EP2556205A2 - Zweiteiliges bohrwerkzeug zum schlag- oder drehschlagbohren von löchern in boden- oder gesteinsmaterial - Google Patents

Zweiteiliges bohrwerkzeug zum schlag- oder drehschlagbohren von löchern in boden- oder gesteinsmaterial

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EP2556205A2
EP2556205A2 EP11718232A EP11718232A EP2556205A2 EP 2556205 A2 EP2556205 A2 EP 2556205A2 EP 11718232 A EP11718232 A EP 11718232A EP 11718232 A EP11718232 A EP 11718232A EP 2556205 A2 EP2556205 A2 EP 2556205A2
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EP
European Patent Office
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adapter
drilling tool
drill head
thread
drill
Prior art date
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Application number
EP11718232A
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English (en)
French (fr)
Other versions
EP2556205B1 (de
Inventor
Walter Karpellus
Karl BÖHM
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Dywidag Systems International GmbH Austria
Dywidag Systems International GmbH
Original Assignee
Dywidag Systems International GmbH Austria
Dywidag Systems International GmbH
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Publication date
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Publication of EP2556205A2 publication Critical patent/EP2556205A2/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2556205B1 publication Critical patent/EP2556205B1/de
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B4/00—Drives for drilling, used in the borehole
    • E21B4/06—Down-hole impacting means, e.g. hammers
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B10/00—Drill bits
    • E21B10/36—Percussion drill bits
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B17/00—Drilling rods or pipes; Flexible drill strings; Kellies; Drill collars; Sucker rods; Cables; Casings; Tubings
    • E21B17/02—Couplings; joints
    • E21B17/04—Couplings; joints between rod or the like and bit or between rod and rod or the like
    • E21B17/042—Threaded
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
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    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
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    • E21B17/02—Couplings; joints
    • E21B17/04—Couplings; joints between rod or the like and bit or between rod and rod or the like
    • E21B17/042—Threaded
    • E21B17/0426—Threaded with a threaded cylindrical portion, e.g. for percussion rods

Definitions

  • the present invention relates to a two-part drilling tool for impact or rotary impact drilling of holes in soil or rock material with a drill head and a in an interior of the drill head via cooperating, complementary threads fixed adapter part for coupling to a drill pipe or a drill pipe an end face of the drill head facing away from the bore hole rests on a complementary stop or bearing surface of the adapter part.
  • Drilling tools for impact or rotary impact drilling holes in soil or rock material are known in a variety of designs and for a variety of purposes, in more recent times often drill bits are used, of which a part, the so-called ring bit remains after completion of a borehole in this or so-called lost drill bits are used, which remain after completion of a wellbore entirely in the wellbore.
  • drill bits for reasons of economy, a relatively soft material is usually used for either the entire or at least the ring bit, so that after completion of a well often problems in loosening and retracting the drill string or an adapter connected to the drill string, due to material deformations in the Area of the connection of the drill head or the drill bit and the adapter or the mountain-side end of the drill string occur.
  • the invention now aims to provide a threaded connection between a lost drill bit or a drill head and a drill string or an adapter, which has both a sufficient service life for the formation of a well and be solved safely after completion of the drilling process can safely and reliably recover recyclable elements, such as the boring bar and / or an adapter with a boring bar fixed thereto.
  • the two-part drilling tool according to the invention is characterized in that the end face of the drill head remote from the bore hole interior and the stop or bearing surface of the adapter part cooperating therewith have complementary wedge surfaces with front teeth and a pitch angle of the wedge surfaces is smaller than a pitch angle of an internal thread of the drill head or a cooperating external thread of the adapter part or the drill rod is.
  • End face of the drill head and the cooperating stop or bearing surface of the adapter part have complementarily formed wedge surfaces with front teeth is an anti-rotation of the complementary inner and outer threads provided which ensures that excessive Drehmomentbean- spruchungen on the thread are held back.
  • a pitch angle of the wedge surfaces is smaller than a pitch angle of an internal thread of the drill head or a cooperating external thread of the adapter part or the drill rod, a relief of the thread is ensured in the axial direction, since the impact stress is applied primarily to the wedge surfaces and the surfaces of the co-operating threads which are particularly at risk for excessive wear, namely the surface of the thread facing the inside of the mountain on the adapter or on the boring bar and the surface of the drill bit or drill head facing the outside of the mountain, are essentially kept free of impact stress in the axial direction become.
  • the adapter or the boring bar can be reliably and reliably released from the drill bit, so that an excessive amount of material and in particular the loss of adapters or boring bars can be avoided.
  • the two-part drilling tool is designed so that the pitch angle of the wedge surfaces is at least 10% and at most 50%, in particular about 25% smaller than the pitch angle of the inner and outer threads.
  • the invention is preferably developed so that each extending in the axial direction of the two-part drill thread roots of the complementary thread of the drill head and the adapter or the drill rod has a dimension in the axial Direction of the two-piece drilling tool, which exceeds that of the threaded heads.
  • each of the thread base has a greater longitudinal extent in the axial direction of the two-part Bohrtechnik- tool than the engaging respectively in the thread root threaded head, the respective threaded head is held completely free of axial stress at each stress of the two-piece drill and it can thus be prevented the complementary threads and in particular the internal thread of the drill head, which is usually made of a softer material, are knocked out or rounded off during the drilling process by excessive load and can no longer be released after completion of the drilling process.
  • the thread root exceeds the dimension of the threaded head in the axial direction of the two-piece drilling tool by at least one third of the height of the front teeth, not only an exemption of the complementary thread of any axial load sure-. but additionally ensured that the clearance between the threaded head and the thread root is sufficiently small so as not to be subject to undesired bending moments during the drilling operation and additionally soiled by registered rock residues that loosening is prevented after completion of the drilling operation.
  • the invention is preferably designed such that the end face of the adapter or the drill rod and the stop or support surface of the drill head has at least one, in particular at least three wedge surfaces with front teeth.
