Die Erfindung betrifft eine Bohrantriebsvorrichtung für ein Erdbohrgerät mit einer Spindelanordnung, welche eine innere Spindeleinheit und eine äußere Spindeleinheit aufweist, welche axial verschiebbar auf der inneren Spindeleinheit und schwimmend zwischen zwei Federeinrichtungen gelagert ist, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige Bohrantriebsvorrichtungen sind insbesondere bei Bohrgeräten zum Erd- und Gesteinsbohren bekannt, bei welchen als ein Bohrwerkzeug eine Imlochhammerbohreinheit eingesetzt wird. Bei einer Imlochhammerbohreinheit sind ein oder mehrere axial angetriebene Schlagelemente vorgesehen, welche beim rotierenden Antrieb der Imlochhammerbohreinheit zusätzlich eine schlagende Bewegung ausführen. Derartige Imlochhammerbohreinheiten können insbesondere zum Erstellen eines Bohrloches in einem Felsgestein eingesetzt werden. Eine Imlochhammereinheit geht etwa aus der EP 3 336 301 A1 hervor.

Es ist bekannt, dass die bei einer Imlochhammerbohreinheit ausgeübte zusätzliche Schlagbewegung zu einer zusätzlichen Belastung des Rotationsbohrantriebes führt. Zur Reduzierung dieser Belastung ist es weiter bekannt, eine Antriebsspindel des Bohrantriebes in axialer Richtung federnd zu lagern, so dass die axialen Hammerschläge sich nicht unmittelbar auf die Lager des Bohrantriebes auswirken können.

Allerdings wird durch eine derartige Lagerung die weitere Betriebsweise der Antriebsspindel beeinflusst. Insbesondere ist es im Bohrbetrieb erforderlich, auch bei einem Einsatz einer Imlochhammerbohreinheit eine gewisse axiale Andruckkraft aufzubringen. Zudem muss auch ein gewisses axiales Spiel vorgesehen sein, um ein axiales Verschrauben bei einem Bohrgestänge aus mehreren Bohrstangen mit Gewindeverbindungen zu erlauben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Bohrantriebsvorrichtung anzugeben, welche einerseits einen effizienten Bohrbetrieb und andererseits eine gute Schonung des Bohrantriebs beim Einsatz eines axial schlagenden Bohrwerkzeuges ermöglicht.

Die Aufgabe wird nach der Erfindung durch eine Bohrantriebsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Die erfindungsgemäße Bohrantriebsvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine erste vordere Federeinrichtung, welche an einer Bohrwerkzeugseite angeordnet ist, eine Kombination zumindest einer Spiraldruckfeder und einer ersten Tellerfederanordnung umfasst, und dass eine zweite hintere Federeinrichtung, welche von der Bohrwerkzeugseite abgewandt ist, eine zweite Tellerfederanordnung aufweist.

Eine Grundidee der Erfindung besteht darin, zwischen der äußeren Spindeleinheit und der inneren Spindeleinheit eine schwimmende Lagerung zwischen zwei Federvorspannvorrichtungen vorzusehen. Insbesondere weist dabei eine erste vordere Federeinrichtung, welche der Seite mit dem Bohrwerkzeug zugewandt ist, und eine zweite hintere Federeinrichtung, welche von der Bohrwerkzeugseite abgewandt ist, jeweils eine Tellerfederanordnung auf. Durch diese beiden Tellerfederanordnungen können Schlagbewegungen, welche von dem Bohrwerkzeug, insbesondere einer Imlochhammereinheit, ausgehen, besonders gut aufgefangen und abgedämpft werden. Je nach Art der Anordnung kann dabei ein Bohrwerkzeug mit der inneren Spindeleinheit oder der äußeren Spindeleinheit verbunden sein. Vorzugsweise wird das Drehmoment über die äußere Spindeleinheit eingeleitet, so dass durch die fehlende Lagerung Stöße von der inneren Spindeleinheit nicht oder nur stark abgedämpft auf die äußere Spindeleinheit übertragen werden können. Im umgekehrter Weise kann auch eine Drehmomentübertragung von einem Bohrantrieb zunächst auf die innere Spindeleinheit erfolgen, während das Bohrwerkzeug direkt oder über ein Bohrgestänge mit der äußeren Spindeleinheit verbunden ist.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist an der ersten vorderen Federeinrichtung zusätzlich zu der ersten Tellerfederanordnung mindestens eine Spiraldruckfeder angeordnet. Die vorzugsweise relativ weiche Spiraldruckfeder ermöglicht dabei insbesondere ein leichtes Relativverschieben zwischen den beiden Spindeleinheiten, was etwa beim Anschrauben von Bohrgestängeelementen mit Gewindeverbindungen vorteilhaft ist. Insgesamt kann so ein effizienter Bohrbetrieb bei einer gleichzeitigen guten Dämpfung von Schlägen vom Bohrwerkzeug auf den Bohrantrieb erreicht werden.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass die Spiraldruckfeder der ersten Federeinrichtung einerseits an einem radial nach außen gerichteten ersten Flansch an der Außenseite der inneren Spindeleinheit und andererseits an einem Auflagering abgestützt ist, welcher axial verschiebbar durch die Tellerfederanordnung federnd an der äußeren Spindeleinheit gelagert ist. Durch die Lagerung der Spiraldruckfeder an der Außenseite der Spindelanordnung wird eine gute Beweglichkeit bei einfacher Wartung der Teile sichergestellt.

