DE2330050A1

DE2330050A1 - Dichtungseinrichtung fuer ein bohrwerkzeug

Info

Publication number: DE2330050A1
Application number: DE2330050A
Authority: DE
Inventors: Henry W Murdoch; Percy W Schumacher
Original assignee: Reed Tool Co Ltd
Current assignee: Camco Drilling Group Ltd
Priority date: 1972-08-02
Filing date: 1973-06-13
Publication date: 1974-02-14
Also published as: NL175662C; JPS4953501A; JPS5536793B2; IT986574B; NL7308601A; DE2330050C2; AU5461973A; GB1389647A; NL175662B; CA992066A; US3765495A; FR2194876A1; FR2194876B1; ZA732761B

Description

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Reed Tool Company
Houston, Texas V.St.v.A.

Dichtungseinrichtung für ein Bohrwerkzeug

Die Erfindung betrifft ein Erdbohrwerkzeug mit einem Rollenmeissel, insbesondere eine Verbesserung der Dichtungseinrichtung eines solchen Werkzeuges, das ein Schmiermittel im Schmierbereich im Innern des Bohrmeissels aufnimmt, wobei Spanbildungen und andere Gesteinsschuttarten von diesem Lagerbereich ferngehalten werden.

Während des Bohrbetriebes ist die Dichtung Lageänderungen und Flüssigkeitsdruckänderungen ausgesetzt, da der Bohrmeissel in verschiedenen Tiefen in einem Bohrschacht arbeitet, in welchen die Bohrflüssigkeit gefördert wird, und die Meisselbewegung ist in Bezug zur Lagerwelle komplex, da sie sowohl schnelle Axial- und Radialbewegungen aufweist, als auch Taumelbewegungen, wobei deren Größen sich ändern, da die Teile verschleißen. Daher sollte eine Dichtungseinrichtung für einen Bohrer unter verschiedenen Betriebsbedingungen und VerschMßzuständen arbeiten können,

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wenn sie wirkungsvoll die Lagerung schützen soll und die Bohrerlebensdauer vergrößern soll. Es ist ferner erwünscht, daß der von der Dichtung beanspruchte axiale Raum so klein wie praktisch ausführbar gehalten wird_r so daß eine ausreichende Lagerfläche vorhanden ist.

Die erfindungsgemäße Dichtung ist eine elastomere Dichtung, die derart ausgebildet und angeordnet ist, daß sie besonders gut als sich drehende oder dynamische Dichtung bei Rollenmeisseln für Gesteinsbohrwerkzeuge einsetzbar ist. Es sind andere Ausgestaltungen und Anordnungen von elastomeren Dichtungen bei Gesteinsbohrwerkzeugen verwendet worden, bei denen z.B. die Dichtung in der Form eines "O"-Ringes ausgebildet ist, oder die Dichtung besitzt einen annähernd quadratischen Querschnitt. Dxchtungspackungen haben im allgemeinen einen massiven Querschnitt und sind aus einem Stück aus einem einzigen Material hergestellt, nicht wie Lippendichtungen oder Dichtungen, die aus mehreren Materialien hergestellt sind.

Die Hersteller von Dichtungen haben empfohlen, daß in den Anwendungsfällen, in welchen drehbare Dichtungen verwendet werden, z.B. eine "O"-Ringdichtung, diese im Querschnitt weniger als 10% zusammengedrückt werden sollten, damit eine zu große Verformung infolge der Kompression, eine Ermüdung, ein Verschleiß und eine Erwärmung der Dichtung verhindert wird. Bei Bohrwerkzeugen für Gesteine können die Spiele und Bewegungen zwischen den einzelnen Bauteilen ziemlich groß sein, so daß die Dichtung stark komprimiert werden muß, wenn sie wirkungsvoll arbeiten soll, damit sie in der Lage ist, solche Spiele zwischen dem Meissel und der Welle in dem Fall auszugleichen, wenn diese Spiele auftreten. Dies mag aufzeigen, daß die Dichtung im Querschnitt als 10% komprimiert v/erden sollte, da bei einem "Ο''-P.ing mit einem Ouerschnittsiurchmesssr von O_r139 inch {3,53 JiTiTi) eine Pressung um 10% nur annähernd 0,014 inch

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{0,36 nun) bringen würde, während die Drehmeisselbewegung auf die Welle zu und von dieser weg größer als 0,014 inch ist. Jedoch würde eine einfache Kompression der Dichtung um mehr als 10% zu einer Verdichtungsverformung führen und zu den anderen Dichtungsproblemen, die vorher erwähnt wurden.

