidrehen der Werkzeugträger mit hohen Drehzahlen unterbunden und zugleich eine für die Schneidtechnik der Bohrwerkzeuge auf den Schrämscheiben günstige Evolventenbahn erzeugt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsmerkmale beider Lösungsalternativen sind aus den Ansprüchen ersichtlich und werden nachfolgend anhand mehrerer in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele beschrieben. Dabei zeigt , ¹⁵ | Fig. 1 die Lcsungsalternative einer »dynamischen Abstützung« des neuen Bohrkopfes bei einem »Raise- | Bohrkopf«, links in Seitenansicht und rechts im Längsschnitt, | F i g. 2 die Draufsicht entlang der Linie II -*· II von F i g. 1,

F i g. 3 eine Lösungsalternative einer »statischen Abstützung« beim »Raise-Bohrkopf« mit einer konzentrischen Zwischenbohrkrone, einer Abstützvorrichtung im Zwischenbohrloch sowie in zwei Ebenen angeordneten Planetenschrämscheiben und einer zweiten Abstützvorrichtung mit federnd gegen die Großlochbohrwandung angedrückten Rollen entlang der Linie Ell -^- III von F i g. 4,
F i g. 4 die schematische Draufsicht entlang der Linie IV ■*■1V von F i g. 3,

F i g. 5 eine zweite Ausführungsform einer »statischen Abstützung« im Längsschnitt mit einem vom Bohrgestänge drückend vorgetriebenen Planetenbohrkopf mit einem Pilotbohrer und mit einer aus mehreren federnden Schneidkufen bestehenden, unmittelbar hinter einer Zwischenbohrkrone angeordneten Abstützvorrichtung gemäß der Schnittlinie V -=- V von F i g. 6, |

F i g. 6 die schematische Draufsicht entlang der Linie VI -=- VI von F i g. 5,

F i g. 7 eine dritte Ausführungsform einer »statischen Abstützung« mit einem vom ziehenden Bohrgestänge angetriebenen Erweiterungs-Bohrkopf im Vertikal-Halbschnitt mit Rollenbohrwerkzeugen auf zwei konzentrisehen Werkzeugträgern, einer längsbeweglichen Kupplung für das Bohrgestänge und einer aus vier Raupenlaufwerkzeugen bestehenden Abstützvorrichtung,

F i g. 8 eine vierte Ausführungsform einer »statischen Abstützung« mit einem vom ziehenden Bohrgestänge angetriebenen Erweiterungsbohrkopf im Vertikal-Halbschnitt mit Rollenbohrwerkzeugen auf zwei konzentrischen Werkzeugträgern, einer längsbeweglichen Kupplung für das Bohrgestänge und einer aus vier hydraulisehen Schreitwerken mit vier an die Großlochbohrwandung anstellbaren Spannpratzen bestehende Abstützvorrichtung.

In den F i g. 1 bis 8 ist generell mit der Bezugsziffer 1 das einfache Bohrgestänge, mit 2 die Zentralwelle und mit 3 die Kupplungsstelle zwischen Bohrgestänge 1 und Zentralwelle 2 bezeichnet.

Außerdem weist jeder Bohrkopf einen um die Zentralwelle 2 drehbaren Werkzeugträger 4 auf, an dem über ein Planetengetriebe 5 Bohrwerkzeuge 6 drehbar und antreibbar sind.