Der Flansch kann an der Außenseite einstückig mit der inneren Spindeleinheit ausgebildet oder daran befestigt sein.

Eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung der Bohrantriebsvorrichtung nach der Erfindung ergibt sich dadurch, dass die zweite Tellerfederanordnung der zweiten hinteren Federeinrichtung einerseits an einem radial nach außen gerichteten zweiten Flansch der inneren Spindeleinheit und andererseits an der äußeren Spindeleinheit abgestützt ist. Zumindest einer der radial nach außen gerichteten Flansche ist dabei lösbar angebracht. Insgesamt wird so eine gute Montierbarkeit der Federanordnung ermöglicht.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass eine Drehmomentübertragungseinrichtung, insbesondere eine axiale Keilwellenverzahnung, angeordnet ist. Die Drehmomentübertragungseinrichtung ist ausgebildet, ein Drehmoment von einem Antriebsrad eines Bohrantriebes auf die Spindelanordnung zu übertragen. Die Drehmomentübertragungseinrichtung kann dabei an der inneren Spindeleinheit oder der äußeren Spindeleinheit ausgebildet sein. Vorzugsweise ist die Drehmomentübertragungseinrichtung zwischen der vorderen Federeinrichtung und der hinteren Federeinrichtung angeordnet. Hierdurch wird einer übermäßigen Belastung eines Bohrantriebes durch axiale Schläge im Bohrbetrieb entgegengewirkt.

Grundsätzlich können die Tellerfederanordnungen beliebig ausgebildet sein. Eine besonders wartungsarme Ausbildungsform ergibt sich nach einer Weiterbildung der Erfindung dadurch, dass die erste Tellerfederanordnung und/oder die zweite Tellerfederanordnung in einer Aufnahmetasche aufgenommen sind. Die Aufnahmetasche kann dabei insbesondere an einem der Flansche ausgebildet sein. Die Aufnahmetasche ist insbesondere eine ringförmige Aufnahmenut.

Nach einer weiteren Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Bohrvorrichtung ist es vorteilhaft, dass an einer Vorderseite der inneren Spindeleinheit eine Verbindungseinrichtung zum Anbringen eines Bohrgestängeelementes vorgesehen ist. Bei der Verbindungseinrichtung kann dabei insbesondere ein Gewinde vorgesehen sein, an welchem ein passender Gewindebereich eines Bohrgestängeelementes angeschraubt wird.

Für einen effizienten Bohrbetrieb ist es insbesondere vorteilhaft, dass die Spiraldruckfeder eine kleinere Federkonstante und einen größeren Federweg aufweist als die der ersten Tellerfederanordnung. Die Spiraldruckfeder kann so insbesondere ein notwendiges axiales Spiel sicherstellen, welches zum Anbringen von Bohrgestängeelementen gewünscht ist.

Besonders vorteilhaft ist es dabei, dass der Federweg der Spiraldruckfeder gleich oder größer als eine Gewindelänge eines anzubringenden Bohrgestängeelementes mit einem Verbindungsgewinde ist.

Zum Sicherstellen einer definierten axialen Bewegung zwischen den beiden Spindeleinheiten ist es nach einer Weiterbildung der Erfindung zweckmäßig, dass an der inneren Spindeleinheit ein ringförmiger Führungsschlitz gebildet ist, in welchem ein hülsenförmiger Führungsvorsprung der äußeren Spindeleinheit passend eingreift. Hierdurch wird eine geführte Bewegung zwischen den beiden Spindeleinheiten sichergestellt.

