DE3234003C1

DE3234003C1 - Verriegelungsvorrichtungen fuer Werkzeuge mit teleskopartig verschiebbaren Teilen

Info

Publication number: DE3234003C1
Application number: DE3234003A
Authority: DE
Inventors: Gerhard 3100 Celle Heidemann; Thomas 3004 Isernhagen Jung
Original assignee: Christensen Inc
Current assignee: Baker Hughes Holdings LLC
Priority date: 1982-09-14
Filing date: 1982-09-14
Publication date: 1983-07-28
Also published as: US4511007A; FR2533002A1; GB8307458D0; JPS635551B2; NL8302635A; GB2126625B; JPS5955990A; CA1193591A; BE897190A; FR2533002B1; GB2126625A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Verriegelungsvorrichtungen gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 2.

In der Tiefbohrtechnik werden zahlreiche Werkzeuge eingesetzt, welche durch eine teleskopartige Verschiebung zweier ineinanderliegender Teile von einem ersten in einen zweiten Arbeitszustand bringbar sind. Häufig ist dabei der erste Arbeitszustand derjenige Zustand, in dem die normale Bohrtätigkeit erfolgt, während der

zweite Zustand je nach Art des Werkzeugs, z. B. dazu dient, ein drehbares Teil zu blockieren, eine Schlageinrichtung zu entriegeln oder als Bestandteil einer Schlageinrichtung die Relativbewegung von Dorn und Muffe freizugeben, als auch Sicherheitseinrichtungen zu aktivieren und Teile vom Bohrstrang zu trennen.

Eine Verriegelungsvorrichtung verhindert hierbei stets, daß die teleskopartige Verschiebung unbeabsichtigt durch die im normalen Betrieb üblichen Axialkräfte hervorgerufen werden kann. Zur Entriegelung ist die Aufprägung einer axialen Überlast erforderlich, nach der dann das Werkzeug in den zweiten Zustand bringbar ist.

Durch die US-PS 26 78 805 ist eine Verriegelungsvorrichtung nach den Oberbegriffen des Anspruches 1 und des nebengeordneten Anspruches 2 bekannt, die bei einer Schlagschere die freie Relativbewegung von einem Dorn in einer Muffe bis zur Erreichung einer axialen Überlast sperrt.

Die Verriegelungselemente sind durch zylindrische Walzkörper gebildet, die in Taschen eines Pornteils axial und radial fixiert eingebettet sind. Mit diesen Verriegelungselementen zusammenwirkende Gegenelemente bestehen aus einem axial jederzeit gegen eine Feder verschiebbaren Teil und einem axial zwar auch verschiebbaren, aber im Verriegelungszustand an einem Anschlag anliegenden Teil, das drei radial nach innen schwenkbare Arme umfaßt.

Beide Arten der Gegenelemente besitzen an den einander zugewandten Seiten schräge Flächen, die aufeinander gleiten können unter nach innen oder außen Schwenken der Arme bei Veränderung der gegenseitigen axialen Lage der Gegenelemente. Die schwenkbaren Arme der Gegenelemente besitzen weitere schräge Flächen, die im Verriegelungszustand an den Wälzkörpern anliegen, so daß bei Aufprägung einer Kraft auf das Dornteil die Wälzkörper an den schrägen Flächen der schwenkbaren Arme abrollen, wodurch diese gespreizt werden und mittels ihrer anderen, mit den weiteren Teilen der Gegenelemente im Eingriff stehenden schrägen Flächen, diese Teile axial gegen die Feder verschieben. Durch das Spreizen der schwenkbaren Arme wird dem Dornteil mit den Wälzkörpern die freie Axialverschiebung ermöglicht.

