DE2253725A1

DE2253725A1 - Gesteinsbohrmaschine

Info

Publication number: DE2253725A1
Application number: DE2253725A
Authority: DE
Inventors: Clayton H Crane
Original assignee: Robbins Co
Current assignee: Robbins Co
Priority date: 1971-11-01
Filing date: 1972-11-02
Publication date: 1973-05-17
Also published as: JPS5538478B2; AU4839572A; CA965806A; JPS4857401A; AU463519B2; FR2158409A1; US3756332A; DE2253725C2; FR2158409B1; ZA727725B; IT966872B

Description

Patentanwälte

Dr. Dieter F. Morf .

Dr. Hans-Α. Brauns ²· November 1972

fviünchün Lsö, F-^nLu. ,^je.-str. 23 194.217

THE ROBBINS COMPANY

650 S. Orcas Street, Seattle, Washington 98I08,

V.St.A.

Gesteinsbohrmaschine

Die Erfindung betrifft Gesteinshohrmaschinen und insbesondere ein neues Frässcheibenaggregat zum Schneiden des Gesteins am Mittelbereich der Gesteinsfläche sowie verbesserte Lagerungs- und Dichtungsanordnungen für Scheibengesteinsfräser.

Die USA-Patentschrift 3 232 670 beschreibt eine typische Fräseranordnung am Schneidkopf einer Gesteinsbohrmaschine. Dieser Schneidkopf trägt ο Luc Anzahl Frässcheibenaggregate, die so angeordnet r;ind, daß sie konzentrische Nuten in das Gestein schneiden. Die Frässcheiben weisen schräge Auabrrcehflachen auf, welche Umfang:;Schneidkanten Γ lati'.iaren. Diese Aunbrechf lachen dienen dazu, da?: <'-.;;; t:einsmaterial zvjis'chfiii den lauten weg.-.ubrecb<-:ii imti wcigzur-äinnen. Der Hittclbo.reich des Sciine i rll.o^i c:; Irägl· c in droi.f"ach konisches Schneid-

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aggregat, das dazu dient, das Material an der unmittelbaren Mitte der Gesteinsfläche wegzuschle jfen. Ein Problem bei dieser Art von Anordnung besteht darin, daß die dreifach konische Schneidanordnung unwirksam ist, sofern sie nicht mit einer Geschwindigkeit gedreht wird, die viel höher als die ist, mit der die Frässcheiben zur Rotation angetrieben werden können. Bei einem Drehantrieb mit geringen Geschwindigkeiten nutzt sich das dreifach konische Schneidaggregat rasch ab. Ferner· unterliegt das dreifach konische Schneidaggregat Seitenkräften, die durch die Ausbrechfläche des innersten Schrämrades mitgeteilt werden. Es wurde vorgeschlagen, das dreifach konische Schneidaggregat mit einer höheren Geschwindigkeit als den übrigen Schneidkopf anzutreiben oder das dreifach konische Schneidaggregat durch eine Anordnung von rotierenden Bohrköpfen zu ersetzen. Keine dieser Anordnungen war jedoch zufriedenstellend, besonders wenn das zu schneidende Gestein ziemlich hart war.

Erfindungsgemäß wird der Mittelbereich der Gesteinsfläche durch ein Frässcheibenaggregat geschnitten. Die Verwendung eines Frässcheibenagfrregats im Hit te !bereich wird durch die Benutzung einer Lagcrachse' für die Frässcheibe ermöglicht, die sich seitlich quer zur Drehachse des Schneidkopfes erstreckt. Die Achse wird ausreichend lang gemacht, um mehrere (z.B. drei) Frässcheiben zu lagern. Die nächsten beiden Frär^;[;ohc:Lbenaggregatc sind am Schneidkopf durch unabhängige Lagerungen gelagert, die sich vom Mit tenschneidciggregat auf entgegengesetzten Seiton desselben im Ab;; Land nach aussen befinden. Diese Anordnung ermöglicht do;; Beginn mit einem Frässchtilberwiggregat, das r,o angeordnet ist, daß eine erste Ui! t eng benachbart der Drehunr r.rnit te ö.cr-

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Schneidkopfes geschnitten wird, und dann zusätzliche Frässcheibenaggregate ausserhalb derselben vorzusehen, die sich in der radialen Richtung in einen geeigneten Abstand befinden, um den erforderlichen Mindestabstand zwischen den Nuten zu erhalten, um die Scheibenfräser · wirksam zu machen. Die innerste Frässcheibe weist eine schräge Ausbrechfläche von ihrer Sehr eidkante radial nach innen auf, die dazu dient, das Material, das die Drehachse des Schneidkopfes unmittelbar umgibt, zu zertrümmern und zu räumen.

