DE2636048A1

DE2636048A1 - Lagerstuhl fuer bohrturbinen

Info

Publication number: DE2636048A1
Application number: DE19762636048
Authority: DE
Inventors: Enno Stodt
Original assignee: Voith Getriebe KG
Current assignee: Voith Getriebe KG
Priority date: 1976-08-11
Filing date: 1976-08-11
Publication date: 1978-02-16
Also published as: FR2393186B1; FR2393186A1; DE2636048C3; GB1544379A; US4135772A; DE2636048B2; CH622057A5

Description

G 3433 3 Voith Getriebe KG

Kennwort: "Bohrturbinenlagerung" Heidenheim (Brenz)

Lagerstuhl für Bohrturbinen

Die Erfindung betrifft einen Lagerstuhl für Bohrturbinen, bei dem neben dem Turbinenlager mehrere Wälzlager axial nebeneinander und durch dazwischen liegende federnde Zwischenringe mit Abstand voneinander auf einer Bohrwelle angeordnet sind.

Die Schnittkräfte beim Bohren erzeugen einen Axialschub, der jedoch nicht sicher kontrollierbar ist, da er wesentlich vom Gefühl der Bedienung und der Bodenbeschaffenheit abhängt. Das Gewicht des Turbinenläufers und eventuell ein zusätzlicher hydraulischer Axialschub werden von dem Turbinenlager aufgenommen. Der Axialschub durch die Schnittkräfte ist dem Schub durch das Gewicht des Turbinenläufers entgegengerichtet. Da jedoch der Axialschub durch die Schnittkräfte wesentlich höher ist, müssen diese Kräfte von mehreren Wälzlagern aufgenommen werden. Die Anordnung von mehreren Wälzlagern nebeneinander ist deshalb erforderlich, weil der in radialer Richtung begrenzte Raum kein entsprechend stark dimensioniertes Lager zuläßt. Aus diesem Grunde müssen die auftretenden Schnittkräfte auf mehrere kleine Lager verteilt werden. Bisher hat man dabei zur Lastverteilung auf die Wälzlager zwischen diesen federnde Zwischenringe angeordnet. Dabei kam es trotz übereinstimmender Auslegung der Lebensdauer der Lager zu vorzeitigen Ausfällen einzelner Lager. Dadurch verringerte sich die Standzeit des Lagerstuhles erheblich, was sich bei den bekanntlich hohen Bohrkosten sehr nachteilig auswirkte.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Lagerstuhl für Bohrturbinen eine gleichmäßigere Auslastung der Lager und damit eine längere Standzeit des Lagerstuhles zu erreichen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die federnden Zwischenringe zum Ausgleichen von unterschiedlichen axialen Lagerspielen und damit zur gleichmäßigeren Kraftverteilung auf die

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Wälzlager einen Kennlinienbereieh (P, s) aufweisen, in dem der Kraftverlauf über dem Weg annähernd konstant ist, und daß die federnden Zwischenringe derart ausgebildet sind, daß in deren Kennlinienbereieh der konstante Kraftverlauf von dem dem ersten Lager zugeordneten federnden Zwischenring - von der Bohrturbine aus gesehen - bis hin zu dem dem letzten Lager zugeordneten federnden Zwischenring stufenweise zunehmend bei höherer Krafteinwirkung eintritt.

Es wurde nämlich folgende Ursache für die ungleichmäßige Lagerbelastung ermittelt: Federnde Zwischenringe weisen in üblicher Weise einen Kennlinienverlauf auf bzw. werden in üblicher Weise in einem Kennlinienbereieh betrieben, in dem mit zunehmendem Weg auch die Kraft ansteigt. Diese Kraft wird dabei an das dem Zwischenring zugehörige Lager weitergegeben. In den Wälzlagern herrschen jedoch innerhalb der Toleranzgrenzen unterschiedliche Lagerspiele. Bevor nun die federnden Zwischenringe bei Auftreten eines Axialschubes ansprechen oder bei entsprechender Vorspannung weiter belastet werden, muß erst dieses Lagerspiel in einem Wälzlager beseitigt werden, d. h. es tritt ein Leerweg (s _T) auf. Dieser

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Leerweg (s ) ist nun innerhalb der Toleranzgrenze unbestimmt. Dadurch ergeben sich bei den federnden Zwischenringen, die in üblicher Weise innerhalb des ansteigenden Kennlinienbereiches verwendet werden, für die einzelnen Lager unterschiedliche Belastungen. Im Extremfall kann es dabei sogar so sein, wenn der Leerweg (s ) größer als der Gesamtweg (s ) durch den Axialschub

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ist, daß ein Lager überhaupt nicht trägt. Dadurch tritt entsprechend eine überbelastung in anderen Lagern auf.