Es scheint, daß eine Lösung darin bestehen würde, einen "0"-Ring mit einem großen Querschnittsdurchmesser zu verwenden, so daß die prozentuale Kompression klein wäre, während die Gesamt kompression des Ringes ausreichend wäre, um den erwarteten Auslenkungen des Bohrmeissels gerecht zu werden. Jedoch ist bei Gesteinsbohrmeisseln der verfügbare Raum sehr begrenzt, und wenn man solche Ringe verwenden würde, dann stünde ein kleinerer Raum für die Lagerung zur Verfügung, so daß diese Lösung nicht praktikabel ist.

Die Erfindung ist daher darauf gerichtet, eine Dichtung zu schaffen, die eine größere radiale Querschnittserstreckung aufweist als ihre axiale Erstreckung, wobei das Verhältnis wenigstens 1,5:1 besteht, so daß die gesarate radiale Kompression oder die Verschiebung des Dichtungsquerschnittes ausreichen kann, um die Spiele und Bewegungen des Meisseis gegenüber seiner Welle zu berücksichtigen, wobei zusätzlich die Spiele berücksichtigt werden, die durch den Lagerverschleiß auftreten. Es wird angenommen, daß bei Meissein von einem Durchmesser von ungefähr 9 inch (228,6 mm) der Dichtungsquerschnitt wenigstens um O,O25 inch (0,64 mm) zusammengedrückt werden sollte.

Da der Dichtungsquerschnitt in Radialrichtung eine größere Erstreckung aufweist als in Axialrichtung, kann die Kompression weniger als 1O% betragen und trotzdem noch die gewünschte Auslenkung ausführen, um die Meissellager wirkungsvoll abzudichten, ohne daß eine übermäßige Verdichtungsverformung auftritt bzw. die anderen bereits genannten Begleiterscheinungen. Ein

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weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß durch die Ausgestaltung der Dichtung Raum für eine entsprechende Lagerung des Bohrmeissels geschaffen wird.

Erfindungsgemäß ist eine vorzugsweise rechteckig im Querschnitt ausgebildete Dichtung zwischen einem Bohrv/erkzeugmeissel und einer Lagerwelle vorgesehen, v/obei die Bauteile derart angeordnet und bemessen sind, daß die Dichtung während des Betriebes breitgedrückt wird oder eher über den Umfang komprimiert wird als gedehnt wird.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibungeines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. Darin zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Bohrwerkzeugrollenmeissel zusammen mit seiner tragenden Welle und seiner Abstützung, wobei die Dichtungseinrichtung gemäß der Erfindung zu erkennen ist;

Fig. 2 eine Teilansicht der erfindungsgeraäßen Dichtung und Fig.3 eine Schnittansicht entlang der Linie 3-3 nach Fig.2.

In der Zeichnung ist ein Konusbohrer 10 für Erdbohrungen dargestellt, der in herkömmlicher Weise konstruiert ist und einen Bohrkopf 11 aufweist sowie einen mit einem Gewinde versehenen Schaft 12 zur Befestigung eines nicht dargestellten Bohrgestänges. Ein Schneidwerkzeugträger 13 erstreckt sich von dem Bohrkopf nach unten und eine Lagerwelle 14 greift von dem Träger 13 nach unten und innen.

Auf der Lagerwelle 14 ist ein Rollenmeissel 15 mittels Gleitlagern 16 und 17 und Kugellagern 18 drehbar gelagert. Nachdem

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die Kugellager eingesetzt sind, dient ein Sperrstift 19 dazu, sie auf ihrem Sitz zu arretieren. Der Rollenrneissel 15, die Welle 14, der Träger 13 und die zusätzlichen Teile können aus legiertem Stahl hergestellt sein und der Rollenmeissel 15 kann Schneideinsätze 20 aus Wolframkarbid aufweisen oder andere geeignete Schneidelemente.

