-
Die
Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum kraftschlüssigen Umschließen eines
zylinderförmigen
Werkstückes
zum gezielten Aufbringen eines um die Werkstücklängsachse auf das Werkstück einwirkenden
Drehmoments, mit wenigstens zwei Spannbacken, die an der Kontur
des Werkstückes
anlegbar sind.
-
Vorrichtungen
der vorstehend beschriebenen Gattung werden vorzugsweise für das Lösen bzw.
Montieren von zylinderförmigen
Werkstücken beispielsweise
Rohrstücke,
die über
ein Gewinde oder über
eine kraftschlüssige
Rohr-Steckverbindung miteinander verbunden sind, eingesetzt. Zum Verbinden
bzw. Lösen
von Rohrverbindungen, muss wenigstens ein Rohrteil fest ergriffen
und gegen das andere verdreht werden. Hierzu eignen sich grundsätzlich manuelle
Rohr- bzw. Kombizangen, deren Zangenbacken an der Außenkontur
des zu verdrehenden Werkstückes
angesetzt und durch Aufbringen manueller Presskraft gegen die Außenkontur des
Werkstückes
angedrückt
werden. Zur Verdrehung des Werkstückes ist zusätzlich eine
im wesentlichen tangential zur Werkstückoberfläche wirkende Kraft aufzubringen,
durch die ein Drehmoment um die Werkstücklängsachse erzeugt wird, das
eine Relativverdrehung des eingespannten Werkstückes gegenüber einem feststehenden Werkstück bewirkt.
Jedoch erfordert der manuelle Umgang mit Rohr- oder Kettenzangen,
insbesondere beim Aufbringen großer Drehmomente, einen sehr
großen
Kraftaufwand, der die manuelle Handhabbarkeit begrenzt. Sollen zum anderen
mit den vorstehend beschriebenen Zangen rotierende zylinderförmige Werkstücke ergriffen
werden, so besteht eine erhöhte
Verletzungsgefahr beim plötzlichen
Zubeißen
der Zangenwerkzeuge an der Außenkontur
der rotierenden Werkstücke.
-
Zur
Aufbringung größerer Spannkräfte und Drehmomente
sind mechanische Vorrichtungen bekannt, die beispielsweise in der
Horizontal- und Tiefbohrtechnik zum Montieren oder Losbrechen von Bohrgestängen eingesetzt
werden. Zum kraftschlüssigen
Umschließen
des zylinderförmigen
Werkstückes
werden hydraulisch betätigbare
Spannbacken an der Außenkontur
des Werkstückes
angesetzt und über
den Verstellweg eines Hydraulikzylinders gegen das Werkstück gepresst.
Die hierbei auftretende Spannkraft hängt im Wesentlichen von der
Hydraulikzylindergröße sowie
des verwendeten Öldruckes
ab. Getrennt von der Spannvorrichtung wird zum Verdrehen des eingespannten
Werkstückes üblicherweise an
der Spannvorrichtung ein Hebelarm angesetzt, an dem normal zur Werkstücklängsachse
eine Kraft zur Erzeugung eines Drehmomentes eingeleitet wird, das
zum einen von der eingeleiteten Kraft selbst und zum anderen von
der Länge
des Hebelarmes abhängt.
-
Zwar
ermöglichen
mechanisch entkoppelte Spann- und Drehvorrichtungen ein Aufbringen
hoher Spannkräfte
und großer
Drehmomente an das mit der Vorrichtung ergriffene Werkstück, doch
sind derartige Vorrichtungen nur in jenen Fällen einzusetzen, in denen
sowohl die aufzubringende Spannkraft als auch das auf das Werkstück einwirkende
Drehmoment als bekannt vorauszusetzen sind und beide Größen in einem
festen Verhältnis
zueinander stehen. Ist das erforderliche Drehmoment jedoch nicht bekannt
oder variabel, so führt
eine konstant hohe Spannkraft zu unnötigen Beschädigungen oder Zerstörungen an
dem eingespannten Werkstück.
Hingegen führt
eine zu kleine Spannkraft zum Durchrutschen des Werkstückes in
der Spanneinheit und damit beispielsweise zum Versagen der Losbrechvorrichtung
im Einsatz in der Horizontal- und Tiefbohrtechnik.
