DE2162314B2

DE2162314B2 - Erdbohrmaschine

Info

Publication number: DE2162314B2
Application number: DE19712162314
Authority: DE
Inventors: Nobuhisa Yokohama Kanagawa Ikeda (Japan) E21b 19 10
Original assignee: Tone Boring Co Ltd , Tokio
Priority date: 1971-05-13
Filing date: 1971-12-15
Publication date: 1973-08-30
Also published as: IT945398B; DE2162314A1; GB1371932A; DE2162314C3; FR2137433B1; JPS5117201B1; FR2137433A1; US3770067A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Erdbohrmaschine mit einem motorischen Antrieb und mehreren Fräsern, die über eine die Geschwindigkeit umsetzende Getriebeanordnung derart antreibbar sind, daß ein Drehmomentausgleich der Erdbohrmaschine gegenüber einer äußeren Abstützung erreichbar ist, wobei der Antrieb an einem zentrischen Tragkörper befestigt ist, eine doppelte Hohlwellenanordnung drehbar um und koaxial zum zentrischen Tragkörper angeordnet ist, ein um den zentrischen Tragkörper drehbares und damit umlaufendes erstes Gehäuse mit einer der Hohlwellen verbunden ist und jeweils ein Fräser in dem ersten Gehäuse um seine eigene Achse drehbar angeordnet und mit der anderen der Hohlwellen antriebsübertragend verbunden ist.

Wie der nicht zum Stand der Technik gehörenden deutschen Offenlegungsschrift 2 157 282 zu entnehmen ist, wurde bereits eine Erdbohrmaschine vorgeschlagen, bei der über eine die Geschwindigkeit umsetzende Getriebeanordnung mehrere Fräser von mindestens einem Motor derart angetrieben werden, daß die Fräser jeweils in einer ersten Drehrichtung sich um ihre eigenen Drehachsen drehen, während das die Fräser lagernde Gehäuse in der jeweils anderen Drehrichtung um die zentrale Achse der Erdbohrmaschine gedreht wird. Bei der bekannten Erdbohrmaschine wird dieses dadurch erreicht, daß eine mit einem Umfangszahnrad versehene und um eine feststehende erste Hohlachse drehbar angeordnete Hohlwelle von der Abtriebswelle des Motors angetrieben wird. Diese Hohlwelle hat dabei ein zweites Umfangszahnrad, das als Sonnenrad mit mehreren Planetenrädern kämmt, die ihrerseits in Form einer Untersetzungsgetriebeanordnung jeweils mit zwei Innenverzahnungen im Eingriff stehen, wobei die eine Innenverzahnung dem die Fräser lagernden Gehäuse zugeordnet ist, d. h. also, dieses Gehäuse in der jeweils gewünschten Drehrichtung durch das Planetenrad angetrieben wird. Die zweite Innenverzahnung ist dagegen mit einem weiteren konzentrisch um die genannte Hohlwelle angeordneten Gehäuseteil verbunden, das wiederum eine Außenverzahnung hat, die mit einem auf der Antriebswelle der Fräser sitzenden Zahnrad kämmt. Dadurch werden die Fräser in umgekehrter Drehrichtung zu der des die Fräser lagernden Gehäuses angetrieben. Durch diese Getriebeanordnung ist bei der Erdbohrmaschine ein gewisser Drehmomentausgleich möglich, da sich das die Fräser lagernde Gehäuse in umgekehrter Richtung dreht wie die Fräser selbst. Andererseits ist jedoch dieser Drehmomentausgleich hinsichtlich der jeweiligen Größen von der Antriebsseite aus festgelegt, so daß ein z. B. von der Festigkeit des mit den Fräsern anzugreifenden Erdreichs abhängiges Gegendrehmoment nicht vollständig, sondern lediglich nur annäherungsweise auszugleichen ist.

Bei einer aus der deutschen Auslegeschrift 1 098 472 bekannten Erdbohrmaschine sind zwei konzentrisch zueinander angeordnete und sowohl mit Schneidwerkzeugen als auch Kernbrechwalzen versehene Fräsanordnungen vorgesehen, die sich mit entgegengesetztem Drehsinn zueinander drehen. Dabei wird eine mit einer Innenscheibe verbundene Fräsanordnung über ein mit der Innenscheibe verbundenes erstes Zahnrad von zwei Ritzeln in einer ersten Drehrichtung angetrieben. Die beiden Ritzel sind auf in einem Maschinenrahmen drehbar gelagerten Wellen aufgekeilt, die ihrerseits wieder von einem Motor angetrieben sind. Die gleichen Ritzel befinden sich gleichzeitig mit einem äußeren Zahnkranz im Eingriff, der fest mit der äußeren Fräsanordnung verbunden ist. Durch den gleichzeitigen Eingriff der beiden Ritzel sowohl in das Innenzahnrad als auch den äußeren Zahnkranz wird zwangläufig eine jeweils entgegengesetzte Drehung der beiden Fräsanordnungen erreicht. Der Maschinenrahmen wird mit Hilfe eines Gleitschuhs und hydraulischen Druckzylindern an den Wandungen des Bohrloches oder des Stollens abgestützt. Durch den gegenläufigen Antrieb der beiden Fräsanordnungen zueinander wird ein Drehmomentausgleich der auf den Maschinenrahmen von den Fräsanordnungen ausgeübten Reaktionsmomente erreicht. Da die innere und äußere Fräsanordnung jedoch von den fest in dem Maschinenrahmen gelagerten Ritzeln

gleichmäßig angetrieben werden, ist kein lastabhängiger Drehmomentausgleich zwischen beiden Fräsanordnungen gewährleistet, so daß das auf den Maschinenrahmen trotzdem wirkende Reaktionsdrehmoment um so größer ist, je unterschiedlicher die auf die innere und äußere Fräsanordnung wirkenden Belastungen sind. So ist zwar mit dieser bekannten Vorrichtung zweifellos ein gewisser Drehmomentausgleich möglich, der eine Entlastung der den Maschinenrahmen gegenüber den Stollenwänden haltenden Abstützung bewirkt. Ein annähernd vollständiger und von der auf die Schneidwerkzeuge jeweils wirkenden Belastung abhängiger Drehmomentausgleich, wie er z. B. bei vollständig frei an einer Kette oder einem Seil in ein Bohrloch hineinhängenden Bohrköpfen erforderlich ist, ist mit dieser bekannten Anordnung jedoch nicht herbeizuführen.

