DE3610880A1

DE3610880A1 - Gewindeaufbau fuer das gesteinsschlagbohren

Info

Publication number: DE3610880A1
Application number: DE19863610880
Authority: DE
Inventors: Åke Torsten Skärholmen Eklöf; Harry Artur Ingvar Sandviken Wiredal
Original assignee: Santrade Ltd
Current assignee: Santrade Ltd
Priority date: 1985-04-04
Filing date: 1986-04-01
Publication date: 1986-10-16
Also published as: ATA87586A; SE9302079L; FI87829B; JPH0743667U; US4687368A; SE507083C3; CA1272386A; JP2545628Y2; IE66137B1; SE507083C2; JPS626093A; SE8501699D0; FI861441A0; DE3610880C2; FI87829C; SE8501699L; AT392669B; SE9302079D0; SE469602B; IE860817L

Description

Gewindeaufbau für das Gesteinsschlagbohren

Die Erfindung bezieht sich auf einen Gewindeaufbau für das Gesteinsschlagbohren und betrifft einen Gewindeaufbau für das Verbinden zweier Elemente in einem Schlagbohrstrang, mit einem zylindrischen Innengewinde und einem zylindrischen Außengewinde, wobei die Gewinde vorstehende bzw. anstoßende oder Stoßflanken haben, die längs ihrer Stoßkontaktteile gerade sind.

/ Ein Gewindeaufbau dieser Art ist in der US-PS 36 45 570 beschrieben. Bei einem solchen Gewindeaufbau wird Reibmartensit an den Brührungsoberflachen gebildet, das sich beim sogenannten Lochfraß oder Pitting ergibt. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn Druckluft als Spülmedium verwendet wird, die zu einer vergleichsweise schwachen Kühlung der Kontaktflächen führt, und wenn die Kontaktflächen karburiert bzw. karbonisiert werden. Wenn dieser sogenannte Lochfraß an den Flanken der Gewinde auftritt, ist er verhältnismäßig ungefährlich. Im Bodenteil des Außengewindes jedoch, wo die Belastungskonzentration hoch ist, führt ein Oberflächendefekt schnell zu Ermüdungsfehlern bzw. zum Ermüdungsbruch des Bohrelementes.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Gewindeaufbaues der vorstehend beschriebenen Art, bei welchem sichergestellt ist, daß zwischen dem Kopfteil des Innengewindes und dem Bodenteil des Außengewindes dann kein Kontakt auftritt, wenn die Gewinde abgenutzt oder abgerieben sind.

Insbesondere schafft die vorliegende Erfindung ein verbessertes Kupplungsgewinde an einer Bohrstange, die an ihrem einen Ende mit einem Außengewinde und an ihrem anderen Ende mit einem Innengewinde versehen ist, wobei das Innengewinde in einem hülsenförmigen Teil der Bohrstange vorgesehen ist. Eine Bohrstange dieser Art ist in der US-PS 35 37 738 be-

schrieben.

Weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Schaffung einer Bohrstange der in der US-PS 35 37 738 beschriebenen Art, welche den gleichen Biegewiderstand über ihre Länge hat und sicherstellt, daß das Spülmedium die Gewinde erreichen kann, um zwecks Verringerung des Abriebes der Gewinde zwischen die Gewinde zu fließen.

Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche gelöst, und durch diese erreicht man auch die anderen Vorteile und Erfindungsgegenstände.

Im Folgenden wird die Erfindung im Einzelnen unter Bezugnähme auf die Zeichnungen beschrieben, in welchen nur als Beispiel eine Ausführungsform der Erfindung dargestellt ist. Es zeigen:

Figur 1 eine Seitenschnittansicht eines Endes einer Bohrstange gemäß der Erfindung,

Figur 2 eine Seitenansicht des anderen Endes der Bohrstange in Figur 1,

Figur 3 zwei Bohrstangen der in den Figuren 1 und 2 gezeigten Art, die miteinander verbunden sind, Figur 4 ein Innengewinde in einem Bohrelement gemäß der Erfindung ,
Figur 5 ein Außengewinde in einem Bohrelement gemäß der

Erfindung und
Figur 6 ein Teil der Kupplung in Figur 3 in vergrößertem Maßstab.