  • each other front teeth By simultaneously providing in the case of engagement or during the drilling abutting each other front teeth on the one hand manages a safe transmission of the rotational movement of the drill string on the drill head and on the other hand a backup against too wide screwing the adapter or the drill string is made available in the drill head.
  • the slope of the wedge surfaces is chosen so that the resulting longitudinal extension of the spur teeth in the axial direction is so large that even with the highest rotating loads or highest bending moments a sufficiently large bearing surface formed on the drill head and on the adapter or the drill rod front teeth is provided to ensure a safe and reliable transmission of the required torques and at the same time to prevent excessive wear of the front teeth.
  • the wedge surfaces of the adapter or the drill rod are hardened ensures that the particularly stressed, the impact energy transmitted, wedge surfaces are secured against knocking or wear zen.
  • this element is recycled or these elements after interference with a drilling process in further drilling operations ensured.
  • the wedge surfaces and the front teeth of the adapter or the drill rod are hardened, all highly stressed elements of the adapter or boring bar are secured against premature wear.
  • the front teeth are hardened, not only the transmission of very high torques is ensured but especially a knocking off the extremely loaded areas of the front teeth avoided.
  • the construction according to the invention is preferably developed such that in the adapter or the drill rod and in the stop or bearing surface of the drill head in the region of the front teeth in each case approximately semicircular recesses are formed.
  • the two-part boring tool according to the invention is preferably developed such that the internal thread of the boring head and the cooperating complementary external thread of the adapter or of the boring bar are formed as a single thread.
  • catchy threads it is also possible in the case of extreme contamination and for example the entry of tough or solidifying drilling mud to safely solve the thread after completion of the drilling process and thus the intended for further use elements, namely the drill pipe and optionally an adapter to hard - safe and reliable removal of the drill string from the lost drill bit.
  • the two-part drilling tool according to the invention is designed such that the respective thread of the drill head and of the adapter or boring bar is at least 75% and at most 99% of the circumference of the adapter or boring bar and boring head. stretches on the one hand ensures a secure connection of the drill head with the adapter or the drill rod and on the other hand ensures that the connection can be reliably solved even after extreme loads and / or contamination.
  • the complementary threads are designed as flat threads or trapezoidal threads with a flank angle of less than 25 °.
  • flat thread or trapezoidal thread to accommodate high axial stresses capable and on the other hand manages with such thread forms the necessary clearance or the necessary space between a thread root and a corresponding meshing threaded head to provide the intended preferred features of To achieve invention.
  • FIG. 1 is an external view of a two-piece drilling tool according to the invention in position during impact or rotary impact drilling of holes in soil or rock material
  • FIG. 2 shows a longitudinal section along the line A-A of FIG. 1 of the two-part drilling tool according to FIG. 1, FIG.
  • FIG. 3 is an enlarged view of the detail B of FIG. 2, showing the alternating position of the internal thread of the drill head and the external thread of the adapter or the drill rod in the state during drilling,
  • FIG. 5 shows a longitudinal section through the two-part drilling tool according to the invention, in the operating state during a retraction of the drill string and a counterclockwise rotation thereof, to carry out the rotary movement of a drill head during the rotary impact drilling,
  • Fig. 6 is an external view of the two-part drilling tool in the position shown in FIG. 5, and Fig. 7 shows a section through the adapter or the drill pipe in which the pitch angle of the wedge surfaces and the thread are shown.
  • FIG. 1 shows a drill head 1, in particular a so-called lost drill bit 1, which is formed on its end face 3 facing away from the release tools 2 with wedge surfaces 4 and front teeth 5.
  • the wedge surfaces 4 are hiebei formed so that they are formed with complementary wedge surfaces 6 of an adapter or a drill string 7 while drilling holes in soil and / or rock material adjacent to each other and via which wedge surfaces 4 and 6, the impact energy over the drill pipe or the adapter 7 is applied to the drill head 1.
  • the adapter 7 has hiebei in addition to the wedge surfaces 6 front teeth 8 which abut during a drilling, in particular during the application of torque during a rotary impact drilling on the complementary front teeth 5 of the drill head 1 and receive the torque applied to the two-piece drill tool or withstand this.
  • Fig. 2 which is a section along the line AA of Fig. 1, the reference numerals of Fig. 1 are maintained.
  • a catchy thread 11 is formed, which is designed so that a thread base 12 in the axial direction of the two-piece drilling tool has greater longitudinal extent than cooperating with this thread base 12 threaded head 13 of engaging in the thread 1 1 thread 14th
  • the complementary thread 14 of the adapter or the drill rod 7 is also hiebei formed so that a thread root 20 has a greater axial length than a thread engaging in this thread 20 threaded head.
  • the co-operating threads 11 and 14 essentially serve to center the drill pipe or the adapter 7 in the drill head 1 and, in the case of loading of the drill head 1, in particular during impact or rotary impact drilling, do not absorb any axial load and are thus free of any in axial Directional loads.
  • the design is made in such a way that, during drilling, a threaded head 13 of the thread 14 formed on the adapter 7 or the drilling tool is located substantially centrally in a thread root 12 of the complementary thread.
  • the cooperating wedge surfaces 4 and 6 of the drill head 1 and the adapter 7 are hiebei formed so that they can be performed without mutual interference on each other and also that formed in both elements 1 and 7 front teeth 5 and 8 are moved freely one above the other can, without touching each other or together to strike, whereby a secure, reliable screwing the adapter 7 is ensured in the drill head 1.
  • Fig. 5 finally, the two-piece drilling tool during retraction of the drill pipe or adapter 7 is shown in the direction of arrow 17, as is usually carried out during a rotary impact drilling.
  • the shoulder 18 of the threaded head 13, which is remote from the bore hole interior, of the thread 14 formed on the adapter 7 or of the drill rod now comes into contact with the thread 19 which is remote from the bore hole side 19 of the thread 11 formed in the drill head 1 and more precisely remote from the bore hole inside shoulder 19 of the thread bottom 12 of the thread 11 in Appendix.
