DK2334892T3 - Gevindforbindelse - Google Patents

Description

Opfindelsen vedrører en gevindforbindelse og især en gevindforbindelse til et eksisterende stangsystem bestående af stangsektioner i en jordarbejdsmaskine.

Under begrebet "jordarbejdsmaskine" forstås i henhold til opfindelsen anordninger, hvormed en motoranordnings motoreffekt via et stangsystem overføres til et værktøj, som er tilsluttet et stangsystem. Det omfatter især jordboringsmaskiner, hvormed jordboringer og især horisontalboringer udføres i jorden. Her overføres som regel forskydnings- eller trykkræfter og en drivkraft fra motoranordningen over jordboringsmaskinens stangsystem til værktøjet, som bruges som borehoved. Der findes dog også jordarbejdsmaskiner, hvor kun forskydnings- eller trækkræfter overføres til et tilsvarende værktøj via stangsystemet. Det omfatter især jordarbejdsmaskiner, hvormed eksisterende boringer i jorden eller allerede lagte gamle rør udbores eller trækkes ud og et nyt rør eventuelt samtidigt trækkes ind. Jordarbejdsmaskiner er ofte også konstrueret, så de både kan bruges til oprettelse af jordboringer samt til trækkende arbejde, dvs. til udboring af en eksisterende boring eller et gammelt rør eller til at trække et nyt rør ind. Dette gør det muligt med samme jordarbejdsmaskine først at oprette en pilotboring, hvor et pilotborehoved drives skubbende igennem jorden, indtil det når en måludgravning, og i måludgravningen erstattes pilotborehovedet af et udboringshoved, hvorved pilotboringen udbores, når borestangsystemet trækkes tilbage. Eventuelt kan et nyt rør, som er monteret til udboringshovedet, samtidigt trækkes ind i den udborede jordboring. Sådanne jordarbejdsmaskiners stangsystem består regelmæssigt af et flertal af stangsektioner, som med boringens fremdrift efterhånden forbindes med hinanden. De enkelte stangsektioner forbindes via koblingselementer, hvor foruden stikkoblinger, som beskrevet i DE 196 08 980, især skrueforbindelser er vidt udbredte. Væsentlige fordele ved skrueforbindelser er de lave omkostninger, som er forbundet med deres fremstilling, samt muligheden for at forskruningen nemt kan gennemføres automatiseret. En væsentlig ulempe ved skrueforbindelser er dog, at de ofte udgør stangsystemets største svagheder, hvilket skyldes den relativt lille diameter i området for gevindforbindelsens gevindstik samt selve gevindets geometrisk betingede høje kærwirkning.

Kendte gevindtyper, som bruges til stangsystemer til jordarbejdsmaskiner, er API-gevind samt rundgevind iht. DIN 20 400. Levetiden for sådanne gevindformer har dog vist sig at være for kort til jordarbejdsmaskinemes daglige drift.

Der er derfor blevet udviklet alternative gevindformer, som er konstrueret specielt til belastninger, som optræder specifikt for stangsystemer ved jordarbejdsmaskiner. Af DE 198 03 304 Al fremgår en gevindforbindelse, hvormed et borestangsystems stangsektioner skal forbindes, hvorved borestangsystemet især skal anvendes til roterende slagboring. Væsentlige særegenheder ved disse gevindforbindelser er gevindets asymmetriske form med forskellige stigningsvinkler for flankerne i den roterende slagboringsdrift, som optager og ikke optager belastning, samt forudsætningen af et indføringsafsnit uden gevind. Flankerne, som ikke optager belastning, skal derudover være udformet cirkelbueformet. Også gevindforbindelsen, som kendes fra DE 198 03 304 Al, har vist sig ikke at være tilstrækkelig robust i den daglige drift.

