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Diese
Erfindung betrifft ein verbessertes Lager. Insbesondere, jedoch
nicht ausschließlich,
betrifft die Erfindung eine verbesserte Lagerbaugruppe, beispielsweise
eine Axiallagerbaugruppe, die in Bohrloch-Anwendungen (down-hole
applications), beispielsweise Bohrloch-Drill-Anwendungen, wie beispielsweise in den Öl/-Gasproduktionsindustrien,
angewandt werden.
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Axiallagerbaugruppen
für einen
Gebrauch in Bohrloch-Anwendungen
haben die widersprüchlichen Anforderungen
einer dicken Schaftbaugruppe und einer hohen Axiallastlagerkapazität bei einem
kleinen Querschnitt. Um dies zu erreichen, kann eine Anzahl von
Axiallagern in Reihe angebracht sein, um eine ausreichende Last-
und Schockkapazität
bereitzustellen. In herkömmlichen
Lagerbaugruppen führt
dies zu einem Problem, weil die Last möglicherweise nicht gleichmäßig zwischen
den Reihen von Lagern aufgeteilt ist, was in übermäßigen Verschleiß oder Ausfall
von einem oder mehr von den Lagern resultieren kann. Dieses Problem kann
durch einen Gebrauch von Baugruppen und Abstandshaltern überwunden
werden. Jedoch neigt dies dazu, naturgemäß komplex zu sein. Ein zusätzliches
Problem in einer Bohrloch-Vorrichtung ist, dass ein Raum dazu neigt,
begrenzt zu sein.
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Die
Schweizer Patentveröffentlichung
Nr. CH 239592 (Gertsch) offenbart eine Lagerbaugruppe, die innere
und äußere Ringe
aufweist, zwischen denen Kugellager angebracht sind, die durch einen
ein Mittel zum Biegen beinhaltenden Körper auf Abstand voneinander
gehalten sind. Die UK Patentveröffentlichung
Nr. GB 1344318 (Societe Nationale D'Etude et de Constructions de Moteurs
d'Aviation) offenbart
eine Lagerbaugruppe, welche zwei Kugellagergruppen beinhaltet, welche
Gruppen nebeneinander angeordnet sind, um einen rotiernden Teil
zu tragen, der einer axialen Last von schwankender Amplitude ausgesetzt
ist, wobei jede Gruppe einen inneren und einen äußeren Ring umfasst, wobei interne
Axialspiele der zwei Lagergruppen durch zwei elastische, jeweils
auf einen der Ringe von jeder Lagergruppe angebrachten Achsschübe in entgegengesetzten
Richtungen aufgenommen sind.
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US
Patent-Nr.
US 5,074,681 (erteilt
der Teleco Oilfield Services Inc) offenbart einen Bohrloch-Motor, der
eine Lagerbaugruppe für
ein Zulassen einer Dreh- und bidirektionalen axialen Bewegung eines
Antriebsschaftes in einem Gehäuse
beinhaltet. Die Lagerbaugruppe beinhaltet einen ortsfesten Laufring,
einen verschiebbaren Laufring, zwischen Laufringen angeordnete Kugellager
und ein elastisches lasttragendes Bauteil zum Verteilen einer Axiallast
von dem Antriebsschaft auf das verschiebbare Laufringelement, wenn
der Antriebsschaft in einer ersten Richtung axial verschoben wird.
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Es
ist eine Aufgabe von wenigstens einem erfindungsgemäßen Aspekt,
Probleme des Standes der Technik zu verhindern oder zu mäßigen.
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Es
ist eine weitere Aufgabe von wenigstens einer Ausführungsform
von wenigstens einem erfindungsgemäßen Aspekt, eine flexible,
lastverteilende Wälzlagerbaugruppe/-Einheit bereitzustellen.
