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Die Erfindung betrifft im allgemeinen fluidbetriebene Tiefloch-Schlagbohrer und im
besonderen Gehäuse, die als äußerer Körper für derartige Bohrer dienen.
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Fluidbetriebene Tieflochbohrer verwenden üblicherweise ein System innerer Zylinder oder
Speiserohre, um den Fluidtransport oder Anschlußfunktionen, die vom Luftkreislauf benötigt
werden, auszuführen. Diese inneren Teile müssen innerhalb der Zentralbohrung des
Bohrergehäuses gehalten werden. Um den Zylinderbohrungsdurchmesser zu maximieren und diese
Komponenten in der richtigen Längsposition zu halten, ist ein Festhalte-Schnappring, der in
eine Hinterschneidungsrille im Gehäuse paßt, als Schulteranlageeinrichtung vorgesehen. Die
Herstellung betreffende Überlegungen wie z. B. die Notwendigkeit zum Bohren, Schleifen und
Honen verbieten die Formation einer inneren Schulter, die Teil des Gehäuses ist oder eine
Verschleißhülse. Ein einteiliges Gehäuse mit einer integrierten Schulter oder ein in der Fabrik
installierter und nicht entfernbarer Ring könnte jedoch erwünscht sein, um die Zahl der
versorgten Teile auf einem Minimum zu halten, und um einen Schaden in diesem
empfindlichen Bereich während Reparaturmaßnahmen zu verhindern.
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Außerdem ist es wünschenswert, das Gehäuse in einer Form zu schaffen, so daß es in der
Länge umdrehbar ist, da das Gehäuse, wenn das vordere Ende des Gehäuses von der
Verwendung an der Bohrstelle verschlissen und abgetragen ist, längenmäßig umgekehrt werden kann,
um das unverschlissene Gehäuseende an der Bohrstelle zu positionieren, wodurch die
Lebensnutzdauer des Gehäuses verlängert wird. Ein derartiges umdrehbares Gehäuse muß eine
Schnappringnut mit einer Länge aufweisen, die größer ist als die Körperlänge des
Schnapprings, um eine Installation des Schnapprings zu ermöglichen. Da die Schnappringnut an einem
Ort in der Mitte zwischen den Gehäuseenden angeordnet ist, ist es für die Person, die den
Bohrer zusammenbaut, problematisch, einen Schnappring exakt auszurichten und einzusetzen,
es sei denn, die Schnappringnutlänge ist größer als die Länge des Schnappringkörpers. Wenn
die Länge der Schnappringnut für eine einzelne Bohrung und einen Schnappring zu lang ist,
kann der Schnappring schräggestellt oder gedreht werden oder seinen Paßsitz in der Nut
verlieren und frei herausfallen, wenn das Gehäuse leer ist, was der Fall ist, wenn die inneren
Teile des Bohrers repariert werden.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Gehäuse für einen Tieflochbohrer
vorgesehen, wobei das Gehäuse zur Verbindung an einem ersten Gehäusende mit
Betriebselementen eines Bohrerhinterkopfes und an einem zweiten Ende mit Betriebselementen eines
Bohrervorderkopfes geeignet ist, wobei das Gehäuse in Längsrichtung reversiert werden kann,
wenn eines der beiden Enden während des Gebrauchs verschlissen wird, wobei das Gehäuse
eine Schnappringnut aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnappringnut eine Länge
der Schnappringnut im Bereich von 0,25 bis 7,80 Zoll (0,635 bis 19,812 cm) bei einem
Gehäusebohrungs-Durchmesser zwischen 2,0 bis 10,0 Zoll (5,08 bis 25,40 cm) hat, wenn die
Schnappringnut ein Schnappringschulterverhältnis zwischen 10,0 bis 15,0 und ein
Schnappring-Höheßreiteverhältnis zwischen 1,0 bis 6,0 hat.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Gehäuse für einen
Tieflochbohrer vorgesehen, wobei das Gehäuse an einem ersten Gehäuseende zur Verbindung mit
Betriebselementen eines Bohrerhinterkopfes und an einem zweiten Gehäuseende zur
Verbindung mit Betriebselementen eines Bohrervorderkopfes geeignet ist, wobei das Gehäuse in
Längsrichtung reversiert werden kann, wenn eines seiner Enden während des Gebrauchs
