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Stoßdämpfer zur Verringerung des Verschleißes von Rollenmeißeln beim
Tiefbohren mit Bohrturbinen Der hohe Meißelverschleiß beim Turbinenbohren schränkt
die Wirtschaftlichkeit dieses Bohrverfahrens ein. Er ist eine Begleiterscheinung
des Turbinenbohrens seit Einführung dieses Bohrverfahrens. An seiner Verringerung
wird seit Jahrzehnten gearbeitet, und wenn die erzielten Ergebnisse in dieser Richtung
noch unbefriedigend sind, so mag dies wohl daran liegen, daß man sich zu sehr von
den sichtbaren Ergebnissen leiten ließ und versäumt hatte, die verborgenen Kräfte
zu analysieren, die zum überhohen Meißelverschleiß führen.
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Auf der Suche nach diesen Kräften stößt man auf eine Eigenart der
Rollenmeißel: Die Rollen wälzen sich beim Bohren nicht auf glatten Mantelflächen
ab, sondern auf den Schneiden der Zähne. Jeder Übergang von einem auf den anderen
Zahn bewegt den Meißel auf und ab, besonders wenn das Gebirge hart ist.
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B i 1 d 1 zeigt einen Bohrmeißel und B i 1 d 2 den Schnitt
durch einen Zähnekranz; h bezeichnet.die Höhe des Auf- und Abstieges des Meißels.
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Die Aufundabbewegungen der Rollen heben und senken den Bohrmeißel
samt Turbine und Gestänge. Dabei entstehen Massenkräfte, die ungeachtet der geringen
Steig- und Fallhöhenh sehr groß werden können. Die dynamische Grundgleichung
(Kraft = Masse mal Beschleunigung) gibt die Formel zu ihrer Berechnung. In dieser
Gleichung ist keine Weglänge enthalten, ein Zeichen dafür, daß die Kraft von den
Steig- und Fallhöhen unabhängig ist. Nur das Gewicht der zu bewegenden MasseM und
die Stärke der Beschleunigung
ist für die Kraft K bestimmend.
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Da das Bohrgestänge mit der Turbine und dem Meißel eine feste Einheit
bildet, ist das hier in Betracht kommende Massengewicht M sehr groß, in der Regel
viel größer als die auf dem Drillometer angezeigte axiale Druckbelastung.
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Die Beschleunigung
resultiert aus dem Rollen der Zähne auf der Bohrlochsohle. Sie ist offensichtlich
drehzahlabhängig. Je höher die Drehzahl des Meißels, um so größer die Beschleunigung.
Sie muß daher beim hochtourigen Turbinenbohren größer sein als beim Rotarybohren,
das mit niedrigeren Drehzahlen arbeitet. So muß auch die Kraft K beim Turbinenbohren
größer sein. Da wegen der wesentlich höheren Drehzahlen beim Turbinenbohren die
Stöße von der Bohrlochsohle her viel stärker als beim Rotarybohren sind, genügen
weniger Stöße, um einen Ermüdungsbruch herbeizuführen, als beim Rotarybohren, so
daß der Meißel bei einer geringen Bohrtiefe gewechselt werden muß.
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Um zu einer größeren Bohrtiefe zu gelangen, müßten beim Turbinenbohren
die Reaktionsstöße von der Bohrlochsohle her gemildert werden. Dafür könnte man
dann die auf dem Drillometer sichtbare axiale Druckbelastung vergrößern. Diese wirkt
statisch, sie ist für die Brüche der Meißel weit weniger verantwortlich als die
dynamischen Reaktionsstöße von der Bohrlochsohle her, die das Material ermüden und
zu Ermüdungsbrüchen führen. In bezug auf Bohrfortschritt hat aber die statische
Axialbelastung dieselbe Wirkung wie die dynamischen Reaktionsstöße: Ihre Vergrößerung
erhöht erfahrungsgemäß den Bohrfortschritt. Stoßkräfte werden im allgemeinen durch
Federungen abgeschwächt.
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. Zu B i 1 d 3 und 4 ist eine Federung für Bohrmeißei
dargestellt. Sie wird in das Bohrgestänge eingefügt, vorzugsweise zwischen Meißel
und Bohrturbine oder zwischen Meißel und Schwerstangen. Ein ähnlich federndes Zwischenstück
wurde durch die deutsche Patentschrift 631398 schon im Jahre 1935
bekannt. Jedoch wurde diese Federung nicht erdacht, um den Meißelvenchleiß zu verringern,
sondern um die Ab-
weichung des Bohrloches aus der Vertikalen zu verkleinern.
Man bohrte zu jener Zeit noch vorwiegend mit Blattmeißeln und war davon ausgegangen,
daß die Stöße, welche beim Nachlassen des Bohrgestänges von Hand entstanden, das
Abweichen von der Vertikale verursachten. Mit der Einfügung eines federnden Elementes
zwischen dem Bohrmeißel und den Schwerstangen wollte man die Stöße des Nachlassens
der
Axiallast mildern, um somit ein lotrechteres Bohrloch zu erhalten.
Es liegt in der Natur der Sache, daß diese Federung nicht für Rollenmeißel, sondern
ausschließlich für Blattmeißel bestimmt war.
