DE3029963C2 - Bohrdüse - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Bohrdüse der im Oberbegriff von Anspruch 1 erläuterten Art

Aus der US-PS 41 19 160 ist eine Bohrdüse bekannt die mit zwei Schneidstrahldüsen ausgerüstet ist Eine der Schneidstrahldüsen verläuft genau senkrecht zur Drehachse des Gehäuses. Die andere Schneidstrahldüse ist um 30° geneigt und zwar derart, daß der erzeugte Schneidstrahl die Drehachse innerhalb des Gehäuses schneidet Der Materialabtrag durch diese Bohrdüse erfolgt derart daß die geneigte Düse das Material auf dem Mantel eines Materialkegels abträgt während die parallel mit der Drehachse austretende Schneidstrahldüse dafür sorgt daß die Spitze des Materialkegels abgetragen wird, bevor sie auf das Gehäuse der Bohrdüse stößt Es ist jedoch äußerst problematisch, insbesondere für härtere Materialien, mehrere Schneiddüsen einzusetzen, da das unter verschiedenen Winkeln auftreffende und somit unter verschiedenen Winkeln rückprallende Strömungsmittel die Ausbildung scharfer einzelner Schneidstrahlen verhindert Um die Wirkung von Strömungsmittelstrahlen zu untersuchen, wenn sie das einzige Schneidmittei bilden, wird in dieser Druckschrift eine Versuchseinrichtung beschrieben, in der nur eine einzige, geneigte Düse vorgesehen ist deren Strahlachse jedoch die Drehachse innerhalb des Gehäuses schneidet Sobald die Stirnfläche auf dem stehenbleibenden Materialkegel aufstieß, wurde der Versuch abgebrochen. Vereinfachte Demonstrationsversuche an Bohrdüsen, bei denen zur Untersuchung des Schneidstrahlverhaltens nur ein einziger Schneidstrahl verwendet wird, sind auch aus den Literaturstellen, »Werkbau-Wissenschaften«, Nr. 7, 1970, Seite 242 und »VI. International Mining Congress 1970«, N. Brook — C. H. Page beschrieben. In diesen Litcraturstellen wird jedoch immer eine derartige Anordnung des einzigen Schneidstrahles beschrieben, die zur Ausbildung eines derartigen Materialkegels führt, der beim fortlaufenden Bohren, insbesondere in hartem Material, gegen die Stirnfläche der Bohrdüse stößt. Ein praktisches Arbeiten mit den dargestellten Bohrdüsen ist somit kaum möglich.

Weiterhin ist beispielsweise aus der US-PS 36 45 346 ein Bohrkopf bekannt bei dem mehrere Schneidstrahlen im Zusammenhang mit mechanischen Bohrschneiden verwendet werden. Die Strömungsmitteldüsen sind in zwei Gruppen eingeteilt, wobei bei Bohrbeginn zunächst die Düsen der einen Gruppe im Einsatz sind. Sind diese verschließen, wird die Strömungsmittelzufuhr zu dieser Gruppe gedrosselt und zur zweiten Gruppe geöffnet. In einem Ausführungsbeispiel sind 12 Strömungsmitteldüsen gezeigt, die jeweils zu viert konzentrisch um die Drehachse angeordnet sind. Die äußeren vier Strömungsmitteldüsen sind derart geneigt, daß die Achse des Schneidstrahles die Drehachse innerhalb des

Gehäuses schneidet Die mittleren vier Strömungsmitteldüsen erzeugen einen Strömungsmittelstrahl, der parallel zur Drehachse verläuft und die inneren vier Strömungsmitteldüsen sind in einer Einsenkung angeordnet und derart geneigt, daß ihre Achse die Drehachse außerhalb des Gehäuses schneidet Insbesondere die !etztgenannten Düsen sind jedoch derart gegeneinander gerichtet und in der Einsenkung angeordnet, daß sie keinen begrenzten Schneidstrahl bilden können, sondern lediglich für einen Wirbel im Zentrum der Drehbewegung der Bohrdüse sorgen, der die Ausbildung einer Kegelspitze, die beim weiteren Vordringen der Bohrdüse gegen die Stirnfläche stoßen kann, verhindert Dieser Bohrkopf ist außerdem äußerst kompliziert aufgebaut und somit störanfällig.

Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, eine Bohrdüse zum Herstellen eines Bohrloches ausschließlich mittels eines Hochdruck-Strömungsmittels konstruktiv einfacher und effektiver auszubilden.

Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruches gelöst

Die Anordnung von nur einer Bohrstrahldüse verme·- det das Problem sich überlagernder Strömungsmittelströme, was zu Turbulenzen und Abtragungserscheinungen an der Bohrdüse selbst führen kann. Außerdem kann der starke Rückstoß, der bei einem geradlinigen Auftreffen des Schneidstrahles, insbesondere auf ein unmittelbar unter der Bohrdüse liegendes Material, auftritt, besser verteilt werden, als dies bei einer gattungsgemäßen Bohrdüse der Fall ist

Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung, insbesondere eine hinsichtlich Abdichtung und Verschleißsicherheit bevorzugte konstruktive Ausgestaltung betreffend, sind den Unteransprüchen 2 bis 8 zu entnehmen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine Perspektivansicht einer Strömungsmittel-Bohreinrichtung, welche eine erfindungsgemäße Düse umfaßt,

F i g. 2 eine vergrößerte Ansicht des Bohrabschnitts der Einrichtung der Fig. 1,

F i g. 3 die Ansicht eines Querschnitts einer erfindungsgemäßen Düse,

F i g. 4 eine Schnitt-Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Düse sowie eines hiervon gebohrten Loches, und

Fi g. 5 die Ansicht eines Querschnitts des den Strahl bildenden Bereichs der Düse der F i g. 3.

Fig. 1 stellt eine Strömungsmittelstrahl-Bohreinrichtung tO dar, welche dazu gebildet ist, um Löcher für Dachbolzen in Minen zu bohren. Die vorliegende Erfindung kann dadurch praktiziert werden, daß man eine derartige Einrichtung verwendet oder daß man irgendeine andere Einrichtung verwendet, welche in der Lage ist, ein Hochdruck-Strömungsmittel der Düse zuzuführen und eine derartige Düse um eine Achse zu drehen.

Die Einrichtung der Fig. 1 umfaßt einen mit Rädern versehenen Karren 12, auf welchem ein Elektromotor 14, ein Starter 16 für den Motor, ein Vorratsbehälter 18, eine hydraulische Pumpe 20 und ein Str&mungsmittelverstärker bzw. Druckverstärker 22 angebracht sind. w> Derartige Elemente sind schematisch dargestellt, soweit sie herkömmlich sind und als solche keinen Teil der vorliegenden Erfindung bilden. Der Elektromotor 14 treibt eine hydraulische Pumpe 20 an, welche Strömungsmittel mit verhältnismäßig niedrigem Druck (z. B. 207 bar) dem Verstärker 22 zuführt. Der Verstärker saugt Strömungsmittel wie etwa Wasser aus dem Vorratsbehälter 18 an und giot ein derartiges Strömungsmittel mit hohem Druck, in typischer Weise mi* 1380 bis 4140 bar, ab. Dieses Hochdruck-Strömungsmittel wird durch eine Verrohrung, die teilweise an der Stelle 23 in F i g. 2 gezeigt ist einem Hochdruck-Drehteil 24 zugeführt, von wo aus es durch einen drehbaren, rohrförmigen Bohrerschaft 26 zur Düse 30 strömt Die Düse veranlaßt das Hochdruck-Strömungsmittel, daß es hiervon in Form eines Hochgeschwindigkeits-Strömungsmittelstrahles 32 emittiert wird (z. B. 365,76 m/s), wie nachfolgend noch detaillierter beschrieben wird. Derartige Strahlen sind kohärente Strömungsmittelströme, welche in typischer Weise Durchmesser im Bereich von 0,0508 bis 0,0762 mm aufweisen.