Als bei Tiefbohrwerkzeugen übliche Kräfte zur Entriegelung einer Verriegelungsvorrichtung können, da sie sich von den normalen Axialkräften ausreichend unterscheiden müssen, Kräfte bis zu einigen 10⁵N erforderlich sein. Dabei soll der Verschleiß der Entriegelungsvorrichtung und die Materialbelastung möglichst gering sein. Bei der Vorrichtung nach der US-PS 26 78 805 tritt bei axialer Zugbelastung des Dornteils eine starke Knickbeanspruchung der schwenkbaren Arme auf und darüber hinaus während des Entriegelungsvorganges eine Reibung zwischen den schrägen Flächen der schwenkbaren Arme und den schrägen Flächen des axial gegen die Feder verschiebbaren Gegenelementes.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht deshalb darin, Verriegelungsvorrichtungen für Werkzeuge, bestehend aus teleskopartig verschiebbaren Dorn- und Muffenteilen, so zu verbessern, daß der Verschleiß und die Materialbeanspruchung bei den betriebsüblichen Kräften gering ist, derart, daß auch nach mehrmaligen Ver- und Entriegelungszyklen konstante, reproduzierbare Ergebnisse geliefert werden.
Diese Aufgabe wird bei Verriegelungsvorrichtungen gemäß den Oberbegriffen des Anspruchs 1 und des nebengeordneten Anspruchs 2 durch die im jeweiligen Kennzeichen genannten Merkmale gelöst. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Eine Beherrschung der bei axialer Überlast auftretenden Kräfte bei gleichzeitig geringem Verschleiß wird dadurch erreicht, daß im Moment der Entriegelung die Teile, zwischen denen die größten Druckkräfte auftreten, aufeinander abrollen können. »Fressen« des Materials zwischen diesen Teilen wird dadurch vermieden. Durch die steife Ausbildung des axial fixierten Teils der Gegenelemente werden ferner Biegebeanspruchungen vermieden.

Bei Einsatz der Verriegelungsvorrichtung in einer hydraulischen Schlagschere ist eine Begrenzung der Verschiebung in der der Wirkung der Verriegelung entgegengesetzten Richtung durch Aneinanderliegen eines Schlagschulterpaares gegeben. Dadurch wird verhindert, daß bei Wechsellasten im Bohrbetrieb ein wiederholtes Aufeinanderprallen der Verriegelungsund Gegenelemente auftreten kann. Eine Dämpfungsstrecke zwischen der örtlichen Stellung des Dornteils bei der Verriegelung und dem Eintritt des Kolbens der Schlagschere in die Engstelle verhindert, daß nach einem Entriegelungsvorgang der Kolben unter der beschleunigenden Wirkung der noch anstehenden Axialüberlast in die Engstelle schnellen und beim plötzlichen Abbremsen durch extremen Überdruck der Arbeitsflüssigkeit in der Kammer Schäden an Dichtungen hervorrufen kann.

Bei Rücksetzen der Schlagschere ohne erneutes Verriegeln und anschließender Kraftbeaufschlagung erfolgt der Kraftaufbau langsam, so daß dann Überdruckspitzen nicht möglich sind.

Die Vorrichtung kann hinsichtlich Ver- und Entriegelung reversibel oder irreversibel ausgebildet sein, je nachdem ob eine auf dem Dornteil angeordnete Hülse axial fixiert oder verschiebbar ist.

Nach einer weiteren Ausführungsform kann der Anschlag für die Feder, gegebenenfalls durch eine außerhalb des Muffenteils betätigbare Vorrichtung, axial verschiebbar ausgebildet werden, so daß der Schwellwert der Kraft, bei der eine Entriegelung erfolgt, einstellbar ist

Vorzugsweise befinden sich die Verriegelungselemente in einem Käfig, der einerseits eine leichte Montage und Demontage sowie koaxiale Plazierung der Verriegelungselemente ermöglicht und andererseits eine flächige Unterstützung an den Stellen bietet, an denen ein Gleitvorgang auftritt.

Zur Herabsetzung der Belastung zwischen den Verriegelungs- und Gegenelementen können diese mehrfach vorgesehen und geschichtet angeordnet werden. Dadurch ergibt sich eine weitgehend gleichmäßige Aufteilung der Kräfte unter den einzelnen Schichten.

