DE4123639A1

DE4123639A1 - Toothed connection for assembling drill rods - comprises two opposing spherical segment bearings connecting a boss, allowing them to swivel about connection swivel centre

Info

Publication number: DE4123639A1
Application number: DE4123639A
Authority: DE
Inventors: Franz-Josef Hecke
Original assignee: Renk Tacke GmbH
Current assignee: Renk GmbH
Priority date: 1991-07-17
Filing date: 1991-07-17
Publication date: 1993-01-21
Anticipated expiration: 2011-07-18
Also published as: DE4123639C2

Abstract

A toothed connection (46) is arranged axially between the two spehrical-segment bearings, and its coupling teeth connect a housing (2) and a connecting boss (4) together but allow them to swivel, relative to each other, about the connection swivelling-centre (42). Oil ducts (60,61,62,64,66,68) provide for oil to reach between the bearing surfaces (36,40) of the two spherical-segment bearings (22,44) and into the toothed connection (46). All these oil ducts are completely filled with oil and are connected to a cylindrical space (72) containing a plunger (28).

Description

Die Erfindung betrifft ein Zahngelenk für Bohrgestänge ge mäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.The invention relates to a tooth joint for drill pipe ge according to the preamble of claim 1.

Ein solches Zahngelenk ist aus der DE-PS 11 42 473 bekannt. In dieser Schrift ist eine Wellenkupplung für achsparallele und winklige Verlagerungen von Wellen zueinander beschrie ben, bei welcher zur Führung dienende Kugelflächen einer Nabe als Ringe ausgebildet sind, die axial auf der Nabe verschiebbar sind, wobei zwischen jedem Ring und zugehöri ger Nabe eine Druckfeder angeordnet ist. Dadurch kann die Wellenkupplung sowohl Zug- als auch Druckkräfte übertragen und in axialer Richtung wirkende Stöße elastisch abfangen. Die Wellenkupplung kann als einfaches Gelenk oder als Dop pelgelenk ausgeführt sein.Such a tooth joint is known from DE-PS 11 42 473. In this document there is a shaft coupling for axially parallel and described angular displacements of waves to each other ben, in which the spherical surfaces used for guidance Hub are formed as rings that are axially on the hub are slidable, being between each ring and belonging ger hub a compression spring is arranged. This allows the Shaft coupling transmit both tensile and compressive forces and elastically absorb shocks acting in the axial direction. The shaft coupling can be used as a simple joint or as a dop fur joint.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, das Zahngelenk (die Wellenkupplung) für Bohrgestänge auf Schwimmkörpern, beispielsweise schwimmende oder fest veran kerte Bohrinseln und Bohrschiffe, und für Bohrtürme an Land, so auszubilden, daß ein Austreten von Öl einerseits und ein Eindringen von Wasser, Gestein, und anderen Medien verhindert und gleichzeitig eine gute Schmierung und Funk tionsfähigkeit des Zahngelenks aufrechterhalten wird.The object of the invention is to achieve that Toothed joint (the shaft coupling) for drill pipe Floating bodies, for example floating or fixed anchored drilling rigs and drilling ships, and for derricks Land so that oil spills on the one hand and water, rock, and other media ingress prevents and at the same time good lubrication and radio ability of the tooth joint is maintained.

Diese Aufgabe wird bei der Erfindung durch die kennzeich nenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst.This object is characterized by the invention nenden features of claim 1 solved.

Weitere Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen erhalten.Further features of the invention are in the subclaims receive.

Die Erfindung wird im folgenden mit Bezug auf Fig. 1 der Zeichnung anhand einer bevorzugten Ausfüh rungsform als Beispiel beschrieben. Die Zeichnung zeigt inThe invention is described below with reference to FIG. 1 of the drawing using a preferred embodiment as an example. The drawing shows in

Fig. 1 eine Seitenansicht, zur Hälfte im Axialschnitt, eines Zahn gelenks nach der Erfindung für Bohrgestänge. Fig. 1 is a side view, half in axial section, of a tooth joint according to the invention for drill rods.