-
Da
in an sich bekannter Weise zum Aufbringen der Spannkraft als auch
zur Erzeugung der das Drehmoment erzeugenden Kraft, zwei unabhängig, aktiv
ansteuerbare Kraftquellen verwendet werden, müssen beide Kraftquellen getrennt
und fein dosiert angesteuert werden, um die vorstehenden Beschädigungen
am Werkstück
zu vermeiden. Um eine aufeinander abgestimmte Ansteuerung beider
Kraftquellen zu gewährleisten
ist eine aufwendige Steuereinrichtung erforderlich, die nicht zuletzt
einen erheblichen konstruktiven und finanziellen Aufwand im Hinblick
auf die Bereitstellung der gesamten Spann- Drehvorrichtung darstellt.
-
Aus
der
US 2,737,839 geht
eine Zangenvorrichtung hervor, mit der ein Umschließen, beispielsweise
von Bohrgestängen,
und ein entsprechendes Verdrehen der erfassten Gestänge möglich ist.
Die Zangenvorrichtung besteht insbesondere aus zwei getrennten Zangenköpfen, die
wechselseitig eine zu betätigende
Bohrstange umschließen.
Zur Betätigung
jeweils einer Zangeneinheit sind wenigstens drei miteinander in
Wirkverbindung stehende Kraftquellen vorgesehen. Die miteinander über Einachsgelenke
verbundenen Zylinder-Kolben-Einheiten vermögen die Zangenbacken sowohl
um das Bohrgestänge
kraftschlüssig
zu schließen
und übertragen überdies über die
Zangenbacken auf das Bohrgestänge
ein Drehmoment.
-
Aus
der
US 3,910,140 geht
eine Greifzange für
das Greifen von dosenförmigen
Körpern
hervor, nämlich
von Ölfilterdosen,
die für
den Betrieb von Verbrennungsmotoren, insbesondere Automotoren, in
entsprechende Gewinde oder Anflanschstrukturen am Motor eingedreht
werden müssen.
Hierzu umgreift die Greifzange den Dosenboden und liegt mit ihren
beiden Greifzangen an der bodennahen Dosenwand an. Über eine
Kniehebelanordnung wirkt auf die Dosenwand eine Haltekraft, die
zugleich proportional zum Drehmoment ist, das über die Greifzange auf die
Dose einwirkt. Mit einer derartigen bekannten Greifzange ist es
jedoch nur möglich,
kleine handzuhabende Gegenstände
zu ergreifen, da diese von der Zange lediglich an ihrem Ende umgriffen
werden können.
-
Schließlich ist
der
US 5,537 900 eine
Greiferbackenanordnung zu entnehmen, die zur Betätigung sowie Verdrehen der
Greiferbacken wenigstens zwei Kraftquellen benötigt, die in Form von Hydraulikzylinder
ausgebildet sind.
-
Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, dass ein dosierter und aufeinander
abgestimmter Krafteintrag zwischen Spannkraft und Drehmoment möglich ist.
Insbesondere soll die Vorrichtung zur Bereitstellung hoher Spannkräfte und
Drehmomente das Werkstück
sicher ergreifen und verdrehen, ohne dabei das Werkstück zu beschädigen. Schließlich sollen
die konstruktiven Maßnahmen
mit möglichst
einfachen Mitteln durchgeführt
werden können,
so dass die Vorrichtung ohne komplizierte und technisch aufwendige Steuereinheiten
betreibbar ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung soll insbesondere
dem Verbinden sowie Losbrechen von zylinderförmigen Werkstücken dienen,
die zu Bodenbohrarbeiten, beispielsweise zur Erdölgewinnung oder zum grabenlosen
Rohrleitungsbau verwendet werden. Hierzu soll die Vorrichtung an
beliebiger Stelle am Werkstück
ansetzbar sein.
-
Die
Lösung
der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist Gegenstand des
Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
-
Erfindungsgemäß ist eine
Vorrichtung gemäß Oberbegriff
des Anspruchs 1 derart weitergebildet, dass die Kraftquelle feststehend
ausgebildet ist und über
eine Kniehebelanordnung, die zwei gegenseitig abspreizbare Hebel
aufweist, mit den Spannbacken derart verbunden ist, dass ein erster
Hebel an einen Spannbacken und ein zweiter Hebel am anderen Spannbacken
kinematisch angelenkt sind, so dass bei Abspreizung der Kniehebelanordnung
die Spannbacken das Werkstück
kraftschlüssig
einspannen, und dass die Kraftquelle die Kniehebelanordnung linear,
im wesentlichen orthogonal zur Werkstücklängsachse verfährt.
