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Gewindeverbindung Die Erfindung bezieht sich auf eine mit Gewinde
versebene Verbindungseinrichtung derjenigen Art, bei welcher ein Gewindezapfen in
eine Ge:windehiilse eingreift und beide Teile mit Absätzen oder Bundflächen versehen
sind. Insbesondere ist diese Erfindung nützlich in solchen Fällen, wo eine Gewindeverbindung
dieser Art starken Biegungs- und Stoßbeanspruchungen ausgesetzt ist, wie sie bei
Werkzeugverbindungen und Bohrgestängernuffen o. dgl. beim Bohren von Bohrlöchern,
vor allem von Tiefbohrungen nach der Rotationsbohrmethode auftreten.
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Beim Rotations- oder Drehbohrverfahren werden Umlaufgeschwindigkeiten
des Bohrgestänges von _1o bis 300 Umdrehungen pro Minute angewendet. Zahlreiche
Faktoren bringen höhe Beanspruchungen in die Bohrspindel bzw. das Bohrgestänge,
und insbesondere werden in weiten Grenzen schwankende Biegungsbeanspruchungen hervorgerufen.
Störungen und Schäden treten häufig vor allem in der mit Gewindeversehenen Zapfen-
und Hülsenverbindung zwischen den aufeinanderfolgenden Abschnitten von Bohrgestängemuffen
oder zwischen den Werkzeug= verbindungsabschnitten auf, wie sie als Verbindungsstücke
von Bohrerrohren gebraucht werden. Solche Schäden tragen wegen des Verlustes an
Zeit, Arbeit und Material stark,zur Erhöhung der Bohrkosten bei und vermehren die
den Bohrarbeiten innewohnenden Gefahren und Wagnisse.
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Es wurde festgestellt, daB das Lösen einer Verhindung
während
-des Bohreis eine übliche Ursache von Schäden und Störungen ist. Ein solches Lösen
kann zahlreiche Ursachenhaben, wie insbesondere Nachgeben oder Ermüden des Metalls
in der Verbindung an örtlich begrenzten Flächen hohen, Druckes infolge des Eindringens
von Schmiermitteln und/ oder Fremdkörpern in die Verbindung, Abnutzung von Metall
infolge von Relativbewegungen zwischen bestimmten Teilen o. dgl. m. Die Folge davon
ist ein Wackeln, ein .Ausreiben und Lockern oder eine ähnliche Beschädigung. In
manchen Fällen tritt ein wirklicher Bruch des Gewindeteiles im Bohrgestänge ein,
und ein solcher Bruch erfordert die Vornahme von Sucharbeiten zum Herausangelnbeschädigter
Teile oder von Ausweichbohrungen, bevor der eigentliche Bohrvorgang wieder aufgenommen
werden kann. Wenn auch eine solche Störung zeitweise durch Zurückziehen des Bohrgestänges
und Dichten der betreffenden Teile abgewendet wird, so verhindert der dadurch zugefügte
Schaden doch ein späteres genaues Zusammensetzen der Verbindung, und zuletzt kommt
es trotzdem zu Störungen.
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Häufig, wenn ein Bohrspindelabschnitt herabgelassen wird, um eine
Verbindung mit einem vorangehenden Abschnitt in Odem Bohrloch herbeizuführen, verursacht
ein Stoß des Zapfens auf den Absatz des Hülsengliedes oder auf das Gewinde in dem
Hülsenglied einen Schaden, oder ein genaues Ausrichten der Teile verhindert und
Reibungsabnutzungen o. dgl. beginnen läßt. Beides gibt Veranlassung zur Entstehung
von lokal begrenzten Flächen hohen Druckes, wodurch ein Nachgeben oder Erschlaffen
des Materials eintritt, wie dies oben angedeutet wurde. Weiterhin führen solche
Bedingungen zu Schwierigkeiten beim Zusammensetzen oder Auseinandernehmen der Verbindung
und zu einer Häufung der Widerstände beim nachfolgenden Herstellen einer Verbindung,
welche den aus dem normalen Gebrauch herrührenden zerstörenden Beanspnuchungen widerstehen
soll.
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Durch die Erfindung wird in erster Linie bezweckt, eine verbesserte
Verbindung der !in Rede stehenden Art zu schaffen, welche die oben erläuterten Nachteile
und Schwierigkeiten beseitigt.
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Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, eine mit Gewinde versehene
Verbindung des Zapfen- und Hülsentyps zu schaffen., welche das Material der Verbindung
bis zu einem Maximum an Wirksamkeit ausnutzt, indem die Beanspruchungen gleichmäßig
in dem die wirksamen Arbeitsflächen umgebenden Material verteilt werden.