Der notwendige geringe radiale Abstand der Frässcheiben im Mittelbereich des Schneidkopfes wird zum Teil durch die erfindungsgemässe neuartige Lagerungs- und Dichtungsanordnung ermöglicht. Erfindungsgemäß ist jede Frässcheibe des Mittenfräsaggregate auf einem Gleitlager bzw. einer Buchse zur unabhängigen Drehung um eine gemeinsame Lagerachse gelagert. Jede Frässcheibe weist zwei parallele radiale Seitenflächen und scheibenartige Gleit-Axiallagerungen auf, die Kontakt mit den radial inneren Teilen der Seitenflächen haben. Die Lagerung für die Frässcheiben wird durch einen ringförmigen Hohlraum bzw. eine ringförmige Nut gehildet, welche jedes Längslager konzentrisch-umgibt. In jeder solchen Nut befindet sich ein Dichtungsring, der axial zu seiner Seitenfläche der Frässcheibe durch einen elastomeren Abstützring belastet- ist. Das Dichtungselement weist eine harte radiale Fläche af, die sich in gleitender Anlage an der Seitenfläche der Frässcheibe befindet. Diese Lagerungs- und Dichtungsanordnung erfordert einen .geringstmöglichen axialen Raum und ermöglicht einen relativ engen Abstand der Frässcheiben. Ferner ergibt die Lagerung der innersten Frässcheiben auf einer einzigen Lagerachse eine Achsen-

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lagerung auf jeder Seite jeder Frässcheibe.

Die vorstehenden und weitere Merkmale, Vorteile und Eigenschaften des erfindungsgemässen Erdbohrgerätes ergeben sich aus der nachfolgenden näheren Beschreibung einer beispielsweisen Ausführungsform der Erfindung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen und
zwar zeigen:

Fig. 1 eine Stirnansicht im Aufriß einer Erdbohrniaschine mit einer typischen Anordnung von
schrämenden Rollenfrässcheiben am Schneidkopf in konzentrischen Kreisen und mit einem erfindungsgemässen Mittenfräsaggregat;

Fig. 2 eine schaubildliche Ansicht des Mittelbereich-Frässcheibenaggregats von oben sowie von dem einen Ende und der einen Seite desselben gesehen;

Fig. 3 in vergrössertem Maßstab eine Ansicht des Mittelbereichs des Schneidkopfes, welche das Mittenfräsaggregat in Vorderansicht und eine umgebende Gruppe von zusätzlichen Frässcheiben zeigt;

Fig. H eine Ansicht des Mittenfräsaggregats, teilweise von unten gesehen und teilweise im Längsschnitt nach der Linie *4-H in Fig. 3 und

Fig. 5 eine Teilansicht in vergrössertem Maßstab und im Schnitt des Abdichtungsbereichs einer der Frässcheiben.