Fra EP 0 324 442 Bl samt det US-amerikanske patentdokument 5,060,740 kendes ligeledes asymmetriske gevindforbindelser, som blev konstrueret til anvendelse af et stangsystem til forbindelse af stangsektioner i jordboringsmaskiner. De gevindforbindelser, som fremgår af disse publiceringer, er kendetegnet ved, at gevindbunden danner et segment af en ellipse. Herved skal en overgang helst uden kærwirkning muliggøres fra gevindbunden til de lige dannede flanker i gevindet.

Også fra WO 2006/092649 Al kendes gevindforbindelser til stangsystemer på jordboringsmaskiner, hvor gevindbunden danner et segment af en ellipse. De gevindformer, som fremgår af denne publicering, kan både være dannet asymmetrisk og symmetrisk.

Ingen af de gevindformer, som kendes fra teknikkens nyeste niveau, kunne hidtil udmærke sig ved en tilfredsstillende levetid ved anvendelse af et stangsystem til forbindelse af stangsektioner i en jordarbejdsmaskine.

Med teknikkens nyeste niveau som udgangspunkt lå opgaven om at angive en især vedrørende levetiden forbedret gevindforbindelse, som har en længere levetid især ved anvendelse af et stangsystem til forbindelse af stangsektioner i en jordarbejdsmaskine, derfor til grund for opfindelsen.

Denne opgave løses af de uafhængige patentkravs genstande. Fordelagtige konstruktionsformer er genstand for de pågældende afhængige patentkrav og fremgår af den efterfølgende beskrivelse af opfindelsen.

Opfindelsens kerne kræver, at det udvendige gevind i en gevindforbindelses gevindstik, som fortrinsvist kan anvendes til forbindelse af et stangsystems stangsektioner i en jordarbejdsmaskine, dannes på en sådan måde, at flankerne på dette udvendige gevind danner et segment af en ellipse. I henhold til opfindelsen kan alle eller også kun en del af flankerne være dannet elliptisk. Eksempelvis kan kun de forreste flanker, som peger mod gevindudløbet, i henhold til opfindelsen være dannet elliptisk, de bagerste derimod ikke.

Med dannelsen af flankerne i form af et segment af en ellipse opnås en flankevinkel, som konstant ændrer sig, gennem hvilken en optimeret kontakt mellem gevindstikkets flanker samt et indvendigt gevinds tilsvarende flanker på en passende gevindbøsning kan opnås. Herved kan der opnås en homogen spændingsfordeling, hvorved spændingsmaksima optræder mindre i gevindbunden end i flankernes område. Dette påvirker gevindforbindelsens levetid positivt, da der i flankernes område regelmæssigt ikke forefindes nogen geometrisk kærv, hvorved kærwirkningen i gevindbunden forringes. Ved udformning af gevindstikket og den tilsvarende gevindbøsning for en gevindforbindelse, som sættes sammen heraf, opnås i henhold til opfindelsen, at der hovedsageligt fremkommer trykspændinger i kontaktområdet mellem gevindstikket samt gevindbøsningen. De bøjningsbelastninger, som optræder i gevindbundens område i gevindformer, som kendes fra teknikkens nyeste niveau, kan dermed i høj grad undgås. Da de materialer (som regel stål), som anvendes til jordarbejdsmaskiners stangsystemer, bedre kan tåle trykspændinger end bøjningsbelastninger, har gevindformen i henhold til opfindelsen en yderst positiv indvirkning på gevindforbindelsemes levetid. I opfindelsens foretrukne konstruktionsform danner gevindstikkets flanker et segment af en vertikal ellipse. Ved en gevindbøsnings tilsvarende indvendige gevind på en gevindforbindelse i henhold til opfindelsen kan flankerne ligeledes danne et segment af en vertikal ellipse.

