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Rotary-Bohrgestängeverbindung mit elastischem Zwischenglied Die Erfindung
betrifft eine Rotary-Bohrgestängeverbindung, bei der .die Belastung des Bohrwerkzeuges
über ein elastisches, zwischen zwei rohrförmigen Körpern angeordnetes Zwischenglied
erfolgt.
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Bei einer bekannten stoßdämpfenden Bohrgestängeanordnung mit einem
elastischen Zwischenglied besteht das Glied aus einem zylindrischen Gummipuffer,
.der lose zwischen einer äußeren und einer inneren zylindrischen Wandung von zwei
Bohrgestängeteilen eingesetzt ist, die gegen relative Drehung gesichert sind, sich
aber axial zueinander bewegen können.
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Bei einer weiteren, ebenfalls nur eine axiale Relativbewegung von
zwei konzentrisch angeordneten Bohrgestängeteilen zulassenden Anordnung kann sich
ein oberer Ansatz des unteren Gestängeteiles in einer zylindrischen Bohrung des
oberen Gestängeteiles entgegen dem Druck einer Feder bewegen.
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Durch die Erfindung soll eine Bohrgestängeanordnung der eingangs erwähnten
Art geschaffen werden, bei der das elastische Glied auch Torsionsbeanspruchungen
aufnehmen kann und bei der ferner ein Weiterarbeiten des Bohrgestänges auch bei
einem Versagen oder bei Zerstörung des elastischen Gliedes möglich ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das elastische
Zwischenglied eine Kautschukhülse ist, welche ein Innenrohr auf seiner ganzen oder
einem wesentlichen Teil seiner Länge umgibt und ihrerseits von einem Außenrohr umgeben
ist und die mit diesen Rohren haftend verbunden ist; und daß ferner eine Kupplung
vorgesehen ist, die aus ringförmig am Innenrohr angeordneten Zähnen und aus ringförmig
am Außenrohr angeordneten Zähnen besteht, die für gewöhnlich einen Axialabstand
voneinander haben, aber beim Versagen der Kautschukhülse durch axiale Relativbewegung
der Innen- und Außenrohre in Eingriff gebracht werden, um Drehkräfte zwischen diesen
Rohren zu übertragen.
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Bevorzugte Ausführungen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt.
In den Zeichnungen ist bzw. sind F i g. 1 eine Ansicht einer elastischen Verbindung
zwischen einem Bohrmeißel und einem Bohrgestänge am unteren Ende des Gestänges und
F i g. 2 ein Schnitt nach Linie 2-2 der F i g. 1, F i g. 3 A und 3 B teilweise im
Schnitt und teilweise in Ansicht gezeigte Teilansichten, die zusammen eine weitere
Ausführungsform der Erfindung darstellen, F i g. 4 ein Schnitt nach Linie 4-4 der
F i g. 3 A und F i g. 5 ein Schnitt nach Linie 5-5 der F i g. 3 B. Der Bohrgestängeteil
10 der F i g. 1 ist zwischen einem Bohrmeißel 11 und einem darüberliegenden
Bohrgestängerohr oder einer Schwerstange 12 angeordnet. Die Teile sind in Arbeitsstellung
am Boden des Bohrloches 13 gezeigt.
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Die elastische Verbindung weist ein Innenrohr 14,
ein dieses
umgebendes Außenrohr 15 und eine dazwischenliegende Kautschukhülse 16 auf. Die Kautschukhülse
ist an Ort und Stelle angeformt und durch Vulkanisieren mit dem Innenrohr 14 und
dem Außenrohr 15 verbunden. Die Hülse 16 (F i g. 2) ist in Umfangsrichtung in mehrere
bogenförmige Segmente 16 a bis 16 h mit dazwischenliegenden CSffnungen
16 i
bis 16 o geteilt. Jedes Segment erstreckt sich ohne Unterbrechung in
Axialrichtung der Hülse von .dem einen Ende bis nahe zum anderen Ende. Der unger
lochte Endabschnitt der Hülse dichtet die die Hülse durchsetzenden Zwischenräume
gegen axiales Durchströmen der Flüssigkeit ab.