Das in der Zeichnung dargestellte Zahngelenk nach der Erfin dung für Bohrgestänge besteht im wesentlichen aus folgenden Elementen.The tooth joint shown in the drawing after the inven The drill pipe consists essentially of the following Elements.

Gehäuse 2
Nabe 4
O-Ring 6
O-Ring 8
O-Ring 10
O-Ring 12
O-Ring 14
Schutzhülse 16
Kalottenring 18
Stützring 20
Axiallager 22
Spannfeder 24
Seegering 26
Kolben 28
Verschlußschraube 30
Schmiernippel 32 Housing 2
Hub 4
O-ring 6
O-ring 8
O-ring 10
O-ring 12
O-ring 14
Protective sleeve 16
Dome ring 18
Support ring 20
Thrust bearing 22
Tension spring 24
Seegering 26
Piston 28
Locking screw 30
Grease nipple 32

Das Axiallager 22 besteht aus einem im Gehäuse 2 ortsfest angeordneten Kugelkalottenausschnitt-Lagerring 34 und einem entgegengesetzt dazu in der Nabe 4 ortsfest angeordneten, bezüglich der Lagerfläche 36 komplementär ausgebildeten zweiten Lagerring 38. Dieses Axiallager 22 überträgt die Axialkräfte beim Bohren von der Nabe 4 nach unten auf das Gehäuse 2.The axial bearing 22 consists of a spherical cap cutout bearing ring 34 which is arranged in a stationary manner in the housing 2 and a second bearing ring 38 which is arranged stationary in the hub 4 opposite thereto and is designed to be complementary with respect to the bearing surface 36 . This thrust bearing 22 transmits the axial forces during drilling from the hub 4 down to the housing 2 .

Der Kalottenring 18 und der Stützring 20 liegen über ring förmigen Kugelkalottenausschnittsflächen, im wesentlichen in Axialrichtung Kräfte übertragend, aneinander an. Diese Kugelkalottenausschnittsflächen haben den gleichen Krümmungsmittelpunkt wie die ringförmigen Kugelkalottenaus schnittsflächen 36 des Axiallagers 22 und bilden zusammen mit diesem den Gelenk-Schwenkmittelpunkt 42. Der Stützring 20 ist in das Gehäuse 2 eingeschraubt. Der Kalottenring 18 ist in der Nabe 4 axial verschiebbar angeordnet und wird von der Spannfeder 24 axial gegen den Stützring 20 ge drückt. The dome ring 18 and the support ring 20 lie against one another via ring-shaped spherical dome cutout surfaces, essentially transmitting forces in the axial direction. These spherical cap cut-out surfaces have the same center of curvature as the annular spherical cap cut-out surfaces 36 of the axial bearing 22 and, together with this, form the pivot pivot center 42 . The support ring 20 is screwed into the housing 2 . The dome ring 18 is axially displaceable in the hub 4 and is axially pressed against the support ring 20 by the tension spring 24 .