Ved "vertikal ellipse" forstås i henhold til opfindelsen en ellipse, hvis hovedakse (dvs. den længste af centerakseme) har en større vinkel med gevindstikkets og gevindbøsningens centerakse end dens sideakse (dvs. den kortere centerakse). Vinklen mellem ellipsens hovedakse samt gevindstikkets og gevindbøsningens centerakse er fortrinsvis mellem 70 og 110° og helst 90° ved en vertikal ellipse, hvor afvigelser på grund af gevindstikkets og gevindbøsningens konusvinkel kan forekomme. På grund af flankernes foretrukne konstruktionsform som segment af en vertikal ellipse opnås særdeles stejle gevindflanker, dvs. særdeles store flankevinkler, hvilket især bevirker en mindre spredningsvirkning af gevinddåsen ved fastskruning af gevindforbindelsen.

Hvis gevindforbindelsen skal konstrueres ens til tryk- og trækbelastninger, kan det fortsat kræves, at gevindstikkets udvendige gevind og eventuelt gevindbøsningens indvendige gevind på gevindforbindelsen i henhold til opfindelsen dannes symmetrisk.

Det kan især opnås med fordel, når tilstødende flanker i et gevindstiks gevindomgange danner segmenter i samme ellipse. Denne ene ellipses elliptiske form kan derudover også udvides til gevindbunden, så begge flanker og en gevindomgangs gevindbund danner en og samme ellipse. En sådan udformning af gevindstikkets udvendige gevind har en særdeles ensartet spændingsfordeling både ved en tryk- og ved en trækbelastning.

Ved en gevindbøsnings indvendige gevind i en gevindforbindelse i henhold til opfindelsen svarende til dette kan det kræves, at en gevindprofils to flanker danner segmenter i en og samme ellipse. Her er gevindets øverste kanter fortrinsvist dannet plant. I en fortsat foretrukket konstruktionsform for den foreliggende opfindelse danner det indvendige gevinds gevindbund i gevindbøsningen derudover et segment af en horisontal ellipse. Dermed kan spændingsfordelingen i det indvendige gevinds gevindbund i gevindbøsningen fortsat forbedres.

Hvis en enkel og hurtig fastskruning af gevindstikket med gevindforbindelsens gevindbøsning i henhold til opfindelsen skal muliggøres, kan det kræves, at gevindstikkets udvendige gevind og eventuelt også gevindbøsningens indvendige gevind er dannet konisk, dvs. gevindbundene og^ller gevindstikkets og gevindbøsningens øverste kanter på gevindet definerer en kappe med en konisk form. Her er konusvinklen fortrinsvis mellem 3° og 5°. Som konusvinkel forstås i henhold til opfindelsen vinklen, som fra kappen er parallel i forhold til gevindstikkets og gevindbøsningens længdeakse.

Fortrinsvist er flankerne på gevindstikkets udvendige gevind og gevindbøsningens indvendige gevind konstrueret, så de ellipser, der defineres af disse, er placeret lodret i forhold til kappen.

Det foretrækkes fortsat, at de øverste kanter på gevindet på gevindstikkets udvendige gevind og/eller gevindbøsningens indvendige gevind dannes afrundet. Dette kan kræves i den ene eller begge sider ved overgangen til gevindflankeme.

Fortsat foretrækkes gevindstigningen mellem 5 mm og 9 mm og helst 7 mm. Denne relativt store gevindstigning forenkler fastskruning af gevindstikket med gevindbøsningen. Afhængigt af gevinddiameteren kan en større eller mindre gevindstigning naturligvis også være hensigtsmæssig. En gevindstigning på ca. 7 mm kan eksempelvis anvendes med fordel kombineret med gevindets flankediameter på 65 mm (ved et konisk gevind: som største diameter).

Fortsat foretrækkes en relativt flad fasvinkel, så ridser på grund af skærfasen undgås. En fasvinkel i området fra 20° til 30° har vist sig at være en fordel, hvor også mindre eller større fasvinkler kan være hensigtsmæssige afhængigt af gevindforbindelsens øvrige mål. Målet på gevindstikkets skærfas skal fortrinsvist mindst være 0,5 mm, det for gevindbøsningen fortrinsvist mindst 1 mm.