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In die Innenseite des unteren Teiles von Außenrohr 15 ist ein kurzer
Nippel 17 a eingeschraubt, der über dem verbreiterten unteren Ende 17 b von Innenrohr
14 liegt. Diese Teile bilden eine Führung. Eine ähnliche Führung (nicht dargestellt)
ist am oberen Ende der Rohrverbindung vorhanden.
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Unterhalb des verbreiterten Abschnittes 17 b ist das Innenrohr
14 mit einem zusätzlichen verbreiterten
Abschnitt 18 versehen, der
eine nach oben weisende Ringschulter bildet, in die Schlitze eingefräst sind, zwischen
denen sich Zähne 19 a befinden. Ähnliche Schlitze, die in das untere Ende von Nippel
17a eingefräst sind, bilden Zähne 19 b. Die Zähne 19 a und
19 b bilden eine Kupplung, über die das Innenrohr 14
mit dem Außenrohr
15 in Eingriff gebracht werden kann, um beim Versagen der Kautschukhülse 16 zwischen
diesen beiden Rohren Drehkräfte zu übertragen.
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Das Außenrohr 15 wird in bezug auf das Innenrohr 14 gesenkt, um die
Kupplung einzukuppeln. Dann wird weitergebohrt. Der Eingriff der Zähne in die zwischen
den Zähnen vorhandenen Lücken begrenzt auch die axiale Verschiebung des Innenrohres
und des Außenrohres in der einen Richtung. Flache Anschlagschultern (nicht dargestellt)
nahe der seitlichen Führung am oberen Ende der Rohrverbindung begrenzen die axiale
Relativbewegung des Innenrohres und des Außenrohres in der entgegengesetzten Richtung.
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Beim Reißen der Kautschukhülse 16 zerreißt bei der beschriebenen Ausführung
auch die Flüssigkeitsdichtung, die von dem ungelochten Ende der Kautschukhülse
16 gebildet wird, so daß ein Teil der Bohrflüssigkeit nicht zum Meißel gelangt.
Bei Verwendung von Flüssigkeit mit geringem Druck und bei Meißeln, die nicht mit
Strahlwirkung arbeiten, genügt diese Anordnung. Bei mit hohen Flüssigkeitsdrücken
und bei mit Strahlwirkung arbeitenden Meißeln wird die in den F i g. 3 A und 3 B
dargestellte Ausführung bevorzugt.
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Bei der in den F i g. 3 A und 3 B dargestellten Ausführung besteht
das Innenrohr aus einem oben und unten mit Innengewinde versehenen Rohr 21, in dessen
oberes Innengewinde ein Rohrnippel 20 eingeschraubt ist und dessen unteres Innengewinde
22 zur Befestigung des Bohrmeißels 11 (F i g. 1) dient. Am Außenumfang des schaftartigen,
oberen Teiles 23 des Rohres 21 ist eine Kautschukhülse 24 haftend
befestigt. Zwischen dem schaftartigen Teil 23 und dem Innengewinde 22 hat
das Rohr 21 eine Führung 25, deren Außenumfang 26 gewünschtenfalls mit einem verschleißfesten
Hartmetallband versehen ist.
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Der Nippel 20 hat eine Führung 29, die gewünschtenfalls
verschleißfeste Hartmetallbänder trägt. Der Nippel 20 hat ferner einen als Anschlag
dienenden Bund 31 mit einer nach unten weisenden Schulter 32. Ferner hat der Nippel
20 einen als Widerlager dienenden Ansatz 33 mit einer nach oben weisenden ; Schulter
34 und einer den Verschleiß anzeigenden Umfangsnut 35. Ein nach Art eines Spülpumpenkolbens
ausgeführter Dichtungsring 36 umgibt das obere Ende des Nippels 20 und liegt
an der Schulter 34
an. Eine Endscheibe 37 umgibt den Nippel
20 ober- ; halb des Dichtungsringes 36 und wird von einem elastischen Sprengring
gehalten, der in eine Nut 39
des Nippels 20 eingesetzt ist.
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Das Außenrohr der elastischen Verbindung besteht aus einem Rohrverbindungsstück
46, einem den treibenden Teil der Verbindung bildenden Rohr 45
und einer Kupplungsmuffe
52.
