DE3148746C1 - Mehrgängiger Planetenschraubantrieb - Google Patents

Description

• Der Schraubantrieb enthält ein Gehäuse 1, in dem ein elastischer Belag 2 starr befestigt ist. Der Belag 2 ist meist aus Gummi gefertigt, aber er kann auch aus einem beliebigen anderen elastischen Material bestehen. An der Innenfläche des Belags 2 ist ein mehrgängiges
• Schraubengewinde ausgeführt Die Gangzahl des Gewindes entspricht der Zähnezahl z der Ständerschraubfläche. Im vorliegenden konkreten Fall z1 =10.
• Die Zähnezahl z, kann in weiten Bereichen variieren, je nach den an den Antrieb gestellten technischen Forderungen.
• Das Gehäuse 1 mit dem Belag 2 bildet einen Ständer 3 des Schraubantriebs. Im Innern des Ständers 3 befindet sich ein Läufer 4, der meist aus Metall gefertigt ist An der Außenfläche des Läufers ist ein Schraubengewinde mit einer Zähnezahl Z2=9 ausgeführt Hierbei ist der Läufer 4 im Ständer 3 mit einer Exzentrizität »e« (Fig. 2) angeordnet, und das Verhältnis der Steigung T (F i g. 3) der Schraubfläche des Ständers zur Steigung t der Schraubfläche des Läufers ist dem Verhältnis ihrer Zähnezahlen direkt proportional, d. h.
• T Z, t - Z2 J Der Ständer 3 und der Läufer 4 (Fig. 2) stellen ein kinematisches Elementenpaar dar, das' analog zu einem Zahnradpaar mit Innenverzahnung bei einer Zähnezahldifferenz von 1 in dauerndem Kontakt miteinander steht. Die Schraubzähne des Läufers 4 und des Ständers 3 kontaktieren auf solche Weise, daß sie innerhalb der Steigungslänge Tabgeschlossene Kammern bilden.
• In Fig. 3 ist die Abwicklung der Seitenflächen von Ständer und Läufer innerhalb der Ständersteigungslänge T dargestellt, die jeweils mittlere Durchmesser D bzw. D2 besitzen.
• Durch ausgezogene Linien sind Kontaktlinien von Ständer und Läufer wiedergegeben, wobei die Zwischenräume zwischen diesen Linien mit Flüssigmedium gefüllte Kammern darstellen.
• In F i g. 2 ist das Querschnittsprofil des Planetengetriebes dargestellt in dem das Querschnittsprofil des Ständers 3 miteinander abwechselnde Abschnitte einer Zykloidenkurve, die die Zähne des Ständers 3 umreißt, und Kreisbögen von einem Halbmesser »r« darstellt, die die Lücken zwischen den Zähnen im Ständerquerschnitt umreißen. Die Zykloidenkurve, die der Konstruktion des Profils des Ständers 3 zugrundeliegt, ist durch ohne Gleiten erfolgendes Abwälzen am vorgegebenen Bezugskreis des Ständers 3 eines anderen gedachten Kreises erzeugt, dessen Durchmesser je nach der Exzentrizitätsgröße »e«gewählt wird. Der vorgegebene Wälzkreis des Ständers ist in den meisten Fällen von den voraussichtlichen Betriebsbedingungen des Mechanismus abhängig und durch das maximale Diametralmaß bestimmt, das unter diesen Bedingungen zulässig ist. Das Querschnittsprofil des Läufers 4 ist relativ zum Profil des Ständers 3 als mit diesem zusammengefugt ausgeführt und von der Hüllkurve des Bezugsprofils des Ständers 3 beim Abwälzen des Wälzkreises des Läufers 4 am Wälzkreis des Ständers 3 gebildet.
• Der Läufer 4 ist mittels einer Zweigelenkverbindung 5 mit einer Abtriebswelle 6 verbunden, an deren Ende das (in F i g. 1 nicht mit abgebildete) Arbeitswerkzeug des Bohrlochsohlenantriebs befestigt ist Die Abtriebswelle 6 ist in einem Gehäuse 7 auf Radiallagern 8 montiert. Zur Aufnahme der axialen Belastung bei der Arbeit des Bohrlochsohlenantriebs dienen im Gehäuse 7 angeordnete Drucklager 9.
• Der Bohrlochsohlenantrieb funktioniert wie folgt.
• Eine Hydraulikpumpe führt unter Druck die Arbeit flüssigkeit dem Antriebsraum A zu, wo sich H Druck einstellt. Der Antriebsraum A v druckraum bezeichnet Die Schraubzähne des Läufers 4 und des Ständers 3 kontaktieren, wobei sie innerhalb der Steigung T der Schraubfläche des Ständers 3 abgeschlossene Kammern bilden. Einige Kammern sind dabei mit dem Hochdruckraum A verbunden, und einige Kammern sind mit einem Niederdruckraum B verbunden. Daher entstehen in jedem Querschnitt des Mechanismus eine unausgeglichene Kraft und somit ein Drehmoment. Unter der Einwirkung dieser Kräfte erfolgen eine radiale Deformation des elastischen Belags 2 des Ständers 3 und eine Verlagerung des Läufers 4 in der zu dessen Achse quergehenden Richtung, und danach führt er eine planetarische Bewegung aus, indem er sich an den Zähnen des Ständers 3 (in Fig.2 im Uhrzeigersinn) abwälzt Der Läufer 4 erteilt über die Zweigelenkverbindung 5 der Abtriebswelle 6 und somit dem an deren Ende befestigten Arbeitswerkzeug des Bohrlochsohlenantriebs eine Drehbewegung.