Der Rollenmeissel 15 weist eine Nut 21 auf, die sich radial von der Lagerwelle 14 nach außen erstreckt, sowie einen Dichtungsring 22, der aus Buna-N o.dgl. hergestellt sein kann und einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweisen kann, wobei dieser Ring in die Nut 21 eingesetzt ist. Ein Flanschteil 23 unterstützt und schützt die außenliegende Stirnseite des Dichtungsringes 22 vor einer Beschädigung durch Gesteinsschutt oder Spanbildungen. Die Nut 21 dient zur Aufnahme der Dichtung 22, so daß diese sich nicht um irgendeinen großen Betrag verkanten oder umknicken kann, und die Nutoberfläche kann relativ rauh sein, da es bevorzugt wird, daß sich der Dichtungsring mit dem Meissel 15 dreht und auf der Lagerwelle 14 gleitet.

Ein Fettreservoir 24 in dem Bohrkopf 11 dient dazu, die Meissellager über die Öffnung 25 und den Durchgang 26 in dem Bohrkopf 11 und den Träger 13 und über die Kanäle 27 und 28 in dem Sperrstift 19 mit Schmiermittel zu versorgen. Das Reservoir 24 weist einen Deckel 29 auf, der mittels eines Sprengringes 30 festgelegt ist. Der Deckel 29 dient außerdem dazu, eine flexible Membran 31 festzuhalten, die das Reservoir 24 gegen Verunreinigungen von außerhalb des Bohrers schützt. Der Deckel 29 ist mit einer Bohrung 32 versehen, die mit der Außenseite der Membran 31 und dem Raum außerhalb des Bohrers in Verbindung steht, so daß der auf das Schmiermittelsystem wirkende Druck ausgeglichen ist.

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Vorzugsweise ist der innere Durchmesser der Dichtung 22 in ihrer entspannten Lage vor den Einsetzen in die Nut 21 des Meisseis größer als der äußere Durchmesser des Teiles der Welle 14, der im Betrieb mit der Dichtung zusammenwirkt. Ebenfalls ist der äußere Durchmesser der Dichtung 22 in ihrem entspannten Zustand vor dem Einbau größer als der maximale Durchmesser der Nut 21 des Meisseis. Ferner ist der innere Durchmesser der Dichtung 22 nach ihrem Einbau in die Nut 21 des Meisseis kleiner als der Teil der Welle 14, der im Betrieb mit der Dichtung zusammenwirkt.

Zum Beispiel ist der maximale Durchmesser der Nut 21 2,805 inch (71,25 mm) und der äußere Durchmesser der Dichtung 22 kann 2,906 inch (73,81 mm) betragen und der innere Durchmesser der Dichtung 2,109 inch (53,57 mm), so daß die Abmessung A der Dichtung 22 0,398 inch (10,11 mm) beträgt. Der Durchmesser der Welle 14, die mit dem Dichtungsring zusammenwirkt, kann 2,065 inch (20,98 mm) betragen.

Dadurch wird die Dichtung 22 radial und auf dem Umfang zusammengepreßt, wenn sie sich in ihrer Betriebsstellung befindet. Der innere Durchmesserteil der Dichtung wird ebenfalls zusammengepreßt, selbst wenn sie gegen die Welle 14 gedruckt werden muß.

Der Unterschied zwischen dem Wellendurchmesser 2,065 inch und dem Nutendurchmesser 2,805 inch beträgt 0,740 inch (18,80 mm) im Durchmesser oder 0,370 inch (9,40 mm) von der Wellenoberfläche 14 bis zum Nutengrund der Nut 21. Die Dichtung besitzt eine radiale Erstreckung von O,398 inch (10,11 mm), was der Abmessung A entspricht. Dadurch wird der Querschnitt der Dichtung radial um 0,028 inch (0,71 mm) verschoben oder um annähernd 7 %.

