[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Anschluss eines rohrförmigen Bohrwerkzeuges
an den Kraftdrehkopf eines Bohrgerätes nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
[0002] Beim Bohren von tieferen Bohrlöchern werden diese regelmäßig mit Bohrrohren ausgekleidet,
um ein Nachrutschen von Erdreich zu verhindern. Mit fortschreitender Tiefe der Bohrung
ist die Verrohrung hierzu auch entsprechend in die Tiefe fortzuführen. Dazu werden
einzelne Bohrrohre aneinandergesetzt, und der hierdurch gebildete Bohrrohrstrang wird
als solches in das Erdreich hineingedrückt. Zur Erleichterung dieser Bewegung wird
der gesamte Bohrstrang mit Hilfe des Kraftdrehkopfes eines Bohrgerätes in Drehung
versetzt.
[0003] Die Verbindungsstelle zwischen dem Kraftdrehkopf des Bohrgerätes und dem jeweils
neu anzusetzenden Bohrrohr liegt bis zu 6 m über dem Erdboden. Zum Anschluss des jeweiligen
Bohrrohrs an das Anschlussrohr des Kraftdrehkopfes ist es bei einem manuellen Anschluss
erforderlich, dass jeweils eine Person an einer Leiter nach oben zur Verbindungsstelle
steigt, und die erforderlichen Verbindungsbolzen einbringt. Alternativ geschieht dies
mittels einer Teleskopstange von der Standebene des Bohrgerätes aus. Da die Bohrrohre
typischerweise einen Durchmesser von 600 bis 2000 mm aufweisen, muss die Leiter zum
Einbringen der einzelnen Verbindungsbolzen mehrmals angestellt werden. Das Herstellen
der mechanischen Verbindung zwischen dem jeweils anzusetzenden Bohrrohr und dem Anschlussrohr
des Kraftdrehkopfes ist daher zeitaufwändig und gefährlich. Nach Abschluss einer Bohrung
wird der Bohrstrang unter Drehen und Ziehen des Kraftdrehkopfes wieder aus dem Bohrloch
herausgezogen. Sobald ein Bohrrohr völlig über dem Erdreich liegt, wird es von dem
darunter liegenden Strangteil wieder abgetrennt. Anschließend muss die Verbindung
zwischen dem Bohrrohrende und dem Anschlussrohr des Kraftdrehkopfes des Bohrgerätes
in analoger Weise wieder in großer Höhe gelöst werden.
[0004] Um dieser Problematik entgegenzutreten, wird in der
CH 675747 A5 vorgeschlagen, die Herstellung und Aufhebung der mechanischen Verbindung zwischen
oberem Bohrrohrende und dem Anschlussrohr des Kraftdrehkopfes über eine ferngesteuert
betätigbare Riegelkupplung zwischen dem Anschlussrohr und dem oberen Bohrrohrende
automatisch vorzunehmen. Die Riegelkupplung umfasst dabei Kupplungsstifte, die durch
eine Servoantriebseinrichtung in fluchtende Löcher am unteren Ende des Anschlussrohres
bzw. oberen Bohrrohrende eingeführt werden können. Die Servoantriebseinrichtung ist
dabei entweder durch einen Betätigungsring gebildet, der über einen Ritzelantrieb
verbunden ist, oder durch hydraulische Arbeitszylinder deren Kolbenstangenenden die
Kupplungsstifte bilden. Diese Lösung gestaltet sich jedoch sehr aufwändig. Zudem erweist
sich die Zuführung von Pneumatik- oder Hydraulikfluiden über Drehdurchführungen häufig
als Fehler- und Leckageanfällig.
