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Vorrichtung zum Tragen eines in ein Tiefbohrloch eingehängten Rohres
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Tragen eines senkrecht hängenden Rohres
mit einer Abfanghülse, die eine konische Innenfläche zur Aufnahme eines das Rohr
tragenden. Abfangkeilkranzes aufweist, welch letzterer aus einer Mehrzahl bogenförmiger
Keile gebilldet wird, die das Rohr umgeben und konische Außenflächen haben, welche
an der konischen Innenfläche der Abfanghülse anliegen, wobei so,-wohl Sam inneren
wie auch am äußeren Umfang des Keilkranzes eine Mehrzahl von im Querschnittsägezahnförmigen
Zähnen angebracht ist.
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Die bekannte Vorrichtung, von der die Erfindung ausgeht, weist eine
Abfangkeilhülso mit einer konischen Innenfläche und Abfangkeile mit einem Außenkonus
auf, die einen gleich großen Winkel mit der Rohrachse einschließen. Wenn die Abfangkeile
durch das oft Hunderte von Metern lange Rohr belastet werden, klemmen sie sich zwischen
dem Rohr und der Abfangkeilhülse fest und verformen hierbei die Abfangkeilhülse,
da man diese aus räumlichen Gründen nicht so stark ausbilden kann, um solche Verformungen
zu vermeiden.. Die Folge hiervon ist, daß der Sitz zwischen den Keilen und der Hülse
mit zunehmender Belastung schlechter wird, da sich die Abfangkeilhülse nicht über
ihre ganze konische Innenfläche gleichmäßig radial nach außen dehnt, so daß es zu
Schlupferscheinungen zwischen Rohr und Keilelement kommen -kann., da nicht mehr
die gesamte Abfangkeilfläche am Tragen -der Last teilnimmt.
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Mit der Erfindung soll ein Rohrträger geschaffen werden, bei dem die
gesamte Abfangkeilfläche am Tragen der Last teilnimmt, nachdem die Last an die Abfangkeilfläche
angelegt ist, um so mit Sicherheit jeglichen Schlupf zu vermeiden, ohne jedoch das
Rohr einzudrücken oder sonstwie zu beschädigen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die konische
Innenfläche der Abfanghülse einen größeren Winkel. mit der Rohrachse einschließt
als die konische Außenfläche der Abfangkeile und daß die konische Innenfläche unter
dem Rohrgewicht radial nach außen, nachgiebig ist.
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Ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung ist in den
Zeichnungen dargestellt; es zeigt Fig. 1 einen lotrechten Teilschnitt durch die
bevorzugte Ausführung in »unbelasteter Stellung« der Abfangkeile, Fig.2 einen vergrößerten
senkrechten Teilschnitt der Ausführung nach Fig.1 »Mittelbelastung« der Abfangkeile
und Fig.3 einen der Fig.2 ähnlichen Schnitt in »be-lasteter Stellung« der
Abfangkeile.
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In den Zeichnungen sind :die verschiedenen Kegel der Abfangkeile und
der Abfanghülse sowie die Senkbahnen übertrieben groß dargestellt, um das Arbeiten
der Vorrichtung zu verdeutlichen.
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Der Rohrkopf 10 ist auf das obere Ende eines Rohres 11 aufgeschraubt,
-das sich vom Rohrkopf im Bohrloch (nicht dargestellt) nach unten erstreckt. In
üblicher Weise ragt das Rohr etwas über die Erdoberfläche (nicht dargestellt) hinaus,
so daß sich der Rohrkopf oberhalb der Erdoberfläche befindet. Der Rohrkopf 10 hat
eine lotrecht gerichtete zylindrische Bohrung 15, an deren unterem Ende sich Innengewinde
16 zum Aufschrauben des Rohrkopfes 10 auf das obere Gewindeende des Rohres 11 befindet.
Das Rohr 11 ist ein: Futterrohr des Bohrloches.