verschlissen wird, mit einem länglichen hohlen rohrförmigen Körper, der sich in einer
Längsrichtung zwischen dem ersten Gehäuseende und dem zweiten Gehäuseende erstreckt,
wobei eine innere Oberfläche in diesem Körper eine Bohrung bildet, die einen Durchmesser
D hat, wobei die Bohrung eine Achse hat, die sich in der Längsrichtung erstreckt, und mit
einer Schnappringnuteinrichtung in der inneren Oberfläche, um darin einen Schnappring zu
halten, der zum Tragen von Betriebselementen des Bohrerhinterkopfes in der Bohrung
geeignet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Schnappring ein
Schnappring-Höheßreiteverhältnis zwischen 1,0 und 6,0 hat, wobei die Schnappringnuteinrichtung im wesentlichen
zwischen dem ersten und dem zweiten Gehäuseende zentriert ist und sich in einer radialen
Richtung von der Achse der Bohrung erstreckt, wie in einer Ebene quer zu der Längsrichtung
des Körpers zu sehen ist und wobei die Schnappringnuteinrichtung:
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i. eine Länge L hat, gemessen in Längsrichtung,
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ii. eine Tiefe t hat, gemessen in radialer Richtung, und
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iii. ein Schulterverhältnis D/t hat, wobei die Länge L in den folgenden Bereichen ein
Maximum hat:
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wodurch der Schnappring (50) durch die Schnappringnuteinrichtung (72) daran gehindert
wird, aus der Schnappringnut schräg herauszulaufen, wenn das Gehäuse (9) nicht mit
Betriebselementen des Bohrers verbunden ist, und daß die innere Oberfläche der Bohrung ein
Profil hat, das im wesentlichen eine spiegelbildliche Form hat, gesehen von einer der beiden
Seiten der Schnappringnuteinrichtung.
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Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen
eines umkehrbaren Gehäuses für einen Tieflochbohrer vorgeschlagen, wobei das Gehäuse in
Längsrichtung reversiert werden kann, wenn eines seiner Enden während des Betriebs
verschlissen wird, mit einem Vorbereiten eines länglichen hohlen rohrförmigen Gehäuses mit
einem ersten Gehäuseende und einem zweiten Gehäuseende, Vorbereiten einer Bohrung, die
durch eine innere darin befindliche Oberfläche gebildet wird, Vorbereiten einer
Schnappringnut in der inneren Oberfläche zum darin Festhalten eines Schnapprings, der zum Tragen
von Betriebselementen des Bohrerhinterkopfes in der Bohrung geeignet ist, dadurch
gekennzeichnet, daß der Schnappring ein Schnappring-Höheßreiteverhältnis zwischen 1,0 und 6,0
hat, und daß die Schnappringnut im wesentlichen zwischen dem ersten und dem zweiten
Gehäuseende zentriert ist, wobei sich die Schnappringnut von der Achse der Bohrung in einer
radialen Richtung erstreckt, wie in einer Ebene quer zur Achse zu sehen ist, wobei die
Schnappringnut aufweist:
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i. eine Länge L, gemessen in der genannten Längsrichtung,
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ii. eine Tiefe t, gemessen in der radialen Richtung, und
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iii. ein Schulterverhältnis D/t, wobei die Länge L ein Maximum in folgenden
Bereichen hat:
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wodurch der Schnappring durch die Schnappringnut zurückgehalten wird, aus der
Schnappringnut schräg herauszufallen, wenn das Gehäuse nicht mit Betriebselementen des
Bohrers verbunden ist.
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Zum besseren Verständnis der Erfindung und um zu zeigen, wie diese ausgeführt werden
kann, wird nun in beispielhafter Weise unter Zuhilfenahme der Zeichnungen Bezhg darauf
genommen:
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Fig. 1 ist ein Längsschnitt eines Tieflochbohrers mit einem Kolben in einer
Antriebsposition.