Axial zwischen dem Axiallager 22 und dem Kugelkalottenlager 44, das durch die Schutzhülse 16 und den Stützring 20 ge bildet ist, befindet sich eine Zahnkupplung 46. Die Zahnkupplung 46 besteht aus einem inneren Kranz von Zähnen 48 des Gehäuses 2 und einem äußeren Kranz von Zähnen 50 der Nabe 4, welche zwischen die Zähne 48 des Gehäuses 2 eingreifen. Die Zähne 50 der Nabe 4 sind in bekannter Weise bogenförmig und ballig ausgebildet, so daß der Zahnkranz 50 der Nabe 4 innerhalb des Zahnkranzes 48 des Gehäuses 2 winkelbewegliche Schwenkbewegungen um den Gelenk-Schwenk mittelpunkt 42 ausführen kann. Die Zähne 50 sind zwischen den Zähnen 48 axial verschiebbar und kommen axial an den Stützring 20 zur Anlage, wenn die Nabe 4 axial nach oben zurückgezogen wird, um das Bohrgestänge aus dem Bohrloch herauszuziehen. Dabei nimmt die Nabe 4 über die Zähne 50 des äußeren Zahnkranzes den Stützring 20 und das mit ihm verschraubte Gehäuse 2 axial nach oben mit. Ein konischer unterer Abschnitt 52 des Gehäuses 2 ist mit einem Gewinde zum Anschluß eines Bohrkopfes versehen. Ein konischer oberer Abschnitt 54 der Nabe 4 ist mit einem Gewinde zum Anschluß an ein Bohrgestänge versehen.A tooth coupling 46 is located axially between the axial bearing 22 and the spherical cap bearing 44 , which is formed by the protective sleeve 16 and the support ring 20 . The tooth coupling 46 consists of an inner ring of teeth 48 of the housing 2 and an outer ring of teeth 50 of the hub 4 , which engage between the teeth 48 of the housing 2 . The teeth 50 of the hub 4 are arched and crowned in a known manner, so that the ring gear 50 of the hub 4 within the ring gear 48 of the housing 2 can perform angularly movable pivoting movements around the pivoting center 42 . The teeth 50 are axially displaceable between the teeth 48 and come to bear axially against the support ring 20 when the hub 4 is withdrawn axially upward in order to pull the drill pipe out of the borehole. The hub 4 takes the support ring 20 and the housing 2 screwed to it axially upwards via the teeth 50 of the outer ring gear. A conical lower section 52 of the housing 2 is provided with a thread for connecting a drill head. A conical upper portion 54 of the hub 4 is threaded for connection to a drill string.

Über Kanäle 60, 62, 64, 66 und 68 können sämtliche elektiv zueinander bewegbaren Innenflächen mit Öl versorgt werden, insbesondere die Lagerflächen 36 und 40, sowie die Zähne 48 und 50 der Zahnkupplung 46.Via channels 60 , 62 , 64 , 66 and 68 , all inner surfaces which can be moved relative to one another can be supplied with oil, in particular the bearing surfaces 36 and 40 , as well as the teeth 48 and 50 of the tooth coupling 46 .

In der oberen Stirnseite 70 des konischen Abschnittes 54 der Nabe 4 ist ein in der Stirnfläche ausmündender Zylin derraum 72 gebildet, in welchen der Kolben 28 stirnseitig eingesetzt ist. Der Ölkanal 60 im oberen Abschnitt der Nabe 4 ist mit den Zylindern 72 in Strömungsverbindung. Durch den Kolben 28 führt eine Axialbohrung 61, die durch den herausnehmbaren Schmiernippel 32 verschlossen ist. Am ent gegengesetzten Ende der Zahnkupplung führt der Ölkanal 68 axial durch den Endabschnitt 52 des Gehäuses 2. Der Ölkanal 68 ist durch die herausnehmbare Verschlußschraube 30 ver schlossen. Durch den Schmiernippel 32 kann die gesamte Zahnkupplung vollständig mit Öl gefüllt werden, wobei in der Zahnkupplung enthaltene Luft durch den Ölkanal 68 ent weichen kann, wenn die Verschlußschraube 30 herausgenommen ist. Die Verschlußschraube 30 wird nach dem Füllen des Zahngelenks mit Öl wieder in den Ölkanal 68 geschraubt.In the upper end face 70 of the conical section 54 of the hub 4 , a cylin derraum 72 opening into the end face is formed, in which the piston 28 is inserted on the end face. The oil passage 60 in the upper portion of the hub 4 is in flow communication with the cylinders 72 . An axial bore 61 leads through the piston 28 and is closed by the removable lubricating nipple 32 . At the opposite end of the tooth coupling, the oil channel 68 leads axially through the end section 52 of the housing 2 . The oil channel 68 is closed by the removable screw plug 30 ver. Through the lubricating nipple 32 , the entire tooth coupling can be completely filled with oil, air contained in the tooth coupling can pass through the oil channel 68 when the screw plug 30 is removed. After filling the tooth joint with oil, the screw plug 30 is screwed back into the oil channel 68 .

