-
Die Erfindung betrifft einen mechanischen Zugexpander für Rohre mit einer Zugstange, mit wenigstens einem Expanderwerkzeug, welches mittels einer radialen Bewegung eine radiale Expansionskraft auf das Rohr ausübt, mit einem Gegenlager und mit einem Werkzeugtrieb, welcher eine axiale Relativbewegung zwischen der Zugstange sowie dem Gegenlager in eine radiale Bewegung wandelt, die das Expanderwerkzeug radial antreibt, und welcher mit der Zugstange mittels eines Klemmelementes axial festgelegt ist, wobei das Klemmelement eine in einer Zugrichtung der Zugstange wirkende Zugkraft mittels einer radial zur Zugstange aufgebrachten Klemmkraft auf den Werkzeugtrieb überträgt
-
Die
DE 22 58 359 A1 beispielsweise behandelt einen ähnlichen mechanischen Zugexpander bzw. einen mechanischer Rohrexpander mit einem Klemmelement, welches die von der Zugstange aufgebrachte Zugkraft auf den Werkzeugtrieb überträgt. Hierbei wird allerdings die Klemmkraft des Klemmelementes gerade nicht radial sondern axial zur Zugstange mittels eines Gewindes auf der Zugstange, in welches ein entsprechendes Gewinde einer Mutter des Klemmelements eingreift, übertragen. Die hohen an dem Klemmelement bzw. an der Mutter des Klemmelementes wirkenden Zugkräfte führen allerdings regelmäßig zu Gewindeausbrüchen, die durch Kerbwirkung bedingt sind, und folglich zu Ausfällen dieses Zugexpanders.
-
Um die über die Kerbwirkungen hervorgerufenen Schäden an der Zugstange zu vermeiden, schlägt die
DE 29 06 693 C2 ein Klemmelement mit einer radial zur Zugstange aufgebrachten Klemmkraft vor. Das offenbarte Klemmelement, welches im Stand der Technik auch als Druckölverband bekannt ist, wird zur Montage zwischen einem Innenring und einem Außenring des Klemmelementes mit Drucköl beaufschlagt, wodurch sich zwischen dem Innenring und dem Außenring ein Spalt bildet und die beiden Ringe ineinander geschoben werden können. Nach Ablassen des Druckes erfolgt zwischen beiden Ringen ein Presssitz, welcher radial auf die Zugstange eine Klemmkraft bewirkt. In der Praxis hat sich allerdings gezeigt, dass hierzu einerseits sehr hohe Drücke erforderlich sind und andererseits eine verwendete Ölpumpe außerhalb des Zugexpanders angeordnet sein muss und somit sehr lange und verwundene Rohrleitungen bis zum Klemmelement durch das zu expandierende Rohr hindurch verlegt werden müssen. Darüber hinaus hat sich herausgestellt, dass ein derartiger Druckölverband nicht den erwarteten Anforderungen bezüglich der Betriebssicherheit und der Klemmkraft genügt.
-
Es ist daher Aufgabe der Erfindung einen Zugexpander mit einem Klemmelement zur Verfügung zu stellen, welcher sowohl einfach montiert als auch dauerfest betrieben werden kann.
-
Um die Aufgabe zu lösen, wird ein mechanischer Zugexpander für Rohre mit einer Zugstange, mit wenigstens einem Expanderwerkzeug, welches mittels einer radialen Bewegung eine radiale Expansionskraft auf das Rohr ausübt, mit einem Gegenlager und mit einem Werkzeugtrieb vorgeschlagen, welcher eine axiale Relativbewegung zwischen der Zugstange sowie dem Gegenlager in eine radiale Bewegung wandelt, die das Expanderwerkzeug radial antreibt, und welcher mit der Zugstange mittels eines Klemmelementes axial festgelegt ist, wobei das Klemmelement eine in einer Zugrichtung der Zugstange wirkende Zugkraft mittels einer radial zur Zugstange aufgebrachten Klemmkraft auf den Werkzeugtrieb überträgt und wobei sich der Zugexpander dadurch auszeichnet, dass das Klemmelement ein mechanisch verspanntes Klemmelement ist, welches zur mechanischen Verspannung wenigstens ein axial wirksames Spannelement aufweist, wobei die Zugkraft in Zugrichtung über das Klemmelement auf einen Zwischenring und einen Schmiermittelring und dann auf den Werkzeugtrieb übertragen wird.