In den F i g. 1 und 2 der zweiten Lösungsalternative einer »dynamischen Abstützung« des neuen Bohrkopfes, werden die beiden Planetenräder 7,8 über ein drehfest auf der Zentralwelle 2 angeordnetes Ritzel 9 angetrieben, wodurch zugleich auch die unmittelbar mit den Planetenrädern 7,8 verbundenen Schrämscheiben 10,11 mit den Schrämmeißeln 12 in Drehungen versetzt werden. Bei einer angeommenen Drehrichtung des Bohrgestänges 1 und der Zentralwelle 2 in Richtung des Pfeiles 13 von F i g. 2 laufen die Planetenräder 7, 8 und damit die Schrämscheiben 10,11 in Richtung der Pfeile 14 um. Da der Werkzeugträger 4 drehbar auf der Zentralwelle 2 gelagert ist, läuft er in Richtung des Pfeiles 15 um. Um eine unerwünschte rasche Umlauf bewegung des Werkzeugträgers 4 in Richtung des Pfeiles 15 und damit der gleichen Drehrichtung 13 des Bohrgestänges 1 und der Zentralwelle 2 entgegen der Drehrichtung 14 der Planetenschrämscheiben 10, 11 zu bremsen, sind am Werkzeugträger 4 Konsolen 16 mit Hilfsbohrwerkzeugen 17 angeordnet, die in Bohrrichtung in Richtung des Pfeiles 18 in einer vor der Ebene 19 der Planetenschrämscheiben 10,11 befindlichen Ebene 20 angeordnet sind. Dadurch graben sich die Hilfsbohrwerkzeuge 17 beim Umlauf des Werkzeugträgers 4 in Richtung des Pfeiles 15 in das Gebirge und ziehen dabei eine kreisförmige Schrämnute 21 in die Bohrfläche 22.

Vorteilhaft sind die mit dem Werkzeugträger 4 über die Konsolen 16,16' verbundenen Hilfsbohrwerkzeuge 17,17' radialsymmetrisch zur Zentralwelle 2 angeordnet

Eine besonders vorteilhafte Wirkung entfalten die Hilfsbohrwerkzeuge 17', wenn sie auf einem Radius 23 κ

angeordnet sind, der geringfügig größer als der größtmögliche Abstand A der Bohrwerkzeuge 12 auf den |

Planetenschrämscheiben 10,11 von der Zentralwelle 2 ist, wie dies in F i g. 1 und 2 angedeutet ist

Ir. den F i g. 3 und 4 ist eine erste Ausführungsform einer Lösungsalternative einer »statischen Abstützung« beim »Raise-Bohrkopf« dargestellt Dabei sind von den Bohrwerkzeugen 6 eine Planetenschrämscheibe 24 in einer ersten Ebene 25 und dahinter in einer zweiten Ebene 26 zwei weitere auf einen größeren Bohrdurchmesser |

wirkende Planetenschrämscheiben 27 angeordnet Sämtliche Planetenschrämscheiben 24, 27 werden von dem I

Planetengetriebe 28, 29, 30, 31,32, 47 in einem Drehsinn 33 von dem Ritzel 28 der Zentralwelle 2 angetrieben, t

der dem Drehrichtungssinn 34 der Zentralwelle 2 und damit des Bohrgestänges 1 entgegenläuft Der Werkzeug- 65 | träger 4 läuft dabei in Richtung der Pfeile 35 gemäß F i g. 4 um.

In Bohrrichtung gemäß dem Pfeil 36 ist vor den Planetenschrämscheiben 24,27 direkt auf der Zentralwelle 2 eine Zwischenbohrkrone 37 drehfest angeordnet die mit ihren Schrämmeißeln 38 ein Zwischenbohrloch 39

bohrt. Hinter der Zwischenbohrkrone 37 ist eine erste »statische Abstützvorrichtung« 40 mit vier festmontierten Schneidkufen 41 vorgesehen, deren Schneidkanten 42 in die Wandung des Zwischenbohrloches 39 einschneiden. Diese Abstützvorrichtung 40 ist über eine Hohlwelle 43 mit einem Hohlrad 44 verbunden, in dessen Innenverzahnung ein Ritzel 45 des zusätzlichen Planetengetriebes 45,46,47,48 eingreift. Die Planetenwelle 48 wird über das Planetenzahnrad 46 von dem weiteren Ritzel 47 der Zentralwelle 2 angetrieben. Dieses Planetengetriebe 46, 47,48 zwingt im Zusammenwirken mit der Abstützvorrichtung 40, der Hohlwelle 43, dem Hohlrad 44 und dem Ritzel 45 den Werkzeugträger 4 in eine langsame Drehung um die Mittelachse 49.

