DE102008012729A1

DE102008012729A1 - Spannkopf für eine Erdbohranlage

Info

Publication number: DE102008012729A1
Application number: DE102008012729A
Authority: DE
Inventors: Dietmar Scheider
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-03-05
Filing date: 2008-03-05
Publication date: 2009-09-10
Also published as: CN101978131A; ATE540193T1; US20110260480A1; EP2252763A1; EP2252763B1; WO2009109336A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Spannkopf für eine Erdbohranlage, umfassend eine Hohlwelle (3), durch die hindurch ein Bohrgestänge (9) führbar ist, wobei koaxial auf der Hohlwelle (3) eine Hülse (1) verschieblich zu dieser angeordnet ist, die wenigstens einen sich, insbesondere nach unten erweiternden, insbesondere kegelförmig erweiternden Endbereich (1b) aufweist und wobei in der Hohlwelle (3) und/oder an der Hülse (1) wenigstens zwei radial zur Hohlwelle (3) verschiebliche Spannbacken (2) gelagert sind, die an ihrem radial außen liegenden Ende mit den sich erweiternden Endbereich (1b) zusammenwirkende Anlaufflächen (2b) aufweisen, so dass durch ein Schieben des Endbereichs (1b) über die Spannbacken (2) diese radial nach innen drückbar sind und einen ersten Spannmechanismus für ein Bohrgestänge (9) bilden, insbesondere so, dass durch ein Zusammenwirken zwischen Spannbacken (2) und Bohrgestänge (9) ein Drehmoment zwischen Hohlwelle (3) und Bohrgestänge (9) übertragbar ist, wobei in der Hohlwelle (3) ein zweiter Spannmechanismus vorgesehen ist, der durch das Bewegen der Hülse (1) betätigbar ist und mittels dem ein Bohrgestänge (9) in axialer Richtung festlegbar ist, insbesondere um ein Bohrgestänge (9) in axialer Richtung aus dem Erdreich zu ziehen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Spannkopf für eine Erdbohranlage umfassend eine Hohlwelle, durch die hindurch ein Bohrgestänge führbar ist, wobei koaxial auf der Hohlwelle eine Hülse verschieblich zu dieser angeordnet ist, die wenigstens einen sich, insbesondere nach unten erweiternden, insbesondere kegelförmig erweiternden Endbereich aufweist und wobei in der Hohlwelle und/oder an der Hülse wenigstens zwei radial zur Hohlwelle verschiebliche Spannbacken gelagert sind, die an Ihrem radial außenliegenden Ende mit dem sich erweiternden Endbereich zusammenwirkende Anlaufflächen aufweisen, so dass durch ein Schieben des Endbereiches über die Spannbacken diese radial nach innen drückbar sind und einen ersten Spannmechanismus für ein Bohrgestänge bilden.
Dabei ist es vorgesehen die genannte Hülse mittels eines hydraulischen Antriebs zu bewegen.
Derartige Spannköpfe sind im Stand der Technik bekannt. Dabei wird oftmals die äußere bewegliche Hülse mit dem sich erweiterndem Endbereich auch als Spannglocke bezeichnet aufgrund Ihrer äußeren Formgestaltung. Der sich erweiternde Endbereich kann hier wie eingangs gesagt z. B. kegelförmig ausgebildet sein, wobei es vorgesehen sein kann, dass in der üblichen Arbeitsposition eines solchen Spannkopfes der sich erweiternde Endbereich der Hülse am unteren Ende dieser Hülse befindet, so dass das Verschieben der Spannbacken radial nach innen in die Hohlwelle hinein erfolgt, wenn die Hülse auf der Hohlwelle nach unten geschoben wird und hierdurch der sich kegelförmig nach unten erweiternde Endbereich immer weiter über die Enden der Spannbacken geschoben wird.
Die hier genannten Spannbacken können dabei in korrespondierenden Ausnehmungen in der Hohlwelle einliegen, die sich in radialer Richtung durch die Hohlwellenwandung erstrecken. Die Spannbacken können dabei sowohl an der Hohlwelle als auch an der Hülse beweglich befestigt sein, bzw. an beiden Elementen. In einer Ausführung ist es dabei bekannt, dass der sich erweiternde Bereich in axialer Richtung der Hohlwelle sich erstreckende Langlöcher aufweist, durch die von außen Schrauben hindurchreichen, die zumindest im seitlichen Schnitt im wesentlichen senkrecht in die Anlaufflächen der Spannbacken eingeschraubt sind, um eine lose Verbindung zwischen Spannbacken und Hülse zu erzielen. So sind die Spannbacken am insbesondere kegelförmig erweiterten Endbereich in der Hülse lose befestigt und können sich in axialer Richtung innerhalb der Langlöcher relativ zur Hülse bewegen, so dass diese über die Spannbacken hinüber geschoben werden kann.
Werden mit der Hülse die Spannbacken radial nach innen in die Hohlwelle verschoben, zum Beispiel durch ein Absenken der Hülse relativ zur Hohlwelle, so können die inneren Flächen der Spannbacken, die auf ein Bohrgestänge zuweisen, mit diesem in Kontakt kommen, wodurch ein Wirkschluss zwischen Spannbacken und Gestänge erzielt werden kann. Ein solcher Wirkschluss kann zum Beispiel in einem Kraft- und/oder Form- und/oder Reibschluss bestehen. Es besteht so die Möglichkeit, zwischen der Hohlwelle und einem Bohrgestänge ein Drehmoment zu übertragen, also eine Rotation des Bohrgestänges im Erdreich dadurch zu erzielen, dass die Hohlwelle gedreht wird.