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Ein zweites Rohr 18 durchsetzt konzentrisch die Bohrung 15 des Rohrkopfes
10 und durchsetzt auch konzentrisch das Außenrohr 11. Die Bohrung 15 des Rohrkopfes
10 hat oberhalb des Gewindes 16 eine nach oben weisende ringförmige Kegelschulter
20 und. hat oberhalb der Schulter 20 einen zylindrischen Abschnitt 21. Eine zweite
Kegelschulter 22 von kleinerem Kegelwinkel mit der Achse, des Rohrkopfes ist oberhalb
des Abschnittes 21 vorhanden- und dient als Auflager zum Tragen eines Rohrträgers
und einer Dichtung innerhalb der Bohrung 15. Oberhalb des Auflagers 22
befinden
sich ein kurzer gerader Bohrungsabschnitt 23 und eine kegelige Verbreiterung 24,
an die sich ein am oberen; Ende der Bohrung 15 befindlicher oberen gerader Abschnitt
25 anschließt. Die Schulter 20 wird nicht als Auflager verwendet, sondern -dient
nur als Einführungsfläche in das Rohr 11.
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Das obere Ende des Rohrkopfes wird von einem Anschlußflansch 28 umgeben,
der mit mehreren Schraubenbolzen 29 an einem Flansch 30 der darüberliegenden Ausrüstung
3,1 angeschraubt werden kann. Ringnuten 32, 33 in den Flächen der das obere Ende
von Bohrung 15 umgebenden Flansche 28, 30 nehmen eine runde Stahlringdichtung 34
auf, die eine sickerfeste Verbindung zwischen den Flanschen herstellt. Der Rohrkopf
10 hat am Ausschnitt 21 der Bohrung 15 zwei Seitenauslässe 35, 36 mit Innengewinde
zum Einschrauben von Aufnahmevorrichtungen (nicht dargestellt), z. B. zum Einschrauben
eines Ventils oder eines Rohres. Die Wand des Rohrkopfes 10 ist an den Durchlässen
35, 36 mit Verdickungen 37 bzw. 38 versehen.
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Die Abfangkedlhülse 40 hat auf ihrer oberen Seite eine Kegelfläche
41, deren Kegelneigung dem Auflager 22 entspricht und von der der belastete Rohrträger
getragen wird. Unterhalb der Kegelfläche 41 verläuft die Seite der Abfangkeilhülse
40 parallel zur Achse des Rohrkopfes, jedoch sind mehrere gleichmäßig auf Abstand
stehende getrennte Ausnehmungen 43 um die Abfangkeilhülse 40 angeordnet, so daß
die Abfangkeilhülse 40 nicht die Durchlässe 35, 36 abschließt. Eine abgeschrägte
untere Kante 44 der Abfangkeilhülse ermöglicht ihr leichtes Einschieben in den Rohrkopf.
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Am oberen Ende der Abfangkeilhülse 40 ragt ein ringförmiger Flansch
48 radial nach innen und füllt derr zwischen dem Rohrkopf 10 und dem Rohr 18 befindlichen
Ringraum im wesentlichen aus. Der Außenabschnitt der oberen Flanschfläche hat eine
kegelige Abschrägung 49. Die Innenfläche 50 der Abfangkeilhülse ist kegelg und konvergiert
nach unten, um ein kegelförmiges Auflager für die Abfangkeilsegmente 51 zu bilden.
Mehrere an lotrechten radialen Trennstellen getrennte Abfangkeilsegmente sind um
den Rohrträger verteilt. Die Abfangkeilsegmente haben ein in lotrechter Richtung
keilförmiges Profil (Fig. 1 bis 3), so daß sie Keilstellungen einnehmen, wenn sie
zum Tragen des Rohres 18 zwischen der Außenfläche von: Rohr 18 und der Oberfläche
50 eingesetzt werden.