[0005] Vor diesem Hintergrund lehrt die
EP 3 163 009 A1 eine Vorrichtung zum Anschluss eines rohrförmigen Bohrwerkzeuges an den Kraftdrehkopf
eines Bohrgerätes mit einem Anschlussrohr sowie wenigstens zwei radial angeordneten
Verriegelungsbolzen, die in eine entsprechende Öffnung eines Bohrwerkzeugs eingreifen,
bei der zwei durch einen Hydraulikzylinder gebildete Aktoren angeordnet sind, über
die die wenigstens zwei Verriegelungsbolzen bewegbar sind. Die Hydraulikzylinder werden
über einen Pumpzylinder betrieben, der über eine Schubstange durch den Einschub eines
aufzunehmenden Bohrwerkzeugs in das Anschlusswerkzeug angetrieben wird. Die Verriegelungsbolzen
sind jeweils über eine Schwinge mit dem Hydraulikzylinder verbunden, wobei die Schwinge
über ein Federelement in Schließposition des Verriegelungsbolzens vorgespannt ist.
Durch das Federelement ist ein mit der Schwinge verbundener Kolben des Hydraulikzylinders
derart vorgespannt, dass der Verriegelungsbolzen im Ruhezustand durch die Wandung
des Anschlussrohrs in Richtung dessen Mittelachse gepresst wird.
[0006] Diese Lösung hat sich in der Praxis sehr bewährt. Als verbesserungswürdig hat sich
hierbei herausgestellt, dass beim Einschub eines aufzunehmenden Bohrwerkzeugs in das
Anschlusswerkzeug eine signifikante Einschubkraft erforderlich ist, um den Pumpzylinder
über die Schubstange zu betreiben und die vorgespannten Verriegelungsbolzen entgegen
der Federkraft nach außen zu bewegen, bevor diese in eine entsprechende Öffnung des
Bohrwerkzeugs eingreifen.
[0007] Hier setzt die vorliegende Erfindung an. Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde,
die bewährte Vorrichtung zum Anschluss eines rohrförmigen Bohrwerkzeuges an den Kraftdrehkopf
eines Bohrgerätes derart weiterzuentwickeln, dass die erforderliche Einschubkraft
zum Einschub eines aufzunehmenden Bohrwerkzeugs in das Anschlusswerkzeug reduziert
ist. Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen
des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst.
[0008] Mit der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Anschluss eines rohrförmigen Bohrwerkzeuges
an den Kraftdrehkopf eines Bohrgerätes der vorgenannten Art bereitgestellt, bei der
die erforderliche Einschubkraft zum Einschub eines aufzunehmenden Bohrwerkzeugs in
das Anschlusswerkzeug reduziert ist. Dadurch, dass die Pumpmittel eine elektrische
Hydraulikpumpe umfassen, durch die der Kolbenspeicher mit hydraulischem Druck beaufschlagt
wird, wobei die Schubstange mit einer Sensoreinrichtung verbunden ist, die bei Betätigung
der Schubstange ein Betätigungssignal an ein den Hydraulikzylindern vorgeschaltetes
hydraulisches Schaltventil sendet, das derart geschaltet ist, dass in Ruhestellung
der Schubstange die Verriegelungsbolzen in Öffnungsposition verbracht sind und bei
Anliegen eines Betätigungssignals die Hydraulikzylinder vom Kolbenspeicher getrennt
sind, wodurch die Verriegelungsbolzen durch die Federvorspannung in Verriegelungsposition
sind, ist eine zusätzliche Einschubkraft zum Antrieb eines Pumpkolbens zur Versorgung
des Kolbenspeichers mit hydraulischem Druck sowie zur seitlichen Verdrängung von in
Schließstellung befindlichen Verriegelungsbolzen entgegen die Federvorspannung nicht
mehr erforderlich. Zudem ist die zum Einschub des Bohrwerkzeugs in das Anschlusswerkzeug
erforderliche Positioniergenauigkeit, um ein Verkanten gegen die Verriegelungsbolzen
auszuschließen, reduziert.
[0009] In Weiterbildung der Erfindung ist die Schubstange über eine Druckfeder in Ruhestellung
vorgespannt. Hierdurch ist einer unbeabsichtigten Betätigung der Schubstange entgegengewirkt.
Diese wird so erst beim Einschub des Bohrwerkzeugs in das Anschlusswerkzeug betätigt.