Im Stand der Technik sind weiterhin separate Vorrichtungen bekannt, mittels denen die Möglichkeit besteht, ein Bohrgestänge mittels der Erdbohranlage wieder aus einer ins Erdreich eingebrachten Bohrung herauszuziehen. Im Stand der Technik ist es bekannt hierfür vorgesehene Vorrichtungen, die auch als Elevatorkopf bezeichnet werden, separat zu einem Spannkopf der eingangs genannten Art an einer Bohranlage vorzusehen.
Aufgrund dieser separaten Anordnung kann daher mittels einer Erdbohranlage entweder nur ein Bohrgestänge gehoben werden oder aber ein Bohrgestänge gedreht werden. Eine Überlagerung beider Bewegungen ist mit den im Stand der Technik bekannten Erdbohranlagen nicht möglich, bzw. bedarf einen erheblichen Steuerungsaufwand, um beide eingangs genannten Köpfe in ihrer Bewegung aufeinander abzustimmen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Spannkopf für eine Erdbohranlage bereitzustellen, mit dem die Möglichkeit geschaffen wird, bei einer Hebebewegung zum Heben eines Bohrgestänges aus einem Bohrloch auch eine Drehmomentübertragung vorzunehmen, um bei der Hebebewegung gleichzeitig eine Drehung des Bohrgestänges bewirken zu können und so das Heben des Bohrgestänges aus dem Erdreich zu vereinfachen, da durch ein Drehen die Haftung zwischen Bohrgestänge und Erdreich vermindert wird.
Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch einen Spannkopf der eingangs genanten Art, bei dem in der Hohlwelle ein zweiter Spannmechanismus vorgesehen ist, der ebenso wie der erste Spannmechanismus durch ein Bewegen der auf der Hohlwelle verschieblichen Hülse betätigbar ist und mittels dem ein Bohrgestänge in axialer Richtung, zumindest bei einer Hebebewegung in axialer Richtung festlegbar ist.
Ein derartiger Spannkopf hat den erfindungsgemäßen Vorteil, dass zwei verschiedene Spannmechanismen in demselben Spannkopf realisiert sind, wobei einer der Spannmechanismen optimal angepasst sein kann, um ein Drehmoment zwischen Hohlwelle und Bohrgestänge zu übertragen und der andere Spannmechanismus optimal angepasst sein kann, um eine axiale Kraftausübung optimal auf das Bohrgestänge zu übertragen, insbesondere eine Kraftausübung, um das Bohrgestänge aus dem Erdreich heraus zu ziehen.
Aufgrund der Kombination beider jeweiligen Spannmechanismen in einer Anordnung wird dabei weiterhin der erfindungsgemäße Vorteil erzielt, dass mit demselben Spannkopf sowohl eine Hubbewegung als auch eine Drehbewegung gleichzeitig auf das Bohrgestänge ausgeübt werden kann, ohne dass hierfür eine besondere Steuerung vorgesehen sein muss, da beide Bewegungen aneinander gekoppelt sind.
Erfindungsgemäß kann es vorgesehen sein, dass der zweite Spannmechanismus wenigstens zwei Spannelemente bevorzugt noch mehr Spannelemente, beispielsweise drei bis fünf Spannelemente umfasst, wobei jedes Spannelement eine radial außenliegende Führungsfläche aufweist, die mit einer Führungsfläche im Inneren der Hohlwelle zusammenwirkt, so dass durch ein Bewegen eines Spannelementes in axialer Richtung, insbesondere bei einer Bewegung des Spannelementes in der üblichen Arbeitsposition des Spannkopfes nach unten ein radiales Bewegen, insbesondere nach innen bewirkbar ist.
Hierbei ist es vorgesehen, wie eingangs genannt, dass die einzelnen Spannelemente des zweiten Spannmechanismus bewegt werden, wenn mittels der außen auf der Hohlwelle angeordneten Hülse eine axiale Bewegung insbesondere in der üblichen Arbeitsposition nach unten ausgeführt wird. Hierfür ist eine mechanische Wirkverbindung zwischen äußerer Hülse und inneren Spannelementen vorgesehen, die sich beispielsweise durch die Wandung der Hohlwelle erstrecken kann.
So kann erzielt werden, dass durch das Bewegen der Hülse außen auf der Hohlwelle die in der Hohlwelle angeordneten Spannelemente in der gleichen Bewegungsrichtung zumindest bereichsweise mitgeführt werden.
Durch eine entsprechende Anordnung der jeweiligen Führungsflächen der Hohlwelle und der Spannelemente wird dabei bewirkt, dass beim Mitbewegen in axialer Richtung automatisch auch ein Bewegen in radialer Richtung der Spannelemente erfolgt insbesondere so, dass diese sich formschlüssig um ein von der Hohlwelle umfasstes Bohrgestänge herumgelegt werden können.
Die kinematische Umsetzung einer axialen Bewegung der Spannelemente in eine gleichzeitig erfolgende radiale Bewegung kann hierbei beispielsweise dadurch erfolgen, dass die miteinander zusammenwirkenden Führungsflächen an Spannelement und Hohlwelle relativ zur Mittenachse der Hohlwelle eine Neigung aufweisen, insbesondere bei einer Betrachtung im Schnitt einen spitzen Winkel zu dieser aufweisen.
