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Kraftzange zum Zusammenschrauben und Auseinanderschrauben von Bohrgestängen
oder Futterrohren Die Erfindung betrifft eine Kraftzange zum Zusammenschrauben und
Auseinanderschrauben von Bohrgestängen oder Futterrohren, bestehend im wesentlichen
aus zwei in einem Block angeordneten Festklemmvorrichtungen, einem Getriebe, einem
Motor und einer Vorrichtung zum Heranführen bzw. Wegführen der Zange an die bzw.
von den Rohren.
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Es sind bereits Bohrzangen bekannt, bei denen die übertragung des
Drehmoments vom Motor auf das Rohr mit Hilfe eines den Rohrverbinder umfassenden
elastischen Gliedes erfolgt. Das Lösen und Festmachen erfolgt auf Grund der Drehung
der oberen Klemme gegenüber der unteren mit Hilfe eines Zylinders. Das Festklemmen
des Verbinders durch eingekerbte Backen der oberen und unteren Klemme erfolgt durch
hydraulische Zylinder.
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Die bekannten Bohrzangen können nur verwendet werden, wenn zu ihrem
Antrieb als Betriebsmittel eine Flüssigkeit vorhanden ist.
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Es gibt auch Bohrzangen, die nur den Oberteil des Gestängeverbinders
greifen, so daß zum Festhalten des Unterteils der Bohrgestänge zusätzliche Mittel
erforderlich sind, z. B. Kettenzangen oder Abfangkeile.
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Erfindungsgemäß werden diese Nachteile behoben und weitere Verbesserungen
dadurch erzielt, daß ein Gehäuse zunächst ohne die Backenhalter und die Backen um
das jeweilige obere Rohr frei drehbar ist, während die unteren Backen in den Backenhalter
das untere Rohr einklemmen, und daß nach Eingreifen der Backen das Gehäuse mit dem
oberen Rohr als Ganzes durch den Motor drehbar ist.
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Die erfindungsgemäße Kraftzange hat den Vorteil, daß der gesamte Arbeitsprozeß
des Zusammen- und Auseinanderschraubens des Gestänges automatisiert und ferngesteuert
werden kann, wobei die Baugröße und das Gewicht der Zange bei Erhöhung der Betriebssicherheit
wesentlich herabgesetzt wird. Außerdem ist. es möglich, die erfindungsgemäße Zange
bei Zweilochbohrungen anzuwenden. Als Antrieb kann ein beliebiger Motor unabhängig
von der Antriebsart (Elektromotor, Druckluftmotor, Wasserkraftmaschine) verwendet
werden.
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Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen näher erläutert.
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F i g. 1 zeigt die Seitenansicht der Zange; F i g. 2 zeigt einen Schnitt
durch das obere Gehäuse und die Zwischenausgleichsscheibe der Rohrfestklemmvorrichtung;
F i g. 3 zeigt den Längsschnitt der Zange; F ig. 4 zeigt den Seitenschnitt durch
das Schwungrad; F i g. 5 zeigt einen Langschnitt der Zangendrehvorrichtung; F i
g. 6 zeigt einen Schnitt VI-VI nach F i g. 5.
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Die stationäre automatische Kraftzange wird in der Bohranlage neben
dem Drehtisch aufgestellt. Sie setzt sich aus der unbeweglichen Säule 1, dem Schlitten
2 und dem Zangenblock 3 zusammen. Die Säule 1 wird am Bohrturmunterbau oder am Drehtisch
befestigt.
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Der Zangenblock 3 stellt einen Mechanismus dar, mit dessen Hilfe Bohrgestänge
und Futterrohre zusammengeschraubt und auseinandergeschraubt werden. Mittels der
doppeltwirkenden Kraftzylinder 4, die am Schlitten befestigt sind, wird der Zangenblock
3 auf den Führungen 5 längs des Schlittens zum Mittelpunkt des Bohrlochs und zurück
bewegt.
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Der Zangenblock 3 setzt sich aus folgenden Teilen zusammen: dem unteren
Gehäuse 6, auf dem die Rohrfestklemmvorrichtung montiert ist; den zwei federbelasteten
Hohlstiften 8 mit den eingebauten Federn 7, zwei Paar Einsätzen 9, den Rollen
10; den zwei Hohlstiften 11 mit den Federn 12; den Vierkanthülsen 13; den
Fixierstiften 14; dem Mitnehmer 15; der Kolbenstange 16; der beweglichen Stange
17; einem Paar Stahlrollen, der unteren, 18, und der oberen Stahlrolle 19; dem unteren
Anschlag 20; dem unteren Backenhalter 21; einem Paar unterer Backen 22; der Hülse
23; dem Hauptzahnrad 24; der Zwischenausgleichsscheibe 25; vier Hülsen 26; dem oberen
Gehäuse 27; dem Schaft 28 des oberen Backenhalters; dem oberen Backenhalter 29;
einem Paar oberer Backen 30; der bogenförmigen Feder 31; dem oberen Anschlag 32;
der Stahlkugel 33 mit Feder 34; den Führungsstiften 35; dem Traglager 36;
der
Sperrklinke 37; den Kraftzylindern 38; dem Kraftzylinder 39 für die Sperrklinke
37; dem Motor 40; dem Schwungrad 47; dem Zahnraduntersetzungsgetriebe, bestehend
aus einem Paar Zahnräder mit Innenverzahnung 42; dem Zentralzahnrad 43 und zwei
Zwischenzahnrädern 44.