Aus der deutschen Auslegeschrift 1 063 552 ist ein Antriebsgetriebe für auf kreisbogenförmigen Bahnen arbeitende Schneidwerkzeuge von Streckenvortriebsmaschinen bekannt, bei denen mit Hilfe einer Getriebeübertragung die Schneidwerkzeuge sowohl um ihre eigene Achse als auch gemeinsam um eine zentrale Achse umlaufen. Zu diesem Zweck treibt ein auf einer Grundplatte angeordneter Motor ein erstes Zahnrad an, das gleichzeitig in den Zahnkranz eines drehbaren Gehäuses und in ein Doppelzahnrad eingreift, die beide konzentrisch auf einer feststehenden und mit der Grundplatte verbundenen Welle gelagert sind. Die zweite Verzahnung des genannten Doppelzahnrades wirkt mit zwei weiteren Zahnrädern zusammen, die fest mit Fräsern verbunden sind, wobei die Wellen dieser Fräser drehbar in dem drehbaren Gehäuse gelagert sind. Infolge dieser Getriebeanordnung führt das drehbare Gehäuse zusammen mit den Fräsern eine Umlaufbewegung um die feststehende Welle der Grundplatte in einer ersten Drehrichtung aus, während die Fräser um ihre eigenen Achsen eine weitere Drehbewegung in der jeweils gleichen Drehrichtung wie das drehbare Gehäuse ausführen. Da also bei dieser bekannten Anordnung sowohl das umlaufende Gehäuse um die zentrale Achse als auch die Fräser um ihre eigenen Achsen sich jeweils in der gleichen Richtung drehen, ist kein Drehmomentausgleich gegenüber der Grundplatte möglich.

Aus der deutschen Auslegeschrift 1 002 775 ist eine weitere Maschine zum Auffahren unterirdischer Strekken nach Art eines Schildvortriebes bekannt. Bei dieser bekannten Vorrichtung sind die einzelnen Fräser zusammen mit ihnen jeweils individuell zugeordneten Antrieben an einem Drehschild befestigt, der seinerseits von einem gesonderten Antrieb angetrieben wird. Je nach der Belastung der Fräser durch das von ihnen zu durchdringende Erdreich wird auf den Drehschild ein Reaktionsmoment ausgeübt, das in Drehrichtung des Drehschildes als Mitdrehmoment wirkt. Um ein Durchgehen des Drehschildes zu verhindern, sind mit dem Drehschild verbundene Bremsmesser vorgesehen, die ein Bremsmoment auf den Drehschild ausüben. Zur Unterstützung dieses Bremsmomentes, insbesondere vor dem vollen Wirksamwerden der Bremsmesser, ist der Antrieb für den Drehschild selbsthemmend ausgeführt, um so ein gewisses Gegendrehmoment zu dem auf den Drehschild wirkenden Mitdrehmoment auszuüben. Die bekannte Anordnung ist mit Hilfe von Raupenketten auf dem Stollenboden geführt und abgestützt, so daß der durch das Entgegendrehen des Drehschildes gegen die Drehrichtung der Fräswerkzeuge bewirkte Drehmomentausgleich lediglich zu einer gewissen Entlastung der den Maschinenrahmen und den Drehschild im Stollen haltenden Raupenketten führt.

Aus der USA.-Patentschrift 3 215 214 ist es schließlich in Verbindung mit Bohrmaschinen bekannt, den einzelnen Bohrwerkzeugen über geeignete Kanäle Spülflüssigkeit zuzuführen, die die Bohrwerkzeuge sauberhält und außerdem zu einer gewissen Aufweichung des zu durchdringenden Erdreichs führt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine neue Erdbohrmaschine der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der ein optimaler Drehmomentausgleich gegenüber einer äußeren Abstützung der Erdbohrmaschine zu erreichen ist, so daß eine solche Erdbohrmaschine z. B. bei einer Anwendung unter Wasser als einheitlicher Bohrkopf nur an einer Kette oder einem Seil hängend in ein Bohrloch abgesenkt werden kann, ohne daß irgendwelche Reaktionsdrehmomente auf die Kette oder das Seil bzw. mit dem Bohrkopf verbundene Versorgungsleitungen ausgeübt werden.