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Für eine Verwendung im Sinne der Verringerung des Verschleißes war
diese bekannte Federung auch nicht geeignet. Bei den Belastungsstößen der Rollenmeiße15
hervorgerufen durch die Reaktion der Bohrlochsohle, handelt es sich um viel kleinere
und heftigere Stoßbewegungen als beim Nachlassen der Axiallast und Bohren mit Blattmeißeln,
Dafür sind aber die Reaktionsstöße, hervorgerufen durch die Rollenverzahnung, viel
zahlreicher. Sie erfolgen auch viel schneller aufeinander. Es müssen deshalb Vorkehrungen
getroffen werden, um die Reibung innerhalb der Federung soweit wie möglich auszuschalten.
Eine Fett- oder Ölschmierung ist daher unerläßlich. Dies bedingt aber eine Abdichtung
der Federung gegenüber der Spülung. Weiterhin ist es erforderlich, die Federung
so auszubilden, daß sie schwingungsdämpfend wirkt, also in einer Stoßrichtung wenig
Widerstand leistet, in der anderen aber um so mehr sich der Bewegung widersetzt.
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Diese bekannte Federung erfüllt alle diese Forderungen nicht.
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Weiterhin -ist eine Federung bekanntgeworden, die für Verwendung bei
Bohrturbinen gedacht ist. Sie soll Konstruktionsteile der Turbine vor Vibrationen
schützen, die durch die Zähne der Rollenmeißel verursacht werden, aber auch diese
Federung erfüllt die genannten Forderungen nicht. Sie wirkt nur stoß-, aber nicht
auch gleichzeitig schwingungsdämpfend. Eine Fett- oder Ölschmierung ist bei ihr
nicht vorgesehen. Vielmehr liegen die sich gegenseitig reibenden Teile frei im Strom
der Bohrspülung und sind den mitgeführten Verunreinigungen ausgesetzt. Die feinen
Sand- und Lehmkörnchen der Bohrspülung können sich in den Spalten festsetzen. Sie
wirken dann als Schmirgel und verursachen ein vorzeitiges Abnutzen der sich bewegenden
Teile.
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Mit der Federung nach den Merkmalen der vorliegenden Erfindung werden
die eben geschilderten Mängel behoben und die für einen störungsfreien Bohrbetrieb
erforderlichen Maßnahmen getroffen.
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B i 1 d 3 zeigt die Rollenmeißelfederung im Schnitt; B i
1 d 4 veranschaulicht das Prinzip der Stoßdämpfung.
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Die Federung besteht aus einem zweiteiligen Gehäuse 1 und 2,
das den Stößel 3 und das Federpaket 4 umschließt. Letzteres ist aus Tellerfedern
zusammengesetzt, deren Federungscharakteristiken so abgestuft sind, daß für einen
großen Bereich von Belastungsänderungen günstige Federwege entstehen. Die Vorspannung
der Federung wird mittels der Schraubenmuttern 5 und 6 der voraussichtlichen.
axialen Drucklast angepaßt. Die Muttern sind durch Blecheinlage 6
gesichert.
Im Federraum 8 befindet sich ein Schmiermittel. Zur Abdichtung gegenüber
der Bohrspülung dienen die Dichtungsringe 9 und 10 sowie
9' und 10'. Um Rostbildung zu verhindern, sind die Dichtungsgleitflächen
hart verchromt.
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Das Drehmoment wird durch eine Verzahnungskupplung übertragen. Die
Gehäusehülse 1 trägt einen innenverzahnten Zahnkranz 12, der Stößel
3 die zu ihr passende Verzahnung 13. Diese ist bedeutend länger als
der Zahnkranz 12 hoch ist, damit sich je
nach Belastung des Federpaketes der
Stößel 3 in der Gehäusehülse 1 verschieben läßt, ohne den Eingriff
der Zähne zu verlieren. Unabhängig von dieser Verschiebung, die von der axialen
Drucklast abhängt, werden die Belastungsstöße, die von der Bohrlochsohle ausgehen,
durch die Tellerfedern gemildert. Da gleichzeitig auch das Drehmoment mitwirkt,
entstünde bei einer normalen Geradeverzahnung Reibung zwischen den Zahnflanken.
Diese würde die feinen Stoßbewegungen behindern. Wenn aber die Verzahnung schräg
ausgeführt wird, ist es möglich, die Berührung der Flanken so zu führen, daß die
Reibung nur in einer Bewegungsrichtung des Stößels wirksam wird *
So wird
z. B. nach B i 1 d 4 bei einer Rotation des Meißels in Pfeilrichtung die
Bewegung des Stößels von unten nach oben keine Reibung zur Folge haben, denn die
Flankenberührung lockert sich dabei, in Richtung nach unten aber um so mehr Reibung
erzeugen, denn da gleiten die Flanken aufeinander. Dadurch wird die Bewegung nach
unten verlangsamt und ein Teil der Stoßenergie verbraucht. Die Schrägverzahnung
dient somit unter Einwirkung der Rotation und der Feder 4 als Stoßdämpfer. Durch
Wahl des Schrägungs, winkels kann die stoßdämpfende Wirkung größer oder kleiner
vorbestimmt werden. Wesentlich dabei ist, daß auch das Flankenspiel der Zähne so
bemessen ist, daß die Reaktionsstöße der Bohrlochsohle in Richtung nach oben nicht
behindert werden.