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Dier Erfindung betrifft eine Spannkopfanordnung, insbesondere zum Spannen eines Bohrgestängeelementes, mit mehreren Spannbackenelementen, welche jeweils eine Spannfläche aufweisen, die insbesondere zum spannenden Anlegen an eine Anlageseite des Bohrgestängeelementes ausgebildet sind, und einem Grundkörper mit Führungsbahnen, entlang welchen die Spannbackenelemente verschiebbar gelagert sind, wobei die Führungsbahnen zu einer Mittenachse der Spannkopfanordnung angewinkelt sind, so dass ein Verschieben der Spannbackenelemente entlang der Führungsbahnen ein axiales und ein radiales Verstellen der Spannbackenelemente in Bezug auf die Mittenachse bewirkt, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Eine derartige Spannkopfanordnung ist etwa aus der
EP 4 339 417 A1 bekannt. Eine weitere Spannkopfanordnung geht aus der
US 7,775,270 B1 hervor. Diese Spannkopfanordnungen dienen zum lösbaren Spannen eines zylindrischen oder rohrförmigen Bohrgestängeelementes, um ein Bohrdrehmoment von einem Drehbohrantrieb übertragen zu können. An einem distalen Ende eines Bohrstranges, welches durch ein oder mehrere Bohrgestängeelemente gebildet ist, ist im Betrieb ein Bohrwerkzeug angebracht, durch welches etwa bei einem Pfahlbohren Bodenmaterial abgetragen oder verdrängt werden kann.
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Bei diesen Spannkopfanordnungen sind die einzelnen Spannbackenelemente entlang eines Grundkörpers in oder an Führungsbahnen linear verschiebbar gelagert. Die Führungsbahnen sind zentrisch zu einer Mittenachse mit einem gewissen Anstellwinkel ausgebildet. So können die Spannbackenelemente bei einem axialen Verschieben auch radial verstellt werden, um das Bohrgestängeelement zu spannen oder freizugeben.
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Die Spannbackenelemente müssen entlang diesen Führungsbahnen verschiebbar sein und gleichzeitig in Position gehalten werden, damit diese beim Entnehmen des gespannten Bohrgestängeelementes nicht aus der Führungsbahn fallen.
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Die Führungsbahnen sind dabei üblicherweise mit einem Hinterschnitt ausgebildet und können insbesondere als eine Schwalbenschwanz-Führung, eine T-Führung oder eine vergleichbare Führung mit Hinterschnitt gefertigt sein. Diese Führungen ermöglichen zwar ein gutes Führen und eine zuverlässige Halterung der Spannbackenelemente an dem Grundkörper. Jedoch sind diese Führungen empfindlich gegen Verschmutzung und Beschädigung sowie aufwändig in der Herstellung. Führungsbahnen mit Hinterschnitt, wie etwa eine Schwalbenschwanz-Führung, benötigen in der Regel zur Herstellung spezielle und damit teure Formfräser. Anschließend ist für eine exakte Ausbildung der Führungsflächen noch ein Härten und eine Feinbearbeitung, etwa durch ein aufwändiges Schleifen oder Honen, erforderlich. Entsprechend der hinterschnittenen Führungsbahnen sind besonders gestaltete Schleif- oder Honwerkzeuge einzusetzen. Dies führt zu entsprechend hohen Fertigungskosten für eine solche Spannkopfanordnung. Dies gilt in ähnlicher Weise auch für die Fertigung der zugehörigen Spannbackenelemente, die passen zu den hinterschnittenen Führungsbahnen zu gestalten sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Spannkopfanordnung mit einem besonders einfachen und robusten Aufbau anzugeben.
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Die Aufgabe wird nach der Erfindung durch eine Spannkopfanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die erfindungsgemäße Spannkopfanordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Spannbackenelemente jeweils mit einem zylindrischen oder teilzylindrischen Führungskörper ausgebildet sind und dass die Führungsbahnen in dem Grundkörper als teilzylindrische Führungskanäle ausgebildet sind, in welchen jeweils ein Spannbackenelement mit dem zylindrischen oder teilzylindrischen Führungskörper verschiebbar gelagert sind.