Erfindungsgemäß werden nun die federnden Zwischenringe in einem Bereich eingesetzt, in dem der Kraftverlauf über dem Weg annähernd konstant ist. Dadurch daß die relative Lage dieses konstanten Kraftverlaufes von dem ersten federnden Zwischenring bis hin zu dem letzten stufenweise.zunehmend bei höherer Krafteinwirkung eintritt, wird eine gleichmäßige Lagerbelastung für alle Lager erreicht. Auch bei unterschiedlich großen Lagerspielen und damit

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unterschiedlichen Leerwegen (s ) wird eine gleichmäßige Auslastung der Lager erreicht, weil auch bei unterschiedlichen Wegen die Kraft auf die Zwischenringe und damit auf die dazugehörigen Lager konstant ist. Zusätzlich ist es dabei erforderlich, daß dieser, konstante Ast des Kennlinienbereiches von dem ersten Zwischenring bis zu dem letzten Zwischenring stufenweise entsprechend höher liegt, damit die Lager nacheinander entsprechend der vom ersten Lager übriggelassenen "Restkraft" gleichmäßig belastet werden,

Durch den auftretenden Axialschub werden die federnden Zwischenringe ähnlich wie bei einem Zug mit mehreren Waggons nacheinander zusammengeschoben bzw. verpreßt und die Lager entsprechend nacheinander belastet.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß die Lage des konstanten Kraftverlaufes von Zwischenring zu Zwischenring progressiv ansteigend ausgelegt ist. Durch diese Maßnahme läßt sich die Standzeit des Lagerstuhles noch weiter erhöhen. Dies kommt daher, weil nicht stets ein maximaler Axialschub auftritt, bei dem sämtliche Lager belastet werden. Bei kleineren Axialschüben wird nur das erste bzw. werden nur die ersten Lager belastet, während die übrigen Lager leer mitlaufen. Dadurch, daß man nun die ersten Lager weniger stark belastet und somit die übrigen Lager früher zum Betrieb unter Last zwingt, wird erreicht, daß der Betrieb unter Last für die Lager ausgeglichener wird.

Eine vorteilhafte Ausfuhrungsform für die federnden Zwischenringe besteht darin, daß sie U-profilförmige Gestalt aufweisen.

Erfindungsgemäß ist dabei ferner vorgesehen, daß der Kennlinienbereich mit dem konstanten Kraftverlauf die Fließgrenze ist. Durch entsprechende Dimensionierung der federnden Zwischenringe und gegebenenfalls durch empirische Ermittlungen läßt sich damit der Bereich, in dem Wegve-größerungen keine Erhöhung der Kraft mehr verursachen, ziemlich genau festlegen.

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Eine einfache erfindungsgemäße Lösung ist dabei, wenn zumindest ein Teil der federnden Zwischenringe mit Durchbrechungen versehen ist, wobei die Durchbrechungen von dem dem ersten Lager zugeordneten Zwischenring ausgehend in Richtung zu dem letzten Zwischenring hin abnehmen. Dadurch wird erreicht, daß bei gleicher Profil- und Querschnittsform der Zwischenringe der Bereich mit dem konstanten Kraftverlauf in unterschiedlicher Höhe erreicht wird. In einfacher Weise sind die radialen Durchbrechungen als unterschiedlich große Bohrungen ausgebildet.

Statt der Zwischenringe mit U-profilförmiger Gestalt können erfindungsgemäß auch Tellerfedern verwendet werden, in deren Federkennlinie ein Abschnitt mit einem konstanten Kraftverlauf vorhanden ist.

Nachfolgend sind zwei Kraft-Wegdiagramme und ein Ausführungsbeispiel beschrieben, durch die die Erfindung näher erläutert wird und aus denen weitere erfindungsgemäße Merkmale hervorgehen.