-
Das mechanisch verspannte und radial wirksame Klemmelement bietet gegenüber der Lösung nach der
DE 29 06 693 C2 den Vorteil, dass einerseits eine einfache Montage sowie ein einfaches Verspannen des Klemmelementes möglich ist, da auf zusätzliche hydraulische Baugruppen verzichtet werden kann, und andererseits wegen des Verzichts auf weitere Baugruppen der Zugexpander robuster und mit einer höheren Betriebssicherheit eingesetzt werden kann, da zusätzliche Fehlerquellen reduziert werden können. Ferner bietet ein mechanisch verspanntes und radial wirksames Klemmelement die Möglichkeit, die Vorteile der Lösung nach der
DE 29 06 693 C2 zu nutzen und Zugkräfte von der Zugstange ohne die Ausbildung einer Kerbwirkung an der Zugstange auf den Werkzeugtrieb zu übertragen.
-
Insbesondere kommen die vorstehend genannten Vorteile zur Geltung, wenn das Klemmelement einen Innenring mit einer äußeren Innenringklemmfläche und einen axial zum Innenring verlagerbaren Außenring mit einer zu der äußeren Innenringklemmfläche komplementären inneren Außenringklemmfläche aufweist. Zusätzlich weist das Klemmelement mit Innenring und Außenring den Vorteil auf, dass die Klemmkraft mit besonders einfachen Mitteln aufgebracht werden kann.
-
So kann zwischen dem Innenring und dem Außenring die radial auf die Zugstange wirkende Klemmkraft besonders vorteilhaft ausgebildet werden, wenn die beiden Ringe gegeneinander geneigte Klemmflächen aufweisen und diese Klemmflächen die radiale Klemmkraft durch ein axiales Verspannen der beiden Ringe aufbringen. Folglich ist es für einen Zugexpander mit Klemmelement, welches einen Innenring und einen Außenring aufweist, insbesondere von Vorteil, wenn die äußere Innenringklemmfläche und die innere Außenringklemmfläche zumindest zum Teil einer Kegelmantelfläche entsprechen. Die zueinander komplementären Kegelmantelflächen, welche alternativ auch Pyramidenmantelflächen sein können, sind somit in der Lage als Keile bzw. Rampen verwendet zu werden, um die axiale Spannkraft in eine radial wirkende Klemmkraft zu transformieren.
-
Im Zusammenhang mit einem Innenring und mit einem Außenring ist es darüber hinaus vorteilhaft, wenn der Außenring eine stärkere Wanddicke aufweist als der Innenring, was zur Folge haben kann, dass der Außenring einer elastischen Dehnung aufgrund der aufgebrachten Klemmkraft weniger unterliegt als der Innenring und somit mittels der größeren elastischen Verformung des Innenringes die resultierende Klemmkraft auf die Zugstange effektiver aufgebracht werden kann. Ganz allgemein ist es dementsprechend vorteilhaft, wenn der Außenring steifer als der Innenring ausgebildet ist, so dass diese Anordnung bereits ausreichend eigensteif ist, um entsprechend große Klemmkräfte nach radial innen auszubringen. Durch eine entsprechende stärkere Wanddicke kann eine ausreichende Eigensteifigkeit des Außenrings einfach bereitgestellt werden. Andererseits kann dieses auch durch eine geeignete Materialwahl oder durch andere Maßnahmen umgesetzt werden.
-
Für einen Zugexpander mit Klemmelement, welcher einen Innenring und einen Außenring aufweist, ist es ebenfalls besonders vorteilhaft, wenn ein Klemmwinkel des Klemmelementes und ein Triebwinkel des Werkzeugtriebes in Bezug auf eine Zugrichtung der Zugstange ein gleiches Vorzeichen aufweisen.
