DE2606004A1 - Gesteinsbohrwerkzeug - Google Patents

Gesteinsbohrwerkzeug

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Description

SKF KUGELLAGERFABRIKEN GMBH
Schweinfurt, 1976-02-10 NL 75 005 DT FR-gw
Gesteinsbohrwerkzeug
Die Erfindung betrifft ein Gesteinsbohrwerkzeug, insbesondere zum Bohren nach Energiequellen in der Erdkruste, mit einem Bohrkörper, der mit einem Bohrgestänge verbindbar ist, und an dem mehrere mittels Wälzlagerelemente drehbar gelagerte Schneidkegel befestigt sind, die jeweils einen zentralen Zapfen aufweisen, in dessen Bereich die Wälzlagerelemente angeordnet sind.
Die lange Zeit vertretene Ansicht, die Lebensdauer der einzelnen Schneidkegel sei der bestimmende Faktor für die relativ kurze Standzeit derartiger Bohrwerkzeuge, ist mittlerweile überholt. Seit der Einführung von mit Hartmetallplättchen bestückten Schneidkegeln hat sich gezeigt, dass die Standzeit nunmehr durch ein Versagen der hierfür verwendeten Lageranordnungen bestimmt wird.
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ORIGINAL INSPECTOR
SKF KUGELLAGERFABRIKEN GMBH
Ein grosser Fortschritt in der Ausbildung derartiger Lager wurde durch den Einsatz von Wälzlagern erzielt. So sind bereits eine Reihe von Lagerkonstruktionen vorgeschlagen worden, bei denen die einzelnen Schneidkegel mittels Wälzlager gelagert sind. Beispielsweise ist in der US-PS 3.307,645 ein Gesteinsbohrwerkzeug der eingangs beschriebenen Art gezeigt, bei dem die einzelnen Schneidkegel z.B. mittels einem einreihigen Zylinder- und einem einreihigen Kegelrollenlager direkt im Bohrkörper gelagert sind. Da jedoch Gesteinsbohrwerkzeuge einer sehr hohen Belastung ausgesetzt sind, bleibt es nicht aus, dass diese Werkzeuge trotz einer verbesserten Lagerung der Schneidkegel nach wie vor eine relativ kurze Standzeit haben. Dies bedeutet, dass die Schneidkegel relativ oft ausgewechselt werden müssen, wozu sich die bekannte Konstruktion jedoch weniger eignet, da die Aussenringe der hierbei verwendeten Wälzlager unmittelbar in den Bohrkörper eingesetzt werden müssen. Hinzu kommt, dass das hier verwendete Abdichtungselement, welches den Endabschnitt des Schneidkegels gegenüber dem Bohrkörper abdichtet, unmittelbar in der Arbeitszone des Bohrwerkzeugs angeordnet ist. Diese Umstand kann jedoch leicht zu dessen Zerstörung führen.
Ferner ist ein Gesteinsbohrwerkzeug bekannt (US-PS 3.550.972), bei dem die einzelnen Schneidkegel keinen einstückig mit diesem ausgebildeten zentralen Zapfen, sondern einen in den Schneidkegel eingesetzten zentralen Zapfen zur Aufnahme der Wälzlager haben. Bei dieser Konstruktion sind die einzelnen Schneidkegel mit Hilfe dieser Zapfen an den jeweiligen Armen des Bohrkörpers befestigt. Gegenüber dem eingangs beschriebenen Typ eines Bohrwerkzeuges, ist es bei dieser Konstruktion besonders nachteilig, dass der zentrale Zapfen nicht einstückig mit dem Schneidkegel ausgebildet ist. Gerade der letzte Umstand verleiht dem Schneidkegel vorteilhaft eine hohe Steifigkeit.
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SKF KUGELLAGERFABRIKEN GMBH
26Q60IH
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein kostengünstiges Gesteinsbohrwerkzeug der eingangs geschilderten Art zu schaffen, bei dem die einzelnen Schneidkegel getrennt vom Bohrkörper vollkommen vormontiert werden können, so dass sich diese in einfacher Weise an dem Bohrkörper befestigen bzw. wieder abnehmen lassen, wobei die Schneidkegel eine hohe Betriebssicherheit aufweisen sollen, insbesondere hinsichtlich ihrer Schmierung und somit ihrer Abdichtung gegenüber äusseren Schadstoffen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass jeder Schneidkegel zusammen mit den Wälzlagerelementen eine selbständige geschlossene Einheit bildet, die mit dem Bohrkörper durch mindestens ein Befestigungsglied lösbar verbunden ist, das in den Bohrkörper und in eines der Wälzlagerelemente eingreift.