Unterhalb des Werkzeugträgers 4 ist eine zweite »statische« Abstützvorrichtung 50 auf der Zentralwelle 2 angeordnet. Diese zweite Abstützvorrichtung 50 weist ebenfalls ein Hohlrad 51 auf, mit dessen Innenverzahnung j

to ein zweites Planetenritzel 52 der Planetenwelle 48 kämmt. Die Übersetzung und der Drehsinn von der Planeten- j

welle 48 über das Ritzel 52 auf das Hohlrad 51 sind ebenso gleich wie der entsprechende Drehsinn und die I

Übersetzung vom oberen Planetenritzel 45 auf das Hohlrad 44. Darüber hinaus weist die zweite Abstützvorrich- Ϊ

tung 50 auf Schwingen 53 gelagerte Rollen 54 auf, die von Druckfedern 55 gegen die Wandung der Großlochbohrung 56 gedrückt werden. Die Rollen 54 können auch mit Schneidkanten 54' versehen sein. |

In den F i g. 5 und 6 ist eine zweite Ausführungsform einer »statischen Abstützung« im Längsschnitt mit einem vom Bohrgestänge drückend vorgetriebenen Planeten-Bohrkopf mit einem Pilotbohrer 57 und mit einer aus mehreren mit unter der Wirkung von Druckfedern 58 bestehenden Schneidkufen 59 bestehende Abstützvorrichtung 60 dargestellt. Auf der Zentralwelle 2 befindet sich unmittelbar hinter dem Pilotbohrer 57 eine mit Schrämmeißeln besetzte Zwischenbohrkrone 37 zum Aufbohren eines Zwischenbohrloches 39. In der Darstellung der F i g. 5 und 6 bestehen die Bohrwerkzeuge 6 im Gegensatz zu dem Ausführungsbeispiel der F i g. 3 und 4 aus zwei in einer Ebene 61 angeordneten Planetenschrämscheiben 62, die über jeweils eine im Werkzeugträger 4 drehbar gelagerte Welle 63 und einem damit drehfest verbundenen Planetenrad 64 von einem Ritzel 65 der Zentralwelle 2 angetrieben werden. Die Abstützvorrichtung 60 ist wiederum über eine Hohlwelle 43 und ein Hohlrad 44 mit der Planetenwelle 48 über das Planetenritzel 45 getrieblich verbunden. Auf der Planetenwelle 48 ist ein weiteres Planetenzahnrad 66 drehfest angeordnet, welches von einem zweiten Ritzel 67 auf der Zentralwelle 2 angetrieben wird. Bei einem Drehrichtungssinn in Richtung des Pfeiles 68 gemäß F i g. 6 der Zcntralwellc 2 erfolgt die Drehung der Planeienschrämscheiben 62 in Richtung der Pfeile 69.

In den F i g. 7 und 8 sind eine dritte und vierte Ausführungsform einer »statischen Abstützung« mit einem vom ziehenden Bohrgestänge 1 angetriebenen Erweiterungs-Bohrkopf im Vertikal-Halbschnitt dargestellt. Dabei besteht die dritte Ausführungsform der Abstützung aus mehreren um einen gleichen Winkel zueinander versetzte, gegen die Bohrlochwandung 56 andrückbare Raupen 70, deren Raupenbewegung in Richtung des Pfeiles 71 parallel zur Zentralwelle 2 und damit zu deren Drehachse 49 ausgerichtet ist