Fortsat skal differencen mellem gevindstikkets og gevindbøsningens længdemål højst være 0,5 mm. Dette mål kan være vigtigt, når gevindstikkets og gevindbøsningens endeflade lægges mod hinanden, som tjener til overførsel af tryk og impulskræfter, så selve gevindet aflastes. Dette mål kan fortsat være vigtigt for gevindforbindelsens tæthed, hvilket især er væsentligt ved dens anvendelse til forbindelse af stangsektioner i en jordarbejdsmaskine.

Endefladevinklen, dvs. vinklen, som gevindstikkets og gevindbøsningens endeflader, som tjener som anslagsflader, omfatter med gevindforbindelsens længdeakse, kan fortrinsvist være 60° til 80° og helst 70°.

Gevindforbindelsen i henhold til opfindelsen egner sig især til anvendelse til forbindelse af et stangsystems stangsektioner i en jordarbejdsmaskine, og især en jordboringsmaskine fysisk belastet af tryk, træk og slagboring, som eksempelvis en horisontal boreanordning, som også kan bruges til indtrækning af nye rør og udboring af pilotboringer. Fortrinsvist forsynes de enkelte stangsektioner med et gevindstik i henhold til opfindelsen i den ene ende og en passende gevindbøsning i den anden ende.

Opfindelsen forklares nærmere efterfølgende ved hjælp af et konstruktionseksempel, som fremgår af tegningerne. I tegningerne vises:

Fig, 1 et delsnit gennem et gevindstik i henhold til opfindelsen i en første konstruktionsform;

Fig, 2 et forstørret udsnit af figur 1, med angivelse af flere geometriske data;

Fig, 3 en gevindbøsning passende til gevindstikket i figur 1;

Fig. 4 et forstørret udsnit af figur 3, med angivelse af flere geometriske data;

Fig, 5 et delsnit gennem et gevindstik i henhold til opfindelsen i en anden konstruktionsform;

Fig, 6 et delsnit gennem en gevindbøsning passende til gevindstikket i figur 5;

Fig, 7 gevindstikket i figur 5 samt gevindbøsningen i figur 6 sat sammen;

Fig, 8 en fremstilling af geometriske sammenhænge ved beregning af ellipsers geometridata;

Fig. 9 beregningens grafiske resultat af en konkret gevindforms geometriske data;

Fig, 10 den grafiske fremstilling af denne gevindforms flankevinkel;

Fig, 11 den grafiske fremstilling af ellipsens krumning ved denne gevindform;

Fig, 12a en FEM-simulering til en gevindforbindelse i henhold til opfindelsen;

Fig, 12b en FEM-simulering til et gevind ifølge API-normen og

Fig, 12c en FEM-simulering til en Twin-Drive-gevindforbindelse. I figurerne 1 til 4 er en gevindforbindelse i henhold til opfindelsen vist i en første konstruktionsform. Denne gevindforbindelses gevindstik (figur 1) i henhold til opfindelsen er dannet som udvendigt gevind i den ene side på et stangsystems hule stangsektion 1 i en jordarbejdsmaskine. Gevindstikkets udvendige gevind er dannet som konisk gevind, dvs. forlængelsen af kappen defineret af de enkelte gevindbunde skærer gevindstikkets længdeakse under en vinkel (Z), som fortrinsvis er mellem 3° og 5°. Gevindbøsningens tilsvarende dannede indvendige gevind (figur 3) har en tilsvarende konusvinkel (Z).

Som det især fremgår af figur 2, er begge flanker samt en gevindomgangs gevindbund dannet som segmenter i en og samme ellipse. De øverste kanter på gevindet er i begge sider afrundet med en radius (R). Gevindets stigning fremgår af afstanden mellem to tilstødende gevindprofiler eller gevindbunde og foreliggende som det dobbelte af længden (b) af ellipsens lille halvakse (sideakse). Længden af ellipsens store halvakse (hovedakse) er dimensioneret med (a).