Ausführungsbeispiele werden nun anhand der Zeichnung erläutert.

F i g. 1 zeigt das Prinzip einer Verriegelungsvorrichtung, die ein Entriegeln und reversibles Verriegeln gestattet.

Fig.2 zeigt eine Verriegelungsvorrichtung als Zusatzeinrichtung einer hydraulischen Schlagschere mit irreversiblem Verhalten.

Fig.3 zeigt eine Verriegelungsvorrichtung mit drei axial geschichteten Verriegelungs- und Gegenelementen.

Die Verriegelungsvorrichtung gemäß F i g. 1 umfaßt

ein Dornteil 1, das innerhalb eines Muffenteils 2 teleskopartig verschiebbar gelagert ist, und trägt eine Hülse 3. Die Hülse 3 befindet sich in einer Ringnut und ist zwischen einer Nutenwand 7 und einer Stirnfläche 8 eines mit dem Dornteil 1 durch ein Gewinde 9 verbundenen weiteren Dornteils 10 verspannt. Die Hülse 3 besitzt einen Bereich 4 größeren Durchmessers verglichen mit dem Dornteil 1 und nähert sich an den beiden Stirnseiten über konische Teilflächen 5, 6 dem Durchmesser des Dornteils 1. Während des in der Zeichnung dargestellten Zustandes berührt die konische Teilfläche 5 der Hülse 3 Verriegelungselemente in Form von koaxial in einem Käfig 20 angeordneten Kugeln 19. In dieser Position haben die Kugeln 19 noch Radialspiel. Bei einer Linksverschiebung des Dornteils 1 werden die Kugeln nach außen gedrückt und berühren dann ihrerseits Gegenelemente, dargestellt durch ein im Muffenteil 2 abgestütztes Widerlager 17 und eine axial verschiebbare Hülse 11. Während die Berührungsfläche des Widerlagers 17 durch dessen senkrecht zur Werkzeugachse stehende Stirnfläche 18 gebildet wird, ist die Berührungsfläche mit der Hülse 11 eine konisch geformte Teilfläche 12. Eine rückseitige Stirnfläche 13 der Hülse 11 weist zu einer Feder 16, wobei ein Zwischenraum mit Distanzkörpern 14,15 überbrückt ist. Ein axial verschiebbarer Anschlag für die Feder 16 ist durch eine Stirnfläche 21 einer Stützhülse 22 gebildet, die mittels eines Keils 23 gegen Verdrehen gesichert ist und auf der der Feder 16 abgewandten Seite in einen Gewindezapfen 24 ausläuft. Der Gewindezapfen 24 steht mit einer Gewindemuffe 25 einer axial fixierten, aber drehbaren Einstellhülse 26 in Eingriff, die ihrerseits über einen Kegelzahnkranz 27 mittels eines von außerhalb des Muffenteils 2 betätigbaren Kegelritzels 28 einstellbar ist. Die Einstellhülse 26 liegt dabei an einer Gewindeschulter 30 eines weiteren mit dem Muffenteil 2 verschraubten Muffenteils 31 an.

In der dargestellten Position verhindert die Verriegelungsvorrichtung bei unterhalb eines Schwellwertes liegenden Axialkräften eine Verschiebung des Dornteils 1 gegenüber dem Muffenteil 2 nach links, da die Verriegelungselemente 19 durch die Gegenelemente 11; 17 daran gehindert werden, nach außen auszuweichen und den von der Hülse 3 benötigten Durchtrittsquerschnitt zu schaffen.

