DE3132288A1

DE3132288A1 - Vorrichtung und verfahren zum verbinden und loesen von rohrkoerpern

Info

Publication number: DE3132288A1
Application number: DE19813132288
Authority: DE
Inventors: Donald E. 70506 Lafayette La. Mosing
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1980-09-16
Filing date: 1981-08-14
Publication date: 1982-05-13
Also published as: US4372026A; GB2084062A; JPS5777790A; DK272081A; FR2494337A1; NO813139L; SE8103721L; NL8102344A

Description

O I O /. L O

Die Erfindung betrifft Vorrichtungen zum Verbinden oder Lösen von mit Gewinde versehenen Rohrkörpern und dergleichen und insbesondere eine Vorrichtung, mittels welcher Rohrverbindungen hergestellt und gelöst werden können, ohne dass eine Verformung oder dergleichen der Rohrkörper stattfindet, da dei— artige Verformungen oder Eingriffe die Festigkeit, das Erscheinungsbild oder die Fähigkeit der sicheren Verwendung beeinträchtigen könnten.

Vorrichtungen zum Verbinden und Lösen und/oder zum Zusammenschrauben oder zum Aufdrehen von Rohrkörpern, so von Rohrverbindern und dergleichen, sind allgemein bekannt. Beim Tiefbohren werden Vorrichtungen verwendet, mit welchen Abschnitte von Rohren oder anderen länglichen Elementen, so von Bohrgestängen, Bohrlochauskleidungen, Förderleitungen, von Saugrohren etc. miteinander verbunden oder voneinander gelöst werden. Aus diesem Grunde wird auf all derartige Teile mit der Bezeichnung "Rohr" Bezug genommen. Während des Bohrens, der Fertigstellung und während der Wartung von Tiefbohrungen, welche zum Beispiel für die Erdölförderung benutzt werden, werden Rohrlängen miteinander verbunden, um dadurch einen Rohrstrang entstehen zu lassen, welcher für die jeweiligen Zwecke in das Bohrloch abgesenkt wird. Nach Entnahme eines Bohrstranges aus dem Bohrloch ist es erforderlich, die einzelnen Verbindungen des Rohres jeweils zu lösen. Beim Verbinden und Lösen von Verbindungen ist es erwünscht, eine kraftgetriebene Einrichtung zur Verfügung zu haben, welche in der Lage ist, verhältnismässig hohe Drehmomente an den Rohrverbindungen anzulegen, insbesondere während des Lösens der Gestängeverbindungen. In der Erdölindustrie werden derartige

kraftgetriebene Einrichtungen als Rohrzangen bezeichnet. Diese Rohrzangen sind während der letzten Jahre in zunehmendem Maße entwickelt worden. In den meisten Fällen enthalten dei— artige Rohrzangen Zähne, welche in die Aussenfläche eines Rohres eindringen, um mit dem Rohr einen Eingriff herbeizuführen. Derartige Zähne sind an Einsätzen ausgebildet, welche als Greifer oder Klauen bezeichnet werden, wobei die Zähne beim Eingriff in das Rohr dieses mit hoher Kraft verformen. In den meisten Fällen werden die Greifer oder Zähne von Rohrzangen mittels kraftgetriebener Nockenelemente und mittels anderer mechanischer Kraftverstärker angetrieben, um einen wirksamen Eingriff mit dem Rohr zu erhalten, derart, dass zum Drehen des Rohres ein ausreichend hohes Drehmoment zur Verfugung steht.

Es ist bekannt, dass Rohrabschnitte eine beträchtlich verminderte Festigkeit besitzen, wenn das Rohr während des Betriebs öfters gekerbt wird, so beim Aufdrehen oder beim Lösen von Gewinden. Die durch Rohrzangen ausgeübten Kräfte können auch zu einer beträchtlichen Stauchung des Rohres führen, wobei durch Spannungsrisse die funktionellen Fähigkeiten des Rohres beträchtlich reduziert werden. Es ist infolgedessen erwünscht, einen kraftgetriebenen Mechanismus zur Verfugung zu haben, welcher sich zum Herstellen oder zum Lösen von Rohr-Gewindeverbindungen eignet und mit welchem ein beträchtliches Drehmoment am Rohr angelegt werden kann. Dennoch soll ein Kerben oder Quetschen des Rohres verhindert werden, derart, dass die ursprüngliche Festigkeit des Rohres trotz der Betätigungen beim Herstellen und beim Lösen der Gewindeverbin-

düngen im wesentlichen unverändert bleibt. Da das Rohr beim Bohren, bei der Fertigstellung des Bohrlochs und bei der Wartung öfters verwendet wird, ist es in hohem Maße erwünscht, Zerstörungen am Rohr auf ein Mindestmaß herabzusetzen, um dadurch eine erhöhte Lebenserwartung für diese Rohre zu erreichen.

Davon ausgehend besteht die Aufgabe der Erfindung darin, einen neuartigen, kraftgetriebenen Mechanismus zu schaffen, mit welchem ohne Zerstörung des Rohres das Zudrehen und Aufdrehen von Rohrverbindungen möglich ist.

Gemäss der Erfindung werden zur Lösung der Aufgabe Antriebselemente in drehbaren Eingriff mit dem Rohr gebracht, wobei Steuer- und Nockeneinrichtungen von im wesentlichen gleichförmiger Krümmung in Form sogenannter Bewegungskurven oder Antriebskurven in Reibeingriff mit dem Rohr gebracht werden, ohne dass diese Nocken- und Steuereinrichtungen in die Aussenfläche des Rohres eindringen oder dieses auf sonstige Weise verformen oder in der Festigkeit schwächen.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert.