Gevindformen for den passende gevindbøsning fas i det enkelte af figur 4. Deraf fremgår, at gevindprofilen, inklusive begge gevindflanker samt gevindets øverste kant, danner et segment i en eneste ellipse. Tilsvarende til gevindstikkets gevindform er gevindbundene ved gevindbøsningen i figur 3 og 4 igen afrundet med radius (R). Begge ellipsers hovedakser (for gevindstikket samt gevindbøsningen) er hver især placeret lodret i forhold til kappen, som defineres af gevindbundene.

Gevinddybden (t) bestemmer ellipsens geometriske sted i forhold til kappen. Gevindets stigning retter sig efter ellipsernes sideakser og ligger i foreliggende tilfælde ved ca. 7 mm. Både gevindstikket i figur 1 og gevindbøsningen i figur 3 har en skærfas. Gevindstikkets skærfas defineres af målet på skærfasen (X) samt fasvinklen (Y). Gevindbøsningens skærfas defineres af målet på gevindbøsningens skærfas (A) og fasvinklen (Y), som er identisk med gevindstikkets fasvinkel (X). Målet på skærfasen (X) bør mindst være 0,5 mm og målet på skærfasen (A) mindst 1 mm.

Med (B) betegnes gevindbøsningens længdemål. Gevindstikkets længdemål betegnes med (W). Begge mål er afgørende for kvaliteten af endefladernes anlægsflade efter påføring af forspændingsmomentet. Toleranceværdien mellem de to endeflader bør i foreliggende tilfælde ikke overskride 0,5 mm, da dette mål ligeledes er væsentligt for forbindelsens tæthed. Gevindstikkets endeflader samt gevindbøsningens tilsvarende endeflade er i foreliggende tilfælde udformet skråt. Deres forlængelse skærer længdeaksen under en vinkel (V) på ca. 70°. I figurerne 5 til 7 er en gevindforbindelse i henhold til opfindelsen vist i en anden konstruktionsform. Som særegenhed ved denne gevindforbindelse kræves, at gevindbøsningens gevindbunde derudover ligeledes danner et segment af en denne gang horisontal ellipse. Herved kan fordelingen af spændinger, der optræder ved gevindbøsningens indvendige gevind, fortsat forbedres. Det viser sig, at gevindstikkets plant dannede øverste kanter af gevindet i fastskruet tilstand ikke har direkte kontakt med gevindbøsningens gevindbunde ved den viste gevindforbindelse.

Efterfølgende gennemføres en beregning af flankevinklen samt ellipsekrumningen for en gevindforbindelse i henhold til opfindelsen med eksempler. De geometriske afhængigheder i denne forbindelse fremgår af figur 8.

Geometridata ellipse: Gevinddybde: t:=2 a :=8 b :=4

Ende af tællekredsen bestemmes af gevinddybden t:

Start:=0

ende = 2,646 faktor :=0,02

Beregning af Y-koordinater baseret på geometridata:

Geometridata ellipse: Gevinddybde: t:=2 a :=8 b :=4

Ende af tællekredsen bestemmes af gevinddybden t:

Start:=0

ende = 2,646 faktor :=0,02

Beregning af Y-koordinater baseret på geometridata:

Beregning af tilhørende X-koordinater ved hjælp af formlen for ellipser iht. Bartsch, lommebog for matematiske formler, kap.6.6.3.1:

Beregning af tilhørende X-koordinater ved hjælp af formlen for ellipser iht. Bartsch, lommebog for matematiske formler, kap.6.6.3.1:

Resultatet af beregningen er vist i figur 9. Beregning af tangensstigning:

Beregning af flankevinkel:

Resultatet af beregningen er vist i figur 10. Ellipsens krumning:

Resultatet af beregningen er vist i figur 11. I figur 12a til 12c er resultaterne af FEM-simuleringer til en gevindforbindelse (figur 12a) i henhold til opfindelsen samt to sammenlignelige gevindforbindelser, som kendes fra teknikkens nyeste niveau, vist. Figur 12b viser et gevind iht. API-normen og figur 12c en såkaldt Twin-Drive-gevindforbindelse, hvis konkrete dannelse er genstand for DE 198 03 304 Al nævnt indledningsvist. De tre FEM-simuleringer er beregnet med samme materialemodel (20MnV6, med bilineær kinematisk fiksering; E-modul: 210.000 MPa; tangensmodul: 1676 MPa; strækgrænse: 450 MPa; trækstyrke: 640 MPa; tværkontraktionstal: 0,28).