Bei einer Erdbohrmaschine der genannten Art ist diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Drehmomentrichtungen der beiden Hohlwellen einander entgegengesetzt, ihre Drehmomente jedoch einander im wesentlichen gleich sind und ein sich konzentrisch um die Antriebswelle der Getriebeanordnung drehendes zweites Gehäuse vorgesehen ist. Durch diese besondere Ausbildung der die vom Motor abgegebenen Drehmomente aufteilenden und umsetzenden Getriebeteile auf zwei gegenüber dem zentrischen Tragkörper drehbare Hohlwellen wird erreicht, daß das auf den Fräser ausgeübte Drehmoment je nach der auf den Fräser von außen einwirkenden Belastung immer ein genau entsprechendes Gegendrehmoment erzeugt, das dem umlaufenden Gehäuse, in dem die Fräser um ihre eigene Achse drehbar gelagert sind, in der jeweils anderen Drehrichtung erteilt wird. Allein durch diese Getriebeanordnung wird ein annähernd exakter und lediglich durch vernachlässigbare kleine Getriebelagerkräfte verfälschter Drehmomentausgleich erzielt, wodurch selbst ein lediglich an einem Seil oder einer Kette hängender und als komplette Einheit ausgeführter Bohrkopf keinerlei Drehung um seine zentrische Achse infolge eines Reaktionsdrehmomentes ausführen kann. Die erfindungsgemäße Erdbohrmaschine kann daher ohne jegliche Abstützung gegenüber den Seitenwänden des Bohrloches betrieben werden. Gerade dieser mit den bekannten vergleichbaren Einrichtungen nicht erzielbare vollständige Drehmomentausgleich, der unabhängig von unterschiedlichen äußeren Belastungen der Fräser ist, wird gegenüber dem nachgewiesenen Stand der Technik ein erheblicher technischer Fortschritt erzielt.

Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Im einzelnen zeigt

F i g. 1 eine schematische Ansicht, teilweise im Vertikalschnitt, der allgemeinen Anordnung einer Bohranlage mit einer erfindungsgemäßen Erdbohrmaschine,

F i g. 2 eine Vertikalschnittansicht der Erdbohrmaschine gemäß F i g. 1,

F i g. 3 einen Horizontalschnitt längs der Linie A-A in F i g. 2 mit einer Fräser-Anordnung,

5 6

F i g. 4 bis 6 Schnittansichten ähnlich F i g. 3 mit Führung 14 umgeben sein, die ein Bohren längs einer

anderen Anordnungen von Fräsern, geraden Linie gewährleistet.

F i g. 7 eine schematische Seitenansicht einer an- Nachstehend wird an Hand der F i g. 2 die in

deren Ausführungsform der Erfindung mit Anordnung F i g. 1 dargestellte Erdbohrmaschine 1 ausführlicher

der Fräser auf einer vorwärts geneigten Spindel, wobei 5 erläutert. Diese dient zum Bohren unter Wasser und

ein Teil der Maschine zur Darstellung der Innenteile ist zu diesem Zweck mit einem in sich geschlossenen

im Schnitt gezeigt ist, Antrieb in Form eines Tauch-Elektromotors versehen.

F i g. 8 einen Schnitt längs der Linie VIII-VIII in Die erfindungsgemäße Maschine 1 besitzt einen

F i g. 7, Tragkörper 100 mit einem zentralen Glied 110, an dem

F i g. 9 eine Teilschnittansicht einer Flüssigkeits- io ein Getriebegehäuse 130 befestigt ist. Letzteres trägt druckausgleichseinrichtung, die eine Membran auf- Tauch-Elektromotoren 120. In der dargestellten Anweist, Ordnung besteht das zentrale Glied 110 aus einem

F i g. 10 eine Teilschnittansicht einer Flüssigkeits- doppelwandigen Rohr mit einem Innenmantel 111

druckausgleichseinrichtung, die mit einem Kolben und einem Außenmantel 112. Der Innenmantel 111 ist

versehen ist, und 15 mit dem Wasserabzugsschlauch 5 und der Außen-

F i g. 11 eine schematische Ansicht mit wegge- mantel 112 mit dem Wasserzuführungsschlauch 4 verbrochenen Teilen eines gemäß der Erfindung vorge- bunden. Die unter Druck durch den Wasserzufühsehenen Schwimmers. rungsschlauch 4 zugeführte Spülung strömt in dem

In F i g. 1 ist mit 1 eine erfindungsgemäße Erd- zwischen Innenmantel 111 und Außenmantel 112 gebohrmaschine bezeichnet. Diese Maschine ist mit 20 bildeten Rohr und wird von Düsen 141 abgegeben. Motoren versehen. Aus der nachstehenden Dreh- Der Innenmantel ist zwischen seinen Enden mit dem momentanalyse geht hervor, daß der Tragkörper der vorstehend angeführten Luftzuführungsschlauch 6 verMaschine im wesentlichen nicht torsionsbelastet und bunden und wird von diesem zum Abziehen des daher zum Unterschied von üblichen Erdbohrvorrich- Schlammes durch den Wasserabzugsschlauch 5 mit tungen kein Bohrgestänge hoher Steifigkeit erforderlich 25 Druckluft gespeist.

ist. Man kann daher die Maschine 1 an einem dünn- In der vorstehend beschriebenen Anordnung, in der

wandigen Rohr oder gemäß F i g. 1 an einer Kette 2 das zentrale Glied 110 aus einem doppelwandigen

aufhängen. Rohr mit dem Innenmantel 111 und dem Außen-

Wenn ein Erdloch H unter Wasser gebohrt werden mantel 112 besteht, wird die von über Tage kommende,

soll, kann man als Antriebseinrichtungen Tauch- 30 unter Druck stehende Spülung direkt dem Grund des

Elektromotoren oder hydraulische Tauchmotoren ver- von den Fräsern gebohrten Bohrlochs zugeführt. Die

wenden. In der dargestellten Ausführungsform sind Spülung nimmt dann den beim Bohren anfallenden

Elektromotoren vorgesehen, denen über Kabel 3 Schlamm durch den Innenmantel 111 hindurch mit,

Strom zugeführt wird. Entsprechend der Zunahme der so daß der Schlamm aus dem Bohrloch ausgebracht

Tiefe des Bohrloches H werden die Kabel 3 konti- 35 wird. In der erfindungsgemäßen Maschine wird die

nuierlich von einer Kabeltrommel 9 abgezogen. Bei Spülung somit umgewälzt.

