AT392669B - Gewindeanordnung zum verbinden von zwei elementen in einem schlagbohrgestaenge - Google Patents

Description

AT 392 669 B

Die Erfindung betrifft eine Gewindeanordnung zum Verbinden von zwei Elementen in einem Schlagbohigestänge umfassend ein inneres zylindrisches Gewinde und ein äußeres zylindrisches Gewinde, wobei die genannten Gewinde Anlageflanken haben, die entlang ihren anliegenden Berührungsabschnitten gerade sind.

Eine Gewindeanordnung dieser Art ist in der US-A-3645570 beschrieben. Bei einer solchen Gewindeanordnung wird an den Berührungsflächen Reibungsmartensit gebildet und dies führt zu sogenanntem Lochfraß. Dies tritt besonders dann ein, wenn Druckluft als Spülmedium verwendet wird, was zu einer verhältnismäßig schlechten Kühlung der Berührungsflächen führt, und wenn die Berührungsflächen einsatzgehärtet sind. Wenn der sogenannte Lochfraß auf den Flanken der Gewinde auftritt, ist er verhältnismäßig harmlos. Im Bodenabschnitt des Außengewindes, wo die Belastungskonzentration hoch ist, führt ein Oberflächendefekt jedoch rasch zu einem Ermüdungsausfall des Bohrelementes.

Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Gewindeanordnung der vorstehend beschriebenen Art, bei der gewährleistet ist, daß die Berührung nicht zwischen dem Scheitelabschnitt des Innengewindes und dem Bodenabschnitt des Außengewindes eintritt, wenn die Gewinde abgenützt sind. Insbesondere zielt die Erfindung darauf ab, eine verbesserte Gewindekupplung an einem Bohrelement, insbesondere einer Bohrstange zu schaffen, die an einem Ende ein Außengewinde und am anderen Ende ein Innengewinde aufweist und bei welcher das Innengewinde in einem hülsenförmigen Abschnitt der Bohrstange angeordnet ist. Eine Bohrstange dieses Typs ist in der US-A-3537738 beschrieben. Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine Bohrstange der in der US-A-3537738 beschriebenen Art dahingehend zu verbessern, daß sie die gleiche Biegefestigkeit über ihre gesamte Länge aufweist und zu gewährleisten, daß das Spülmedium die Gewinde erreichen kann und dazwischen strömen kann, um den Verschleiß der Gewinde zu verringern.

Diese Ziele werden bei der eingangs näherbezeichneten Gewindeanordnung erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß ein Freiraum, der zwischen dem Bodenabschnitt des Außengewindes und dem Scheitelabschnitt des Innengewindes vorgesehen ist, größer als 1 % des Außendurchmessers des Außengewindes ist. Dabei ist es zweckmäßig, wenn der genannte Freiraum wenigstens viermal so groß ist wie der Freiraum zwischen dem Bodenabschnitt des Innengewindes und dem Scheitelabschnitt des Außengewindes.

Vorteilhafterweise weist das Innengewinde eine Höhe auf, die geringer als 5 % des Innendurchmessers des Innengewindes ist. Daher können die Anlageflanken um 2540°, vorzugsweise 35°, zur Längsachse des Bohrgestänges geneigt sein. Eine zweckmäßige Weiterbildung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Gewinde einen Eingang besitzen und der Steigungswinkel der Gewinde 5,5-8° beträgt, worin der Steigungswinkel bei einer Erhöhung des Durchmessers der Gewinde um 10 mm um 0,4-0,8° verringert wird, und worin der Steigungswinkel bei einem Innengewinde mit einem Außendurchmesser von 38 mm in der Größenordnung von 7,2° liegt

Gegenstand der Erfindung ist auch ein Bohrelement für die Verwendung in einem Schlagbohrgestänge in Form einer Bohrstange, mit einer Kupplungshülse oder einem Bohrmeißel, insbesondere bei einer erfindungsgemäßen Gewindeanordnung, umfassend ein inneres zylindrisches Gewinde, das dazu eingerichtet ist, mit einem entsprechenden äußeren zylindrischen Gewinde auf einem anderen Bohrelement im Bohrgestänge verbunden zu werden, wobei die genannten Gewinde Anlageflanken besitzen, die entlang ihrer Anlageabschnitte gerade sind, das dadurch gekennzeichnet ist, daß das Innengewinde eine Höhe aufweist, die geringer als 5 % des Innendurchmessers des Innengewindes ist Dabei ist es zweckmäßig, wenn das Innengewinde eine Höhe aufweist, die geringer ist als 4,5 % des Innendurchmessers des Innengewindes bei Innendurchmessern von weniger als 55 mm. Mit Vorteil können die Anlageflanken um 2540°, vorzugsweise 35°, zur Längsachse des Bohrelementes geneigt sein. Dabei ist es weiters von Vorteil, wenn die Gewinde einen Eingang aufweisen und der Steigungswinkel der Gewinde 5,5-8° ist, worin der Steigungswinkel bei einer Steigerung des Durchmessers der Gewinde um 10 mm um 0,4-0,8° verringert wird, und worin der Steigungswinkel bei einem Gewinde mit einem Außendurchmesser von 38 mm in da* Größenordnung von 7,7° liegt.

Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Bohrelementes ist dadurch gekennzeichnet, daß das Bohrelement eine Bohrstange ist, die an ihrem einen Ende mit einem Außengewinde und an ihrem anderen Ende mit einem Innengewinde versehen ist, wobei die genannte Bohrstange mit einem Spülkanal versehen ist, der sie durchsetzt, und worin das Innengewinde mit einem hülsenförmigen Abschnitt der Stange versehen ist, wobei der Boden des genannten hülsenförmigen Abschnittes eine ringförmige Anlagefläche bildet, die dazu ausgebildet ist, gegen eine entsprechende ringförmige Anlagefläche am mit Außengewinde versehenen Ende eines anderen Bohrelementes im Schlagbohrgestänge anzuliegen, und daß eine Spülnut in einer der Anlageflächen vorgesehen ist und daß die Spülnut mit dem Spülkanal zum Spülen und Kühlen der Gewinde verbunden ist.

Aus der DE-OS 2 641767 sind Ölfeldrohre bekannt, die einen Spalt zwischen den Schulterflächen aufweisen; dies hat mit der vorliegenden Erfindung nichts zu tun. Weiters offenbart die DE-OS 2 617 667 eine ' Gewindeverbindung zwischen zwei Rohren, bei welcher ein Spiel vorgesehen ist; über die Dimensionierung dieses Spiels wird jedoch nichts ausgesagt. Schließlich ist aus der FR-PS 2 586 749 eine Gewindeverbindung zum Drehbohren bekannt, die allerdings keinen Freiraum bzw. kein Spiel im Sinne der vorliegenden Erfindung aufweist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert; in diesen zeigt Fig.l eine seitliche Schnittansicht des einen Endes einer erfindungsgemäßen Bohrstange; Fig. 2 zeigt eine Seitenansicht des anderen Endes der Bohrstange nach Fig. 1; Fig. 3 zeigt zwei Bohrstangen des in Fig. 1 und 2 gezeigten Typs, die gegenseitig verbunden sind; Fig. 4 zeigt ein Innengewinde -2-

AT 392 669 B in einem erfindungsgemäßen Bohrelement; Fig. 5 zeigt ein Außengewinde in einem erfindungsgemäßen Bohrelement und Fig. 6 stellt in vergrößertem Maßstab einen Abschnitt der in Fig. 3 gezeigten Kupplung dar.

Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Bohrstange (10) ist an ihrem einen Ende mit einem hülsenförmigen Abschnitt (11) versehen, in dem ein Innengewinde (12) ausgebildet ist. An ihrem anderen Ende ist die Bohrstange (10) mit einem Außengewinde (13) versehen. Weiters weist die Bohrstange (10) einen Spülkanal (14) auf, der sie in Längsrichtung durchsetzt und durch den Spülmedium, wie Druckluft oder Wasser, geleitet wird. Der Boden des hülsenförmigen Abschnittes (11) bildet eine ringförmige Anlagefläche (15), die dazu eingerichtet ist, gegen eine entsprechende ringförmige Anlagefläche (16) an einem mit Außengewinde versehenen Ende einer anderen Bohrstange anzuliegen, wenn zwei Bohrstangen (10) miteinander verschraubt werden.

Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Bohrstange (10) von kreisförmigem Querschnitt und an ihren Enden mit Greifflächen (17,18) für Schraubenschlüssel versehen, um ein Festhalten der Bohrstangen während des Verbindens und Lösens derselben zu gestatten.

Das Innengewinde (12) weist in seinem Längsschnitt einen geraden Flankenabschnitt (19) auf, und das Außengewinde (13) besitzt einen entsprechenden geraden Flankenabschnitt (20). Die Gewinde (12,13) weisen im Profil gerade Scheitel und Bodenabschnitte auf, die mit (21) bzw. (22) beim Außengewinde und mit (23) bzw. (24) beim Innengewinde bezeichnet sind. Die geraden Scheitel- und Bodenabschnitte gehen in die geraden Flankenabschnitte (19, 20) über gekrümmte Abschnitte (25, 26) am Außengewinde und gekrümmte Abschnitte (27, 28) am Innengewinde über.

