SE521790C2 - Gängad koppling för borrsystem för raka hål - Google Patents

Description

“_ 30 9-35 f, Hm I 521 790 2 Ett alternativt arrangemang är att undvika stötbelastning på gängorna genom att placera stöthammaren nedtill i hålet (DTH- system) och att ej överföra stötchockvågen genom den förbin- dande strängen. Detta arrangemang blir emellertid alltför dyr- bart.

Tidigare försök har vidare utförts för att minska spänningskoncentrationerna genom anpassning av speciella gängprofiler. I US-patentskrifterna 5,056,6ll; 5,060,740 och ,l63,523 formas gängan med en delelliptisk rot, som enligt dessa patent ger en större effektiv rotdiameter och därför reducerar spänningskoncentrationerna. Gängprofilen är emellertid i dessa fall asymmetrisk, och för bibehållande av tillräcklig slitvolym är de ellipser, som användes för att definiera rötterna hos han- och hongängorna, av olika storlek eller konfigurationer. Detta gör tillverkningen av gängan onödigt komplicerad. Vidare bestämmes utmattningslivstiden fortfarande av den högsta spänningskoncentrationen i gängkonstruktionen, varför en hög spänningskoncentration vid en rot ej begränsar förbandets livslängd i praktiken.

Det föreligger därför ett behov av att åstadkomma ett gängat förband varvid ovanstående nackdelar elimineras eller minskas.

Enligt uppfinningen tillhandahålles en gängad koppling för en borrsträng med ett par samverkande han- och hongängelement.

Varje element har en gänga med ett par motstáende flanker sträckande sig mellan ett toppområde och ett rotområde.

Rotområdet är radiellt åtskilt från toppen och har en delcirkulär generatris som ansluter tangentiellt till flanker- na.

Företrädesvis har det gängade honelementet en avsmalnande ut- sida, som minskar i diameter mot vardera änden pá honelementet och sträcker sig axiellt motsvarande minst ett gängvarv. 23168 av; 1999-04-07 *35 521 790 Företrädesvis har det avsmalnande partiet en halvvinkel på mel- lan 3° och lO°, i synnerhet mellan 4° och 6°.

En faktor som sammanhänger med gängans livslängd är slitvoly- men, vilken utgörs av materialvolymen mellan närbelägna flanker hos gängan som kan offras innan flankerna skär varandra. Denna volym kan ökas genom användning av en enkel gänga (single start) eftersom avståndet mellan intilliggande flanker därvid ökas. Emellertid inträffar oundvikligen ökat slitage, vilket kan medföra onödigt tidigt utbyte av stången.

Enligt en vidareutveckling av uppfinningen innefattar en koppling mellan intilliggande komponenter hos strängen ett gängat hanelement och ett gängat honelement för ingrepp med varandra. Varje gänga har motsatt riktade, konvergerande flan- ker som är fördelade i längsriktningen utmed elementet. Gängor- na gör kontakt över âtminstone en del av flankerna för att definiera respektive slitvolym mellan de motsatt riktade flan- kerna. Slitvolymen, som definieras av det ena elementet, är större än slitvolymen hos det andra elementet.

Företrädesvis utgörs det gängade honelementet av en hylsa, och slitvolymen hos det gängade honelementet är mindre än det gängade hanelementets slitvolym, varför utbyte av hylsa krävs innan behov föreligger att byta ut stängerna.

Företrädesvis är gängan så formad, att gängtoppens längsdimen- sioner hos hongängan är mindre än gängtoppens längsdimensioner hos hangängan för att åstadkomma ökad slitvolym hos hangängan.