Fig. 1 ist eine Draufsicht eines kraftgetriebenen Rohrzangenmechanismus nach der Erfindung unter Darstellung mehrerer gleichförmige Krümmung bzw. gleichförmigen Bogenverlauf aufweisender Nockenelemente in ihrer Eingriff slagej

Fig. 2 ist eine Teilschnittansicht des kraftgetriebenen Rohi— zangenmechanismus nach Fig. 1 unter Darstellung mehrerer gleichförmige Krümmung aufweisender Nockenelemente, die in Eingriffslage ein Rohr vollständig umschliessen, um dieses in eine Verbindung zu bringen oder aus dieser Verbindung zu lösen;

Fig. 3 ist eine Teilschnittansicht der Vorrichtung nach Fig. 1 und 2 unter Darstellung der gleichförmige Krümmung aufweisenden Nockenelemente in zurückgezogener Position, d.h. in gelöster Lage vom Rohr;

Fig. 4 ist eine in Draufsicht wiedergegebene Einzelansicht der oberen Halteplatte;

Fig. 5 ist eine Schnittansicht von Linie 5-5 in Fig. 4 unter Darstellung der Einzelheiten der Halteplatten;

Fig. 6 ist eine graphische Darstellung eines eine gleichförmige Bewegung vermittelnden Nockenelementes nach der Erfindung;

Fig. 7 ist eine Seitenansicht eines der Nockenelemente nach den Fig. 2 und 3 unter Darstellung der verschiedenen Bestandteile des Nockenelementes;

Fig. 8 ist eine Endansicht des in Fig. 7 dargestellten Nockenelementes unter Darstellung der entgegengesetzt angeordneten gleichförmigen Nockenflächen;

Fig. 9 ist eine Darstellung einer weiteren Ausführungsform nach der Erfindung unter Darstellung von am Rohr anliegenden Rollelementen, welche mittels Bewegungskurven gleichförmiger Krümmung angetrieben werden, wobei diese Kurven an einem umgebenden Bauteil ausgebildet sind;

Fig. 10 ist eine Ansicht einer weiteren Ausführungsform nach der Erfindung, bei welcher mehrere Wälzkörper oder Rollen unterschiedlicher Grosse mittels Nockenkurven angetrieben werden, derart, dass die Wälz- oder Rollelemente einen Eingriff mit dem zu verbindenden oder zu lösenden Rohr eingehen;

Fig. 11 ist eine weitere Ausführungsform nach der Erfindung, bei welcher mehrere Wälz- oder Nockenelemente durch Drehung eines Gehäuseaufbaues in einer Richtung betätigt werden, wobei der Gehäuseaufbau mehrere gleichförmige Nocken-Bewegungskurven enthält, welche eine Antriebsbeziehung mit den Wälz- oder Rollelementen herstellen;

Fig. 12 ist eine Draufsicht eines mit Keil elementen versehenen Mechanismus nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; und

Fig. 13 ist eine Einzelansicht einer weiteren Ausführungsform nach der Erfindung unter Darstellung eines weiteren mit Reibung eingreifenden Mechanismus zum Verbinden und zum Lösen von Rohren.

In Fig. 1 der Zeichnung ist ein erfindungsgemässer Mechanismus

10 zum Verbinden von Rohren und zum Lösen von Rohren dargestellt. Der Verbindungs- und Lösemechanismus enthält ein in der Mitte befindliches drehbares Antriebszahnrad 11, an welchem sich ein ausserer Zahnring 12 befindet und sich von diesem mit Zähnen 16 nach aussen erstreckt. Die Zähne 16 befinden sich im Eingriff mit den Zähnen von Antriebszahnrädern 13, welche Bestandteil eines herkömmlichen Getriebezuges T mit einem Antriebsmotor M beliebiger Auslegung sind. Der Zahnring 12 kann materialeinheitlich mit dem Antriebszahnrad 11 sein, er kann alternativ auch mit bekannten Mitteln mit dem Antriebszahnrad

11 verbunden sein.

In den Fig. 1 und 2 ist ein Verbindungs- und Lösemechanismus in einer Position über dem gebohrten Loch dargestellt, wobei sich ein Rohr bzw. Gehäusekörper durch die Mittelöffnung des Mechanismus erstreckt. Der Rohrzangenmechanismus nach der Erfindung kann auch als System für seitliche Öffnungen verwendet werden, wodurch Querbewegungen in Eingriff mit einem Rohr ermöglicht sind.

Gemäss Fig. 2 und 3 befindet sich das Antriebszahnrad 11 drehbar innerhalb eines Gehäuses 18, welches obere und untere Gehäuseplatten 20 und 22 mit einem oder mehreren seitlichen Wandkörpern 24 und 26 enthält. Die Gehäuseplatten 20 und 22 können von identischer Form sein, wobei die Innenbereiche ausgeschnitten sind und die Mittel öffnungen 28 und 30 bilden.

