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Die
Erfindung betrifft eine Muffenvorschraubmaschine, die automatisch
Gewindemuffen auf Rohre schraubt. Diese Art von Maschinen wird bei
der Produktion von Erdölfeldrohren
eingesetzt. Jedes neue Rohr wird mit einer Gewindemuffe versehen, dabei
sorgt eine Muffenvorschraubmaschine für die Gewindegangsfindung und
Vorschrauben der Muffe, anschließend wird die Gewindemuffe
mit einer anderen Maschine kraftverschraubt.
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Diese
so vorbereiteten Rohre können
dann direkt am Bohrturm zusammengeschraubt werden. Es sind Muffenvorschraubmaschinen
bekannt, welche Gewindemuffen nach verschiedenen Methoden vorschrauben.
Zuerst wurden Drehmaschinen verwendet um die Muffen vorzuschrauben,
dann wurden die Gewindemuffen mit Hilfe von angetriebenen Rollen
verschraubt.
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Die
JP 61-056834 AA stellt eine Muffenvorschraubmaschine dar, wo die
Vorschraubspindel über
ein sphärisches
Lager der Aufschraubbewegung folgen kann. Andere Hersteller ermöglichen eine
Bewegung der Vorschraubspindel durch die Verwendung von Schubgelenken.
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Die
Anforderungen an Vorschraubmaschinen sind im Laufe der Zeit gestiegen,
heute müssen Gewindemuffen
mit hochempfindlichen metallischen Dichtsitzen in kürzester
Zeit verschraubt werden. Während
der Verschraubung muss der Verschraubweg genau gemessen werden.
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Um
eine kurze Taktzeit für
das Verschrauben der Gewindemuffe zu erreichen, sollte das Vorschrauben
schon mit einem relativ hohen Drehmoment erfolgen.
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Die
Gewindegangsfindung der Gewinde muss sicher und ohne die Gewinde
zu beschädigen in
kürzester
Zeit erfolgen. Der Verschraubvorgang darf nicht gestoppt werden
durch ein Festfahren oder Verkanten der Gewinde bei der Gewindegangsfindung.
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Diese
Problematik ergibt sich besonders bei der Gewindegangsfindung von
Kegelgewinden wie bei Gewindemuffen im Erdölfeld üblich.
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Stimmt
die Gewindeachse der Gewindemuffe mit der Gewindeachse des Rohrgewindes überein, so
kann die Gewindegangsfindung unmöglich
sein, da nun die Gewindekegel in Kontakt treten und keine axiale
Beweglichkeit mehr vorhanden ist um die Gewinde eingreifen zu lassen.
Bei Kegelgewinden mit Flachgewinde ist dieses Verhalten besonders
ausgeprägt.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Muffenvorschraubmaschine
zu verbessern, die in der Lage ist Gewindemuffen in kürzester
Zeit ohne Störungen
und Beschädigungen
der Gewinde vorzuschrauben und den Verschraubweg zu messen. Die Verbesserungen
liegen hierbei in der Verbesserung der Aufhängung des Muffenvorschrauberantriebs.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Gemäß der Erfindung
ist vorgesehen, dass ein Muffenvorschrauberantrieb mit Spannfutter
und gespannter Gewindemuffe über
zwei vertikale Pendelstützen
in Verschraubachse horizontal über
Gelenklager gehalten wird, wobei jede vertikale Pendelstütze über ein
Gelenklager von einem Hebel getragen wird. Die Hebel sind über ein
Rohr verbunden und mit Lagerbolzen drehbar in einem Maschinengestell
gelagert. An jedem Hebel ist eine Federaufhängung befestigt, welche mit
dem Maschinengestell derart verbunden ist, dass die Hebel eine horizontale Lage
einnehmen. Ein weiterer Hebel ist mit dem Rohr verbunden, so dass
ein auf diesen Hebel einwirkender Pneumatikzylinder gegen die Federkraft
der Federaufhängungen
die Hebel mit dem Rohr relativ zum Maschinengestell drehen kann.
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Der
Muffenvorschrauberantrieb ist weiterhin über 4 horizontale Stützzylinder
mit Gelenklagern an allen Verbindungsstellen mit dem Maschinengestell verbunden.
Jede vertikale Pendelstütze
besitzt ein federndes Druckstück
mit einer Kugelkalotte welches in Kontakt mit einer Kugelrolle steht,
die seitlich am Muffenvorschrauberantrieb befestigt ist. Diese Art der
Aufhängung
ermöglicht
eine Beweglichkeit des Muffenvorschrauberantriebs mit 5 Freiheitsgraden
im Raum. Nur der Rotationsfreiheitsgrad in der Verschraubachse ist
blockiert.