Das in Fig. 1 dargestellte Mit ten fräs aggregat 10 ist

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aus drei Rollenfrässcheiben 12, 14, 16 bestehend dargestellt, die zur unabhängigen freien Drehung auf einer einzigen langgestreckten Lagerachse 18 (Fig. 4) gelagert sind. Die Längsachse χ der Achse 18 ist quer zur Längsmittellinie bzw. Drehachse c des Schneidkopfes CH gerichtet. Die Achse χ schneidet die Schneidkopfdrehachse c an einer Stelle, die axial zwischen der Frässcheibe 12 .und der Frässcheibe 14 liegt, jedoch näher der Frässcheibe 12 als der Frässcheibe 14. Infolge dieser Anordnung wandert die Umfangssehneid- . kante 20 der Frässcheibe 12 in einem verhältnismässig kleinen Kreis 22. Die Schneidkante bzw. der Scheitel 24 der Frässcheibe wandert in einem Kreis 26 von geringfügig grösserem Durchmesser. Die Schneidkante 28 der Frässcheibe 16 wandert in einem dritten Kreis 30 von noch grösserem Durchmesser. Die kreisförmigen Bahnen 22_r 26, 30 verlaufen konzentrisch um die Schneidkopfachse c. Eine Anzahl zusätzlicher Fräsaggregate 32 j 34 und 36 sind auf dem Schneidkopf CH angeordnet, um zusätzliche konzentrische Kreise zu schneiden, welche die inneren Fräskantenbahnen 22, 26, 30 umgeben.

Wie sich aus Fig. 2 und 4 ergibt, besitzt das Mittenfräsaggregat einen Lagerblock mit einer Basis 38, die am Schneidkopf CH festgeschraubt oder in anderer Weise an diesem befestigt ist. Der Lagerblock 38 weist Mittel auf, die eine Lagerung für eine gemeinsame Achse 18 auf jeder Seite aller drei Frässcheiben 12, 14, 16 aufweist. Beispielsweise kann der Lagerblock aus nach oben offenen Sätteln ausserhalb der Frässcheibe 16, zwischen denFrässcheiben 12 und 16 sowie zwischen den Fräs scheiben 12 und 14 gebildet werden. Diene Sättel, cb'o .in Fig. mit 40, 42 und 44 bezeichnet sind, könne·n :'.t ti S'.itLclnan den entgegengesetzten Enden der. FKir;or.L-i_;--:/i .ihwinn 10 im wesentlichen ähnlich sein, der in Fig. 1 und 7 der

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USA-Patentschrift 3 216 513 dargestellt ist.

Bei der gezeigten Aus führungsform ist die Achse 18 mit einem erweiterten Kopfteil 46 versehen, der eine Abflachung 48 aufweist, welche einer nach oben gerichteten Fläche entspricht, die an dem nahen Endteil der Basis 38 vorgesehen ist. Wenn der entgegengesetzte Endteil der Achse 18 und die beiden zwischenliegenden Teile der Achse 18 zwischen den Frässcheiben 12, 16 und 12, 14 auf den Sätteln 40,42,44 aufruhen, ruht die Abflachung 48 auf der Basisoberfläche 50 auf. Die Sätteln 40, 4 2, 44 sind mit Haltekappen 52, 54, 56 versehen, welche an den Sätteln 40, 42, 44 durch Maschinenschrauben 4 8 od. dgl. befestigt sind.

Jede Frässcheibe 12, 14, 16 weist zwei parallele radiale Seitenflächen 60, 6 2 und eine gerade zylindrische Mittelöffnung 64 auf. Jede Schneidkante bzw. jeder Scheitel 20, 24, 28 ist durch zwei schräge Ausbrechflachen 66, 68 flankiert. Bei der dargestellten Ausführungsform beträgt der Winkel zwischen den Ausbrechflächen 66, 68 etwa 90 , während der Winkel b zwischen jeder Fläche 66, 6 8 und den diese schneidenden radialen Seitenflächen 60, 62 etwa 135 beträgt. Diese Werte sind natürlich veränderlich und können andere Anlagen hiervon verschieden sein.

Erfindungsgemäß lagert ein Gleitlager bzw. eine Lagerbuchse 70 jede Frässcheibe 12, 14, 16, zur unabhängigen Drehung um die Achse 18. Auf jeder Seite jeder Scheibe 12, 14, 16 ist ein Längslager 72 in Form einer Vorleescheibe bzw. ringförinigen Scheibe vorgesehen. Dübel';ti fte 74, die als Fixierstifte für die Längs lager 7 2 dienen, sind in hierfür vorgesehene Bohrungen entweder der Achsenhaltokappen 52, 54, 56 oder der Sättel 40, 42, UM

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eingesetzt. Wie sich am besten aus Fig. 5 ergibt, ist in jedem Längslager 72 eine axiale öffnung 76 vorgesehen. Jeder Fixierstift 74 weist einen äusseren Endteil auf, der sich nur teilweise in die Bohrung 76 erstreckt.