[0010] In Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Sensoreinrichtung einen induktiven Sensor
zur Positionsüberwachung der Schubstange. Hierdurch ist eine zuverlässige und zugleich
robuste Detektion einer Betätigung der Schubstange erzielt.
[0011] In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist ein Akkumulator angeordnet, über den
die elektrische Hydraulikpumpe betrieben ist. Bevorzugt ist der Akkumulator ein Lithium-Ionen-Akku.
[0012] In Weiterbildung der Erfindung ist ein Drucksensor angeordnet, der kontinuierlich
den Druck in dem Kolbenspeicher überwacht und der zur Regelung eines voreingestellten
Überdrucks in dem Kolbenspeicher mit der Hydraulikpumpe verbunden ist. Hierdurch ist
eine automatische Wiederherstellung des Überdrucks nach Betätigung des Schaltventils
gewährleistet. Zur Druckregelung ist dem Schaltventil vorgeschaltet oder in dieses
integriert ein Druckregelmodul vorhanden. Bevorzugt ist der Drucksensor in dem Schaltventil
integriert.
[0013] In Ausgestaltung der Erfindung sind die wenigstens zwei Verriegelungsbolzen an ihrem
der Schwinge abgewandten Ende konisch ausgebildet. Hierdurch ist die Einführung des
jeweiligen Verriegelungsbolzens in die jeweilige Öffnung des Bohrwerkzeuges erleichtert.
[0014] In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist der Verriegelungsbolzen an seinem der
Schwinge abgewandten Ende eine winklig angestellte Zentrierkante auf. Hierdurch ist
ein gleichmäßiges Hineingleiten des Verriegelungsbolzens in die Verriegelungsstellung
unterstützt. Vorzugsweise ist die Zentrierkante in einem Winkel von 5° bis 15°, bevorzugt
in einem Winkel von 10° zur Stirnfläche des Verriegelungsbolzens angestellt.
[0015] Andere Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den übrigen Unteransprüchen
angegeben. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt
und werden nachfolgend im Einzelnen beschrieben. Es zeigen:
- Figur 1
- die schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Anschluss eines rohrförmigen Bohrwerkzeuges
an den Kraftdrehkopf eines Bohrgerätes;
- Figur 2
- die Darstellung des Anschlussrohres der Vorrichtung aus Figur 1;
- Figur 3
- die Detaildarstellung der Schubstangenanordnung des Anschlussrohres aus Figur 2
- a) vor Aufnahme eines Bohrwerkzeuges;
- b) nach hälftiger Aufnahme des Bohrwerkzeuges und
- c) nach erfolgter Aufnahme des Bohrwerkzeuges;
- Figur 4
- die Detaildarstellung der Verriegelungsbolzenanordnung aus Figur 3 a);
- Figur 5
- die schematische Detaildarstellung des Verriegelungsbolzens der Verriegelungsanordnung
aus Figur 5
- a) in einer ersten Seitenansicht;
- b) in einer zweiten Seitenansicht.
[0016] In Figur 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung an dem Kraftdrehkopf 2 eines Bohrgerätes
dargestellt. Die Vorrichtung umfasst ein mit einer Stirnplatte 13 versehenes Anschlussrohr
1 das über eine an der Stirnplatte 13 angeordnete Lasche 11 mit einem an den Kraftdrehkopf
2 angeordneten Kardangelenk 21 verbunden ist. Das Anschlussrohr 1 überträgt Druck-
und Zugkräfte sowie das Drehmoment des Kraftdrehkopfes 2 auf ein aufgenommenes Bohrrohr
6. An seinem der Lasche 11 gegenüberliegenden Ende sind an dem Anschlussrohr 1 diametral
zueinander mindestens zwei Verriegelungseinrichtungen 3 angeordnet. Die Verriegelungseinrichtungen
3 umfassen jeweils einen Hydraulikzylinder 31, der über eine Schwinge 32 mit einem
Verriegelungsbolzen 33 verbunden ist, der in einer Durchführung 12 des Anschlussrohrs
1 verschiebbar gelagert ist. In dem Hydraulikzylinder 31 ist ein - nicht dargestelltes
- Tellerfederpaket integriert, durch das der mit der Schwinge 32 verbundene Kolben
311 derart vorgespannt ist, dass der Verriegelungsbolzen 33 durch die Wandung des
Anschlussrohrs 1 in Richtung dessen Mittelachse gepresst wird.
