DE3339675A1 - Drilling tool for earth bores - Google Patents
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Abstract
Description
Beschreibung description
Bohrwerkzeug für Erdbohrungen Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Bohrwerkzeug, insbesondere für einen Rollmeißel zur Verwendung in einer Bohrmaschine für blbohrungen, geothermischen Bohrungen oder anderen Löchern im Erdboden, sowie für eine Tunnelbohrmaschine, wobei insbesondere das Bohrwerkzeug an dem Ende eines insbesondere rohrförmigen Bohrgestänges fixiert, in den Untergrund eingeführt, zum Bohren eines Loches durch das Bohrgestänge gedreht und mit dem Bohrgestänge aus dem gebohrten Loch entfernt wird. Earth Boring Drilling Tool The present invention relates to on a drilling tool, in particular for a rolling chisel for use in a Drilling machine for drilling, geothermal drilling or other holes in the ground, as well as for a tunnel boring machine, in particular the boring tool at the end a particularly tubular drill rod fixed, inserted into the ground, to drill a hole through the drill pipe and rotated with the drill pipe removed from the drilled hole.
Die Fig. 1 und 2 der beigefügten Zeichnungen stellen ein herkömmliches Bohrwerkzeug dar. Dieses Bohrwerkzeug umfaßt einen mit dem Bohrgestänge zu verbindenden Meißelkörper, eine Anzahl von (zwei, drei oder vier) Meißelzweigen 2 identischer Größe, die aus einem Stück mit dem Meißelkörper 1 sind und von Seiten des Meißelkörpers in symmetrischer Relation im Hinblick auf eine zentrale Achse 0 des Meißelkörpers 1 vorstehen, und eine Anzahl von rollenden Meißeln 4, 5, 6 auf, die an den Meißelzweigen 2 in gegenseitig innigem Kontakt auf radialen Zapfen 3 jeweils drehbar befestigt sind, die von den Meißelzweigen 2 in Richtung der zentralen Achse 0 des Meißelkörpers 1 schräg vorstehen. Die rollenden Meißel bzw. Meißelrollen 4, 5, 6 weisen eine identische konische äußere Form auf und haben spitze Klingen bzw. Blätter 4a, 4b, 5a, 5b, die auf ihren konischen Flächen befestigt sind und Bohrkanten bzw. -schneiden teilweise überlappende konische Oberflächen aufweisen, deren meiste Teile jedoch wechselweise zueinander angeordnet sind. Wenn die rollenden Meißel 4, 5, 6 um die zentrale Achse 0 des Bohrgestänges gedreht werden, während sie gegen den Boden eines zu bohrenden Loches gedrückt werden, rollen die rollenden Meißel 4, 5, 6 auf dem Lochboden, wenn sie jeweils um die geneigten Zapfen 3 gedreht werden. Die spitzen Enden der Spitzklingen 4a, 4b, 5a, Sb, ... auf den rollenden Meißeln 4, 5, 6 sind so ausgerichtet, daß sie miteinander zusammenwirken, derart, daß sie eine sich im wesentlichen normal zur zentralen Achse 0 des Meißelkörpers 1 sich erstreckende Fläche abtragen, um keine unabgetragenen Teile auf dem Lochboden zu hinterlassen.Figures 1 and 2 of the accompanying drawings illustrate a conventional one This drilling tool comprises a to be connected to the drill string Chisel body, a number of (two, three or four) chisel branches 2 identical Size that are made in one piece with the bit body 1 and on the part of the bit body in symmetrical relation with respect to a central axis 0 of the bit body 1 protrude, and a number of rolling chisels 4, 5, 6 on which are attached to the chisel branches 2 each rotatably mounted in mutual intimate contact on radial pins 3 are those of the chisel branches 2 in the direction of the central axis 0 of the chisel body 1 protrude at an angle. The rolling chisels or chisel rollers 4, 5, 6 have an identical one conical outer shape and have pointed blades or blades 4a, 4b, 5a, 5b, the are attached to their conical surfaces and drill edges or cutting partially have overlapping conical surfaces, but most of the parts alternate are arranged to each other. When the rolling Chisel 4, 5, 6 µm the central axis 0 of the drill string can be rotated while against the ground of a hole to be drilled are pressed, the rolling chisels 4, 5, 6 roll up the perforated bottom when they are rotated around the inclined pin 3. The tips Ends of the pointed blades 4a, 4b, 5a, Sb, ... on the rolling chisels 4, 5, 6 are aligned so that they cooperate with one another in such a way that they are one in the extending substantially normal to the central axis 0 of the chisel body 1 Remove the surface so as not to leave any unremoved parts on the perforated base.
