DE2540558A1

DE2540558A1 - Bohrgeraet

Info

Publication number: DE2540558A1
Application number: DE19752540558
Authority: DE
Inventors: Carl Richard Peterson
Original assignee: Rapidex Inc
Current assignee: Rapidex Inc
Priority date: 1974-09-16
Filing date: 1975-09-11
Publication date: 1976-04-01
Also published as: NO752996L; ZA755093B; SE7510220L; BR7505967A; CA1027549A; AU8376475A; NL7510719A; US3945447A; JPS5159702A

Description

ΡΑΤΕΛ DR. ING. ERNST .-5

DR. DIETER V. BEZOLD

DIPL. ING. PETER SCHÜTZ 2540 558

DIPL. ING. WOLFGANG HEUSLER D-8 MUENCHEN 86

MAKIA-TnEnESIA-STRASSE 22 POSTFACH 88OO88

9708-75/KD

RAPIDEX, INC., Blackborn Industrial Park, Gloucester, Massachusetts 01930, Ver.St.v.A.

Bohrgerät

Die Erfindung betrifft die Verteilung von Schneidzähnen in einem Bohrgerät, das zum Beispiel in Erde oder "Gestein benützt wird,und insbesondere in einem derartigen Gerät, bei dem die im Betrieb von den Zähnen überstrichene Fläche schräg zur Richtung des Gesamtvorschubs . des Gerätes verläuft wie bei einem im allgemeinen konisch geformten Bohrgerät.

Die vorliegende Erfindung erzeugt in ihren verschiedenartigen Gestalten ein hochwirksames Schneiden ohne wesentliche Bildung von Felsgrat (entweder in Umfangsrichtung, z. B. in der allgemeinen Richtung der Schneidrollendrehung, oder axial, z. B. in der allgemeinen Richtung des Gesamtvorschubs des Geräts), was die erforderlichen Schneidkräfte erhöhen oder mit dem Schneidrollenkörper zusammenwirken würde. Die Werkzeuglebensdauer wird verlängert und der Verschleiss ausgeglichen. Es besteht eine Neigung zur Bildung einer gleichmässigen SpangrÖsse. Als Ergebnis der erforderlichen niedrigen Schneidkräfte können die Schneidrollen schräg gestellt werden, um das Gerät mit Selbstvorschub

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zu versehen.

Gegenstand der Erfindung ist ein Bohrgerät mit mehreren Schneidrollen , die um entsprechende Schneidelementachsen in einem Rahmen drehbar gelagert sind, der um eine Rahmenachse drehbar ist, wobei jede Schneid-rolle einen Körper hat, der Zähne trägt, die im Betrieb eine schräg zur Vorschubachse des Bohrgerätes verlaufende Fläche überstreichen und in diese hineinschneiden, dadurch gekennzeichnet, dass jede Schneidrolle mehrere ausgewählte Zahnbereiche aufweist, die entlang der entsprechenden Schneid rollenachse im Abstand verteilt sind, dass die Zahn-Bereiche der Schneid'roll'en in einem entlang der Rahmenachse fortschreitenden geordneten Zyklus angeordnet sind, und dass sich in diesem Zyklus aneinandergrenzende Bereiche auf verschiedenen Schneid rollen befinden und einander entlang der Rahmenachse überdecken, wobei die im Zyklus geordneten Bereiche abwechselnd hohe und niedrige wirksame Zahndichten haben, um der Neigung der Zähne eines Bereichs entgegenzuwirken, die von den Zähnen des vorhergehenden Bereichs stehengelassenen Spanräume zu durchlaufen.

