DE2030828A1

DE2030828A1 - Kupplungsvorrichtung fur gleichachsige Wellen u dgl mit automatischer Verne gelung

Info

Publication number: DE2030828A1
Application number: DE19702030828
Authority: DE
Inventors: Wladimir Issy les Moulineaux Hauts de Seine Rouviere Roger Francois Aix en Provence Bouches du Rhone Tiraspolsky (Frankreich)
Original assignee: TURBODRILL INTERNATIONAL CORP
Current assignee: TURBODRILL INTERNATIONAL CORP
Priority date: 1969-11-28
Filing date: 1970-06-23
Publication date: 1971-06-03
Also published as: US3782838A; FR2068130A5; GB1313547A

Description

PATENTANWÄLTE

DIPL.-ING. BUSCH HOFF

DIPL.-ING. HENNICKE

DIPL.-ING. VOLLBACH

5 KÖLN/RH.

KAISER-WILHELM-RING 24

Aktenz.:

Reg.-Nr.

Tr 401

Köln, den 22.6.70ato

bitte angeben

P a t entanmeldung

der Firma

Turbodrill International Corporation, Schaan (Liechtenstein)

Kupplungsvorrichtung für gleichachsige Wellen u.dgl. mit automatischer Verriegelung

Die Erfindung bezieht sich auf Kupplungsvorrichtungen für gleichachsige Wellen, Achsen u.dgl.

Ein besonders schwer zu lösendes Problem, welches sich insbesondere beim Tiefbohren und vor allem bei den Untertagebohrmaschinen oftmals stellt, ist das Kuppeln von Wellen oder Achsen, die von einer oder mehreren konzentrischen Mantelteilen umgeben sind, die wiederum meist durch Verschrauben gekuppelt werden sollen in der Weise, daß die genaue Ausrichtung der

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axialen Elemente sichergestellt bleibt. Da dieses Problem bis heute nicht zufriedenstellend gelöst werden konnte, hat man sich in den meisten Fällen, insbesondere für das Kuppeln bei den herkömmlichen Bohrturbinen, damit begnügt, zwei übereinander angeordnete Wellenabschnitte durch eine Reibungskupplung mit konischem Anschlag zu verbinden, gegebenenfalls zusammen mit einer formschlüssigen Verbindung, z. B. mittels Keilnuten, mehreckiger Querschnitte usw.

Die Nachteile dieser Einrichtung, die insbesondere unter der Einwirkung von Vibrationen keinen glatten und fluchtgerechten Übergang der gekuppelten Wellen gewährleistet, sind so schwerwiegend, daß man bei gewissen Gerätetypen dazu übergegangen ist, die Kupplung durch mechanische Mittel, z. B. mittels Zugstangen, Spanner usw. zu verriegeln, die nach beendeter Montage festgelegt und festgezogen werden. Anordnungen dieser Art sind z. B. in den französischen Patenten 1 160 450 und 1 559 861 beschrieben.

Der Anwendungsbereich solcher Lösungen ist jedoch aufgrund der ihnen innewohnenden Nachteile und Schwierigkeiten begrenzt. In fertigungsmäßiger Hinsicht ist z. B. nachteilig, daß mindestens eine der beiden gekuppelten Wellen ausgebohrt werden muß, was vor allem dann kostspielig und aufwendig ist, wenn die Lange der zu kuppelnden Elemente einige Meter überschreitet» Außerdem sind infolge der Maßbegrenzungen, die sich im.® clan zulässigen Höchstdurchmessern der in die Erdbohrungen herabzulassenden Teile ergeben, die Beanspruchungen, die solche Spanner

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aushalten können, begrenzt. In der Praxis ist daher diese Lösung für Geräte kleinerer Durchmesser, z.B. für Bohrturbinen von 5 Zoll (127 mm) und weniger, nicht anwendbar.

Die Erfindung bezweckt, diese Nachteile zu beheben und eine Vorrichtung zum Kuppeln von gleichachsigen Wellen u.dgl. zu schaffen, die eine automatische Verriegelung und Entriegelung bewirkt, ohne sich hierbei verwickelter und aufwendiger Lösungen zu bedienen. Weiterhin ist die Erfindung darauf gerichtet, eine solche Vorrichtung so auszubilden, daß die automatische Verriegelung und Entriegelung zweier Wellen ο.dgl. durch umkehrbare Änderungen des umgebenden Mediums herbeigeführt wird, welches auf die Kupplungsvorrichtung zwischen dem Punkt bzw« dem Augenblick ihres Ankuppelns und dem Punkt bzw. dem Augenblick ihrer Verwendung wirkt, wobei die durch die Änderung dieses umgebenden Mediums gelieferten energetischen Hilfsmittel ausgenutzt* werden, um die für diese Verriegelung erforderlichen Kräfte zu erzeugen.