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Entsprechend
einem ersten erfindungsgemäßen Aspekt
ist eine Lagereinheit bereitgestellt, umfassend eine Mehrzahl von
Lagerbaugruppen, wobei jede Lagerbaugruppe wenigstens zwei Lagerbauteile
aufweist, welche durch einen ersten Körper auf Abstand voneinander
gehalten werden, wobei der erste Körper ein Mittel zum Biegen
aufweist, die ersten Körper
von benachbarten Lagerbaugruppen durch ein entsprechendes, sich
hierzwischen erstreckendes, erstes Abstandsteil auf Abstand voneinander
gehalten werden, so dass, im Gebrauch, eine auf die Lagereinheit
beaufschlagte Last gleichmäßig zwischen
den Lagerbaugruppen verteilt ist.
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Daher
kann, wenn eine Last auf die Lagerbaugruppe ausgeübt wird,
ein Biegen des ersten Körpers verursacht
sein. Vorteilhaft kann das Biegemittel wenigstens eine auf dem ersten
Körper
gebildete Nut oder Ausnehmung umfassen. Vorzugsweise ist der erste
Körper
im wesentlichen ringförmig
und die wenigstens eine Nut ist vorzugsweise auf einer äußeren Fläche des
ersten Körpers
gebildet. Vorteilhaft ist die Nut im wesentlichen U-förmig.
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Der
erste Körper
kann starr auf einem Körper,
auf welchen im Gebrauch eine Last ausgeübt wird, angebracht sein. Vorzugsweise
ist eine erste ringförmige
Fläche
des ersten Körpers
mit einem ersten ringförmigen
Laufring versehen. Ebenso bevorzugt ist eine zweite ringförmige Fläche mit
des ersten Körpers
mit einer zweiten ringförmigen
Fläche
versehen.
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Vorteilhaft
umfassen die ersten und zweiten Lagerteile jedes eine Mehrzahl von
Kugeln, wobei die ersten und zweiten Lagerelemente vorzugsweise
für eine
Bewegung innerhalb der ersten und zweiten ringförmigen Laufringe des ersten
Körpers
aufgenommen sind.
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In
einer bevorzugten Anordnung biegt das Mittel zum Biegen um eine
longitudinale Achse des ersten Körpers.
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Weiterhin
ist in der bevorzugten Anordnung die Nut im wesentlichen auf einem
Umfang um den ersten Körper
bereitgestellt.
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Vorteilhaft
sind benachbarte Lagergruppen durch einen zweiten Körper auf
Abstand von einander gehalten.
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Vorzugsweise
ist der zweite Körper
im wesentlichen ringförmig.
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Der
zweite Körper
kann starr auf einen weiteren Körper,
auf welchen im Gebrauch eine Last nicht (direkt) ausgeübt wird,
angebracht sein.
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Vorzugsweise
ist eine erste ringförmige
Fläche
des zweiten Körpers
mit einem ersten ringförmigen Laufring
versehen.
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Ebenso
bevorzugt ist eine zweite ringförmige
Fläche
des zweiten Körpers
mit einem zweiten ringförmigen
Laufring versehen.
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Vorteilhaft
können
entsprechende erste und zweite Lagerteile innerhalb der ersten und
zweiten Laufringe des zweiten Körpers
für eine
Bewegung aufgenommen sein.
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Ebenso
vorteilhaft werden benachbarte zweite Körper durch ein entsprechendes
zweites Abstandsteil auf Abstand voneinander gehalten.
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In
einer Ausführungsform
kann ein weiteres erstes Abstandsteil zwischen einem Ende, auf welches
im Gebrauch eine Kraft ausgeübt
wird, und einem benachbarten Ende eines benachbarten ersten Körpers bereitgestellt
sein.
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Entsprechend
einem zweiten erfindungsgemäßen Aspekt
ist ein Werkzeug oder eine Vorrichtung bereitgestellt, welches eine
Lagereinheit gemäß dem ersten
erfindungsgemäßen Aspekt
beinhaltet.
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Das
Werkzeug kann ein Bohrloch-Werkzeug sein, beipielsweise für einen
Gebrauch in einem Bohrloch in einer Öl-/Gas-Bohrung.