Das mit dem Kolben 28 und dem Schmiernippel 32 versehene Ende des Zahngelenks ist oben, und das mit der Verschluß schraube 30 versehene Ende des Zahngelenks ist unten.The provided with the piston 28 and the grease nipple 32 end of the tooth joint is above, and the screw 30 provided with the closure end of the tooth joint is below.

Das Zahngelenk befindet sich axial zwischen einem nicht dargestellten Bohrkopf und einem ebenfalls nicht darge stellten Gestänge, so daß das Zahngelenk beim Bohren sowohl von Kühlwasser als auch Gesteinsmaterial umgeben ist. Je nach Bohrtiefe ist der Kühlwasserdruck bzw. Spülwasserdruck unterschiedlich groß. Um ein Eindringen von Wasser, Gestein usw. in das Zahngelenk zu verhindern, wird dieses in der genannten Weise vollständig mit Öl gefüllt. Durch den Kol ben 28 ergibt sich ein Druckausgleich, durch welchen der Druck des Öls im Zahngelenk stets auf gleichen Druck wie der Druck des Mediums der Zahngelenkumgebung gehalten wird. Während des Bohrvorganges wird der Axialdruck von der ring förmigen Kugelkalottenfläche 36 des Axiallagers 22 aufge nommen, während die ringförmigen Kugelkalottenflächen 40 lediglich als federnde Dichtung sowie beim Herausziehen des Gestänges als Begrenzungsvorrichtung dienen. Das Zahngelenk hat neben der Übertragung von Drehmoment, Axialdruck, Win kel- und Parallelverlagerungen zwischen dem Bohrkopf und dem Bohrgestänge auch die Aufgabe, in Achsrichtung als druckregulierbares Dämpfungselement unter Verwendung von Schmieröl zum Schmieren der Verzahnung 48, 50 sowie der ka lottenförmigen Lagerflächen 36 und 40 zu wirken.The tooth joint is located axially between a drill head, not shown, and a linkage, also not shown, so that the tooth joint is surrounded by both cooling water and rock material during drilling. Depending on the drilling depth, the cooling water pressure or flushing water pressure is different. In order to prevent water, rock, etc. from entering the tooth joint, it is completely filled with oil in the manner mentioned. By Kol ben 28 there is a pressure equalization, through which the pressure of the oil in the tooth joint is always kept at the same pressure as the pressure of the medium around the tooth joint. During the drilling process, the axial pressure from the annular spherical cap surface 36 of the thrust bearing 22 is taken up, while the annular spherical cap surfaces 40 serve only as a resilient seal and when pulling out the rod as a limiting device. In addition to the transmission of torque, axial pressure, angular and parallel displacements between the drill head and the drill rod, the tooth joint also has the task of axially acting as a pressure-regulating damping element using lubricating oil for lubricating the toothing 48 , 50 and the box-shaped bearing surfaces 36 and 40 to act.