  • a threaded connection 11, 14 between a drill head 1 and an adapter 7 or boring bar which threaded connection 11, 14 is completely unloaded during drilling and in which connection the entire axial load on the wedge surfaces 4 and 6 is applied to the drill head 1 and the torque stress during the rotary impact drilling on the front teeth 5 and 8 is applied, so that a total wear of the thread 11 of the drill head 1 as well as the external thread 14 of the Adapters 7 is held back with certainty and after completion of the drilling process a safe and reliable release of the drilling tool or the adapter 7 can be ensured from the drill head 1 and also the adapter 7 and the drill pipe can be reused for other uses.
  • a section through an adapter or a boring bar 7 is shown, in which (which) the pitch angles a1 and a2 of the wedge surface 6 and the thread 14 are shown.
  • the angle a1 or a2 which are determined with respect to a fictitious, normal to a longitudinal axis 21 of the adapter axis 22 as the pitch angle of the respective thread, clearly show that when screwing the adapter 7 in the in Fig. 7, not shown Drill head 1, the thread 14 forcibly must lift off from the complementary thread 11 of the drill head 1 whereby the complementary threads 1 1, 14 are held th in the axial direction during the drilling process free of forces.

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Abstract

Bei einem zweiteiligen Bohrwerkzeug zum Schlag- oder Drehschlagbohren von Löchern in Boden- oder Gesteinsmaterial mit einem Bohrkopf (1) und einem in einem Inneren des Bohrkopfes (1) über zusammenwirkende, komplementäre Gewinde (11, 14) festgelegtes Adapterteil (7) zur Kopplung mit einem Bohrgestänge wobei eine von einem Bohrlochinneren abgewandte Stirnfläche (3) des Bohrkopfes (1) auf einer komplementär ausgebildeten Anschlag- bzw. Auflagerfläche des Adapterteils (7) aufruht, weist die von dem Bohrlochinneren abgewandte Stirnfläche (3) des Bohrkopfes (1) und die damit zusammenwirkende Anschlag- bzw. Auflagerfläche des Adapterteils (7) komplementär ausgebildete Keilflächen (4, 6) mit Stirnzähnen (5, 8) auf und ein Steigungswinkel (a1) der Keilflächen (4, 6) kleiner als ein Steigungswinkel (a2) eines Innengewindes des Bohrkopfs (1) bzw. eines damit zusammenwirkenden Außengewindes des Adapterteils (7) bzw. der Bohrstange ist.

Description

ZWEITEILIGES BOHRWERKZEUG ZUM SCHLAG- ODER DREHSCHLAGBOHREN VON LÖCHERN IN BODEN- ODER GESTEINSMATERIAL
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein zweiteiliges Bohrwerkzeug zum Schlag- oder Drehschlagbohren von Löchern in Boden- oder Gesteinsmaterial mit einem Bohrkopf und einem in einem Inneren des Bohrkopfes über zusammenwirkende, komplementäre Gewinde festgelegtes Adapterteil zur Kopplung mit einem Bohrgestänge bzw. einem Bohrgestänge wobei eine von einem Bohrlochinneren abgewandte Stirnseite des Bohrkopfes auf einer komplementär ausgebildeten Anschlag- bzw. Auflagerfläche des Adapterteils aufruht.
Bohrwerkzeuge zum Schlag- oder Drehschlagbohren von Löchern in Boden- oder Gesteinsmaterial sind in den unterschiedlichsten Ausbildungen und für die unterschiedlichsten Einsatzzwecke bekannt, wobei in neuerer Zeit häufig Bohrkronen zum Einsatz gelangen, von welchen ein Teil, die sogenannte Ringbohrkrone nach Fertigstellung eines Bohrloches in diesem verbleibt oder sogenannte verlorene Bohrkronen zum Einsatz gelangen, welche nach Fertigstellung eines Bohrloches zur Gänze in dem Bohrloch verbleiben. Bei derartigen Bohrkronen wird aus Gründen der Wirtschaftlichkeit üblicherweise ein relativ weiches Material für entweder die gesamte oder zumindest die Ringbohrkrone verwendet, so dass es nach Fertigstellung eines Bohrloches häufig Probleme beim Lösen und Zurückziehen des Bohrgestänge oder eines mit dem Bohrgestänge verbundenen Adapters, aufgrund von Materialverformungen im Bereich der Verbindung des Bohrkopfes bzw. der Bohrkrone und des Adapters oder des bergseiti- gen Endes des Bohrgestänges auftreten. Um diese Verformungen zu minimieren bzw. vollständig zu vermeiden wurden bereits verschiedenste Arten der Verbindung zur Verfügung gestellt, wie z.B. die in der DE-A 25 43 578 oder der US-A 2 052 011 beschriebenen, wobei jedoch keine dieser Verbindungen ausreichende Standzeiten während eines Schlag- oder Drehschlagbohrens aufweist. Aus der DE-A 33 30 025 ist ein zweistückiger mit einem Gewinde versehener Bohrer bekannt, bei welchem versucht wurde durch Vorsehen von Anschlag- bzw. Auflagerelementen größeren Durchmessers als jenem der Gewindeverbindung die Gewindeverbindung eines Bohrers mit einem Bohrgestänge von Biegemomenten freizuhalten und somit eine Zerstörung des Gewindes hintanzuhalten. Aus der EP-B 0 771 934 ist ein Bohrwerkzeug, insbesondere zur Bearbeitung von Gestein bekanntgeworden, bei welchem durch eine spezielle Ausbildung einer Gewindeverbindung zwischen Bohrkopf und Bohrschaft die axiale Belastbarkeit des Gewindes erhöht wird und die Verschleißanfälligkeit desselben verringert wird.