Mehrere Führungselemente, wie bei 31 und 32 dargestellt, sind mittels Gewindebolzen 34 mit den Gehäuseplatten 20und 22 verbunden. Die Gewindebolzen bzw. Schrauben 34 erstrecken sich

durch Öffnungen 36 der entsprechenden Gehäuseplatten. Muttern- und Scheibenanordnungen 38 sind von den Gewindebolzen 34 aufgenommen, so dass die Führungselemente 30 und 32 in unbeweglicher Anordnung bezüglich der Gehäuseplatten geführt sind. Der Zahnring 12 bildet obere und untere ringförmige Führungsnuten 40 und 42, innerhalb welchen die Führungselemente 30 und 32 aufgenommen sind, wodurch eine Führungs- und Haltefunktion für den Zahnring 12 besteht, wenn sich dieser innerhalb des Gehäuses dreht. Ein Getriebezug mit Zahnrädern 13 ist in Fig. 2 dargestellt. Diese können die in Fig. 1 dargestellte Form einnehmen, wobei sich die Zahnräder 13 in Antriebseingriff mit den Zähnen 16 des Zahnringes 12 befinden und in der Lage sind, dem Zahnring eine reversible Drehbewegung zu erteilen. Anstelle des in Fig. 1 dargestellten Getriebezuges können auch andere Zahnrad-Antriebsmechanismen vorgesehen sein und in die Zähne 16 des Zahnringes eingreifen.

Der Gehäuse- und Zahnradaufbau bildet zusammen mit den anderen Bauteilen eine Mittelöffnung 48, innerhalb welcher ein Rohr 50 aufgenommen werden kann. Es ist erwünscht, einen Friktionseingriff zwischen dem Rohr und dem Greifmechanismus herbeizuführen, ohne das Rohr zu beschädigen bzw. zu kerben oder zu schwächen. Dabei soll wahlweise die Drehrichtung des Rohres bestimmt werden können, um das Verbinden und das Lösen von Rohren vornehmen zu können. Es ist ausserdem erwünscht, den am Rohr angreifenden Mechanismus mit einem wirksamen Steuerungssystem zu versehen, mit welchem es möglich ist, einen optimalen Eingriff mit dem Rohr zu erreichen, wobei dennoch verhindert werden soll, dass eine Rohrkollision, ein Kerben, ein Verformen oder Stauchen stattfinden kann, es

soll also ermöglicht sein, eine Zerstörung und Schwächung des Rohres zu vermeiden, wodurch dieses für nachfolgenden Gebrauch nicht mehr geeignet wäre. Um dies zu erreichen, sind an den oberen und unteren Zahnringen 52 und 54 ringförmige Führungsnuten 56 und 58 als auch Bolzenöffnungen 60 und 62 vorgesehen, wobei sich die Bolzenöffnungen innerhalb der entsprechenden Führungsnut erstrecken. Mehrere Bolzen oder Schraubelemente 64 und 66 erstrecken sich durch die Öffnungen 60 und 62 und sind in Gewindeöffnungen 68 und 70 aufgenommen. Diese Gewindeöffnungen sind unter gleichförmigem Abstand an den oberen und unteren Teilen des Antriebszahnrades 11 vorgesehen. So können sich die Zahnringe 52 und 54 zusammen mit dem Antriebszahnrad drehen.

Ein Paar oberer und unterer Führungsplatten 72 und 74 sind relativ zu den Zahnringen 52 und 54 bewegbar und bilden mehrere Öffnungen 76 und 78, durch welche sich Gewindezapfen 80 und 82 erstrecken, um die Führungselemente 84 und 86 im wesentlichen unbeweglich bezüglich der entsprechenden Führungsplatte zu haltern. Die Führungselemente 84 und 86 sind innerhalb der Führungsnuten 56 und 58 aufgenommen und vermitteln eine Verbindung mit den Zahnringen und mit den Führungsplatten, wobei dennoch eine Relativbewegung zugelassen ist. Muttern- und Scheibenanordnungen 88 und 90 sind von den entsprechenden Gewindezapfen 80 und 82 aufgenommen und dienen dazu, die Führungselemente unbeweglich bezüglich der Führungsplatten zu halten.

Die inneren Umfangsteile der Zahnringe 52 und 54 bilden innere Zähne 92 und 94, die von gegenüberliegenden Ritzelteilen 96 und 98 mehrerer am Rohr anliegender Nockenelemente 100 ergriffen sind. Jedes der Nocken- oder Steuerelemente 100 ist materialeinheitlich ausgebildet und weist einen in der Mitte befindlichen Nockenteil 102 auf, welcher Drucklagerteile 104 und 106 enthält. Die Angriffsflächen, welche die Nockenteile 102 bilden, sind glatt und von zahnfreier Ausgestaltung, sie können jedoch auch nach Wunsch mit Nuten versehen oder gekerbt sein, um Staub, Abfall etc. aufzunehmen, derart, dass glatte Anlageflächen bestehen. Die den Nockenteil 102 bildenden Angriffsflächen schneiden jedoch nicht in die Aussenfläche der mit Gewinde versehenen Rohrkörper ein, da sie infolge ihrer Konfiguration und Beziehung in ausreichendem Maße an den Rohrkörpern einwirken, um das Verbinden und Lösen der Rohrkörper durchführen zu können. Die Drucklagerteile 104 und 106 liegen an Druckflächen 108 und 110 der Zahnringe 52 und 54 an, wodurch eine zu starke D ruck bei astung der Zähne der Zahnringe und der Ritzel vermieden wird. An den entgegengesetzten Enden der Nockenelemente 100 sind Zapfen- oder Achsenelemente 112 und 114 vorgesehen, welche innerhalb von Öffnungen 116 und 118 aufgenommen sind. Die Öffnungen sind in den entsprechenden Führungsplatten 72 und 74 vorgesehen.

Wie im vergrösserten Maßstab in den Fig. 4 und 5 dargestellt ist, ist in den Führungsplatten je ein bogenförmiger Schlitz 120

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vorgesehen, der sich etwa auf 30 entlang eines Aussenteils der entsprechenden Führungsplatte erstreckt und geeignet ist, mit Öffnungen 122 und 124 in den Zahnringen zusammenzuwirken.