-
Durch
die Verwendung nur einer einzigen Kraftquelle, die beispielsweise
als Hydraulik-, Pneumatik- oder elektrische Lineareinheit ausgebildet
ist, stellt sich eine systembedingte Abhängigkeit zwischen Spannkraft
und Drehmoment derart ein, dass die Spannkraft proportional zum
herrschenden Drehmoment ist. Dieser Zusammenhang führt letztendlich dazu,
dass die vorstehend genannten Beschädigungen am Werkstück weitgehend
ausgeschlossen werden können.
-
Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
weist somit folgende Vorteile auf:
Durch die verstellbare Kniehebelanordnung
lässt sich
das Verhältnis
von Spannkraft zum Drehmoment beinahe beliebig einstellen, wodurch
unterschiedliche Reibungs verhältnisse
an der Einspannstelle des Werkstückes
berücksichtigt
werden können.
Im Betrieb steigt die Spannkraft proportional zum wirkenden Drehmoment
an, d.h. die Spannkraft stellt sich automatisch auf den Wert ein,
der zur schlupffreien Übertragung
des Drehmomentes notwendig ist. Zum Betrieb der erfindungsgemäßen Spann-Dreheinheit ist
nur eine einzige Kraftquelle, beispielsweise in Form eines Hydraulikzylinders
erforderlich, so dass der Bedien- bzw. Steuerungsaufwand und die
Zahl der benötigten
Komponenten erheblich reduziert werden können.
-
Aufgrund
der durch die Kniehebelanordnung sowie die weiteren Möglichkeiten
des Vorsehens von Exzentern etc. sind keine großen Kraftquellen zur Erzeugung
der Spannkraft notwendig, wodurch auch hierdurch erhebliche Einsparungsmaßnahmen
möglich
sind.
-
Grundsätzlich lässt sich
die erfindungsgemäße Vorrichtung überall dort
einsetzen, wo ein kraftschlüssiges
Spannen zur Erzeugung einer Drehung zur Übertragung eines Drehmomentes
notwendig ist. Dies ist in der Regel bei zylindrischen Werkstücken der
Fall, da hier kein Formfluss zwischen Werkstück und Werkzeug möglich ist,
wie beispielsweise durch Anlegen eines Sechskantschlüssels an
einem Sechskantprofil.
-
Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
eignet sich daher zum Spannen von Stangen oder Rohren. Ein Drehen
ist beispielsweise zum Anziehen oder Lösen von Gewinden und Verschraubungen
notwendig.
-
Ferner
können
auch zylinderförmige
Werkstücke
abgebremst oder gegen Verdrehung gesichert werden. Die Gegenkraft
baut sich hierbei durch das Drehmoment auf, das über das eingespannte Werkstück eingeleitet
wird.
-
Die
Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben.
-
Es
zeigen:
-
1a Querschnittsdarstellung
durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung,
-
1b, c Seitenansicht und
Draufsicht auf eine Exzentervorrichtung sowie
-
2a, b Sequenzdarstellungen
zweier alternativer Ausführungsbeispiele
der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
-
In 1a ist der Querschnitt einer
Vorrichtung dargestellt, die in der Tiefbohrtechnik als auch in der
Horizontalbohrtechnik zum grabenlosen Verlegen von Rohrleitungen
und Kabeln eingesetzt wird. So wird ein Bohrgestänge 1, das dem eingangs
erwähnten
zylinderförmigen
Werkstück
entspricht unter Rotation in das Erdreich gedrückt und nach Erreichen einer
bestimmten Bohrtiefe wieder drehend zurückgezogen. Das verwendete Bohrgestänge besteht
in aller Regel aus einzelnen Bohrstangen, die an ihren endseitigen
Gewinden miteinander verschraubt sind. Beim Rückziehvorgang muss das Gestänge an den Verbindungsstellen
losgebrochen werden, d.h. die einzelnen Bohrstangen müssen voneinander
losgeschraubt werden.
-
Aufgrund
der durch Druck- und Zugkräfte
sowie der durch die Drehbewegung in Gewindeanzugsrichtung verursachten
Verformungen des Bohrgestänges
lassen sich die Verschraubungen z. T. nur sehr schlecht lösen, wobei
zudem hinzukommt, dass die Bohrstangen keinerlei Kraftangriffsstellen
für formschlüssig wirkende
Werkzeuge vorsehen, so dass zum Losbrechen zweier miteinander verbundener
Bohrgestänge
das hierfür
erforderliche Drehmoment unmittelbar über die Mantelfläche der
rohrförmigen
Bohrstangen übertragen
werden muss.