Die Erfindung zielt nun darauf ab eine Gewindeverbindung zwischen einer verlorenen Bohrkrone bzw. einem Bohrkopf und einem Bohrgestänge bzw. einem Adapter zur Verfügung zu stellen, welche sowohl eine ausreichende Standzeit für die Ausbildung eines Bohrloches aufweist als auch nach Beendigung des Bohrvorganges sicher gelöst wer- den kann, um wiederverwertbare Elemente, wie die Bohrstange und/oder einen Adapter mit einer daran festgelegten Bohrstange sicher und zuverlässig rückgewinnen zu können.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist das zweiteilige Bohrwerkzeug gemäß der Erfindung da- durch gekennzeichnet, dass die von dem Bohrlochinneren abgewandte Stirnfläche des Bohrkopfes und die damit zusammenwirkende Anschlag- bzw. Auflagerfläche des Adapterteils komplementär ausgebildete Keilflächen mit Stirnzähnen aufweisen und dass ein Steigungswinkel der Keilflächen kleiner als ein Steigungswinkel eines Innengewindes des Bohrkopfs bzw. eines damit zusammenwirkenden Außengewindes des Adapterteils bzw. der Bohrstange ist. Indem die von dem Bohrlochinneren abgewandte
Stirnfläche des Bohrkopfes und die damit zusammenwirkende Anschlag- bzw. Auflagerfläche des Adapterteils komplementär ausgebildete Keilflächen mit Stirnzähnen aufweisen wird eine Verdrehsicherung der komplementären Innen- und Außengewinde zur Verfügung gestellt wodurch sichergestellt ist, dass übermäßige Drehmomentbean- spruchungen auf das Gewinde hintangehalten werden. Indem weiterhin ein Steigungswinkel der Keilflächen kleiner als ein Steigungswinkel eines Innengewindes des Bohrkopfs bzw. eines damit zusammenwirkenden Außengewindes des Adapterteils bzw. der Bohrstange ist, ist eine Entlastung des Gewindes in axialer Richtung gewährleistet, da die Schlagbeanspruchung in erster Linie auf die Keilflächen aufgebracht wird und die für eine übermäßige Abnutzung besonders gefährdeten Flächen der zusammenwirkenden Gewinde, nämlich die zum Berginneren gewandte Fläche des Gewindes am Adapter bzw. an der Bohrstange sowie die zum Bergäußeren gewandte Fläche der Bohrkrone bzw. des Bohrkopfes, von einer Schlagbeanspruchung in axialer Richtung im Wesentlichen frei gehalten werden. Mit einer derartigen Ausbildung gelingt es weiterhin sicherzustellen, dass nach Beendigung eines Bohrvorganges der Adapter bzw. die Bohrstange sicher und zuverlässig von der Bohrkrone gelöst werden kann, so dass ein übermäßiger Materialaufwand und insbesondere der Verlust von Adaptern bzw. Bohrstangen vermieden werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist das zweiteilige Bohrwerkzeug so ausgebildet dass der Steigungswinkel der Keilflächen wenigstens 10 % und höchstens 50 %, insbesondere etwa 25 % kleiner als der Steigungswinkel des Innen- und des Außengewindes ist. Durch einen deutlich kleineren Steigungswinkel der Keil- fläche in Bezug auf jenen des Innengewindes des Bohrkopfes und des Außengewindes des Adapters bzw. des Bohrgestänges hebt sich bei einem Einschrauben des Adapters bzw. der Bohrstange in den Bohrkopf zwangsweise ab, so dass zwangsweise ein gewisses Spiel des Gewindes des Adapters bzw. der Bohrstange in dem Innengewinde des Bohrkopfes ausgebildet wird, wodurch während eines Bohrvorganges die Gewin- deverbindung zwischen Bohrkopf und Adapter bzw. Bohrstange im wesentlichen frei von axialen Kräften gehalten ist.
Um die axiale Belastung der Gewinde des Bohrkopfes und des Adapters bzw. des Bohrgestänges weiter herabzusetzen ist die Erfindung bevorzugt so weitergebildet dass sich jeweils in axialer Richtung des zweiteiligen Bohrwerkzeugs erstreckende Gewindegründe der komplementären Gewinde des Bohrkopfes und des Adapters bzw. der Bohrstange eine Abmessung in axialer Richtung des zweiteiligen Bohrwerkzeugs aufweisen, welche jene der Gewindeköpfe übersteigt. In dem jeweils der Gewindegrund eine größere Längserstreckung in axialer Richtung des zweiteiligen Bohrwerk- zeuges als der jeweils in den Gewindegrund eingreifende Gewindekopf aufweist, wird der jeweilige Gewindekopf bei jeder Beanspruchung des zweiteiligen Bohrwerkzeuges vollständig frei von axialer Belastung gehalten und es kann somit verhindert werden, dass die komplementären Gewinde und insbesondere das üblicherweise aus einem weicheren Material gefertigte Innengewinde des Bohrkopfes während des Bohrvorgan- ges durch übermäßige Belastung ausgeschlagen oder abgerundet wird und nach Beendigung des Bohrvorganges nicht mehr gelöst werden kann.
Indem, wie dies einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung entspricht der Gewindegrund die Abmessung des Gewindekopfes in axialer Richtung des zweiteiligen Bohr- Werkzeugs um wenigstens ein Drittel der Höhe der Stirnzähne übersteigt, wird nicht nur eine Freistellung der komplementären Gewinde von jeglicher axialen Belastung sicher- gestellt sondern zusätzlich sichergestellt, dass der Freiraum zwischen Gewindekopf und Gewindegrund ausreichend klein ist, um nicht während des Bohreinsatzes unerwünschten Biegemomenten zu unterliegen und zusätzlich durch eingetragene Gesteinsreste zu soweit zu verschmutzen, dass ein Lösen nach Beendigung des Bohrvor- ganges unmöglich gemacht ist.