• Die theoretische Analyse und die Versuchsarbeit haben ergeben, daß die Anlaßeigenschaften und die Arbeitszuverlassigkeit des Schraubantriebs in vielerlei Hinsicht durch den Parameter CT bestimmt sind. Der Parameter CT stellt das Verhältnis der Anzahl der Gewindegänge der Schraubflächen Tdes Ständers und t des Läufers zu ihren jeweiligen mittleren Gewindedurchmessern Dl und D2 dar.
• Wenn man die Arbeitsorgane des Schraubantriebs als ein »Schraube-Mutter-Getriebe« betrachtet, so sieht die Beziehung zwischen den theoretischen Drehmoment M des Schraubantriebs und der axialen Kraft G, die auf den Läufer einwirkt, folgenderweise aus: M= GDtg(a-fl) 2 es bedeutet: D - mittlerer Durchmesser des »Schraube-Mutter-Getriebes«, X - Steigungswinkel der Schraublinie, ß - Reibungswinkel, gleich arc tg f, f - Reibungskoeffizient des Paars »Läufer-Ständer«.
• Im Bohrlochsohlenschraubantrieb kann der Koeffizient der Ruhereibung f Werte annehmen, die nahe 1 sind oder aber diese Größe übertreffen, wobei sich der Reibungswinkel ß dabei den Werten des Winkels os nähert. Es sind folglich solche Reibungszustände möglich, bei denen die Größe (a-ß) 0 und im M?chanismus die Selbsthemmungserscheinung eintritt, so daß in der Folge der Antrieb nicht angelassen werden kann. Der erwähnte Nachteil ist im erfindungsgemäßen Bohrlochsohlenschraubantrieb überwunden, dessen Arbeitsorgane in Gestalt eines mehrgängigen Planetengetrieb es mit einem Verhältnis der Steigung t der Schraubfläche zum mittleren Gewindedurchmesser D, der praktisch im Bereich CT=5,5-12 liegt, ausgeführt sind. Für die Arbeitsorgane mit dem Parameter CT=5,5 - 12 nimmt der Winkel einen Wert im Bereich von a = 62 - 75" an, was dem Auftreten -der Selbsthemmungserscheinung im Planetengetriebe entgegenwirkt Der Zusammenhang der Parameter der Arbeitsorgane ist in F i g. 3 wiedergegeben.
• Das physikalische Wesen der in den Schraubantrieben eintretenden Erscheinung veranschaulicht F i g. 4, wo die Veränderung des vom Schraubantrieb erzeugten Momentes in Abhängigkeit vom Parameter CT und die Veränderung der relativen Größe der Leckverluste dargestellt ist. In Fig.4 sind auf der Ordinatenachse zwei Größen dargestellt: das vom Schraubmotor erzeugte Drehmoment M, abgetragen im Prozentanteil zum vom Schraubmotor bei CT= 12 erzeugten Drehmoment, und die relative Größe der Leckverluste q, wobei als 1000/o Leckverluste der Leckverlust des Antriebs bei CT= 4,6 genommen wurde. Auf der Abszissenachse sind Werte des dimensionslosen Parameters CT abgetragen.
• Die Kurve 10 gibt die Abhängigkeit von CT des vom Schraubmotor erzeugten Momentes bei maximalem Reibungskoeffizienten und die Kurve 11 die Abhängigkeit von CT des vom Antrieb erzeugten Momentes bei minimalem Reibungskoeffizienten wieder. Die Kurve 12 gibt die Abhängigkeit der Leckverluste in den Arbeitsorganen der Schraubantriebe vom Parameter CT wieder.
• Wie aus F i g. 4 ersichtlich ist, können in den durch den Parameter CT> 5,5 gekennzeichneten Schraubantrieben bei maximalen Reibungskoeffizienten fmax(Kurve 10) die Reibungsverluste eine solche Größe erreichen, daß das erzeugte Moment sich Null nähert und die Selbstbremsungserscheinung eintritt. Bei minimalem Reibungskoeffizienten (Kurve 11) tritt die Selbstbremsungserscheinung in den Mechanismen ein, die CT== 2 besitzen. Somit ist zur Gewährleistung einer zuverlässigen Arbeit des Schraubantriebs erforderlich, daß der Parameter CT nicht unter 5,5 liegt, d. h. die untere Grenze des Parameters CT nicht unterschreiten würde. Die obere Grenze des Parameters CT ist durch die Größe der Leckverluste durch die Arbeitsorgane festgelegt. Wie aus F i g. 4 (Kurve 12) ersichtlich ist, setzt ein intensives Wachstum der Leckverluste bei Cr> 12 ein.
• Der erfindungsgemäß vorgesehene Variationsbereich des Parameters Cr gewährleistet ein stabiles Anlassen und eine hohe Arbeitszuverlässigkeit des Schraubantriebs. Ein weiterer Vorzug des erfindungsgemäßen Schraubantriebs besteht darin, daß die Zunahme des Parameters C unter Beibehaltung anderer geometrischer Parameter der Arbeitsorgane zum Drehzahlabfall der Abtriebswelle führt, was wiederum den Bohrfortschritt je Meißelmarsch vergrößert.
• Die vorliegende Erfindung gestattet, die Arbeitszuverlässigkeit beträchtlich zu erhöhen, die Anlaßeigenschaften zu verbessern und die Endcharakteristiken des Schraubantriebs zu verbessern. Der ökonomische Nutzeffekt bei der Einführung der Erfindung besteht aus: Zeiteinsparung für Ein- und Ausbauarbeiten, die mit dem Versagen des Schraubantriebs vor Ort zusammenhängen, sowie der Vergrößerung des Gesamtbohrfortschritts in Gesteinen.