Auf herkömmliche Weise sind die Gewinde (12,13) so ausgebildet, daß eine Berührung nur zwischen den geraden Flankenabschnitten (19, 20) eintritt, wenn die Gewinde zusammengeschraubt sind, und daher nicht zwischen den gekrümmten Abschnitten oder den Scheitel- und Bodenabschnitten. Daher ist eine Anlage zwischen Abschnitten vermieden, die in bezug auf die Bohrachse nur leicht geneigt sind, da eine solche Anlage ein Veikeilen der Gewinde ineinander verursachen könnte.

Wie schon erwähnt, ist das Ziel der Erfindung, zu gewährleisten, daß keine Berührung zwischen dem Scheitelabschnitt (24) des Innengewindes (12) und dem Bodenabschnitt (22) des Außengewindes (13) hergestellt wird, wenn die Gewinde verschlissen bzw. abgenützt sind. Aufgrund des asymmetrischen Verschleißes des Gewindeprofiles bei Verschleiß der Gewinde tendiert der Freiraum (a) (Fig. 6) zwischen dem Scheitelabschnitt (24) und dem Bodenabschnitt (22) dazu, auf einer Seite immer kleiner zu werden, genauer gesagt auf der Seite, die am nächsten zum anliegenden Flankenabschnitt (19,20) gelegen ist.

Bei einer Gewindeanordnung dieser Art ist es wünschenswert, den Zwischenraum zwischen den Gewinden so klein wie möglich zu halten, um dem Eindringen von Bohrstaub in die Gewindekupplung entgegenzuwirken. Im Gegensatz dazu wurde gefunden, daß die Lebensdauer des Bohrelementes wesentlich verlängert wird, wenn der Freiraum (a) stark vergrößert wird. Dadurch wird gewährleistet, daß an den Abschnitten (22, 24) eine Berührung selbst dann nicht eintritt, wenn die Gewinde sehr stark abgenützt sind. Selbstverständlich wird in diesem Fall eine Berührung an den Abschnitten (21, 23) hergestellt, da der Freiraum (b) zwischen dem Bodenabschnitt (23) des Innengewindes und dem Scheitelabschnitt (21) des Außengewindes von herkömmlichen Abmessungen ist. Eine solche Berührung, die zum sogenannten Lochfraß führt, verursacht jedoch sehr selten Ermüdungsversagen. Der Grund dafür ist, daß der Abschnitt mit dem Innengewinde (12) wesentlich stärkere Biegefestigkeit besitzt als der mit dem Außengewinde (13) versehene Abschnitt, was zu einer geringeren Biegebeanspruchung im erstgenannten Abschnitt führt Es wurde gefunden, daß der Freiraum (a) größer als 1 % des Außendurchmessers (Dy) des Außengewindes (13) sein soll und daß der Freiraum (a) wenigstens das Vierfache des Freiraumes (b) betragen soll, um zu gewährleisten, daß keine Berührung zwischen den Abschnitten (22, 24) erfolgt. Bei der dargestellten Ausführungsform weist das Innengewinde (12) eine Höhe (h) auf, die geringer als 5 % des Innendurchmessers (Di) des Innengewindes (12) ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist das Innengewinde (12) eine Höhe (h) auf, die geringer als 4,5 % des Innendurchmessers (Di) bei Innendurchmessern von weniger als 55 mm ist.

In an sich bekannter Weise haben die Gewinde nur einen Eingang, und es ist der Steigungswinkel (a) der Gewinde zwischen 5,5° und 8°. Der Steigungswinkel (a) wird nach der Formel s tan α = D, m π berechnet, worin (s) die Steigung und (Dm) den Flankendurchmesser oder mittleren Durchmesser bedeutet

Der etwas verringerte Steigungswinkel im Vergleich zur Gewindeanordnung nach US-A-3645570 ist darauf zurückzuführen, daß der erfindungsgemäße Steigungswinkel auf hydraulisch betriebene Gesteinsbohrmaschinen angepaßt ist während der Steigungswinkel bei der Gewindeanordnung gemäß US-A-3645570 an pneumatisch betriebene Gesteinsbohrmaschinen angepaßt ist. Aufgrund der Beschaffenheit der Stoßwelle ziehen pneumatische -3-