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Weiterhin bezweckt die Erfindung die Schaffung einer Zapfen- und Hülsenverbindung,
welche eine erhöhte Tendenz zum Zusammenhalt oder zur Abdichtung bei normaler Beanspruchung
besitzt.
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Weiter bezweckt die Erfindung die Schaffung einer Verbindung mit verbesserter
Selbstzentrierfähigkeit, wodurch die Arbeitsgänge des Zusammensetzeis und Auseinandernehmens
erleichtert werden.
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Weiterhin wird bezweckt, die Neigung zum Reißen und Splittern der
zusammen arbeitenden Flächen der Verbindung herabzusetzen -und dadurch ein Beschädigen
und Abnutzen der Teile der Verbindung auf ein Minimum zu bringen:.
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Es ist weiterhin ein Ziel der Erfindung, eine Verbindung zu schaffen,
welche sich ergänzende Gewinde mit einem verbesserten Gewindewinkel von annähernd
go° besitzt, wodurch es möglich ist, die Teile vom anfänglichen Zusammenarbeiten
bis zur endgültigen Zusammenfügung unter höher Spannung leicht zu bewegen, ohne
daß irgendeines der zur Verbindung gehörenden Teile beschädigt wird.
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Schließlich wird auch noch eine örtliche Härtung von mindestens einem
der Absätze bzw. Vorsprünge der Verbindung vorgesehen, um eine Abnutzung durch Reibung
usw. zu vermindern, die gewünschte Verteilung der in den Absätzen auftretenden Beanspruchurigen
auf .die ganze Verbindung zu bewirken und mit dem obenerwähnten verbesserten Gewinde
zusammen zu arbeiten, so daß eine Verbindung geschaffen wird, welche die bisherigen
Schwierigkeiten vermeidet.
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Die vorgenannten Zwecke und Ziele der Erfindung sowie weitere Merkmale
und Vorteile oder Erfindung sind aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung
mit der Zeichnung noch vollständiger zu ersehen. Die Zeichnung veranschaulicht beispielsweise
eine Ausführungsform der Erfindung, und zwar zeigt Fig. i einen Schnitt durch ein
Zapfenglied einer Verbindung gemäß der Erfindung; Fig. 2 ist eine abgebrochene und
teilweise geschnittene Ansicht des die Verbindung ergänzenden Hülsengliedes ; Fig.
3 ist eine teilweise geschnittene Seitenansicht der zusammengefügten Verbindung,
welche aus den Zapfen- und Hülsenelementen gemäß Fig. i und 2 besteht, und Fig.
q zeigt in vergrößertem Maßstab für sich herausgezeichnet,die Gewindekonstruktion
der Verbindung.
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Wie bereits angedeutet, bietet die Erfindung einen besonderen Nutzen
bei der Herstellung von Verbindungen in Bohrgestängen usw., bei denen erfahrungsgemäß
große Schwierigkeiten hinsichtlich der Schaffung einer Verbindung bestehen, welche
leicht im Gelände zusammengesetzt und auseinandergenommen werden kann und welche
gleichzeitig das Material der Verbindung bis zu einem Maximum an Leistungsfähigkeit
während einer langen Lebensdauer ausnutzt, ohne daß Schäden durch Ermüdungserscheinungen
an oder nahe dem letzten eingreifenden Gewindegang eintreten oder eine Lösung der
Verbindung mit nachfolgender Lockerung, Abnutzung und schließlich Beschädigung vorkommt.
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Die vorliegende Erfindung basiert zum Teil auf der Entdeckung, daß
man die Eigenschaften einer Verbindung außerordentlich verbessern kann, wenn man
die Flanken der sich ergänzenden Gewindegänge so ausbildet, daß sie einen Winkel
von annähernd 9o° bilden. Im Zusammenhang damit werden solche Gewinde und weiterhin
die Eigenschaften der Verbindung dadurch verbessert, daß die Erfindung ein Walzen
oder Kaltverfestigen der
Gewindewurzeln sowie eine Oberflächenhärtung
des Absatzes wenigstens am Zapfenglied vorsieht.
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Es sei bemerkt, daß bei einer Verbindung der in Rede stehenden Art
die Gesamtfestigkeit und damit die Fähigkeit, allen Beanspruchungen standzuhalten,
denendieVerbindung während einer langen Periode normalen und zweckbestimmten Gebrauches
ausgesetzt ist, abhängig ist von der Aufrechterhaltung der Zusammendrückung der
Absätze über einen kritischen Minimalwert. Die Erfindung schafft eine Verbindung,
bei der eine solche Bedingung erfüllt wird.