Claims (1)

1. Patentanspruch: Mehrgängiger Planetenschraubantrieb, der einen Ständer mit einem Schraubengewinde an der Innenfläche sowie einen in diesem exzentrisch angeordneten Läufer mit einem Schraubengewinde an der Außenfläche enthält, wobei Läufer und Ständer ein kinematisches Elementenpaar darstellen, das ähnlich einem Zahnradpaar mit lnnenverzahnung mit einer Zähnezahl am Ständer um 1 größer als die Zähnezahl am Läufer in dauerndem Kontakt steht, und das Verhältnis der Gewindegänge von Ständer und Läufer dem entsprechenden Verhältnis der Zähnezahlen direkt proportional ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Anzahl der Gewindegänge der Schraubflächen von Ständer (3) und Läufer (4) zu ihren jeweiligen mittleren Gewindedurchmessern (Dl; D2) im Bereich von 5,5 bis 12 liegt.

   Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Planetenschraubantriebe, vor allem auf Mechanismen zum Niederbringen von Bohrungen, dabei insbesondere mehrgängige Bohrlochsohlenschraubantriebe. Am wirksamsten kann die Erfindung in hydraulischen Bohrlochsohlenschraubantrieben zum Herstellen von Erdöl-, Gas- und geologischen Erkundungsbohrungen verwendet werden: Bekannt sind Bohrlochsohlenschraubantriebe zum Herstellen von Bohrungen, deren Arbeitsorgane ein mehrgängiges Planetenschraubgetriebe darstellen.

   Konkret ist dieses Getriebe in Gestalt von Ständer und Läufer ausgeführt Der Ständer stellt ein Gehäuse dar, in dessen Innerem ein elastischer Belag mit einer als Schraubengewinde ausgebildeten Arbeitsfläche angebracht ist. Im Innern des Ständers ist mit einer Exzentrizität ein Läufer angeordnet, an dessen Außenfläche ebenfalls ein Schraubengewinde ausgeführt ist.

   Der Läufer und der Ständer stellen ein kinematisches Elementenpaar dar, das ähnlich einem Zahnradpaar mit Innenverzahnung in dauerndem Kontakt steht, wobei Läufer und Ständer geschlossene Räume bilden. Die Läuferachse ist in bezug auf die Ständerachse um die Exzentrizitätsgröße »e« versetzt Die Zähnezahl an den Schraubflächen von Ständer und Läufer entspricht der Gangzahl derselben. Im Planetenschraubgetriebe ist die Zähnezahl am Ständer um 1 größer als die Zähnezahl am Läufer. Das Verhältnis der Gewindegänge am Ständer und Läufer ist dem Verhältnis ihrer Zähnezahlen direkt proportional.