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Ein erster Aspekt der Erfindung liegt darin, von dem aufwändigen Führungsbahnen mit hinterschnittenen ebenen Führungsflächen abzugehen und stattdessen die Führungsbahnen in dem Grundkörper als teilzylindrische Führungskanäle auszubilden. Zylindrische Kanäle können relativ einfach durch herkömmliche Bohrwerkzeuge erstellt werden, was fertigungstechnisch relativ einfach ist. Auch kann nach einem eventuellen Härten eine teilzylindrisch ausgebildete Führungsfläche mit entsprechend zylindrischen Schleif- oder Reibwerkzeugen sehr exakt und effizient fein bearbeitet werden. Unter einem teilzylindrischen Führungskanal im Sinne der Erfindung ist eine zylindrische Ausnehmung oder Bohrung zu verstehen, welche entlang eines axialen Abschnitts offen ist, so dass ein offener Führungskanal gebildet ist, dessen ansonsten bestehende Führungswand symmetrisch zu einer Mitten- oder Kanalachse ausgebildet ist. Die teilzylindrische Kanal- oder Führungswand erstreckt sich dabei über einen Winkelbereich von mehr als 180°, vorzugsweise zwischen 240° und 300°, so dass eine gewisse hinterschneidende Ausbildung gewährleistet ist. Der restliche Winkelbereich ist offen.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht darin, entsprechend zu den teilzylindrischen Führungskanälen die Spannbackenelemente jeweils mit einem zylindrischen oder teilzylindrischen Führungskörper auszubilden. Der Führungskörper kann dabei eine Art Führungsleiste entlang des eigentlichen Spannbackenelementes bilden oder vorzugsweise kann das Spannbackenelement selbst aus einem zylindrischen Grundkörper mit einer daran ausgebildeten oder angebrachten Spannfläche ausgeführt sein. Somit kann auch ein derartiges Spannbackenelement mit einem zylindrischen oder teilzylindrischen Führungskörper relativ einfach hergestellt werden, etwa unter Verwendung einer üblichen Drehbank oder Drehmaschine.
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Der Innendurchmesser des Führungskanals und der Außendurchmesser des Führungskörpers des Spannbackenelementes sind passend zueinander ausgebildet und bilden vorzugsweise eine sehr feine Spielpassung, so dass das jeweilige Spannbackenelement exakt und zuverlässig entlang des zugehörenden Führungskanals geführt und verschiebbar gelagert ist.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass die teilzylindrischen Führungskanäle an der Seite offen sind, die zu dem zu spannenden Bohrgestängeelement gerichtet ist. Hierdurch wird eine gute und sichere Führung der Spannbackenelemente in den Führungskanälen bei einer stabilen und guten Übertragung auch hoher Spannkräfte sichergestellt.
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Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Spannkopfanordnung kann dadurch erreicht werden, dass der Grundkörper ringförmig mit einem freien Innenraum zur Aufnahme des Bohrgestängeelementes ausgebildet ist und dass die Führungskanäle zum Innenraum offen sind. Eine derartige Spannkopfanordnung mit einem ringförmigen Grundkörper kann so zum Spannen eines zylindrischen Bohrgestängeelementes an der Außenseite ausgebildet sein. Der freie Innenraum in dem ringförmigen Grundkörper weist hierfür einen größeren Durchmesser auf als der maximale Durchmesser eines zu spannenden Bohrgestängeelementes.
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Das Bohrgestängeelement kann in dem Innenraum aufgenommen und durch Verschieben der Spannbackenelemente entlang der Führungsbahnen von einer radial äußeren Löseposition zu einer radial inneren Spannposition gespannt werden, in welcher die Spannbackenelemente an die Außenseite des Bohrgestängeelementes gedrückt und so das Bohrgestängeelement zumindest kraftschlüssig gehalten wird.
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Für ein Spannen eines rohrförmigen Bohrgestängeelementes an seiner Innenseite kann alternativ die Spannkopfanordnung gemäß der Erfindung dadurch weitergebildet sein, dass der Grundkörper schaft- oder blockartig mit einer Außenumfangsseite ausgebildet ist, in welcher die teilzylindrischen Führungskanäle mit den Spannbackenelementen angeordnet sind, wobei ein rohrförmiges Bohrgestängeelement an einer Innenseite spannbar ist. Ein Außendurchmesser des schaft- oder blockartigen Grundkörpers ist dabei kleiner als ein Innendurchmesser des rohrförmigen Freiraums des zu spannenden Bohrgestängeelementes.
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Der schaft- oder blockartige Grundkörper kann so in den rohrförmigen Innenraum des Bohrgestängeelementes relativ eingeschoben werden. Durch Verschieben der Spannbackenelemente entlang der Führungskanäle können die Spannbackenelemente von einer radial inneren Löseposition zu einer radial äußeren Spannposition verschoben werden. In der Spannposition können die Spannbackenelemente gegen die Innenseite des rohrförmigen Bohrgestängeelementes gedrückt werden. So kann ein rohrförmiges Bohrgestängeelement an seiner Innenseite zumindest kraftschlüssig gespannt und gehalten werden, so dass etwa ein Drehmoment auf das rohrförmige Bohrgestängeelement übertragen werden kann.
