DE2606004C3 - Gesteinsbohrwerkzeug - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Gesteinsbohrwerkzeug, insbesondere /um Tiefbohren mit Spülflüssigkeiten, aus einem mit mehreren Armen versehenen Bohrkörper, an denen jeweils eine Schneideinheit befestigbar ist, welche aus einem Schneidkegel, einem im Inneren dieses Schneidkegels mit Abstand angeordneten zentralen Zapfen und einer in dem /wischen Schneidkegcl und zentralen Zapfen gebildeten Ringkanal vorgesehenen mehrreihigen Walzlagerung besteht, die einen einteiligen Außenring und einen mehrteiligen Innenring aufweist.

Die lange Zeit vertretene Ansicht, die Lebensdauer der ein/einen Schneidkegel sei der bestimmende Faktor für die relativ kurze Standzeit derartiger Bohrwerkzeuge, ist mittlerweile überholt. Seit der Einführung von mil Hartmetallplätlchen bestückten Schneidkegeln hat sich gezeigt, daß die Standzeit nunmehr durch ein Versagen der hierfür verwendeten Lageranordnungen bestimmt wird.

Ein großer Fortschritt in der Ausbildung derartiger Läger 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 33 07 645 ein Gesteinsbohrwerkzeug gezeigt, bei dem die einzelnen Schneidkegel 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 rc'ativ oft

ίο 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 verwendeis Abdichtungselement, welches

Ij den Endabschnitt des Schneidkegels gegenüber dem Bohrkörper abdichtet, unmittelbar in der Arbeitszone des Bohrwerkzeugs angeordnet ist. Dieser Umstand kann jedoch leicht zu dessen Zerstörung führen.

Ferner ist ein Gesteinsbohrwerkzeug bekannt (US-PS 35 50 972), bei dem die ein/einen 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 des Zapfens am jeweiligen Arm des Bohrkörpers befestigt. Gegenüber dem eingangs beschriebenen Typ eines Bohrwerkzeugs, ist es bei dieser Konstruktion besonders nachteilig, daß der zentrale Zapfen nicht einsiückig mit dem .Schneidkegel ausgebildet ist. Gerade der letzte Umstand verleiht dem Schneidkcgel vorteilhaft eine hohe Steifigkeit.

Zum Stand der Technik gehört auch ein Gesteins bohrwerkzeug mit Schneidkegeln, bei dem jeder Schneidkegel über einen mit diesem einstückig verbuiidenen axial vorstehenden, mil Wälzlagern versehenen Zapfen am Bohrkörper befesligt isl (US-PS 29 15 291). Dieses andere bekannte Gesteinswerk/eug hat den Nachteil, daß am axial vorstehenden Zapfen jeder Schneidrolle hohe Biegcmomente im Beirieb auftreten.

so daß die i estigkeit des Zapfens /ι, wünschen übrig läßt. Außerdem muß hier eine Plane mit Schraube am Ende des Zapfens zur Bildung einer vormontierten Einheit aus Schneidkegel. Zapfen und Wälzlagerung vorgesehen werden, so daß diese f inheil nur seitlich und somit, durch die Mii-ke des Außenringes der Walzlager begrenzt, nur rcLmv schwach am Bohrkörper befestigt werden kann.

Schließlich ist auch ein Gcstcinswerkzcug bekannt, bei dem die Schm-idkegel über einen zentralen, mit Gleitlagerflächen versehenen Zapfen am Bohrkörper gelagert sind (US-PS 17 92604). Die Gleitlagerfläi hen besitzen aber eine im Vergleich zur Wälzreibung hohe Gleitreibung, so daß diese vor allem beim Tiefbohren eine unzulässig hohe Betriebstemperatur aufweisen und infolge Verschleiß vorzeitig ausfallen.

Der in Anspruch I angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein kostengünstiges Gesteinsbohrwerkzeug der eingangs geschilderten Art /u schaffen, bei dem die einzelnen Sehne.dkegel getrennt vom Bohrkörper vollkommen vormontiert werden können, so daß sich diese in einfacher Weise an dem Bohrkörper befestigen bzw. wieder abnehitieii lassen, wobei die Schneidkegel eine hohe Betriebssicherheit aufweisen sollen, insbesondere hinsichtlich ihrer Schmierung Und somit ihrer Abdichtung gegenüber äußeren Schadstoffen.

Gelöst Wird diese Aufgäbe mittels der irri Anspruch I gekennzeichneten Merkmale.