Bevorzugte Ausführungsformen enthalten drei Schneid rollen und kein Satz von im Zyklus aneinandergrenzenden Bereichen enthält mehr als einen Bereich aus jeder Schneid rolle Jeder Bereich besteht aus einer einzigen Reihe von Zähnen, die am Umfang um die entsprechende Schneid rollenachse herum angeordnet ist. Die Erstreckung jedes Bereichs in der Richtung entlang der Fläche und in der Ebene der Achse der entsprechenden Schneid rolle, ist kleiner als die Zahnhöhe geteilt durch den Tangens des Winkels zwischen der Fläche und der Vorschubachse. Jedes im Zyklus aneinandergrenezende Paar von Bereichen weist entsprechende Zähnezahlen Νττ/2 < Njj<Ntt auf, wobei Ng die Zähnezahl im Bereich hoher wirksamer Dichte des Paares und N^ die Zähnezahl im Bereich niedriger Dichte des Paares ist, wobei Vorzugsweise N_H/1)9< %<N_H/%1 oder %_/1i75< %<%/i,₂5 ^ist* ^{Es sind} drei Schneidrollen vorgesehen und der Zyklus schreitet von Schneidrolle zu Schneidrölle in der Weise fort, dass auf jeder Schneidrolle Bereiche hoher und niedriger Zahndichten

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entlang den entsprechenden Schneidrollenachsen abwechseln. Die Schneidrollenachsen sind gegenüber der Rahmenachse verschränkt, darum herum in gleichen Abständen verteilt und stehen schräg, um ein Verjüngen der gesamten Umhüllung des Bohrgeräts entlang den Schneidelementen zu bewirken.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen beschrieben. Darin· zeigt:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines an ein Fragment eines Rohrstranges angeschlossenen Bohrgeräts;

Fig. 2 eine der Fig. 1 ähnliche Ansicht unter einem unterschiedlichen Winkel, wobei der Rohrstrang und der Führungsnieisoel weggelassen sind;

Fig. 5 eine teilweise geschnittene vergrösserte Ansicht eines Teils von Fig. 1;

Fig. 4 -'8 Schnitte entlang 4-4,5-5,6-6,7-7 bzw. 8-8"in Fig. 1;

Fig. 9 eine Schnitt entlang 9-9 in Fig. J, wobei die Schneidrollenwellen entfernt sind;

Fig.10 eine vergrösserte Ansicht eines Schneidrollenfragments mit einem gestrichelt dargestellten Schneidzahn in einer ersten Stellung in der gerade gebohrten Bohrung und mit demselben ausgezogen dargestellten Schneidzahn in einer späteren axial vorgeschobenen Stellung;

Fig.11 eine Auslegung von drei Schneidrollen mit einem Beispiel für eine Zahnverteilung gemäss der Erfindung.

Ein Hauptrahmen 10 ist an seiner Oberseite über ein Verbindungsstück 12 an einen Rohrstrang 14 angeschlossen, der sich zurück zu der übertage gelegenen Bohranlage erstreckt, und ist an seiner Unterseite über ein mit Innengewinde versehenes Verbindungsstück . 16 an einen herkömmlichen Dreikegelführungsmeissel 18 angebracht. Der Rahmen 18 verjüngt sich von der Oberseite zur Unterseite entlang drei am Umfang verteilten Streben 20, die sich zwischen oberen und unteren Rahmenteilen 22 und 24 erstrecken. Zwischen den Streben 20 sind drei Schneidrollen 26, 28, 30 entsprechend angeordnet.

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Jede Schneidrolle hat Zahneinsätze oder Zähne 32 in einem Körper 33» der so eingebaut ist, dass er sich um eine Welle 3^· (Pig. 3) mit einer Achse 35 dreht, die nicht nur der Verjüngung der Streben 20 folgt, sondern auch (z. B. um 2-4°, Fig. 2) gegenüber der senkrechten Achse 36 des Rahmens 10 verschränkt ist. Die in Fig. 1 bis 3 dargestellte Zahnverteilung ist schematisch und nicht diejenige der vorliegenden Erfindung, die in Fig. 11 dargestellt ist. Im Betrieb bewirkt <las Drehen des Rahmens 1 ein Drehen der Schneidrollen 26, 28, 30 und ein Vergrössern der vom Führungsmeissel 18 erzeugten Führungsbohrung. Die Ver-* schränkung der Schneidrollen erzeugt senkrechte Kraftkomponenten zwischen der Bohrungswand und den Schneidrollen, was einen wenigstens teilweisen Eigenvorschub des Geräts bewirkt.