Verwendung von hydraulischen Motoren werden an Die Tauchmotoren 120 sind an dem zentralen Glied

Stelle der Kabel 3 Ölschläuche und eine hydraulische 110 befestigt, das aus dem doppelwandigen Rohr be-

Pumpeinrichtung verwendet. steht. Im Ausführungsbeispiel werden zwei Motoren

Unter Druck stehende Spülung wird durch einen 4° 120 verwendet, doch ist die Erfindung nicht auf eine Schlauch 4 zugeführt und am unteren Ende der Bohr- bestimmte Anzahl von Motoren eingeschränkt. Wie maschine 1 abgegeben. Diese Spülung hält die Schnei- vorstehend erwähnt, ist eine doppelte Hohlwellenden der Fräser sauber und verhindert ein Anhaften anordnung koaxial um das zentrale Glied angeordnet, von Schlamm an den Schneiden. Schlamm und Kies Bei einer Ausführungsform ist eine Hohlwelle 151 zur werden durch einen Abzugsschlauch 5 abgezogen, 45 Drehung des umlaufenden Gehäuses 140 vorgesehen, beispielsweise mittels einer Kreiselpumpe. Es ist jedoch während die andere Hohlwelle 150 als Übertragungsüblich, mittels eines Luftzuführungsschlauches 6 Luft- glied für das Antriebsdrehmoment für den Fräser 160 blasen in die Abzugsleitung einzuleiten, so daß eine vorgesehen ist.

Förderung mit Hilfe von Druckluft erfolgt, die von Jeder Motor 120 besitzt eine Antriebswelle, auf der einem Kompressor 13 erzeugt wird. Die schlamm- 50 ein Sonnenrad 1-1 befestigt ist. Mit dem Sonnenrad 1-1 haltige Spülung wird durch ein Schlammsieb 11 und kämmen mehrere Planetenräder 1-2, die zusammen mit einen Zyklon 12 zu einer Wasserumwälzpumpe 10 dem Sonnenrad 1-1 die erste Stufe eines Planetenzurückgeführt, getriebes bilden. Mit den Planetenrädern 1-2 ist je ein

Über Tage kann ein Bohrturm 7 vorgesehen sein, Planetenrad II-l verbunden. Mit den Planetenrädern für den eine einfachere und leichtere Konstruktion 55 II-l kämmt ein mit dem Sonnenrad 1-1 koaxiales genügt als bei üblichen Vorrichtungen. Wie nach- Sonnenrad II-2, das zusammen mit den Planetenstehend ausführlicher erläutert wird, kann man über rädern II-l die zweite Stufe des Planetengetriebes Tage eine Antriebseinrichtung und ein Getriebe zum bildet.

Drehen eines Bohrgestänges vorsehen. Daher läßt sich Die Planetenräder 1-2 und II-l werden von einem die Maschine 1 an einer geeigneten Hebeeinrichtung 60 Gehäuse 131 getragen, das gegenüber dem Getriebeaufhängen, z. B. an der gezeichneten Kette 2. In einer gehäuse 130 drehbar und an dem ein mit ihm koderartigen Anordnung braucht der Bohrturm 7 nur axiales Zahnrad III-l befestigt ist, das mit einem Zahneinen elektrisch angetriebenen Kettenzug 8 oder eine rad III-2 kämmt, welches an einem gegenüber dem Kopfrolle für eine Hebeeinrichtung zu tragen. Ferner Tragkörper drehbaren Gehäuse 140 befestigt ist. Die kann man im Rahmen der Erfindung die Spülung 65 Zahnräder III-l und III-2 bilden die dritte Stufe eines durch die Schläuche 4 und 5 umwälzen, so daß Untersetzungsgetriebes.

Wasserleitungen mit Drehgelenken nicht erforderlich An einem Gehäuse 140 sind mehrere Fräser 160 an

sind. Gegebenenfalls kann die Maschine 1 von einer solchen Stellen montiert, daß sie einander auswuchten.

An dem Sonnenrad II-2 der zweiten Stufe des Planetengetriebes ist ein Zahnrad IV-I befestigt, das ein Zahnrad IV-2 antreibt, welches an einem Übertragungsglied 150 befestigt ist. Die Zahnräder IV-I und IV-2 bilden eine vierte Stufe des Untersetzungsgetriebes. Das Übertragungsglied 150 ist gegenüber dem Gehäuse 140 drehbar.

Unter dem Übertragungsglied 150 ist ein Zahnrad V-I vorgesehen, das Zahnräder V-2 antreibt, die an je einer Spindel für die Fräser 160 befestigt sind. Die Zahnräder V-I und V-2 bilden eine fünfte Getriebestufe. In der dargestellten Ausführungsform hat das doppelwandige Rohr 110 einen angesichts des Durchmessers des Bohrloches H relativ großen Durchmesser. Dementsprechend hat das Zahnrad V-I einen beträchtlichen Durchmesser, so daß die fünfte Getriebestufe eine Übersetzung ins Schnelle bewirkt.

An der unteren Fläche des Gehäuses 140 kann zentral ein Kernbrecher 142 vorgesehen sein, der in das ungebrochene Erdreich einschneidet, das von den am Umfang angeordneten Fräsern 160 nicht gebrochen wird. In der Nähe der unteren Fläche des Gehäuses 140 sind Wasserabgabedüsen 141 montiert. Zwischen dem Tragkörper 100 und dem Gehäuse 140 kann eine geeignete Dichtungsanordnung vorgesehen sein.