Obwohl die Anwendung der Erfindung auf dem Gebiet des Tiefbohrens besondere Vorteile bietet, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch dazu gebraucht werden, um zwei koaxiale Wellen oder Achsen zu kuppeln, indem deren Verriegelung jeweils durchgeführt werden kann, wenn eine Änderung des umgebenden Mediums, z. B. eine Druck- und/oder Temperaturänderung zwischen dem Ort bzw. dem Moment der Kupplung bzw„ Montage und dem Ort bzw. üem Moment ihrer Verwendung, eintritt. Eine solche Änderung ergibt

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sich automatisch stets dann, wenn ein Gerät in der Atmosphäre, Hydrosphäre oder Erdkruste senkrecht verstellt wird, und sie beruht in diesem Fall im allgemeinen auf einer Temperatur- und/oder Druckdifferenz; sie kann sich aber auch aus anderen Faktoren, z. B. aus Oberflächeeffekten oder Kraftfeldern, ergeben, deren Kräfte von analoger oder unterschiedlicher Größenordnung sind.

Die erfindungsgemäße Kupplungsvorrichtung mit automatischer Verriegelung zum Verbinden zweier gleichachsiger oder koaxialer Wellen o.dgl. weist Verriegelungsglieder auf, die mindestens der einen der beiden Wellen zugeordnet sind und die mit auf der anderen Welle befindlichen Organen zusammenarbeiten. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dabei dadurch gekennzeichnet, daß sie wenigstens ein die Verriegelungsglieder betätigendes Organ besitzt, welches durch das umgebende Medium beeinflußt ist und bei Änderung dieses umgebenden Mediums eine Verstellung oder eine Verformung erfährt, die die Betätigung der Verriegelungsglieder bewirkt.

Gemäß einer besonders einfachen Ausführungsform besteht dieses Betätigungsorgan aus einem Kolben, einem Schieber oder einem Hebel, der bei einer Änderung des umgebenden Mediums verstellt wird, derart, daß die Verriegelungsglieder betätigt werden, um zwischen den beiden gleichachsigen Wellen eine Verriegelung bzw. eine Entriegelung automatisch herbeizuführen.

Ein solches Betätigungsorgan kann z. B. einerseits der Wir-

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kung von Verhältnissen, die dem umgebenden Medium im Verbindungsbzw. Montagezustand entsprechen, oder der Wirkung von im.wesentlichen konstanten oder stabilen Verhältnissen und andererseits der Wirkung der Änderungen des umgebenden Mediums dauernd unterworfen sein. Diese Belastungsverhältnisse ergeben sich z.B. dann, wenn das Betätigungsorgan aus einem Kolben besteht, der in einem Zylinder flüssigkeitsdicht angeordnet ist, welcher eine verschlossene Kammer besitzt, die ein Fluidum oder Belastungsorgane, wie Federn, enthält, und wenn die Außenseite dieses Kolbens unter der Wirkung der Änderungen des umgebenden Mediums steht, so daß sich eine Verschiebung des Kolbens ergibt, die das Verstellen der Verriegelungsglieder bewirkt. In einem solchen Fall wirkt der umgebende Druck so auf den Kolben, daß dieser eine Verschiebung erfährt. Es ist aber auch möglich, eine Einrichtung zu schaffen, die die Umgebungstemperatur getrennt oder zusammen mit dem Druck zur Wirkung bringt. So kann z. B. eine Verschiebung der Betätigungsorgane sich aus einer Volumen- oder Längenänderung infolge einer Temperaturänderung ergeben, ζ. B. durch Kopplung oder Aneinanderlagerung zweier Materialien, deren Ausdehnungskoeffizienten verschieden sind, z. B. Stahl und Invarlegierung usw.

Die Anordnung kann derart getroffen sein, daß die Verstellung oder die Verformung des Betätigungsorganes auf die Verriegelungsglieder als axiale Zugkraft, radiale Einschiebung oder

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eine schräge Bewegung, eine Winkelverriegelung oder als deren Kombination, wirkt.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ergibt sich aus der Tatsache, daß die so bewirkte automatische Verriegelung aufgehoben wird und die gleichachsigen Wellen freigegeben werden, wenn die Vorrichtung in das umgebende Anfangsmedium zurückgeführt wird, z. B. wenn ein Bohrgerät wieder heraufgeholt wird.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt» Es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Kupplungsvorrichtung für gleichachsige Wellen im Schnitt durch eine Durchmesserebene,

Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie ΙΙ-ΊΙ der Fig. 1, Fig. 3 eine geänderte Ausführungsform in einer Ansieht ähnlich derjenigen der Fig. 1.