Die vierte Ausführungsform besteht aus mehreren, an sich bekannten, zueinander um einen gleichen Winkel versetzte hydraulische Spannvorrichtungen 80 mit je zwei Kolbenzylindereinheiten 72, 73, von denen die eine Kolbenzylindereinheit 72 mit einer Spannpratze 74 gegen die Bohrlochwandung 56 drückt und die andere Kolbenzylindereinheit 73 als Schreitvorrichtung mit ihrer Längsachse 75 parallel zur Achse 49 der Zentralwelle 2 ausgerichtet ist Die Raupen 70 und die Kolbenzylindereinheiten 80 können mit einer sie in Vortriebsrichtung des Pfeiles 76 des Bohrkopfes vorantreibenden Energieversorgung versehen sein, die entweder von einer außerhalb des Bohrloches 56 angeordneten Energiequelle herangeführt ist oder aus einer Hydraulikpumpe 77 besteht, die wie im dargestellten Fall auf einer über Konsolen 78 mit den Raupen 70 und/oder den Kolbenzylindereinheiten 80 verbundenen Abstützplatte 79 befestigt ist, durch welche die Zentralwelle 2 freidrehbar hindurchgreift Die Hydraulikpumpe 77 wird über ein am oberen Ende der Zentralwelle 2 befindliches Zahnrad 81 und ein Antriebsritzel 82 angetrieben.
In den F i g. 7 und 8 bohrt der dargestellte Bohrkopf absteigend auf ein Vorbohrloch 83 in hartem Gestein. Er ist mit Rollenbohrwerkzeugen 103 bestückt die auf zwei konzentrisch um die Zentralwelle 2 drehenden Werkzeugträgern 84, 85 befestigt sind. Das Bohrgestänge 1 ist über eine Kupplung 86 mit der Zentralwelle 2 gekuppelt. Die Kupplung 86 weist am Ende des Bohrgestänges 1 eine kreisförmige Außenverzahnung 87 auf, die sich mit einer am Ende der Zentralwelle 2 befindlichen Geradverzahnung 88 in Eingriff befindet. Durch kugelförmige Kuppelverzahnung 87 kann zwischen dem Bohrgestänge 1 und der Zentralwelle 2 eine Winkelabweichung

so und durch die Geradverzahnung 88 eine Längsverschiebung zwischen den vorbezeichneten Teilen erfolgen. Dabei wirken mehrere Druckfedern 89 in der Kupplung 86 dem Zug des Bohrgestänges ί entgegen. Die Längsverschiebung der Kupplungsverzahnung 87 zur Geradverzahnung 88 der Zentralwelle 2 wird über eine Reglerstange "?0 auf den Fühler 91 eines Reglers 92 übertragen. Dieser Regler 92 setzt sodann über die strichpunktiert eingezeichnete Regelleitung 93 beispielsweise die Hydraulikpumpe 77 in Tätigkeit die wiederum über die Hydraulikleitungen 94 entweder die Raupen 70 in Richtung des Pfeiles 71 oder das aus den Kolbenzylindereinheiten 80 bestehende Schreitwerk zu einer Bewegung seines Zylinders 73 in Richtung des Pfeiles 76 veranlaßt Dadurch werden die Rollenbohrwerkzeuge 103 gegen das Gebirge gedrückt und zugleich das Bohrgestänge 1 entlastet
Zugleich treibt die Zentralwelle 2 über ihr Ritzel 95 und das Doppelplanetenrad 96 den Innenzahnkranz 97 des äußeren Werkzeugträgers 84 langsam und entgegen der Drehrichtung des Bohrgestänges 1 an. Das Doppelplanetenrad 96 stützt sich hierbei zugleich auf dem Innenzahnkranz 98 der innenverzahnten Absatzplatte 79 der Abstützvorrichtung 79,70,80 ab und nimmt über die Planetenachse 99 den inneren Werkzeugträger 85 in mit etwas schnellerer und mit dem Bohrgestänge 1 gleichsinniger Drehung mit
Mit dem inneren Werkzeugträger 85 ist ein Führungskorb 100 verbunden, der mit seinem Ring 101 die Führung und Zentrierung des Bohrkopfes im Vorbohrloch 83 sicherstellt

Im wesentlichen sind beim Ausführungsbeispiel der F i g. 7 und 8 auf der hohl ausgebildeten Zentralwelle 2 zwei ineinander integrierte sowie konzentrisch angeordnete Werkzeugträger 84,85 mit Rollenbohrwerkzeugen 103 angeordnet von denen ein Werkzeugträger, hier der äußere Werkzeugträger 84, mit einem zum Umlaufsinn

der Zentralwelle 2 und damit des Bohrgestänges 1 entgegengesetzten Umlaufsinn durch sein Planetengetriebe 95,96,97 antreibbar ist.