Die Öffnungen 122 und 124 sind um 30 zueinander versetzt, so dass sie in Fluchtung sind mit den Bogenenden des Schlitzes 120. Je nach der erwünschten Drehrichtung zum Zwecke des Verbindens oder Lösens des Rohres erstreckt sich ein Stift durch dan bogenförmigen Schlitz 120 und wird in einer der Öffnungen 122 und 124 aufgenommen, was vom erwünschten Drehsinn abhängt. So können sich die Führungsplatten 72 und 74 um

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30 in einer Richtung drehen, welche durch Positionierung des Steuerstifts festgelegt ist. Diese 30 -Drehbewegung reicht aus, um eine 180 -Drehung der Nockenelemente 100 auszulösen. Die Nockenelemente werden in die maximal nach innen gerichtete Position gedreht, wenn die maximal mögliche 30 -Drehung der Zahnringe 52 und 54 relativ zur Führungsplatte in einer der gewünschten Richtungen stattfindet. Eine derartig gesteuerte Relativdrehung der Führungsplatten und der Zahnringe ist im Rahmen der Erfindung nicht als begrenzend aufzufassen.

Das Rohrzangensystem ist mit einem Widerstands-Bremssystem versehen, um eine erwünschte Drehung der Führungsplatten relativ zu den Zahnringen vollführen zu können, derart, dass die Drehung der Nockenelemente 100 ausgelöst werden kann. Gemäss Fig. 3 ist ein Bremsring 123 in geeigneter Weise am Aussenumfang der Führungsplatten angebracht. Ein Friktions-Bremsband 125 ist dem Bremsring gegenüberliegend ausgerichtet und wird durch einen geeigneten Bremsbetätigungsmechanismus 127 beaufschlagt, um eine durch Reibung induzierte Verzögerungskraft auf den Brems ring auszuüben. Wenn eine derartige Verzögerung mit Hilfe des Bremssystems ausgeübt wird, dann werden die Führungsplatten 72 und 74 verzögert, wodurch der Zahnradantriebsmechanis-

mus der Zahnringe und der NockenroUen die Nockenelemente bzw. NockenroUen in Richtung der Antriebs- oder Freigabepositionen auslöst.

Der Steuerstift bildet einen Bestandteil eines Bremssystems, d.h. der Steuerstift wählt die Betätigungsrichtung aus, um das Verbinden oder Lösen der Rohrkörper vollführen zu können.

Der Innenumfang jeder der Füh rungs platten 72 und 74 ist mit nach oben und nach unten gerichteten Rändern bzw. Kanten 126 und 128 versehen, welche schräg zulaufende Führungsflächen 130 und 132 bilden. Diese Flächen führen das Rohr, wenn es in die Mittel öffnung 48 eingeführt wird.

Wenn die Führungsplatten 72 und 74 relativ zu den entsprechenden Zahnringen 52 und 54 bewegt werden, dann ruft diese Relativbewegung eine Drehung der entsprechenden Ritzel 96 und 98 hervor, da ein Zahn rad eingriff zwischen den Ritzeln und den inneren Zähnen der Zahnringe besteht. Wenn dies der Fall ist, dann werden die Rollen bzw. Nockenelemente 100 gedreht, derart, dass der Nockenteil 102 in Eingriff mit dem entsprechenden Rohr 50 gelangt oder sich aus diesem Eingriff löst. In Fig. 2 sind die Nockenteile 102 der Nockenelemente 100 nach Drehung in Eingriff sbeziehu ng mit dem Rohr 50 wiedergegeben, wobei die Drehrichtung so liegt, dass das Rohr 50 vom Rohrverbindungsstück eines unteren Rohrabschnitts abgedreht wird, wenn die Drehung fortgesetzt wird, die durch den Pfeil am unteren Teil der Figur wiedergegeben ist. Wenn in entgegengesetzter Richtung gedreht wird, dann drehen sich die Ritzel 96 und 98 entgegengesetzt ge-

richtet, derart, dass die Nockenflächen der Nockenteile 102 so am Rohr angreifen, dass bei weiterer Drehung die Gewindeverbindung zwischen den Rohrverbindungsteilen bzw. Gewinden herbeigeführt wird.

Wie vorstehend erwähnt ist, ist es während des Rohrverbindens und während des Lösens sehr erwünscht, eine Rohrkollision zu verhindern. Es ist auch erwünscht, dass das Rohr während des Verbindens und während des Lösens verhältnismässig ungekerbt bleibt, um eine möglichst hohe Anzahl von Verwendungen des Rohres zu ermöglichen oder um infolge möglichst geringer Beschädigung einen hohen Wiederverkaufswert zu erzielen*

Dies wird gemäss der Erfindung durch die Nockenelemente ei— reicht, deren Nockenflächen hinsichtlich ihrer Schräge oder Steigung gleichförmig verlaufen, wobei die Schräge der gekrümmten Fläche am Kontaktpunkt mit den Rohrkörpern einer Veränderung im Bereich von 0 bis 20 unterliegt. In Fig. 6 sind graphisch Bewegungskurven 134 und 136 um einen Kreis 138 gebildet dargestellt. Der Kreis 138 besitzt den Mittelpunkt 140. Jede der Bewegungs-Steuerkurven 134 und 136 wird an einem Punkt 142 entlang des Kreises 138 erzeugt und kann am Punkt 144 die jeweils andere Kurve schneiden, nachdem bezüglich des Mittelpunktes 140 des Kreises ein Bogenbereich von

180 zurückgelegt ist. Vorteilhafterweise erstreckt sich die Bewegungskurve nur teilweise um den Kreis 138, wobei gewöhnlich derjenige Teil der Kurve, welcher nicht zur Anlage am Rohr dient, als exzentrische Kurve gewöhnlicher Form ausgebildet sein kann.