Es zeigen:

Figur 1; Kraft-Wegdiagramm eines Zwischenringes nach dem Stand der Technik

Figur 2: Kraft-Wegdiagramm eines erfindungsgemäßen Zwischenringes

Figur 3: Schnitt durch den erfindungsgemäßen Lagerstuhl.

In der Figur 1 ist auf der Ordinate die Kraft P und auf der Abszisse der Weg s angegeben. Die Kennlinie 1 eines federnden Zwischenringes hat in diesem Diagramm einen bestimmten Verlauf.

Mit s ist der Gesamtweg bezeichnet, der aufgrund eines bestimmten Axialschubes austritt. Eine Kraft auf den federnden Zwischenring wird jedoch erst nach Überwindung des Lagerspieles s _ aus-

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geübt. Je nach Größe des Lagerspieles und damit des Leerweges setzt die Krafteinwirkung auf den federnden Zwischenring ein.

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In dem Diagramm ist die Federkennlinie für einen Leerweg s .. und St₂ ^an<3^e(J^eken. Die Kennlinie 2 des federnden Zwischenringes, deren relativer Verlauf stets konstant bleibt, ist dabei strichpunktiert angegeben. Wie sich aus dem Diagramm entnehmen läßt, tritt für den Gesamtweg ε „ bei unterschiedlichen Leerwegen eine unterschiedliche Krafteinwirkung auf den Zwischenring auf. Im Extremfall kann dies soweit gehen (wenn s _ >■ s _), daß überhaupt keine Krafteinwirkung und damit überhaupt keine Lagerbelastung für das dazugehörige Lager auftritt.

Erfindungsgemäß wird nun wie in Figur 2 angegeben, das Kraft-Wegverhältnis so ausgelegt, daß bei einem entsprechenden Axialschub mit einem Weg s _ die Kraft annähernd konstant bleibt. Wie in Figur 1 angegeben, hat man sich beim Stand der Technik bisher stets in dem Bereich I bewegt. Erfindungsgemäß wird nun der federnde Zwischenring in dem Bereich II eingesetzt. Hierzu ist es lediglich erforderlich, dafür zu sorgen, daß s _> s + s _v. Dabei ist s der Weg des Zwischenringes bis in den Bereich II konstant.

Durch diese Auslegung des Zwischenringes wird erreicht, daß von einem bestimmten Axialschub aus, entsprechend der vorgewählten Höhe, bei dem der konstante Kraftverlauf eintreten soll, unabhängig von AxialSchuberhöhungen stets die Kraft auf den Zwischenring und damit auf das dazugehörige Lager konstant ist.

In der Figur 3 ist der Lagerstuhl im Schnitt dargestellt. Der Bohrkopf 3 mit der Bohrwelle 4 wird von einer Bohrturbine 5 (nur zum Teil dargestellt) aus angetrieben. Das Gewicht der Bohrturbine und der dazugehörigen Teile wird von einem Turbinenlager 6 aufgenommen. Der Axialschub durch die Schnittkräfte wird durch Kugellager 7, 8, 9 und 10 aufgefangen. Zwischen den Kugellagern 7 bis 10 befinden sich drei Zwischenringe mit U-profilförmiger Gestalt 11, 12 und 13. Der Zwischenring 11 weist an seinen Schenkeln über den Umfang verteilt Bohrungen 14 auf. Desgleichen besitzt der Zwischenring 12 Bohrungen 15, wobei jedoch die Bohrungen 15 im

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Vergleich zu den Bohrungen 14 des Zwischenringes 11 kleiner oder weniger sind. Dadurch ist die Fließgrenze des Zwischenringes 12 höher als die des Zwischenringes 11. Der Zwischenring 13, der keine Bohrungen aufweist,, hat die höchste Fließgrenze.

Zur Überbrückung der unterschiedlichen Lagertoleranzen und damit unterschiedlicher Leerwege bei Auftreten von Axialschüben wird die Lastverteilung auf die einzelnen Lager mit den plastisch verformbaren Zwischenringen 11 - 13 gesteuert. Bei loser Montage ist nur das Kugellager 7 spielfrei. Bei starken Axialschüben wird der erste Zwischenring 11 verformt, bis das Kugellager 8 anliegt. Durch weitere Druckerhöhung wird dann der Zwischenring verformt, bis das Kugellager 9 spielfrei sitzt, und so fort. Wenn das Kugellager 10 spielfrei gedrückt ist, kann bei weiterer Lasterhöhung nur noch dieses letzte Lager die zusätzliche Belastung aufnehmen.