   Der Erzeugung des Querschnittsprofils der Arbeitsorgane des mehrgängigen Planetenschraubgetriebes liegt die Zykloidenverzahnung zugrunde. Im Querschnitt stellt das Ständerprofil miteinander abwechselnde Abschnitte von Zykloidenkurven und Kreisbögen dar.

   Das Läuferquerschnittsprofil stellt eine Hüllkurve des Ständerprofils beim Abwälzen des maximalen Läuferwälzkreises der nach der Bedingung eines kontinuierlichen Kontaktes der Schraubfläche von Läufer und Ständer gewählt ist, im Innern des vorgegebenen Ständerbezugskreises dar. Die geometrischen Parameter der Arbeitsorgane der mehrgängigen Schraubantriebe sind durch die US-PS 38 22972 bekannt, wo optimale geometrische Verhältnisse der Arbeitsorgane in ihrem Querschnitt angeführt sind. In den Schraubantrieben ist die räumliche Form der Schraubflächen von Läufer und Ständer durch einen Parameter bestimmt, der das Verhältnis der Gewindegänge der Schraubflächen von Ständer und Läufer zu ihren jeweiligen mittleren Durchmessern darstellt. Bei den bekannten Bohrlochsohlenschraubantrieben besitzt dieser Parameter einen Wert von 4 - 4,6. Die Bohrlochsohlenantriebe mit dem erwähnten Parameterwert zeichnen sich durch unstabile Anlaßeigenschaften aus, die durch mögliche Selbsthemmung von Arbeitsorganen des Antrieb es bedingt sind.

   Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Planetenschraubantrieb mit einem optimalen Steigungswinkel der Schraubenlinie zu schaffen, der die Selbstbremsung des Antriebs in allen Betriebszuständen bei unbedeutender Zunahme der Leckverluste in den Arbeitsorganen ausschließt.

   Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß im mehrgängigen Planetenschraubantrieb, der einen Ständer mit einem Schraubengewinde an der Innenfläche und einen in ihm exzentrisch gelagerten Läufer mit einem Schraubengewinde an der Außenfläche enthält, wobei Läufer und Ständer ein kinematisches Elementenpaar darstellen, das ähnlich einem Zahnradpaar mit Innenverzahnung mit einer Zähnezahl am Ständer um 1 größer als die Zähnezahl am Läufer in dauerndem Kontakt steht und das Verhältnis der Gewindegänge am Ständer und Läufer dem entsprechenden Verhältnis der Zähnezahlen direkt proportional ist, erfindungsgemäß das Verhältnis der Anzahl der Gewindegänge der Schraubfläche von Ständer und Läufer zu ihren jeweiligen mittleren Gewindedurchmessern im Bereich von 5,5-12 liegt.

   Die Ausführung des mehrgängigen Schraubantriebs mit dem vorstehend angegebenen Parametern der Arbeitsorgane gestattet, die Selbstbremsungserscheinung in allen Betriebszuständen des Antriebs und insbesondere bei dessen Anlassen zu vermeiden, wodurch die Arbeitszuverlässigkeit und -stabilität des Antriebs erhöht werden.

   Nachstehend wird eine ausführliche Beschreibung der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen angeführt, es zeigt F i g. 1 eine Gesamtansicht eines mehrgängigen Bohrlochsohlenschraubantriebs, ausgeführt gemäß der Erfindung, im Längsschnitt, Fig.2 einen Querschnitt nach der Linie II-II von Fig. 1, F i g. 3 die Abwicklung der Arbeitsorgane des Antriebs, F i g. 4 ein Diagramm der Veränderung des vom Antrieb erzeugten Moments und des Flüssigkeitsverlustes in den Arbeitsorganen in Abhängigkeit vom Parameter CT.

   In F i g. 1 ist ein konkretes Ausführungsbeispiel eines zum Herstellen von Bohrungen bestimmten hydraulischen Schraubantriebs dargestellt. Es ist ein Konstruktionsbeispiel angeführt, in dem der Antrieb durch ein unter Druck stehendes Flüssigmedium in Tätigkeit gesetzt wird, als welches Wasser, Tonspülung und andere Flüssigkeiten dienen können. Der Flüssigmediumtyp wird je nach den konkreten geologischen Bohrverhältnissen gewählt.