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Die Innenfläche jedes Abfangkeiles hat mehrere in Umfangsrichtung
verlaufende Zähne 52, die waagerecht oder im wesentlichen waagerecht gerichtet sind.
Die Zähne 52 haben die Form von Sägezähnen und weisen mit ihren Spitzen nach oben.
Die äußere kegelige Fläche 53 jedes Abfangkeilsegmentes 51 hat mehrere auf den Umfang
verteilte Zähne 54, die waagerecht oder im wesentlichen waagerecht gerichtet sind.
Die Zähne 54 weisen mit ihren Spitzen nach unten. Die Abfangkeilsegmente 51 können
in einfacher Weise dadurch hergestellt werden, daß alle Abfangkeilsegmente als ein
Stück in Ringform hergestellt, dann die Zähne 52, 54 auf der inneren Ringfläche
und der äußeren; Ringfläche gearbeitet werden und -dann der einstückige Ring in
Bogensegmente geteilt wird.
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Die Kegelfläche 53 hat eine andere Kegelneigung als die Kegelfläche
50 der Abfangkeilhülse 40, wie aus Fig. 1 zu sehen ist, die den Rohrträger in seiner
nicht eingespannten Stellung zeigt, bei der keine Rohrlast vom Rohrträger getragen
wird. Die Fläche 53 hat in lotrechter Richtung eine steilere Kegelneigung, so daß
beim Aufsetzen des Rohrträgers auf das Rohr 18 und beim Senken in die Bohrung 15
die erste Berührung der Abfangkeile 51 mit !dem Rohr 18 und mit .der Fläche 50 an
den, unteren Enden der Abfangkeile, wie Fig. 1 zeigt, erfolgt. Die ungleiche Kegelneigung
oder der beabsichtigte Fehleingriff der Kegelflächen 50, 53 ergibt winkelförmige,
keilartige Spalten zwischen den oberen Abschnittender Flächen 53 und 50. Der Scheitel
der Spalten befindet sich an den unteren Enden der Abfangkeilsegmente. Die Spalten
erweitern sich in der dargestellten Weise nach oben.
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Wird daher nur eine kleine Last oder überhaupt keine Last von den
Abfangkeilen getragen, dann wird die Last nur von wenigen der untersten, an der
lasttragenden Auflagefläche 50 anliegenden Zähnen 54 jedes Abfangkeiles getragen
und gehalten. Bei zusätzlicher Belastung des Rohrträgers nehmen fortschreitend @die
oberhalb der untersten Zähne vorhandenen Zähne am Tragen der Last teil.
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Oberhalb des Flansches 48 von Abfangkeilhülse 40 ist eine Vorrichtung
vorhanden, die den zwischen dem Rohr 18 und dem Rohrkopf 10 vorhandenen Ringraum
innerhalb der Bohrung 15 abdichtet. Ein kreisringförmiger Tragring 60 hat eine untere
Fläche, die im wesentlichen der oberen Fläche des Flansches 48 einschließlich des
Kegels 49 entspricht. Die äußere Umfangsfläche des Ringes 60 hat einen konischen
Kegelabschnitt 61, der die gleiche Kegelneigung hat wie die Auflagefläche 22 der
Abfangkeilhülse 40 und der auf einem oberen Abschnitt der Auflagefläche aufliegt,
so daß der Ring 60 von dieser Auflagefläche getragen wird. Der Ring 60 hat eine
innere obere Ausnehmung 62. und eine äußere obere Ausnehmung 63, die oder unteren
Fläche eines Dichtungsringes 64 entsprechen, der auf der oberen Fläche von Ring
60 aufliegt und im wesentlichen den Ringraum abschließt, wenn keine axiale Zusammenpressung
erfolgt. Oberhalb des Dichtungsringes ist ein Druckring 66 angeordnet, der eine
innere untere Ausnehmung 67 und eine äußere untere Ausnehmung 68 hat und der eine
obere außenliegende Schrägfläche 70 aufweist, an der mehrere Sperrschrauben 71 anliegen,
die den Flansch 28 des Rohrkopfes radial durchsetzen.