Claims (10)

1. AT 392 669 B Gesteinsbohrmaschinen die Gewindeverbindung stärker an als hydraulische Gesteinsbohrmaschinen. Da das Auskupplungsdrehmoment ansteigt, wenn der Steigungswinkel verringert wird, wird ein verhältnismäßig kleiner Steigungswinkel gewählt, um zu gewährleisten, daß die Gewindeverbindung während des Bohrens mit hydraulischen Gesteinsbohrmaschinen stark genug angezogen wird. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wurde gefunden, daß der Steigungswinkel (a) um 0,4 - 0,8° verringert werden soll, wenn der Durchmesser der Gewinde (12,13) um 10 mm erhöht wird, in welchem Fall der Steigungswinkel (a) bei einem Innengewinde (12) mit einem Außendurchmesser von 38 mm in der Größenordnung von 7,2° liegt. In an sich bekannter Weise beträgt der Neigungswinkel (ß) der Flankenabschnitte (19,20) in bezug auf die Längsachse des Schlagbohrgestänges 25° - 40°, wobei Werte in der Größenordnung von 35° bevorzugt werden. Wie schon vorstehend erwähnt wurde, besteht eine Anlage nur an den Flankenabschnitten (19, 20). Daher können die den Flankenabschnitten (19, 20) gegenüberliegenden Flanken und die angrenzenden gekrümmten Abschnitte und die Scheitel- und Bodenabschnitte wahlweise innerhalb ziemlich weiter Grenzen ausgebildet sein. Es wurde jedoch als geeignet befunden, die beiden gegenüberliegenden Flanken der Gewinde im wesentlichen symmetrisch in bezug auf die Neigung der Flanken auszubilden. Es wurde weiters als geeignet befunden, die Scheitel- und Bodenabschnitte der Gewinde gerade und im wesentlichen parallel zur Längsachse des Bohrgestänges auszubilden. Die Scheitel- und Bodenabschnitte können jedoch auch anders, z. B. konkav, ausgebildet werden, in welchem Fall der Freiraum (a) an dem Punkt gemessen wird, an dem der Abstand zwischen Scheitel- und Bodenabschnitt am geringsten ist und die Höhe (h) die höchste Höhe des Gewindes ist. In der nachstehenden Tabelle sind Werte angeführt, die als geeignet für den Freiraum (a), die Höhe (h) des Innengewindes und den Steigungswinkel (a) für verschiedene Werte des Innendurchmessers (Di) des Innengewindes und den Außendurchmesser (Dy) des Außengewindes befunden wurden. Di (mm) Dy (mm) a (mm) h (mm) α 35.20 38.20 0.45 1.60 7.17° 40.60 44.20 0.55 1.90 6.72° 46.60 50.80 0.65 2.20 6.31° 54.70 57.80 0.70 2.65 5.97° Da der Freiraum (b) einen konstanten Wert von 0,1 mm besitzt, liegt das Verhältnis (a): (b) bei den als Beispiele angeführten Gewinden innerhalb eines Bereiches von 4,5 bis 7. Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß die Anlagefläche (16) mit einer Ausnehmung bzw. Nut (29) versehen ist. Die Nut (29) erstreckt sich über die gesamte Anlagefläche (16) und kommuniziert mit dem Spülkanal (14) und gewährleistet damit, daß den Gewinden (12, 13) Spülmedium zum Spülen und Kühlen zugeführt wird. Alternativ kann die Nut (29) in der Anlagefläche (15) ausgebildet sein. Wie schon vorstehend erwähnt, zielt die Erfindung auch darauf ab, die Bohrstange (10) so auszubilden, daß sie die gleiche Biegefestigkeit über ihre gesamte Länge aufweist, so daß der Prozentsatz des Stangenbruchs als Enddefekt verringert wird. Zu diesem Zweck weist der Abschnitt (30) mit verringertem Durchmesser der Bohrstange (10) unmittelbar angrenzend an das Außengewinde (13) den gleichen Durchmesser auf wie die übrige Bohrstange. Obwohl die Gewindeanordnung im Zusammenhang mit einer Bohrstange beschrieben wurde, die an ihrem einen Ende mit einem Außengewinde und an ihrem anderen Ende mit einem Innengewinde versehen ist, wird vorausgesetzt, daß die Gewindeanordnung in jeder Art von Bohrelement in einem Schlagbohrgestänge verwendet werden kann, wie einer Bohrstange, die an beiden Enden mit einem Außengewinde versehen ist, eine Kupplungshülse für die Verbindung zwei solcher Bohrstangen aneinander und einen Bohrmeißel aufweist, der für die Verbindung mit einer solchen Bohrstange ausgebildet ist PATENTANSPRÜCHE 1. Gewindeanordnung zum Verbinden von zwei Elementen in einem Schlagbohrgestänge, umfassend ein inneres zylindrisches Gewinde und ein äußeres zylindrisches Gewinde, wobei die genannten Gewinde Anlageflanken haben, die entlang ihren anliegenden Berührungsabschnitten gerade sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein Freiraum (a), der zwischen dem Bodenabschnitt (22) des Außengewindes (13) und dem Scheitelabschnitt (24) des Innengewindes (12) vorgesehen ist, größer als 1 % des Außendurchmessers (Dy) des Außengewindes (13) ist. -4- AT 392 669 B