Da die Dichtung 22 auf der Welle 14 gleitet, wenn der Meissel

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15 sich dreht, ist es wünschenswert, daß die Fasern desjenigen Teiles der Dichtung, der die Welle berührt, unter Druck beansprucht sind. VJenn dieser Teil einer elastischen Dichtung unter Zugbeanspruchung steht, dann neigt die Dichtung dazu, durch eine Ermüdung zu versagen, wobei Brüche normal zur Gleitrichtung der Dichtung auftreten, was zu Leckagen und zu einer verminderten Lebensdauer des Bohrers führt. Es wird angenommen, daß ein solches Versagen deshalb auftritt, weil ein elastisches und unter Zugspannungen belastetes Material sich zusammenzieht, wenn es erwärmt wird, und durch die Reibung der sich auf der Welle drehenden Dichtung wird Wärme erzeugt. Es wird außerdem angenommen, daß, wenn sich die Dichtung an der Stelle unter Zugspannungen befindet, die die Welle berührt, diese dazu neigt, an der Welle festzukleben und zu rutschen, wenn sie sich auf der Welle dreht, und solche statischen und Gleitzustände könnten dazu führen, daß die Dichtung einer Wechselspannung und Druckbeanspruchungen ausgesetzt ist, die zu einer Ermüdung und damit zu einem Versagen der Dichtung führen.

Wie bereits vorher erwähnt wurde, wird die Dichtung 22 gemäß der Erfindung während des Betriebes auf dem Umfang zusammengepreßt, und diese Dichtungen sind in der Praxis sehr erfolgreich eingesetzt worden. Während die untersuchten Dichtungen aus Buna-N von annähernd 70 Härtegraden hergestellt waren, können natürlich auch andere elastische Materialien verwendet v/erden. Ebenso kann jegliche Querschnittsausgestaltung gewählt werden, während die in der Zeichnung gezeigte Dichtung 32 einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt mit abgerundeten Enden aufweist.

Die erfindungsgemäße Dichtungsanordnung sieht eine Bohrerdichtung vor, die nur einen kleinen axialen Raum benötigt, so daß bei begrenzten verfügbaren Abmessungen mehr Lagerfläche zur Ver-

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fügung steht, und es v/ird eine verbesserte Dichtung vorgeschlagen, die ausgezeichnete Eigenschaften hinsichtlich der Ermüdung aufweist.

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Claims

Patentansprüche

1. Dichtungseinrichtung zur Verwendung bei einem Erd-bohrwerkzeug mit einem Bohrkopf und einer an dem Bohrkopf angeordneten Lagerwelle sowie mit einem drehbar auf der Welle gelagerten Bohrmeissel, dadurch gekennzeichnet , daß der Bohrmeissel (15) eine umlaufende Nut (21) aufweist, in welcher ein elastischer Dichtungsring (22) aufgenommen wird, der dichtend und gleitend auf der Welle (14) aufliegt, und daß der Innendurchmesser des Dichtungsringes größer als der Durchmesser der Welle ist, wenn sich der Ring vor dem Einbau in den Rollenmeissel in seinem entspannten Zustand befindet.

2. Dichtungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Dichtungsring (22) im eingebauten Zustand weniger als 10% seiner radialen Stärke im entspannten Zustand zusammengedrückt wird.

3. Dichtungseinrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Querschnittserstrekkung des Dichtungsringes in radialer Richtung wenigstens 1 l/2mal der axialen Erstreckung entspricht.

4. Dichtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Elastomere am Innendurchmesser und am Außendurchmesser des Dichtungsringes breitgedrückt werden.

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5. Dichtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß der Dichtungsring breitgedrückt und radial komprimiert wird.

6. Dichtungseinrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß das Elastomer am Innendurchmesser breitgedrückt wird.

7. Dichtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß der Dichtungsring sich mit dem Meissel dreht.

8. Dichtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß der Innendurchmesser des Dichtungsringes kleiner ist als der Wellendurchmesser, nachdem der Dichtungsring in die Meisselnut eingebaut ist.

9. Dichtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet , daß das diametrale Spiel zwischen dem Außendurchmesser der Welle und dem Innendurchmesser des Dichtungsringes in seinem entspannten Zustand vor dem Einbau in die Meisselnut und vor dem Einbau auf der Welle wenigstens 1 % von dem Innendurchmesser des Dichtungsringes beträgt.

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