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Fig. i .der Zeichnung stellt ein Schraubenglied i mit einem schwächeren
Endteil 2 dar, welches mit Gewinde 3 versehen ist. Oberhalb des obersten Gewindeganges
.4 befindet sich eine ringförmige Fläche 5, welche den vorspringenden Absatz 6 begrenzt.
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Das Mutterglied io, welches in Fig. 2 dargestellt ist, besitzt eine
Hülse i i, in welcher Gewindegänge 12 vorgesehen sind, die eine Ergänzung der Gewindegänge
3 des Schrauben- oder Zapfengliedes i bilden. Außerhalb des zu äußerst liegenden
Gewindeganges 13 ist eine ringförmige Fläche 14 vorgesehen, welche bei zusammengefügter
Verbindung nächst der Fläche 5 des Zapfengliedes i liegt, wie dies am besten aus
Fig. 3 zu ersehen ist. Hierauf sei im folgenden besondere Aufmerksamkeit gerichtet.
Das Ende der Hülse besitzt einen Absatz 15, an welchen der Ansatz 6 des Zapfengliedes
i angepreßt wird.
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Wenn die Erfindung, wie dargestellt, bei einem Bohrgestänge verwendet
wird, so besitzt jedes Glied i und io eine zentrale Bohrung 16, durch welche der
Strom der Flüssigkeit hindurchtreten kann. Obgleich das gezeigte Ausführungsbeispiel
der Erfindung für ein spezielles Anwendungsgebiet dargestellt ist, so versteht es
sich von selbst, daß die Erfindung keineswegs auf ein solches Gebiet beschränkt
ist, sondern daß sie auf jedem Gebiet verwendbar ist, wo es notwendig ist, Beanspruchungen
der in Rede stehenden Art Widerstand zu leisten.
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In Fig. 3 sind die Verbindungsglieder i und io miteinander verschraubt
dargestellt, wobei die Ansätze oder Vorsprünge 6 und 15 aneinanderliegen. Wenn die
Verbindung vollständig zusammengefügt ist, so wird eine weitere relative Drehung
herbeigeführt, wodurch eine hohe Druckspannung zwischen den Ansätzen erzeugt wird.
Zu gleicher Zeit findet eine elastische Deformation des Zapfengliedes i und des
Hülsengliedes io statt, deren Konturen dadurch in der in gestrichelten Umrißlinien
bei 1 7 und 18 angedeuteten Weise verändert werden. Diese elastische Deformation
ist übertrieben .dargestellt, um dieses Merkmal, welches ein wichtiges Kennzeichen
der Erfindung ist, besonders klar zu veranschaulichen. Die genannte elastische Deformation
ermöglicht eine ausreichende Relativdrehung der Verbindungsglieder während des Zusammenbaus
der Verbindung, um das unvermeidliche Nachlassen in der Verbindung zu gestatten
und dennoch einen hinreichenden Zusammenhalt der Verbindung zu gewährleisten, so
daß zuverlässige Arbeitsbedingungen und eine lange Lebensdauer gesichert sind.
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In Fig. 4 ist in vergrößertem Maßstab ein Bruchstück des Gewindes
dargestellt" welches ein wichtiges Merkmal der Erfindung ist. Der Körper des Gewindes
ist bei 2o angedeutet, und das darauf angeordnete Gewinde 21 besitzt in einem spitzen
Winkel zusammenlaufende Flanken 22 und 23, welche außen in einem flachen Scheitel
endigen, wie bei 24 gezeigt. Es wurde gefunden, daß erheblich bessere Ergebnisse
erzielt werden., wenn der von den Flanken 22 und 23 eingeschlossene Winkel zwischen
85° und 95° liegt.
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Es wurde weiterhin gefunden, daß ein Walzen der Gewindewurzeln die
verbesserten Eigenschaften der Verbindung noch verstärkt. Der sichtbare Effekt einer
solchen Walzbearbeitung oder Kaltverformung ist in Fig. 4 veranschaulicht, wo die
anfänglich gebildete Kontur der Gewindewurzeln in gestrichelten Umri,ßlinien bei
25 dargestellt ist., Durch nachfolgendes Walzen ergibt sich die endgültige Wurzelkontur
entsprechend der Linie 26.
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Das Walzen der Gewiddewurzeln, insbesondere nächst der Basis des Zapfens
2 und des Grundes der Hülse i i, erhöht die Ermüdungs- oder Dauerfestig-_ keit dieser
Glieder und ergänzt die Vorteile, welche durch .die besonderen, sich ergänzenden
Gewinde der Glieder, wie oben beschrieben, erzielt werden. Es wurde gefunden, @daß
diese Bearbeitung,die Ermüdungs- oder Dauerfestigkeit der Verbindung mindestens
um das Zweifache erhöht.