-
Als „Klemmwinkel” wird hierbei der Winkel verstanden, welchen die äußere Innenringklemmfläche bzw. die hierzu komplementäre innere Außenringklemmfläche zu der Zugrichtung oder zu einer axial zur Zugstange stehende Symmetrieachse der Zugstange einschließt. Insofern bezeichnet der Begriff „Triebwinkel” denjenigen Winkel, welcher von besagter Achse der Zugstange und einer äußeren Oberfläche des Werkzeugtriebes, die zu einer inneren Oberfläche des Expanderwerkzeuges komplementär ist, eingeschlossen wird. Insofern entspricht die Wirkungsweise zwischen dem Werkzeugtrieb und dem Expanderwerkzeug derjenigen, welche zwischen dem Innenring und dem Außenring, wie vorstehend erläutert, ebenfalls vorliegt.
-
Insbesondere bietet ein gleiches Vorzeichen für den Klemmwinkel des Klemmelementes und den Triebwinkel des Werkzeugtriebes in Bezug auf eine Zugrichtung der Zugstange – beide Winkel sind auf das selbe Koordinatensystem referenziert – Vorteile auf Grund der gleichen Wirkrichtung der Klemmkraft und der Kraft des Expanderwerkzeuges, wenn an der Zugstange die Zugkraft anliegt.
-
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Zugexpanders weist der Klemmwinkel relativ zum Triebwinkel einen kleineren oder einen gleichen Betrag auf, was die vorteilhaften Folge hat, dass – sofern die Reibungsverhältnisse identisch sind – die an dem Klemmelement wirkende Klemmkraft stets größer ist als die auf das Expanderwerkzeug wirkende Kraft. Wie sofort ersichtlich, wird ein Lösen des Klemmelementes betriebssicher durch diese Ausgestaltung vermieden. Es ist sofort ersichtlich, dass bei unterschiedlichen Reibzuständen, beispielsweise durch Schmiermittel zwischen Werkzeugtrieb und Expanderwerkzeug, die Winkel durchaus unterschiedliche sein können,
-
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Zugexpanders wird ermöglicht, wenn eine innere Innenringklemmfläche des Klemmelementes und eine Zugstangenklemmfläche der Zugstange zylindrisch sind. Diese Ausgestaltung der Kontaktfläche zwischen Klemmelement und Zugstange bewirkt besonders vorteilhaft die Vermeidung einer Kerbwirkung, welche bevorzugt bei Querschnittsprüngen auftritt und folglich bei der Verwendung einer zylindrischen Oberfläche auf ein Minimum reduziert werden kann. Ein kerbfreier Oberflächenübergang sorgt somit für den Abbau von Spannungsspitzen und ermöglicht einerseits höhere Lasten zu übertragen bzw. andererseits die Lebensdauer bzw. die Zuverlässigkeit des Zugexpanders zu erhöhen.
-
Für ein einfaches Aufbringen der Klemmkraft ist es weiterhin vorteilhaft, wenn das Klemmelement zur mechanischen Verspannung wenigstens ein axial wirksames Spannelement aufweist. Ferner ist es, um eine besonders gleichmäßige Einleitung der Spannkraft zu erzielen, vorteilhaft, wenn das Klemmelement radial umlaufend angeordnete Spannelemente aufweist. So können beispielsweise radial umlaufend und axial ausgerichtet an dem Innenring des Klemmelementes Schrauben angeordnet sein, welche durch den Innenring hindurch in den Außenring eingreifen und durch Anziehen den Innenring mit dem Außenring verspannen. Eine ringförmige Anordnung mehrerer Spannelemente erscheint zwar aufwändig zu bedienen, da jedes einzelnes Spannelement einzeln betätigt werden muss. Andererseits können hierdurch verhältnismäßig große Kräfte mit an sich einfach zu betätigenden und ausreichend stabil auszubildenden Spannelementen aufgebracht werden. Alternativ könnte beispielsweise aber auch eine einzelne axial wirkende Spannmutter zum Verspannen des Klemmelements bzw. zum Verspannen des Innen- und Außenrings genutzt werden. Regelmäßig wird es sich bei einer derartigen einzelnen Spannmutter um eine Sonderanfertigung handeln, die entsprechend aufwändig bereitzustellen ist. Die axiale Ausrichtung der Spannelemente ist an sich nicht zwingend notwendig, hat jedoch den Vorteil, dass die Spannelemente unmittelbar zwischen Innen- und Außenring wirksam werden können und darüber hinaus verhältnismäßig einfach zugänglich sind.