In Fig. 7 ist mit A derjenige Teil der Krümmung oder Kurve dai— gestellt, welcher gleichförmig verlaufend die Aussenfläche des Nocken bildet und an das Rohr anzulegen ist. Über die gestrichelt dargestellte Linie hinaus erstreckt sich der Teil B, welcher gewöhnliche exzentrische Form besitzt. Dieses Merkmal geht klar aus Fig. 8 der Zeichnung hervor, wobei eine gewöhnliche exzentrische Fläche oder Kurve B zwischen den Punkten 146 und 148 gebildet ist, während die einen gleichförmigen Kurvenverlauf aufweisenden Flächen 136 und 138 am Punkt 142 beginnen und sich bis zu den Punkten 146 und 148 erstrecken. Wie durch die gestrichelte Linie 150 dargestellt ist, weicht eine Fortsetzung der gewöhnlichen exzentrischen Flächen von den Bewegungs-Kurvenflächen des Teils B ab. Die sogenannte Bewegungs-Kurvenfläche bildet einen konstanten Winkel, der sich innerhalb des Winkelbereiches von 0 bis 20 erstreckt, derart, dass das Nockenelement mit dem konstanten Winkel der Schräge anliegend einen kontinuierlich zunehmenden Eingriff erzeugt, wodurch das Rohr bzw. der Rohrkörper aufgedreht oder abgedreht wird. Gleichzeitig besteht eine selbstverstärkende Wirkung, wodurch die Grosse der Reibkräfte gegenüber dem Rohrkörper begrenzt bleibt und dadurch ein Eingriff in das Rohr verhindert wird, während dessen Drehung sichergestellt bleibt.

Die Bewegungskurve, welche bei der Gestaltung der Nockenflächen verwendet wird, verursacht Radialkräfte der Nocken-Rollerelemente an der Rohrfläche, deren Grosse im konstanten Verhältnis steht zur Grosse des entwickelten Drehmoments. So können die durch die Nocken- bzw. Rollenelemente am Rohr aus-

geübten Kräfte wirksam gesteuert werden, indem man die Grosse des Drehmoments bestimmt, welches am Rohr angelegt wird. Dieses Merkmal gestattet es, die Friktions-Greifkräfte am Rohr auf ein Mindestmaß herabzusetzen, so dass in gleichem Maße die Verformung oder Zerstörung der Rohrfläche auf ein Mindestmaß reduziert wird. Dennoch ist wirksames Verbinden oder Lösen der Rohrabschnitte möglich. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Steuer- oder Nockenwinkel der verschiedenen Nockenelemente konstant sind, weshalb die Radialkräfte nur von der Grosse des Drehmoments abhängen. Die die Drehmomentkapazität der Friktionsflächen oder Reibflächen des Gerätes bestimmenden Grossen besitzen als Variable den Nockenwinkel und die Radialkräfte zwischen dem Nockenelement bzw. der Rolle und der Rohrfläche. Nachdem die Grosse der Nocken- bzw. Ronenelemente festgelegt ist, dann sind die einzigen Variablen der Nocken- oder Steuerwinkel und die Radialkraft zwischen den Nockenflächen und der Rohrfläche. Hierbei verbleibt nur die Normalkraft veränderlich, so dass der Drehmomentausgang proportional ist zur Radialkraft zwischen den Nockenelementen bzw, Nockenrollen und dem Rohr. Dies ist der Vorteil der Verwendung des Bewegungs-Kurvenprinzips für die Ausgestaltung der Nockenflächen. Wie vorstehend erwähnt ist, sind die Friktions-Nockenflächen glatt gekrümmt und bilden keine Zähne, welche eine Zerstörung an der Aussenfläche des Rohres hervorrufen könnten. Die Nockenflächen können jedoch gerillt sein, um Schmutz, Rohi— spüle-Teilchen und andere Fremdteilchen aufzunehmen, wodurch abschnittsweise Friktionsflächen zum Eingriff mit dem Rohr bestehen.

Gemäss den Fig. 9 bis 13 kann die erfindungsgemässe Anordnung auch alternative Formen beinhalten. In Fig. 9 ist eine weitere Ausführungsform nach der Erfindung dargestellt und mit der Bezugszahl 152 bezeichnet. Bei dieser Ausführungsform ist ein angetriebener Zahnring 154 vorgesehen, an welchem mehrere Nocken- oder Steuerkurven 156 ausgebildet sind. In jedem Fall sind die Nockenkurven 156 durch Bewegungs-Kurvenabschnitte 158 und 160 gebildet, welche am Mittelpunkt dazwischen einen glatten Übergang besitzen, wie bei 162 dargestellt ist. Mehrere zylindrische Wälzelemente 164 sind bezüglich der Nockenflächen 156 ausgerichtet. Wenn sich die Wälzelemente oder Rollen am Mittelpunkt jeder der Nockenkurven oder nahe dieses Mittelpunktes befinden, dann sind die Rollen aus der Berührung mit dem Rohr 166 gelöst. Bei Drehung des Zahnringes 154 in einer der beiden Richtungen bewirken die Kurvenabschnitte 158 und 160, dass die Aussenfläche 168 der entsprechenden Wälzkörper in Eingriff mit dem Rohr 166 gelangen, wodurch je nach Drehrichtung ein Aufdrehen oder Abdrehen der Rohrverbindung vollzogen wird.