Um sowohl eine sichere und zuverlässige Übertragung der Schlagenergie auf den Bohrkopf sicherzustellen als auch eine sichere und zuverlässige Übertragung der drehenden Beanspruchung auf den Bohrkopf sicherzustellen ist die Erfindung bevorzugt so ausgebildet, dass die Stirnfläche des Adapters bzw. der Bohrstange und der Anschlag- bzw. Auflagerfläche des Bohrkopfes jeweils wenigstens eine, insbesondere wenigstens drei Keilflächen mit Stirnzähnen aufweist. Durch Ausbildung von wenigstens einer, vorzugsweise drei zusammenwirkenden Keilflächen des Adapters bzw. Bohrgestänges mit den entsprechenden komplementären Keilflächen des Bohrkopfes gelingt eine zuverlässige Übertragung der Schlagenergie auf den Bohrkopf ohne, dass die Gewinde des Bohrkopfes und des Adapters bzw. des Bohrgestänges in axialer Richtung belastet werden.
Durch gleichzeitiges Vorsehen von im Eingriffsfall bzw. während des Bohrvorganges aneinander anliegenden Stirnzähnen gelingt einerseits eine sichere Übertragung der Drehbewegung des Bohrgestänges auf den Bohrkopf und andererseits wird eine Sicherung gegen ein zu weites Einschrauben des Adapters bzw. des Bohrgestänges in den Bohrkopf zur Verfügung gestellt. Die Steigung der Keilflächen ist hierbei so gewählt, dass die resultierende Längserstreckung der Stirnzähne in axialer Richtung so groß ist, dass auch bei höchsten drehenden Belastungen bzw. höchsten Biegemomenten eine ausreichend großes Auflagerfläche von an dem Bohrkopf und an dem Adapter bzw. der Bohrstange ausgebildeten Stirnzähnen zu Verfügung gestellt ist, um eine sichere und zuverlässige Übertragung der erforderlichen Drehmomente zu gewährleisten und gleichzeitig einen übermäßigen Verschleiß der Stirnzähne hintanzuhalten.
Indem, wie dies einer bevorzugen Weiterbildung des erfindungsgemäßen zweiteiligen Bohrwerkzeugs entspricht, wenigstens die Keilflächen des Adapters bzw. der Bohrstange gehärtet ausgebildet sind wird sichergestellt, dass die besonders beanspruchten, die Schlagenergie übertragenden, Keilflächen gegen ein Ausschlagen bzw. Abnut- zen gesichert sind. Indem insbesondere die Keilflächen des Adapters bzw. des Bohrgestänges gehärtet ausgebildet sind wird eine Wiederverwertung dieses Elementes bzw. dieser Elemente nach Beeinigung eines Bohrvorganges in weiteren Bohrvorgängen sichergestellt. Indem wie dies einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung entspricht die Keilflächen und die Stirnzähne des Adapters bzw. der Bohrstange gehärtet ausgebildet sind, werden sämtliche hochbeanspruchten Elemente des Adapters bzw. Bohrstange gegen vorzeitige Abnutzung gesichert. Indem auch die Stirnzähne gehärtet ausgebildet sind, wird nicht nur die Übertragung von sehr hohen Drehmomenten gewährleistet sondern vor allem ein Abschlagen der extrem belasteten Bereiche der Stirnzähne vermieden. Um eine weitere Verringerung der Belastungsmomente im Bereich der Stirnzähne zu erzielen und insbesondere ein Ausreißen derselben hintanzuhalten ist die erfindungsgemäße Ausbildung bevorzugt so weitergebildet, dass im Adapter bzw. der Bohrstange und in der Anschlag- bzw. Auflagerfläche des Bohrkopfes im Bereich der Stirnzähne jeweils in etwa halbkreisförmige Ausnehmungen ausgebildet sind. Durch Vorsehen der halbkreisförmigen Ausnehmungen wird eine Rissbildung, insbesondere bei übermäßiger Beanspruchung der extrem belasteten Bereiche der Stirnzähne, durch Verteilung der eingebrachten Energie auf die im wesentlichen halbkreisförmigen Ausnehmungen gewährleistet und so ein Ausreißen bzw. Abreißen der Stirnzähne mit Sicherheit vermieden.
Um ein sicheres Lösen der Gewindeverbindung zwischen Bohrkopf und Adapter bzw. Bohrstange zu gewährleisten ist das zweiteilige Bohrwerkzeug gemäß der Erfindung bevorzugt so weitergebildet, dass das Innengewinde des Bohrkopfes und das damit zusammenwirkende komplementäre Außengewinde des Adapters bzw. der Bohrstange als eingängige Gewinde ausgebildet sind. Durch Vorsehen von eingängigen Gewinden gelingt es auch im Fall von extremen Verschmutzungen und beispielsweise dem Eintrag von zähem bzw. fest werdenden Bohrschlamm das Gewinde nach Beendigung des Bohrvorganges sicher zu lösen und somit die zur Weiterverwendung gedachten Elemente, nämlichen das Bohrgestänge sowie gegebenenfalls einen Adapter zu Fest- legung des Bohrgestänges sicher und zuverlässig wieder aus der verlorenen Bohrkrone zu entfernen.
Indem weiterhin gemäß einer bevorzugten Weiterbildung das erfindungsgemäße zweiteilige Bohrwerkzeug so ausgebildet ist, dass sich der jeweilige Gewindegang des Bohrkopfes und des Adapters bzw. der Bohrstange über wenigstens 75 % und höchstens 99 % des Umfangs des Adapters bzw. der Bohrstange und des Bohrkopfes er- streckt wird einerseits eine sichere Verbindung des Bohrkopfes mit dem Adapter bzw. der Bohrstange gewährleistet und andererseits sichergestellt, dass die Verbindung auch nach extremen Belastungen und/oder Verschmutzungen zuverlässig gelöst werden kann.