-
Wie sofort ersichtlich ist nicht ausschließlich eine Verwendung von Schrauben notwendig. Es können zum Aufbringen einer Spannkraft ebenfalls Bolzen, Nieten, Zuganker oder Klemmen verwendet werden.
-
Zuletzt ist es auch vorteilhaft für einen Zugexpander, wenn das Klemmelement wenigstens ein Ringfeder-Spannelement und/oder ein Kegelflächen-Spannelement umfasst. Insofern bietet sich die Möglichkeit auf genormte und in Masse und daher kostengünstig produzierte Maschinenelemente zurückzugreifen, welche sich vielfach bewährt haben und somit besonders die Betriebssicherheit erhöhen können. Hierbei kann es sich als notwendig erweisen, eine Nabe vorzusehen, um radial außen in ausreichendem Maße den Klemmkräften begegnen zu können, da in der Regel Ringfeder- oder ein Kegelflächen-Spannelemente symmetrisch aufgebaut sind, so dass ausreichende, nach radial innen wirkende Kräfte erst durch eine Außennabe, welche radial nach außen wirkenden Kräften begegnet und ein Ausweichen des Außenrings nach radial außen verhindert, aufgebracht werden können.
-
Weitere Vorteile, Ziele und Eigenschaften vorliegender Erfindung werden anhand nachfolgender Beschreibung anliegender Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen;
-
1 eine Anordnung aus Zugstange, Klemmelement, Werkzeugtrieb und Expanderwerkzeug eines erfindungsgemäßen mechanischen Zugexpanders;
-
2 eine schematische Detaildarstellung eines Zugexpanders mit einer herkömmlichen Klemmeinrichtung in eingefahrenem Zustand; und
-
3 den Zugexpander nach 2 in expandierendem Zustand.
-
An einer Zugstange 2 eines Zugexpanders 1 nach 1, welche durchgehend eine zylindrische Oberfläche aufweist, ist ein Klemmelement 21 angebracht, wodurch eine mittels der Zugstange 2 in eine Zugrichtung 3 aufgebrachte Zugkraft auf einen Werkzeugtrieb 12 übertragen wird. Die zylindrische Oberfläche der Zugstange 2 bildet auf Höhe des Klemmelementes 21 eine Zugstangenklemmfläche 25. Auf dieser Zugstangenklemmfläche 25 ist das Klemmelement 21 verklemmt, indem ein Innenring 22 des Klemmelements 21 in axialer Richtung, also in Zugrichtung 3, mit einem Außenring 26 des Klemmelementes 21 verspannt ist. Die axiale Spannkraft, welche über Spannelemente 29, in dieser Ausführungsform Schrauben, aufgebracht wird, wird mittels eines Klemmwinkels 28 zwischen dem Innenring 22 und dem Außenring 26 in eine radiale Klemmkraft transformiert.
-
Zur Erzeugung der Klemmkraft wirken eine äußere Innenringklemmfläche 23 des Innenringes 22 und eine Außenringklemmfläche 27 des Außenringes 26, welche jeweils mit dem Klemmwinkel 2S gegen die Zugstange 2 geneigt sind, zusammen. Die Zugkraft in Zugrichtung 3 wird schlussendlich über die kraftschlüssig miteinander wirkverbundenen Flächen, die Zugstangenklemmfläche 25 und eine inneren innenringklemmfläche 24 des Innenringes 22, auf einen Zwischenring 31 und einen Schmiermittelring 32 und dann auf den Werkzeugtrieb 12 übertragen.