Ein Formschluss zwischen den Spannelementen und einem Bohrgestänge kann dabei durch an den Spannelementen vorgesehenen an deren radialen inneren Bereichen liegende Anlageflächen erzielt werden, die hinsichtlich ihrer Formgestaltung an ein Bohrgestänge angepasst sind, beispielsweise also an den Durchmesser eines Bohrgestänges, so dass diese Anlageflächen z. B. zumindest einen zylinderabschnittförmigen Flächenbereich aufweisen und/oder auch an eine Schulter angepasst sein können, die am Bohrgestänge vorgesehen ist, bzw. eine Stufe an der sich der Durchmesser des Bohrgestänges ändert, insbesondere in der Richtung von oben nach unten verjüngt.
Eine solche Verjüngung kann an der genannten Schulter bzw. Stufe beispielsweise durch eine rechtwinklige Stufe relativ zur Achse des Bohrgestänges erfolgen oder auch durch eine kegelförmige Stufe bzw. eventuelle andere Formgestaltungen. Die Anlageflächen der Spannelemente weisen demnach auch Flächenbereiche auf, die an eine derartige Schulter bzw. Stufe angepasst sind, so dass durch ein Formschluss zwischen den Spannelementen und einem Bohrgestänge aufgrund der Anlage der Spannelemente an einer derartigen Schulter bzw. Stufe eine axiale Hebekraft auf das Bohrgestänge ausgeübt werden kann, wenn die Anlagefläche an der Schulter/Stufe anliegt, ohne dass die Spannelemente in axialer Richtung relativ zum Bohrgestänge verrutschen.
Um eine entsprechende Führungsfläche als Gegenfläche für diejenigen Führungsflächen am jeweiligen Spannelement zu erhalten, kann es in einer bevorzugten Ausführung vorgesehen sein, dass eine solche Führungsfläche im Inneren der Hohlwelle gebildet ist durch einen radialen nach innen vorspringenden Ringbereich, dessen innere Ausnehmung eine kegelstumpfförmige Mantelfläche bildet, die koaxial um die Mittenachse der Hohlwelle angeordnet ist, insbesondere wobei diese kegelstumpfförmige Mantelfläche in der üblichen Arbeitsposition des Spannkopfes nach unten verjüngend ausgebildet ist. Gerade durch die Verjüngung nach unten wird hier erzielt, dass bei einer Abwärtsbewegung der Spannelemente innerhalb des Spannkopfes ein Verschieben dieser Spannelemente radial nach innen erfolgt, wenn die Führungsfläche am Spannelement an der kegelstumpfförmigen Mantelfläche des Ringbereiches entlang gleitet.
Die Ausbildung einer kegelstumpfförmigen Mantelfläche am inneren Ringbereich innen in der Hohlwelle hat fertigungstechnische Vorteile, da eine solche kegelstumpfförmige Mantelfläche in einfacher Weise durch ein inneres Ausdrehen einer Welle erzielt werden kann. Beispielsweise kann hierfür eine Hohlwelle aus einem Vollmaterial gefertigt werden.
Die radial außen liegenden Führungsflächen der Spannelemente können weiterhin als zu der kegelstumpfförmigen Mantelfläche korrespondierende äußere Kegelmantelflächenbereiche ausgebildet sein. Dabei ergibt es sich, wenn sowohl die Führungsflächen an den Spannelementen als auch die an dem vorspringenden Ringbereich kegelstumpfförmig ausgebildet sind, bzw. einen Abschnitt bilden aus einer kegelstumpfförmigen Mantelfläche, dass es nur eine bestimmte Position gibt, in der die jeweiligen Führungsflächen von Spannelement und Ringbereich einander formschlüssig berühren, da außerhalb dieser bestimmten Lage die jeweiligen Durchmesser der einzelnen Kegelflächen relativ zur Mittenachse der Hohlwelle nicht zueinander passen.
Es ist daher in einer bevorzugten Ausführung vorgesehen, dass die jeweiligen Führungsflächen von Spannelement und Ringbereich so aneinander angepasst sind, dass sich der Formschluss zwischen diesen korrespondierenden Führungsflächen mit zunehmendem Formschluss zwischen den Spannelementen und einem Bohrgestänge erhöht, also insbesondere dann, wenn die Spannelemente durch die Hülse nach unten und damit gleichzeitig nach innen geschoben werden.
So kann der zweite Spannmechanismus so ausgeführt sein, dass in dem Augenblick wenn optimaler Formschluss zwischen den Spannelementen und einem Bohrgestänge besteht auch ein optimaler Formschluss zwischen den korrespondierenden Führungsflächen gegeben ist. Es werden auf diese Art und Weise optimal die jeweiligen Kräfte zwischen den Flächen übertragen unter Vermeidung zu hoher lokaler Drücke. Eine derartige Ausführung hat weiterhin auch den Vorteil, das in einem Fall wenn noch kein Formschluss zwischen Spannelement und Bohrgestänge bzw. zwischen den korrespondierenden Führungsflächen besteht, diese Führungsflächen nicht über Ihren gesamten Flächenbereich sondern lediglich punktuell bzw. linienförmig aneinander anliegen, so dass die Reibung zwischen den Führungsflächen in diese Lage der Spannelemente reduziert ist.