Die Bohreinrichtung 10 der F i g. 1 umfaßt auch eine Einrichtung, die allgemein mit 34 bezeichnet ist um den Bohrerschaft 26 und die Düse 30 derart anzubringen, daß sie gedreht werden können und längs der Achse bei einer derartigen Drehung bewegt werden können. Eine derartige Einrichtung umfaßt ein starres Trageteil 36, welches sich horizontal vom Karren 12 aus erstreckt, Arme 38,40, welche sich zwischen der.; Tragteil 36 und dem Gehäuse 42 erstrecken, einen gekröpften Hebel 44, der am Ende des Trageteils 36 angebracht ist und schwenkbar am einen Ende mit dem Arm 38 verbunden ist, sowie einen hydraulischen Zylinder 46, welcher zwischen der: Trageteil 36 und dem anderen Ende des gekröpften Hebels 44 verbunden ist Die Arme 38,40 sind gemeinsam an ihren jeweiligen unteren Enden mit dem Trageteil 36 nahe dem Karren 12 derart angebracht daß die unteren Enden derartiger Arme horizontal gemeinsam längs den Trageteil gleiten können. Das obere Ende des Armes 38 ist schwenkbar mit dem Gehäuse 42 verbunden, während das obere Ende des Armes 40 schwenkbar mit einem Lenker 48 verbunden ist, der sich vom Gehäuse aus erstreckt und starr hiermit verbunden ist

Das Anheben und Absenken des Gehäuses 42 wird durch Betätigung des hydraulischen Zylinders 46 bewirkt, welcher den gekröpften Hebel 44 bzw. die Kurbel 44 dreht. Weil die unteren Enden der Arme 38, 40 frei sind, um horizontal zu gleiten, veranlaßt die Drehung des gekröpften Hebels 44 die oberen Enden derartiger Arme und das Gehäuse 42, sich ohne horizontale Bewegung nach oben oder unten zu bewegen. Während einer derartigen Auf- und Abbewegung wirken die Arme 38, 40 und der Lenker 48 als Parallelogrammanordnung, um das Gehäuse 42 in einer festliegenden Ausrichtung bezüglich dem Trageteil 36 zu halten, und deshalb auch hinsichtlich dem Rest der Bohreinrichtung 10.

Wie oben beschrieben, tritt das Hochdruck-Strömungsmittel in das Hochdruck-Drehteil 24 (F i g. 2) durch die Verrohrung 23 ein und strömt hiervon in den rohrförmigen Bohrerschaft 26 und schließlich zur Düse 30 ^nd.iroh. Das Hochdruck-Drehteil 24 ist im Gehäuse 42 angebracht und umfaßt einen drehbaren Abschnitt 25, an welchem der Bohrerschaft 26 befestigt ist. Die Drehung des Bohrerschaftes 26 wird mittels eines hydraulischen Motors 50 bewirkt, welcher ebenfalls im Gehäuse 42 angebracht ist. Die Strömungsmittelleitungen 52, 54 verbinden den Motor 50 mit einer hydraulischen Hilfspumpe (nicht gezeigt), welche am Karren 12 angebracht ist und durch den Elektromotor 14 getrieben ist. Der Motor 50 treibt das Zahnrad 56, welches seinerseits das Zahnrad 58 antreibt, das an dem Bohrerschaft 26 konzentrisch hiermit angebracht ist. Obwohl die Bohreinrichtung 1Ü eine Einrichtung für die ständige Drehung der Düse 30 aufweist, wird darauf hingewiesen, daß die vorliegende Erfindung ebenfalls verwirk-

licht werden könnte, wenn man eine Bohreinrichtung verwendet, welche die Düse vor- und rückwärtsschwenkt, oder oszillierend bewegt.