Det är att föredraga att hongängan har en slitvolym mellan 80 % och 95 % av hanelementet, företrädesvis 89 % - 95 %, i synner- het 92 °\O Enligt ännu en vidareutveckling av uppfinningen tillhandahålles en gängad koppling till en borrstång med ett par samverkande gängade han- och honelement. Varje gängat element har en enkel helixgänga med en helixvinkel på mellan 7° och lO° med ett par 23168 av; 1999-04-07 535 521 790 4 motstående flanker sträckande sig mellan ett toppområde och ett rotområde. Rotområdet definieras av en delcirkulär generatris med därtill tangentiellt anslutande flanker. Varje flank av- gränsas av en topp som sträcker sig väsentligen parallellt med gängans längsaxel. Djupet hos varje gänga, mätt radiellt, är större än 5 mm, och flankerna hos hangängan och hongängan över- lappar radiellt mer än 3,7 mm.

Företrädesvis är de axiella dimensionerna av toppen på hon- och hangängorna olika, och allra helst är de axiella dimensionerna hos hongängans topp mindre än hangängans.

En utföringsform av uppfinningen beskrivs närmare nedan med hänvisning till bifogade ritningar.

Pig. 1 visar en borrsträng i sidovy; Fig. 2 visar ett längssnitt genom en koppling i strängen i fig. l; Fig. 3 visar i större skala gängorna i kopplingen i fig. 2; Fig. 4 är en vy motsvarande fig. 3 med särlagda komponenter; Fig. 5 visar ett längssnitt genom en i fig. 2 visad hylsa; Fig. 6 visar ena änden på en i fig. 2 visad stång.

Med hänvisning till fig. 1 innefattar en borrsträng 10 ett an- tal borrstänger 12 förbundna ände mot ände vid förbindningar 13 medelst hylsor 14. Stängerna och hylsorna är tillverkade av lämplig metall, normalt ett stål såsom AHT-28 eller det som är känt under namnet ”Javelin”, såsom är välkänt inom detta teknikområde. Strängen 10 är förbunden vid ena änden med en borrmaskin (ej visad) medelst en slagstång 15 och vid motsatta överför rotations- och änden med en borrkrona ll. Strängen 23168 av; 1999-04-07 LO LH , 30 . , . . 1 | 521 790 stötkrafter från maskinen till kronan 11 för borrning av ett hål.

Såsom framgår bättre av fig. 2 och 6 är varje borrstång 12 cylindrisk med en ytterdiameter dl, och en hangänga 16, 18 for- mad vid motsatta ändar 17, 19 för förbindning med hylsan 14.

Värdera änden 17, 19 är likadan och följaktligen beskrivs endast den ena i detalj med hänvisning till fig. 6. Gängan 16 är utformad på den yttre ytan och sträcker sig från en plan ändyta 21 till en midja 23. Ändytan 21 sträcker sig axiellt bortom gängan 16 för att tillhandahålla ett cylindriskt huvud med en diameter som är mindre än gängan 16. Midjan 23 har en diameter, som är mindre än gängan, och är likformigt rundad med tangentiella flanker som sträcker sig fram till stàngens yta resp. gängan 16. En borrning 27 sträcker sig invändigt genom stången 12 och har en innerdiameter dg.

Med hänvisning till fig. 5 har hylsan 14 ett komplementärt par av hongängor 20, 22 för mottagande av de intilliggande stänger- nas 12 gängade ändar 17, 19. Hongängorna 20, 22 är.utformade på innerväggen av hylsans 14 rörformiga kropp 24. Gängorna 20, 22 slutar vid åtskilda urtag 28, 30, som är separerade av ett ringområde 32, som skjuter inåt inuti kroppen 24. Kroppens 24 utsida 34 har en central cylindrisk sektion 36 och, i den före- dragna utföringsformen, avsmalnande sektioner 38, 40 vid mot- satta ändar, vilka avtar i diameter från den centrala sektionen 36 till hylsans 14 axiella ändar.