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Zwecks weiterer Verbesserung .der Resultate ist es wünschenswert,
die Abnutzung der Ansätze 6 und 15 auszuschalten und eine gleichmäßige Verteilung
der Beanspruchungen bzw. Spannungen bei der gegenseitigen Berührung dieser Ansätze
herbeizuführen, um auf diese Weise aus den zusammenwirkenden, oben beschriebenen
Merkmalen Vorteile zu ziehen. Um dies zu erreichen, wird einer der Ansätze oder
werden beide Ansätze einer Oberflächenhärtung, vorzugsweise einer Flammenhärtung
unterzogen, wie bei 27 am Ansatz 6 angedeutet worden ist. Dies erleichtert natürlich
die Relativbewegung dieser Flächen während der Zusammenfügung und erhöht den Widerstand
gegen Abnutzung, ,so daß eine sachgemäße Herstellung der Verbindung Abewirkt wird.
Ein Nachlassen in der Verbindung während des Gelbrauchs ist auf diese Weise so gering,
daß eine Lösung der Verbindung beim Gebrauch nicht zu befürchten ist. Mit anderen
Worten. alle Teile .der Verbiridun,Q nutzen das Material bis zu einem maximalen
Wirkungsgrad aus, und der Fächerdruck der Ansätze wird über einem Minimalwert gehalten,
so daß ein Lösen der Verbindung und als Folge davon schädliche Wirkungen nicht eintreten
können.
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Die Anwendungsweise derErfindung dientweiter- , lein zur Erklärung
ihrer Konstruktion und ihrer ,.'urteile. Zwecks Beschreibung derselben sei vorausgesetzt,
daß ein Abschnitt eines Bohrstranges oder Bohrgestänges mit dem unteren Zapfenende
i herabgelassen und mit dem Hülsenende io eines be- i reits in dem Bohrloch befindlichen
Abschnittes ver-
Bunden wird. Wenn das Zapfenende i in das Hülsenende
io eindringt, tritt ein solcher gegenseitiger Eingriff der Gewinde ein, daß durch
die eingreifenden Flächen ein abwärts gerichteter Axialdruck oder Schub aufgenommen
werden kann. Der verhältnismäßig große Querschnitt der in Eingriff befindlichen
Gewindegänge befähigt diese, den Axialdruck ohne Schaden aufzunehmen, und daher
hat man für den nachfolgenden Zusammenfügungs-Norgang vollkommen unbeschädigte Gewinde
zur Verfügung. Beim Zusammenfügen der Abschnitte eines Bohrstranges ist es ferner
alltäglich und bekannt, daß der oberste Abschnitt schwingt, während er an dem Kran
hängt. Die Gewinde an der Hülse und an dem Zapfen sind gleichermaßen so ausgebildet,
d aß sie ein leichtes Zusammenfügen ermöglichen.
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Das Zapfenglied wird zunächst gedreht, um mit geringer Kraft die Gewinde
zu verschrauben, bis die Ansätze 6 und 15 miteinander in Eingriff gelangen. Sodann
wird eine große Torsionskraft angewendet, um ein weiteres Zusammenfügen zu erzielen,
wodurch die Glieder i und io elastisch deformiert werden, wie an den Stellen 17
und 18 angedeutet ist, und wobei die Ansätze 6 und 15 aufeinander gleiten, während
die zwischen ihnen auftretenden Druckspannungen Ibis zum Punkt der endgültigen Verbindung
anwachsen. Auf diese Weise wird eine einheitliche Struktur erreicht, ibei der alle
Teile des Materials bis zu einem Maximum an Wirksamkeit ausgenutzt werden., Die
hier beschriebenen, ineinander eingreifenden Gewinde arbeiten derart zusammen, daß
sie diese Bedingung zustande bringen, und doch sind diese Gewinde nicht so flach
oder von so geringer Gewindetiefe, daß die Gefahr eines Herausziehens besteht, wenn
beim späteren Gebrauch auftretende Spannungeri oder Beanspruchungen ein weiteres
Verdrehen der Glieder i und io Herbeizuführen suchen. Die Kaltverfestigungder Gewindewurzeln
trägt dazu bei, die Zonen, wo die Gewinde zu Überbeanspruchung neigen, zu verstärken.
Auf diese Weise wird eine Erhöhung der Gesamtfestigkeit erzielt, wodurch die Zwecke
der Erfindung erreicht werden.
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Es wurde durch praktische Erfahrung beim Gebrauch der Erfindung im
Gelände gefunden, daß durch die An Wendung derselben die Gesamtkosten für die Arbeit
zur Herstellung der Bohrerschraubverbindungen erheblich reduziert werden.