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Sowohl die obere als auch die untere Festklemmvorrichtung setzt sich
im wesentlichen aus einem Paar Backen mit Rollen zusammen, die frei in die Backenhalter
29 und 21 eingesetzt und vor dem Herausfallen durch die bogenförmige Feder 31 geschützt
sind, sowie aus zwei Paar Einsätzen 9, deren Innenlauffläche zur Führung in Rollen
spiralförmig mit konstanter- Steigung verläuft. Der untere Backenhalter 21 wird
mittels des doppeltwirkenden Hilfskraftzylinders 45 durch den starr mit dem Backenhalter
21 verbundenen Mitnehmer 15 gedreht. Das Drehen des oberen Backenhalters 29 relativ
zum oberen Gehäuse 27 erfolgt durch kurzzeitiges Abbremsen der Hülse 23 und damit
auch des mit dem Hauptzahnrad 24 verbundenen Backenhalters 29, während das obere
Gehäuse 27 infolge seines Trägheitsmomentes die Drehung weiterausführt.
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Die Abbremsung geschieht mittels einer Kugelbremse (Schnitt I-1).
Diese besteht aus einem Paar Stahlkugeln 18 und 19, von denen die obere Stahlkugel
19 starr in der Büchse 23 und die untere in der beweglichen, in den unteren Backenhalter
21 eingesetzten Stange 17 befestigt ist. Die bewegliche Stange 17 wird aufwärts
durch die Kolbenstange 16 des Kraftzylinders 38 bewegt. Das Andrücken kann mit Hilfe
einer Feder oder durch Druck des Kolbens vom Kraftzylinder 38 bewirkt werden.
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Um den oberen Backenhalter 29 in der mittleren (neutralen) Stellung
zu halten und zu fixieren, wird der Backenhalter 29 durch zwei Hohlstifte 8 mit
den in ihnen einmontierten Federn 7 nachgedrückt und zusätzlich durch eine Fixierungsvorrichtung
in Form einer Stahlkugel 33 mit Feder 34 in der neutralen Stellung gestoppt. Das
Drehen der Backenhalter nach einer der Seiten kann zusätzlich durch Einschalten
von Fixierungsstiften eingeschränkt werden, die die Verschiebung eines der Hohlstifte
8 am oberen Gehäuse begrenzen, sowie der Fixierungsstifte 14 am unteren Gehäuse,
die eine weitere Bewegung des Mitnehmers 15 behindern.
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Das obere Gehäuse 27 steht auf vier federbelasteten Hülsen 26, mit
denen es sich gegen die auf dem Hauptzahnrad 24 liegende Zwischenausgleichsscheibe
25 stützt. Das obere Gehäuse 27 kann sich in der waagerechten Ebene in zwei zueinander
winkelrechten Richtungen relativ zum Hauptzahnrad 24 bewegen. Die eine Bewegung
erfolgt dank der Spielräume, zwischen den Führungsstiften 35 und den länglichen
Öffnungen im Gehäuse 27 selbst und die zweite dank der Spielräume zwischen der Vierkanthülse
13 des Hauptzahniades 24 und den länglichen Öffnungen der Zwischenscheibe 25. Dank
dieser Konstruktion stellt sich das obere Gehäuse 27 in bezug auf das Rohr von selbst
ein, gleichzeitig damit wird das Drehmoment auf das obere Gehäuse und das Rohr durch
ein Kräftepaar übertragen.
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Das obere Gehäuse 27 ist stets bestrebt, unter der Einwirkung der
Feder 12 und der Hohlstifte 11 sich relativ zur Zwischenausgleichsscheibe
25 nach der Seite des Ausschnitts zu verschieben.
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Im oberen und unteren Gehäuse der Rohrfestklemmvorrichtung sind Anschläge
20 und 32 vorgesehen, durch die die Bewegung der Gehäuse relativ zum Rohr begrenzt
wird. Das obere Gehäuse wird mittels des Hauptzahnrads 24 über die Zwischenausgleichsscheibe
25 gedreht, die ihrerseits durch die Stifte 13 mit dem Hauptzahnrad verbunden ist.