Im folgenden wird die Wirkungsweise der vorstehend beschriebenen Erdbohrmaschine erläutert. Wenn jeder der Motoren 120 (in Draufsicht gesehen) im Uhrzeigersinn läuft, was durch Pfeil C angedeutet ist, wird die Drehung über die Zahnräder 1-1, 1-2, III-l und II-2 auf das Zahnrad IV-I übertragen, so daß dieses in derselben Richtung gedreht wird. Durch das mit dem Zahnrad IV-I kämmende Zahnrad IV-2 wird dann das Übertragungsglied 150 im Gegensinn des Uhrzeigers gedreht. Die Drehung der Motoren 120 wird somit über die erste, zweite und vierte Stufe des Untersetzungsgetriebes übertragen.

Das am unteren Teil des Übertragungsgliedes 150 angeordnete Zahnrad V-I wird dadurch gedreht und treibt die Zahnräder V-2 an, die auf den Spindeln für die Fräser 160 befestigt sind. Die fünfte Getriebestufe dient zum Drehen der Fräser 160 mit einer etwas höheren Drehzahl im Uhrzeigersinn, wie durch Pfeil 3 in F i g. 3 angedeutet ist.

Da der die Planetenräder der ersten und zweiten Getriebestufe tragende Steg 131 durch die dritte Getriebestufe mit dem drehbaren Gehäuse 140 verbunden ist, läuft dieses infolge des durch die Drehung der Fräser 160 erzeugten Gegendrehmoments im Gegensinn des Uhrzeigers um (PfeilQ in Fig. 3). Beim Drehen des Gehäuses 140 im Gegenzeigersinn (Pfeil Q) wird über die dritte Getriebestufe der Steg 131 im Uhrzeigersinn gedreht. Daher kann das zum Abstützen des Tragkörpers 100 erforderliche Drehmoment ausgeglichen werden, wie nachstehend ausführlich erläutert wird.

Läuft die Abtriebswelle jedes Motors 120 im Uhrzeigersinn (Pfeil C), so dreht sich daher jeder Fräser 160 um seine eigene Achse (Pfeil P in F i g. 3), während er gleichzeitig im Gegensinn des Uhrzeigers

T=Tin+Tv' = -(1-R₁ ■ Ru) (Pfeil Q) um die Achse der Maschine oder des Bohrloches umläuft.

Die im Betrieb der erfindungsgemäßen Erdbohrmaschine 1 auftretenden Drehmomente lassen sich wie folgt analysieren: Wenn man das Abtriebsmoment des Motors mit Tm und das Untersetzungsverhältnis der ersten und zweiten Stufe des Planetengetriebes mit Ri bzw. Ru bezeichnet, kann man das auf das Zahnrad II-2 übertragene Drehmoment Th durch folgende Gleichung angeben:

7h = Ri ■ Ru · Tm (1)

Das an dem Steg 131 auftretende Drehmoment Tc ist durch folgende Beziehung gegeben:

T-C = (I-Ai-An)-T⁷I, (2)

Weil das am Steg 131 befestigte Zahnrad III-l mit

dem Zahnrad III-2 kämmt, das an dem drehbaren Gehäuse 140 angebracht ist, ergibt sich das auf das Zahnrad III-2 wirkende Gegendrehmoment Tm gemäß folgender Gleichung:

Tm = -Rm ■ Tc = -(1--Ri · Ru) · Rm. · T_u (3)

Dabei bezeichnet J?ni das Untersetzungsverhältnis der dritten Getriebestufe.

Das von dem Zahnrad II-2 über das Zahnrad IV-I

auf das Zahnrad JV-2 übertragene Drehmoment 7Ίν, welches über das Übertragungsglied 150 auf das daran befestigte Zahnrad V-I übertragen wird, ist durch folgende Beziehung bestimmt:

-i?iv · Th = -R₁ ■ Ru ■ Riv · T_M (4)

Dabei ist Rjy das Untersetzungsverhältnis der vierten Getriebestufe.

Das über das Zahnrad V-I und das mit ihm kämmende Zahnrad V-I auf jeden Fräser 160 übertragene Rotations-Drehmoment TV ist gegeben durch die Beziehung:

TV = -7iv · ^- =

R_1V · T_M

Dabei ist r_t der Teilkreisradius des Zahnrades V-I und r₂ der Teilkreisradius des Zahnrades V-2.

Die auf das Zahnrad V-2 wirkende Kraft F ist daher durch folgende Gleichung bestimmt:

' = — = -Ri · -Rii · Riv · T_M

Damit kann das auf die Mittelachse der Maschine bezogene Umlauf-Drehmoment TV', das durch die auf den Fräser 160 wirkende Kraft F erzeugt wird, durch folgende Gleichung angegeben werden:

Tv' =

= -Ri -Ru-Riv

Das auf den Fräser 160 wirkende Gesamt-Umlaufdrehmoment Vergibt sich mithin gemäß der Beziehung:

Tm-Ri · Rn ■ Riv · T_M · 1 +

Die Bedingung für die drehmomentfreie Anordnung 65 Damit sie erfüllt ist, muß gemäß den Gleichungen (5) des Fräsers lautet: und (8) folgende Beziehung gegeben sein:

T=Tv

(-Ri · -Rn-I) · .Rhi = Ri · Rn. · Riv (10)

309 535/106

1 162 314

ίο

Dann erhält man

(11)

Wenn daher die Getriebeanordnung so ausgebildet ist, daß sie der Beziehung (10) entspricht, wird auch die Bedingung (9) erfüllt. In diesem Fall ist das auf jeden Fräser 160 wirkende, auf seine Achse bezogene Rotations-Drehmoment Tv gleich dem Umlauf-Drehmoment T. Weil die Rotation des Fräsers um seine eigene Achse gegensinnig zu seinem Umlauf erfolgt, wird also das auf den Fräser 160 wirkende Rotations-Drehmoment Tv durch das Umlauf-Drehmoment T vollständig ausgeglichen.