Die in Fig. 1 und 2 dargestellte Vorrichtung dient zur Verriegelung der Kupplung, wenn die Vorrichtung von einem umgebenden Medium, in welchem ein bestimmter Druck herrscht, in ein Medium gelangt, in welchem ein erheblich höherer Druck herrscht. Das geschieht z. B. dann, wenn ein Werkzeug oder eine Bohrturbine in ein schweres Fluidum hinuntergelassen wird.

Die Vorrichtung dient zur Kupplung einer unteren ¥©11® 1 mit einer oberen Welle 2. Wie gezeigt, ist in dem oberen Ende der

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Welle 1 ein Zylinder 3 angeordnet, der sich nach oben in einen sich erweiternden Teil 4 verlängert, welcher an seinem oberen Ende eine Schulter 5 aufweist, die ihrerseits in einen konischen Sitz 6 übergeht, der den unteren Teil der oberen Welle aufnimmt. Letztere ist mit Keilnuten versehen, die in entsprechende Nuten der Welle 1 eingreifen.

Wie gezeigt, ist in dem Zylinder 3 ein Kolben 8 mit Dichtringen 9 angeordnet, die den Innenraum des Zylinders 3 nach außen abdichten. In diesem Zylinderraum befindliche Federn 10 drücken den Kolben 8 nach außen. Der Kolben trägt elastische Verschlußzungen 11, die in dem erweiterten Teil 4 angeordnet sind und unter der Wirkung der Federn 10 mit ihrem Ende normalerweise gegen die Schulter 5 angedrückt werden.

In dieser Stellung belassen die Zungen 11 zwischen sich genügend Raum für den freien Durchgang eines am unteren Ende der oberen Welle 2 vorgesehenen Kopfes 12. Der Kopf ist mit einer rückwärtigen Schulter 13 versehen, gegen welche sich hakenförmige Teile 14 der Zungen 11 anlegen können, um die Verriegelung zu bewirken.

Die Verbindung zwischen dem in dem erweiterten Teil 4 vorgesehenen Innenraum und der äußeren Umgebung wird z. B. über Öffnungen 15 hergestellt.

Die Arbeitsweise dieser Vorrichtung ist folgende:

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Beim Zusammenbau wird die Welle 2 in den oberen Teil der Welle 1 hineingesteckt, wobei der Kopfteil 12 in den Raum zwischen den Zungen 11 hineingeführt wird, während die Keilvorsprünge in die zugeordneten Nuten eingreifen. Die Teile nehmen dann die in Fig. 1 gezeigte Stellung ein, wobei die Enden der Zungen gegen die Schulter 5 stoßen.

Wenn das so eingerichtete Gerät z. B. in eine Ölbohrung hinuntergelassen wird, so erhöht sich der umgebende Druck. Dieser Druck wirkt über die Löcher 15 auf die obere Seite des Kolbens 8 und schiebt denselben unter Zusammendrücken der Federn 10 nach unten. Diese Verschiebung bewirkt eine Zugwirkung auf die Zungen 11, deren hakenförmige Teile sich hierbei gegen die rückwärtige Schulter 13 des Kopfteiles 12 der Welle 2 legen, wodurch die erwünschte Verriegelung automatisch herbeigeführt wird.

Wenn das Gerät wieder bis zur Erdoberfläche heraufgeholt wird, sinkt der Druck und die Federn 10 drücken den Kolben 8 nach oben zurück, wodurch die Zungen 11 sich γ©η dem Kopfteil 12 der Welle entfernen, die dadurch entriegelt wird.

'Durch zweckentsprechende Dimensionierung der Federn und des Kolbens wird in der gewünschten Tiefe df© gewünschte Verriegelungskraft erzielt, wobei diese Kraft entweder durch das vollständige Zusammendrücken der Federn oder mittels eines Anschlages leicht begrenzt werden

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Eine solche Einrichtung läßt sich z. B. für eine Bohrturbine verwenden, die mit einem System von Wellen versehen ist, welche von verschraubten Rohrelementen umgeben sind, z. B. den Turbinengehäusen oder den sie verlängernden Anschlüssen. Das Hinunterlassen bzw. das Heraufholen der Turbine bewirkt hierbei die automatische Verriegelung und Entriegelung der Kupplung. Kommt der Kolben beim Heraufholen nicht von selbst nach oben, so läßt sich durch eine axial gerichtete Zugwirkung, z.B. indem ein Außenmantel des Gerätes abgeschraubt wird, die ungewollte Blockierung aufheben, und die Organe lassen sich dann leicht entriegeln.