Dieselbe Ausgestaltung kann auch zwischen den Führungsflächen an den Spannbacken des ersten Spannmechanismus und dem sich kegelförmig erweiternden Endbereich der äußeren Hülse gegeben sein. Sämtliche vorgenannten Ausführungen bezüglich der Konstruktion der Führungsflächen zwischen den Spannelementen des zweiten Spannmechanismus und der kegelstumpfförmigen Mantelfläche des Ringbereiches gelten analog auch für die Spannbacken des ersten Spannmechanismus und dem kegelstumpfförmigen sich erweiternden Endbereich der Hülse.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung ist es vorgesehen, dass ein Spannelement an einem parallel zur Hohlwellenachse angeordneten Bolzen in axialer Richtung verschieblich ist, der ein Spannelement bzw. einen daran angeordneten radialen nach außen weisenden Vorsprung durchdringt. Dies hat den Vorteil, dass beim Einsatz mehrerer einzelner Spannelemente diese jeweils eine Führung haben und sich nur entlang dieser Führung in axialer Richtung im Inneren der Hohlwelle bewegen können.
So wird beispielsweise ein Verkannten der Spannelemente relativ zum Bohrgestänge vermieden. Um neben der geführten Bewegung in axialer Richtung gleichzeitig zu ermöglichen, dass bei einer axialen Bewegung eine radiale Bewegung insbesondere nach innen möglich ist, ist es bevorzugt vorgesehen, dass ein solcher Bolzen in einer Ausnehmung des Spannelementes bzw. dessen genannten Vorsprung einliegt, die sich in radialer Richtung erstreckt, also beispielsweise in der Art einer Langloches in radialer Richtung ausgebildet ist. So kann bei einer Bewegung eines Spannelementes in axialer Richtung dieses in axialer Richtung zum Bolzen an diesem entlang geführt werden, sich dabei aber auch gleichzeitig senkrecht zur Erstreckung des Bolzens in radialer Richtung bewegen.
Wie eingangs erwähnt ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Spannelemente betätigt werden durch eine Bewegung der äußeren Hülse. Hierfür kann eine Wirkverbindung vom Inneren der Hohlwelle zur außen liegenden Hülse vorgesehen sein. In einer bevorzugten Ausführung sind dabei die Spannelemente mittels eines im Inneren der Hohlwelle angeordneten Betätigungselementes in axialer Richtung bewegbar, insbesondere in die Richtung zunehmenden Formschlusses relativ zum Bohrgestänge, wobei das Betätigungselement mit der außen auf der Hohlwelle angeordneten Hülse durch wenigstens einen radialen Steg verbunden ist, der sich durch eine Ausnehmung in der Hohlwelle erstreckt.
Dabei ist es bevorzugt vorgesehen, dass eine solche Ausnehmung eine Längserstreckung in axialer Richtung der Hohlwelle aufweist, damit bei einer Bewegung der Hülse in axialer Richtung sich ein Steg der sich in radialer Richtung durch eine solche Ausnehmung erstreckt in dieser axialen Richtung innerhalb der Ausnehmung ebenso bewegbar ist. So kann die Bewegung einer Hülse außen auf der Hohlwelle dadurch in das Innere der Hohlwelle übertragen werden, dass sich das durch die Stege verbundene Betätigungselement zusammen mit der Hülse bewegt. Die Bewegung des Betätigungselementes kann so dann auf verschiedene Arten auf die Spannelemente übertragen werden beispielsweise dadurch, dass ein Betätigungselement direkt und unmittelbar auf ein Spannelement einwirkt oder aber auch dadurch, dass ein Betätigungselement mittelbar über zwischengelagerte Elemente auf ein Spannelement einwirkt, wie später ausgeführt wird.
Dabei kann es in besonders bevorzugter Ausführung unabhängig von der Art der Einwirkung vorgesehen sein, dass ein Betätigungselement ringförmig ausgebildet ist wobei dessen innere Ausnehmung vorgesehen ist, um ein Bohrgestänge zu umgeben und wobei über den Ring dieses Betätigungselementes alle Spannelemente gleichzeitig bewegbar sind.
Weiterhin kann es auch vorgesehen sein, dass die eingangs genannten Bolzen, an denen sich die Spannelemente entlang bewegen, am Betätigungselement befestigt sind. Beispielsweise kann eine Befestigung mittels einer Schraubverbindung erfolgen, wobei ebenso weiterhin es vorgesehen sein kann, dass die Bolzen in Führungsbohrungen eintauchen, die am Ringbereich vorgesehen sind der in der Hohlwelle zur Ausbildung des kegelstumpfförmigen Führungsflächenbereiches gebildet ist. Die Bolzen sind dabei in einem Abstand zur Mittenachse um diese herum angeordnet, insbesondere in einer gleichmäßigen Winkelteilung, ebenso wie die daran beweglich befestigten Spannelemente.
In einer weiterhin bevorzugten Ausführung kann ein Spannelement, insbesondere jedes Spannelement, welches in der Hohlwelle vorgesehen ist, in Richtung zunehmenden Formschlusses und somit insbesondere in einer Richtung nach unten bezüglich der üblichen Arbeitsposition gegen eine rückstellende Kraft verschieblich sein. Eine solche rückstellende Kraft kann beispielsweise durch eine Druckfeder ausgeübt sein, insbesondere eine solche, die sich einseitig, insbesondere unterseitig am Spannelement und mit Ihrer anderen Seite, insbesondere oben am ringförmigen eingangs genannten Bereich abstützen.
Dabei kann eine solche Druckfeder einen ebenso eingangs genannten Bolzen umgeben.