-
Der Werkzeugtrieb 12, welcher sich dem Schmiermittelring 32 anschließt und welcher über den Schmiermittelring 32 mit Schmiermittel versorgt wird, treibt über eine innere Triebrampe 13, welche mit der Zugstange 2 bzw. einer Symmetrieachse der Zugstange 2 einen Triebwinkel 15 einschließt, ein Expanderwerkzeug 11 an. Zusammen mit einer äußeren Triebrampe 14 des Expanderwerkzeugs 11 wandelt der Werkzeugtrieb 12 die axiale Zugbewegung der Zugstange 2 in Zugrichtung 3 in eine radiale Bewegung des Expanderwerkzeugs 11 um. Zur Abstützung und zur Unterstützung der Zugkrafttransformation liegt das Expanderwerkzeug 11 an einem Gegenlager 4 an, welches von der Zugstange durchstoßen wird und gegen welches die Zugstange 2 relativ bewegbar angeordnet ist.
-
Der in 2 und 3 dargestellte und im Wesentlichen zur Erläuterung der weiteren Funktionsweise der Anordnung auch nach 1 hier beschriebene Zugexpander 1 weist ein als Klemmmutter nach dem Stand der Technik ausgeführtes Klemmelement 21 auf und ist beispielhaft in eingefahren und in expandierendem Zustand dargestellt.
-
Sowohl bei dem Ausführungsbeispiel nach 1 als auch bei dem Beispiel nach 2 und 3 sind Expanderwerkzeug 11 und Werkzeugtrieb 12 senkrecht zu den Triebrampen 13, 14 formschlüssig miteinander verbunden, so dass der Werkzeugtrieb 12 auch eine Zugkraft auf das Expanderwerkzeug übertragen kann und gleichwohl eine Schiebebewegung von Expanderwerkzeug 11 und Werkzeugtrieb 12 entlang der Triebrampen 13, 14 möglich ist. Das Gegenlager 4, gegen welches sich die axiale Zugkraft abstützt, verfügt in dem in 2 und 3 dargestellten Zugexpander 1, wie auch bei dem Ausführungsbeispiel nach 1, über zusätzliche Anker 5 (in 1 nicht dargestellt), welche die Expanderwerkzeuge 11 in Zugrichtung 3 fixieren. Die Fixierung dient dazu, beim Zurückfahren der Zugstange 2 die Expanderwerkzeuge 11 einzufahren und folglich zwischen Expanderwerkzeug 11 und Rohr einen Spalt zu erzeugen, damit der Zugexpander 1 ungehindert an die nächste Position des Rohres angefahren werden kann, in welcher ein entsprechender Expansionsprozess stattfinden soll.
-
Auch sind das Klemmelement 21 des Zugexpanders 1 nach 2 und 3 sowie der Werkzeugtrieb 12 über Schrauben (nicht beziffert) miteinander verbunden, so dass beim Zurückfahren der Zugstange 2 eine entsprechende Relativbewegung zwischen Werkzeugtrieb 12 und Gegenlager 4 gewährleistet werden kann, durch welche die Expanderwerkzeuge 11 betriebssicher eingefahren werden können.
-
Hierbei versteht es sich, dass statt der vorgenannten und nicht näher bezifferten Schrauben und/oder statt der Anker 5 auch andere Verbindungen vorgesehen sein können, die ausreichend fest sind, um einen derartigen Rückhub zu ermöglichen und die Expanderwerkzeuge 11 geeignet einzufahren. Die hierbei auftretenden Kräfte sind jedenfalls wesentlich geringer, als bei dem Expansionsprozess.
-
Auch die Anordnung nach 1 weist an dem Gegenlager 4 einen entsprechenden und gleich wirksamen Anker sowie dementsprechende Verbindungen zwischen dem Klemmelement 21 des Zugexpanders 1 nach 1, dem Zwischenring 21, dem Schmiermittelring 32 und dem Werkzeugtrieb 12 auf (jeweils in 1 nicht explizit dargestellt), wobei hier die entsprechende Schraubverbindung vorzugsweise den Innenring 22 des Klemmelements 21 nicht mit einschließt und hinsichtlich des Klemmelements 21 lediglich an dem Außenring 26 ansetzt, In einer alternativen Ausführungsform können beispielsweise auch die Spannelemente 29 dementsprechend für diese Verbindung genutzt werden, so dass auch der Innenring 22 des Klemmelements 21 dementsprechend verbunden ist.