Gemäß der Ausführungsvariante nach Fig. 3 weist die Welle 17 eine Kammer 18 auf, die von der Außenluft durch einen Deckel 19 isoliert ist, der mit einer Öffnung versehen ist, in welcher sich ein mittels Dichtringen abgedichteter Kolben 20 bewegen kann. Wie bei der in Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsform, trägt dieser Kolben Verriegelungszungen 22, die mit einem Kopfteil der mit der Welle 17 zu kuppelnden Welle zusammenarbeiten.(nicht dargestellt).

Die Kammer 18 enthält ein zusammendrückbares Medium» Steigt der Umgebungsdruck, dann dringt der Kolben 20 in diese Kammer 18 hinein, wobei er auf die Zungen 22 eine axiale Zugwirkung ausübt, wodurch die Verriegelung, wie vorstehend beschrieben, herbeigeführt wird. Im Augenblick der Rückkehr in das erste umgebende Medium, bringt das sich hierbei ent-

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spannende Druckmittel die Teile in ihren Ausgangszustand zurück.

Im Falle eines Bohrwerkzeuges oder einer Bohrturbine erhöht sich die Temperatur zugleich mit dem Umgebungsdruck. Das Druckmittel in dem Raum 18 wird so gewählt, daß seine von dem hydraulischen Druck und der thermischen Einwirkung bewirkte endgültige Volumenänderung kleiner ist als die der das Fluidum enthaltenden Kammer. Der Vorteil einer solchen Einrichtung besteht darin, daß der Kolben in stetigem Gleichgewicht gehalten wird, indem sein Aufwärtshub durch Druckwirkungen gleicher Ordnung, wie die vorher erfahrenen Druckwirkungen, sichergestellt ist.

Änderungen können im Gebiet der Äquivalenzen vorgenommen werden, ohne daß dadurch der Rahmen der Erfindung verlassen wird.

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Claims

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1.) Kupplungsvorrichtung für gleichachsige Wellen und Achsen mit automatischer Verriegelung, bestehend aus an wenigstens einer der Wellen o.dgl. angeordneten Verriegelungsgliedern, die mit ander anderen Welle vorgesehenen Organen zusammenarbeiten können,

dadurch gekennzeichnet, daß sie wenigstens ein diese Verriegelungsglieder betätigendes Organ (8, 20) besitzt, welches durch das umgebende Medium beeinflußt ist und bei einer Änderung dieses umgebenden Mediums eine Verstellung oder eine Verformung erfährt, die die Betätigung der Verriegelungsglieder (11, 22) bewirkt.

2. Kupplungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich·:- net, daß das Betätigungsorgan ein Kolben (8, 20), ein Schieber oder ein Hebel ist, welcher unter der Wirkung des umgebenden Mediums steht.

3. Kupplungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die eine Seite des Kolbens ständig unter der Wirkung von Einflüssen steht, die dem umgebenden Medium ent-

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sprechen oder die auf der Wirkung von im wesentlichen konstanten oder stabilen Verhältnissen beruhen, während die andere Kolbenseite der Wirkung des umgebenden Verwendungs- bzw. Betriebsmediums unterliegt»

4. Kupplungsvorrichtung nach Anspruch 3$ dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (8) in einem Zylinder (3) flüssigkeitsdicht angeordnet ist, welcher eine verschlossene Kammer aufweist, in welcher eine oder mehrere Federn (10) angeordnet sind.

5. Kupplungsvorrichtung nach Anspruch 3$ dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben in einem Zylinder (18) flüssigkeitsdicht angeordnet ist, welcher eine Kammer aufweist, welche ein komprimierbares Medium enthält»

6. Kupplungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Betätigungsorgan (S₅, 20) auf die Verriegelungsglieder (11, 22) eine Kraft ausübt, die sie axial zu verschieben sucht»

7. Kupplungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß das Betätigungsorgan auf die Verriegelungsglieder eine Kraft ausübt, die. sie"radial zu verstellen sucht.

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8. Kupplungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Betätigungsorgan auf die Verriegelungsglieder eine Kraft ausübt, die gegenüber der Achse der gleichachsigen Wellen geneigt ist.

9« Kupplungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Betätigungsorgan durch eine Änderung des Druckes und/oder der umgebenden Temperatur verstellbar oder verformbar ist.

10. Kupplungsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Kolben aufweist, der in einem Zylinder unter der Wirkung einer Änderung des Druckes und/oder der umgebenden Temperatur verschiebbar ist und der Zungen (11, 22) o.dgl. trägt, die in einem in der einen Welle vorgesehenen Hohlraum (4) liegen, und die, um die Verriegelung zu bewirken, mit einem auf der anderen Welle und in diesen Hohlraum eingesetzten Kopf (12) zusammenarbeiten.

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