Der Körper 33 ist verjüngt, wo er die Zähne 32 aufnimmt, und weist daran in Ansenkungen 40 und 42 befestigte ringförmige obere und untere Schublager 44 und 46 und auf der inneren zylindrischen Fläche seiner Mittelbohrung 48 axial verteilte Radiallagereinsätze 50 und 52 auf. Das obere Lager 44 läuft auf einem vergrösserten oberen Teil 54 der Welle 34, der als einstückig mit der Welle verbundener Schubring wirkt. Das untere Schublager 46 lauft auf einem Schubring 55» der in die Ansenkung 42 des Schneidrollenkörpers eingesetzt und auf nicht dargestellte Weise mit der Welle verstiftet ist, um eine Drehung des Schubrings um die Welle zu verhindern, während eine gegenseitige axiale Bewegung zwischen dem Schubring und der Welle zugelassen wird.

Es sind Vorkehrungen getroffen zum Liefern von Spülfluid (z. B. Luft, klarem Wasser oder Schlamm usw.) zum Führungsmeissel 18 und zu den Schneidrollen 26, 28, 30, um das während des Bohrvorgangs entfernte Gestein wegzuspülen. Es sind auch Vorkehrungen getroffen zum Abdichten der Lager.

Wie in Fig. 8 gezeigt, weisen die oberen und unteren Teile 22 und 24 des Rahmens 10 zwischen den Stellen der drei Schneidrollenwellen 35 einen verminderten Durchmesser auf. Auf diese Weise werden Ausnehmungen gebildet, entlang denen durch den Bohrvor-

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gang erzeugtes Gesteinsbohrklein fliessen kann. Carbideinsätze 200 im Rahm en umfang an den Teilen 22 und 24 schützen den Rahmen gegen Verschleiss.

Erfindungsgemässe sind die Zähne 32 in den Körpern 33 der Schneidrollen verteilt, um (1) bei fortschreitendem Bohren die Bildung von Umfangsgrat zu verhindern, der von den nachfolgenden Zähnen erklommen werden muss und auf diese Weise die Selbstvorschubeigenschaft der Vorrichtung zunichte machen würde, und um (2) die Neigung der Zähne zu vermindern, die von den vorhergehenden Zähnen zurückgelassenen Spanräume zu durchlaufen und auf diese Weise ein "Zahnrad" mit Gratbildungen, die sich im allgemeinen in Richtung des Gesamtvorschubs des Geräts erstrekken, zu schneiden.

In Fig. 11 sind die Zähne auf Jedem Schneidrollenkörper in Umfangsreihen in numerierter Ordnung 'in einem Zyklus entlang der Gesamtvorschubachse 36 des Geräts angeordnet. In Jeder dieser Reihen bilden die Zähne einen Zahnbereich mit einer Breite W (in der Zeichnung z. B. für Rr₇ gezeigt) entlang der Oberfläche des Schneidrollenkörpers. Die Reihen G und a-c am oder in der Nähe der Enden der Schneidrolle sind nicht im geordneten Zyklus enthalten. Auf diese Reihen finden besondere," unten besprochene Bedingungen Anwendung.

Gemäss einem Merkmal der Erfindung befinden sich alle aneinandergrenzenden Bereiche R. und Rj,^ im geordneten Zyklus auf unterschiedlichen Schneidrollen und überdecken einander entlang der Achse 36. Als Ergebnis der Überdeckung überdecken sich in ähnlicher Weise die von den Zähnen aufeinanderfolgender Bereiche übriggelassenen Spanräume im Gestein entlang der senkrechten Achse der gerade gebohrten Bohrungen, was die Bildung von Umfangsgrat zwischen den Zahnbereichen verhindert.

Gemäss einem weiteren Merkmal der Erfindung weisen im Zyklus aufeinanderfolgende Bereiche R^ abwechselnd hohe und niedrige wirksame Zahndichten auf, um der Neigung der Zähne eines Bereichs entgegenzuwirken, die von den Zähnen des vorhergehenden Be-

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reichts übriggelassenen Zahnräume zu durchlaufen. Dies verhindert, das, Zahnradschneiden dadurch, dass die Zahne eines Bereichs Material zwischen den von den Zähnen des vorhergehenden Bereichs übriggelassenen Spanräumen entfernen. Da es unerwünscht ist, dass ein Bereich genau die doppelte Zähnezahl (oder irgendein anderes ganzes Vielfaches) wie ein angrenzender Bereich aufweist (ein Verhältnis mit einem ganzen Vielfachen würde nicht das Durchlaufen des Spanraums verhindern), und da es auch erwünscht ist, in den Bereichen mit niedriger Dichte möglichst viele Zähne zu haben, ist die bevorzugte Anordnung für angrenzende Bereiche mit hoher und niedriger Dichte mit den entsprechenden Zähnenzahlen N^- und Nj. die folgende:

< Nt,. Auf diese Weise kann ^-a/^ q< Ν« < Ng /* * oder auch N < N < N i

vorzugsweise N^ „<-< N_n < N^^ ₂c sein.