Beispielsweise können die Lager 70, 7 2 aus einem mit Molybdändisulfid imprägnierten, hitzebeständigen Metall-Verbundwerkstoff, wie er beispielsweise in der USA-Patentschrift 3.479.289 besehrieben wird, hergestellt sein. Diese Dichtungen werden durch einen Dichtungsring 7 8 mit einer radialen Dichtfläche 80 gebildet, die axial in Kontakt mit der radialen Seitenfläche 60 bzw. 6 2 der Frässcheibe 12, 14, 16 durch einen Ring aus einem elastomeren Material belastet ist. Ein solcher Dichtungsring 78 kann aus einem geeigneten Metall, Keramik oder Cermet oder von einer zusammengesetzten Bauform sein, (z.B. ein Ringkörper aus einem ersten Material und eine Dichtfläche aus einem härteren zweiten Material),

Die Dichtungen 78, 8 2 befinden sich an der Innenseite von Ringnuten 84, die in der Seitenfläche des ieweiligen Lagerungsteils, die jeder Fräserseitenfläche 60, 6 zugekehrt ist, ausgebildet sind. Am rechten Ende der Fig. 4 ist die Nut 84 für die Dichtungen 78, 8 2 an der Innensäte des Kopfteils 46 befindlich dargestellt. Die unteren Teile der anderen Nuten 84 sind in den Innenflächen der Sättel 40, 42, 44 ausgebildet, während die oberen Teile der Nuten 84 in den Seitenflächen der Halteelemente 5 2, 54, 56 geformt sind.

Die Querlager 70, die Längslager 7 2 und die Sattel- und Haltcelement-Dichtungen 78, 80 werden zusammengebaut. Hierauf werden die Dichtungselemente 78, 8-2 am

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Achsenkopf eingebaut und wird die Achse 18 durch die Mitte des Aggregats sowie durch die Lager 70 eingesetzt. Innerhalb der Ringnut, die am Ende der Achse 18 gegenüberliegend dem Kopf 46 angebracht ist, ist eine O-Ring~ Dichtung 86 angeordnet. Diese Ringdichtung 86 dient als Abdichtung zwischen der Achse 18 und dem umgebenden Kanal, der durch den Sattel 40 und des Halteelament 52 gebildet wird.

Eine radial gerichtete Schulter 88 wird durch Teile des Sattels 4 0 und des Halteelements 5 2 gebildet. Der Sattel 40 und das Halteelement 5 2 weisen ferner eine sich nach innen verjüngende kegelstumpfförmige Bohrung 90 auf, die in die Schulter 88 führt. In die Bohrung 90 ist eine Achsenhaltescheibe bzw, -Platte 92 eingesetzt. Durch Bohrungen in der Platte 92 sind eine oder mehrere Maschinenschrauben 94 hindurchgeführt und in Gewindebohrungen 96 in der Achse 18 eingeschraubt. Die Länge der Achse 18 ist derart, daß, wenn die Schrauben 94 angezogen werden, die Endfläche 98 der Achse 18 sich etwas axial nach innen von der Schulter 8 8 befindet. Infolge dieser Anordnung können die Schrauben 94 für den Zweck festgezogen werden, den Kopf 46 in dichte Anlage an dem Lager¹ 7 2 und die Haltescheibe 92 in dichte Anlage an der Schulter 88 zu ziehen.

Obwohl in Verbindung mit dem liittenfräsaggregat ]0 beschrieben, stellen die vorangehend 'beschriebenen Lagerungs-Dichtungs- und Einbauanordnungen Verbesserunpen in der Schoibenfräsertechnik dar, die auch bei anderen Scheiben!"rvisurbauforrr.on Anwendung finden können.