Die Bohrstange 10, die in den Figuren 1 und 2 gezeigt ist, ist an ihrem einen Ende mit einem hülsenförmigen Teil 11 versehen, in welchem ein Innengewinde 12 gebildet ist. An ihrem anderen Ende ist die Bohrstange 10 mit einem Außengewinde 13 versehen. Ferner weist die Bohrstange 10 einen Spülkanal 14 auf, der längs durch die Stange hindurchgeht, durch welchen Spülmedium geleitet wird, wie z.B. Druckluft oder unter Druck gesetztes Wasser. Der Boden des hülsenför-

migen Teils 11 bildet eine ringförmige vorspringende bzw. anstoßende Stoßfläche oder Stirnfläche 15, die geeignet derart ausgestaltet ist, daß sie gegen eine entsprechende ringförmige Stoßfläche 16 am Außengewindeende einer anderen Bohrstange aufliegt, wenn zwei Bohrstangen 10 miteinander verschraubt werden.

Bei dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel ist die Bohrstange 10 im Querschnitt kreisförmig und an ihren Enden mit Torsionsgreifern bzw. -kupplern 17, 18 versehen, um während des Verbindend und Auseinandernehmens der Bohrstangen deren Halterung zu ermöglichen.

Das Innengewinde 12 hat im Längsschnitt ein gerades Flankenteil 19, und das Außengewinde 13 hat ein entsprechendes gerades Flankenteil 20. Die Gewinde 12, 13 haben im Profil gerade Kopf- und Bodenteile, die für das Außengewinde mit 21 bzw. 22 bezeichnet sind und für das Innengewinde mit 23 bzw. 24 bezeichnet sind. Die geraden Kopf- und Bodenteile drehen sich über gekrümmte Teile 25, 26 auf dem Außengewinde und gekrümmte Teile 27, 28 auf dem Innengewinde in die geraden Flankenteile 19, 20 hinein.

In herkömmlicher Weise sind die Gewinde 12, 13 derart ausgestaltet, daß ein Kontakt bwz. eine Berührung nur zwischen den geraden Flankenteilen 19, 20 entsteht, wenn die Gewinde zusammengeschraubt werden, und somit nicht zwischen den gekrümmten Teilen oder zwischen den Kopf- und Bodenteilen. Deshalb wird ein Anstoßen zwischen Teilen vermieden, die relativ zur Bohrachse nur schwach geneigt sind, und das Anstoßen kann die Gewinde veranlassen, daß sie unter Verkeilung verbunden werden.

Wie vorstehend erwähnt, ist es Zweck der Erfindung sicherzustellen, daß ein Kontakt zwischen dem Kopfteil 24 des Innengewindes 12 und dem Bodenteil 22 des Außengewindes dann nicht entsteht, wenn die Gewinde abgerieben sind. Wegen des asymmetrischen Abriebes des Gewindeprofiles bei Abrieb der