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Das
Werkzeug kann einen Teil einer Bohrloch-Drill-Vorrichtung umfassen, welche einen Bohrlochmotor,
wie zum Beispiel einen Mointeau-Motor oder einen in WO95/19488 offenbarten
Motor, deren Inhalt hierin durch Referenz aufgenommen sind, beinhaltet.
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Der
erste Körper
kann starr an einen Schaft, auf welchem in Gebrauch eine Last ausgeübt wird,
angebracht sein.
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Der
Schaft kann im wesentlich konzentrisch in der Lagerbaugruppe /-
Einheit enthalten sein.
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Der
zweite Körper
kann starr auf einen Gehäuse
angebracht sein.
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Das
Gehäuse
kann im wesentlichen konzentrisch die Lagerbaugruppe /-Einheit umgeben.
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Vorteilhaft
sind benachbarte erste Körper
in Längsrichtung
durch ein erstes Abstandsteil auf Abstand voneinander gehalten,
welches Abstandsteil ebenfalls auf dem Schaft angebracht sein kann.
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Ebenso
vorteilhaft sind benachbarte zweite Körper in Längsrichtung durch ein zweites
Abstandsteil auf Abstand voneinander gehalten, welches Abstandsteil
ebenfalls an dem Gehäuse
angebracht sein kann.
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Erfindungsgemäße Ausführungsformen
werden nun, lediglich beispielhaft, beschrieben, unter Bezugnahme
auf die begeleitenden Zeichnungen, wobei:
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1 eine
Querschnitts-Seitenansicht eines Bereiches eines Bohrloch-Werkzeuges,
welches eine Lagerbaugruppe entsprechend einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform
beinhaltet, ist.
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2 eine
perspektivische Ansicht eines Bereiches der Lagerbaugruppe von 1 ist.
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3 eine
Querschnitts-Seiten Ansicht eines Bohrloch-Werkzeuges, das eine Lagerbaugruppe
entsprechend einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform beinhaltet, ist.
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Zuerst
bezugnehmend auf 1, ist ein Bereich eines Bohrloch-Werkzeuges
dargestellt, allgemein als 5 bezeichnet, entsprechend einer
ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform.
Das Werkzeug 5 kann die Form einer Bohrlochdrill-Vorrichtung
annehmen. Das Werkzeug 5 beinhaltet eine Lagereinheit (Pack) 10,
welche eine Reihe von benachbarten Lagerbaugruppen 15 umfasst – in dieser
Ausführungsform
sind drei Baugruppen 15 bereitgestellt.
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Jede
Lagerbaugruppe 15 weist zwei Wälzlagerelemente 400 auf,
die durch einen ersten Körper 500 auf
Abstand voneinander gehalten werden, wobei der erste Körper 500 ein
Mittel zum Biegen aufweist. Daher ist, wenn eine Last auf die Lagerbaugruppe 15 ausgeübt wird,
ein Biegen des ersten Körpers 500 verursacht. In
dieser Ausführungsform
umfasst das Biegemittel wenigstens eine im wesentlichen auf einem
Umfang gebildete Nut 510, welche auf dem ersten Körper 500 gebildet
ist.
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Der
erste Körper 500 ist
im wesentlichen kreisförmig,
wobei die wenigstens eine Nut 510 auf einer äußeren Fläche des
ersten Abstandshalters 500 gebildet ist. Wie von den 1 und 2 gesehen
werden kann, ist die Nut 510 in einem Seitenquerschnitt
im wesentlichen U-förmig.
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Der
erste Körper 500 ist
starr auf einen Schaft 600 angebracht, auf welchen in einem
Gebrauch eine Last beaufschlagt wird, wobei der Schaft 600 im
wesentlichen konzentrisch innerhalb der Lagereinheit 10 enthalten
ist. Der Schaft 600 kann hohl sein und kann einen Sockel 610 für eine Verbindung,
beispielsweise zu einer Bohrerspitze oder ähnlichem (nicht gezeigt), aufweisen.