Im Betrieb wird uor\ Schneidkopf CH durch einen geeigneten Antrieb (nicht gezeigt) <:jm· Drehung mitgetei.11¹,

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bei der Drehung des Schneidkopfes wandern die Scheibenfräser 12, IH, 16 des Mittenfräsaggregats längs der konzentrischen kreisförmigem Bahnen 22, 26, 30, während die anderen Fräser 34, 36 längs anderer konzentrischer kreisförmiger Bahnen wandern, die sich von dem Mittenfräsaggregat 10 in Abständen nach aussen befinden. Die Schneidkanten der Fräs ar 12, 14, 16, 34, 36 arbeiten' bei ihrer Rotation Nuten aus dem abzubauenden Material heraus, während die schrägen Ausbrechflächen 66, 68 usw. auf das Gestein zwischen den Nuten Kräfte ausüben, welche das Bestreben haben, das Material im Achsenbereich wegzubrechen und zu räumen.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellte und beschriebene Ausführungsform beschränkt, sondern kann innerhalb ihres Rahmens verschiedene Abänderungen erfahren .

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Claims

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P a tentansprüche

1, Gesteinsbohrmaschine mit einem um eine Achse zur Drehung gelagerten Schneidkopf und einem Mittelbereichfräser, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelbereichfraser eine Frässcheibe aufweist, die eine Umfangsschneidkante besitzt, welche durch zwei schräge Gesteinausbrechflachen flankiert ist, welche sich an der Schneidkante überschneiden, und Mittel vorgesehen sind, durch welche die Frässcheibe auf dem Schneidkopf so gelagert wird, daß ihre Schneidkante sich in einem geringen radialen Abstand von der erwähnten Achse befindet und so gerichtet ist, daß eine Nut herausgearbeitet wird, welche die erwähnte Achse konzentrisch umgibt, wobei die radial innere Gesteinausbrechfläche der erwähnten Scheibe nahe genug zu der erwähnten Achse angeordnet ist, um wirksam alles Gestein zu brechen, das sich von der erwähnten Nut radial nach innen befindet.

2. Maschine nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Anzahl zusätzlicher Frässcheiben, die auf dem Fräskopf gelagert und so gerichtet sind, daß sie konzentrische Nuten herausarbeiten, welche die durch die innere Frässcheibe herausgearbeitete Nut umgeben, welche zusätzlichen Frässcheiben je zwei schräg-;

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Gesteinausbrechflächen aufweisen, die ihre Schneidkante flankieren, welche Flächen dazu dienen, das Gestein zwischen den Nuten wegzubrechen.

Maschine n^ch Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Lagerung des Mittelbereichscheibenfräsers am Schneidkopf eine langgestreckte feste Achse aufweisen, die sich quer zum Schneidkopf erstreckt und die Drehachse des letzteren überschneidet, wobei auf jeder Seite des Mittelbereichscheibenfräsers eine Achslagerung vorgesehen ist.

4, Maschine nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Achse zumindest eine zusätzliche Frässcheibe trägt, die um diese Achse unabhängig zur freien Drehung gelagert ist.

5. Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede Frässcheibe zwei parallele radiale Seitenflächen aufweist, und die Frässcheiben zur unabhängigen freien Drehung um die Achse durch ein Gleitlager gelagert sind und eine ringförmige radiale Schubdichtung gegen den radialen Innenteil jeder Frässcheibenseitenfläche anliegt und ein Dichtungs-. element jede Schubscheibe umgibt, wobei jedes Dichtungselement eine radiale Dichtflache in dichtendem Gleitkontakt mit der Seitenfläche der Frässcheibe hat .

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6. Maschine nach Anspruch ί, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Dichtungselement mit einem Ring aus elastomerem Material zwischen sich und einem Teil der Lagerung versehen ist, um den Dichtungsring zu dämpfen u:.d ihn axial in Anlage an der Seitenfläche der Frässcheibe zu belasten.