Mit der Anordnung nach der Erfindung wird eine besonders kompakte Bauweise der Schneidkegel des Gesteinsbohrwerkzeuges erzielt, die als Einheiten bestehend aus Schneidkegel, Zentral/apfen und Wälzlager vormontiert werden können. Die als Einheiten vormontierten Schneidkegel hissen sich durch Elemente lösbar am Bohrkörper befestigen. Dabei ist infolge großer Festigkeit der Schneidkegel mit einstückig mit diesem ausgebildeten Zapfen eine hohe Betriebssicherheit des Gesteinsbohrwerkzeuges gegeben.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Un'.eransprüchen beschrieben.

Mit der Ausgestaltung nach Anspruch 2 wird eine Anordnung geschaffen, bei der ein Auswechseln verbrauchter Schneidkegel des Gesteinsbohrwerkzeuges durch schraubbare Elemenie, z. B. Schrauben, schnell und wirtschaftlich erfolgen kann, die einfach in die Außenringe der Wälzlagerung schraubbar sind. Dadurch ist jeder Sehneidkegcl am Bohrkörper betriebssicher befestigbar.

Die Ausgestaltung nach Anspruch i schafft ein Gesteinsbohrwerkzeug, bei dem die Wälzlag» -ung im Innern jedes Schneidkegels gegenüber dem Eindringen von schädlichen Schadstoffen der Umgebung, z. B. Bohrschlanim. besonders wirkungsvoll abgedichtet ist.

Die Ausgestaltung nach Anspruch 4 bewirkt, daß der Raum der Wälzlagerung jedes Schneidkegels nach außen abgedichtet ist. so daß das in diesem Raum eingefüllte Schmiermittel nicht austreten kann. Gleichzeitig wird durch das menibranartige Element vorteilhaft erreicht, daß sich das Schmiermittel bei den im Betneb auftretenden hohen Temperaturen, ohne aus dem Raum der Wälzlagerung auszutreten, ausdehnen kann.

Weitere Einzelheiten und Vorteile sind nachstehend anhand zweier in der Zeichnung schematisch dargestellter Ausführungsbeispielc naher beschrieben und erläutert. Es zeigt

E ι g. I einen Axialschnitt durch eine erste Ausfüh rungsforrn erer Schneidkegeleinheit. die zusammen mit einem Am des Bohrkörpers dargestellt ist und

F i g. 2 einen Axialschnitt durch eine zweite Ausführungsorm einer Schneidkegeleinheit.

In E i g. I ist eine erste Ausfiihrungsform eines Gesteinsbohrwerk/eugs gezeigt, das einen Bohrkörper 2 hat. von welchem ein Teil daijestellt ist. Der Bohrkörpi r 2 besitzt einen hülsenformigen Ansatz 3 mit einem genormten Außengewinde 4. der einen Kanal 5 begrenzt, in welchen Bohrungen 6 (in der Zeichnung ist nur eine zu sehen) münde.·¹ 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 / (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 Kugeln 12) bestehen. Der Schnciükege! 9, der mit Hartmetalleinsätzen ausgestattet ist, IiPt einen einstückig mit ihm ausgebildeten zentralen Zapfen 13, der zusammen mit einem Mantelabschnitt 14 des Schneidkegels einen Art Ringkanal t5 begrenzt, in dem die Wälzhgerelemenu." 10 bis 12, die ein zweireihiges Schrägkugellager darstellen, angeordnet sind.

ϊ Die Anordnung der WälzJagerelemente 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 Rundschnurnnge, abgedichtet ist. Als Dichtungsglied 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 SpülflüsEigkeiL Die Anordnung der Wälzlagereiemcntc 10 bis 12 ist ferner derart, daß im Grund des Ringkanals 1"> »in Schmiermiitelvorratsraum 18 verbleibt.

Der Innenring 11 ist auf den zentralen Zapfen 13 gesteckt und mittels einer Scheibe 19 axial gesichert. Die Scheibe 19 ist hierzu mittels Schrauben 20 ai: der Stirnseite des zentralen Zapfens 13 angeschraubt, wobei die Schrauben 20 untereinander wiederum durch einen Draht 21 in bekannter Weise gegen ein Lösen gesichert sind.