Die Bewegung der Spannelemente in Richtung zunehmenden Formschlusses gegen eine rückstellende Kraft hat den Vorteil, dass das Spannelement durch diese rückstellende Kraft in axialer Richtung auf eine an einem Bohrgestänge realisierte Schulter bzw. Stufe zugedrückt werden kann. So wird hierdurch bewirkt, dass in dem Augenblick, wenn das Bohrgestänge ein Spannelement entlastet dieses Spannelement durch die rückstellende Kraft aus dem Formschluss zwischen den Führungsflächen herausgedrückt wird, also beispielsweise bezogen auf die übliche Arbeitsposition nach oben gedrückt wird. Hierdurch wird das Bohrgestänge aus den Spannelementen freigegeben. Eine derartige Entlastung zwischen Bohrgestänge und dem Spannelement kann beispielsweise erzielt werden, wenn ein Bohrgestänge nach dem Heben mittels eines solches erfindungsgemäßen Spannkopfes auf dem Erdreich aufgestellt wird und der Spannkopf sich relativ zum Bohrgestänge von der Schulter des Bohrgestänges weg nach unten bewegt in axialer Richtung des Bohrgestänges.
In einer weiterhin besonders bevorzugten Ausführung ist es vorgesehen, eine mittelbare Einwirkung des Betätigungselementes auf die jeweiligen Spannelemente vorzunehmen mittels wenigstens einer Druckfeder die zwischen Betätigungselement und jedem Spannelement vorgesehen ist. Hierdurch wird erzielt, dass eine Kraft nicht unmittelbar zwischen Betätigungs- und Spannelement wirkt, sondern dass die Kraft jeweils durch die Druckfeder aufgebracht wird. Dies hat darüber hinaus den Vorteil, dass über einen bestimmten vorgegebenen axialen Bewegungsweg im Wesentlichen immer dieselbe Kraft auf das Spannelement ausgeübt wird, die sich durch die Federkonstante der Druckfeder in Abhängigkeit vom Einfederweg ergibt.
Hierbei kann es vorgesehen sein, dass eine solche Druckfeder unmittelbar zwischen Betätigungselement und Spannelement angeordnet ist oder aber in einer besonders bevorzugten Ausführung, dass eine solche Druckfeder zwischen einem Betätigungselement und einem zwischengelagerten Element, z. B. einem Zwischenring angeordnet ist, der zwischen Betätigungselement und Spannelement liegt. Über einen solchen Zwischenring können wiederum alle Spannelemente gleichzeitig kontaktiert sein. Federelemente können demnach zwischen den aufeinander zuweisenden Ringflächen von Zwischenring und Betätigungselement angeordnet sein, beispielsweise bevorzugt an den Positionen, an denen die eingangs genannten Bolzen sich vom Betätigungselement aus durch den Zwischenring und die Spannelemente hindurch erstrecken. So kann jede dieser Federn beispielsweise einen Bolzen umgeben.
Eine derartige Ausführung hat erfindungsgemäß den besonderen Vorteil, dass eine Hülse in axialer Richtung relativ zur Hohlwelle bewegbar ist, wobei zunächst durch die mittelbare Wirkung des Betätigungselementes über die Druckfedern die Spannelemente in ein Formschluss mit einem Bohrgestänge bewegbar sind, wobei nach dem Erreichen dieses Formschlusses zwischen Betätigungselement und Spannelementen bzw. Betätigungselement und Zwischenring ein axialer Bewegungsbereich verbleibt.
Dieser axialer Bewegungsbereich ergibt sich hierbei im wesentlichen dadurch, dass bei Erreichen des Formschlusses die Druckfedern noch nicht vollständig komprimiert sind. Es verbleibt demnach ein axialer Bewegungsbereich der gegeben ist durch die bei Formschluss erzielte Kompression der Druckfedern bis zur maximal möglichen Kompression der Druckfedern, z. B. wenn deren Windungen aneinander anliegen oder ein separater Anschlag vorgesehen ist. Die Konstruktion des erfindungsgemäßen Spannkopfes ist demnach derart, dass aufgrund dieses verbliebenen Bewegungsbereiches selbst bei schon vorliegendem Formschluss zwischen den Spannelementen und dem Bohrgestänge die äußere Hülse in diesem gegeben Bewegungsbereich in axialer Richtung weiterbewegt werden kann, bis das ein Wirkschluss zwischen den Spannbacken der ersten Spannvorrichtung und dem Bohrgestänge entsteht. Dieser Wirkschluss kann beispielsweise gegeben sein durch einen Kraft- und/ oder Form- und/oder Reibschluss zwischen den Spannbacken der ersten Spannvorrichtung und dem Bohrgestänge.
Es wird also bei einer Bewegung der Hülse insbesondere bezogen auf die übliche Arbeitsposition in axialer Richtung nach unten zunächst ein Formschluss zur axialen Festlegung des Bohrgestänges mit dem zweiten Spannmechanismus erzielt und nachdem dieser erreicht ist, durch ein Weiterbewegen der Hülse der Wirkschluss zwischen den Spannbacken der ersten Spannvorrichtung und dem Bohrgestänge, um hierdurch ein Drehmoment übertragen zu können.
So ermöglicht ein solcher erfindungsgemäßer Spannkopf beim Heben des Bohrgestänges neben den hierfür ausgeübten Zugkräften aus dem Erdreich heraus auch gleichzeitig das Rohrgestänge aufgrund der Möglichkeit zur Drehmomentübertragung zu drehen und so die Haftung zwischen Bohrgestänge und Erdreich zu verringern, was den Hebevorgang wesentlich vereinfacht.