-
Das
in 1 in der Querschnittsdarstellung gezeigte
zylinderförmige
Werkstück 1 kann
etwa eine loszubrechende Bohrstange sein. Ein Drehrahmen 3 ist
um die Werkstücklängsachse
A gegenüber
einem feststehenden Gestell 2 drehbar gelagert. Fest mit dem
Drehrahmen 3 sind in dem Ausführungsbeispiel gemäß der 1 zwei Spannbacken 4, 5 vorgesehen.
Die Spannbacke 4 ist längsbeweglich über eine Linearführung 6 mit
dem Drehrahmen 3 verbunden. Die Spannbacke 5 hingegen
ist an einem Drehlager 7 kippbar angelenkt. Fest relativ
zum Drehrahmen 3 ist eine Kraftquelle 8, beispielsweise
in Form einer Hydraulikeinheit mit einem Hydraulikzy linder angeordnet,
die mit einer Kniehebelanordnung 10 verbunden ist. Die
Kniehebelanordnung 10, die am Hydraulikzylinder 8 angebracht
ist, weist zwei relativ zur längsbeweglichen
Kolbenstange 9 des Hydraulikzylinders 8 über ein
gemeinsames Drehlager 11 angelenkte Hebel 12, 13 auf,
die ihrerseits jeweils mit den Spannbacken 4, 5 in
Wirkverbindung stehen. Der Hebel 12 der Kniehebelanordnung 10 ist
direkt über
ein Drehlager 14, das fest mit der Spannbacke 5 verbunden
ist, angelenkt. Der andere Hebel 13 weist ebenfalls zur
kinematischen Umlenkung ein Drehlager 15 auf, über das
der Hebel 13 mit dem die Spannbacke 5 gegenüberliegenden
Spannbacke 4 verbunden ist.
-
Wird
die Kraftquelle 8 betätigt,
in dem der Hydraulikzylinder 9 aus der Hydraulikeinheit 8 herausfährt, so
bewegen sich die Spannbacken 4, 5 beidseitig auf
das Werkstück 1 zu
bis sie das Werkstück 1 kraftschlüssig ergreifen.
Bei weitergehendem Hub des Hydraulikzylinders 9 wird zum
einen auf das Werkstück 1 einwirkende
Spannkraft erhöht,
zum anderen erfährt
das Werkstück 1 durch
die tangential zur Werkstückoberfläche angreifende
Kraft ein Drehmoment, das das Werkstück 1 um die Werkstücklängsachse
verdreht. Die Verdrehung des Werkstückes 1 zusammen mit
den Spannbacken sowie Spannbackenlagerung und Kniehebelanordnung
ist möglich,
da die Kraftquelle mit einem feststehenden Gegenlager verbunden
und kinematisch von der Rotation des Drehrahmens 3 entkoppelt
ist.
-
Durch
die Wahl der Kniehebelanordnung 10 und insbesondere die
Einstellung der einzelnen Kniehebellängen kann das Verhältnis von
Spannkraft zu Drehmoment gezielt eingestellt werden. Ebenso kann
zur Einstellung dieses Verhältnis
eine Exzentervorrichtung vorgesehen werden, die zwischen Kniehebelanordnung
und Spannbacken anzuordnen ist. In 1b ist
eine Seiten-, in 1c eine
Draufsichtdarstellung für
eine derartige Exzentervorrichtung gezeigt, die einer Detailansicht
zur Anlenkung der Spannbacke 5 entspricht. Im Drehlager 14 ist
eine Exzentervorrichtung 16 integriert über die der Hebel 12 mit
der Spannbacke 5 verbunden ist. Die Exzentervorrichtung
setzt sich aus zwei gegeneinander beweglichen Zylinderteilen 17 und 18 zusammen,
die in einer Bohrung 19 innerhalb des Drehlagers 14 passgenau
gelagert sind.
-
Aus
der Sequenzdarstellungen gemäß den 2a und 2b wird die genaue Funktionsweise der erfindungsgemäßen Spann-
Dreheinheit am Beispiel für
das Losbrechen von Bohrgestängen
dargestellt.
-
2a zeigt die Anordnung gemäß der 1 mit einem längsbeweglichen
Spannbacken 4 und einem drehbar gelagerten Spannbacken 5.
In Stellung 1, der so genannten geöffneten Stellung, ist die Vorrichtung
samt Drehrahmen über
das zu lösende
Werkstück 1 zu
positionieren. Das Werkstück 1 befindet
sich in der geöffneten
Stellung zwischen den Spannbacken 4 und 5, die
bei eingefahrenem Hubzylinder vom Werkstück 1 deutlich beabstandet
sind.