Hierzu ist es erforderlich, vor dem Einbau das komplette Zahngelenk mit der herausgenommenen Verschlußschraube 30 in eine vertikale Position nach oben zu bringen, um danach durch den Schmiernippel 32 von unten, also bei auf den Kopf gestelltem Zahngelenk, so lange Öl einzupressen, bis sämtli che Luft aus dem Inneren entwichen und der Kolben 28 am Seegering 26 zum Anschlag gekommen ist. Anschließend ist die Verschlußschraube 30 stirnseitig in den konischen Endabschnitt oder Gewindezapfen 52 des Gehäuses 2 einzudre hen, so daß dieser dann entweder direkt mit dem Bohrkopf oder einem Zwischengestänge verschraubt werden kann. Auf das Gewinde des konischen oberen Abschnittes 54 der Nabe 4 wird eine Muffe des Antriebs- oder Zwischengestänges befe stigt, wodurch das Drehmoment und der Axialdruck über das Zahngelenk auf den Bohrkopf übertragen werden.For this purpose, it is necessary to bring the entire tooth joint with the removed screw plug 30 into a vertical position before installation, in order to then press in oil through the grease nipple 32 from below, i.e. with the tooth joint turned upside down, until all surfaces Air has escaped from the inside and the piston 28 has come to a stop on the circlip 26 . Then the screw 30 is the end face in the conical end portion or threaded pin 52 of the housing 2 hen so that it can then be screwed either directly to the drill head or an intermediate linkage. On the thread of the conical upper portion 54 of the hub 4 , a sleeve of the drive or intermediate linkage is attached, whereby the torque and the axial pressure are transmitted via the toothed joint to the drill head.

Sowohl das gesamte Gestänge ist außen und innen als auch das Zahngelenk außen von einem relativ hohen Wasserdruck umgeben, weshalb sicherzustellen ist, daß dieser Wasser druck dem Öldruck im Zahngelenk entspricht, um einerseits das Eindringen von Wasser in das Zahngelenk und anderer seits ein Austreten von Öl aus dem Zahngelenk zu vermeiden. Dadurch, daß der Wasserdruck außerhalb und innerhalb des Gestänges gleich ist, sorgt der Kolben 28 für einen dem Wasserdruck gleichen Öldruck innerhalb des Zahngelenks. Da mit ist gewährleistet, daß kein Wasser, Gestein usw. in das Zahngelenk eindringen und dessen Funktion beeinträchtigen kann. Die Dichtung 10 verhindert ein Eindringen von Wasser oder eines anderen Mediums entlang des Kolbens 28. Both the entire linkage is outside and inside as well as the tooth joint outside surrounded by a relatively high water pressure, which is why it must be ensured that this water pressure corresponds to the oil pressure in the tooth joint, on the one hand the penetration of water into the tooth joint and on the other hand oil leakage to avoid from the tooth joint. Because the water pressure outside and inside the linkage is the same, the piston 28 ensures an oil pressure inside the tooth joint that is equal to the water pressure. This ensures that no water, rock, etc. can penetrate the tooth joint and impair its function. The seal 10 prevents water or other medium from penetrating along the piston 28 .

Ein Herausnehmen des Schmiernippels 32 ist dann zweckmäßig, wenn bei Inspektion des Zahngelenks in Folge natürlichen Verschleißes von Dichtungen der betriebsbedingte Ölstand sich zu weit reduziert hat und die fehlende Ölmenge durch Öl aus einem Handkännchen ergänzt oder das Zahngelenk über holt und gereinigt werden muß.Removing the grease nipple 32 is useful when the inspection of the tooth joint due to natural wear of seals, the operational oil level has been reduced too much and the missing amount of oil is supplemented by oil from a jug or the tooth joint has to be overhauled and cleaned.

Beim Bohren übernimmt nur das Axiallager 22 den zum Bohren erforderlichen Axialdruck. Der Stützring 20 ist durch ein Gewinde 80 mit dem Gehäuse 2 fest verbunden, so daß der Ka lottenring 18 sich in der Schutzhülle 16, die mit der Nabe 4 fest verbunden ist, durch die Spannfeder 24 in Achsrich tung bewegen kann und ständig gegen die Kalottenfläche 40 drückt. Diese federnde Kalottenausführung dient ausschließ lich zur Abdichtung des Zahngelenks und als Begrenzung oder Anschlag beim Herausziehen des kompletten Gestänges. Beim Herausziehen des Gestänges wandert nämlich die Nabe 4 mit der Außenverzahnung 50 gegen die Stirnfläche 82 des Stütz ringes 20.When drilling, only the axial bearing 22 takes over the axial pressure required for drilling. The support ring 20 is firmly connected by a thread 80 to the housing 2 , so that the Ka lottenring 18 can move in the protective sleeve 16 , which is firmly connected to the hub 4 , by the tension spring 24 in the axial direction and constantly against the spherical surface 40 presses. This resilient dome design is used exclusively to seal the tooth joint and as a limit or stop when pulling out the complete linkage. When pulling out the rod namely the hub 4 with the external teeth 50 moves against the end face 82 of the support ring 20th