Eine besonders einfache und gleichzeitig zuverlässige Verschraubung des Bohrkopfes mit dem Adapter bzw. der Bohrstange wird gewährleistet, wenn, wie dies einer bevorzugten Ausbildung des erfindungsgemäßen zweiteiligen Bohrwerkzeugs entspricht, die komplementären Gewinde als Flachgewinde oder Trapezgewinde mit einem Flanken- winkel kleiner 25° ausgebildet sind. In an sich bekannter Weise sind Flachgewinde oder Trapezgewinde zur Aufnahme von hohen axialen Beanspruchungen fähig und andererseits gelingt es mit derartigen Gewindeformen das nötige Spiel bzw. den nötigen Freiraum zwischen einem Gewindegrund und einem entsprechenden kämmenden Gewindekopf zur Verfügung zu stellen, um die beabsichtigten bevorzugten Merkmale der Erfindung zu erzielen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In dieser zeigen:
Fig. 1 eine Außenansicht eines zweiteiligen Bohrwerkzeugs gemäß der Erfindung in der Stellung während eines Schlag- oder Drehschlagbohrens von Löchern in Bodenoder Gesteinsmaterial,
Fig. 2 einen Längsschnitt entlang der Linie A-A der Fig. 1 des zweiteiligen Bohrwerkzeugs gemäß Fig. 1 ,
Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung des Details B von Fig. 2, welches die wechselweise Position des Innengewindes des Bohrkopfs bzw. des Außengewindes des Adapters bzw. der Bohrstange im Zustand während des Bohrens zeigt,
Fig. 4 wiederum einen Längsschnitt durch das zweiteilige Bohrwerkzeug, wobei das zweiteilige Bohrwerkzeug in der Position während des Einschraubens des Adapters bzw. der Bohrstange in den Bohrkopf dargestellt ist,
Fig. 5 einen Längsschnitt durch das zweiteilige Bohrwerkzeug gemäß der Erfindung, in dem Betriebszustand während eines Zurückziehens des Bohrgestänges und eines Linksdrehens desselben, um während des Drehschlagbohrens die drehende Bewegung eines Bohrkopfs auszuführen,
Fig. 6 eine Außenansicht des zweiteiligen Bohrwerkzeugs in der Position gemäß Fig. 5, und Fig. 7 einen Schnitt durch den Adapter bzw. das Bohrgestänge in welchem die Steigungswinkel des Keilflächen bzw. des Gewindes gezeigt sind.
In Fig. 1 ist ein Bohrkopf 1 , insbesondere eine sogenannte verlorene Bohrkrone 1 dar- gestellt, welche an ihrer von den Lösewerkzeugen 2 abgewandten Stirnfläche 3 mit Keilflächen 4 und Stirnzähnen 5 ausgebildet ist. Die Keilflächen 4 sind hiebei so ausgebildet, dass sie mit komplementären Keilflächen 6 eines Adapters bzw. eines Bohrgestänges 7 während des Bohrens von Löchern in Boden- und/oder Gesteinsmaterial aneinander anliegend ausgebildet sind und über welche Keilflächen 4 bzw. 6 die Schlag- energie über das Bohrgestänge bzw. den Adapter 7 auf den Bohrkopf 1 aufgebracht wird. Der Adapter 7 weist hiebei zusätzlich zu den Keilflächen 6 Stirnzähne 8 auf, welche während eines Bohrens, insbesondere während der Aufbringung eines Drehmoments während eines Drehschlagbohrens an den komplementären Stirnzähnen 5 des Bohrkopfs 1 anliegen und die auf das zweiteilige Bohrwerkzeug aufgebrachte Drehmo- mente aufnehmen bzw. diesen standhalten.
Um ein Ausreißen und insbesondere ein unbeabsichtigtes Verformen der Stirnzähne 5 bzw. 8 mit Sicherzeit hintanzuhalten, sind hiebei sowohl in dem Bohrkopf 1 als auch in dem Adapter 7 bzw. in dem Bohrgestänge im wesentlichen halbkreisförmige Ausneh- mungen 9 und 10 ausgebildet, welche zur Aufnahme von übermäßigen Beanspruchungen und zur Verteilung der eingebrachten Energie dienen, wodurch ein Abreißen bzw. Ausschlagen der Stirnzähne 5 bzw. 8 mit Sicherheit hintangehalten ist.
In Fig. 2, welche ein Schnitt entlang der Linie A-A von Fig. 1 darstellt, sind die Bezugs- zeichen von Fig. 1 beibehalten. Im Inneren der Bohrkrone 1 ist hiebei ein eingängiges Gewinde 11 ausgebildet, welches so ausgeführt ist, dass ein Gewindegrund 12 eine in axialer Richtung des zweiteiligen Bohrwerkzeugs größere Längserstreckung aufweist als ein mit diesem Gewindegrund 12 zusammenwirkender Gewindekopf 13 des in das Gewinde 1 1 eingreifenden Gewindes 14 des Adapters bzw. der Bohrstange 7. Das komplementäre Gewinde 14 des Adapters bzw. der Bohrstange 7 ist hiebei ebenfalls so ausgebildet, dass ein Gewindegrund 20 eine größere axiale Längserstreckung als ein in diesen Gewindegrund 20 eingreifender Gewindekopf aufweist. Durch eine derartige Ausbildung dienen die zusammenwirkenden Gewinde 11 und 14 im wesentlichen zur Zentrierung des Bohrgestänges bzw. des Adapters 7 in dem Bohrkopf 1 und neh- men im Falle der Belastung des Bohrkopfs 1 , insbesondere während des Schlag- oder Drehschlagbohrens keinerlei axiale Last auf und sind somit frei von jeglichen in axialer Richtung wirkenden Belastungen. Wie dies der vergrößerten Teilansicht der Fig. 3 zu entnehmen ist, ist die Ausbildung hiebei so getroffen, dass während des Bohrens ein Gewindekopf 13 des an dem Adapter 7 bzw. dem Bohrwerkzeug ausgebildeten Gewindes 14 im wesentlichen mittig in einem Gewindegrund 12 des komplementären Gewin- des 11 in dem Bohrkopfs 1 angeordnet ist und dass beidseitig des Gewindekopfs 13 im Wesentlichen gleiche Freiräume 15 sowohl in Richtung zu der Abbaufront bzw. den Bohrstiften 2 des Bohrkopfs 1 als auch in der vom Bohrlochinneren abgewandten Richtung ausgebildet ist, so dass während eines Bohrens, insbesondere Schlag- und/oder Drehschlagbohrens keinerlei Belastung auf den Gewindekopf bzw. die Gewindeköpfe 13 wirkt.