Eine besonders kompakte Bauweise der Schneidkegel wird erzielt, wenn in weiterer Ausgestaltung der Erfindung diese einen Art Ringkanal aufweisen, der durch den zentralen Zapfen und durch einen Mantelabschnitt des Schneidkegels begrenzt ist, und dass in diesem Ringkanal die Wälzlagerelemente angeordnet sind, die aus einem einstückigen Aussenring und einem mehrteiligen Innenring mit zwischen diesen mehrreihig angeordneten Wälzkörpern bestehen.
Für eine einfache, jedoch betriebssichere Befestigung der Schneidkegel an dem Bohrkörper ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass das Befestigungsglied ein Schraubelement ist, das in dem Bohrkörper gehalten und in den Aussenring geschraubt ist. Gemäss einem weiteren Merkmal der Erfindung, hat der Aussenring eine Ausnehmung, in die ein entsprechend ausgebildeter Ansatz am Bohrkörper - oder umgekehrt - eingreift. Durch diese Massnahme wird vorteil-
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haft erreicht, dass jede Schneidkegeleinheit immer in einer bestimmten Lage zum Bohrkörper an diesem befestigt wird.
Nach weiteren Merkmalen der vorliegenden Erfindung hinsichtlich einer günstigen Abdichtung der Wälzlagerelemente und somit auch deren Schmierung ist vorgesehen, dass zwischen dem Aussenring und dem Mantelabschnitt des Schneidkegels ein relativ langer Ringspalt als eine Art Labyrinthdichtung vorgesehen ist, der mindestens in einem seiner Endbereiche durch ein Dichtglied, wie ein Rundschnurring, abgedichtet ist. Ferner, dass ein Teil des Ringkanals als Schmiermittelvorratsraum dient. Und schliesslich, dass im Bereich des freien Endes des zentralen Zapfens ein membranartiges Element vorgesehen ist, das den Raum zwischen dem Aussen- und Innenring vollkommen abschliesst. Da bei derartigen Bohrwerkzeugen im Betriebszustand hohe Temperaturen auftreten, wird durch das membranartige Element vorteilhaft erreicht, dass sich das Schmiermittel ausdehnen kann, ohne aus der Schneidkegeleinheit auszutreten.
Weitere Einzelheiten und Vorteile sind nachstehend anhand zweier in der Zeichnung schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert:
Es zeigen:
Fig. l einen Axialschnitt durch eine erste Ausführungsform einer Schneidkegeleinheit, die zusammen mit einem Arm des Bohrkörpers dargestellt ist und
Fig. 2 einen Axialschnitt durch eine zweite Ausführungsform einer Schneidkegeleinheit.
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In Fig. 1 ist eine erste Ausflihrungsform eines Gesteinsbohrwerkzeugs gezeigt, das einen Bohrkörper 2 hat, von welchem ein Teil dargestellt ist. Der Bohrkörper 2 besitzt einen hülsenförmigen Ansatz 3 mit einem genormten Aussengewinde 4, der einen Kanal 5 begrenzt, in welchen Bohrungen 6 (in der Zeichnung ist nur eine zu sehen) münden. Mit dem Ansatz 3 kann der Bohrkörper mit einem nicht dargestellten Bohrgestänge verbunden werden. Im Betriebszustand wird dem Bohrwerkzeug über den Kanal 5 unter Druck eine Spülflüssigkeit zugeführt, die dann über die Bohrungen 6 in den Bohrbereich gelangt.