Es versteht sich, daß im Rahmen der Erfindung verschiedene Kombinationen möglich sind. So ist beispielsweise die »dynamische Abstützung« gemäß den F i g. 1 und 2 auch kombinierbar mit der »statischen Abstützung« gemäß den F i g. 3 bis 6.

Ferner können auch die Abstützvorrichtungen 70 und 80 der F i g. 7 und 8 an die Stelle der Abstützvorrichtung 50 gemäß den F i g. 3 und 4 treten.

Schließlich stellt die Ausführung nach den F i g. 7 und 8 eine »dynamische Abstützung« entsprechend den F i g. 1 und 2 dar, indem die Gegenläufigkeit der beiden Werkzeugträger 84 und 85 auch zu einem Abbau des von der statischen Abstützvorrichtung 70 bzw. 80 zu haltenden Restmomentes führt. Entsprechend zur Ausführung nach den F i g. 1 und 2 kann bei dem Bohrkopf nach den F i g. 7 und 8 dieser Momentenausgleich durch entsprechende Dimensionierung der Werkzeugträger 84, 85, Wahl der gegenseitigen Getriebeübersetzungen und Besetzung der Werkzeugträger 84,85 mit Bohrwerkzeugen gemäß den F i g. 1 und 2, so weit vervollkommnet werden, daß auf die statische Abstützung 70 bzw. 80 verzichtet werden könnte. In diesem Fall müßte allerdings der Bohrandruck durch das Gewicht des Bohrkopfes und die Zugkraft des Bohrgestänges 1 aufgebracht werden.

»Bohrkopf mit Planetengetriebe und einfachem Bohrgestänge« Stückliste:

Bohrgestänge	1
Zentralwelle	2
Kupplungsstelle zwischen Bohrgestänge 1 und Zentralwelle 2	3
Werkzeugträger	4,84,85
Planetengetriebe	5,29,30,31,32
Bohrwerkzeuge	6
Planetenräder	7,8,64
Ritzel	9,28,45,47,52,65,67,95
Schrämscheiben	10,11,24,27,62
Schrämmeißel	12,38,62'
Richtungspfeile	13,14,15,18,35,36,68,69,71,76
Konsolen	16,16', 78
Hilfsbohrwerkzeuge	17,17'
Ebenen der Hilfbohrwerkzeuge 17	19
Ebenen der Schrämscheiben	20,25,26,61
Schrämnut	21
Bohrfläche	22
Radius	23
Abstand der Bohrwerkzeuge 12 von der Zentralwelle 2	A
Drehsinn von Ritzel 28	33
Drehsinn der Zeniralwelle 2	34
Zwischenbohrkrone	37
Zwischenbohrloch	39
Abstützvorrichtung	40,50,60..70..8O
Schneidkufen	41,59
Schneidkanten von Schneidkufen 41	42
Hohlwelle	43
Hohlrad	44,51
Planetenzahnrad	46,66
Planetenwelle	48
Mittelachse	49
Schwingen	53
Rollen	54
Schneidkanten von Rollen 54	54'
Druckfedern	55,58,89
Großlochbohrung/Bohrlochwandung	56
Pilotbohrer	57
Welle	63
Raupen	70
Spannvorrichtung	80
Kolbenzylindereinheit	72,73
Spannpratze	74
Längsachse von Kolbenzylindereinheit 73	75
Hydraulikpumpe	77
Abstützplatte	79
Zahnrad	81
Antriebsritzel	S2

20 25 30 35 40 45 50 55 60 65

Vorbohrloch	S3
Kupplung	86
Außenverzahnung von Kupplung 86	87
Geradverzahnung arc Snde der Zentralwelle 2	88
5 Reglerstange	90
Fühler eines Reglers 92	91
Regler	92
Regelleitung	93
Hydraulikleitungen	94
ίο Doppelplanetenrad	96
Innenzahnkranz	97,98
Planetenachse	99
Führungskorb	100
Ring	101
15 Freifläche	102
Rollenbohrwerkzeug	103

20 25 30 35

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

45

55

60

65

Claims

Patentansprüche:

1. Bohrkopf zum Bohren im Gestein, mit einer Zentralwelle, die mit einem einfachen, zwischen Bohriochmund und Bohrkopf verlaufenden Bohrgestänge gekuppelt ist und auf der mindestens ein Werkzeugträger mit Bohrwerkzeugen gelagert ist, die über ein Planetengetriebe drehend antreibbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß zum Andruck gegen die zylindrische Bohrlochwandung (38, 56) auf der Zentralwelle (2) eine aus mehreren radialsymmetrisch angebrachten Abstützelementen (41, 45, 59, 74) bestehende Ab stützvorrichtung (40,50,60,70,80) angeordnet ist, tiie über ein Getriebe (43,44,45,47,48,95 bis 98) mit der Zentralwelle (2) einerseits und mit dem Werkzeugträger (4) andererseits getrieblich verbunden ist, wobei der Werkzeugträger (4,84,85) in eine langsame Umdrehung um die Zentralwelle (2) antreibbar ist

2. Bohrwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstützelemente (40,60) aus mehreren zueinander um einen gleichen Winkel versetzte Kufen (41,59) bestehen, deren Längsrichtungen parallel zur Zentralwelle (2) ausgerichtet sind.

3. Bohrkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstützelemenle (50) aus mehreren zueinander um einen gleichen Winkel versetzten Rollen (54) bestehen, deren Abrollvorrichtungen parallel zur Zentralwelle (2) verlaufen.

4. Bohrkopf nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kufen (41, 59) und/oder die Rollen (54) mit Schneidkanten (42,54') versehen sind.

5. Bohrkopf nach einem oiier mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kufen (41, 59) und die Rollen (54) mittels einer Druckfeder (58,55) an die Bohrlochwandung (39,56) andrückbar sind.

6. Bohrkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstützelemente aus mehreren zueinander um einen gleichen Winkel versetzten, gegen die Bohrlochwandung (56) andrückbaren Raupen (70) bestehen, deren Raupenbewegungsrichtung parallel zur Zentralwelle (2) ausgerichtet ist

7. Bohrkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Abstützelemente aus mehreren, an sich bekannten, zueinander um einen gleichen Winkel versetzten, hydraulischen Spannvorrichtungen (80) mit je zwei Kolbenzylindereinheiten (72,73) bestehen, von denen eine Kolbenzylindereinheit (72) mit einer Spannpratze (74) gegen die Bohrlochwandung (56) drückt und die andere Kolbenzylindereinheit (73) als Schreitvorrichtung mit einer Längsachse (75) parallel zur Zentralwelle (2) ausgerichtet ist

8. Bohrkopf nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Raupen (70) und die Kolbenzy-30 Iindereinheiten (80) mit einer sie in Vortriebsrichtung des Bohrkopfes vorantreibenden Energieversorgung versehen sind.

9. Bohrkopf nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet daß die Energieversorgung von einer außerhalb des Bohrloches angeordneten Energiequelle herangeführt ist

10. Bohrkopf nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieversorgung für die Raupe (70) und/oder das Schreitwerk (80) von einer über die Zentralwelle (2) antreibbaren Hydraulikpumpe (77)

, gebildet ist, die auf der Abstützvorrichtung (79,70,80) befestigt ist.

11. Bohrkopf nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, der zur Herstellung von Großbohrlöchern

zusätzlich einen Pilotmeißel und/oder eine Zwischenbohrkrone trägt dadurch gekennzeichnet, daß die j Zentralwelle (2) mit dem Pilotmeißel (57) und/oder der Zwischenbohrkrone (37) verbunden und die Abstülz-

40 vorrichtung (40,60) in Bohrrichtung zwischen letzterer (37) und der Ebene der nachfolgenden Bohrwerkzeu-

J ge (24,27,62) angeordnet ist und dabei in eine Zwischenstufe (39) des Großbohrloches (56) eingreift.

12. Bohrkopf nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstützvorrichtung (50) in Bohrrichtung rückwärts der Ebene des hintersten Bohrwerkzeuges (27) angeordnet ist und an der endgültigen Bohrlochwandung (56) angreift.