Det viser sig, at Twin-Drive-gevindforbindelsen har et spændingsniveau, som sammenlignet med gevindforbindelsen i henhold til opfindelsen er ca. 30 % højere. Ved denne gevindforbindelse foreligger der godt nok en lignende kontakt som ved gevindforbindelsen i henhold til opfindelsen vist i figur 12a, dog er kontaktstedet ikke begrænset så stærkt lokalt, men strækker sig over et større område, hvilket også udfælder sig i spændingsfordelingen i et "spændingsbj erg".

Claims (19)

1. Gevindstik til en gevindforbindelse omfattende et udvendigt gevind anbragt på en kerne, kendetegnet ved, at mindst en flanke af det udvendige gevind danner et segment af en ellipse.

2. Gevindstik ifølge krav 1, kendetegnet ved, at flankerne danner et segment af en vertikal ellipse.

3. Gevindstik ifølge krav 1 eller 2, kendetegnet ved, at det udvendige gevind er konstrueret symmetrisk.

4. Gevindstik ifølge ethvert af foregående krav, kendetegnet ved, at tilstødende flanker for en gevindomgang danner segmenter af samme ellipse.

5. Gevindstik ifølge krav 4, kendetegnet ved, at også gevindbunden danner et segment af denne ellipse.

6. Gevindstik ifølge ethvert af foregående krav, kendetegnet ved, at det udvendige gevind er konstrueret konisk.

7. Gcvindstik ifølge krav 6, kendetegnet ved, at er konusvinklcn er mellem 3° og 5°.

8. Gevindstik ifølge krav 6 eller 7, kendetegnet ved, at en af ellipsens centerakser er anbragt lodret i forhold til kernens kappe, som defineres af konusvinklen.

9. Gevindstik ifølge ethvert af foregående krav, kendetegnet ved, at gevindets øverste kanter er afrundede i den ene eller begge sider.

10. Gevindstik ifølge ethvert af foregående krav, kendetegnet ved, at gevindstigningen er mellem 5 mm og 9 mm, helst 7 mm.

11. Gevindstik ifølge ethvert af foregående krav, kendetegnet ved, at fasvinklen er mellem 20° og 30°.

12. Gevindstik ifølge ethvert af foregående krav, kendetegnet ved, at målet på gevindstikkets skærfas er mindst 0,5 mm.

13. Gevindforbindelse med et gevindstik ifølge ethvert af foregående krav og en gevindbøsning med et indvendigt gevind svarende til gevindstikkets udvendige gevind.

14. Gevindforbindelse ifølge krav 13, kendetegnet ved, at det indvendige gevinds gevindbund danner et segment af en horisontal ellipse.

15. Gevindforbindelse ifølge krav 13 eller 14, kendetegnet ved, at målet på gevindbøsningens skærfas er mindst 1 mm.

16. Gevindforbindelse ifølge ethvert af kravene 13 til 15, kendetegnet ved, at differencen mellem gevindstikkets og gevindbøsningens længdemål højst er 0,5 mm.

17. Gevindforbindelse ifølge ethvert af kravene 13 til 16, kendetegnet ved, at endefladernes endefladevinkel på gevindstikket og gevindbøsningen er 70°.

18. En gevindforbindelses gevindbøsning ifølge ethvert af kravene 13 til 17.

19. Anvendelse af en gcvindforbindclsc ifølge ethvert af kravene 13 til 17 til forbindelse af et stangsystems stangsektioner (1) i en jordarbejdsmaskine, især jordboringsmaskine fysisk belastet af tryk, træk og slagboring.