-
In
Stellung 2 ist der Hubzylinder 9 derart ausgelenkt,
dass die Spannbacken 4, 5 kraftschlüssig an der
Kontur des Werkstückes 1 angreifen.
Ein weiteres Ausfahren des Hubzylinders 9 führt zur
Erzeugung eines Drehmomentes, wodurch die Spannbacken 4, 5 samt
Drehrahmen 3 und Kniehebelanordnung 10, bei feststehender
Kraftquelle 8 um die Werkstücklängsachse A verdreht werden.
Die zu dem Spann-Drehvorgang
erforderlichen Kraftkomponenten werden ausschließlich durch den Hydraulikzylinder 8 bereitgestellt
und über
die Kniehebelanordnung 10 in entsprechender Weise verstärkt.
-
Vorzugsweise
sind die Spannbacken 4, 5 sowie deren Lagerung
derart ausgeführt,
dass sie nach dem Backenbremsenprinzip, analog einer Rohrzange,
wirken, d.h. die beim Verdrehen wirkende Reibungskraft an den Spannbacken 5, 4 erzeugt
ein die Spannbacken schließendes
Drehmoment. Dieses unterstützt
in vorteilhafter Weise die von der Kniehebelanordnung 10 erzeugte
Spannbackenschließkraft. Die
Spannbackenschließkraft
wiederum wird durch die Spannbacken 4, 5 auf das
eingespannte Werkstück 1 übertragen,
wodurch die für
die kraftschlüssige Übertragung
des Drehmomentes erforderliche Normalkraft, die an den Berührstellen
senkrecht auf die Werkstückoberfläche wirkt,
entsteht.
-
Durch
die Verwendung nur einer einzigen Kraftquelle ist zudem gewährleistet,
dass das eingespannte Werkstück 1 jeweils
mit der zur Übertragung des
Drehmomentes notwendigen Spannkraft gehalten wird. Die Spannkraft
ist hierbei proportional zum wirkenden Drehmoment und hängt ferner
von der Geometrie der Kniehebelanordnung, der Form der Spannbacken
sowie deren Lagerung ab.
-
Die
auf das Werkstück
einwirkende Spannkraft wirkt jedoch nur beim Verdrehen in einer
Richtung, gemäß dem Ausführungsbeispiel 2a gegen den Uhrzeigersinn.
Wird der Hydraulikzylinder 9 in die Hydraulikeinheit 8 wieder
eingefahren, so dreht sich die Drehrichtung um, wodurch die Spannvorrichtung
selbsttätig öffnet. Um
ein Weiterdrehen des Werkstückes 1 zu
ermöglichen,
muss die Vorrichtung schrittweise, in Art eines Ratschenprinzips
wiederholt am Werkstück 1 angelegt
werden.
-
Im
Gegensatz zum Ausführungsbeispiel
gemäß 2a zeigt die Variante gemäß 2b zwei über Drehlager 14, 15 angelenkte
Spannbacken 4, 5 mit zugehöriger Kinematik. In gleicher
Weise wird die Vorrichtung gemäß 2b in der geöffneten
Stellung Ium das loszubrechende Werkstück 1 angeordnet. Nach
Ausfahren des Hydraulikzylinders 9 bis in einer Stellung
II, in der die Spannbacken 4, 5 kraftschlüssig an
der Kontur des Werkstückes 1 angreifen,
verbleibt der Drehrahmen 3 in seiner Ausgangsposition.
Erst nachdem die Spannbacken 4, 5 kraftschlüssig an
der Kontur des Werkstückes 1 anliegen
vermag ein weiterer Hub des Hydraulikzylinders 9 den Drehrahmen samt
Spannbacken und Kniehebelanordnung relativ zur Hydraulikeinheit 8 um
die Werkstücklängsachse A
zu verdrehen.
-
- 1
- Werkstück, Bohrstange
- 2
- Gestell
- 3
- Drehrahmen
- 4
- Spannbacke
- 5
- Spannbacke
- 6
- Linearführung
- 7
- Drehlager
- 8
- Kraftquelle,
Hydraulikzylinder
- 9
- Kolbenstange
des Hydraulikzylinders
- 10
- Kniehebelanordnung
- 11
- Drehlager
- 12
- Hebel
- 13
- Hebel
- 14
- Drehlager
- 15
- Drehlager
- 16
- Exzentervorrichtung
- 17
- Zylinderteil
- 18
- Zylinderteil
- 19
- Bohrung
- A
- Werkstücklängsachse