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Das Rohr 45 ist an seinem Innenumfang mit dem Außenumfang der Kautschukhülse
24 verbunden. Die Hülse 24 wird von mehreren Axialöffnungen 47 (F i g. 4) durchsetzt,
die symmetrisch um die Achse der Hülse 24 angeordnet sind und gleich weit voneinander
auf Abstand stehen. Diese Öffnungen 47
teilen die Hülse in mehrere bogenförmige
Segmente 48. Die Öffnungen 47 befinden sich näher zum Außenumfang als zum Innenumfang
der Hülse 24, so daß infolgedessen die Kautschukmenge in dem inneren Teil
und dem äußeren Teil der Hülse gleichmäßiger verteilt ist und eine gleichmäßigere
Verteilung der Spannungen bewirkt. Da die Öffnungen 47 einen Durchmesser haben,
der kleiner als die volle Wandstärke der Hülse 24 ist, bleiben zwischen den bogenförmigen
Segmenten 48 innere Stege 49 und äußere Stege 50 stehen, an denen die Hülse aus
einem einzigen Stück besteht. Würden die Öffnungen 47 so groß ausgeführt, daß die
Segmente vollständig voneinander getrennt wären, so würde eine Ausführung nach F
i g. 2 entstehen. Die Öffnungen 47 können rechteckig oder trapezförmig oder
von anderen Querschnitten sein, müssen also nicht rund sein. Die öffnungen werden
durch Verwendung von Kernen geformt, die in den Ringraum zwischen Rohrteil 23 und
treibendem Rohr 45 eingesetzt werden, während der Kautschuk zwischen diese
Teile eingebracht und dann vulkanisiert wird.
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Das untere Ende und das obere Ende der Kautschukhülse (F i g. 3 A
und 3B) weist Auskehlungen 51 bzw. 51' auf, die vor dem Vulkanisieren der Hülse
vorhanden sind und übermäßig große Schrumpfspannungen an den Enden der Hülse verhüten.
Diese Auskehlungen vertiefen sich beim Vulkanisieren der Hülse.
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Die Kautschukhülse soll wie Naturkautschuk eine möglichst hohe Elastizität
haben und soll ölfest wie Kunstkautschuk, z. B. Nitrilkautschuk, sein. Bevorzugt
wird die Verwendung von Neoprenkautschuk als Material für die Hülse 24.
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Infolge der Anordnung von Öffnungen und Auskehlungen zwecks Entlastung
der Schrumpfspannungen in der Kautschukhülse 24 kann der Hülse ein größeres
Verhältnis Länge zu Stärke gegeben werden, als dies bisher als möglich angesehen
wurde. Die längere Form der Hülse verringert die Spannungen je Flächeneinheit in
der Hülse für jedes gegebene Drehmoment oder für jede gegebene Axialbelastung, die
zwischen dem Innenrohr und dem Außenrohr über, tragen wird. Wie F i g. 1 zeigt,
hat die Hülse eine Länge, die größer ist als der Durchmesser der Hülse.
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Bei dieser verstärkten Ausführungsform sind die Beanspruchungen je
Flächeneinheit in der Kautschukhülse für alle gegebenen relativen Verdrehungen zwischen
Innenrohr und Außenrohr geringer. Der Außenumfang des Rohrteiles 23 und der Innenumfang
des treibenden Rohres 45 sind etwas kegelig ausgeführt und haben eine Kegelneigung
von etwa 5 mm auf 300 mm Länge. Die Kautschukhülse 24 hat vorzugsweise eine
gleichbleibende Wandstärke, wobei die Kegelneigung entsprechend ausgeführt ist.
Bei dieser Ausführung hat der Kautschuk eine Höchststärke, wobei gleichzeitig die
notwendige Wandstärke des Rohrteiles 23 und des treibenden Rohres
45 aufrechterhalten werden, so daß diese Teile eine genügend große Festigkeit
haben.
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Die in das untere Ende des treibenden Rohres 45 eingeschraubte Kupplungsmuffe
52 hat eine Führung 53 mit einer inneren Umfangsfläche 53', die einen Gleitsitz
auf der äußeren Umfangsfläche 26 von Führung 25 hat. Die Führung 53 ist in bezug
auf die Führung 25 axial frei beweglich. Sie ist um die gemeinsame Achse drehbar,
aber gegen seitliche Bewegung gesichert. Die Kupplungsmuffe 52 hat auch eine Entlastungsöffnung
55
zu dem Ringraum 56, der zwischen der Muffe 52 und dem Rohr 21 unterhalb der Hülse
24 und oberhalb der Führungen 25, 53 vorhanden ist.