Wenn die Axialkraft jedoch einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet, bewirkt eine über die konische Teilfläche 5 der Hülse 3 aufgespaltene und auf die Kugeln 19 übertragene Radialkomponente durch eine weitere Komponentenzerlegung an der konischen Fläche 12 der Hülse 11 eine axiale Verschiebung der Hülse 11 in Richtung der Feder 16. Bei diesem Vorgang rollen die Kugeln 19 an den konischen Flächen 5 und 12 ab und weichen radial nach außen aus. Dadurch wird der von der Hülse 3 benötigte Durchtrittsquerschnitt geschaffen und das Dornteil 1 kann eine freie Bewegung nach links ausführen. Der Schwellwert der zur Entriegelung führenden Kraft läßt sich durch Verschiebung der Stützhülse 22 einstellen. Je nach Härte der Feder 16 kann eine Einstellung erforderlich sein, bei der der freie Verschiebeweg der Hülse 11 bis zum Beginn der Federstauchung begrenzt wird oder bei der ohne freien Verschiebeweg der Hülse 11 der Feder 16 eine Vorspannung aufgeprägt wird. Eine erneute Verriegelung kann durch Verschiebung des Dornteils 1 in umgekehrter Richtung vorgenommen werden. Als Angriffsfläche der Hülse 3 für die Kugeln 19 dient dann die konische Teilfläche 6. Durch Wahl eines flachen Erhebungswinkels für diese Konusfläche läßt sich die erforderliche Rückstellkraft gegenüber der Entriegelungskraft vermindern.
In F i g. 2 ist eine hydraulische Schlagschere mit einer Verriegelungsvorrichtung dargestellt. Soweit die Ausführung mit den entsprechenden Bezugszeichen und die Funktionsweise mit der Vorrichtung aus F i g. 1 übereinstimmt, wird hierauf nicht noch einmal eingegangen.

ίο Die Schlagschere besitzt ein für aufwärts gerichtete Schläge dienendes Schlagschulterpaar, bestehend aus einem Hammer 40 und einem Amboß 41, sowie ein für abwärts gerichtete Schläge dienendes Schlagschulterpaar, bestehend aus einem Hammer 42 und einem Amboß 43. Ferner umfaßt die Schlagschere eine mit einer Arbeitsflüssigkeit gefüllte Kammer 44 mit einer Engstelle 45 und Bereichen größeren Durchmessers 46. Das Dornteil 1 trägt einen Kolben 47, der durch die Engstelle 45 gezogen werden kann. Im normalen Bohrbetrieb ist die Schlagschere zusammengefahren, so daß Hammer 42 und Amboß 43 aufeinanderliegen und der Kolben 47 sich außerhalb der Engstelle 45 befindet. Die Schlagschere besitzt ferner eine Dämpfungsstrecke, dargestellt durch eine weitere Engstelle 48, durch die ein auf dem Dornteil 1 angeordneter, einseitig an einem Anschlag 49 anliegender weiterer Kolben 50 ziehbar ist. Der Kolben 50 besitzt an seinem Innenumfang angeordnete axial verlaufende Durchtrittsöffnungen 51. Die Verriegelungsvorrichtung befindet sich im verriegelten Zustand. Im Gegensatz zu der Ausführungsform in Fig. 1 ist die Hülse 3 nicht auf dem Dornteil fixiert sondern begrenzt verschiebbar angeordnet. Eine Begrenzung ist einerseits durch einen Anschlag 52 gebildet und andererseits durch eine Feder 53 dargestellt, die rückseitig einem Anschlag 54 zugewandt ist.

Das Verhalten der Vorrichtung beim Entriegeln entspricht dem bei F i g. 1 Beschriebenen. Da nach dem Entriegeln durch die weiterhin vorhandene Axialkraft eine Beschleunigung des Dornteils 1 bis zum Eintritt des Kolbens 47 in die Engstelle 45 erfolgt und beim plötzlichen Abbremsen als Reaktion eine Druckspitze in der Kammer 41 auftreten würde, ist zum Schütze der Dichtungen eine Dämpfung vorgesehen, die eine langsame Verschiebung des Dornteils 1 von der örtlichen Position nach dem Entriegeln bis zum Eintritt des Kolbens 47 in die Engstelle erzwingt Dies geschieht dadurch, daß der weitere Kolben 50 während der kritischen Verschiebephase die Engstelle 48 passieren muß. Nach dem Entriegeln können sowohl nach oben als auch nach unten gerichtete Schläge mit der Schlagschere ausgeführt werden, ohne daß die Verriegelungsvorrichtung erneut einrastet. Bei Annäherung des Schlagschulterpaares aus Hammer 42 und Amboß 43 und damit auch gegenseitiger Berührung der Kugeln 19 und konischen Teilflächen 6 der Hülse 3 weicht diese unter Kompression der Feder 53 relativ zum Dornteil 1 axial aus. Ein erneutes Einrasten erfordert in diesem Fall ein Zurückstellen der Stützhülse 22 derart, daß die Feder 16 bei Verschiebung der Hülse 11 infolge Ausweichens der