Zur Befestigung der Schneidkegeleinheit 8 am Arm 7 dient ein mit einem Gewindeabschnilt 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 em korrespondie-

Ji rcndes Gewinde im Außeniing 10 geschraubt ist. Das Schraubelement 23. welches mittels eines Spezialwerkzeuges. das in Ausn hmungen im .Schraubelement eingreift, eingeschraubt wird, ist mittels eines nicht dargestellten Gewindestifts gegen Lösen gesichert Um

•ίο die Schneidkegeleinheit 8 genau gegenüber dem Arm 7 zu ^r'xieren. so daß eine gleichmäßige Breite des Dichtspaltes 16 gewährleistet ist. hat der Außenring 10 eine Ausnehmung in der Form einer Ringnu' 26. in die ein entsprechend ausgebildeter ringförmiger Ansatz 27 am Arm 7 eingreift. Selbstverständlich kann diese Verbindung auch umgekehrt angeordnet sein.

Der offene Raum zwischen dem Außen- und Innenring 10, 11 ist durch ein in die Bohrung des Schraubelements 23 eingesetztes membranartiges EIement 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 au .treten 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 Schneidkegeleinhei' gezeigt, die Sich gegenüber der nach Fig. 1 dadurch unterscheidet, daß zur Lagerung des Schneidkegels 9 anders ausgebildete Wälzlagerelemente verwendet sind und durch eine ändert Befestigungsart. Ferner ist hier nur ein Dichtungsglied 17 verwendet.

Die Wälzlagerele nente bestehen gleichfalls aus einem einstückig ausgebildeten Außenring 29 und zwei getrennt voneinander angeordneten tnnenringen 30,31. Zwischen dem Außeiirine 29 und den Innenrineen 30.31

sind Kegeirolien 32 derart angeordnet, daß das gesamte Lager eine Art zweireihiges Kegelrollenlager darstellt. In diesem Zusammenhang sei erwähnt, daß auch andere Wälzlagcrtypen möglich sind.

Der zentrale Zapfen, bezeichnet mit 13', der auch separat bearbeitet und danach an dem Schneidkcgel angeschweißt werden kann (in F i g. 2 angedeutet), ist an seinem Endabschnitt mit einem Gewinde verschen, auf dem der Innenring 31 geschraubt ist. Durch diese Schraubverbindung wird gleichzeitig die für derartige Lager erforderliche axiale Vorspannung erreicht. Als Schraubelemcnte zum Befestigen des Außenrings 29 am Ami 7 sind hier Zylinderschrauben 33 (in F i g. 2 ist hur eine zu sehen) vorgesehen. Ferner ist das membranarlige Element 28 hier in den Außenring 29 eingesetzt. Dei dieser Ausführung wird die von dem Innenraum der Schneidkcgcleinheil 8 abgewandle Seite des Elements 28 aufgrund eines im Arm 7 vorgesehenen Kanals 34 mit dem im Bohrgestänge herrschenden Spülflüssigkeitsdruck beaufschlagt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Gesteinsbohrwerkzeug, insbesondere zum Tiefbohren mit Spülflüssigkeiten, aus einem mit mehreren Armen versehenen Bohrkörper, an denen jeweils eine Schneideinheit befestigbar ist, weiche aus einem Schneidkegel, einem im Inneren dieses Schneidkegels mit Abstand angeordneten zentralen Zapfen und einer in dem zwischen Schneidkegel und zentralen Zapfen gebildeten Ringkanal vorgesehenen, mehrreihigen Wälzlagerung besteht, die einen einteiligen Außenring und einen mehrteiligen Innenring aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der zentrale Zapfen (13; 13') einstückig mit dem Schneidkegel (9) ausgebildet und die Schneideinheiten (8) jeweils durch mindestens ein Element über die Stirnseite des Außenrings (10; 29) an den Armen (7) des Bohrkörpers (2) befestigbar sind.

2. Gestemsbohrwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente (23; 33) in den Armen (7) gehalten und in die Außenringe (10; 29) geschraubt sind.

3. Gesteinsbohrwerkzeug nach den Ansprüchen I und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Außenring (10; 29) und dem Innenmantel der Schneidkegel (9) ein Ringspalt (16) nach Art einer Labyrinthdichtung vorgesehen ist, der mindestens in einem seiner Endbereiche durch ein Dichtungsglied

(17) abgedichtet ist.

4. Gestein^johrwerkzeug nach einem der Ansprüche ί bis 3. dadurch gekennzc ;hnet, daß am Boden des Ringkanals (15) ein Schmiermiitelvorratsraum

(18) ausgebildet und det R;· im /wischen dem Außenring (10; 29) und dem Innenring (II; 31) im Bereich des freien Endes des zentralen Zapfens (13; 13') mittels eines membranartigen, dem Druck der Spülflüssigkeit ausgeset/ten Elements (28) abgedichtet ist.