Eine der Ausführungsform nach Fig. 9 vergleichbare Konstruktion in Form einer Verbindungs- und Löseeinrichtung 1 70 ist in Fig. 10 dargestellt. Diese Ausführungsform verwendet einen angetriebenen Zahnring 172, welcher in diesem Fall mit drei inneren Nocken- oder Steuerkurven 174 versehen ist. Jede dieser Steuerflächen oder Steuerkurven besitzt entgegengesetzt gerichtete Kurvenabschnitte 176 und 178 von gleichförmiger Krümmung, welche um einen Mittelpunkt 180 jeder der Nockenkurven gebildet sind. Drei Sätze von fünf am Rohr anliegenden Wälzkörpern oder

Rollen sind in Fig. 10 dargestellt, wobei jeder Satz einen grossen mittleren Wälzkörper 182 zwischen Wälzkörpern 184 und 186 mittlerer Grosse aufweist, während kleinere Rollen oder Wälzkörper 188 und 190 die äusseren Rollen oder Wälzkörper jedes Satzes bilden. Jeder der Wälzkörper ist geeignet, einen der Kurvenabschnitte 174 und 176 zu berühren, was von der Drehrichtung abhängt, wobei der grosse Wälzkörper 182 den Mittelpunkt 180 quert und dabei in Wirkbeziehung mit einer der Nockenoder Steuerkurven gelangt. Wenn man auf diese Weise nur drei Sätze von Nockenkurven verwendet, dann können die gleichförmigen Krümmungsverläufe von allgemeiner Art sein, wobei sie wirksam auf Nockenbewegungen ansprechen, derart, dass nur eine minimale Relativdrehung des Zahnringes erforderlich ist, um die Antriebsrollelemente oder -wälzkörper in Eingriffslage mit dem Rohr 192 zu bringen. Durch die allgemeine Form der Nockenkurven nach Fig. 10 ist der Verbindungs- und Lösemechanismus geeignet zur wirksamen Steuerung. Durch die grosse Anzahl von Antriebswälzkörpern der Vorrichtung nach Fig. 9 ist die Oberflächenberührung zwischen den Rollen und dem Aussenumfang bzw. der Aussenfläche des Rohres wirksam erhöht, was weiterhin zur verbesserten Steuerung der Wirkungsweise des Verbindungs- und Lösemechanismus beiträgt.

In Fig. 11 ist eine weitere Vorrichtung 194 zum Zudrehen oder Aufdrehen von Rohren dargestellt. Hierbei wird ein Zahnring 196 verwendet, welcher in geeigneter Weise angetrieben wird. Der Zahnring 1 96 besitzt mehrere gleichförmige Bewegungs-Kurvensegmente 198, von welchen sich jedes, ausgehend von niedrigen Punkten 200, in gleicher Richtung bis zu höheren Punkten

202 erstreckt. Mehrere Wälzelemente 204 von zylindrischer Form sind zwischen den entsprechenden Nockenkurven und dem Rohr 206 vorgesehen. Wenn sich die Rollen oder Wälzelemente nahe der niedrigen Punkte d&r Nockenkurven befinden, dann sind die Rollen aus der Berührung mit dem Rohr gelöst, so dass das Rohr in die Mittelöffnung der Vorrichtung eingeführt oder von dieser entfernt werden kann. Wenn die Wälzelemente 204 in Richtung der hohen Punkte 202 bewegt werden, dann lösen die gleichförmigen Steuerkurven 198 eine Bewegung der Wälzelemente in Berührung mit der Aussenfläche des Rohres aus, um das Eindrehen und/oder Aufdrehen zu vollziehen. Es können zwei entgegengesetzt gerichtete Ringelemente verwendet werden, wobei eines zum Lösen der Gewinde und das andere zum Verbinden der Gewinde vorgesehen ist. Jedes der beiden Ringelemente enthält entgegengesetzt gerichtete Nockenoder Steuerkurven, wobei die Ringelemente wahlweise in Wirkung gelangen, was davon abhängt, ob das Zusammendrehen oder das Lösen des Gewindes erwünscht ist.

Es kann zweckmässig sein, im Rahmen der Erfindung mit einem Klotz- oder Keilprinzip zu arbeiten, um hierbei einen Mechanismus zum Zusammendrehen oder zum Lösen von Rohrabschnitten zur Verfügung zu haben. In Fig. 12 ist ein derartiger Mechanismus 210 dargestellt, welcher einen geeigneten drehbaren Zahnradaufbau (nicht dargestellt) enthält, um Schwenkbewegungen auf mehrere Keilelemente 214 zu übertragen. Die Keil- oder Klotzelemente bilden am Rohr anliegende Nockenflächen 216, welche'am Rohr 218 angreifen, um eine gerichtete gesteuerte Drehung desselben zum Zusammenschrauben und

Lösen des Gewindes vollziehen zu können. Jedes der Keil- oder Klotzelemente weist Steuerflächen 220 auf, welche die gleichförmige Krümmung nach dem vorstehend erläuterten Nockenprinzip besitzen. Die Steuerflächen 220 liegen am drehbaren Zahnrad an und vermitteln den Keil elementen eine Drehung, wodurch die gekrümmten, am Rohr anliegenden Flächen 216 in Eingriff mit dem Rohr gelangen, um dieses zu drehen. Bei Verwendung des Keilprinzips ist es erforderlich, obere und untere Keilmechanismen zu verwenden, welche wahlweise in derjenigen Richtung gedreht werden, welche entweder zum Zusammenschrauben oder zum Lösen des Gewindes erforderlich ist. In anderen Worten, falls das Rohr auf ein Gewinde aufzuschrauben bzw. mit einem anderen Gegenstück zu verbinden ist, dann wird einer der Keil mechanismen gedreht, während der andere Keilmechanismus wirksam wird, falls das Rohr zu lösen ist.