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Fig. 2 ist eine Ansicht ähnlich von Fig. 1, wobei der Kolben sich in einer
Umkehrposition befindet.
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Fig. 3 ist ein Längsquerschnitt eines Gehäuses des Bohrers.
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Fig. 4 ist eine schematische Längsschnittansicht eines Schnapprings in einer
Schnappringnut des Gehäuses, wobei der Schnappring in die Stellung schräggestellt ist, in
der er dabei ist, seine Übergangspassung zu verlieren und aus der Nut zu fallen,
und wobei der Schnappring in Normalstellung gestrichelt dargestellt ist.
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Fig. 5 bis 8 zeigen Kurven, die das Verhältnis zwischen der
Schnappringnutlänge, Bohrung, Schnappringschulterverhältnis und Schnappring-
Höheßreiteverhältnis zeigt.
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Um die vorliegende Konstruktion zu erklären, ist es zweckmäßig, ihren Bezug zu einem
arbeitsfähigen Tieflochbohrer zu beschreiben. Dementsprechend wird im folgenden ein
Ausführungsbeispiel eines derartigen Bohrers beschrieben. Gemäß den Fig. 1 und 2 wird
ein fluidbetriebenes Schlagwerkzeug generell mit dem Bezugszeichen 1 belegt. Die
Vorrichtung ist zum Einhängen in einen (nicht gezeigten) Bohrstrang geeignet. Der Bohrer ist mit
einer Hinterkopfkupplung 3 ausgestattet, die einen mit Gewinde versehenen Abschnitt 5 für
eine Schraubverbindung mit dem Bohrstahl aufweist. Die Hinterkopfkupplung 3 hat eine dort
hindurchgehende Bohrung 7 für eine Strömung von Schlagfluid, wie aus dem Stand der
Technik bekannt ist. Ein hohles längliches rohrförmiges Gehäuse 9 hat ein erstes Ende II,
das über ein Gewinde mit der Hinterkopfkupplung 3 verbunden ist. Ein Körperabschnitt 13
des Gehäuses 9 erstreckt sich längs zu einem zweiten Ende 15, das über eine
Schraubverbindung mit einem vorderen Kopfabschnitt, im allgemeinen mit 17 bezeichnet, verbunden
ist.
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Der vordere Kopfabschnitt 17 enthält einen Bohreinsatz 19, der in einem Futter 21 gleitend
gehalten ist, welches an das zweite Ende des Gehäuses 9 geschraubt ist. Ein flexibler
Rückhaltering 23, der in dem Gehäuse 9 über dem Futter 21 angeordnet ist und eine Hülse 25 mit
einem zweiten geteilten Ring 27 in einer Hinterschneidung im Gehäuse 9 vervollständigen die
vordere Kopfkombination 17. Die vorderen Kopfelemente werden nur der Übersicht wegen
beschrieben.
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Ein hinterer Kopfanordnungsabschnitt, generell mit 30 bezeichnet, enthält einen Luftverteiler
32, der in dem Gehäuse 9 angeordnet ist. Eine Rückschlagklappe 34 in der Bohrung 7 ist
ebenfalls ein Teil der hinteren Kopfanordnung 30, um in dem Bohrer in bekannter Weise
einen Luftrückfluß zu verhindern. Der Luftverteiler 32 enthält ein Ventilglied 35, das
während des Betriebs der Vorrichtung öffnet und schließt, um in bekannter Weise eine
Fluidströmung in verschiedene Kanäle zu ermöglichen. Der Luftverteiler 32 weist einen
Körperabschnitt 36 auf, der eine ebenfalls in konventioneller Art und Weise erstreckte Abblaslanze
38 aufweist. Der Luftverteiler 32 hat auch eine Zylinderhülse 40, die sich entlang des
Gehäuses 9 längs erstreckt. Die Kombination der beschriebenen Elemente einschließlich der
Rückschlagklappe 34, des Luftverteilers 32, der Abblaslanze 38 und der Zylinderhülse 40
wird in der Bohrung 40 des Gehäuses 9 über eine Kupplung 3, die in das Gehäuseende 11
geschraubt ist und gegen einen ersten Kragen 44 drückt, der auf einer Feder 46, die auf
einem zweiten Kragen 48 sitzt, zurückgehalten. Die hinteren Kopfabschnitte werden hier
ebenfalls nur zur Klarheit beschrieben.