[0017] Der Kolben 31 ist über eine - nicht dargestellte - Hydraulikleitung mit einem Kolbenspeicher
4 verbunden. Im Ausführungsbeispiel ist die Gasseite des Kolbenspeichers 4 mit Stickstoff
gefüllt. Der Kolbenspeicher 4 ist wiederum über eine - nicht dargestellte - Leitung
mit einer elektrischen Hydraulikpumpe 44 verbunden, die über einen - nicht dargestellten
- Lithium-Ionen-Akku betrieben ist. Die elektrische Hydraulikpumpe 44, die im Ausführungsbeispiel
einen integrierten Hydrauliktank aufweist, dient der Druckbeaufschlagung des Kolbenspeichers
4 mit Hydrauliköl.
[0018] An dem Anschlussrohr ist eine Schubstange 42 verschiebbar angeordnet und über eine
Druckfeder 45 in der dem Kardangelenk 21 entgegengesetzte Richtung vorgespannt. Endseitig
ist die Schubstange 42 mit einer Schubklaue 43 versehen, die durch eine Öffnung 17
des Anschlussrohres 1 in dieses hineinragt. Zwischen dem Kolbenspeicher 4 und den
Hydraulikzylindern 31 der Verriegelungseinrichtungen 3 ist ein Schaltventil 5 angeordnet,
das mit einem Sensor 41 verbunden ist. Der Sensor 41, der im Ausführungsbeispiel als
induktiver Sensor ausgeführt, ist axial beabstandet zur Schubstange 42 positioniert
und detektiert die verschobene Lage der Schubstange 42 bei deren Betätigung.
[0019] Die Verriegelungseinrichtung 3 ist in Figur 4 detailliert dargestellt. Wie dort ersichtlich
ist der Kolben 311 des Hydraulikzylinders 31 mit der Schwinge 32 verbunden, die über
ein Schwingenlager 36 schwenkbar gelagert ist und an ihrem dem Kolben 311 entgegengesetzten
Ende mit dem Verriegelungsbolzen 33 verbunden ist. Der Verriegelungsbolzen 33 ist
in der Durchführung 12 des Anschlussrohrs 1 verschiebbar geführt, die hierzu in Art
einer nach außen auskragenden Muffe ausgebildet ist.
[0020] Der Verriegelungsbolzen 33 ist in Figur 5 detailliert dargestellt. Der Verriegelungsbolzen
33 ist im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet und weist an seinem der Schwinge 32
zugewandten Ende ein im Wesentlichen quaderförmiges Anschlussstück 35 auf, das zur
Verbindung mit der Schwinge 32 mit einer Durchführung 351 versehen ist. An seinem
der Schwinge 32 gegenüberliegenden Ende ist der Verriegelungsbolzen 33 konisch zulaufend
ausgebildet und mit einer Zentrierkante 34 versehen, die winklig zur Stirnfläche des
Verriegelungsbolzens 33 angestellt ist. Im Ausführungsbeispiel weist die Zentrierkante
34 zur Stirnfläche des Verriegelungsbolzens 33 einen Winkel von 10° auf.
[0021] Die beiden an dem Anschlussrohr 1 angeordneten Verriegelungseinrichtungen 3 sind
nach außen durch eine Abdeckhaube 7 geschützt, welche beabstandet zu dem Anschlussrohr
1 mit diesem schwenkbar verbunden ist.