Gängformen framgår bäst av fig. 3 och 4 och har liknande, ehuru ej identisk form för han- och hongängorna, varför likadana hän- visningssiffror användes för beteckning av likadana komponen- ter. Gängan utgörs av en enkel (single start) gänga, och varje gänga 16, 18, 20, 22 (fig. 2) har en rot 42, som definieras av en delcirkulär generatris med linjära flanker 44 tangentiellt anslutande till roten 42 med en vinkel a i förhållande till stångens 12 längsaxel. De linjära flankerna 44 är stympade av ett plant topparti 46, som sträcker sig mellan intilliggande 23168 av; 1999-04-07 Lu Ln 521 790 flanker 44 och är mjukt rundat, normalt med en radie av storleksordningen 6 mm, för att övergå i flankerna 44. Det framgår av fig. 3 att efter montering hålles toppen 46 på avstånd från roten 42, varför endast de linjära flankerna 44 hos han- och hongängorna gör kontakt med varandra för överföring av förekommande belastningar. Varje gänga har en slitvolym 48, visad med streckprickade linjer, som avgränsas mellan närbelägna flanker 44 såsom det minsta längsgående avståndet mellan de delar av flanken som gör kontakt med den andra gängan och den motsatt riktade flanken och som definierar den materialvolym som kan avlägsnas innan flankerna 44 skär varandra.

I ovan angivna specifika exempel är stångens 12 ytterdiameter dllika med 68 mm, och generellt är denna större än 65 mm för att minska den av vertikala belastningar förorsakade utböjningen. Borrningen 27 har en invändig diameter på 22 mm för att ge önskat förhållande mellan ytter- och innerdiameter större än 3:1. I allmänhet skall detta förhållande vara större än 2:1 för att ge önskad styvhet och tillåta framställningen av gängan 16.

Hylsans 14 avsmalnande sektioner 38, 40 sträcker sig var och en över flera varv för gängan 16 och sträcker sig företrädesvis ett stycke motsvarande minst ett varv och normalt 2,5 - 3,5 varv. Avsmalningsvinkeln, dvs halva konvinkeln, är vald för att fördela belastningen på gängorna. De avsmalnande partierna 38, 40 är anpassade till hylsans 14 längsgående elasticitet, i synnerhet dess gängor 16, så att maximal spänning på gängprofi- len undvikes. I ett exempel har en avsmalningsvinkel på 4,2° visat sig vara gynnsam, och i allmänhet kan vinklar av storleksordningen 3° - 10° användas, företrädesvis i området 4° - 6°. Avsmalningsvinklarna utgörs av ytans vinkel med längsaxeln, dvs halva konvinkeln. Ehuru en avsmalnande sektion av hylsan är att föredraga för optimal spänningsfördelning, kan de avsmalnande partierna utelämnas med bibehållna tillfredsställande egenskaper hos kopplingen. 23168 av; 1999-04-07 . . . . . . 521 790 Den valda gängan kan vara av godtycklig form, men en flankvin- kel på 35° med en stigning på 30 mm (ungefärligen 1,179 tum) och en helixvinkel på mellan 7° och lO°, företrädesvis 8,9°, har befunnits tillfredsställande med en nominell större diameter på 68 mm.

Hangängans större diameter var 68 mm (ungefärligen 2,660 tum) och en cirkulär rotprofil med lämplig radie användes. Ett gäng- djup från topp till rot större än 5 mm (0,2 tum) har befunnits lämpligt.

Det skall i anslutning till fig. 3 och 4 påpekas att längs- dimensionerna för topparna 46, visade med pilar 11 och 12, skiljer sig mellan han- och hongängorna. Hongängornas 20, 22 (12) topp är kortare än hangängan med upp till 20 % av hangäng- ans topp. Hongängornas 20, 22 toppar kan ligga mellan 80 % och 100 % av hangängans 16 (11) topp 46, normalt mellan 89 % och 95 %, företrädesvis 92 %. Skillnaden i längd hos topparna 46 proportionerar den tillgängliga slitvolymen mellan hylsan.l4 och stången 12 på så sätt, att det blir mindre slitvolym i hyl- san 14. På detta sätt måste hylsan utbytas före stången, vari- genom stångens 12 livslängd blir relativt sett längre. Ett gängdjup större än 5 mm (ungefärligen 0,2 tum) är att före- draga, allra helst större än 5,3 mm (O,2l tum). För att åstad- komma önskad slitvolym bör han- och hongängorna företrädesvis överlappa mer än 3,8 mm (O,l5 tum) och lämpligen mer än 3,8 mm (O,l5 tum), i synnerhet större än 0,43 mm (0,17 tum).