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Eine
erste ringförmige
Fläche 610 des
ersten Körpers 500 ist
mit einem ersten Laufring 620 versehen. Weiterhin ist eine
zweite ringförmige
Fläche 630 des
ersten Körpers 500 mit
einem zweiten ringförmigen
Laufring 640 versehen. Die ersten und zweiten Lagerelemente 400 umfassen
jedes eine Mehrzahl von Kugeln, wobei die ersten und zweiten Lagerelemente 400 für eine Bewegung
innerhalb der ersten und zweiten ringförmigen Laufringe 620, 640 des
ersten Körpers 500 aufgenommen
sind.
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Die
Lagereinheit 10 umfasst eine Mehrzahl von Lagerbaugruppen 15.
Jede benachbarte Lagerbaugruppe 15 ist durch einen zweiten
Körper 200 voneinander
auf Abstand gehalten. Jeder zweite Körper 200 ist im wesentlichen
kreisförmig.
Die zweiten Körper 200 sind
starr an einem äußeren Gehäuse 100 angebracht, auf
welches in einem Gebrauch eine Last nicht (direkt) beaufschlagt
wird.
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Eine
erste ringförmige
Fläche 650 von
jedem zweiten Körper 200 ist
mit einem ersten ringförmigen Laufring 660 versehen.
Eine zweite ringförmige
Fläche 670 von
jedem der zweiten Körper 200,
welche zwischen benachbarten Baugruppen 15 bereit gestellt
sind, ist mit einem zweiten ringförmigen Laufring 680 versehen.
Die zweiten die ein Enden der Einheit 10 bereitgestellten
Körper 200 sind
lediglich mit einem Laufring 660 versehen – wie von 1 gesehen
werden kann.
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Auf
diese Weise sind entsprechende erste und zweite Lagerelemente 400 für eine Bewegung
innerhalb der ersten und zweiten ringförmigen Laufringe 660, 670 des
zweiten Abstandshalters 200 aufgenommen.
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Bezugnehmend
auf 1 sind die zweiten Köper 200 starr an einen
Gehäuse 100 angebracht.
Das Gehäuse 100 umgibt
die Lagereinheit 10 im wesentlichen konzentrisch.
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Ein
erster Laufring 620 des ersten Abstandshalters 500 ist
gegenüber
einem zweiten Laufring 680 eines zweiten Körpers 200 angeordnet. Ähnlich ist
ein zweiter Laufring 640 des ersten Körpers 500 gegenüber einem
ersten Laufring 660 eines zweiten Körpers 200 angeordnet.
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Wie
von 1 gesehen werden kann, sind die ersten Körper 500 in
Längsrichtung
entlang des Schaftes 600 auf Abstand voneinander gehalten
und durch erste Abstandselemente 700 voneinander separiert,
welche starr an dem Schaft 600 angebracht sein können. Wie
weiterhin von 1 gesehen werden kann, sind
die zweiten Körper 200 in
Längsrichtung
entlang des Gehäuses 100 auf
Abstand voneinander gehalten und durch zweite Abstandselemente 300 separiert,
welche starr an dem Gehäuse 100 angebracht
sein können.
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Es
wird angemerkt, dass der Schaft 600 frei relativ zu dem
Gehäuse 100 rotieren
kann. Daher können die
ersten Körper 500 frei
zu den zweiten Körpern 200 rotieren.
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Die
Komponenten des Werkzeuges
5 können in dieser Ausführungsform
aus den folgenden Materialien gefertigt sein:
| Gehäuse 100 | – Stahl |
| zweite
Körper 200 | – gehärteter Stahl |
| zweite
Abstandskörper 300 | – Stahl |
| Lagerelemente 400 | – gehärteter Stahl
– und/oder
Keramik |
| erste
Abstandshalter 500 | – gehärteter Stahl |
| Schaft 600 | – Stahl |
| erste
Abstandselemente 700 | – Stahl |
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Jedoch
wird es verstanden, dass man jeden Legierungsstahl verwenden kann,
der für
eine Oberflächenhärtung durch
Nitridieren/Karbonisieren geeignet ist, für eine Falltiefe in der Größenordnung
von 0,254 mm (zehn tausendstel von einem inch).