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Der Tragring 60, die Dichtungsringe 64 und der Druckring 66 werden
von lotrecht verlaufenden, auf Abstand stehenden, fluchtenden Bohrungen durchsetzt,
in denen sich mehrere Schrauben 73 befinden. Die Schraubenköpfe passen in Ausbohrungen
74 der Druckringbohrungen, die die Schrauben gegen Abwärtsbewegung halten. Der Flansch
48 hat mehrere Gewindebohrungen 75, die sich in Axialausrichtung unterhalb einer
Gruppe Bohrungen befinden. Die Schrauben 73 werden in diese Gewindebohrungen 75
eingeschraubt. Die Schrauben 73 sind in -den Bohrungen der Dichtungsringe frei beweglich,
so daß der Flansch 48 und,der Druckring 66 in einem vorbestimmten Axialabstand gehalten
werden.
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Wenn keine Rohrlast auf den Abfangkeilen des Rohrträgers liegt, wird
die Kegelfläche 41 der Abfangkeilhülse 40 in einem Abstand oberhalb des unteren
Teiles von Auflager 22 von den Schrauben 73 gehalten. Der Tragring 60! Hegt auf
dem oberen Teil des Auflagers 22 auf. Dieser unbelastete Zustand des Rohrträgers
ist in Fig. 1 dargestellt. Bei Belastung des Rohrträgers wird die Abfangkeilhülse
40 von der Last nach unten gezogen, wobei der Druckring 66 ebenfalls nach unten
gezogen wird, um den Dichtungsring 64 zwischen dem Tragring 60 und dem Druckring
66 zusammenzupressen. Wenn die Last groß genug ist, wird die Fläche 41 auf den unteren
Teildes Auflagers
22 aufgesetzt. Durch das axiale Zusammendrücken
des Dichtungsringes 64 wird eine sickerfeste Abdichtung in dem Ringraum zwischen
dem Rohr 18 und den Seiten der Bohrung erzielt. Die Größe des axialen Zusammendrückens
des Dichtungsringes kann vor oder nachdem Herstellen -der Dichtung eingestellt werden,
indem die Schrauben 73 verschieden tief in den Flansch 48 eingeschraubt werden.
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Wird lein Rohrträger, der zum Übertragen des Rohrgewichtes auf die
Abfangkeilhülse eine mit Abfangkeilen versehene Übertragungsvorrichtung hat, deren
Abfangkeilkegel und Hülsenkegel gleich sind, belastet, dann »schwingen« dieAbfangkeilsegmente.
Infolge des in Abwärtsrichtun!g an den Innenflächen,der Abfangkeilsegmente zur Einwirkung
kommenden Rohrgewichtes und infolge des an .den Außenflächen der Abfangkeilsegmente
vorhandenen Auflagers mit dem Rohrträgerauflager werden die A'bfangkeilsegmente
einer Verdrehungsbeanspruchung unterworfen, durch die die oberen Enden, der Abfangkeile
relativ zu,den unteren Enden der Abfangkeile radial nach innen bewegt werden. Die
Wand der Rohrträgerhülse hat an ihren an,den Abfangkeilen anliegenden unteren Teilen
für gewöhnlich eine geringere Radialdicke als an ihren an den Abfangkeilen anl.iegenlden
oberen Teilen, weil nach unten konvergierende Kegelflächen vorhanden sein müssen,
-die das Einführen und Absenken der Abfangkeilhülse durch die Ausbruchssicherungen
und andere Ausrüstungen hindurch und in den Rohrkopf hinein erleichtern, und weil
:in einigen Rohrträgern ein Raum zum Durchströmen von Flüssigkeit zwischen dem Rohrkopf
und den Seitenauslässen des Rohrkopfes vorhanden sein muß. Der Raum besteht aus
den Ausnehmungen 43. der Abfrangkeilhülse 40, die ein Verschließen -der Auslässe
35, 36 durch die Abfangkeilhülse verhindern. Die Ausnehmungen müssen auf dem gesamten
Außenumfang der Abfangkeilhülse 40 vorhanden sein, so daß der notwendige Zwischenraum