Die vorstehende Drehmomentanalyse für nur einen der Fräser 160 kann auf alle Fräser angewendet werden. Die Bedingung (9) wird stets erfüllt, wenn den Beziehungen (10) und (11) genügt wird.

Erfindungsgemäß ist die Anordnung so getroffen, daß das auf die Fräser 160 wirkende Gesamt-Rotations-Drehmoment Σ Tv und das den Umlauf der Fräser 160 bewirkende Gesamt-Drehmoment Σ Τ gegengleich sind, so daß sie einander ausgleichen bzw. aufheben. Bei einem sich von dem in der Zeichnung gezeigten Ausführungsbeispiel unterscheidenden Ausführungsbeispiel ergibt sich sofort aus der Gleichung (11), daß diese auch durch eine Verbindung des Zahnrades III-2 mit dem Zahnrad V-I zum Antrieb des Fräsers 160 über das Übertragungsglied der doppelten Hohlwellenanordnung 150,151 und durch eine direkte Verbindung des Zahnrades IV-2 mit dem umlaufenden Gehäuse 140 erfüllt werden kann.

In der vorstehenden Analyse wurden der Wirkungsgrad der Getriebeanordnung, der Reibungswiderstand der Dichtungsanordnung und andere, weniger wichtige Einflüsse nicht berücksichtigt. Die Berücksichtigung dieser Einflüsse ermöglicht eine genauere Auslegung.

Erfindungsgemäß kann jedenfalls das auf den Tragkörper 100 der Erdbohrmaschine 1 wirkende Gegendrehmoment vollständig ausgeglichen oder zumindest so weit vermindert werden, daß es sich auf die Aufhängeeinrichtung der Maschine nicht auswirkt. Man kann daher den Tragkörper 100 der Maschine an einer Kette 2, einem Drahtseil od. dgl. aufhängen, ohne daß eine Gefahr des Verdrehens oder Verschlingens der Kette 2 bzw. des Drahtseiles mit dem Kabel 3 und den Schläuchen 4 bis 6 bestünde.

Im Rahmen der Erfindung werden noch folgende weitere Vorteile erzielt: Im Betrieb eines Lagers darf der DN-Wert, der gleich dem Produkt aus dem Durchmesser in mm und der Drehzahl in U/min ist, einen zulässigen Höchstwert nicht überschreiten, der bei einem üblichen Nadelrollenlager etwa 200 000 beträgt.

Das zentrale Übertragungsglied hat dagegen eine niedrigere Drehzahl, weil es direkt mit dem drehbaren Gehäuse 140 verbunden ist. Man kann daher auch ein Lager großen Durchmessers aus einem üblichen Lagerwerkstoff herstellen. Dies gestattet es, in der Mittelachse der Erdbohrmaschine 1 ein durchmessergroßes Abzugsrohr vorzusehen, z. B. den Mantel 111, was einen starken Rückfluß gewährleistet, so daß auch relativ grober Kies abgesaugt werden kann.

Dank der vorstehend beschriebenen, erfindungsgemäßen Anordnung zum Übertragen von Drehmomenten hat der Betrag des Abtriebdrehmoments keinen wesentlichen Einfluß auf die die Maschine tragende Einrichtung. Infolgedessen kann man einen Motor verwenden, der eine niedrige Drehzahl und ein hohes Drehmoment hat, und hierdurch die Kraftübertragungseinrichtung vereinfachen, weil kein kompliziertes Untersetzungsgetriebe erforderlich ist. Die Tatsache, daß schnellaufende Teile in der Maschine entfallen, führt daher zu bedeutenden Vorteilen in der Konstruktion und in der Anwendung.

Aus der vorstehenden Beschreibung geht hervor, daß die erfindungsgemäße Maschine besonders gut zum Bohren eines durchmessergroßen Loches in einer Erdformation geeignet ist, die Kies oder große Steine

ίο enthält, weil für einen starken Rückfluß in einem durchmessergroßen Wasserabzugskanal in der Mittellinie der Maschine gesorgt ist.

F i g. 3 zeigt ein Beispiel der Anordnung der Fräser 160 in der Maschine gemäß F i g. 2. Jeder Fräser 160 rotiert um seine eigene Achse und läuft gleichzeitig in entgegengesetzter Richtung um die Achse der Maschine 1 um. Infolgedessen bewegt sich jede Schneide jedes Fräsers 160 längs einer trochoidenförmigen Bahn, wodurch die Leistung der Maschine verbessert wird.

F i g. 4 bis 6 zeigen in Darstellungen ähnlich F i g. 3 in Draufsicht andere Möglichkeiten der Anordnung mehrerer Fräser. So sind gemäß F i g. 4 drei durchmessergleiche Fräser 160 auf einem mit der Maschine koaxialen Kreis gleichmäßig verteilt. In F i g. 5 sind zwei durchmessergroße Fräser 160 und zwei durchmesserkleine Fräser 161 im Wechsel angeordnet. Dabei kann man die durchmessergroßen Fräser 160 ziemlich nahe beieinander anordnen, wodurch die Bildung eines in der Mitte des Bohrlochgrundes stehenbleibenden Kerns praktisch verhindert wird. Gemäß F i g. 6 sind vier Fräser 160 ungleichmäßig um den Umfang verteilt, aber an solchen Stellen angeordnet, daß sie einander auswuchten.