Insbesondere weist die Meißelrolle 5 mehrere Spitzklingen 5a auf, die sich von einer Umfangsfläche um eine zentrale Achse S der Meißelrolle 5 nach außen erstrecken und die in einem ringförmigen Muster in regulären Intervallen voneinander beabstandet angeordnet sind. In ähnlicher weise weist die Meißelrolle 5 Spitzklingen 5b, 5c auf, die in ringförmigen Mustern auf unterschiedlichen Umfangsflächen angeordnet sind. Die Meißelrollen 4, 6 weisen ebenfalls Spitzklingen bzw. Spitzen 4a, 4b, 4c, 6a, 6b, 6c auf, die ähnlich angeordnet sind. Die Spitzen 4a, 4b, 5a, 5b, 6a, 6b, ... sind relativ zueinander so angeordnet, daß sie konzentrischen Kreisen gleichen oder unterschiedlichen Durchmessern folgen, wenn das Bohrwerkzeug um die zentrale Achse 0 gemäß Fig. 3 gedreht wird, wobei sie konzentrische Schneid- bzw. Abtragmuster auf dem Boden des durch das Bohrwerkzeug gedrehten Loches hinterlassen. Die Spitzen sind auch derart relativ angeordnet, daß der Boden des gebohrten Loches im wesentlichen flach ist, so wie es in der Fig. 4 dargestellt ist.In particular, the chisel roller 5 has several pointed blades 5a, which extends from a circumferential surface around a central axis S of the chisel roller 5 outside and extending in an annular pattern at regular intervals from each other are spaced apart. In a similar way, the chisel roller has 5 pointed blades 5b, 5c, which are arranged in annular patterns on different circumferential surfaces are. The chisel rollers 4, 6 also have pointed blades or points 4a, 4b, 4c, 6a, 6b, 6c, which are arranged similarly. The tips 4a, 4b, 5a, 5b, 6a, 6b, ... are arranged relative to each other in such a way that they resemble concentric circles or follow different diameters when the drilling tool around the central Axis 0 is rotated according to FIG. 3, with concentric cutting or removal patterns left on the bottom of the hole made by the drilling tool. The tips are also relatively arranged such that the bottom of the drilled hole is substantially is flat, as shown in FIG.
Wenn eine Felsenmasse zu zerbrechen ist, wird der Felsen längs einem Riß aufgerissen, der in einem im wesentlichen fixierten Winkel in Bezug auf eine Ebene ausgebildet ist, die senkrecht zu der Richtung ist, in welcher der Felsen dem Druck ausgesetzt wird. Der Rißwinkel d hängt von der Art des zu behandelnden Felsens ab und reicht generell von 30 bis 45° in Abhängigkeit von den internen Reibungswinkel. Unter der Annahme, daß eine gestufte Felsenfläche entsprechend der durchgezogenen Linie in Fig. 5 auf eine Tiefe gebohrt werden kann, die durch eine parallel zur durchgezogenen Linie verlaufende gestrichelte Linie angedeutet ist, wobei das Bohrwerkzeug eine Umdrehung macht, kann der Felsen,wie durch die schrägen gestrichelten Linien angedeutet, fortgebrochen werden, unter der Kraft, mit der die Meißelrollen gegen den Felsen gepreßt wird, unter Hinterlassung der Stufe des Felsens, die größer ist, als die Tiefe, die durch die einzige Umdrehung des Bohrwerkzeuges geschnitten oder abgetragen werden kann.When a rock mass is to be broken, the rock becomes along you Rift torn open at a substantially fixed angle with respect to a Level is formed, which is perpendicular to the direction in which the rock is exposed to pressure. The crack angle d depends on the type of treatment to be treated Rocks and generally ranges from 30 to 45 ° depending on the internal angle of friction. Assuming that a stepped rock surface corresponds to the solid Line in Fig. 5 can be drilled to a depth defined by a parallel to the Solid line, dashed line is indicated, wherein the drilling tool makes one turn, the rock can, as shown by the oblique dashed lines indicated to be broken away under the force with which the chisel rollers against the rock is pressed, leaving the step of the rock which is greater, than the depth cut by the single turn of the drilling tool or can be removed.