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In
einem Gebrauch stellt die Flexibilität der Lagerbaugruppe 15 eine
Lastverteilung durch die Lagereinheit 10 bereit. Diese
Flexibilität
ist durch die Nuten 510 erreicht. Sobald eine Last (Achsschub)
F auf den Schaft 600 ausgeübt wird, biegt sich ein erster
Körper 500 unter
der Last F, wobei er sicherzustellen versucht, dass die nächsten ersten
Körper 500 passend
angeordnet sind, so dass einiges von der Last dann durch die benachbarten
inneren Abstandshalter 700 auf den nächsten ersten Körper 500 übertragen
werden u.s.w. Dies versucht sicherzustellen, dass die Last F gleichmäßig zwischen
den Lagerbaugruppen 15 in der Einheit 10 verteilt
ist, und nicht durch eine einzelne Lagerbaugruppe 15 getragen
ist. Auf diese Weise ist die Last F auf eine Weise verteilt, wie es
nicht unter Verwendung bekannter starrer Lagerbaugruppen möglich ist.
Weil jeder Körper 200, 500 doppelseitig
ausgeführt
ist, kann die Last F eine Zuglast oder eine Schublast sein. In beiden
Fällen
wird die Last F über
jede der Lagerbaugruppen 15 der Einheit 10 verteilt.
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Sowohl
statische als auch dynamische Tests sind mit einer 42,86 mm (1 11/16
inch) flexiblen Lagereinheit 10 ausgeführt worden und ihre Leistungsfähigkeit
wurde sogar als besser als erwartet herausgefunden.
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Die
Lagerbaugruppe 15 zeigte eine lineare Ablenkung bei 20kN
wobei kurz danach eine Schwingungskorrosion (Brinelling) auftrat.
Diese wurde dann von einer zweiten linearen Ablenkung als zwei Biegungen
der hufeisenförmigen
Nut 510 gefolgt, und Brinellen ist in einem geringeren
Ausmaß fortgesetzt.
Eine Ablenkung beträgt
0,8 mm pro Lagerbaugruppe 15, bevor Brinellen auftritt,
wobei Vorhersagen 0,05 bis 0,06 mm vorschlugen, was eine Vergrößerung um
einen Faktor 15 bedeutet. Es ist kein Schaden an den Lagerelementen
bei jeglicher Gelegenheit aufgetreten.
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von
einer Inspektion der Laufringe 620, 640 nach dem
Testen wurde herausgefunden, dass die Last bei etwa 45 Grad in Richtung
der Schultern der Laufringe 620, 640 ausgeübt ist,
das heißt
weg von dem flexiblen Bereich und nicht vertikal ist. Das Ergebnis
ist eine viel stärkere
Lagerbaugruppe 15, weil sie lediglich mit dem etwa 0.707-fachen
der zugeführten
vertikalen Kraft umgehen muss, und ist daher in der Lage, mehr Last
zu tragen. Diese Last ist auch in den stärksten und steifesten Teil
der Laufringe gerichtet, was weiterhin das Lasttragevermögen erhöht.
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Für eine Lagereinheit 10 kann
jeder Laufring in einem Bereich von 25kN widerstehen, bevor signifikanter
Schaden auftritt. Beispielsweise beträgt für fünf Gruppen von Laufringen die
Last, bevor irgendwelche ernsten Probleme auftreten würden, etwa
125 kN oder 12,7 Tonnen, was das auf dem Gebiet Erwartete bei weitem überschreitet.
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Die
Last ist nach einer anfänglichen
Schwingungskorrosion eines ersten Körper-Laufringes in einem hohen
Maße verteilt.
Jedoch nutzt der der Last nächstgelegenen
Laufring unter sehr hohen Lasten schneller ab und der nachfolgende
Ausfall lässt
die Last zu den verbleibenden Laufringen voranschreiten.
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Der
auf der Fläche
des ersten Laufringes beobachtete Brinelleffekt nimmt nicht unter
höheren
Lasten ab.