Das Zahngelenk ist in der Zeichnung nur als einfaches Zahn gelenk dargestellt. Je nach Ausführung und Länge des Bohr gestänges sowie der Bohrtiefe können jedoch auch mehrere solcher Zahngelenke axial hintereinander angeordnet werden. Beim Einbau nur eines Zahngelenkes ist das Gestänge ein fach-gelenkig, bei Verwendung von zwei oder mehreren Zahn gelenken ist das Gestänge zweifach- oder mehrfach-karda nisch wirksam, wodurch relativ große Fluchtabweichungen des Gestänges oder des Bohrloches aufgenommen werden können.The tooth joint is only a simple tooth in the drawing shown articulated. Depending on the design and length of the drill rod and the drilling depth can also be several such tooth joints can be arranged axially one behind the other. If only one tooth joint is installed, the linkage is on articulated, when using two or more teeth the linkage is double or multiple carda nisch effective, whereby relatively large escape deviations of the Linkage or the borehole can be included.

Claims

1. Toothed joint for drill pipe, with two spherical spherical bearings ( 22 , 44 ) that absorb axial forces, which are arranged opposite to one another, at an axial distance from one another, and form a joint pivot pivot center ( 42 ) located axially between them, with a tooth coupling ( 46 ), which is arranged axially between the two spherical cap bearings ( 22 , 44 ) and the coupling teeth of which connect a housing ( 2 ) and a Ge steering hub ( 4 ), but non-rotatably relative to one another about the joint pivot center ( 42 ) with one another Oil channels ( 60 , 61 , 62 , 64 , 66 , 68 ) through which oil gets between the bearing surfaces ( 36 , 40 ) of the two spherical cap bearings ( 22 , 44 ) and into the tooth coupling ( 46 ), characterized in that all oil channels ( 60 , 61 , 62 , 64 , 66 , 68 ) are completely filled with oil and are in flow connection with a cylinder space ( 72 ) which is located in one of the two coupling bodies (housing 2 , hub 4 ) is formed that in the cylinder chamber ( 72 ) a piston ( 28 ) is housed, which separates the oil from the external tooth joint environment and from the oppositely acting on the piston ( 28 ) pressures of the oil on the one hand and the medium of the external environment (liquid and / or gas), on the other hand, and thereby adapts the pressure of the oil to the respective pressure of the medium of the external tooth joint environment.

2. Tooth joint according to claim 1, characterized in that in one of the two spherical bearings ( 44 ), the two bearing surfaces ( 40 ) by spring means ( 24 ) ela stisch are pressed against each other, and that when at their spherical bearing ( 22 ), the two bearing surfaces ( 36 ) are each essentially rigid.

3. Tooth joint according to claim 1 and 2, characterized in that the piston ( 28 ) in the end face ( 70 ) of a coupling body (housing 2 or preferably hub 4 ) is inserted into the cylinder space ( 72 ) formed there.

4. Tooth joint according to one of claims 1 to 3, characterized in that at opposite ends ( 52 , 54 ) of the oil path given by the oil channels ( 61 , 60 , 62 , 64 , 66 , 68 ) each have a closable opening ( 30 , 32nd ) is provided such that when the oil channels are filled, air can escape through the other opening, thereby completely filling all oil channels with oil.

5. Tooth joint according to claim 4, characterized in that one of the closable openings ( 32 ) is formed in the piston ( 28 ).

6. Tooth joint according to claim 4 or 5, characterized in that the two openings ( 30 , 32 ) are provided on mutually abge facing outer end faces of the tooth joint.