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Nach einer weiteren Ausgestaltungsform der Spannkopfanordnung ist es bevorzugt, dass die Spannbackenelemente mit mindestens einem Stellglied verbunden sind, welches zum Verschieben der Spannbackenelemente relativ zum Grundkörper verstellbar gelagert ist. Das Stellglied kann insbesondere ringförmig für ein Außenspannfutter oder scheiben- oder blockförmig für ein Innenspannfutter ausgebildet sein. Das Stellglied ist mit den einzelnen Spannbackenelemente fest oder vorzugsweise mit einem gewissen Spiel verbunden. Durch Verschieben des Stellgliedes werden die einzelnen Spannbackenelemente gemeinsam entlang den Führungsbahnen verschoben, um so eine Spannbewegung beziehungsweise eine Lösebewegung auszuführen.
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Grundsätzlich kann das Stellglied in jeder geeigneten Weise mit geeigneten Mitteln verstellt werden. Besonders vorteilhaft ist es nach einer Weiterbildung der Erfindung, dass das mindestens eine Stellglied mittels mindestens eines Stellzylinders, insbesondre eines Hydraulikzylinders, axial verschiebbar ist. Besonders bevorzugt sind zwei oder mehrere Stellzylinder angeordnet, welche möglichst gleichmäßig verteilt entlang des Umfangs des Stellgliedes angeordnet sind. Das Stellglied kann so relativ zu dem Grundkörper vorzugsweise in axialer Richtung verstellt oder verschoben werden. Die dabei aufgebrachten Stellkräfte werden durch die zur Mittenachse angewinkelten Führungsbahnen in der Art eines Keilschiebermechanismus in entsprechende Spann- oder Lösekräfte auf die einzelnen Spannbackenelemente übertragen.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist es bevorzugt, dass jedes Spannbackenelement über eine Verbindungseinrichtung mit dem Stellglied mit einem Spiel verbunden ist. Die Verbindungseinrichtung ist insbesondere so ausgebildet, dass die Spannbackenelemente mit dem Stellglied axial verschoben werden können. Hierbei ist in einer radialen Richtung und/oder axialen Richtung ein gewisses Spiel gegeben, also eine gewisse Bewegungsfreiheit des jeweiligen verbundenen Spannbackenelementes gegenüber dem Stellglied. Somit können mittels der jeweiligen Verbindungseinrichtung gewisse Relativbewegungen zwischen dem Stellglied und dem jeweiligen Spannbackenelement beim Verstellen der Spannbackenelemente kompensiert werden.
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Es kann eine Kontaktfläche am jeweiligen Spannbackenelement an einem Kontaktglied ausgebildet sein, welches mit einem gewissem Spiel an dem Spannbackenelement gelagert ist. So können kleinere Fluchtungsfehler kompensiert und ein sicheres, festes Spannen erzielt werden.
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Besonders vorteilhaft ist es nach einer Weiterbildung der Erfindung, dass zum Bilden der Verbindungseinrichtung an einem hinteren Bereich jedes Spannbackenelementes eine Hakenanordnung ausgebildet ist, welche in eine zugehörige Aufnahmehalterung an dem Stellglied eingreift. Die Hakenanordnung kann insbesondere dadurch gebildet sein, dass eine nutartige Ausnehmung in dem vorzugsweise zylindrischen Spannbackenelement in einer Querrichtung ausgebildet ist. Die Aufnahmehalterung an dem Stellglied kann insbesondere als ein Bügel oder eine korrespondierende Ausnehmung in dem Stellglied ausgebildet sein.
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Die Hakenanordnung kann insbesondre einstückig mit dem Spannbackenelement oder durch ein separates, am Spannbackenelement befestigtes Hakenelement gebildet sein. Die Aufnahmehalterung kann entsprechend einstückig oder als ein separates und am Stellglied befestigtes Teil ausgeführt sein. Grundsätzlich kann die Verbindungseinrichtung in jeder geeigneten Weise ausgeführt sein, wobei auch in umgekehrter Weise die Hakenanordnung am Stellglied und die Aufnahmehalterung an dem jeweiligen Spannbackenelement ausgebildet sein kann.