Profile neigt das Spiel a zwischen dem Kopfteil 24 und dem Bodenteil 22 dazu, auf einer Seite kleiner und kleiner zu werden; genauer gesagt an der Seite nahe den Stoßflankenteilen 19, 20.
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Bei dem Gewindeaufbau dieser Art ist es erwünscht, einen Zwischenraum zwischen den Gewinden so klein wie möglich zu haben, um dem Eindringen von Bohrstaub in die Gewindekupplung hinein entgegenzuwirken. Im Gegensatz dazu hat man gefunden, daß die Lebensdauer des Bohrelementes beachtlich verlängert wird, wenn das Spiel a erheblich vergrößert wird. Hierdurch ist sichergestellt, daß der Kontakt an den Teilen 22, 24 selbst dann nicht entsteht, wenn die Gewinde stark abgerieben sind. In diesem Falle entsteht selbstverständlieh eine Berührung an den Teilen 21, 23, da das Spiel b zwischen dem Bodenteil 23 des Innengewindes und dem Kopfteil 21 des Außengewindes konventionelles Maß hat. Eine solche Berührung, die zum sogenannten Lochfraß führt, ruft jedoch sehr selten Ermüdungsbruch hervor. Der Grund dafür besteht darin, daß das Teil mit dem Innengewinde 12 einen erheblich größeren Biegewiderstand als das Teil mit dem Außengewinde 13 hat, was zu geringeren Biegebeanspruchungen in dem ersterwähnten Teil führt. Man hat gefunden, daß das Spiel bzw. der Zwischenraum oder Abstand a größer als 1% des Außendurchmessers Dy des Außengewindes 13 sein sollte und daß auch das Spiel a mindestens das Vierfache des Spieles b ist, um sicherzustellen, daß ein Kontakt zwischen den Teilen 22, 24 nicht auftritt. Bei der dargestellten Ausführungsform hat das Innengewinde 12 eine Höhe h die kleiner ist als 5% des Innendurchmessers Di-des Innengewindes 12. Bei einer bevorzugten Ausführungsform hat das Gewinde 12 eine Höhe h, die kleiner als 4,5% des Innendurchmessers Di für Innendurchmesser ist, die kleiner als 55 mm sind.

In an sich bekannter Weise haben die Gewinde einen Eingang, und der Steigungswinkel et der Gewinde liegt zwischen 5,5° und 8°. Der Steigungswinkeioc wird aus der Formel berechnet,

wobei

s = die Steigung und

D = der effektive oder mittlere Durchmesser, m

Der etwas verringerte Steigungswinkel, wenn man mit dem Gewindeaufbau nach der US-PS 36 45 570 vergleicht, beruht auf der Tatsache, daß der Steigungwinkel gemäß der vorliegenden Erfindung an hydraulisch betriebene Gesteinsbohrmaschinen angepaßt ist, während der Steigungswinkel bei dem Gewindeaufbau nach der US-PS 36 45 570 an pneumatisch betriebene Gesteinsbohrmaschinen angepaßt ist.

Infolge der Natur der Stoßwellen ziehen die pneumatischen Gesteinsbohrmaschinen die Gewindeverbindung härter an als die hydraulischen Gesteinsbohrmaschinen. Weil das Entkupplungsdrehmoment steigt, wenn der Steigungswinkel abnimmt, wird ein vergleichsweise kleiner Steigungswinkel ausgesucht, um sicherzustellen, daß die Gewindeverbindung während des Bohrens durch hydraulische Gesteinsbohrmaschinen hart genug angezogen ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform hat man gefunden, daß der Steigungswinkel Ct um 0,4° - 0,8°abnehmen sollte, wenn der Durchmesser der Gewinde 12, 13 um 10 mm steigt, in welchem Falle der Steigungswinkeioc in der Größenordnung von 7,2° für ein Innengewinde 12 mit einem Außendurchmesser von 38 mm liegt.

In an sich bekannter Weise beträgt der Neigungswinkel ß der Flankenteile 19, 20 relativ zu Längsachse des Schlagbohrstranges 45° - 40°, vorzugsweise hat er Werte in der Größenordnung von 35°. Wie oben erwähnt, tritt ein Anstoßen nur an den Flankenteilen 19, 20 auf. Deshalb können die den Flankenteilen 19, 20 gegenüberliegenden Flanken sowie die benachbarten gekrümmten Teile und das Kopf- und Bodenteil willkürlich in ziemlich weiten Grenzen ausgestaltet sein.

Man hat es jedoch für zweckmäßig gefunden, wenn die zwei gegenüberliegenden Flanken der Gewinde bezüglich der Flankenneigung im wesentlichen symmetrisch sind. Ferner hat man es für zweckmäßig erachtet, daß die Kopf- und Bodenteile

der Gewinde gerade und im wesentlichen parallel zur Längsachse des Bohrstranges sein sollten. Die Kopf- und Bodenteile können jedoch auf andere Arten ausgestaltet sein, z.B. konkav, wobei in diesem Falle das Spiel a an derjenigen Stelle gemessen wird, wo der Abstand zwischen den Kopf- und Bodenteilen am kleinsten ist und die Höhe h die größte Höhe des Gewindes ist.