In F i g. 1 und 2 sind die Düse 30 und der Bohrerschaft 26 in ihrer nach oben ausgefahrenen Stellung gezeigt, s wobei sie diese Stellungen normalerweise nach Fertigstellung der Bohrung eines speziellen Loches einnehmen würden. In derartigen Lagen würde sich die Düse in das Loch hinein erstrecken, und das Loch seinerseits würde deshalb dazu dienen, die Düse und den Bohrerschaft an einer im wesentlichen horizontalen Verbiegung oder Schwingung zu hindern. Wenn die Düse und der Bohrerschaft in einer abgesenkten Lage sind, wie während des Anfangsstadiums beim Bohren eines Loches, dann wird diese selbe Funktion von einer Führung is 60 gewährleistet, welche an dem Trageieil 36 angebracht ist. Die Führung 60 endet in einer Manschette 62, weiche den Bohrerschaft 26 umgibt, wobei eine derartige Manschette die horizontale Verbiegung oder Schwingung des Bohrerschaftes insbesondere dann begrenzt, wenn er sich in seiner abgesenkten Lage befindet.

F i g. 3 stellt die Ansicht eines Querschnitts durch die Düse 30 und das zugeordnete Ende des Bohrerschaftes 26 dar. Die Düse 30 weiEt eine zylindrische äußere Form auf, sowie eine mittige Achse 70, welche ebenfalls die Mittenachse des rohrförmigen Bohrerschaftes 26 ist. Die Achse 70 ist jene Achse, um welche die Düse 30 und der Bohrerschaft 26 von der Bohreinrichtung 10 gedreht werden.

Die Düse 30 enthält in ihrem Inneren einen zylindrischen Hohlraum 72, welcher am rückwärtigen Ende der Düse (oberes Ende in Fig. 3) offen ist. Die Wände, welche das rückwärtige Ende des Hohlraumes 72 begrenzen, enthalten Gewindegänge 74, welche mit Gewindegängen 76 an der Außenoberfläche des Bohrerschaftes 26 zusammenpassen, wobei hierdurch die Düse am Bohrerschaft befestigt werden kann, wie gezeigt ist. Einem zylindrischen, abgeschrägten Abschnitt 78 am Ende des Bohrerschaftes 26 wird von einem in ähnlicher Weise abgeschrägten Abschnitt 80 in den Wänden entsprochen, welche den Hohlraum begrenzen, wobei derartige, abgeschrägte Abschnitte eine Dichtung bilden, um das Hochdruck-Strömungsmittel, das aus dem Inneren des Bohrerschaftes 26 in den Hohlraum 72 hindurchtritt, daran zu hindern, bis hinter die Gewindegänge 74, 76 zu entweichen.