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Besonders zweckmäßig ist es nach einer Ausführungsform der Erfindung, dass die Spannbackenanordnung zum Bilden einer Bohrantriebsanordnung, insbesondere an einem Bohrantriebsschlitten, über mindestens einen Drehantrieb drehend antreibbar ist. Die Spannbackenanordnung kann so zur Übertragung eines Bohrdrehmoments von einem oder mehreren Drehantrieben auf ein Bohrgestängeelement dienen. Insbesondere kann die Bohrantriebsanordnung zum Erd- oder Gesteinsbohren im Tiefbau oder im Bergbau eingesetzt werden, wobei relativ hohe Drehmomente zuverlässig auf ein Bohrgestängeelement zu übertragen sind.
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Die mit der Spannkopfanordnung gebildete Bohrantriebsanordnung kann insbesondre an einem Bohrantriebsschlitten mit einem Schlittengrundkörper angeordnet sein. Der Schlittengrundkörper weist dabei die Spannkopfanordnung mit dem mindestens einen Drehantrieb an einer Seite auf, während an der anderen Seite eine Linearführungseinrichtung ausgebildet sein kann, mit welcher der Bohrantriebsschlitten etwa entlang eines Mäklers oder einer Bohrlafette geführt sein kann.
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Die Erfindung umfasst weiterhin ein Bohrgerät zum Erstellen einer Bohrung, insbesondere in einem Boden, mit mindestens eine Bohrgestängeelement, wobei eine erfindungsgemäße Spannkopfanordnung gegeben ist. Das Bohrgerät kann insbesondere mit einem Fahrgestell, insbesondere einem Raupenfahrwerk, ausgebildet sein. Das Bohrgerät kann weiterhin einen Mast oder eine Lafette aufweisen, welche vorzugsweise eine Linearführung zum Führen eines Bohrantriebsschlittens mit der Spannkopfanordnung und mindestens einem Drehantrieb aufweist. Der Mast oder die Lafette können verschiebbar gelagert sein.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels weiter beschrieben, welches schematisch in den Zeichnungen dargestellt ist. In den Zeichnungen zeigen:
- Fig. 1
- eine perspektivische Ansicht eines ringförmigen Grundkörpers mit einem Spannbackenelement für eine erfindungsgemäße Spannkopfanordnung von hinten;
- Fig. 2
- eine perspektivische Ansicht des ringförmigen Grundkörpers mit dem Spannbackenelement von Fig. 1 von vorne; und
- Fig. 3
- eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Spannkopfanordnung.
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Gemäß den Figuren 1 und 2 kann ein Grundkörper 12 für eine erfindungsgemäße Spannkopfanordnung 10 ringförmig mit einem Innenraum 13 ausgebildet sein, in welchem ein nicht-dargestelltes zylindrisches oder rohrförmiges Gestängeelement aufgenommen und gespannt werden kann. Entlang einer Ringinnenseite des Grundkörpers 12 sind vorzugsweise mit einem gleichmäßigen Winkelabstand Führungsbahnen 14 zum Aufnehmen und Führen von Spannbackenelementen 20 ausgebildet. In der gezeigten Ausführung sind beispielhaft drei Führungsbahnen 14 ausgebildet.
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In den Figuren 1 und 2 ist lediglich in einer Führungsbahn 14 aus Gründen der Übersichtlichkeit ein Spannbackenelement 20 eingesetzt. Gemäß der Erfindung sind die Führungsbahnen 14 in dem Grundkörper 12 als teilzylindrische Führungskanäle 15 ausgeführt, also mit einer zylindrischen oder teilzylindrischen Kanalwand, wobei der jeweilige Führungskanal 15 zu dem Innenraum 13 hin offen ist. Die Öffnungsweite W des Führungskanals 15 ist dabei kleiner als der Zylinderdurchmesser, welcher der maximalen Kanalbreite des Führungskanals 15 entspricht, wobei ein Hinterschnitt in dem Führungskanal 15 gebildet ist.
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Passend zur Gestaltung der Führungskanäle 15 sind die Spannbackenelemente 20 mit einem zylindrischen oder teilzylindrischen Führungskörper 22 mit einer Führungsfläche 24 ausgebildet. Der Außendurchmesser des Führungskörpers 22 bildet mit dem Innendurchmesser des zugehörigen Führungskanals 15 eine Passung, so dass das jeweilige Spannbackenelement 20 präzise in dem Führungskanal 15 verschiebbar gelagert ist.
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Die Führungsbahnen 14 beziehungsweise die Führungskanäle 15 weisen jeweils eine Führungslängs- oder Führungsmittenachse auf, welche zu einer zentralen Mittenachse des ringförmigen Grundkörpers 12 jeweils angewinkelt ist. Durch diese Anwinkelung wird bewirkt, dass ein axiales Verschieben der Spannbackenelemente 20 in den Führungskanälen 15 auch zu einer radialen Verstellung des Spannbackenelements 20 in Bezug auf die zentrale Mittenachse führt. Durch ein derartiges radiales Verstellen kann etwa eine im Spannbackenelement 20 ausgebildete Spannfläche 26 in Kontakt mit einer Außenseite des zu spannenden Bohrgestängeelementes gebracht werden. Auf diese Weise wird ein kraftschlüssiges Halten des Bohrgestängeelementes in dem ringförmigen Grundkörper 12 bewirkt.