Bei Verwendung der erfindungsgemäßen Maschine zum Erdbohren unter Wasser wird unter Druck stehende Spülung von den Düsen 141 zu jedem Fräser 160, vorzugsweise zu dessen vorlaufender Seite hin, abgegeben. Da sich die Relativstellung zwischen jeder Wasserabgabedüse 141 und jedem Fräser nicht ändert, kann man die auf der vorlaufenden Seite befindlichen Schneiden jedes Fräsers 160 kontinuierlich reinigen und auf diese Weise scharfhalten. Dies ist besonders günstig, weil die Schneiden auf der vorlaufenden Seite jedes Fräsers einen beträchtlichen — wenn nicht den hauptsächlichen — Teil der mechanischen Bohrarbeit leisten.

Man kann ferner einen an seinem Außenumfang mit Schneiden versehenen Fräser 160 mit vorwärts geneigter Achse verwenden, wodurch die Schneidleistung des Fräsers weiter verbessert wird. Ein Beispiel einer derartigen Anordnung sei nun an Hand von F i g. 7 und 8 beschrieben.

Gemäß F i g. 7 ist ein an seinem Außenumfang mit Schneiden versehener Fräser 160 auf einer Spindel angeordnet, deren Längsachse S unter einem Winkel Θ vorwärts bzw. in der Umlaufrichtung geneigt ist. Bei dieser Anordnung berühren die Schneiden auf der vorlaufenden Seite stets den Grund des Bohrloches H, während sich die Schneiden auf der nachlaufenden Seite im Abstand von dem Grund des Bohrloches befinden. Dies ist durch den Zwischenraum G angedeutet. Die Schneiden des Fräsers 160 greifen daher intermittierend in die Bohrlochsohle ein.

Man erkennt aus der Zeichnung, daß die Schneiden einen großen bzw. den größten Teil ihrer Arbeit auf der vorlaufenden Seite des Fräsers 160 leisten. In einer üblichen Anordnung, in welcher der Fräser auf einer vertikalen Spindel angeordnet ist, so daß sich die

Schneiden in horizontaler Ebene befinden, stehen die Schneiden auf der nachlaufenden Seite des Fräsers daher mit dem Bohrloch nur in schleifender Berührung, wodurch Leistung vergeudet wird. Daher ist die übliche Anordnung hinsichtlich der Abnutzung der Schneiden ungünstig. Dieser Nachteil wird durch die Erfindung vermieden.

Zwar ist an sich bekannt, daß in z. B. einer Fräsmaschine die Zerspanungsleistung beträchtlich verbessert werden kann, wenn die Werkzeugachse etwas geneigt ist. In einer Fräsmaschine führt eine derartige Neigung jedoch zur Bildung einer konkaven Fläche, so daß diese Neigung nur beim Schruppen zulässig ist. Dagegen ist beim Erdbohren auch ein konkaver Bohrlochgrund zulässig, d. h., diese konkave Ausformung ist hier nicht nachteilig.

Wie aus der vorstehenden Beschreibung hervorgeht, führt die Anordnung jedes Fräsers auf einer vorwärts geneigten Spindel zwar zu den genannten Vorteilen, aber auch zu einem weiteren technischen Problem, weil es schwierig ist, ein großes Drehmoment zwischen nichtparallelen Wellen zu übertragen.

Zur Drehmoment- bzw. Kraftübertragung zwischen gegeneinander versetzten Wellen ist es üblich, ein Schneckengetriebe zu verwenden, das jedoch eine Kraftübertragung nur durch Punktberührung ermöglicht, so daß es zwar zur Übertragung einer Bewegung verwendet, aber nicht stark belastet werden kann. In der erfindungsgemäßen Maschine kann ein Schneckengetriebe nicht verwendet werden, weil es sich zu schnell abnützen würde, besonders wenn die Maschine stark belastet ist.

Dieses technische Problem wird nach der Erfindung überraschend einfach durch die gezeichnete Anordnung gelöst. Gemäß F i g. 7 und 8 ist das mit dem Zahnrad V-I kämmende Zahnrad V-2 mit einer Innenkeilverzahnung V-3 versehen, die in eine Außenkeilverzahnung V-4 eingreift. Erfindungsgemäß ist zum Unterschied von einer üblichen Keilzahnverbindung ein Abstand zwischen den Keilverzahnungen V-3 und V-4 vorhanden (F ig. 8). Infolge dieses Abstandes kann die Achse 5 der Spindel gegenüber der Vertikalen unter einem kleinen Winkel Θ angeordnet werden. In Versuchen wurde festgestellt, daß diese Keilzahnverbindung praktisch gut brauchbar ist. Der Neigungswinkel© kann weniger als 5° betragen; er beträgt gewöhnlich 2 bis 3°.

In der erfindungsgemäßen Erdbohrmaschine kann jedes der dicht verschlossenen Gehäuse 130 und 140 mit Schmieröl gefüllt sein, mit dem die Kraftübertragungselemente und die Lager geschmiert werden. Wenn die schmiermittelgefüllte Maschine zum Bohren unter Wasser verwendet wird, z. B. in einem mit Wasser oder einer Bentonitspülung gefüllten Bohrloch, nimmt der Druck der Spülung mit der Tiefe des Bohrloches H zu, so daß die Spülung trotz der Dichtungsanordnungen in die Gehäuse 130 bzw. 140 eindringen könnte. Dies wird erfindungsgemäß dadurch vermieden, daß das Gehäuse an einer geeigneten Stelle mit einer Flüssigkeitsdruckausgleichseinrichtung versehen wird.

F i g. 9 und 10 zeigen Beispiele einer derartigen Flüssigkeitsausgleichseinrichtung 190, die an dem Gehäuse 130 vorgesehen werden kann. Diese Einrichtung 190 besitzt eine Membran 191 zum Ausgleich des Öldrucks in dem Gehäuse und des Wasserdruckes in dem Bohrloch. Die Flüssigkeitsdruckausgleichseinrichtung gemäß F i g. 10 besitzt einen Kolben 192 und einen Zylinder 193.