Durch die zusammenwirkenden Gewinde 1 1 bzw. 14 ist hiebei insbesondere sichergestellt, dass der Bohrkopf 1 auf dem Adapter bzw. der Bohrstange 7 zentriert angeordnet ist und dass während eines Bohrens keinerlei Biegeelemente auf die Bohrkrone wirken können.
Durch die Ausbildung mit den zusammenwirkenden Keilflächen 4 der Bohrkrone 1 bzw. 6 des Adapters 7 wird eine sichere und zuverlässige Übertragung der axialen Kraft des Bohrgestänges auf die Bohrkrone 1 sichergestellt und weiterhin wird durch Ausbildung der Stirnzähne 5 bzw. 8 eine sichere und zuverlässige Übertragung des Drehmoments während eines Drehschlagbohrens auf die Bohrkrone 1 gewährleistet.
Bei der Darstellung gemäß Fig. 4, in welcher wiederum die Bezugszeichen der vorhergehenden Figuren beibehalten wurden, ist die Situation des zweiteiligen Bohrwerk- zeugs während des Einschraubens des Adapters 7 bzw. der Bohrstange 7 in den Bohrkopf 1 dargestellt. Während des Einschraubens des Adapters 7 bzw. der Bohrstange in den Bohrkopf 1 ist hiebei die vordere Endkante 16 des Bohrkopfs 13 des Gewindes 14 des Adapters 7 bzw. der Bohrstange in Anlage an der in Richtung zum Bohrlochinneren angeordneten Seitenwange 17 des Bohrgrundes 12 des Innengewindes 11 des Bohrkopfs 1 angeordnet, wodurch eine sichere Zentrierung des Adapters bzw. der Bohrstange 7 im Inneren des Bohrkopfs gewährleistet ist. Die zusammenwirkenden Keilflächen 4 bzw. 6 des Bohrkopfs 1 bzw. des Adapters 7 sind hiebei so ausgebildet, dass sie ohne gegenseitige Behinderung übereinander geführt werden können und auch dass die in beiden Elementen 1 bzw. 7 ausgebildeten Stirnzähne 5 bzw. 8 frei übereinander bewegt werden können, ohne aneinander anzustoßen bzw. aneinander anzuschlagen, wodurch ein sicheres, zuverlässiges Einschrauben des Adapters 7 in den Bohrkopf 1 gewährleistet ist.
In Fig. 5 ist schließlich das zweiteilige Bohrwerkzeug während eines Zurückziehens des Bohrgestänges bzw. Adapters 7 in Richtung des Pfeils 17 dargestellt, wie dies während eines Drehschlagbohrens üblicherweise durchgeführt wird. Während des Zurückziehens des Adapters 7 gelangt nunmehr die von dem Bohrlochinneren abgewandte Schulter 18 des Gewindekopfs 13 des an dem Adapter 7 bzw. der Bohrstange ausgebildeten Gewindes 14 an die vom Bohrlochinneren abgewandte Seite 19 des im Bohrkopf 1 ausgebildeten Gewindes 11 in Anlage und genauer an die vom Bohrlochinneren abgewandte Schulter 19 des Gewindegrundes 12 des Gewindes 11 in Anlage. In dieser Position des Adapters 7 im Inneren der Bohrkrone 1 sind nunmehr die Keilflächen 4 bzw. 6 des Adapters 7 bzw. des Bohrkopfs 1 von einander abgehoben bzw. liegen nicht unmittelbar aneinander an und eine axiale Last wirkt auf die Keilflächen 4 bzw. 6 nicht. Trotzdem verbleibt ein ausreichendes Übergreifen der Stirnzähne 5 bzw. 8, durch welches Übergreifen eine übermäßige Drehmomentbeanspruchung, welche gegebenenfalls zu einem Abbrechen der Stirnzähne 5 bzw. 8 führen könnte, wie dies aus der Darstellung gemäß Fig. 6 ersehen werden kann, zu verhindern. In Fig. 6 ist zusätzlich zu erkennen, dass die Stirnflächen 4 bzw. 6 nicht in Eingriff miteinander sind und voneinander abgehoben sind, so dass eine axiale Beanspruchung in Richtung zum Bohrlochinneren der Bohrkrone 1 durch den Adapter 7 bzw. die Bohrstange nicht stattfindet.
Mit einer Ausbildung gemäß der vorliegenden Erfindung gelingt es somit, eine Gewin- deverbindung 11 , 14 zwischen einem Bohrkopf 1 und einem Adapter 7 bzw. einer Bohrstange zur Verfügung zu stellen, welche Gewindeverbindung 11 , 14 während dem Bohren vollständig unbelastet ist und bei welcher Verbindung die gesamte axiale Belastung über die Keilflächen 4 bzw. 6 auf dem Bohrkopf 1 aufgebracht wird und die Drehmomentbeanspruchung während des Drehschlagbohrens über die Stirnzähne 5 bzw. 8 aufgebracht wird, so dass insgesamt ein Verschleiß des Gewindes 11 des Bohrkopfs 1 ebenso wie des Außengewindes 14 des Adapters 7 mit Sicherheit hintangehalten wird und nach Beendigung des Bohrvorgangs ein sicheres und zuverlässiges Lösen des Bohrwerkzeugs bzw. des Adapters 7 aus dem Bohrkopf 1 sichergestellt werden kann und auch der Adapter 7 bzw. das Bohrgestänge für weitere Einsätze wiederverwendet werden kann. In Fig. 7, in welcher die Bezugszeichen der vorhergehenden Figuren beibehalten sind, ist ein Schnitt durch einen Adapter bzw. eine Bohrstange 7 dargestellt, in welchem (welcher) die Steigungswinkel a1 bzw. a2 der Keilfläche 6 bzw. des Gewindes 14 dargestellt sind. Der Winkel a1 bzw. a2, welcher in Bezug auf eine fiktive, normal auf eine Längsachse 21 des Adapters stehende Achse 22 als Steigungswinkel der jeweiligen Gewinde ermittelt sind, zeigen deutlich, dass bei einem Einschrauben des Adapters 7 in den in Fig. 7 nicht dargestellten Bohrkopf 1 das Gewinde 14 zwangsweise von dem komplementären Gewinde 11 des Bohrkopfs 1 abheben muss wodurch die komplementären Gewinde 1 1 , 14 während des Bohrvorgangs in axialer Richtung frei von Kräf- ten gehalten sind.