Bei umgekehrter Bewegung der Hülse, d. h. bezogen auf eine normale Arbeitsposition von unten nach oben löst sich somit in umgekehrter Reihenfolge zunächst der Wirkschluss zwischen den Spannbacken und dem Bohrgestänge wobei in dem Fall wenn das Bohrgestänge im Spannkopf hängt der Formschluss zwischen den Spannelementen der zweiten Spannvorrichtung und dem Bohrgestänge zunächst erhalten bleibt, da das Bohrgestänge über seine Schulter/Stufe, die eingangs beschrieben wurde mit seiner Gewichtskraft auf den Spannelementen aufliegt und somit diese nun statt durch die Hülse/Betätigungselement über das Bohrgestänge in axialer Richtung nach unten und somit in Schwerkraftrichtung belastet sind, so dass der Formschluss selbsthemmend erhalten bleibt.
Erst wie eingangs genannt in dem Fall, wenn das Bohrgestänge die Spannelemente entlastet, beispielsweise auf dem Erdreich aufgestellt wird, senkt sich der Spannkopf relativ zum Bohrgestänge ab, wodurch der Formschluss zwischen dem Bohrgestänge bzw. der Schulter und den Spannelementen aufgehoben wird und die Spannelemente durch die Federbelastung in axialer Richtung nach oben verschoben werden und somit das Bohrgestänge freigeben.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es bevorzugt vorgesehen, den zweiten Spannmechanismus bezogen auf eine übliche Arbeitsposition des Spannkopfes oberhalb des genannten ersten Spannmechanismus anzuordnen. Ebenso ist es möglich, diese Anordnung umzukehren.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den nachfolgenden Figuren dargestellt. Es zeigen:
1 eine Schnittdarstellung durch einen erfindungsgemäßen Spannkopf
2 eine Ausschnittdarstellung mit der Federanordnung
Die 1 zeigt in einer seitlichen Schnittdarstellung einen erfindungsgemäßen Spannkopf der eingangs allgemein beschriebenen Art. Erkennbar ist hier eine Hohlwelle 3, auf der koaxial und in axialer Richtung beweglich eine Hülse 1 angeordnet ist, deren unterer Endbereich sich bei der vorliegenden Ausführungsform kegelförmig nach unten erweitert.
In der Hohlwelle sind in der Nähe des unteren Endes radiale Ausnehmungen 3d vorgesehen, durch die in radialer Richtung Spannbacken 2 hindurchreichen, die mit Ihren inneren Flächen 2a einen Wirkschluss beispielsweise einen Form-, Kraft- oder Reibschluss mit einem Bohrgestänge 9 eingehen können, wenn diese Spannbacken 2 radial maximal nach innen verschoben sind. Die Flächen 2a können z. B. eine gezahnte Oberfläche aufweisen.
Um dieses radiale nach innen Verschieben zu erzielen, weisen die Spannbacken 2 radial außenliegende Anlaufflächen 2b auf, die korrespondierend ausgebildet sind zu der inneren Kegelfläche 1b des unteren Endbereiches der Hülse. Hierbei kann die Anpassung der korrespondierenden Flächenbereiche derart sein, das diese einen maximalen Formschluss eingehen, wenn auch der Wirkschluss zwischen den radial inneren Flächen 2a und dem Bohrgestänge gegeben ist, also im wesentlichen die Hülse 1 auch maximal nach unten verschoben ist.
Erkennbar ist hier des Weiteren ein zweiter Spannmechanismus im Inneren der Hohlwelle oberhalb der Spannbacken 2, der vorliegend beispielsweise mehrere, hier insbesondere vier Spannelemente 4 umfasst die koaxial zur Mittenachse 10 des Bohrgestänges 9 bzw. der Hohlwelle 3 angeordnet sind und radial innenliegende Anlageflächen 4b aufweisen, die ausgebildet sind, um formschlüssig an das Bohrgestänge 9 bzw. dessen Schulter 9a angelegt zu werden. An dieser Schulter 9a verjüngt sich das Bohrgestänge 9 von oben nach unten, in diesem Fall kegelartig/konisch.
Die Spannelemente 4 weisen weiterhin radial außenliegende Führungsflächen 4a auf, die in einem spitzen Winkel zur Mittenachse bezogen auf diese Schnittdarstellung angeordnet sind und die weiterhin korrespondierend ausgebildet sind, zu Führungsflächen 3a im Inneren der Holwelle 3. Diese Führungsflächen 3a im Inneren der Hohlwelle 3 können hier ausgebildet sein in Form eines ringförmigen Bereiches 3b der sich von der Hohlwellenwandung der Hohlwelle 3 radial nach innen erstreckt und der eine zur Mittenachse koaxiale Ausnehmung aufweist, die kegelstumpfförmig ausgebildet ist und sich nach unten hin verjüngt. Hierbei sind die korrespondierenden Führungsflächen 4a und 3a an den Spannelementen und dem Ringbereich 3b der Hohlwelle 3 so aneinander angepasst, dass bei dem hier dargestellten maximalen Formschluss zwischen den Spannelementen 4 und dem Bohrgestänge 9 auch ein bestmöglicher Formschluss zwischen den radial außenliegenden Führungsflächen 4a der Spannelemente und dem inneren kegelstumpfförmigen Flächenbereich 3a des Ringbereiches 3b ergibt.