[0022] Zur Verbindung eines Bohrrohres 6 mit dem an dem Kraftdrehkopf 2 angeordneten Anschlussrohr
1 wird das Bohrrohr 6 in das Anschlussrohr 1 eingeschoben, bis der endseitige durchmesserreduzierte
Abschnitt 63 des Bohrrohrs 6 vollständig von dem Anschlussrohr 1 aufgenommen ist,
so dass dieses an dem durch den durchmesserreduzierten Abschnitt 63 gebildeten Absatz
61 des Bohrrohres 6 anliegt. Das Schaltventil 5 ist durchleitend geschaltet, wodurch
sich die Verriegelungsbolzen 3 entgegen der Federvorspannung in Öffnungsstellung gehalten
sind (vgl. Fig. 4).
[0023] Beim Einbringen des Bohrrohres 6 in das Anschlussrohr 1 wird der durchmesserreduzierte
Endabschnitt 63 des Bohrrohres 6 von der durch die Öffnung 17 in das Anschlussrohr
1 hineinragenden Schubklaue 43 der Schubstange 42 aufgenommen, die von dem Bohrrohr
6 in Richtung der Lasche 11 des Anschlussrohres 1 nach oben bewegt wird.
[0024] In der Endposition des Bohrrohres 6, in der der Absatz 61 an dem Anschlussrohr 1
anliegt, hat die Schubstange 42 entgegen der Vorspannung der Druckfeder 45 ihre Betätigungsstellung
erreicht, die von dem Sensor 41 detektiert wird. Durch das Sensorsignal wird das Schaltventil
5 in Sperrstellung geschaltet. Hierdurch werden die Hydraulikzylinder 31 vom Kolbenspeicher
4 getrennt. Die in den Hydraulikzylindern 31 befindlichen Hydraulikölmengen fließen
in den Hydrauliktank der elektrischen Hydraulikpumpe 44 ab. Die konusförmigen Enden
der unter Vorspannung stehenden Verriegelungsbolzen 33 gleiten entlang der Durchführung
12 des Anschlussrohres 1 durch das Anschlussrohr 1 in mit den Durchführungen 12 fluchtende
Verbindungsbohrungen 62 des Bohrrohres 61 hinein, wodurch das Bohrrohr 6 mit dem Anschlussrohr
1 formschlüssig verbunden ist.
[0025] Zum Lösen der Verbindung zwischen dem Bohrrohr 6 und dem Anschlussrohr 1 kann das
mit der Funksteuerung 51 verbundene Schaltventil 5 aus der Ferne betätigt werden.
Durch den zuvor durch die elektrische Hydraulikpumpe 44 in dem Kolbenspeicher 4 aufgebauten
Hydrauliköl-Überdruck werden nun die Hydraulikzylinder 31 der Verriegelungseinrichtungen
3 wieder betätigt, wodurch die Verriegelungsbolzen 33 entgegen ihrer Vorspannung aus
den Verbindungsbohrungen 62 des Bohrrohres 6 hinausbewegt werden. Das Bohrrohr 6 kann
nun aus dem Anschlussrohr 1 gezogen werden, wodurch die Schubstange 42 durch die Vorspannung
der Druckfeder 45 wieder in die Ruheposition verbracht wird.
[0026] Das Schaltventil 5 umfasst einen integrierten Drucksensor 8, der permanent den Druckzustand
des Kolbenspeichers 4 ermittelt. Der im Zuge der Betätigung des Schaltventils 5 sinkende
Überdruck wird durch den Drucksensor 8 detektiert, wodurch die elektrische Hydraulikpumpe
44 aktiviert wird, die den Druck in dem Kolbenspeicher 4 wieder auffüllt. Ist der
voreingestellte Überdruck in dem Kolbenspeicher 4 wieder erreicht, wird dies durch
den Drucksensor 8 detektier und die elektrische Hydraulikpumpe 44 wird deaktiviert.
[0027] Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass die
Verriegelungsbolzen 33 in Ruheposition über Federpakete in Verschließposition vorgespannt
und über das Hydrauliksystem entgegen der Federvorspannung in Öffnungsposition gehalten
sind. Die Verriegelung erfolgt durch Trennung der Hydraulikzylinder 31 vom Kolbenspeicher
4 durch Bewegung der Verriegelungsbolzen 33 über die Federvorspannung der Federpakete.