Die Erfindung umfasst weiterhin ein Bohrgerät, insbesondere ein Erdbohrgerät mit mindestens einem Bohrantrieb, wobei durch den Bohrantrieb eine äußere Spindeleinheit einer erfindungsgemäßen Bohrantriebsvorrichtung angetrieben ist. Das Bohrgerät kann dabei insbesondere ein Pfahlbohrgerät sein, welches zum Herstellen von Gründungspfählen im Boden zum Einsatz kommt. Dabei kann eine beliebiges Bohrwerkzeug eingesetzt werden, etwa eine Bohrschnecke, ein Endlosbohrer, ein Bohreimer oder Ähnliches.

Nach einer Weiterbildung ist es bevorzugt, dass als ein Bohrwerkzeug eine Imlochhammereinheit an einem Bohrgestänge angebracht ist, welches rotierend mittels der Bohrantriebsvorrichtung antreibbar ist. Eine derartige Imlochhammereinheit ist grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt. Diese weist einen in der Regel zylindrischen Grundkörper auf, an dessen zum Boden gerichteter Unterseite ein oder mehrere Hammerelemente axial reversierend angetrieben sind. Ein axiales Antreiben der Hammerelemente kann dabei insbesondere über Zuführung eines Druckfluides, insbesondere von Druckluft, erfolgen. Zur Zuführung des Druckfluides sowie einer Bohrflüssigkeit und/oder zum Abführen der Bohrflüssigkeit mit Bohrklein kann die Spindelanordnung und insbesondere die innere Spindeleinheit rohrförmig mit einem inneren Hohlraum ausgebildet sein, durch welche entsprechende Leitungen geführt sein können.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles weiter beschrieben, welches schematisch in den Zeichnungen dargestellt ist. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1

eine schematische Querschnittsansicht durch eine erfindungsgemäße Bohrantriebsvorrichtung;

Fig. 2

eine vergrößerte Darstellung des linksseitigen Bereichs der Bohrantriebsvorrichtung gemäß Fig. 1; und

Fig. 3

eine vergrößerte Querschnittsansicht des rechtsseitigen Bereichs der Bohrantriebsvorrichtung gemäß Fig. 1.

Eine erfindungsgemäße Bohrantriebsvorrichtung 10, welche in den Figuren 1 bis 3 dargestellt ist, ist im Wesentlichen aus einer inneren Spindeleinheit 20 mit einem rohrförmigen Grundkörper 22 mit einem inneren Kanal 23 sowie einer rohrförmigen äußeren Spindeleinheit 40 aufgebaut, welche koaxial zur inneren Spindeleinheit 20 ist und diese umgibt. Über eine etwa mittige Drehmomentübertragungseinrichtung 70 wird in grundsätzlich bekannter Weise über einen oder mehrere Bohrantriebe 5, welche vorzugsweise hydraulisch angetrieben sind, ein Drehmoment auf die äußere Spindeleinheit 40 und/oder die innere Spindeleinheit 20 übertragen. Die innere Spindeleinheit 20 erstreckt sich durch die ringförmige Drehmomentübertragungseinrichtung 70 nach hinten hindurch und weist an ihrem hinteren, von einem Bohrwerkzeug abgewandten Ende, eine Drehdurchführung 12 zur Übertragung wenigstens eines Fluides von einem nicht-dargestellten Bohrgerät in den inneren Kanal 23 der rohrförmigen inneren Spindeleinheit 20 auf.

Die Drehdurchführung 12 weist dabei im Wesentlichen zwei Hauptkomponenten auf, nämlich einen Rotor 14, welcher mit der inneren Spindeleinheit 20 drehfest verbunden ist und einen davon nach hinten abgewandten Stator 16, welcher über eine Drehmomentstütze 18 an einem Gehäuse der Drehmomentübertragungseinrichtung 70 abgestützt ist. Der Rotor 14 dreht sich relativ zu dem feststehenden Stator 16, an welchem eine Fluidleitung, etwa zur Übertragung einer Spül- oder Bohrsuspension, angeschlossen werden kann. Die äußere Spindeleinheit 40 dreht mit der inneren Spindeleinheit 20, welche relativ axial verschiebbar zur äußeren Spindeleinheit 40 gelagert ist.