Das vordere Ende der Düse 30 (unteres Ende in F i g. 3) enthält eine zylindrische Ausnehmung 82, innerhalb welcher er? zylindrisches, einen Strahl bildendes Element 86 mittels Gewindegängen 88 an der Innenwand der Ausnehmung 82 und Gewindegängen 90 an den Außenwänden des strahlbildenden Elements 86 angebracht ist Die Ausnehmung 82 geht kontinuierlich in den Hohlraum 72 über, und das den Strahl bildende Element 86 erstreckt sich deshalb zwischen dem Hohlraum 72 und der Außenseite der Düse. Wie im einzelnen unten beschrieben, empfängt das strahlbildende Element 86 Hochdruck-Strömungsmittel aus dem Hohlraum 72, wandelt ein derartiges Strömungsmittel in einen Hochgeschwindigkeits-Strömungsmittelstrahl um und richtet einen derartigen Strahl längs Linie 84, welche auch die Mittelachse des strahlbildenden Elements ist. Die Linie 84 ist um 30° bezüglich der Drehachse 70 geneigt und schneidet, was besonders wichtig ist, die Drehachse an der AuBenoberfläche der Düse 30. Der Grund dafür, daß man den Strömungsmittelstrahl in dieser Weise ausrichtet, kann unter Bezugnahme auf F i g. 4 noch besser hervorgehoben werden, welche ein Loch 91 abbildet, das gerade in einem Material 92 durch eine Bohrdüse 30 gebohrt wird, die an einem Bohrschaft 26 angebracht ist und einen Strömungsmittelstrahl 32 ausstößt. Da sich die Düse 30 um die Drehachse 70 dreht und gleichzeitig eine Vorschubbewegung in das Loch 91 hinein durchführt, bestreicht der Strahl 32 aufeinanderfolgende Materialkegel 92 und entfernt sie. Damit es allerdings jederzeit möglich ist, die Düse 30 in das Material 92 hinein voranzubewegen, ist es erforderlich, daß das gesamte Material unmittelbar vor der Düse 30 vorher vom Strahl 32 entfernt wurde. Dies wird dann der Fall sein, wenn der Strahl 32 die Drehachse der Düse an einer Stelle an oder außerhalb der Außenoberfläche der Düse schneidet. Eine einzige, drehbare Strömungsmiiteldüse, die derart ausgerichtet ist, ist in der Lage, wirksam Löcher einer Abmessung zu schneiden, welche ausreicht, um die Bohrdüse eintreten zu lassen. Der Punkt, an welchem der Strahl die Drehachse schneidet, sowie auch der Winkel, unter welchem er bezüglich dieser geneigt ist, kann entsprechend verschiedenen, gerade geschnittenen Materialien eingestellt werden, wobei der Schnittpunkt und -winkel, die in Fig.4 gezeigt sind, typisch sind für die Bohrung in Fels bzw. Gestein von mittlerer Härte.

Fig.5 stellt eine detaillierte Ansicht eines strahlbildender Elements 86 dar. Die Außenwand eines derartigen Elements enthält ein Gewinde 90, wie bereits beschrieben, sowie einen zylindrischen, abgeschrägten Abschnitt 94, welcher mit einem passenden abgeschrägten Abschnitt 96 in der Wand der Ausnehmung 82 derart in Eingriff bringbar ist, daß zwischen diesen Teilen eine Abdichtung gebildet wird. Das Innere des strahlbildenden Elements 86 enthält einen zylindrischen Kanal 98 mit variablem Durchmesser, der sich gänzlich durch das Element hindurch erstreckt, wobei die Mittelachse eines derartigen Kanals mit der Linie 84 zusammenfällt. Der äußerste Abschnitt 99 des Kanals 98 weist eine sechsekkige Form auf, um das Einführen und Entfernen des strahlbildenden Elements 86 in das Gehäuse der Düse 30 und aus diesem heraus zu erleichtern. Die Innenoberfläche des Elements 86 (obere Oberfläche in Fig.3] enthält einen flachen, zylindrischen, vertieften Abschniu 100, welcher mit dem Kanal 98 konzentrisch ist Eir Edelsteinelement 102 enthält in seinem Inneren eine mittige, zylindrische Blende 106 und ist im vertiefter Abschnitt 100 durch einen Gummiring 104 derart ange bracht, daß die Blende 106 auf der Linie 84 derart zen triert ist, daß ihre Mittelachse hiermit zusammenfällt Das Edelsteinelement 102 bildet einen Strahl 12 unc richtet ihn längs der Linie 84 aus, und die Blende 10( weist einen Durchmesser auf, der dem gewünschter Durchmesser des Strahles entspricht