Die Prinzipien der Erfindung können auch jede andere geeignete Form beinhalten, wie sie in Fig. 13 dargestellt ist. Bei der in Fig. 13 dargestellten Ausführungsform sind mehrere Nockenelemente 222 vorgesehen, welche schwenkbar oder drehbar relativ zu einem drehbaren Zahnring 224 geführt sind. Die Nockenelemente sind um eine Achse 226 schwenkbar bzw. drehbar und weisen am Rohr anliegende Antriebsflächen 228 und beidseitig einer Mittelpunktlinie 222 auf. Die Dicke der Nockenelemente ist kleiner als dem Abstand zwischen dem Rohr 234 und dem Zahnring 224 entspricht. Wenn die Nockenroller die Positionen nach Fig. 13 einnehmen, sind die Nockenelemente aus dem Antriebs-Eingriff mit dem Rohr gelöst. Bei Drehung

der Nockenelemente in beiden Richtungen um die Achsen 226 gelangen die Nockenflächen 228 oder 230 wahlweise in Eingriff mit dem Rohr, was jeweils von der Drehrichtung des Zahnringes 224 abhängt, um das Zusammendrehen oder Lösen des Gewindes bzw. der Gewindeverbindungen herbeizuführen.

Leerseite

Claims

Vorrichtung und Verfahren zum Verbinden und Lösen von Rohrkörpern

PATENTANSPRÜCHE

1 . Vorrichtung zum Verbinden und Lösen von Rohrkörpern, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen in einem Gehäuse (20, 22) gelagerten, mit einer Kraftquelle in Verbindung stehenden Zahnradantrieb (13) enthält, dass fernerhin die Vorrichtung mit einer Einrichtung (102) versehen ist, welche bei Betätigung durch den Zahnradantrieb in Eingriff mit Rohrkörpern (50) und aus diesem Eingriff verlagerbar ist, wobei die Einrichtung Bewegungs-Kurvenkörper (102) umfasst, welche bei Betätigung durch den Zahnradantrieb an die Rohrkörper (50) anlegbar und von diesen lösbar sind, um entsprechend erwünschter Drehrichtung die Rohrkörper zum Zwecke des Verbindens bzw. Lösens zu drehen, ohne dass die Oberfläche der Rohrkörper eine Verformung oder dergleichen erfährt.

Bayerische Vereinsbank München, Kto.-Nr. 882 495 (BLZ 700 202 70) · Deutsche Bank München, Kto.-Nr. 82/080 50 (BLZ 700 70010)

Postscheckamt München,Kto.-Nr. 163397-802 (BLZ 70010080)
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussenfläche der Einrichtung (102) die Form einer gleichförmig verlaufenden Bewegungskurve besitzt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in Anlage mit den Rohrkörpern bewegbare Einrichtung mehrere Nocken umfasst, dass d&r Antrieb mit einem Zahnring (11, 12) versehen ist, der mit dem Gehäuse und relativ zu diesem drehbar ist, wobei der Zahnring durch den Zahnradantrieb (13) antreibbar ist, dass die Nockenelemente Aussenflächen aufweisen, welche die Kurvenkörper bilden, wobei durch Drehung des Zahnradantriebes die Nocken in Eingriff mit den Rohrkörpern und ausser Eingriff von diesen bewegbar sind, um radiale Kräfte auf der Oberfläche der Rohre auszuüben, ohne dass die Rohre verformt oder zerstört werden, während gleichzeitig ausreichend Kraft anlegbar ist, um die Rohre zum Zwecke des Herstellens der Verbindung und zum Zwecke des Lösens der Verbindung zu drehen.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungskurve der an die Aussenfläche der Rohrkörper anlegbaren Nocken zum Zwecke des Verbindens oder Lösens der

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Verbindung einen Winkel von 0 bis 20 besitzt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nahe des Antriebes ein Zahnring angeordnet ist, wobei an der Innenfläche des Zahnringes mehrere Elemente mit Bewegungs-Kurvenflächen vorgesehen sind, dass mehrere Rollen den Bewegungs-Kurvenflächen zugeordnet sind, so dass durch Drehung der Rollen in der erwünschten Richtung die Kurvenflächen in -