Durch die spezielle konstruktive Ausgestaltung wird weiterhin sichergestellt, dass ein Abbrechen der Stirnzähne 5 bzw. 8 ebenso wie ein Verschleiß der Keilflächen 4 bzw. 6 hintangehalten wird, wobei für das Erzielen einer besonders hohen Standfestigkeit ins- besondere die Keilflächen 6 bzw. die Stirnzähne 8 gehärtet ausgebildet sind. Durch Ausbilden der Keilflächen 4 bzw. 6 mit von den Gewinden 11 , 14 im Inneren des Bohrkopfs 1 bzw. am Äußeren des Adapters 7 verschiedener Steigung wird insbesondere das Gewinde 11 , 14 in axialer Richtung belastungsfrei gehalten und somit nicht unnötig verschlissen.

Claims

Patentansprüche
1. Zweiteiliges Bohrwerkzeug zum Schlag- oder Drehschlagbohren von Löchern in Boden- oder Gesteinsmaterial mit einem Bohrkopf und einem in einem Inneren des Bohrkopfes (1) über zusammenwirkende, komplementäre Gewinde (1 1 , 14) festgelegtes Adapterteil (7) zur Kopplung mit einem Bohrgestänge wobei eine von einem Bohrlochinneren abgewandte Stirnfläche (3) des Bohrkopfes (1 ) auf einer komplementär ausgebildeten Anschlag- bzw. Auflagerfläche des Adapterteils (7) aufruht, dadurch gekennzeichnet, dass die von dem Bohrlochinneren abgewandte Stirnfläche (3) des Bohrkopfes (1 ) und die damit zusammenwirkende Anschlag- bzw. Auflagerfläche des Adapterteils (7) komplementär ausgebildete Keilflächen (4, 6) mit Stirnzähnen (5, 8) aufweisen und dass ein Steigungswinkel (a1) der Keilflächen (4, 6) kleiner als ein Steigungswinkel (a2) eines Innengewindes des Bohrkopfs (1) bzw. eines damit zusammenwirkenden Außengewindes des Adapterteils (7) bzw. der Bohrstange ist.
2. Zweiteiliges Bohrwerkzeug nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Steigungswinkel (a1) der Keilflächen (4, 6) wenigstens 10 % und höchstens 50 %, insbesondere etwa 25 % kleiner als der Steigungswinkel (a2) des Innen- und des Außengewindes (11 , 14) ist.
3. Zweiteiliges Bohrwerkzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich jeweils in axialer Richtung des zweiteiligen Bohrwerkzeugs erstreckende Gewindegründe (12, 20) der komplementären Gewinde (1 1 , 14) des Bohrkopfes (1 ) und des Adapters bzw. der Bohrstange (7) eine Abmessung in axialer Richtung des zweiteiligen Bohrwerkzeugs aufweisen, welche jene der Gewindeköpfe (13) übersteigt.
4. Zweiteiliges Bohrwerkzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Gewindegrund (12, 20) die Abmessung des Gewindekopfes (13) in axialer Richtung des zweiteiligen Bohrwerkzeugs um wenigstens ein Drittel der Höhe der Stirnzähne (5, 8) übersteigt.
5. Zweiteiliges Bohrwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, das die Stirnfläche des Adapters bzw. der Bohrstange (7) und der Anschlagbzw. Auflagerfläche (3) des Bohrkopfes (1) jeweils wenigstens eine, insbesondere wenigstens drei Keilflächen (4, 6) mit Stirnzähnen (5, 8) aufweist.
6. Zweiteiliges Bohrwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens die Keilflächen (4, 6) des Adapters bzw. der Bohrstange (7) gehärtet ausgebildet sind.
7. Zweiteiliges Bohrwerkzeug nach Ansprüche 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Keilflächen (4, 6) und die Stirnzähne (5, 8) des Adapters bzw. der Bohrstange (7) gehärtet ausgebildet sind.
8. Zweiteiliges Bohrwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Adapter bzw. der Bohrstange (7) und in der Anschlag- bzw. Auflagerfläche (3) des Bohrkopfes (1) im Bereich der Stirnzähne (5, 8) jeweils in etwa halbkreisförmige Ausnehmungen (9, 10) ausgebildet sind.
9. Zweiteiliges Bohrwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Innen- (11) und das damit zusammenwirkende komplementäre Außengewinde (14) als eingängige Gewinde ausgebildet sind.
10. Zweiteiliges Bohrwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich der jeweilige Gewindegang des Bohrkopfes (1) und des Adapters bzw. der Bohrstange (7) über wenigstens 75 % und höchstens 99 % des Umfangs des Adapters bzw. der Bohrstange (7) und des Bohrkopfes (1) erstreckt.
11. Zweiteiliges Bohrwerkzeug nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die komplementären Gewinde (11 , 14) als Flachgewinde oder Trapezgewinde mit einem Flankenwinkel kleiner 25° ausgebildet sind.
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