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In das obere Ende des treibenden Rohres 45 ist ein Ring eingeschraubt,
dessen unterer Abschnitt eine Führung 58 und dessen oberer Abschnitt ein Anschlag
59 ist. In der Darstellung sind diese Teile zu einem einzigen Ring verbunden, doch
können Führung 58 und Anschlag 59 auch aus getrennten Ringen bestehen. Der Anschlag
59 hat auf seiner oberen inneren Umfangskante eine Abschrägung 60 und gegenüber
.der Schulter 32 von Bund 31 eine obere Fläche 61. Der Bund 31 und Anschlag 59 begrenzen
die axiale Relativbewegung des Innenrohres und des Außenrohres in der einen Richtung.
Sollte also die Kautschukhülse 24 oder sollten ihre Klebstellen mit dem Rohrteil
23 oder .dem treibenden Rohr 45 versagen, dann wird beim Anheben des Bohrgestänges
immer noch der Bohrmeißel festgehalten.
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Die Führung 58 hat eine innere Umfangsfläche 62, die einen Gleitsitz
mit der äußeren Umfangsfläche 30 von Führung 29 hat. Die Führung 58 kann sich axial
in bezug auf die Führung 29 bewegen und ist um die gemeinsame Achse drehbar. Sie
ist jedoch gegen seitliches Bewegen gesichert. Der zwischen dem oberen Ende des
treibenden Rohres 45 und dem Nippel 20 oberhalb der Kautschukhülse 24 vorhandene
Ringraum 63 wird über die in der Kautschukhülse 24 vorhandenen Öffnungen 47 entlüftet.
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Die oberhalb der Kautschukhülse 24 vorhandenen Führungen 29, 58 und
die unterhalb der Hülse 24 vorhandenen Führungen 25, 53 verhüten das Einwirken von
Biegekräften auf die Hülse.
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Der aus Führung 58 und Anschlag 59 bestehende Ring und die nachstehend
beschriebene Auskleidung 71 bilden zusätzliche Teile des aus dem treibenden Rohr
45, dem Rohrverbindungsstück 46 und der Kupplungsmuffe 52 bestehenden Außenrohres.
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Das Rohrverbindungsstück 46 hat an seinem oberen Ende einen Gewindezapfen
70 zum Einschrauben in ein am unteren Ende des Bohrgestänges befindliches Innengewinde.
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Die Auskleidung 71 wird in das Rohrverbindungsstück 46 flüssigkeitsdicht
eingepreßt oder eingeschrumpft. Das obere Ende der Auskleidung 71 liegt an einer
nach unten weisenden, auf dem Innenumfang des Rohrverbindungsstückes 46 geformten
Innenschulter 72 an. Der Innenumfang der Auskleidung 71 liegt dicht gleitend am
Dichtungsring 36 an. Die Auskleidung 71 und der Dichtungsring 36 sind auswechselbar.
Der Dichtungsring 36 besteht aus einer Kautschukverbindung, die in dem nahe dem
Widerlageransatz 33 befindlichen Abschnitt durch Gewebfäden verstärkt ist. Der nahe
der Endscheibe 37 vorhandene unverstärkte Abschnitt des Dichtungsringes 36 ist etwas
weniger vertieft als die. Endscheibe 37, so daß Platz für die bei Erwärmung oder
durch Flüssigkeitsaufnahme erfolgende Ausdehnung des auf seinem Außenumfang von
der Auskleidung 71 begrenzten Kautschuks bleibt. Da Platz für eine Ausdehnung vorhanden
ist, werden keine unzulässigen Spannungen auf den Dichtungsring 36 zur Einwirkung
gebracht, so daß sich dessen Lebensdauer erhöht. Die Ringlippe 73 des Dichtungsringes
bleibt frei und biegt sich nach außen gegen die Auskleidung 71 unter dem Druck der
innerhalb der elastischen Rohrverbindung vorhandenen Druckflüssigkeit, z. B. wenn
Bohrschlamm zum Bohrmeißel fließt. Die Dichtung verhütet den Verlust von Bohrschlamm
und Druckabfall über die in der Hülse 24 vorhandenen Öffnungen 47.