-
Es versteht sich, dass der Rückhub in alternativen Ausführungsformen auch durch andere geeignete Maßnahmen gewährleistet werden kann, solange eine entsprechende Gegenbewegung der Expanderwerkzeuge 11 erzielt wird, wobei ein durch die Zugstange 2 induzierter Rückhub vorteilhaft ist, da keine ergänzenden Triebe vorgesehen sein und lediglich ein Umsetzen der Rückbewegung der Zugstange 2 in einen Rückhub der Expanderwerkzeuge 11 gewährleistet werden braucht.
-
Das als Klemmmutter nach dem Stand der Technik ausgeführte Klemmelement 21 des Zugexpanders 1 nach 2 und 3 überträgt ebenso die in Zugrichtung 3 wirkende Zugkraft durch eine axial auf die Zugstange 2 wirkende Klemmkraft wie das Klemmelement 21 des Zugexpanders 1 nach 1 durch eine radial entsprechend Anspruch 1 auf die Zugstange 2 wirkende Klemmkraft.
-
Eine Zugeinheit des Zugexpanders 1 zum Aufbringen der Zugkraft auf die Zugstange 2 verfügt, wie dies bereits aus dem Stand der Technik bekannt ist, über einen Zugzylinder 41 sowie über einen Zugkolben 42 wie aus den 2 und 3 ersichtlich und kommt bei den Zugexpandern 1 nach 1 bis 3 entsprechend zur Anwendung.
-
Hierbei ist der Zugkolben 42 mit der Zugstange 2 wirkverbunden, wobei die axiale Verbindung zwischen dem Zugkolben 42 und der Zugstange 2 an der dem Werkzeugtrieb 12 abgewandten Seite über das als einzelne Schraube ausgebildete Klemmelement 21 erfolgt. In diesem ist eine Fixiermutter (nicht dargestellt) vorgesehen, welche die axiale Verbindung bei dem Zugexpander 1 nach 2 und 3 zwischen Klemmelement 21 und dem Werkzeugtrieb 12 schafft, die bereits vorstehend für den Rückhub beschrieben wurde. Eine ähnliche Fixiermutter ist auch bei dem Zugexpander 1 nach 1 vorgesehen. Statt einer derartigen Fixiermutter kann eine entsprechende andere Möglichkeit, auch Druckkräfte für einen Rückhub zu übertragen, vorgesehen sein.
-
Zwischen dem Zugzylinder 41 sowie dem Zugkolben 42 sind jeweils zwei Kammern, eine Zugkammer 43 und eine Druckkammer 44, ausgebildet, wobei die Zugkammer 43 einen Druck zum Aufbringen der Zugkraft in Zugrichtung 3 erzeugt. Die Druckkammer 44 wirkt in entgegen gesetzter Richtung, so dass das durch die Zugkraft expandierte Expanderwerkzeug 11 für den Rückhub wieder eingefahren werden kann.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Zugexpander
- 2
- Zugstange
- 3
- Zugrichtung
- 4
- Gegenlager
- 5
- Anker
- 11
- Expanderwerkzeug
- 12
- Werkzeugtrieb
- 13
- innere Triebrampe
- 14
- äußere Triebrampe
- 15
- Triebwinkel
- 21
- Klemmelement
- 22
- Innenring
- 23
- äußere Innenringklemmfläche
- 24
- innere Innenringklemmfläche
- 25
- Zugstangenklemmfläche
- 26
- Außenring
- 27
- Außenringklemmfläche
- 28
- Klemmwinkel
- 29
- Spannelement
- 31
- Zwischenring
- 32
- Schmiermittelring
- 41
- Zugzylinder
- 42
- Zugkolben
- 43
- Zugkammer
- 44
- Druckkammer