An den Ober- und Unterseiten der Schneidrollen ergeben die besonderen Erfordernisce oft ein Abweichen von der obigen Beziehung. So ist es z. B. an der Unterseite erforderlich, Zähne auf allen drei Schneidrollen in der gleichen Axialeinstellung zu haben, so dass alle in die Führungsbohrung geführt werden können, während an der Oberseite zur Verringerung des Verschleisses tatsächlich möglichst viele Zähne erwünscht sind, da der Verschleiss dieser Zähne eine Verminderung des Durchmessers des gebohrten Bohrlochs ergibt.

Somit weist jede Schneidrolle an zueinander passenden axialen Stellen eine untere Zahnreihe c^, Cp, c* und eine obere Reihe G^, G₂, G, auf. Die Zähne in den Reihen Gvj* sind Kalibrierzähne, die über der Kronenlinie 202 des Schneidrollenkörpers angeordnet sind, sind unwirksam, bis die unmittelbar über der Krone gelegenen Zähne verschleissen und wirken dann zum Aufrechterhalten des Bohrlochdurchmessers. Zum Ausgleich sind zusätzlich Extrazahnreihen a und b auf den Schneidrollen 30 bzw. 26 vorgesehen.

Es ist ersichtlich, dass innerhalb des von den Uberdeckungs- und Dichtebeziehungen der Erfindung geregelten Zyklus von Bereichen die Zähne eines gegebenen Bereichs nicht, wie dargestellt, in einer einzigen Umfangsreihe sein müssen, sondern bezüglich der

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Schneidrollenachse gestaffelt sein können.

Gemäss einem weiteren Merkmal der Erfindung sollte die Breite W (die sich entlang der Fläche 33A des Körpers 33 erstreckt) jedes Zahnbereichs beschränkt sein, um übermässige Rippenbildungen und sogar eine Wechselwirkung mit dem Schneidrollenkörper zu vermeiden. Fig. 10 zeigt schematisch mit gestrichelten Linien eine Schneidrolle in einer ersten Anfangsstellung und in ausgezogenen Linien in einer späteren Stellung nach mehreren Umdrehungen der Schneidrolle. Es ist zu sehen, dass, wenn eine Zahnreihe 32 zufällig ein Gesteinszahnrad herzustellen beginnt, eine beträchtliche Grathöhe EL gebildet werden kann, bevor die nächste Zahnreihe die Gelegenheit hat ^ den axialen Grat aufzubrechen. Da EL kleiner als die Zahnhöhe EU (das ist der Abstand, um den die Zähne vom Schneidrollenkörper abstehen) bleiben muss, und da das maximale EL, das sich in einer Zahnbreite W entwickeln kann, EL=W tangoc ist, wobei V die Breite der Zahnreihe und α der Winkel zwischen der Achse 36 und der kegelstumpfförmigen Umhüllung 300 der drei Schneidrollenkörper ist, ist ein kritisches Erfordernis

W = EU/tanga

Es wird in der Praxis bevorzugt, dass die Zahnbreite gut über diesem kritischen Wert liegt.