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Bohrdüse zum Herstellen eines Bohrlochs ausschließlich mittels eines Hochdrudc-Strömungsmittels, die in den bereits gebohrten Teil des herzustellenden Bohrlochs nachführbar ist und ein drehend antreibbares Gehäuse aufweist, das axial von einem zylindrischen Hohlraum zum Hinführen des Strömungsmittels zu einer Strahlvorrichtung durchsetzt ist, die eine strahlbildende Einrichtung aufweist, deren Strahlachse zur Drehachse des Gehäuses geneigt ist und sie in einem Punkt schneidet, dadurch gekennzeichnet, daß die strahlbildende Einrichtung (86) aus einer einzigen Düse zum is Erzeugen eines einzigen Schneidstrahles (32) besteht, der die Drehachse (70) des Gehäuses (30) an oder vor der Stirnfläche der Bohrdüse schneidet

2. Bohrdüse nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eisen kegelstumpfförmigen Hohlraumabschnitt (SO? innerhalb des Düsengehäuses (30) zum dichtenden Eingriff mit einem Ende (7S) eines Bohrerschaftes (26).

3. Bohrdüse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Düsengehäuse (30) zur Aufnähme der strahlbildenden Einrichtung (86) eine zylindrische Ausnehmung (82) aufweist, die sich in das Düsengehäuse (30) hinein erstreckt und einen kegelstumpfförmig abgeschrägten Abschnitt (96) umfaßt, dessen kleineres Ende mit dem Hohlraum (72) im Gehäuse (70) verbunden ist, sowie einen zylindrischen Abschnitt, der sich von dem Ende des ke$;elstumpfförmigen Abschnitts .nit größerem Durchmesser bis zur Stirnfläche des Düsengehäuses (30) hin erstreckt, wobei die strah.bildende Einrichtung (86) lösbar in den zylindrischen Abschnitt eingesetzt ist und ihrerseits einen zylindrischen äußeren Abschnitt aufweist, welcher diesem zylindrischen Abschnitt im Gehäuse (30) entspricht, und einen kegelstumpfförmigen Endabschnitt (94), welcher zum dichtenden Eingriff mit dem kegelstumpfförmijjen, abgeschrägten Abschnitt des Gehäuses (30) an diesen angepaßt ist.

4. Bohrdüse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die strahlbildende Einrichtung (86) eine zylindrische Durchgangsbohrung (98) aufweist die in Strömungsmittelverbindung mit dem zylindrischen Hohlraum (72) des Gehäuses (30) steht, sowie ein Edelsteinelement (102), welches in einer zylindrischen Bohrung (98) der strahlbildenden Einrichtung angebracht ist und in seinem Inneren eine Blende (106) aufweist, durch die der Schneidestrahl (32) gebildet und längs einer Linie (84) derart ausgerichtet ist daß er die Drehachse (70) der Bohrdüse schneidet

5. Bohrdüse nach Anspruch 4, dadurch gekonnzeichnet, daß die zylindrische Bohrung (98) mehrere zylindrische Absätze (99, 100) umfaßt, wobei das Edelsteinelement (102) in einem der zylindrischen Absätze (100) angebracht ist, und daß ein Elastomer-Dichtungsring (104) zwischen dem Edelsteinelement und der zylindrischen Bohrung angeordnet ist.

6. Bohrdüse nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet daß die zylindrische Bohrung (98) eine Einrichtung (99) umfaßt, mittels der ein Eingriff mit einem Werkzeug zum Drehen der strahlbildenden Einrichtung (86) innerhalb der zylindrischen Ausnehmung (82) in der Stirnfläche des Gehäuses (30) her

stellbar ist

7. Bohrdüse nach einem der Ansprüche 2 bis 6. dadurch gekennzeichnet daß der Bohrerschaft (26) in den zylindrischen Hohlraumabschnitt (72) des Düsengehäuses (30) hineinragt und daß Mittel (74) vorgesehen sind, durch die der Bohrerschaft (26) mit dem Düsengehäuse (30) zu verbinden ist

8. Bohrdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine Einrichtung i(50,56) zum Drehen der strahlbildenden Einrichtung (86j um die Längsachse (70) des Düsengehäuses (26).