2. 2. Gewindeanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Freiraum (a) wenigstens viermal so groß ist wie der Freiraum (b) zwischen dem Bodenabschnitt (23) des Innengewindes (12) und dem Scheitelabschnitt (21) des Außengewindes (13).
3. 3. Gewindeanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Innengewinde (12) eine Höhe (h) aufweist, die geringer als 5 % des Innendurchmessers (Di) des Innengewindes (12) ist.
4. 4. Gewindeanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlageflanken (19,20) um 25 bis 40°, vorzugsweise 35°, zur Längsachse des Bohrgestänges geneigt sind.
5. 5. Gewindeanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewinde (12,13) einen Eingang besitzen und der Steigungswinkel (a) der Gewinde 5,5 bis 8° beträgt, worin der Steigungswinkel (a) bei einer Erhöhung des Durchmessers der Gewinde (12,13) um 10 mm um 0,4 bis 0,8° verringert wird, und worin der Steigungswinkel (a) bei einem Innengewinde (12) mit einem Außendurchmesser von 38 mm in der Größenordnung von 7,2° liegt.
6. 6. Bohrelement für die Verwendung in einem Schlagbohrgestänge in Form einer Bohrstange mit einer Kupplungshülse oder einem Bohrmeißel, insbesondere bei einer Gewindeanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend ein inneres zylindrisches Gewinde, das dazu eingerichtet ist, mit einem entsprechenden äußeren zylindrischen Gewinde auf einem anderen Bohrelement im Bohrgestänge verbunden zu werden, wobei die genannten Gewinde Anlageflanken besitzen, die entlang ihrer Anlageabschnitte gerade sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Innengewinde (12) eine Höhe (h) aufweist, die geringer als 5 % des Innendurchmessers (Di) des Innengewindes (12) ist.
7. 7. Bohrelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Innengewinde (12) eine Höhe (h) aufweist, die geringer ist als 4,5 % des Innendurchmessers (Di) des Innengewindes (12) bei Innendurchmessern von weniger als 55 mm.
8. 8. Bohrelement nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlageflanken (19, 20) um 25 bis 40°, vorzugsweise 35°, zur Längsachse des Bohrelementes (10) geneigt sind.
9. 9. Bohrelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewinde (12, 13) einen Eingang aufweisen und der Steigungswinkel (a) der Gewinde 5,5 bis 8° ist, worin der Steigungswinkel (a) bei einer Steigerung des Durchmessers der Gewinde (12,13) um 10 mm um 0,4 bis 0,8° verringert wird, und worin der Steigungswinkel (a) bei einem Gewinde (12) mit einem Außendurchmesser von 38 mm in der Größenordnung von 7,7° liegt
10. 10. Bohrelement nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Bohrelement eine Bohrstange (10) ist die an ihrem einen Ende mit einem Außengewinde und an ihrem anderen Ende mit einem Innengewinde versehen ist, wobei die genannte Bohrstange mit einem Spülkanal (14) versehen ist, der sie durchsetzt, und worin das Innengewinde (12) mit einem hülsenförmigen Abschnitt (11) der Stange (10) versehen ist wobei der Boden des genannten hülsenförmigen Abschnittes eine ringförmige Anlagefläche (15) bildet, die dazu ausgebildet ist gegen eine entsprechende ringförmige Anlagefläche (16) am mit Außengewinde versehenen Ende eines anderen Bohrelementes im Schlagbohrgestänge anzuliegen, und daß eine Spülnut (29) in einer der Anlageflächen (15,16) vorgesehen ist und daß die Spülnut mit dem Spülkanal (14) zum Spülen und Kühlen der Gewinde (12,13) verbunden ist Hiezu 2 Blatt Zeichnungen -5-