Demgemäß ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Bohrwerkzeug anzugeben, welches Spitzen zum Bohren eines Loches hat, wobei auf dem Boden des Loches Rippen hinterlassen werden, die größer sind als die Tiefe, welche das Bohrwerkzeug während einer Umdrehung schneiden kann, wodurch eine bessere Bohrwirkung erreicht wird, als wenn der Lochboden flach abgetragen würde, wie es in der Fig.4 dargestellt ist.Accordingly, it is an object of the present invention to provide a drilling tool indicate which point has to be used for drilling a hole, with the bottom of the The hole's ribs are left behind which are greater than the depth of the drilling tool can cut during one revolution, thereby achieving a better drilling effect is as if the perforated bottom would be removed flat, as shown in Fig.4 is.
Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Bohrwerkzeuges gehen aus den Unteransprüchen 2 bis 7 hervor.This object is achieved by the features specified in claim 1 solved. Preferred and advantageous configurations of the drilling tool according to the invention emerge from the subclaims 2 to 7.
Dementsprechend weist erfindungsgemäß ein Bohrwerkzeug zum Bohren eines Loches in den Erdboden einen Meißelkörper mit einem an einem Bohrgestänge anzubringenden Ende mehrere an dem entgegengesetzten Ende des Meißelkörpers befestigte und von dem entgegengesetzten Ende in Richtung einer zentralen Achse des Meißelkörpers unter einem Winkel dazu fortragende Zapfen und mehrere auf den Zapfen jeweils drehbar befestigte Meißelrollen zum Bohren eines Loches in die Erde auf. Die Meißelrollen tragen mehrere Spitzen zum Hinterlassen von Rippen auf dem Boden des Loches. Die Rippen weisen eine Höhe auf, die größer ist, als eine Tiefe, welche die Meißelrollen während einer Umdrehung des Bohrwerkzeuges bzw. Rollmeißels schneiden bzw. abtragen können.Accordingly, the invention has a drilling tool for drilling a hole in the ground a bit body with one on a drill pipe to be attached end several attached to the opposite end of the bit body and from the opposite end towards a central axis of the chisel body at an angle to it fortragende pegs and several on the Pin each rotatably mounted chisel rollers for drilling a hole in the earth on. The chisel rollers carry multiple points for leaving ridges on the Bottom of the hole. The ribs have a height that is greater than a depth which the chisel rollers during one revolution of the drilling tool or rolling chisel can cut or ablate.
Weitere Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung anhand der beigefügten Figuren. Von den Figuren zeigen: Fig. 1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines herkömmlichen Bohrwerkzeuges, Fig. 2 eine schematische Darstellung des in Fig. 1 gezeigten Bohrwerkzeuges, welche die Meißelrollen von oben zeigen, Fig. 3 eine Draufsicht auf den Boden eines durch das Bohrwerkzeug nach Fig. 1 gebohrten Loches, Fig. 4 einen Schnitt durch das Loch nach Fig. 3 Fig. 5 ein Diagramm, welches die Prinzipien der Bohrwirkung eines erfindungsgemäßen Bohrwerkzeuges zeigt, Fig. 6(a), 6(b) und 6(c) fragmentarische, schematische Darstellungen von jeweils drei Meißelrollen auf dem erfindungsgemäßen Bohrwerkzeug, Fig. 6(d) einen fragmentarischen Schnitt des Bodens eines durch die drei Meißelrollen nach den Fig. 6(a), 6(b) und 6(c) gebohrten Loches, und Fig. 7 einen fragmentarischen Schnitt durch den Boden eines Loches, das durch ein Bohrwerkzeug gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gebohrt worden ist.Further features and advantages of the present invention result can be derived from the following description of preferred embodiments of the invention based on the attached figures. The figures show: FIG. 1 a partially sectioned view Side view of a conventional drilling tool, FIG. 2 is a schematic representation of the drilling tool shown in Fig. 1, which show the chisel rollers from above, FIG. 3 is a top plan view of the bottom of one drilled by the drilling tool of FIG. 1 Hole, Fig. 4 is a section through the hole according to Fig. 3 Fig. 5 is a diagram which shows the principles of the drilling action of a drilling tool according to the invention, Fig. 6 (a), 6 (b) and 6 (c) are fragmentary, schematic representations of three each Chisel rollers on the drilling tool according to the invention, Fig. 6 (d) a fragmentary section of the bottom of a through the three chisel rollers according to Fig. 6 (a), 6 (b) and 6 (c) of the drilled hole, and Fig. 7 is a fragmentary section through the bottom of a hole made by a drilling tool according to another embodiment of the present invention has been drilled.