Der Bohrkörper 2 besitzt ferner mehrere Arme 7 (normalerweise drei), die in einem gleichen Abstand zueinander angeordnet sind, wobei der Raum zwischen den Armen 7 aus Montagegründen genügend gross gewählt werden muss. Am freien Ende jedes Armes 7 ist eine Schneidkegeleinheit 8 befestigt, die im wesentlichen aus einem Schneidkegel 9 und Wälzlagerelementen in der Form eines einstückigen Aussenrings 10 und eines mehrteiligen Innenrings 11 mit zwischen diesen zweireihig angeordneten Wälzkörpern (hier Kugeln12) bestehen. Der Schneidkegel 9, der mit Hartmetalleinsätzen ausgestattet ist, hat einen einstückig ausgebildeten zentralen Zapfen 13, der zusammen mit einem Mantelabschnitt 14 des Schneidkegels einen Art Ringkanal 15 begrenzt, in dem die Wälzlagerelernente 10 bis 12, die ein zweireihiges Schrägkugellager darstellen, angeordnet sind.
Die Anordnung der Wälzlagerelemente 10 bis 12 ist dabei derart, dass zwischen dem Aussenring 10 und dem Mantelabschnitt 14 des Schneidkegels 9 ein relativ langer Ringspalt 16 verbleibt, der als eine Art Labyrinthdichtung dient und in seinen beiden Endbereichen durch je ein Dichtungsglied 17, hier Rundschnurringe, abgedichtet ist. Als Dichtungs-
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glied 17 können jedoch verschiedene Arten von Dichtungen verwendet werden: z.B. lippen- oder bürstenförmige Dichtungen, spiralförmig ausgebildete Dichtnuten, oder die übergänge in den Endbereichen können verengt ausgebildet werden. Ein derartig ausgebildeter Dichtspalt verhindert einerseits ein Herauslaufen des Schmiermittels und andererseits ein Eindringen der Spülflüssigkeit. Die Anordnung der Wälzlagerelemente 10 bis 12 ist ferner derart, dass im Grund des Ringkanals 15 ein Schmiermittelvorratsraum 18 verbleibt.
Der Innenring 11 ist auf dem zentralen Zapfen 13 gesteckt und mittels einer Scheibe 19 axial gesichert. Die Scheibe ist hierzu mittels Schrauben 20 an der Stirnseite des zentralen Zapfens 13 angeschraubt, wobei die Schrauben 20 untereinander wiederum durch einen Draht 21 in bekannter Weise gegen ein sich Lösen gesichert sind.
Zur Befestigung der Schneidkegeleinheit 8 am Arm 7 dient ein mit einem Gewindeabschnitt 22 versehenes ringförmiges Schraubelement 23, das einerseits mit einem Flansch 24 auf einem in einer Bohrung im Arm 7 vorgesehenen Ansatz 25 aufliegt und das andererseits mit seinem Gewindeabschnitt 22 in ein korrespondierendes Gewinde im Aussenring 10 geschraubt ist. Das Schraubelement 23, welches mittels eines SpezialWerkzeuges, das in Ausnehmungen im Schraubelement eingreift, eingeschraubt wird, ist mittels eines nicht dargestellten Gewindestifts gegen ein sich Lösen gesichert. Um die Schneidkegeleinheit 8 genau gegenüber dem Arm 7 zu fixieren, so dass eine gleichmässige Breite des Dichtspaltes 16 gewährleistet ist, hat der Aussenring 10 eine Ausnehmung in der Form einer Ringnut 26, in die ein entsprechend ausgebildeter ringförmiger Ansatz 27 am Arm 7 eingreift. Selbstverständlich kann diese Verbindung auch umgekehrt angeordnet sein.
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Der offene Raum zwischen dem Aussen- und Innenring 10, 11 ist durch ein in die Bohrung des Schraubelements 23 eingesetztes membranartiges Element 28 vollkommen abgeschlossen. Dieses Element 28 bewirkt, dass einerseits keine Spülflüssigkeit in das Innere der Schneidkegeleinheit 8 eintreten und andererseits, dass kein Schmiermittel aus diesem austreten kann. Ferner bewirkt dieses Element 28 durch seine Flexibilität, dass sich das Schmiermittel aufgrund der hohen Betriebstemperaturen beim Bohren ausdehnen kann, ohne verloren zu gehen.
In Fig. 2 ist eine zweite Ausführungsform einer Schneidkegeleinheit gezeigt, die sich gegenüber der nach Fig. 1 dadurch unterscheidet, dass zur Lagerung des Schneidkegels anders ausgebildete Wälzlagerelemente verwendet sind und durch eine andere Befestigungsart. Ferner ist hier nur ein Dichtungsglied 17 verwendet.