An einer zu einem Bohrloch gerichteten Vorderseite der inneren Spindeleinheit 20 ist ein radial nach außen gerichteter erster Flansch 24 angeordnet, an welchem mittels einer Verbindungseinrichtung 25 ein Bohrwerkzeug direkt oder indirekt über angebrachte Bohrgestängeelemente lösbar befestigt werden kann. Das Bohrwerkzeug kann insbesondere eine Imlochhammerbohreinheit sein, welche ein oder mehrere axial angetriebene Schlagelemente aufweist.

Zur Dämpfung von Schlagimpulsen von einer Imlochhammerbohreinheit auf die Drehmomentübertragungseinrichtung 70 ist die Bohrantriebsvorrichtung 10 mit einer ersten Federeinrichtung 50 und einer zweiten Federeinrichtung 60 versehen, welche nachfolgend näher mit Bezug auf die Figuren 2 und 3 näher beschrieben werden.

Die erste Federeinrichtung 50 weist dabei zwei Federkomponenten auf, nämlich eine Spiraldruckfeder 52 und eine erste Tellerfederanordnung 54. Die zur Bohrachse koaxiale Spiraldruckfeder 52 ist dabei nach vorne an dem ersten Flansch 24 am rohrförmigen Grundkörper 22 der inneren Spindeleinheit 20 und andererseits an einem Auflagering 30 abgestützt.

Der Auflagering 30 kann einen ersten Ring 31 und einen zweiten Ring 32 aufweisen. Der erste Ring 31 ist dabei verschiebbar an der Außenseite der inneren Spindeleinheit 20 gelagert und gegenüber der äußeren Spindeleinheit 40 mittels der koaxialen ersten Tellerfederanordnung 54 federnd abgestützt, wobei durch die erste Tellerfederanordnung 54 auf den ersten Ring 31 und damit den Auflagering 30 eine erste Vorspannkraft F_TF ausgeübt wird. Über einen radial vorstehenden Anschlag steht der erste Ring 31 mit dem zweiten Ring 32 in Verbindung, auf welchen sich auf einem treppenartigen Absatz das andere Ende der Spiraldruckfeder 52 abstützt, wobei über die Spiraldruckfeder 52 eine Vorspannkraft F_DF auf den ersten Flansch 24 und damit die erste innere Spindeleinheit 20 ausgeübt wird.

Die Spiraldruckfeder 52 ermöglicht dabei einen Hub H1, welcher deutlich größer als ein Hub H2 der ersten Tellerfederanordnung 54 ist. Vorzugsweise ist dabei die Spiraldruckfeder 52 mit einer kleineren Federkonstante versehen als die erste Tellerfederanordnung 54. Der Hub H1 kann insbesondere dazu ausgelegt sein, beim Anschrauben eines zusätzlichen Bohrgestängeelementes den notwendigen Gewindeweg oder Verschraubungsweg zu kompensieren. Der Hub H2 der ersten Tellerfederanordnung 54 dient vorzugsweise zur Dämpfung der axialen Schläge, die von dem Bohrwerkzeug ausgeübt werden können.

Gemäß Fig. 3 weist die koaxiale zweite Federeinrichtung 60 ausschließlich eine zweite Tellerfederanordnung 64 auf, welche sich einerseits an einer Schulter der äußeren Spindeleinheit 60 und andererseits an einem zweiten Flansch 28 abstützt, welcher lösbar an der Außenseite des rohrförmigen Grundkörpers 22 der inneren Spindeleinheit 20 befestigt, insbesondere aufgeschraubt ist. Mittels eines Abdeckringes 42 an der äußeren Spindeleinheit 40 ist eine zweite Aufnahmetasche 66 gebildet, in welcher die Tellerfedern der zweiten Tellerfederanordnung 60 geschützt angeordnet sind. Über die zweite Tellerfederanordnung 60 kann eine Vorspannkraft F_TFZ von der äußeren Spindeleinheit 40 auf die innere Spindeleinheit 20 übertragen werden, welche ebenfalls zum Dämpfen von Axialkräften einer Imlochhammerbohreinheit dienen kann. Der Abdeckring 42 hält Tellerfedern 60 in Vorspannung, wenn die innere Spindeleinheit 20 axial nach rechts verschoben ist.

Zur Sicherstellung einer Führung kann an der Außenseite des rohrförmigen Grundkörpers 22 ein ringförmiger Führungsschlitz 34 angeordnet sein, in welchen ein entsprechender Führungsvorsprung 44 der äußeren Spindeleinheit 40 eingreift.