13. Bohrkopf nach mehreren der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch eine Kombination der Abstützvorrichtung (40_t 60) nach Anspruch 11 mit der Abstützvorrichtung (50) nach Anspruch 12.

14. Bohrkopf nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Getriebe zur Verbindung der Abstützvorrichtung (40,60) mit der Zentralwelle (2) und dem Werkzeugträger (4) aus mindestens einem drehfest mit der Abstützvorrichtung (40, 60) verbundenen Getrieberad (44) mit Innenverzahnung, mindestens einem mit dieser Innenverzahnung kämmenden Planetenritzel (45), einer Planetenwelle (48) und aus mindestens einem auf der Planetenwelle (48) befindlichen Planetenzahnrad (46, 66) besteht, das von einem drehfest auf der Zentralwelle (2) angeordneten Ritzel (47,22,67) antreibbar ist

15. Bohrkopf nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Zentralwelle (2) zwei ineinander integrierte sowie konzentrisch angeordnete Werkzeugträger (84, 85) mit Rollenbohrwerkzeugen (103) angeordnet sind und das Bohrgestänge (1) mit der Zentralwelle (2) über eine Kupplung (86) getrieblich verbunden ist, die zur Winkelbeweglichkeit des Bohrgestänges (1) an einem Ende eine gebogene Kuppelverzahnung (87) und zur Längsverschieblichkeit des Bohrgestänges (1) zur Zentralwelle (2) am anderen Ende eine gerade Innenverzahnung (88) aufweist, mit der sich die Kuppelverzahnung (87) in Eingriff befindet.

16. Bohrkopf nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß bei Überschreitung einer gewissen Längsverschiebung zwischen Bohrgestänge (1) und Zentralwelle (2) über eine Regeleinrichtung (90, 91, 92) die Raupe (70) und/oder das hydraulische Schreitwerk (80) in Vortriebsbewegung setzbar ist.

17. Bohrkopf nach Anspruch 15 oder 16, in Verbindung mit mehr als einem mit Rollenbohrwerkzeugen besetzten Werkzeugträger, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Werkzeugträger (84) mit einem zum Umlaufsinn der Zentralwelle (2) gleichgerichteten Umlaufsinn durch sein Planetengetriebe (95, 96,97,98) antreibbar ist.

18. Bohrkopf zum Gesteinsbohren, mit einer Zentralwelle, die mil einem einfachen, zwischen Bohrlochmund und Bohrkopf verlaufenden Bohrgestänge gekuppelt ist und auf der mindestens ein Werkzeugträger

mit Bohrwerkzeugen gelagert ist, die über ein Planetengetriebe drehend antreibbar sind, wobei die Bohrwerkzeuge aus am Werkzeugträger drehbar gelagerten und vom Planetengetriebe angetriebenen Planetenschrämscheiben bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkzeugträger (4) zu seiner Abstützung gegen das umgebende Gestein zusätzlich.drehfest mit ihm verbundene Hilfsbohrwerkzeuge (17,17) aufweist

19. Bohrkopf nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die mit dem Werkzeugträger (4) drehfesi verbundenen Hilfsbohrwerkzeuge (17,17) radialsymmeti isch zur Zentralwelle (2) angeordnet sind.

20. Bohrkopf nach Ansprucn 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß die drehfest auf dem Werkzeugträger (4) befindlichen Hilfsbohrwerkzeuge (17) auf einem Radius (23) angeordnet sind, der größer als der größtmögliche Abstand (A) der Bohrwerkzeuge .{12) auf den Planetenschrämscheiben (10, 11) von der Zentralwelle (2) ist

21. Bohrwerkzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsbohrwerkzeuge (17,17) auf dem Werkzeugträger (4) zu den Bohrwerkzeugen (12) auf den Planetenschrämscheiben (10,11) im entgegengesetzten Drehrichtungssinn (15) antreibbar angeordnet sind.

22. Bohrkopf nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 17, gekennzeichnet durch Kombinationen einer Abstützvorrichtung (4,50,60,70,80) nach den Ansprüchen 1 bis 17 mit einer Abstützvorrichtung (16, 16,17,17) nach den Ansprüchen 18 bis 21.