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Zum Verstellen beziehungsweise Verschieben der einzelnen Spannbackenelemente 20 können diese an ihrem hinteren Bereich eine Hakenanordnung 32 aufweisen, über welche sie mit einem in den Figuren 1 und 2 nicht dargestellten Stellglied verbunden sein können. Die Hakenanordnung 32 kann einstückig an dem Spannbackenelement 20 durch Einbringen einer nutartigen Ausnehmung 34 ausgebildet oder als ein separates Teil an dem Spannbackenelement 20 angebracht sein.
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Gemäß Fig. 3 ist beispielhaft eine erfindungsgemäße Spannkopfanordnung 10 mit dem ringförmigen Grundkörper 12 gemäß den Figuren 1 und 2 dargestellt. Die in dem ringförmigen Grundkörper 12 verschiebbar gelagerten Spannbackenelemente 20 sind über die Hakenanordnung 32 an ihrem hinteren Endbereich an einem ringförmigen Stellglied 40 gehaltert. Hierzu sind an einer Vorderseite des ringförmigen Stellgliedes 40 bügelartige Aufnahmehalterungen 36 angebracht, welche ein Aufnahmefenster 37 bilden, in welches die Hakenanordnung 32 eingreift. Durch die Hakenanordnung 32 und die zugehörige Aufnahmehalterung 36 ist jeweils eine Verbindungseinrichtung 30 für das Spannbackenelement 20 an dem ringförmigen Stellglied 40 gebildet.
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Das ringförmige Stellglied 40 ist an seiner von den Spannbackenelementen 20 abgewandten hinteren Seite mitdrehend zu einem Antriebsflansch 46, durch welchen von einem nicht dargestellten Drehantrieb ein Drehmoment übertragen werden kann. Weiterhin ist das ringförmige Stellglied 40 über mindestens einen Stellzylinder 50 axial zu einer nicht näher dargestellten Mitten- oder Bohrachse der Spannkopfanordnung 10 axial verschiebbar.
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Die ringförmige Grundkörper 12 weist an seiner Vorderseite einen Abschlussring 18 auf, welcher den Innenraum 13 ringförmig umgibt. An seiner hiervon abgewandten hinteren Seite ist der ringförmige Grundkörper 12 über eine Verbindungshülse 19 fest mit dem Antriebsflansch 46 zur Übertragung eines Drehmomentes, insbesondere eines relativ hohen Bohrdrehmomentes, verbunden. An der Außenseite der Verbindungshülse 19 ist das ringförmige Stellglied 40 verschiebbar angeordnet.
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Durch axiales Verschieben des ringförmigen Stellgliedes 40 mittels des mindestens einen Stellzylinders 50 werden über die jeweiligen Verbindungseinrichtungen 30 die einzelnen Spannbackenelemente 20 in den in Fig. 3 nicht näher gezeigten teilzylindrischen Führungskanälen 15 verschoben. Hierbei erfolgt aufgrund der Anwinkelung der Führungskanalachsen zur zentralen Mittenachse der Spannkopfanordnung 10 auch ein radiales Verstellen der einzelnen Spannbackenelemente 20.
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Durch ein Ausfahren des mindestens einen Stellzylinders 50, welcher insbesondere ein Hydraulikzylinder sein kann, kann das Stellglied 40 zusammen mit den Spannbackenelementen 20 axial nach unten zu dem Abschlussring 18 verfahren werden, wobei sich die einzelnen Spannbackenelemente 20 radial nach innen in Richtung des Innenraums 13 schieben und ein dort angeordnetes Bohrgestängeelement radial spannen und kraftschlüssig halten können. Auf diese Weise kann auf ein so gespanntes Gestängeelement das Bohrdrehmoment von dem Antriebsflansch 46 übertragen werden.
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Durch ein Einfahren des mindestens einen Stellzylinders 50 kann das ringförmige Stellglied 40 wieder entsprechend zurück nach hinten verfahren werden, wobei die Spannbackenelemente 20 axial rückgezogen und auch radial nach außen in ihre Ausgangsposition rückgestellt werden. In dieser rückgestellten Position kann ein Gestängeelement aus der Spannkopfanordnung 10 wieder entnommen und ein neues Element eingesetzt werden.