Nachfolgend stehen Größen in Tabellenform, welche für das Spiel a für zweckmäßig angesehen worden sind, ebenso für die Höhe h des Innengewindes und den Steigungswinkel©l für unterschiedliche Größen des Innendurchmessers Di des Innengewindes und des Außendurchmessers Dy des Außengewindes.

Di (mm)
35.20
40.60
46.60
54.70

Da das Spiel b eine konstante Größe, 0,1 mm, hat, liegt das Verhältnis a:b im Bereich vom 4,5 bis 7 für die als Beispiel genommenen Gewinde.

Wie man aus Figur 2 sieht, ist in der Stoßfläche 16 eine Nut 29 vorgesehen. Die Nut 29 erstreckt sich ganz über die Stoßoberfläche 16 und steht mit dem Spülkanal 14 in Verbindung, wodurch sichergestellt ist, daß das Spülmedium den Gewinden 12, 13 zum Spülen und Kühlen derselben zugeführt wird. Andererseits kann die Nut 29 auch in der Stoßfläche 15 vorgesehen werden.

Wie oben ausgeführt, ist die Erfindung darauf gerichtet, die Bohrstange 10 derart auszugestalten, daß sie über ihre Länge den gleichen Biegewiderstand hat, so daß der Prozentsatz von Stangenbruch als letzter Fehler verringert wird. Zu diesem Zweck hat das Teil 30 der Bohrstange 10 mit verringertem Durchmesser unmittelbar neben dem Außengewinde

Dy (mm)	a (mm)	h (mm)	Ot-
38.20	0.45	1.60	7.17°
44.20	0.55	1.90	6.72°
50.80	0.65	2.20	6.31°
57.80	0.70	2.65	5.97°

13 den gleichen Durchmesser wie der Rest der Bohrstange.

Obwohl die Erfindung hier in Verbindung mit einer Bohrstange beschrieben worden ist, die an ihrem einen Ende ein Außengewinde und an ihrem anderen Ende ein Innengewinde hat, versteht es sich aber doch, daß der Gewindeaufbau in jeder Art von Bohrelement in einem Schlagbohrstrang benutzt werden kann, wie z.B. einer Bohrstange, die an beiden Enden außen mit Gewinde versehen ist, einer Kupplungshülse für die Verbindung zweier solcher Bohrstangen und einen Bohrstahl bzw. Abbaumeißel, der zum Verbinden mit einer solchen Bohrstange geeignet ausgestaltet ist.

•Μ-

- Leerseite -

Claims

Dr. Dieter Weber Klaus Seiffert Patentanwälte DipL-Chem-Dr-Dieter Weber-Dipl.-Phys.Klaus Seiffei-i Postfach 6145 · 6200 Wiesbaden Deutsches Patentamt Zweibrückenstr. 12 8000 München 2 D-6200 Wiesbaden GuBUiv-Preyuiß-Strußc* 25 Telefon 0 6121 .'37 2720 * 37 25 80 Telegrammadresse: Willpaiein Telex: 4-186247 Te-li-kopierer Gn III 06121 372111 Postscheck: Frankfurt/Main 67 63-602 Bank: Dresdner Bank AG. Wiesbaden. Komo-Nr.27880700 (BLZ5108006Oi 27. März 1986 Sf/Wl Santrade Limited CH-6002 Luzern, Schweiz Gewindeaufbau für das Gesteinsschlagbohren Priorität: 4. April 1985, Schweden, Anmeldenummer 85 01 699-6 Patentansprüche

1. Gewindeaufbau für das Verbinden zweier Elemente (10) in einem Schlagbohrstrang mit einem inneren zylindrischen Gewinde (12) und einem äußeren zylindrischen Gewinde (13), wobei die Gewinde (12, 13) anstoßende bzw. Stirnflanken (19, 20) haben, die längs ihren Stoßkontaktteilen gerade sind, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Bodenteil (22) des Außengewindes (12) und dem Kopf-

teil (24) des Innengewindes (12) ein Spiel (a) vorgesehen ist, welches größer als 1% des Außendurchmessers (dy) des Außengewindes (13) ist.

2. Gewindeaufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Spiel (a) mindestens das vierfache Spiel (b) zwischen dem Bodenteil (23) des Innengewindes und dem Kopfteil (21) des Außengewindes ist.

3. Gewindeaufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Innengewinde (12) eine Höhe (h) hat, die kleiner als 5% des Innendurchmessers (di) des Innengewindes (12) ist.

4. Gewindeaufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stoß- bzw. Stirnflanken (19, 20) um 25° bis 40°, vorzugsweise 35°, zur Längsachse des Bohrstranges geneigt sind.

5. Gewindeaufbau nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewinde (12, 13) einen Eingang haben und der Steigungswinkel (Qc ) der Gewinde 5,5° - 8° beträgt, wobei der Steigungswinkel ( cc ) um 0,4° - 0,8° auf eine Zunahme des Durchmessers der Gewinde (12, 13) mit 10 mm abnimmt, und daß der Steigungswinkel (cc ) in der Größenordnung von 7,2° liegt für ein Innengewinde (12) mit einem Außendurchmesser von 38 mm.

6. Bohrelement für die Benutzung in einem Schlagbohr §trang in Form einer Bohrstange (10), Kupplungshülse oder Bohrstahl mit einem zylindrischen Innengewinde (12), welches geeignet derart ausgestaltet ist, daß es mit einem entsprechenden zylindrischen Außengewinde (13) auf einem anderen Bohrelement in dem Bohrstrang verbunden wird, wobei die Gewinde (12, 13) Stirn- bzw. Stoßflanken (19, 20) haben, die längs ihren Stoßteilen gerade sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Innengewinde (12) eine Höhe (h) hat, die kleiner als 5% des Innendurchmessers

ORIGINAL INSPECTED

(di) des Innengewindes (12) ist.

7. Bohrelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Innengewinde (12) eine Höhe (h) hat, die kleiner ist als 4,5% des Innendurchmessers (Di- ) des Innengewindes (12) für Innendurchmesser, die kleiner als 55 mm sind.

8. Bohrelement nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeich net, daß die Stoßflanken (19, 20) um 25° - 40°, vorzugsweise 35°, zur Längsachse des Bohrelementes (10) geneigt sind.

9. Bohrelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewinde (12, 13) einen Eingang haben und der Steigungswinkel ( oc ) der Gewinde 5,5° - 8° beträgt, wobei der Steigungswinkel (cc ) abnimmt um 0,4° - 0,8° auf eine Zunahme des Durchmessers der Gewinde (12, 13) mit 10 mm hin und wobei der Steigungswinkel (cC) in der Größenordnung von 7,2° liegt für ein Gewinde (12) mit einem Außendurchmesser von 38 mm.

10. Bohrelement nach einem der Ansprüche 6 bis 9, welches eine Bohrstange (10) ist mit Außengewinde an seinem einen Ende und Innengewinde an seinem anderen Ende, wobei die Bohrstange einen Spülkanal (14) hat, der durch die Stange hindurchgeht, und das Innengewinde (12) in einem hülsenförmigen Teil (11) der Stange (10) vorgesehen ist und der Boden des hülsenförmigen Teils unter Bildung einer ringförmigen Stoßfläche (15) geeignet derart ausgestaltet ist, daß er gegen eine entsprechende ringförmige Stoßfläche (16) am Außengewindeende des anderen Bohrelementes in dem Schlagbohrstrang aufsitzt, dadurch gekenn zeichnet, daß eine Spülnut (29) in beiden Stoßflächen (15, 16) vorgesehen ist und zum Spülen und Kühlen der Gewinde (12, 13) mit dem Spülkanal (14) in Verbindung steht.