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Werden
die horizontalen Stützzylinder
mit Druck beaufschlagt, so fahren die Kolbenstangen in ihre Endlage,
dadurch wird der Muffenvorschrauberantrieb in axialer Richtung fixiert.
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Die
Beweglichkeit des Muffenvorschrauberantriebs wird um einen Freiheitsgrad
reduziert. Nun kann der Muffenvorschrauberantrieb sich nur noch
in einer Ebene senkrecht zur Verschraubachse bewegen.
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Die
so beschriebene Aufhängung
erlaubt es, dass der Muffenvorschrauberantrieb mit der gespannten
Gewindemuffe sich völlig
frei beim Aufschrauben bewegen kann, ohne dass Zwangskräfte auftreten.
Weiterhin kann nach erfolgter Gewindegangsfindung der Gewinde durch
Druckbeaufschlagung der Stützzylinder
der Muffenvorschrauberantrieb axial zum Maschinengestell fixiert
werden. Dadurch ist es möglich
den Verschraubweg des Gewindes durch Messung der axialen Verschiebung
des Maschinengestells zu bestimmen.
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Wird
der zusätzliche
Pneumatikzylinder, befestigt zwischen dem Maschinengestell und dem
Hebel mit Rohr, mit Druck beaufschlagt, so kann der Muffenvorschrauberantrieb
etwas abgesenkt werden. Dadurch wird die Achse der Gewindemuffe
etwas zur Rohrachse versetzt.
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Diese
Anstellung der Achsen erlaubt ein schnelleres Einfädeln der
Gewinde. Die Druckstücke mit
Kugelkalotten in den Pendelstützen
in Verbindung mit den Kugelrollen befestigt am Muffenvorschrauberantrieb
sorgen für
die Rückstellung
des Muffenvorschrauberantriebs nach erfolgter räumlicher Auslenkung.
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Diese
Erfindung hat folgende Vorteile gegenüber bekannten Lösungen:
Die Aufhängung
des Muffenvorschrauberantriebes besteht aus einem Koppelgetriebe
unter Verwendung handelsüblicher
Gelenklager. Es brauchen keine speziellen Schubgelenke angefertigt
zu werden. Dadurch ergibt sich eine spielfreie Lagerung und sehr
hohe Vorschraubdrehmomente können übertragen
werden. Die Vorschraubdrehzahl kann sehr hoch gewählt werden
und die Gewindeeinfädelung
erfolgt sehr schnell ohne eine schädliche Belastung für das Gewinde.
Die Anzahl von Fehlverschraubungen wird stark reduziert.
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Die
Verschraubwegmessung ist trotz der 5 Freiheitsgerade sehr genau.
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Die
Lebensdauer dieses Koppelgetriebes ist sehr hoch und erlaubt einen
sehr wirtschaftlichen und wartungsfreien Betrieb.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird anhand der nachfolgenden Beschreibung erläutert.
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1 zeigt
den gesamten Aufbau einer Muffenvorschraubmaschine.
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Die
Muffenvorschraubmaschine besteht aus dem Rahmen 1 und dem
Muffenvorschrauber 2 mit Antrieb 3.
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Der
Muffenvorschrauber 2 wird über die Linearführung 4 (Schienen
u. Führungswagen)
am Rahmen 1 verfahrbar geführt.
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Als
Antrieb 3 ist jede Art von Linearantrieb denkbar. Hier
wurde für
den Antrieb ein Hydraulikzylinder 5 vorgesehen. Der Hydraulikzylinder 5 ist
mit dem Rahmen 1 verbunden.
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Die
Kolbenstange 6 des Hydraulikzylinders ist mit dem Muffenvorschrauber 2 verbunden.
Wird dem Hydraulikzylinder Hydrauliköl zugeführt, so fährt die Kolbenstange 6 aus
und verschiebt den Muffenvorschrauber 2 entlang der Linearführung 4.
Der Verfahrweg wird über
ein Wegmeßsystem 7 befestigt
am Rahmen 1 und einem Mitnehmer 8 befestigt am
Muffenvorschrauber 2 gemessen.
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Der
Antrieb kann als eine CNC-Achse aufgefasst werden. Zur Ansteuerung
kann eine handelsübliche
CNC-Steuerung verwendet werden.