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Die hintere Kopfanordnung 30 wird an einem vorderen Ende im Gehäuse 9 durch einen
geschlitzten Schnappring 50 getragen. Der Schnappring 50 ist zwischen dem ersten und dem
zweiten Gehäuseende 11 und 15 zentriert, wie im folgenden beschrieben werden wird.
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Ein Kolben 52 ist zwischen der hinteren Kopfanordnung 30, wie in Fig. 1 gezeigt ist, und
einem vorderen Kopf 17, wie in Fig. 2 gezeigt ist, in bekannter Weise verschiebbar
angeordnet. Der Kolben 52 bildet einen Teil der hinteren Kopfanordnung 30, wenn der Kolben
52 sich in der Antriebsposition befindet, wie in Fig. 1 gezeigt ist, und er bildet einen Teil
des vorderen Kopfs 17, wenn sich der Kolben 52 in der Umkehrposition, wie in Fig. 2
gezeigt ist, befindet. Der Kolben 52 hat eine Vielzahl von Nuten, Hinterschneidungen und
Stegkontaktoberflächen, wie man sie aus dem Stand der Technik kennt. Während des
Bohrbetriebs expandieren und kontrahieren die Antriebskammer 54 und die Rückkehrkammer 56
alternativ im Volumen und blasen ab und komprimieren das Schlagfluid in bekannter Weise.
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Wie genauer in Fig. 3 dargestellt ist, hat das vorliegende Gehäuse 9 eine innere Oberfläche
60, die eine Bohrung 62 bildet, die eine Achse 64 hat, die sich längs in der gleichen Richtung
wie der Körper 13 des Gehäuses 9 erstreckt und mit der Achse der Bohrung 7 der hinteren
Kopfkupplung 3 zusammenfällt. Die innere Oberfläche 60 des Gehäuses 9 hat ein Profil, das
mit einer Vielzahl von Hinterschneidungsabschnitten 66 alternierend mit Stegabschnitten 68
versehen ist, wobei das Profil durch einen Bohr- und Fräsvorgang in bekannter Weise
hergestellt wird. Der Zweck des Profils besteht darin, die hintere Kopfanordnung 30 und die
vordere Kopfanordnung 17 mit Flächen oder Hinterschneidungen in dem Kolben 52 zu
kombinieren, um unterschiedliche Fluidkanäle zum Fließen von Schlagfluid zu bilden, um den
Bohrer in bekannter Weise zu betreiben. Die genaue Kombination von Stegen 68 und
Hinterschneidungen 66 in dem Gehäuse 9 und die Oberflächen oder Nuten in den anderen
Elementen können von Bohrer zu Bohrer unterschiedlich sein, solange die Schlagumkehr des Kolbens
zusammen mit dem Abblasen des Schlagfluids in bekannter Weise erreicht wird.
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Das Gehäuse 9 ist in Längsrichtung umkehrbar, gemessen an einer Mittelebene 70 (Fig. 3)
quer zur Längsrichtung des Gehäusekörpers, wobei diese Ebene zwischen dem ersten und
zweiten Gehäuseende 11 und 15 zentriert ist. Damit das Gehäuse 9 reversiert werden kann,
müssen die erste Nuteinrichtung (Hinterschneidungen 66 und Stege 68) zwischen dem ersten
Gehäuseende 11 und der Mittellinie 70 im wesentlichen dieselben sein, wie die zweite
Nuteinrichtung (Hinterschneidungen 66 und Stege 68) zwischen dem zweiten Gehäuseende 15
und der Mittellinie 70. Genau aus diesem gleichen Grund sind wir der Ansicht, daß die Nuten
an jedem Ende des Gehäuses 9 die gleichen funktionalen Fluidkanäle haben müssen in
Kombination mit der hinteren Kopfanordnung 30 und dem vorderen Kopf 17, unabhängig
davon, welches Gehäuseende mit dem vorderen Kopf oder dem hinteren Kopf verbunden ist.