Geht man nun von einem beispielhaften Wert von 30 t als Axialschub durch die Schnittkräfte aus, so ergibt sich daraus für eine gleichmäßige Lagerbelastung für jedes Lager 7,5 t. Der erste Zwischenring 11 muß also bei 7,5 t die Fließgrenze erreichen. Eine weitere Belastung für das erste Lager 7 ist somit nicht mehr möglich und der zweite Zwischenring 12 kommt zusammen mit dem Lager 8 zum Einsatz. Damit auch das Kugellager 8 mit 7,5 t belastet wird, muß der zweite Zwischenring 12 sich bei 15t plastisch verformen und der dritte Zwischenring 13 bei 22,5 t.

Werden die Lager wieder entlastet, so tritt zwar aufgrund der Überschreitung der Fließgrenze in den Zwischenringen 11 - 13 eine Hysterese auf, aber dies stört nicht die Funktion. Eine weitere Steigerung der Lebensdauer der Lager kann jedoch erreicht werden, wenn die Fließgrenzen der Zwischenringe 11 - 13 progressiv gestuft werden, z. B. Zwischenring 11 bei 6 t, Zwischenring 12 bei 14 t und Zwischenring 13 bei 23 t.

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Bei kleineren Axialschüben laufen die hinteren Lager ohne Belastung leer mit und nur das erste Kugellager 7 und gegebenenfalls auch das Kugellager 8 tragen alleine. Durch diese progressive Abstufung wird erreicht, daß die hinteren Lager früher zum Einsatz kommen. Deren höhere Belastung wird durch eine geringere Laufdauer ausgeglichen.

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Claims

G 3433 Voith Getriebe KG

Kennwort: "Bohrturbinenlagerung" Heidenheim (Brenz)

Patentansprüche

Lagerstuhl für Bohrturbinen, bei dem neben dem Turbinenlager mehrere Wälzlager axial nebeneinander und durch dazwischenliegende federnde Zwischenringe mit Abstand voneinander auf einer Bohrwelle angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die federnden Zwischenringe (11, 12, 13) zum Ausgleichen von unterschiedlichen axialen Lagerspielen und damit zur gleichmäßigeren Kraftverteilung auf die Wälzlager (7, 8, 9, 10) einen Kennlinienbereich (P,s) aufweisen, in dem der Kraftverlauf über dem Weg annähernd konstant ist, und daß die federnden Zwischenringe (11, 12, 13) derart ausgebildet sind, daß in deren Kennlinienbereich der konstante Kraftverlauf von dem dem ersten Lager (7) zugeordneten federnden Zwischenring (11) - von der Bohrturbine (5) aus gesehen - bis hin zu dem dem letzten Lager (10) zugeordneten federnden Zwischenring (13), stufenweise zunehmend bei höherer Krafteinwirkung eintritt.
2. Lagerstuhl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage des konstanten Kraftverlaufes von Zwischenring (11) zu Zwischenring (13) progressiv ansteigend ausgelegt ist.
3. Lagerstuhl nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die federnden Zwischenringe (11, 12, 13) U-profilförmige Gestalt aufweisen.
4. Lagerstuhl nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kennlinienbereich mit dem konstanten Kraftverlauf die Fließgrenze ist.
5. Lagerstuhl nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der federnden Zwischenringe (11, 12, 13) mit Durchbrechungen (14, 15) versehen ist, wobei

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die Durchbrechungen von dem dem ersten Lager (7) zugeordneten Zwischenring (11) ausgehend in Richtung zu dem dem letzten Lager (10) zugeordneten Zwischenring (13) hin abnehmen.
6. Lagerstuhl· nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die radialen Durchbrechungen als unterschiedlich große Bohrungen (14, 15) ausgebildet sind.
7. Lagerstuhl nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als federnde Zwischenringe (11, 12, 13) Tellerfedern verwendet werden, in deren Federkennlinie ein Abschnitt mit einem konstanten Kraftverlauf vorhanden ist.

Heidenheim, 05.08.76
Lo/ABu

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