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Mit
dieser Steuerung kann jede gewünschte Position
mit jeder Geschwindigkeit u. Beschleunigung angefahren werden. Auch
ist jede gewünschte Vorschubkraft
möglich.
Eine Gewindemuffe 9 wurde von einer Muffenzuführeinrichtung
(nicht dargestellt) in das Kraftspannfutter 10 des Muffenvorschrauberantriebes 17 gefördert. Das
Kraftspannfutter 10 (handelsübliche Drehbankfutter) ist
an einer Maschinenspindel 11 befestigt. Am hinteren Ende
der Maschinenspindel befindet sich der Spannzylinder 12 für die Betätigung des
Kraftspannfutters.
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Der
Spannzustand des Spannzylinders wird über Sensoren 13 am
Spannzylinder erfasst. Sobald die Gewindemuffe 9 sich im
Kraftspannfutter 10 befindet, wird der Spannzylinder 12 betätigt und
die Spannbacken 14 des Kraftspannfutters 10 spannen die
Gewindemuffe zentrisch fest ein.
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In
der Achse des Muffenvorschraubers 2 ist in geringer Entfernung
ein Rohr 15 positioniert.
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Das
Rohr wird von einer Haltezange gespannt (nicht dargestellt), das
Rohrgewinde 16 steht der Gewindemuffe 9 gegenüber.
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2 zeigt
den Muffenvorschrauberantrieb 17 bestehend aus dem Getriebegehäuse 18,
der Maschinenspindel 11 mit dem Kraftspannfutter 10.
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Ein
Hydraulikmotor 19 treibt dabei über ein Ritzel 20 das
Zahnrad 21 mit der Maschinenspindel 11 verbunden
an.
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Das
Kraftspannfutter 10 spannt eine Gewindemuffe 9 mit
seinen Spannbacken 14. Die Drehzahl der Maschinenspindel 11 wird
mit Hilfe der Zahnscheibe 22 an der Maschinenspindel 11 und
dem Induktivsensor 23 erfasst.
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3 zeigt
den Muffenvorschrauber 2 wobei der Muffenvorschrauberantrieb 17 über eine
Aufhängung
bestehend aus dem Maschinengestell 24, zwei vertikalen
Pendelstützen 25,
den vier Stützzylindern 26 befestigt
ist. Alle Lagerstellen dieser Koppelelemente sind als sphärische Gelenklager
(30-33) ausgeführt.
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Zur
Verdeutlichung zeigt 4 die Aufhängung ohne Muffenschrauberantrieb 17 und 5 ohne
Maschinengestell 24.
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Die
vier Stützzylinder 26 sind
mit den Gelenklagern 30 am Maschinengestell 24 und
mit den Gelenklagern 31 an der Rückseite des Muffenschrauberantriebes 17 befestigt.
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Die
zwei vertikalen Pendelstützen 25 sind
an den zwei Schwingenhebeln 28 der Torsionsschwinge 27 mit
den Gelenklagern 32 am oberen Ende und mit den Gelenklagern 33 an
dem Muffenschrauberantrieb 17 befestigt.
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Die
Torsionsschwinge 27 ist schwenkbar zum Maschinengestell 24 über zwei
Steckbolzen 34 gelagert. Nach 6 sind zwei
Federaufhängungen 35 über zwei
Gelenklager 36 mit dem Maschinengestell 24 verbunden. 7 zeigt einen Pneumatikzylinder 37,
der drehbar im Maschinengestell 24 über ein Drehgelenk 38 gelagert
ist. Die Kolbenstange 39 des Pneumatikzylinders 37 ist
mittels eines Gabelgelenkes 40 am Schwingenhebel 29 der
Torsionsschwinge 27 befestigt.
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Wird
der Pneumatikzylinder 37 mit Druck beaufschlagt, so wird
die Torsionsschwinge 27 um die beiden Steckbolzen 34 zum
Maschinengestell 24 um einen Winkel gegen den Widerstand
der Federaufhängungen 35 gedreht.
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Die
vertikalen Pendelstützen 25 sind
ebenfalls über
die Schwingenhebel 28 mit der Torsionsschwinge 27 verbunden
und werden bei Drehung der Torsionsschwinge 27 nach unten
oder oben bewegt.
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Da
der Muffenvorschrauberantrieb 17 von den vertikalen Pendelstützen 25 getragen
wird, wird der Muffenvorschrauberantrieb 17 auch angehoben oder
abgesenkt je nach Drehrichtung.
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8 zeigt den Aufbau der Federaufhängung 35.