Für eine optimale Funktion und eine einfache Herstellung des Gehäuses ist es wünschenswert,
daß die erste Nuteinrichtung und die zweite Nuteinrichtung spiegelbildlich zu der
Mittellinienebene 70 liegen. Leichte Variationen weg von der spiegelbildlichen Ausgestaltung können
jedoch funktionieren, solange die Fluidkanäle im wesentlichen gleich ausgebildet sind,
unabhängig von der Längsorientierung des Gehäuses. Eine Schnappringnut 72 ist über der
Ebene 70, wie in Fig. 3 zu sehen ist, zentriert. Die Schnappringnut 72 ist eine Nut mit
flachem Boden, die sich radial von einer Achse 64, wie in der Ebene 70 zu sehen ist,
erstreckt. Die Nut 72 besteht aus einem Paar beabstandeter paralleler, sich radial erstreckender
Seitenwände 74 mit einer dazwischen befindlichen Grundfläche 76. Die Nut 72 erstreckt sich
längs entlang des Gehäuses 9 und ist um die Ebene 70 zentriert, um sich über eine gleiche
Strecke auf jeder Seite der Ebene 70 zu erstrecken.
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Wie in den Fig. 1 und 2 zu sehen ist, ist die Länge der hinteren Kopfanordnung 30,
angegeben mit dem Bezugszeichen 80 so bemessen, daß sie nicht in die exakte
Mittellinienebene 70 des Gehäuses 9 fällt. Deshalb wird es eine leichte Längsbewegung des Schnapprings
50 in der Schnappringnut 72 nach hinten und nach vorne geben, abhängig davon, mit
welchem Ende des Gehäuses 9 die hintere Kopfanordnung 30 verbunden ist.
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Die Längsbewegung des Schnapprings 50, wie in Fig. 4 gezeigt ist, erlaubt ihm jedoch, zu
rotieren oder aus der Mittellinienebene 70 herauszukippen. Dieses Kippen erlaubt unter
gewissen Umständen, daß der Schnappring 72 sein Übermaß 90 gegenüber den
Schnappringnut-Seitenwänden 74 verliert und dadurch aus der Schnappringnut 72 frei herauskommt,
wenn sich die Betriebselemente der hinteren Kopfanordnung 30 des Bohrers nicht innerhalb
des Gehäuses 9 befinden, wenn z. B. der Bohrer repariert wird.
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Nach Fig. 4 werden verschiedene Dimensionsparameter beschrieben, die für eine gute
Konstruktion des Tieflochbohrers ausbalanciert sein müssen, einschließlich der folgenden:
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a. Die Gehäusebohrung 42 (bezeichnet mit D), hat einen kreisförmigen
Querschnitt, gemessen in radialer Richtung von der Achse 64 in der Ebene 70
senkrecht zur Achse 64 und senkrecht zur Längsrichtung des Gehäusekörpers
9.
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b. Die Schnappringnut 72 hat eine Länge 100 (bezeichnet mit L), gemessen in
Längsrichtung des Gehäusekörpers 9.
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c. Eine Schnappringnuttiefe 102 (bezeichnet mit t), gemessen in radialer
Richtung von der Achse 64 in der Ebene 70, senkrecht zur Achse 64 und ebenfalls
senkrecht zur Längsrichtung des Gehäusekörpers 9.
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d. Eine Schnappringnutschulter 104, gemessen radial von der Achse 64 und
gleich zur Schnappringnuttiefe t.
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e. Ein Schnappringschulterverhältnis (bezeichnet mit r), berechnet als das
Verhältnis von D/t.
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f. Eine Schnappringkörperlänge 106 (bezeichnet mit 1), gemessen in
Längsrichtung des Gehäusekörpers 9, und
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g. ein Schnappring-Höheßreiteverhältnis (bezeichnet mit k), berechnet aus 1/t.