Erkennbar ist hier weiterhin, dass die Spannelemente 4 in ihrem oberen Bereich ein radial nach außen weisenden Vorsprung 4c aufweisen, durch den Führungsbolzen 6 hindurchreichen. Durch diese Führungsbolzen werden die Spannelemente in axialer Richtung geführt und Ihrer Lage gehalten, wobei weiterhin in den genannten radialen Vorsprüngen 4c der Spannelemente 4 hier in radialer Richtung angeordnete Langlöcher vorgesehen sind, so dass bei einer axialen Bewegung der Spannelemente 4 von oben nach unten und der Führung zwischen den Flächen 3a und 4a gleichzeitig auch die Spannelemente 4 im Spiel der genannten Langlöcher radial nach innen bewegt werden können.
Erkennbar ist hier insbesondere mit Bezug auf die 2 eine besondere Federkonstruktion, bei der die jeweiligen Spannelemente 4 entgegen einer Federkraft die durch so genannte Öffnungsfedern 7 aufgebraucht werden nach unten in Richtung zunehmenden Formschlusses zwischen Spannelement und Bohrgestänge verschoben werden. Hierbei sind die Öffnungsfedern 7 zwischen den radialen Vorsprüngen 4c der Spannelemente 4 und dem Ringbereich 3b abgestützt, wofür der Rindbereich 3b eine Sackbohrung aufweist.
Erkennbar ist in dieser Konstruktion weiterhin, dass ein Betätigungselement 5 als Mitnehmer für die Spannelemente 4 vorgesehen ist, welches im wesentlichen ringförmig ausgebildet ist und das Bohrgestänge 9 umgibt und welches mit Stegen durch Ausnehmungen 3c mit der äußeren Hülse 1 verbunden ist. Zwischen dem Betätigungselement 5 und den Spannelementen 4 ist hier weiterhin ein Zwischenring 5a angeordnet, der gleichzeitig alle Spannelemente 4 von oben kontaktiert.
Zwischen dem Zwischenring 5a und dem Betätigungselement 5 ist hier eine so genannte Schließ-Druckfeder 8 angeordnet die vorgesehen ist, um die Bewegung des Betätigungselementes 5 mit der Hülse 1 mittelbar über die Feder 8 auf den Zwischenring 5a und so auf die Spannelemente 4 zu übertragen. Somit werden die Spannelemente 4 im wesentlichen durch die Federkräfte die durch die Druckfedern 8 wirken in axialer Richtung nach unten in Richtung zunehmenden Formschlusses gedrückt, nicht jedoch durch die Kräfte die auf die Hülse z. B. mit einer hydraulische Antriebsvorrichtung bzw. mit der Hülse auf die Spannbacken 2 ausgeübt werden. Es ist hier insbesondere aus der 2 auch ersichtlich, dass bei Erreichen maximalen Formschlusses zwischen Spannbacken 4 und Gestänge 9, wie es die 1 zeigt, ein Spalt 10 zwischen Betätigungselement 5 und Zwischenring 5a verbleibt. Dieser Spalt 10 stellt ein Bewegungsbereich da, in dem die Hülse 1 selbst dann, wenn schon maximaler Formschluss zwischen den Spannelementen 4 und dem Bohrgestänge 9 erzielt ist, noch weiter nach unten bewegt werden kann, um so die Spannbacken 2 mit maximaler Kraft auf das Bohrgestänge 9 zu drücken. Es wir somit bewirkt, dass zunächst durch den erzielten Formschluss das Bohrgestänge 9 in axialer Richtung festgelegt wird aufgrund der Anlage zwischen der Schulter 9a und den Spannelementen 4 sowie das weiterhin auch durch den Wirkschluss zwischen den Spannbacken 2 und dem Bohrgestänge 9 ein Drehmoment auf dieses durch eine Drehung der Hohlwelle 3 übertragen werden kann. So kann beim Heben des Bohrgestänges 9 dieses gleichzeitig auch gedreht werden, was den Hebevorgang vereinfacht.
Bezüglich sämtlicher Ausführungen ist festzustellen, dass die in Verbindung mit einer Ausführung genannten technischen Merkmale nicht nur bei der spezifischen Ausführung eingesetzt werden können oder eingesetzt sind, sondern auch bei den jeweils anderen Ausführungen. Sämtliche offenbarten technischen Merkmale dieser Erfindungsbeschreibung und der Figuren sind als erfindungswesentlich einzustufen und beliebig miteinander kombinierbar oder in Alleinstellung einsetzbar. Dabei wird in der gesamten Offenbarung unter der Erwähnung, dass ein Merkmal vorgesehen sein kann oder ein Verfahrenschritt durchgeführt werden kann auch eine Ausführung der Erfindung verstanden, in der das betreffende Merkmal vorgesehen ist bzw. ein betreffender Verfahrensschritt durchgeführt wird.

