DE10162473B4 - Wälzlager in Tiefbohreinrichtung - Google Patents
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Abstract
Description
- Gebiet der Erfindung
- Die Erfindung betrifft die Lagerung einer Hohlwelle zwischen Bohrkopf und Antriebsturbine in einer Tiefbohreinrichtung.
- Hintergrund der Erfindung
- In Tiefbohrvorrichtungen werden seit langem im Bohrloch angetriebene Bohrköpfe eingesetzt. Bei diesen angetrieben Bohrköpfen wird über eine stehende Rohrleitung Spülflüssigkeit von außerhalb unter Druck in Richtung des Bohrkopfes gepumpt. Am Ende der Rohrleitung ist eine Turbine vorgesehen, die den Druck der Spülflüssigkeit in eine Drehbewegung umsetzt und so den Bohrkopf antreibt. Nach dem die Spülflüssigkeit die Turbine passiert hat, läuft sie über eine Hohlwelle zum Bohrkopf. Mit der Spülflüssigkeit wird der Bohrkopf geschmiert und gekühlt. Die außerhalb des Bohrkopfes zur Oberfläche zurückströmende Spülflüssigkeit führt das heraus gebohrte Gestein mit sich zur Oberfläche. In die Wälzlager dringt aufgrund der rauhen Umgebungsbedingungen immer wieder die Spülflüssigkeit mit Verunreinigungen ein, was zu einem zu schnellen Verschleiß der Wälzlager führt.
- In der
DE 25 27 237 C3 wird die im Bohrkopf eingesetzte Wälzlagerung durch spezielle Dichtungen geschützt, um das Eindringen von Wasser zu verhindern. Das Wasser enthält trotz Filtern immer noch eine Vielzahl von Verunreinigungen. Das Problem dieser Dichtungen besteht darin, dass trotz der Dichtungen, das Wasser in die Wälzlagerung eindringen kann, und dann die Verunreinigungen im Wasser das Wälzlager schädigen, so dass die Lebensdauer der Wälzlagerungen stark sinkt. - Es sind auch Wälzlagerungen bekannt, bei denen vollkugelige Vierpunktlager eingesetzt werden. Bei diesen Vierpunktlagern sind alle Wälzlagerkomponen ten aus einem verschleißfesten Wälzlagerstahl (AISI S2) gefertigt. Trotz dieser verschleißfesten Materialien wäre eine längere Lebensdauer des Wälzlagers wünschenswert, da das Wechseln des Wälzlagers für den Betreiber der Tiefbohreinrichtung sehr aufwendig ist.
-
DD 272 391 - Aufgabe der Erfindung
- Es besteht also die Aufgabe ein Wälzlager in Tiefbohreinrichtungen aufzuzeigen, das bei Betriebsbedingungen, bei denen das Spülwasser durch die Lagerung läuft eine möglichst große Lebensdauer aufweist.
- Beschreibung der Erfindung
- Die Lösung dieser Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruches 1 erreicht.
- Der wesentliche Kern der Erfindung besteht darin, dass Tragkugeln aus Keramik eingesetzt werden, die von geringfügig kleineren Trennkugeln aus Stahl auf Abstand gehalten werden. Die Laufbahnen der Wälzlagerringe sind ebenfalls aus Stahl. Aufgrund dieser Konstruktion hat der tragende Wälzkörper aus Keramik im Wälzkontakt nur Berührung mit Flächen aus Stahl.
- Bei Verunreinigungen im Wälzlager sowie bei Mangelschmierung liegt ein direkter Materialkontakt beim Abwälzen vor. Dieser direkte Materialkontakt besteht In dieser besonderen Anordnung immer zwischen Keramik und Stahl. Überraschend hat sich gezeigt, dass bei Mangelschmierung der Verschleiß zwischen den Wälzpartnern (Stahl und Keramik) geringer ist, als bei den Wälzpaarungen im Stand der Technik (Stahl gegen Stahl).
- Der Effekt der Wälzpaarung Stahl und Keramik auf die Lebensdauer des Wälzlagers (z. B. Axiallagers) ist um so überraschender, da rechnerisch die Lebensdauer des erfinderischen Wälzlagers geringer ist als die eines vollkugeligen Axiallagers mit gleich großen Stahlkugeln im Stand der Technik. Versuche haben gezeigt, dass der technische Nachteil der erfindungsgemäßen La geranordnung durch den geringeren Verschleiß der Wälzpartner mehr als ausgeglichen wird. Die erfindungsgemäßen Wälzlager halten in Versuchen, mit praxisnahen Umgebungsbedingungen, deutlich länger als die herkömmlichen Lagerungen.
- Es wurde durch die Versuche auch ein Vorurteil beseitigt, da bisher die Meinung vorherrschte, dass Keramikkugeln in einer verschmutzen Umgebung, in der auch harte Sandkörper auftreten, keine große Haltbarkeit haben. Die Versuche haben gezeigt, dass die Wälzkörper aus Keramik diese Umgebungsbedingung ohne nennenswerte Beschädigungen überstehen.
- Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
1 zeigt einen Bohrkopf mit Lagerung -
2 das Lagerpaket im Schnitt parallel zur Rotationsachse -
3 den Ausschnitt eines Lagers in der Draufsicht - Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
- In der
1 wird die Wälzlagerung der Antriebswelle des Bohrkopfes in Form einer Kugellagereinheit1 dargestellt. Innerhalb der Wälzlagerung ist die Antriebswelle als Hohlwelle3 angeordnet. Die Hohlwelle3 wird über die Wälzlagerung (Lagereinheit)1 im nicht rotierenden Gehäuse2 abgestützt. Die Hohlwelle3 überträgt das Antriebsmoment von der Antriebsturbine (nicht dargestellt) auf den Bohrkopf (nicht dargestellt). In der Hohlwelle3 wird die Flüssigkeit weitergeleitet4 , mit der die Antriebsturbine betrieben wird. Vor der Wälzlagerung wird ein Teil dieser Flüssigkeit durch Öffnungen10 in die Kugellagereinheit1 geleitet, um die Wälzlagerung zu kühlen und zu schmieren. Mit der Flüssigkeit, die aus der Hohlwelle austritt5 , wird dann der Bohrkopf gekühlt und geschmiert. Da die Flüssigkeit immer etwas verunreinigt ist, gelangen konstant Verunreinigungen in die Kugellagereinheit1 . - In der
2 ist die Kugellagereinheit1 , die die Hohlwelle gegenüber dem Gehäuse lagert, dargestellt. In diesem Einsatzfall werden mehrere vollkugelige radial, axial Kugellager (4-Punktlager) parallel zueinander in einer Lagereinheit1 eingesetzt. Ein 4-Punktlager setzt sich aus zwei äußeren Laufringen6 und zwei inneren Laufringen7 zusammen. Zwischen den Laufringen folgt einer tragenden Keramikkugel8 eine etwas kleinere Trennkugel9 . In der3 ist die Anordnung der Kugeln8 ,9 in der Draufsicht dargestellt. In jedem einzelnen Lager dieser Kugellagereinheit1 sind tragende Keramikkugeln8 und trennende Stahlkugeln9 eingesetzt. Die Laufringe6 ,7 aus Stahl oder die trennenden Stahlkugeln9 können aus Wälzlagerstahl, aus rostfreien Wälzlagerstählen oder verschleißfesten Stählen gefertigt werden. Eine bevorzugte Ausführungsform ist dabei der Stahl AISI S2. - In der
3 ist eine Kugelreihe der Kugellagereinheit1 in der Draufsicht dargestellt. Die tragenden Keramikkugeln8 und die geringfügig kleineren Stahlkugeln9 sind gezeigt. Es wird aus dieser Darstellung deutlich, dass die Keramikkugeln8 als Wälzpartner nur Stahlteile (Stahlkugeln9 oder die Laufringe6 ,7 ) haben. Die im Durchmesser9a kleineren Stahlkugeln, müssen soviel keiner gewählt werden, dass bei einer Maximalbelastung des Wälzlagers diese trennenden Stahlkugeln9 nicht zu tragenden Kugeln werden. Die Keramikkugeln8 können aus Vollkeramik oder aus einem Trägermaterial, das mit Keramik beschichtet ist, bestehen. Das Keramikmaterial kann z. B. aus Siliziumnitrid oder Zirkoniumoxyd bestehen. -
- 1
- Kugellagereinheit
- 2
- Gehäuse
- 3
- Hohlwelle
- 4
- Flußrichtung der Spülflüssigkeit
- 5
- Austritt der Spülflüssigkeit
- 6
- äußere Laufringe
- 7
- innere Laufringe
- 8
- tragende Keramikkugeln
- 9
- trennende Stahlkugeln
- 8a
- Durchmesser der tragenden Keramikkugel
- 9a
- Durchmesser der trennenden Stahlkugel
- 10
- Eintritt der Spülflüssigkeit in das Wälzlager
Claims (7)
- Kugellagereinheit (
1 ) für eine Lagerung einer Tiefbohreinrichtung, bestehend aus Laufringen aus Stahl mit zwischen den Laufringen (6 ,7 ) angeordneten Kugeln und mit verschmutztem Spülmedium (10 ) zwischen den Laufringen (6 ,7 ), wobei zwischen den Laufringen (6 ,7 ) abwechselnd Tragkugeln (8 ) und im Durchmesser (9a ) kleinere Trennkugeln (9 ) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragkugeln (8 ) aus Vollkeramik oder aus einem Trägermaterial, das mit Keramik beschichtet ist, bestehen und die Trennkugeln (9 ) aus Stahl sind, wobei der Durchmesser (9a ) der Trennkugeln (9 ) soviel kleiner ist als der Durchmesser (8a ) der Tragkugeln (8 ), dass bei einer Maximalbelastung der Kugellagereinheit (1 ) nur die Tragkugeln (8 ) in einem direkten Materialkontakt zu Stahl sind. - Kugellagereinheit (
1 ) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl der Laufringe aus dem Material AISI S2 (1.2890 B) besteht. - Kugellagereinheit (
1 ) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser (9a ) der kleineren Trennkugeln (9 ) aus Stahl nur so viel kleiner ist als der Durchmesser (8a ) der tragenden Keramikkugeln (8 ), dass die Trennkugeln (9 ) bei einer Maximalbelastung der Kugellagereinheit (1 ) nicht zu tragenden Kugeln werden, d. h. keine Lagerlast aufnehmen. - Kugellagereinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial der Tragkugeln aus Stahl besteht.
- Kugellagereinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugellagereinheit mehrere parallel geschaltete Kugellager aufweist, wobei jedes der Kugellager abwechselnd Tragkugeln (
8 ) und Trennkugeln (9 ) aufweist. - Kugellagereinheit nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Kugellager ein Vierpunktlager mit zwei äußeren Laufringen (
6 ) und zwei inneren Laufringen (7 ) ist. - Kugellagereinheit nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Kugellager ein Vierpunktlager mit zwei äußeren Laufringen (
6 ) und zwei inneren Laufringen (7 ) ist, wobei in der Kugellagereinheit (1 ) die Tragkugeln (8 ) von zwei unmittelbar benachbarten der parallel geschalteten Kugellager an einem gemeinsamen der äußeren Laufringe (6 ) und an einem gemeinsamen der inneren Laufringe (7 ) anliegen.
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