För att förbinda ett par stänger 12 gängas hylsan 14 på gängan 16 vid änden 17 till dess att gängans ände slår an mot sidan på ringområdet 32. I detta läge överlappar huvudet 25 ringområdet 32. Änden 19 på nästa stång 12 ingängas i hylsan 14 till dess att den slår an mot sidan på ringområdet 32. I detta läge gör äüdytorna 21 kontakt med varandra. Då ett vridmoment pàlägges på strängen 10 àtdrages förbandet 13 och ger upphov till en längsgående spänning på gängorna. 23168 av; 1999-04-07 , . . . f. 521 790 Så snart han- och hongängorna ingripit med varandra ligger den rundade roten 42 på avstånd från toppen 46 på den ingripande gängan, således utan att göra kontakt mellan flankerna 44. Ro- ten 42 ger ett område med maximal spänningskoncentration, vil- ket område är átskilt från kontaktområdet, vilket givetvis är fördelaktigt. Hylsans 14 avsmalnande bidrager även till reduk- tion av den maximala spänningen genom anpassning av hylsans 14 längsgående elasticitet till gängornas spänningsfördelning.

Strängen 10 enligt ovanstående exempel har visat sig vara avse- värt bättre än sådana som använder gängformer av konventionellt slag, i synnerhet de som är tillgängliga under beteckningen HM5l. Närmare bestämt ökas slitvolymen 48 2,9 resp. 3,5 gånger, och den maximala dragspänningen vid det kritiska stället är % mindre än spänningen i ett förband av konventionellt slag för en given belastning. Finit-element-analys ger vid handen att även med en slagkraft som är 50 % större än den som förekommer i HM51-förbandet, blir den maximala dragspänningen vid det kritiska stället fortfarande 22 % mindre än tidigare" Spänningsminskningen motsvarar givetvis en ökad livslängd hos borrsträngen 10.

Det inses således att anordnandet av en avsmalnande hylsa för anpassning av längselasticiteten till spänningsfördelningen i gängorna verkligen ger en minskning i spänningsnivåer vid de kritiska ställena och att avståndet mellan toppen och den run- dade roten säkerställer att de maximala spänningskoncentra- tionerna ligger på avstånd från kontaktytan. Följaktligen kan en stång med större diameter användas för ökning av styvheten och befrämjande av rakhålsborrning. De olika slitvolymerna, motsvarande olika längd hos topparna, ger prioriterad förslit- ning av den ena komponenten, så att livslängden hos den dyrare komponenten kan ökas.

Det inses att ehuru förbandet 13 har åskådliggjorts med en hylsa såsom honelement, kan hongängan framställas i ett stycke 23168 av; 1999-04-07 . < - @ .- s21 790 §v§:'j§;¶ë;@;; 9 med ena änden på stången. En separat hylsa möjliggör emellertid utbyte av densamma utan att man behöver offra hela stången in- nan dennas livslängd gått till ända. 23168 av; 1999-04-07

Claims (31)

10 15 20 25 30 521 790 10 PATENTKRAV

1. I en borrsträng ingående komponent (14) med ett hongängat kopplingselement för mottagande av en komplementär hangänga hos en intilliggande komponent (12), som skall hållas i linje med den nämnda komponentens längdaxel, k ä n n e t e c k n a d a v att det hongängade kopplingsele- mentet har en enkelstartande gänga (20, 22) med en väsentligen delcirkulär rot (42) och till denna åt ömse sidor tangentiellt anslutande flanker (44), varvid flankerna, som är linjära och konvergerar mot roten med en gemensam lutningsvinkel från kom- ponentens längdaxel, övergår i plana gängtoppområden (46), varvid gängan (20, 22) har en helixvinkel på mellan 7° och 10° och en nominell större diameter överstigande 65 mm.