Die hier verwendeten Wälzlagerelemente bestehen aus einem einstückig ausgebildeten Aussenring 29 und zwei getrennt voneinander angeordneten Innenringen 30, 31. Zwischen dem Aussenring 29 und den Innenringen 30, 31 sind Kegelrollen derart angeordnet, dass das gesamte Lager eine Art zweireihiges Kegelrollenlager darstellt. In diesem Zusammenhang sei erwähnt, dass auch andere Wälzlagertypen möglich sind.
Der zentrale Zapfen, bezeichnet mit 13', der auch separat bearbeitet und danach an dem Schneidkegel angeschweisst werden kann (in Fig. 2 angedeutet), ist an seinem Endabschnitt mit einem Gewinde versehen, auf dem der Innenring geschraubt ist. Durch diese Schraubverbindung wird gleichzeitig die für derartige Lager erforderliche axiale Vorspannung erreicht. Als Schraubelemente zum Befestigen des Aussenrings 29 am Arm 7 sind hier Zylinderschrauben 33 (in
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Fig. 2 ist nur eine zu sehen) vorgesehen. Ferner ist das membranartige Element 28 hier im Aussenring 29 eingesetzt. Bei dieser Ausführung wird die von dem Innenraum der Schneidkegeleinheit 8 abgewandte Seite des Elements 28 aufgrund eines im Arm 7 vorgesehen Kanals 34 mit dem im Bohrgestänge herrschenden Spulflussxgkeitsdruck beaufschlagt.
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Claims (8)

SKF KUGELLAGERFABRIKEN GMBH Schweinfurt, 1976-02-10 NL 75 005 DT FR-gw Patentansprüche
1. Gesteinsbohrwerkzeug, insbesondere zum Bohren nach Energiequellen in der Erdkruste, mit einem Bohrkörper, der mit einem Bohrgestänge verbindbar ist, und an dem mehrere mittels Wälzlagerelemente drehbar gelagerte Schneidkegel befestigt sind, die jeweils einen zentralen Zapfen aufweisen, in dessen Bereich die Wälzlagerelemente angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Schneidkegel (9) zusammen mit den Wälzlagerelementen (10 bis 12, 29 bis 32) eine selbständige geschlossene Einheit (8) bildet, die mit dem Bohrkörper (2) durch mindestens ein Befestigungsglied (23, 33) lösbar verbunden ist, das in den Bohrkörper (2) und in eines der Wälzlagerelemente (10, 29) eingreift.
2. Gesteinsbohrwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schneidkegel (9) einen Art Ringkanal (15) aufweist, der durch den zentralen Zapfen (13) und durch einen Mantelabschnitt (14) des Schneidkegels (9)
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begrenzt ist, und dass in diesem Ringkanal (15) die Wälzlagerelemente angeordnet sind, die aus einem einstückigen Aussenring (10, 29) und einem mehrteiligen Innenring (11, 30, 31) mit zwischen diesen mehrreihig angeordneten Wälzkörpern (12, 32) bestehen.
3. Gesteinsbohrwerkzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungsglied ein Schraubelement (23, 33) ist, das in dem Bohrkörper (2) gehalten und in den Aussenring (10, 29) geschraubt ist.
4. Gesteinsbohrwerkzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Aussenring (10) eine Ausnehmung (26) hat, in die ein entsprechend ausgebildeter Ansatz (27) am Bohrkörper (2) -oder umgekehrt - eingreift.
5. Gesteinsbohrwerkzeug nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Aussenring (10, 29) und dem Mantelabschnitt (14) des Schneidkegels (9) ein relativ langer Ringspalt (16) als eine Art Labyrinthdichtung vorgesehen ist, der mindestens in einem seiner Endbereiche durch ein Dichtungsglied (17), wie ein Rundschnurring, abgedichtet ist.
6. Gesteinsbohrwerkzeug nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des Ringkanals (15) als Schmiermitte lvorratsraum (18) dient.
7. Gesteinsbohrwerkzeug nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des freien Endes des zentralen Zapfens (13, 13') ein membranartiges Element (28) vorgesehen ist, das den Raum zwischen dem Aussenring (10, 29) und Innenring (11, 31) vollkommen abschliesst.
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8. Gesteinsbohrwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zentrale Zapfen (13') an dem Schneidkegel (9) angeschweisst ist.
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