vorhanden ist, ohne Rücksicht auf die endgültige senkrechte Stellung der Abfangkeilhülse
im Rohrkopf. Die Abfiangkeilhülse muß ringsum stets einen kleinen. Abstand im Rohrkopf
haben, so daß die Hülse leicht in den Rohrkopf eingeschoben werden kann. Die in
den Rohrkopf eingesetzte Abfangkeilhülse wird daher in Radialrichtung von dem Rohrkopf
nicht gehalten. Die dünneren Wandabschnritte der Abfangkeilhüls-e haben die geringste
Festigkeit, um idie radial nach außen gerichtete Druckkomponente der an dem Rohrträger
hängenden Last aufzunehmen, so daß daher die durch -diese nach außen gerichtete
Druckkomponente hervorgerufene, nach außen erfolgende Verformung der Abfangkeilhülse
am größten an @d'en dünnsten Wandabschnitten ist und mit der Dickenzunahme der Wand
abnimmt.
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Fig. 1 zeigt einen Rohrträger im ungespannten Zustand ohne Belastung.
Der Dichtungring ist nicht zusammengepreßt, und das Gewicht des Rohrträgers und
der Dichtung wird von dem auf dem oberen Teil des Auflagers 22 aufliegenden Tragring
60 getragen. Die Fläche 41, des Abfangkeilhülse 40 hat einen Abstand nach oben vom
unteren Teil des Auflagers 22 und wird in dieser Stellung von !den Schrauben 73
gehalten. Nur die untersten Zähne 54 liegen an der Fläche 50 an.
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In Fig. 2 ist ein Teil des, Gewichtes von Rohr 18 auf die Abfangkeile
zur Einwirkung gebracht, so @daß eine größere Reihenzahl der Zähne 54 jetzt an der
Fläche 50 anliegt, um das Rohrgewicht zu tragen. Der untere Teil der Abfangkeilhülse
ist durch tdie waagerechte Druckkomponente des Rohrgewichtes nach außen verformt
worden, um die auf den Abfangkeilen höher gelegenen Zähne 54 an die Fläche 50 anzulegen.
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Wird die an den Abfangkeilen hängende Last groß genug, dann besteht
die in Fig. 3 dargestellte Betriebsbedingung. Alle Abfangkeilzähne54 liegen jetzt
an der Fläche 50 an, und alle Abfangkeilzähne nehmen teil am Tragen der durch das
Gewicht des Rohres 18 dargestellten Last. Die unteren Abschnitte der Abfangkeilhülse
sind' nach außen bewegt worden, um den Spalt zwischen den oberen Abfangkeilflächen
und der Fläche 50 zu schließen.
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Das erforderliche Ausmaß der »Kegelabweichung« zwischen den außenliegenden
Abfangkeilflächen 53 und der Abfangkeilfläche 50 hängt von der Konstruktion der
Vorrichtung und auch von anderen Faktoren ab, z. B. der nach unten gerichteten Verjüngung
der Abfangkeilhülse, der lotrechten Länge -der Abfangkeile, der Kegelneigung des
Auflagers 50 usw. Der Spaltwinkel erhöht sich, wenn die lasttragende Festigkeit
des unteren Teiles der Abfangkeilhülse abnimmt. Aber die Dickenverminderung der
unteren Teile der Abfangkeilhülse (Verjüngung der Traghülsenwan(d an ihren unteren
Teilen) kann nicht vermieden werden, und zwar wegen des Gesamtprofils der Abfangkeilhülse,
das einen Einzugskegel der Abfangkeilhülse schafft und ein Verschließen der seitlichen
Auslaßöffnungen des Rohrkopfes verhütet. Eine, »Kegelabweichung« mußdaher bei Rohrträgern
mit Abfangkeilen, die lange Rohrstränge in einem Bohrloch tragen, stets vorhanden
sein. Der anfängliche Winkelspalt zwischen den Flächen 50 und 53 beträgt wenige
Winkelgrade, üblicherweise etwa einen Winkelgrad.