Bei der dargestellten Ausführungsform sind tanga = 0,2, EU = 6,13 mm, W = 15»32 mm. Die Zahndichte und Zahnpositionierung ist in der folgenden Tabelle dargestellt:

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Reihe

Abstand in nun der Zahnmittellinie unterhalb der Kronenlinie

R.
R
R
R

R
R
R
R

10
11
12

13
14

15

16

17
18

12,19 7,44

16,97 26,49 36,02 45,54 55,07 64,59 74,12 83,64

93,17 102,69 113,79 124,92 136.02 147.14 158,24

169,37 180,47

180,47 188,39 188,39 188,39

Zähnezahl	Winkelabstand	Winkellage
		des ersten
		Zahns
11	32°45'12"	0°
15	24°	0°
12	50°	0°
6	60°	15°
11	52°43'12"	16°21'56"
15	24°	12°
12	30°	0°
15	24°	9°
11	32°43'12"	21°
15	24°	• 5°
11	32°43'12"	0°
15	24°	30°
11	52°45'12"	12°
15	24°	21°
11	32°43'12"	6°16'48"^
15	24°	15°
8	45°'	21°
11	52°45'12"	22°58'24"
8	45°	18°
12	50°	28°50'
8	4-5°	0°
6	60°	25°50'
6	60°	45°50'
6	60°	15°5O'
8	45°	22°50'
6	60°	53°30«

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Claims

Patentansprüche

1. Bohrgerät mit mehreren Schneidrollen, die um entsprechende Schneidrollenachsen in einem Rahmen drehbar gelagert sind, der um eine Rahmenachse drehbar ist, wobei jede Schneidrolle einen Körper hat, der Zähne trägt, die im Betrieb eine schräg zur Vorschubachse des Bohrgeräts verlaufende Fläche überstreichen und in diese hineinschneiden, dadurch gekennzei chnet, dass jede Schneidrolle (26, 28, 30) mehrere ausgewählte Zahn-Bereiche (z. B. die Reihen R.) aufweist, die entlang der entsprechenden Schneidrollenachse (35) im Abstand verteilt sind, dass die Zahn-Bereiche der Schneidrollen (26, 28, 30) in einem entlang der Rahmenachse fortschreitenden geordneten Zyklus angeordnet sind, und dass sich in diesem Zyklus aneinandergrenezende Bereiche auf verschiedenen Schneidrollen (26, 28, 30) befinden und einander entlang der Rahmenachse (36) überdecken, wobei die im Zyklus geordneten Bereiche (R-) abwechselnd hohe (Ng) und niedrige (Ν*τ) wirksame Zahndichten haben, um der Neigung der Zähne (32) eines Bereichs entgegenzuwirken," die von den Zähnen (32) des vorgehenden Bereichs stehengelassenen Spanräume zu durchlaufen.

2. Bohrgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass drei Schneidrollen (26, 28, 30) vorgesehen sind, und dass der Zyklus von Schneidrolle zu Schneidrolle in der Weise fortschreitet, dass auf jeder Schneidrolle Bereiche hoher und niedriger Zahndichten entlang den entsprechenden Schneidrollenachsen (35) abwechseln.

3- Bohrgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Bereich aus einer einzigen Reihe von Zähnen (32) besteht, die am Umfang um die entsprechende Schneidrollenachse (35) herum angeordnet ist.

4·. Bohrgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erstreckung jedes Bereichs in der

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Richtung entlang der Fläche und in der Ebene der Achse der entsprechenden Schneidrolle (26, 28, 30) kleiner ist als die Zahnhöhe geteilt durch den Tangens des Winkels zwischen der Fläche und der Vorschubachse.

5· Bohrgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedes im Zyklus aneinandergrenzende Paar von Bereichen entsprechende Zähnenzahlen ^rr/o< *%< Ntt aufweist, wobei Ng die Zähnezahl im Bereich hoher wirksamer Dichte des Paars und N« die Zähnezahl im Bereich niedriger Dichte des Paars ist.

6. Bohrgerät nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, dass jedes

7. Bohrgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass jedes

8. Bohrgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneidrollenachsen (35) gegenüber der Rahmenachse (36) verschränkt und darum herum ~in gleichen Abständen verteilt sind.

9« Bohrgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneidrollenachsen (35) schräg stehen, um ein Verjüngen der gesamten Umhüllung der Bohrgeräts entlang den Schneidrollen (26, 28, 30) zu bewirken.

10. Bohrgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erstreckung jedes Bereichs in der Richtung entlang der Fläche kleiner ist als die Zahnhöhe geteilt durch den Tangens des Winkels zwischen der Fläche und der Vorschubachse.

11. Bohrgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rahmenachse (36) und die Vorschubachse zusammenfallen.

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