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Die
Kombination der zwei dynamischen Tests unter Verwendung optimierter
Abstandshalter dauerten 219,5 Stunden bei 6672 N (1500 lbf) Gewicht
auf der Bohrerspitze (WOB). Unter der Betrachtung, dass ein herkömmlicher
42,86 mm (1 11/16")-MACDRILL
(TM) Motor, wie in WO 95/19488 diskutiert, ein Anzugsdrehmoment
bei dieser Kraft aufweist, kann sicher angenommen werden, dass diese
Kraft bei einem Bohren nicht für
lang anhaltende Perioden gesehen wird. Wenn man bedenkt, und die
Tatsache, dass die Last-Verschleiss-Kurve
exponentiell ist, könnte
die Lebenserwartung dieser flexiblen Lagereinheit 10 bei
normalen Betriebslasten wesentlich höher als die 219,5 Stunden sein,
während
welcher sie während
der Tests ausgesetzt war.
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Zusammengefasst
sind die flexiblen Lagerbaugruppen 15 stärker als
gedacht, weil die Last bei 45° durch
die Laufringe wirkt. Der Lastpfad mit (WOB) Last trägt die Last
in Richtung des Schaftes 600 und nicht in Richtung der
hufeisenförmigen
Nuten 510. Dies führt
daher dazu, dass der Laufring weniger als gemäß seiner Entwurfsspezifikation
biegt und, dass er eher einer Schwingungskorrosion als Biegewirkungen
ausgesetzt ist. Die Lagereinheit 10 erzeugt denselben Effekt
wie in bekannten Schrägkontaktlagern,
aber zu einem Bruchteil der Kosten.
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Es
gibt eine Anzahl von Optionen, die den Entwurf der Lagereinheit 10 verbessern
können,
so dass die anfängliche Schwingungskorrosion
auf einem ersten inneren Abstandselement reduziert werden kann,
beispielsweise:
- 1. Vergrößern der Nut-510-Tiefe, um
die Biegung zu erhöhen
und in einer Lastverteilung zu unterstützen.;
- 2. Aufnehmen eines zusätzlichen
inneren Abstandshalters, um sicherzustellen, dass die Federkonstante auf
dem Laufring des ersten Körpers
und dem Rest der Laufringe gleich ist.
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Nunmehr
bezugnehmend auf 3, ist, entsprechend einer zweiten
erfindungsgemäßen Ausführungsform,
ein Bereich eines Bohrloch-Werkzeuges dargestellt, allgemein als 5A bezeichnet.
Das Werkzeug 5A ist ähnlich
zu dem Werkzeug 5 der ersten Ausführungsform, wobei ähnliche
Teile durch ähnliche
Zahlen bezeichnet sind, aber wobei ein 'A' angehängt ist.
Jedoch unterscheidet sich das Werkzeug 5A von dem Werkzeug 5 darin,
dass es ein extra inneres Abstandselement 700'A bereitstellt,
so dass es versucht, den durch (2) oben angebotenen Vorteil bereitzustellen.
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Es
wird verstanden, dass die zuvorbeschriebenen erfindungsgemäßen Ausführungsformen
lediglich beispielhaft angegeben sind und nicht den Bereich der
Erfindung in jeglicher Weise einschränken sollen. Es wird beispielsweise
verstanden, dass die Anzahl von eine Lagereinheit bildenden Lagerbaugruppen
ausgewählt
werden kann, um eine gewünschte
Lastkapazität
bereitzustellen.
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Es
wird weiterhin verstanden, dass die vorliegende Erfindung einen
größeren Durchmesser
eines Schaftes bereitstellt, und daher eine größere (Sechskant- (hex)) Kopplung
und daher eine größere Drehmomenten-Kapazität als bekannte
Lagereinheiten. Ein größerer Außendurchmesser
eines Schaftes gestattet – bei
der selben Stärke – einen
größeren Innendurchmesser
des Schaftes und auf diese Weise einen reduzierten Druckverlust
durch den (Antriebs)-Schaft.