Kugeln 19 nach außen keine Gegenkraft aufbauen kann. Die Feder 53 ist dann in der Lage, die Hülse 3 am Anschlag 52 zu halten, während die Kugeln 19 an der Konusfläche 6 der Hülse 3 bei entsprechender Axialbewegung nach außen treten. Nach Verriegelung ist dann die Stützhülse 22 wieder zurückzustellen.

Die in Fig.3 dargestellte Ausführungsform zeigt die Verriegelungs- und Gegenelemente dreifach axial geschichtet. Der Käfig 20 besitzt drei Ebenen, in denen

Kugeln 19', 19" und 19'" angeordnet sind. Entsprechend sind auch die konischen Teilflächen 12', 12" und 12'" auf der muffenseitigen Hülse 11 und die ebenfalls konischen Teilflächen 5', 5" und 5'" auf der dornseitigen Hülse 3 angeordnet. Die Hülsen 11 und 3 sind vorzugsweise integrale Teile. Der Bereich 4'" größeren Durchmessers der Hülse 3 jenseits der Ebenen mit den Kugeln 19'" ist axial so lang gemessen wie der größte Abstand zwischen zwei Ebenen mit Kugeln. Dadurch wird erreicht, daß beim Entriegeln die muffenseitige Hülse 11

in der verschobenen Position bleibt und die Vorrichtung nicht zwischenrastet.

Neben der hier dargestellten Ausführungsform kann die Verriegelungsvorrichtung auch direkt bei einer mechanischen Schlagschere als Rastvorrichtung eingesetzt werden. Ebenso ist es möglich, die Vorrichtung zur Blockierung eines Direktantriebs zu benutzen oder eine Kernziehvorrichtung für ein Kernrohr damit auszurüsten.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verriegelungsvorrichtung für ein Werkzeug bestehend aus teleskopartig verschiebbaren Dorn- und Muffenteilen, die gegenseitig einen Ringraum bilden, in dem wälzkörperartige Verriegelungselemente und mit abgeschrägten Flächen versehene Gegenelemente angeordnet sind, wobei ein Teil der Gegenelemente gegen eine Feder axial verschiebbar ι ο ist und ein anderer Teil im Verriegelungszustand axial fixiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Verriegelungselemente (19) radial zur Werkzeugachse beweglich sind und der axial fixierte Teil (17) der Gegenelemente hinsichtlich radialer Beanspruchung steif ausgebildet ist.

2. Verriegelungsvorrichtung für eine hydraulische Schlagschere für Tiefbohrungen, bestehend aus einem rohrförmigen Muffenteil und einem darin angeordneten Dornteil mit gegenseitigen Schlagschultern, einer mit einer Arbeitsflüssigkeit gefüllten Kammer, die eine Engstelle und Bereiche größeren Durchmessers· aufweist, ferner mit einem auf dem Dornteil angeordneten Kolben und Ventilen, die beim Hindurchtreten des Kolbens durch die Engstelle in einer Richtung den Austritt der Arbeitsflüssigkeit aus der Kammer drosseln und in der anderen Richtung den Eintritt in die Kammer freigeben, sowie mit wälzkörperartigen Verriegelungselementen und mit abgeschrägten Flächen versehenen Gegenelementen in einem Ringraum, wobei ein Teil der Gegenelemente gegen eine Feder axial verschiebbar ist und anderer Teil im Verriegelungszustand axial fixiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß im verriegelten Zustand ein Schlagschulterpaar (42; 43) aneinanderliegt und sich der Kolben (47) außerhalb der Engstelle (45) in einem Abstand dazu befindet, daß eine Dämpfungsstrecke zwischen der örtlichen Stellung des Dornteils (1) bei der Verriegelung und bei Eintritt des Kolbens (47) der Schlagschere in die Engstelle (45) vorhanden ist, daß die Verriegelungselemente (19) radial zur Werkzeugachse beweglich sind und daß der axial fixierte Teil (17) der Gegenelemente hinsichtlich radialer Beanspruchung steif ausgebildet ist.

3. Verriegelungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungsstrecke eine weitere Engstelle (48) und einen weiteren Kolben (50) mit engen Durchtrittsöffnungen (51) umfaßt.

4. Verriegelungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verriegelungselemente (19) in einem separaten, zwischen Dorn- und Muffenteil (1; 2) befindlichen Käfig (20) angeordnet sind und im Verriegelungszustand an einer konischen Teilfläche (5) einer Hülse (3) anliegen, die auf den Dornteil (1) angeordnet ist und gegenüber diesem einen Bereich (4) größeren Durchmessers aufweist.

5. Verriegelungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (3) an beiden Stirnseiten mit konischen Teilflächen (5; 6) versehen und axial auf den Dornteil (1) fixiert ist.

6. Verriegelungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (3) an beiden Stirnseiten mit konischen Teilflächen (5; 6) versehen und auf dem Dornteil (1) begrenzt axial verschiebbar ist, wobei die Begrenzung in einer Richtung durch einen Anschlag (52) und in der anderen Richtung durch eine Feder (53), die rückseitig einem Anschlag (54) zugewandt ist, gebildet ist.

7. Verriegelungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verriegelungselemente (19) bei einer Kraftübertragung zu den axial verschiebbaren Gegenelementen (11) eine direkte Berührung mit deren abgeschrägten Flächen (12) eingehen.

8. Verriegelungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine auf die Verriegelungselemente (19) radial nach innen gerichtete, von den axial verschiebbaren Gegenelementen (11,14,15) ausübbare maximale Reaktionskraft durch einen axial verschiebbaren Anschlag (21) für die Feder (16) der Gegenelemente (11, 14, 15) einstellbar ist.

9. Verriegelungsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschlag (21) durch die Stirnfläche einer gegen Verdrehen gesicherten Stützhülse (22) gebildet ist, die über ein Gewinde (24,25) mit einer axial fixierten, drehbaren Einstellhülse (26) in Eingriff steht, und daß die Einstellhülse (26) mit einem Kegelzahnkranz (27) versehen ist, in das ein von außerhalb des Muffenteils (2) betätigbares Kegelritzel (28) eingreift.

10. Verriegelungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Verriegelungselemente (19) und/oder deren Käfig (20) im Verriegelungszustand an einer senkrecht zur Werkzeugachse laufenden Stirnfläche (18) des axial fixierten Teils (17) der Gegenelemente anliegen.

11. Verriegelungsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein konstantes Verhältnis zwischen der zum Entriegeln und reversiblen Verriegeln aufzubringenden Axialkraft durch die Neigung der Konusflächen (5, 6) an der Hülse (3) gebildet ist.

12. Verriegelungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Verriegelungselemente (19) Kugeln sind.

13. Verriegelungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Verriegelungs- und Gegenelemente axial mehrfach vorgesehen und geschichtet angeordnet sind.

14. Verriegelungsvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die geschichteten Gegenelemente integrale Teile bilden.

15. Verriegelungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich (4'") größeren Durchmessers der dornseitigen Hülse (3) jenseits der letzten Verriegelungselemente axial mindestens so lang bemessen ist, wie der größte Abstand zweier benachbarter Schichten von Verriegelungselementen.