Die Druckplatte 41 von Schwingenhebel 28 stützt sich über das
axiale Gelenklager 42, dem Druckstück 43, der Druckfeder 44,
dem axialen Gelenklager 46, dem Druckstück 45 auf die Scheibe 47 ab.
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Die
Scheibe 47 wiederum ist über die Muttern 48 mit
der Stange 49 verbunden. Das Gelenklager 36 ist
mit dem Maschinengestell 24 und der Stange 49 verbunden.
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9 zeigt
eine Zentrierung des Muffenvorschrauberantriebs 17 bei
der 2 Kugelrollen 50 seitlich eingesetzt in Bohrungen des
Getriebegehäuses 18 sind.
Jede Kugel 51 der Kugelrolle 50 ist in Kontakt mit
einem Druckstück 52 über eine
eingebrachte Kugelkalotte 53.
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Jedes
Druckstück 52 wird über eine
Gleitbuchse 54 in der vertikalen Pendelstütze 25 geführt. Druckfedern 55 sorgen
dabei für
den ständigen
Kontakt der Druckstücke 52 mit
den Kugel 51. Der Radius der Kugelkalotten 53 in
den Druckstücken 52 ist
etwas größer als
der Radius der Kugel 51 von der Kugelrolle 50.
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Bei
jeder Auslenkung des Muffenvorschraubergetriebes 17 findet
eine Bewegung der Kugeln 51 zu den Kugelkalotten 53 statt.
Die Druckfedern 55 sorgen nach erfolgter Auslenkung für die Rückstellung
des Muffenvorschraubergetriebes 17 in die Ausgangslage.
Weiterhin wird die Bewegung des Muffenvorschrauberantriebes 17 durch
Reibung in den Gleitbuchsen 54 und Kugelrollen 50 gedämpft.
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Das
vom Muffenvorschrauberantrieb 17 erzeugte Drehmoment steht
im Gleichgewicht mit einem Kräftepaar
in den vertikalen Pendelstützen 25. Dabei
wird eine vertikale Pendelstütze
mit einer Druckkraft und die gegenüberliegende vertikale Pendelstütze mit
einer Zugkraft beaufschlagt. Bei Umkehrung der Drehmomentrichtung
kehren sich auch die Kräfte
in den vertikalen Pendelstützen
um. Das Kräftepaar
der vertikalen Pendelstützen 25 wirkt
auf die Schwingenhebel 28 der Torsionsschwinge 27.
Da beide Schwingenhebel über
ein Rohr der Torsionsschwinge 27 verbunden sind, stehen
diese Kräfte
innerhalb der Torsionsschwinge im Gleichgewicht. Da die Torsionsschwinge 27 im
Maschinengestell 24 über
die Steckbolzen 34 gelagert ist, wird das in den Schwingenhebeln 28 eingeleitete
Kräftepaar
von der Torsionsschwinge über
die Steckbolzen 34 zum Maschinengestell 24 übertragen.
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Diese
Ausführung
der Erfindung erlaubt dem Muffenvorschrauberantrieb 17 mit
gespannter Gewindemuffe 9 sich in 5 Freiheitsgraden im
Raum zu bewegen. Dabei ist die Drehmomentübertragung immer möglich. Nach
einer räumlicher
Auslenkung wird der Muffenvorschrauberantrieb 17 wieder
in seine Ausgangslage zurückgestellt.
Nach erfolgter Gewindeeinfädelung
wird der Muffenvorschrauberantrieb 17 zum Maschinengestell 24 axial
festgelegt und der Verschraubweg kann über Messung des Verfahrweges
mit der Wegmessschiene 7 am Rahmen 1 gemessen
werden.
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Zur
Unterstützung
der Gewindeeinfädelung kann
bei Bedarf die Gewindemuffe etwas zum Rohrgewinde versetzt werden.
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Die
so ausgeführte
Muffenvorschraubmaschine kann sehr schnell Gewindemuffen in Eingriff mit
dem Rohrgewinde bringen und mit einem hohen Drehmoment aufschrauben.
Der Verschraubweg kann dabei genau gemessen werden.
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Da
die Messung des Verschraubwegs technisch erst in der letzten Vorschraubphase
wichtig ist, werden die horizontalen Stützzylinder 26 erst
in der letzten Vorschraubphase ausgefahren. Werden die Stützzylinder 26 nur
mit einem geringen Druck beaufschlagt, so besteht ein axialer Freiheitsgrad
und der Muffenvorschrauberantrieb kann sich der vom Gewinde vorgegebenen
Vorschubbewegung anpassen.