Ein erfindungsgemäßes Bohrwerkzeug zum Bohren eines Loches in die Erde weist drei Meißelrollen 4, 5, 6 auf, die in den Fig. 6(a), 6(b) bzw. 6(c) gezeigt sind. Die Meißelrollen 4, 5, 6 weisen jeweils Spitzen 4a, 5a bzw. 6a auf, welche kreisförmigen Bahnen folgen, welche den gleichen Radius aufweisen, der gleich dem äußeren Umfangsrand eines zu bohrenden Loches ist, sowie jeweils Spitzen 4d, 5c bzw. 6d, welche den kreisförmigen Wegen folgen, die den gleichen Radius aufweisen und nahe dem Zentrum des Loches sind, wobei diese Spitzen 4a, 5a, 6a, 4d, 5c, 6d die größte Höhe aufweisen. Die Meißelrolle 6 weist auch eine Spitze 6c mit der gleichen Höhe wie die Spitzen 6a, 6d auf, um eine Kreisbahn zu beschreiben, welche einen Radius aufweist, der halb so groß ist wie der Radius der von der Spitze 6a beschriebenen Kreisbahn. Die MeiBelrolle 6 weist zusätzlich eine Spitze 6b auf, die neben der Spitze 6a angeordnet ist, um eine Bodenfläche des Loches direkt radial einwärts der Spitze 6a abzutragen, wobei die Spitze 6b eine Höhe aufweist, die kleiner ist als die der Spitze 6a, d.h. um eine Stufe größer als die Tiefe, welche das Bohrwerkzeug während einer Umdrehung abtragen bzw. schneiden kann. Die Meißelrolle 4 weist eine Spitze 4c auf, die neben der Spitze 4d angeordnet ist, um eine Bodenfläche des Loches direkt radial außerhalb der Spitze 4d abzutragen, sowie eine Spitze 4b mi; einer Höhe, die kleiner ist als die der Spitze 4c, d.h. um eine Stufe größer als die Tiefe, die das Bohrwerkzeug während einer Umdrehung abtragen kann, um eine Bodenfläche des Loches zwischen den Spitzen 6b, 6c abzutragen.An inventive drilling tool for drilling a hole in the Earth has three chisel rollers 4, 5, 6 shown in Figures 6 (a), 6 (b) and 6 (c), respectively are. The chisel rollers 4, 5, 6 each have tips 4a, 5a and 6a, which circular paths follow, which have the same radius, which is equal to the outer peripheral edge of a hole to be drilled, as well as tips 4d, 5c, respectively and 6d, respectively, which follow the circular paths that have the same radius and are near the center of the hole, these peaks 4a, 5a, 6a, 4d, 5c, 6d have the greatest height. The chisel roller 6 also has a tip 6c with the same Height like the tips 6a, 6d to describe a circular path, which one Has a radius which is half the size of the radius described by the tip 6a Circular path. The chisel roller 6 also has a tip 6b, which in addition to the Tip 6a is arranged to a bottom surface of the hole directly radially inward the tip 6a to be removed, the tip 6b having a height which is smaller than that of the tip 6a, i.e. one step greater than the depth which the drilling tool can ablate or cut during one revolution. The chisel roller 4 has a Tip 4c, which is arranged adjacent to the tip 4d, around a bottom surface of the hole to be removed directly radially outside the tip 4d, as well as a tip 4b mi; one Height, which is smaller than that of the tip 4c, i.e. one step greater than the depth, which the drilling tool can remove during one revolution to a floor surface of the hole between the tips 6b, 6c to be removed.
Die Meißelrolle 5 weist eine Spitze 5b mit der gleichen Höhe wie die der Spitze 4b auf, um eine Bodenfläche des Loches zwischen den Spitzen 4c, 6c abzutragen.The chisel roller 5 has a tip 5b with the same height as that of the tip 4b to remove a bottom surface of the hole between the tips 4c, 6c.
Der Boden eines durch die Meißelrollen 4, 5, 6 gebohrten Loches ist querschnittsmäßig in der Fig. 6(d) dargestellt, die nur den Teil des Bodens zeigt, der sich von dem Zentrum des Loches bis zu einem Umfangsrand des Loches erstreckt. Das zwischen der gestrichelt linierten Position und der durchgezogen linierten Position gezeigte vertikale Intervall entspricht einer Tiefe, die durch eine Umdrehung des Bohrwerkzeuges abgetragen werden kann. Die auf dem Boden durch die Meißelrollen ausgebildeten Rippen weisen eine Höhe auf, die größer ist, als diese Tiefe. Dies bewirkt, daß der Boden des Loches unter der Kraft zerbrochen wird, mit welcher das Bohrwerkzeug gegen den Lochboden gedrückt wird, zusätzlich zu dem Schnitt bzw. Abtrag durch die rollenden Rollen bzw. Meisselrollen.The bottom of a hole drilled through the chisel rollers 4, 5, 6 is shown in cross-section in Fig. 6 (d), which shows only that part of the bottom which extends from the center of the hole to a peripheral edge of the hole. That between the dashed line position and the solid line position The vertical interval shown corresponds to a depth defined by one revolution of the Drilling tool can be removed. The ones on the floor by the chisel rollers formed ribs have a height which is greater than this depth. this causes the bottom of the hole to be broken under the force with which the Drilling tool is pressed against the bottom of the hole, in addition to the cut or removal by the rolling rollers or chisel rollers.