Dank der Anordnung einer Flüssigkeitsdruckausgleichseinrichtung 190 an geeigneter Stelle des Gehäuses 130 wird die Differenz zwischen den im Innern und auf der Außenseite des Gehäuses vorhandenen

ίο Flüssigkeitsdrücken unabhängig von der Tiefe des Bohrloches H stark herabgesetzt, so daß eine zuverlässige Abdichtung der Maschine auch beim Bohren eines tiefen Bohrloches gewährleistet ist.
Man kann die erfindungsgemäße Erdbohrmaschine 1 gemäß F i g. 1 an einer Kette 2 od. dgl. aufhängen. In diesem Fall erzeugt das Eigengewicht der Maschine einen Abwärtsschub. Falls infolge der Beschaffenheit der zu durchbohrenden Erdformationen das Gewicht der Maschine zum Erzeugen des erforderlichen Abwärtsschubes und Drehmomentes nicht genügt, kann man zusätzlich ein Gewicht oder eine Schwerstange verwenden.

Wenn das Bohrloch mit Wasser gefüllt ist, bedient man sich zweckmäßig eines Schwimmers zum Einstellen des Schubes. Ein Beispiel einer derartigen Anordnung ist in F i g. 11 gezeigt. Hierbei befindet sich oberhalb der Bohrmaschine 1 ein zum Einstellen der Schubkraft dienender Schwimmer 200, der an einer Kette 2 hängt. Soll nun bei einer Veränderung der Beschaffenheit der Erdformation die Schubkraft vermindert werden, so wird Druckluft durch einen Luftschlauch 202 in einen Windkessel 201 eingeleitet und auf diese Weise Wasser durch eine Wasseraustrittsöffnung 203 herausgedrückt. Infolge des Sinkens des Wasserstandes im Windkessel 201 wird dessen Auftrieb größer und dadurch die auf die Fräser 160 wirkende Abwärtsschubkraft entsprechend kleiner. Wenn die Maschine bzw. das Bohrwerkzeug auf eine relativ harte Formation auftrifft, wird ein Teil der in dem Windkessel 201 befindlichen Luft durch den Luftschlauch 202 abgezogen, so daß der Wasserstand in dem Windkessel steigt. Dadurch nimmt der Auftrieb des Windkessels 201 ab und die auf die Fräser 160 wirkende Abwärtsschubkraft entsprechend zu. Wie man sieht, ermöglicht die Verwendung des Schwimmers 200 in einem mit Wasser gefüllten Bohrloch das Bohren mit der jeweils optimalen Schubkraft.

Man erkennt aus der vorstehenden Beschreibung, daß bei der neuen Erdbohrmaschine die Anordnung über Tage wesentlich vereinfacht ist. Dadurch wird die Wirtschaftlichkeit der Bohrarbeiten und zugleich die Zuverlässigkeit des Betriebes stark erhöht. Außerdem ist die neue Erdbohrmaschine beim Bohren eines durchmessergroßen Loches unter Wasser besonders gut geeignet. Wichtig ist auch, daß jede Schneide jedes Fräsers längs einer trochoidenförmigen Bahn bewegt wird, wodurch die Schneidleistung gegenüber herkömmlichen Vorrichtungen weiter verbessert ist. Sehr vorteilhaft ist ferner, daß die Erdbohrmaschine in der Mitte einen durchmessergroßen Wasserabzugskanal aufweist, so daß beim Bohren ein starker Rückfluß der Spülung erzielt und dadurch die rasche und wirksame Entfernung von Kies, großen Steinen u. dgl. ermöglicht ist, wie durch umfassende Versuche bestätigt wurde.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Erdbohrmaschine mit einem motorischen Antrieb und mehreren Fräsern, die über eine die Geschwindigkeit umsetzende Getriebeanordnung derart antreibbar sind, daß ein Drehmomentausgleich der Erdbohrmaschine gegenüber einer äußeren Abstützung erreichbar ist, wobei der Antrieb an einem zentrischen Tragkörper befestigt ist, eine doppelte Hohlwellenanordnung drehbar um und koaxial zum zentrischen Tragkörper angeordnet ist, ein um den zentrischen Tragkörper drehbares und damit umlaufendes erstes Gehäuse mit einer der Hohlwellen verbunden ist und jeweils ein Fräser in dem ersten Gehäuse um seine eigene Achse drehbar angeordnet und mit der anderen der Hohlwellen antriebsübertragend verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehmomentrichtungen der beiden Hohlwellen (150,151) einander entgegengesetzt, ihre Drehmomente jedoch einander im wesentlichen gleich sind und ein sich konzentrisch um die Antriebswelle der Getriebeanordnung (I, II) drehendes zweites Gehäuse (131) vorgesehen ist.

2. Erdbohrmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Gehäuse (140) an seinem unteren Ende einen Kernbrecher (142) aufweist.

3. Erdbohrmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zentrische Tragkörper (100) eine Doppelrohrkonstruktion mit einem inneren und einem äußeren Rohr ist, zwischen denen ein zylindrischer, sich zum unteren Ende erstreckender Zwischenraum gebildet ist, durch den Spülung an eine Düsenanordnung (141) gebbar ist, die am unteren Endteil des ersten Gehäuses (140) angeordnet ist, wobei Wasser an den Grund des Bohrlochs gebbar und Schlamm durch das innere Rohr absaugbar sind.

4. Erdbohrmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehäuse (130, 131, 140) dicht verschlossen, mit Schmieröl gefüllt und mit einer Flüssigkeitsdruckausgleichseinrichtung (190) versehen sind.

5. Erdbohrmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen Schwimmer (200) zum Schubkrafteinstellen.