Claims

Spannkopf für eine Erdbohranlage umfassend eine Hohlwelle (3), durch die hindurch ein Bohrgestänge (9) führbar ist, wobei koaxial auf der Hohlwelle (3) eine Hülse (1) verschieblich zu dieser angeordnet ist, die wenigstens einen sich, insbesondere nach unten erweiternden, insbesondere kegelförmig erweiternden Endbereich (1b) aufweist und wobei in der Hohlwelle (3) und/oder an der Hülse (1) wenigstens zwei radial zur Hohlwelle (3) verschiebliche Spannbacken (2) gelagert sind, die an ihrem radial außen liegenden Ende mit dem sich erweiternden Endbereich (1b) zusammenwirkende Anlaufflächen (2b) aufweisen, so dass durch ein Schieben des Endbereichs (1b) über die Spannbacken (2) diese radial nach innen drückbar sind und einen ersten Spannmechanismus für ein Bohrgestänge (9) bilden, insbesondere so dass durch ein Zusammenwirken zwischen Spannbacken (2) und Bohrgestänge (9) ein Drehmoment zwischen Hohlwelle (3) und Bohrgestänge (9) übertragbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass in der Hohlwelle (3) ein zweiter Spannmechanismus vorgesehen ist, der durch das Bewegen der Hülse (1) betätigbar ist und mittels dem ein Bohrgestänge (9) in axialen Richtung festlegbar ist, insbesondere um ein Bohrgestänge (9) in axialer Richtung aus dem Erdreich zu ziehen.
Spannkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Spannmechanismus wenigstens zwei Spannelemente (4) umfasst, wobei jedes Spannelement (4) eine radial außen liegende Führungsfläche (4a) umfasst, die mit einer Führungsfläche (3a) im Inneren der Hohlwelle (3) zusammenwirkt, so dass durch ein Bewegen eines Spannelementes (4) in axialer Richtung, insbesondere nach unten, ein radiales Bewegen, insbesondere nach innen, bewirkbar ist.
Spannkopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannelemente (4) jeweils radial innen liegende Anlageflächen (4b) aufweisen, mittels denen diese jeweils formschlüssig an ein Bohrgestänge (9), insbesondere an eine an einem Bohrgestänge (9) ausgebildete Schulter/Stufe (9a) im Durchmesser anlegbar sind.
Spannkopf nach einem der vorherigen Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Führungsfläche (3a) im Inneren der Hohlwelle (3) gebildet ist durch einen radial nach innen vorspringenden Ringbereich (3b), dessen inneren Ausnehmung eine kegelstumpfförmige Mantelfläche (3a) bildet, die koaxial um die Mittenachse (10) der Hohlwelle (3) angeordnet ist, insbesondere die nach unten verjüngend ausgebildet ist.
Spannkopf nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die radial außen liegenden Führungsflächen (4a) der Spannelemente (4) als zu der kegelstumpfförmigen Mantelfläche (3a) korrespondierende äußere Kegelmantelflächenbereiche ausgebildet sind, insbesondere wobei sich der Formschluß zwischen den korrespondierenden Führungsflächen (3a, 4a) mit zunehmendem Formschluß zwischen den Spannelementen (4) und einem Bohrgestänge (9) erhöht.
Spannkopf nach einem der vorherigen Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spannelement (4) an einem parallel zur Hohlwellenachse (10) angeordneten Bolzen (6) in axialer Richtung verschieblich ist, insbesondere wobei der Bolzen (6) in einer in radialer Richtung sich erstreckenden Ausnehmung des Spannelements (4) oder eines daran angeordneten radialen Vorsprunges (4c) einliegt.
Spannkopf nach einem der vorherigen Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannelemente (4) mittels eines im Inneren der Hohlwelle (3) angeordneten Betätigungselements (5) in axialer Richtung, insbesondere in Richtung zunehmenden Formschlusses bewegbar sind, wobei das Betätigungselement (5) mit der Hülse (1) durch wenigstens einen radialen Steg verbunden ist, der sich durch eine Ausnehmung (3c) in der Hohlwelle (3) erstreckt, insbesondere wobei der wenigstens eine Steg in einer Ausnehmung (3c) in axialer Richtung der Hohlwelle (3) bewegbar ist.
Spannkopf nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Betätigungselement (5) ringförmig ausgebildet ist und mit ihm alle Spannelemente (4) gleichzeitig bewegbar sind.
Spannkopf nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bolzen (6) am Betätigungselement (5) befestigt sind, insbesondere wobei die Bolzen (6) in Führungsbohrungen am Ringbereich (3b) eintauchen.
Spannkopf nach einem der vorherigen Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spannelement (4) in Richtung zunehmenden Formschlusses gegen eine rückstellende Kraft, insbesondere eine durch eine Druckfeder (7) aufgebrachte Kraft verschieblich ist.
Spannkopf nach einem der vorherigen Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Betätigungselement (5) mittelbar zumindest über wenigstens eine Druckfeder (8) auf ein Spannelement (4) wirkt.
Spannkopf nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckfedern (8) zwischen einem Betätigungselement (5) und einem Zwischenring (5a) angeordnet sind, wobei der Zwischenring (5a) alle Spannelemente (4) gleichzeitig kontaktiert.
Spannkopf nach einem der vorherigen Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (1) in axialer Richtung relativ zur Hohlwelle (3) bewegbar ist, wobei zunächst durch die mittelbare Wirkung des Betätigungselements (5) über Druckfedern (8) die Spannelemente (4) in einen Formschluß mit einem Bohrgestänge (9) bewegbar sind und nach Erreichen dieses Formschlusses zwischen Betätigungselement (5) und Spannelementen (4) oder zwischen Betätigungselement (5) und einem Zwischenring (5a) eine axialer Bewegungsbereich (10) verbleibt, insbesondere durch ein Bewegungsspiel in den Druckfedern (8), wobei durch eine weitere axiale Bewegung in diesem Bewegungsbereich (10) ein Wirkschluß, insbesondere Kraft- und/oder Form- und/oder Reibschluß zwischen den Spannbacken (2) der ersten Spannvorrichtung und einem Bohrgestänge (9) bewirkbar ist.