7, Gesteinsbohrmaschine mit einem Schneidkopf, der zur Drehung um eine Achse gelagert ist und einem Mittenfräseraggregat, gekennzeichnet durch eine feste Achse, die sich quer zur Drehachse des Schneidkopfes erstreckt, eine erste Frässcheibe, die zur freien Drehung um die erwähnte Achse an einer Stelle radial ausserhalb der erwähnten Drehachse gelagert ist, eine zweite Frässcheibe, die zur freien Drehung um die erwähnte Achse an einer Stelle gelagert ist, die sich von der entgegengesetzten Seite der Drehachse und radial nach aussen von dieser um einen grösseren Betrag als die erste Frässcheibe in Abstand befindet, wobei jede der Frässcheiben eine Umfangsschneidkante aufweist, die so gerichtet ist, daß sie eine Nut längs einer kreisförmigen Bahn herausarbeitet, welche die Drehachse umgibt, und schräge Gesteinausbrechflächen die Schneidkante flankieren, wobei die radial innere Ausbrechfläche der ersten Frässcheibe sich in einem ausreichend engen Abstand von der Drehachse befindet, um das Mittclbereichgestein, dan sich auf der Innruise.i te der Hut befindet, welche durch die erwühnli! Frässcheibe herausgearbeitet worden ist, wirkst wegzubrechen, und eine Achslagerung auf jeder Seile jedor Frässcheibe.

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Gesteinsbohrmaschine nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine dritte Frässcheibe, die zur freian Drehung auf. der erwähnten Achse von der ersten Frässcheibe radial nach aussen gelagert ist und die sich von der Drehachse um einen radialen Betrag in Abstand nach aussen befindet, der grosser als der der zweiten Frässcheibe ist, und Mittel zur Lagerung der Achse auf jeder Seite der dritten Frässcheibe vorgesehen sind.

9. Maschine nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine vierte Frässcheibe und eine Lagerung hierfür, die sich von einem Zwischenteil des Mittenfräsaggregats seitlich nach aussen befindet, wobei eine feste Achse vorgesehen ist, die sich radial zum Fräskopf und im wesentlichen im rechten Winkel zur Achse des Mittenfräsaggregats erstreckt, welche vierte Frässcheibe zur freien Drehung um die erwähnte zweite Achse gelagert ist, um eine Nut herauszuarbeiten, die sich von der durch die dritte Frässcheibe herausgearbeiteten Nut radial nach aussen befindet.

10, Maschine nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine fünfte Frässcheibe, die sich von dem Mittenfräs.aggregat auf derjenigen Seite desselben, die der vierten Frässcheibe gegenüberliegt, in einem seitlichen Abstand nach aussen befindet, wobei eine feste Achse vorgesehen ist, die eiuf dem Schneidkopf so angeordnet ist, daß sie sich von diesem radial und im wesent«

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lichen im rechten Winkel zur Achse der iiittenfräsaggregatachse sowie im wesentlichen gleichachsig zur Achse der vierten Frässcheibe erstreckt, welche fünfte Frässcheibe zur freien Drehung um ihre Achse so gelagert ist, daß sie ein'- Nut herausarbeitet, die sich benachbart der durch die vierte Frässcheibe herausgearbeiteten Nut radial nach, aussen befindet.

11* Gesteinfräsaggregat, gekennzeichnet durch eine feste Achse, eine Frässcheibe, die zur freien Drehung auf dieser Achse angeordnet ist und zwei im wesentlichen radiale Seitenflächen aufweist, eine Umfangsschneidkante und zwei Gesteinausbrechflächen, welche die Schneidkante flankieren und sich mit den radialen Seitenflächen der Scheibe überschneiden, eine Lagerung für die erwähnte Achse mit einem Element, das von jeder radialen Seitenfläche axial nach aussen angeordnet ist, wobei jedes Element eine Ringnut aufweist, die zur Seitenfläche der Frässcheibe hin offen ist, ein nicht rotierendes Dichtungselement in jeder Nut, und ein elastomeres Material, das dazu dient, jedes Dichtungselement axial zur radialen Fläche der Frässcheibe zu belasten, welches Dichtungselement eine radiale Dichtfläche aufweist, die dichtenden Gleitkontakt mit der radialen Fläche der Frässcheibe macht.

12. Aggregat nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch ein Gleitlager für die erwähnte Frässcheibe; zur freien

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Drehung um die erwähnte Achse, und ein ringförmiges radiales Längslager, das von jeder radialen Seitenfläche der Frässcheibe axial nach aussen, jedoch von den Dichtungselementen radial nach innen gelagert ist*

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