Eingriff mit dem Rohrkörper bringbar und aus dem Eingriff verlagerbar sind, um die Rohrkörper zu verbinden oder zu lösen.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nahe des Antriebes ein Zahnring angeordnet ist, dass die Aussenfläche mehrererRollen je eine Bewegungsbahn bildet, so dass durch Drehung der Rollen entlang des Zahnringes eine Verlagerung der Flächen in Friktionseingriff mit den Rohrkörpern oder aus dem Friktionseingriff lösend stattfindet, um das Verbinden oder Lösen der Rohrkörper durchzuführen, ohne dass ein Kerben, Verformen oder dergleichen an den Rohrkörpern stattfindet.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zahnring nahe des Antriebes vorgesehen ist, dass der Mechanismus mehrere Rollen enthält, welche jeweils eine Aussenfläche in Form einer Bewegungskurve enthalten, dass durch Drehung der Rollen entlang des Zahnringes die Aussenfläche der Rollen in Reibungseingriff mit dem Rohrkörper oder unter Lösung aus diesem Reibungseingriff bewegbar ist, um ohne Kerben, Verformen etc. der Rohrkörper ein Verbinden oder Lösen derselben durchführen zu können, und dass mehrere Sätze von Rollen nahe der Kurvenflächen vorgesehen sind, so dass durch Drehung jedes der Sätze der Rollen in erwünschter Richtung eine Bewegung der Rollen entlang der entsprechenden Bewegungskurven in Eingriff oder aus dem Eingriff mit den Rohrkörpern lösend stattfindet, um ein Verbinden oder Lösen der Rohrkörper nach Wunsch zu erzielen.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass jeda^der Rollensätze mehrere Rollen enthält, welche jeweils einen Radius unterschiedlicher Grosse besitzen.
9. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Rollen einen unterschiedlichen Radius gegenüber den anderen Rollen besitzt.
10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zahnring nahe des Antriebes angeordnet ist, dass an der Innenfläche des Zahnringes mehrere Bewegungs-Kurvenflächen ausgebildet sind, die sich in der gleichen Richtung erstrecken, dass der Mechanismus mehrere Wälzkörper bzw. Rollen enthält, welche nahe der Bewegungs-Kurvenflächen vorgesehen sind, und dass durch Drehung der Rollen entsprechend der Position des Zahnringes ein Verbinden oder Lösen, jedoch nicht beides, stattfinden kann.
11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zahnring nahe des Antriebes angeordnet ist, dass sich mehrere Rollen oder Wälzelemente zwischen dem Zahnring und den Rohrkörpern befinden, wobei jede der Rollen durch einen Bewegungs-Kurvenflächen-Endabschnitt, einen Verbindungsabschnitt und einen Rohrangriffsabschnitt gebildet ist, und dass die Drehung der Rollen den Bewegungskurvenflächenabschnitt in Eingriff und ausser Eingriff mit dem Zahnring bringt, so dass der Rohrangriffsabschnitt in und ausser Reibverbindung mit dem Rohrkörper kommt.
12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nahe des Antriebes ein Zahnrad angeordnet ist, dass die Innenflächen des Zahnradantriebes mehrere Bewegungskurven bilden, dass jede der Rollen eine Aussenfläche mit einer Be-

wegungskurve enthält, so dass durch Drehung der Rollen entlang des Zahnringes die Flächen der Rollen in Friktionseingriff mit dem jeweiligen Rohrkörper oder aus dem Friktionseingriff lösend bewegbar sind, um das Herstellen der Verbindung und/oder das Lösen der Verbindung des Rohrkörpers zu bewerkstelligen, ohne dass ein Kerben, Verkratzen oder dergleichen des Rohrkörpers stattfindet.
13. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zahnring nahe des Antriebes angeordnet ist, dass die Innenflächen des Zahnringes mehrere Bewegungskurven bilden, und dass jede der Rollen eine äussere Bewegungskurve bildet, derart, dass wenigstens eine der Rollen einen unterschiedlichen Radius gegenüber den anderen Rollen besitzt, so dass durch Drehung der Rollen die Kurvenabschnitte der Rollen in Eingriff mit dem Zahnring und dem Rohrkörper bzw. aus dem Eingriff verlagerbar sind.
14. Verfahren zum Verbinden und Lösen von Rohrkörpern, insbesondere für mit Gewinde versehene Rohrverbindungen bei Verwendung eines kraftgetriebenen Mechanismus, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Abschnitt eines Rohres gegenüber Drehbewegung abgesichert wird, dass mehrere Elemente mit an diesen ausgebildeten Bewegungskurven an den ersten Rohrabschnitt angelegt werden, dass die Elemente an einen zweiten Rohrabschnitt angelegt werden, derart, dass die Bewegungskurven das Rohr nach Wunsch drehen können, und dass die am Rohr anliegenden Elemente um die Achse des zweiten Rohrabschnitts bewegt werden, wenn sie sich im Eingriff mit diesem befinden, derart, dass wahlweise die Gewindeverbindung des ersten und des

zweiten Rohrabschnittes zusammenschraubbar oder lösbar ist.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel der Bewegungskurve von 0 bis 20 beträgt.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die am Rohr anlegbare Bewegungskurve gleichförmige Krümmung besitzt.
17. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Rohrabschnitt gegenüber Drehung abgesichert wird, dass ein Zahnring mit mehreren an der Innenseite ausgebildeten Bewegungskurven um den Rohrabschnitt plaziert Wird, dass mehrere am Rohr angreifende Elemente zwischen den Zahnring und einen zweiten Rohrabschnitt eingebracht werden, dass die mit dem Zahnring in Eingriff befindlichen Elemente bewegt werden, derart, dass die in Reibeingriff mit dem zweiten Rohrabschnitt befindlichen Elemente die Gewindeverbindung zwischen den ersten und zweiten Rohrabschnitten herstellen oder lösen.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zahnring nahe der am Rohr angreifenden Elemente angeordnet ist, wobei der Zahnring mehrere Bewegungskurven enthält, die sich nur in einer Richtung erstrecken, und dass durch Bewegung der am Rohr angreifenden Elemente der erste oder der zweite Rohrabschnitt vom anderen lösbar oder am anderen verschraubbar ist, jedoch nicht beide gleichzeitig.
19. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere am Rohr angreifende Elemente vorgesehen werden, von welchen jedes eine äussere Bewegungskurve enthält, und dass wenigstens ein am Rohr angreifendes Element zur Anwendung gebracht wird, welches einen unterschiedlichen Radius gegenüber den anderen am Rohr angreifenden Elementen besitzt.