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An Stelle des beschriebenen auswechselbaren Dichtungsringes 36 kann
auch ein an Ort und Stelle geformter Dichtungsring dann verwendet werden, wenn die
Lebensdauer des Dichtungsringes etwa gleich der Lebensdauer der Hülse ist, so daß
beide Teile zu gleicher Zeit ausgewechselt werden können.
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Aus den F i g. 3 B und 5 ist zu ersehen, daß das untere Ende von Führung
53 Zähne 80 mit dazwischenliegenden Schlitzen 81 aufweist. Das Rohr 21 hat
eine ringförmige Verbreiterung 82, deren oberes Ende Zähne 83 und Schlitze 84 hat,
die den Zähnen 80 und Schlitzen 81 der Führung 53 entsprechen. Für gewöhnlich
werden die Führung 53 und der Ring 82 axial in einem Abstand voneinander gehalten.
Sollte jedoch die Kautschukhülse 24 versagen, dann können die Zähne und Schlitze
der Führung 53 und des Ringes 82 durch Senken des Außenrohres relativ zum Innenrohr
in Eingriff miteinander gebracht werden. Es ist auf diese Weise eine Kupplung geschaffen,
die durch die axiale Relativbewegung von Innenrohr und Außenrohr in und außer Eingriff
gebracht werden kann, so daß zwischen Innenrohr und Außenrohr Torsionskräfte übertragen
werden, wenn nach Versagen der Kautschukhülse die Kupplung eingekuppelt wird. Die
Kupplungsteile dienen auch zur Begrenzung der axialen Relativbewegung des Innenrohres
und des Außenrohres in der einen Richtung, genau wie dies der Bund 31 und der Anschlag
59 in der entgegengesetzten Richtung bewirken.
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In der beschriebenen Kupplung erstrecken sich die Kupplungszähne in
Radialrichtung über die gesamte Stärke des Ringes und der unteren Führung, so daß
auf diese Weise eine größte Kupplungsfläche für die übertragung des Drehmomentes
geschaffen ist. Bei der Ausführung nach den F i g. 3 A und 3 B ermöglicht die Gleitdichtung
ein Einkuppeln der Kupplung ohne Verschlechterung der Dichtung, da die Länge der
Auskleidung 71 so groß ist, daß eine Abdichtung mit dem Dichtring 36 selbst dann
vorhanden ist, wenn das Außenrohr in bezug auf das Innenrohr bis zum Einkuppeln
der Kupplung gesenkt wird. Das Bohren kann daher bei vollem Flüssigkeitsdruck auf
den Bohrmeißel weiter fortgesetzt werden.
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Die Länge der oberen Führung und der unteren Führung muß mindestens
so groß sein wie der Axialabstand, über den sich das Innenrohr und das Außenrohr
gegenseitig bewegen müssen, um die Kupplung einzukuppeln, so daß also die Stabilität
der Rohrverbindung auch dann vorhanden ist, wenn die Kautschukhülse versagt oder
zerstört ist.
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In der Darstellung befindet sich der obere Gewindeteil, nämlich der
Gewindezapfen 70, auf dem Außenrohr und der untere Gewindeteil, nämlich das Innengewinde
20, auf dem Innenrohr. Diese Stellung kann aber auch umgekehrt werden, wobei der
obere Gewindeteil auf dem Innenrohr und der untere Gewindeteil auf dem Außenrohr
angeordnet wird.
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Die Kupplung der zweitbeschriebenen Ausführung kann gewünschtenfalls
auch in der erstbeschriebenen Ausführung verwendet werden, und umgekehrt.
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Ein beiden Ausführungen gemeinsames Merkmal ist die axiale Beanspruchung
der Kautschukhülse durch den von dem auf der Innenseite des Bohrgestänges vorhandenen
Bohrschlamm ausgeübten
Druck, der auf die am oberen Ende der Hülse
vorhandene Dichtung wirkt und den Meißel nach unten drückt. Hebt sich der Bohrmeißel
infolge einer auf dem Boden des Bohrloches befindlichen harten Stelle, dann wird
der Stoß nicht auf das Bohrgestänge übertragen, sondern es entspannt sich lediglich
die Kautschukhülse.