Die Trennung erfolgt über das Schaltventil 5, angesteuert über einen Sensor 41, der
eine Betätigung der Schubstange 42 durch das Einbringen des Bohrrohrs 6 in ein Anschlussrohr
detektiert.
1. Vorrichtung zum Anschluss eines rohrförmigen Bohrwerkzeuges an den Kraftdrehkopf eines
Bohrgerätes, mit einem Anschlussrohr sowie wenigstens zwei radial angeordneten, durch
das Anschlussrohr geführten Verriegelungsbolzen (33), die in eine entsprechende Öffnung
eines Bohrwerkzeuges eingreifen, wobei wenigstens zwei Hydraulikzylinder (31) angeordnet
sind, über die die wenigstens zwei Verriegelungsbolzen (33) bewegbar sind, wobei Pumpmittel
angeordnet sind, über die die wenigstens zwei Hydraulikzylinder (31) betreibbar sind,
wobei die Pumpmittel mit einem Kolbenspeicher (4) verbunden sind, mit dem die wenigstens
zwei Hydraulikzylinder (31) verbunden sind, wobei eine Schubstange (42) angeordnet
ist, die durch den Einschub eines aufzunehmenden Bohrwerkzeuges (6) in das Anschlussrohr
(1) betätigbar ist, wobei jeder der wenigstens zwei Verriegelungsbolzen (33) über
eine Schwinge (32) mit dem Hydraulikzylinder (31) verbunden ist, die über ein Federelement
in Schließposition des Verriegelungsbolzens (33) vorgespannt ist, welches Federelement
durch ein in den Hydraulikzylinder (31) integriertes Tellerfederpaket gebildet ist,
durch das ein mit der Schwinge verbundener Kolben (311) des Hydraulikzylinders (31)
derart vorgespannt ist, dass der Verriegelungsbolzen (33) durch die Wandung des Anschlussrohrs
(1) in Richtung dessen Mittelachse vorgespannt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpmittel eine elektrische Hydraulikpumpe (44) umfassen, durch die der Kolbenspeicher
(4) mit hydraulischem Druck beaufschlagt wird, wobei die Schubstange (42) mit einer
Sensoreinrichtung verbunden ist, die bei Betätigung der Schubstange (42) ein Betätigungssignal
an ein den Hydraulikzylindern (31) vorgeschaltetes hydraulisches Schaltventil (5)
sendet, das derart geschaltet ist, dass in Ruhestellung der Schubstange (42) die Verriegelungsbolzen
(33) in Öffnungsposition verbracht sind und bei Anliegen eines Betätigungssignals
die Hydraulikzylinder (31) vom Kolbenspeicher getrennt sind, wodurch die Verriegelungsbolzen
(33) durch die Federvorspannung in Verriegelungsposition sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schubstange (42) über eine Druckfeder (45) in Ruhestellung vorgespannt ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung einen induktiven Sensor (41) zur Positionsüberwachung der Schubstange
(42) umfasst.
4. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Akkumulator angeordnet ist, über den die elektrische Hydraulikpumpe (44) betrieben
ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Drucksensor (8) angeordnet ist, der kontinuierlich den Druck in dem Kolbenspeicher
(4) überwacht und der zur Regelung eines voreingestellten Überdrucks in dem Kolbenspeicher
(4) mit der Hydraulikpumpe (44) verbunden ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor in dem Schaltventil (5) integriert ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Verriegelungsbolzen (33) an ihrem der Schwinge (32) abgewandten
Ende konisch ausgebildet sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verriegelungsbolzen (33) an ihrem der Schwinge (32) abgewandten Ende eine winklig
angestellte Zentrierkante (34) aufweisen.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentrierkante (34) in einem Winkel von 5° bis 15°, bevorzugt in einem Winkel
von 10° zur Stirnfläche des Verriegelungsbolzens (33) angestellt ist.