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Das Schnappringschulterverhältnis (r) ist ein Maß der relativen Schnappringschültergröße
(Lasttragebereich) innerhalb des Gehäuses 9. Designüberlegungen betreffend die
Lasttragkapazität, erforderlich zum Tragen der hinteren Kopfanordnung 30 und eine minimale
Wanddicke des Gehäuses 9, müssen angestellt werden, wenn das geeignete
Schnappringschulterverhältnis berechnet wird. Beispielsweise schafft ein Schulterverhältnis von 10,0 eine
große und starke Schultergröße, verringert jedoch die Wanddicke des Gehäuses 9. Ein
Schulterverhältnis von 150.0 schafft eine schmale Schulter und eine maximierte
Gehäusewanddicke.
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Das Schnappring-Höhe/Breiteverhältnis (k) ist ein Maß der relativen Biegefestigkeit des
Schnapprings 50. Designüberlegungen, wie Festigkeit und Einfachheit der Installation, müssen
durchgeführt werden, wenn dieser Parameter ausgewählt wird. Beispielsweise würde ein
Schnappring-Höhe/Breiteverhältnis von 1,0 einen dünnen Ring ergeben, der einfach zu
installieren ist, jedoch geringe Biegefestigkeit bietet. Ein Schnappring mit einem Höhe
Breiteverhältnis von 6,0 würde einen sehr starken Ring ergeben, jedoch schwer zu montieren
sein.
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Wir haben festgestellt, daß es ein Verhältnis unter den oben aufgelisteten
Konstruktionselementen gibt, wodurch die maximale Länge (L) einer Schnappringnut 72 vorhergesagt
werden kann, wobei die Länge (L) eine Längsbewegung des Schnapprings 50 ermöglicht,
während der Schnappring 50 noch in der Nut 72 durch eine Übermaßpassung gehalten wird.
Die äußeren Grenzwerte einer derartigen Nutlänge (L) sind in Tabelle I aufgelistet und in den
Fig. 5 bis 7 grafisch dargestellt.
TAFEL I (Zollmaße)
TAFEL I (Metrische Maße)
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In Fig. 5 ist die bevorzugte Kombination des Schulterverhältnisses (r) und des Schnappring-
Höheßreiteverhältnisses (k) gezeigt zur Vorhersage der maximal annehmbaren Nutlänge (L)
für unterschiedliche Bohrungsdurchmesser (D). Jede Nutlänge, die unter die Kurve 110 fällt,
wird den Schnappring 50 in der Nut 72 zurückhalten. Oberhalb der Kurve 110 wird der
Schnappring 50 frei aus der Nut 72 "kippen". Fig. 6 zeigt den äußeren Extremwert
brauchbarer Nutlängen L für eine geringe Nuttiefe (t) [r = 150,0] und eine kurze Ringkörperlänge
(1) [k = 1,0]. Jede Nutenlänge (1) unterhalb der Kurve 120 ist akzeptierbar. Fig. 7 zeigt den
äußeren Extremwert akzeptierbarer Nutlängen (L) für eine tiefe Nuttiefe (t) [r = 10,0] und
eine große Ringkörperlänge (1) [k = 6,0]. Jede Nutlänge (L) unterhalb der Kurve 130 ist
akzeptierbar. Fig. 8 zeigt eine Kombination der Kurven der Fig. 5 bis 7.
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Schließlich gilt die Annahme, daß der Begriff "Schnappring", wie er hier verwendet wird, ein
konventionelles, im wesentlichen kreisförmiges, elastisch verformbares, ringartiges Element
betrifft, das elastisch in einen kleineren Durchmesser zum Einsatz in die Bohrung 42 während
der Montage des Bohrers 42 eingesetzt werden kann. Der Ring wird sich ausdehnen oder in
die Nut 72 "schnappen", um seine äußere Durchmesserfläche leicht gegen die Bodenfläche 76
der Nut zu drücken, wobei seine innere Durchmesseroberfläche sich etwas in die Bohrung 42
erstreckt, was zum Tragen der hinteren Kopfanordnung 30 führt, wie oben beschrieben
wurde. In dieser Stellung ist der Ring 50 in der Regel permanent in der Nut 72 positioniert,
wobei er nur mit Spezialwerkzeugen und/oder mit einem besonderen Aufwand entfernt
werden kann.