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Die belasteten Abfangkeile liegen mit ihrer gesamten Fläche auf dem
Rohrträger auf, und zwar wegen der nach oben fortschreitenden Anlage der Abfangkeile
an dem Rohrträger bei der Einwirkung der Belastung auf den Rohrträger.
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Es -ist bereits erwähnt worden, daß für eine »Kegela'b.weichung«,
-d!. h. für einen Unterschied in der Kegelneigung zwischen den außenliegenden Abfangkeilflächen
und der Oberfläche, auf der die Abfangkeile aufliegen, etwa ein Winkelgrad genügt
und' eine Zunahme in der Lasttragkapazität des Rohrträgers von etwa 30 0/0 oder
mehr zur Folge hat. Mit anderen Worten: Ein Rohrträger, der im unbelasteten Zustand
einen nicht zu'sammenpassend'en Eingriff oder einen »Kegelabweichungseingriff« zwischen
den Abfangkeilen und dem Auflager hat, weist eine Lastaufnahmelicapazität auf, die
um 30 % oder mehr erhöht ist, wenn der Abfangkeilkegel und der Auflagerkegel absichtlich
um einen einzigen Winkelgrad verschieden ausgeführt sind. Der von der Lotrechten
abweichende Abfangkeilwinkel ist um dieses Winkelausmaß kleiner als der Winkel des
die Abfangkeile tragenden Auflagers.
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Ein weiterer Vorteil der hier beschriebenen »Kegelabweichung« ist
-die »Linienberührung« der Abfangkeile mit dem, Rohr, wenn die Abfangkeile mit dem
Tragen tdes@, Rohres beginnen. Bei Nichtbelastung (Fig. 1) stehen die Abfangkeile
nur an ihren unteren Enden mit dem Rohr 18 und,der Fläche 50 in Berührung. Nur die
untersten Zähne 52 drücken sich in das Rohr 18 ein, und nur die untersten Zähne
54 drücken sich in die Fläche 50 ein. Würden alle Zähne 52 oder 54 so angeordnet
sein, daß sie sich von Anfang an in die zugehörende Fläche eindrücken, dann würde
sich der Druck über große Flächen, d. h. die gesamte Abfangkeilfläche, verteilen,
und es würde wahrscheinlich oder auch sicher ein Schlupf auftreten. Wenn jedoch
nur eine kleine lotrechte Zahnlänge beim anfänglichen
Festziehen
der Abfangkeile wirksam wird, dann wird eine kräftige Greifwirkung an kleinen Flächen
erhalten, so daß jeder Anfangsschlupf im wesentlichen vermieden wird. Sobald die
anfängliche Greifberührung der Abfangkeile nach innen und außen stattgefunden hat,
werden die an den oberen Abfangkeilenden gelegenen Zähne entsprechend der Zunahme
der Belastung des Rohrträgers nach und mach eingeschaltet.
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Die gerichteten Sägezahnformen der Zähne, von denen die Spitzen -der
Zähne 52 nach oben und 'die Spitzen der Zähne 54 nach unten weisen, sorgen dafür,
daß jeder Zahn in Richtung der einwirkenden Belastung ans; widerstandsfähigsten
ist. Die Zähne 52 widersetzen sich in der Hauptsache der Abwärtsbewegung des Rohres,
während sich die Zähne 54 in der Hauptsache der Abwärtsbewegung der Abfangkeile
auf der Fläche 50 widersetzen. Jeder Zahn ist also so zugespitzt, daß er dem Gleiten
der zu tragenden Fläche entgegenwirkt.