Das Hauptzahnrad wird durch ein Rollenlager 36 getragen, das im Gehäuse 6 des Zangenblocks
untergebracht ist.
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Zum automatischen Stoppen und Fixieren des Hauptzahnrads 24 in der
mittleren (neutralen) Stellung (Anfangsstellung), nach Beendigung des Fest schraubens
oder des Auseinanderschraubens der Rohre, ist die Rohrfestklemmvorrichtung mit einer
Sperrklinke 37 versehen. Diese -wird durch die Kolbenstange des Kraftzylinders 39
bei dessen Einschalten nach oben gedrückt. Unter der Wirkung des Kraftzylinders
rastet die Sperrklinke während des Zurückdrehens des Hauptzahnrades nur in dem am
Zahnrad 24 vorgesehenen Zentralausschnitt ein.
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Das Hauptzahnrad 24 wird vom Motor 40 über die Hohlwelle 46 des Schwungrades
47; das Zahnradpaar mit Innenverzahnung 42 des Untersetzungsgetriebes, das Zentralzahnrad
43 und zwei Zwischenzahnräder 44 in Drehbewegung versdtzt.
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Das Schwungrad setzt sich im wesentlichen aus zwei Teilen, und zwar
aus der' Hohlwelle 46, die die Welle des Motors mit der Welle des Zahnrades 42 des
Zangenblocks verbindet, und dem Schwungradgehäuse 47 zusammen. Das Schwungradgehäuse
kann sich relativ zur Welle auf zwei Druckkugellagern 48 drehen.
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Das Schwungradgehäuse 47 und die Hohlwelle 46 sind miteinander durch
Stahlkugeln (Kugellager) 49 und 50 gekoppelt. Die Kugeln 49 sind am Umkreis in der
Scheibe der Hohlwelle 46 unbeweglich und gleichmäßig angeordnet. Die gleiche Anzahl
von Kugeln 50; ebenfalls am Umkreis angeordnet, ist in den senkrechten Kanälen des
Schwungradgehäuses 47 untergebracht. Auf die oberen Kugeln 50 wirkt die Federkraft
über die Stößel 51. Sämtliche Federn sind mit einer bestimmten Kraft durch die Mutter
52 nachgespannt. Diese Kraft läßt sich beliebig verändern.
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Im eingeschalteten Zustand befinden sich die Kugeln 50 zwischen den
Kugeln 49. Bei Drehmomenten, die eine bestimmte. Größe, die durch 52 reguliert werden
kann, überschreiten, werden die Kugeln 50 in die Kanäle hineingedrückt, indem sie
die Federn zusammendrücken, dabei dreht sich das Schwungradgehäuse 47 relativ zur
Hohlwelle 46.
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Zwecks Übertragung von der Größe nach unterschiedlichen Höchstdrehmomenten
in Abhängigkeit von der Drehrichtung sind die Kanäle im Schwungradgehäuse unter
einem bestimmten Winkel gebohrt; dank diesem Umstand kann nach der einen Seite (beim
Auseinanderschrauben) ein größeres Moment, nach der anderen Seite (beim Zusammenschrauben)
ein kleineres Moment übertragen werden.
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Um die Zange auch bei Zweilochbohrungen verwenden zu können, besteht
die Möglichkeit, die Zange zusammen mit dem Schlitten 2 um die feststehende Säule
1 zwangläufig von einer Bohrung zur anderen zu drehen. _ Die Drehung der Zange erfolgt
mittels einer aus F i g. 5 ersichtlichen Vorrichtung, die aus zwei am Schlitten
2 befestigten Kraftzylindern 53 besteht, die miteinander durch eine Kette 54 verbunden
sind, die ein unbewegliches, auf der feststehenden Säule 1 starr befestigtes Kettenritzel
55 umläuft.
Durch Einschalten der Kraftzylinder 4 wird die Zange
bis zu den Anschlägen 32 und 20 an das Rohr herangebracht, dabei öffnen sich die
oberen und die unteren Backen und umfassen das freie Rohr. Durch Einschalten des
zusätzlichen Kraftzylinders 45 wird der untere Backenhalter 21 gedreht und die untere
Hälfte des Rohres durch die Backen 22 festgeklemmt. Danach wird der Motor 40 der
Zange eingeschaltet. Beim Einschalten des Motors 40 findet zuerst das Anlaufen sämtlicher
Schwungmassen der Zange statt (Schwungrad 47, Zahnräder, Wellen, Hauptzahnrad mit
Zwischenausgleichsscheibe und das obere Gehäuse), dabei gleiten die oberen Backen
frei um die Oberfläche des Rohres.