Es sind stufenförmige Grate vorhanden, die auf dem Boden des Loches,wie in der Fig. 6(d) dargestellt, ausgebildet sind, wobei die Grate einseitig nur in einer Richtung zu einem unteren Ende der Grate gebrochen sind.There are stepped ridges that are on the bottom of the hole, like in Fig. 6 (d), are formed, the ridges on one side only in one direction to a lower end of the ridges are broken.
Da der am meisten vorstehende Grat gemäß Fig. 5 jedoch auf beiden Seiten gebrochen ist, können die Meißelrollen Spitzen aufweisen, die so angeordnet sind, daß sie einen Lochboden hinterlassen, welcher gemäß Fig. 7 einen sägezahnförmigen Querschnitt aufweist, um die beiden Seiten eines jeden Grates zu brechen. Für eine gleichmässige Ausübung von Kräften von der Bohrplattform auf die Meißelrollen ist es notwendig, daß jede Meißelrolle we- nigstens ein Feld am meisten hervorstehender Spitzen aufweist, und die Anzahl der Felder von Spitzen für jede Meißelrolle so gleich wie möglich ist.However, since the most protruding ridge as shown in FIG. 5 on both If the sides are broken, the chisel rollers may have tips that are so arranged are that they leave a perforated bottom which, according to FIG. 7, is sawtooth-shaped Cross-section to break the two sides of each ridge. For one uniform exertion of forces from the drilling platform to the chisel rollers it is necessary that every chisel roller at least one field most has protruding peaks, and the number of fields of peaks for each Chisel roller is as equal as possible.
Die Rate, mit welcher ein Bohrwerkzeug einen Felsen bohren kann, hängt von der Härte des Felsens ab, und folglich werden verschiedene Bohrwerkzeuge mit verschiedenen Grössen und Höhen von Spitzen verwendet, die von der Art des zu bohrenden Felsens abhängen. Die Größen und Höhen der Meißelrollen und die Unterschiede zwischen den Höhen der Meißelrollen auf dem erfindungsgemäßen Bohrwerkzeug sollten so ausgewählt sein, daß sie der Härte des damit zu bohrenden Felsens angepaßt sind.The rate at which a drilling tool can drill a rock depends depends on the hardness of the rock, and consequently different drilling tools are used Different sizes and heights of tips used, depending on the type of to be drilled Depend on the rock. The sizes and heights of the chisel rollers and the differences between the heights of the chisel rollers on the drilling tool according to the invention should be selected be that they are adapted to the hardness of the rock to be drilled with it.
Es wurde ein Bohrwerkzeug zum Bohren eines Loches in die Erde beschrieben, das einen Meißelkörper mit einem Ende zum Anbringen an einem Bohrgestänge, eine Anzahl von an einem entgegengesetzten Ende des Meißelkörpers befestigten und von dem entgegengesetzten Ende in Richtung einer zentralen Achse des Meißelkörpers unter einem Winkel dazu fort sich erstreckenden radialen Zapfen, und eine Anzahl von Meißelrollen aufweist, die jeweils drehbar auf den Zapfen befestigt sind, um ein Loch in die Erde zu bohren. Die Meißelrollen tragen eine Anzahl von Spitzen zum Hinterlassen von Graten auf dem Boden des Loches, wobei die Grate Höhen aufweisen, die größer sind als eine Tiefe, welche die Meißelrollen während einer Umdrehung des Bohrwerkzeuges abtragen können.A drilling tool for drilling a hole in the earth was described, the one bit body with one end for attachment to a drill string, one Number of attached to an opposite end of the bit body and of the opposite end towards a central axis of the bit body below radial pegs extending at an angle thereto, and a number of chisel rollers has, which are each rotatably mounted on the pin to a hole in the Drill earth. The chisel rollers carry a number of points to leave behind of ridges on the bottom of the hole, the ridges having heights that are greater are as a depth, which the chisel rollers during one revolution of the drilling tool can ablate.
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