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Die Hülse 23 wird zusammen mit dem Hauptzahnrad so lange gedreht,
bis die Kugeln 18 und 19 der Bremsvorrichtung, bestehend aus den Teilen
16, 17,
18 und 19, einander berühren. Von diesem Moment an findet ein kurzzeitiges
Anhalten der Hülse 23 und des mit ihr durch 28 verbundenen oberen Backenhalters
29 statt. Die Drehung des oberen Gehäuses 27 relativ zum unbeweglichen Backenhalter
führt zum Festklemmen des Rohres durch die Backen 30, die, indem sie mit den Rollen
10 über die Oberfläche der Einsätze 9 gleiten, sich zum Mittelpunkt bewegen und
das Rohr festklemmen. Mit der Vergrößerung des Drehmoments, das auf das obere Gehäuse
27 übertragen wird, werden beide Hälften des Bohrgestänges durch beide Backenpaare
30 und 22 infolge der weiteren Verschiebung der Backen über die Einsätze 9 automatisch
immer kräftiger festgeklemmt.
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Die Bremsvorrichtung (Schnitt 1-I) kann sowohl dauernd eingeschaltet
sein als auch vom Steuerpult aus nur in dem Moment eingeschaltet werden, wenn es
zum Festklemmen des Rohres nach dem Anlaufen der Schwungmassen erforderlich ist.
Nachdem die obere Hälfte des Rohres durch die Sektoren festgeklemmt ist, dreht sich
der obere Backenhalter 29 zusammen mit dem oberen Gehäuse 27 als ein Ganzes.
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Durch das Drehen.des oberen Gehäuses 27 relativ zum Backenhalter 29
drückt einer der Hohlstifte 8 auf die Feder 7, während der andere an seiner Stelle
bleibt.
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Beim Zusammenschrauben senkt sich das obere Gehäuse 27 nach unten,
indem es die Federn der Hülsen 26 zusammendrückt. Beim Auseinanderschrauben wird
das obere Gehäuse 27 am Rohr durch die Festklemmkraft der Backen gehalten und bewegt
sich aufwärts zusammen mit dem Rohr, das auseinandergeschraubt wird.
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Falls beim Zusammenschrauben, im Zeitpunkt des Festschraubens des
Gewindes, sowie beim Auseinanderschrauben, im Zeitpunkt des Losschraubens des Gewindes,
das Drehmoment zunimmt und die Höhe der Regulierung am Schwungrad 47 übersteigt,
springt diese sofort an, und das Schwungrad dreht sich allein durch, wodurch das
Gewinde der Rohre von übermäßigem Festschrauben beim Zusammenschrauben bewahrt wird
und die Teile der Zange gegen Brüche infolge möglicher überbelastungen beim Auseinanderschrauben
geschützt werden.
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Nachdem das Zusammenschrauben oder Auseinanderschrauben beendet ist,
wird vom Steuerpult aus der Zangenmotor 40 bei kleinerer Drehzahl eingeschaltet,
wobei die Drehrichtung entgegengesetzt der Drehrichtung im vorhergehenden Arbeitsspiel
sein soll, und gleichzeitig erfolgt die Einschaltung des Kraftzylinders 39, wodurch
das Zusammenbringen der Drehteile in die fixierte Ruhestellung gewährleistet wird.
Beim Einrasten wird der Motor abgeschaltet.
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Gleichzeitig mit diesen Arbeitsgängen wird durch Einschalten des Hilfszylinders
45 in entgegengesetzter Richtung das Öffnen des unteren Backenhalters gewährleistet.
Nach diesen Arbeitsgängen wird die Zange durch Einschalten der Kraftzylinder für
die Bewegung der Zange vom Bohrgestänge (Mittelpunkt des Bohrlochs) zurückgezogen.
Sämtliche Operationen beim Arbeiten der Zange werden mit Hilfe.von zwei am Steuerpult
angeordneten Hebeln ferngesteuert, wobei mittels eines der Hebel gleichzeitiges
Einschalten des Motors, des Kraftzylinders 39 zwecks Erreichung der Ruhestellung
und des Kraftzylinders 38 der Bremsvorrichtung gewährleistet wird, während die Kraftzylinder
für die Bewegung der Zange und für das Festklemmen der unteren Backen durch den
zweiten Hebel eingeschaltet werden.
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Das Drehen der Zange zwecks Anwendung bei Zweilochbohrungen wird ebenfalls
vom Steuerpult aus ferngesteuert.
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Das Umbauen der Zange von einer Rohrgröße auf eine andere erfolgt
durch einfaches Auswechseln der Backen 22 und 30 und der Anschläge 20 und 32 gegen
entsprechende Größen.