2. Komponent enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d a v att gängans djup från topp (46) till rot (42) är större än 5 mm.

3. Komponent enligt krav 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a d a v att gängan har en flankvinkel (a) på 35°.

4. Gängad koppling (13) för förbindning av intilliggande kom- ponenter (12) i en borrsträng (10), vilken koppling innefattar ett gängat hanelement (12) och ett gängat honelement (14), varvid båda dessa element har en enkelstartande gänga (16, 18, 20, 22) med en helixvinkel på mellan 7° och 10°, vilka gängor har ett par motstàende flanker (44), som sträcker sig mellan ett toppområde (46) och ett därifrån radiellt åtskilt rotom- ràde (42), vilket toppområde (46) sträcker sig väsentligen pa- rallellt med borrsträngens längdaxel och vilket rotområde (42) har en delcirkulär generatris med nämnda flanker anslutande tangentiellt därtill, varvid samtliga flanker är linjära och lutar en gemensam lutningsvinkel i förhållande till längd- 23168 avd .doc; 2001-09-17 10 15 20 25 30 321 79o H axeln, varvid det gängade hanelementet (12) har en inre borr- ning (27) och en utvändig yta, vars ytterdiameter är minst 65 mm.

5. Gängad koppling enligt krav 4, k ä n n e t e c k n a d (42) radiellt åtskilt från ett toppområde (46) hos det andra a v att ett rotomràde hos det ena gängade elementet är gängade elementet.

6. Gängad koppling enligt krav 5, k ä n n e t e c k n a d (46) större axiell dimension än toppområdet a v att ett toppområde hos det ena gängade elementet har (46) hos det andra gängade elementet. k ä n n e t e c k n a d (12) på det gängade

7. Gängad koppling enligt krav 6, (46) har större axiell dimension än toppområdet (14). a V att ett toppområde på det gängade hanelementet (46) honelementet k ä n n e t e c k n a d (14) har en axiell dimension som är större än 80 % av den axiella di- (12).

8. Gängad koppling enligt krav 7, a v att toppområdet (46) på det gängade honelementet mensionen hos toppområdet (46) på hanelementet

9. Gängad koppling enligt krav 8, k ä n n e t e c k n a d a v att toppområdet(46) på det gängade honelementet (14) har en axiell dimension mellan 89 % och 95 % av den axiella dimen- (46) (12). sionen hos toppområdet på hanelementet

10. Gängad koppling (12) fattar ett gängat hanelement (13) i en borrsträng (12) (14) med gemensam längdaxel, varvid varje element har en gänga (16, 18, 20, 22) àtskilt från toppområdet, vilket rotområde har en delcirkulär för förbindning av intilliggande komponenter (10), vilken koppling inne- och ett gängat honelement med ett toppområde och ett rotområde radiellt generatris och begränsas av mot rotområdet tangentiella flan- ker, vilka samtliga är linjära och lutar en gemensam lutnings- vinkel i förhållande till den gängade kopplingens längdaxel. 23168 aVcLdoC; 2001-09-17 10 15 20 25 (J) (D 'S21 790 :z

11. Gängad koppling enligt krav 10, k ä n n e t e c k n a d a v att det gängade honelementet (14) har en avsmalnande yttre yta (38, 40), som minskar i diameter i riktning mot ele- mentets axiella ände.

12. Gängad koppling enligt krav 11, k ä n n e t e c k n a d a v att den avsmalnande yttre ytan (38, 40) sträcker sig över åtminstone ett varv av gängan (20, 22).

13. Gängad koppling enligt krav 12, k ä n n e t e c k n a d a v att den avsmalnande yttre ytan sträcker sig över ett om- råde motsvarande 2,5 - 3,5 varv av gängan.

14. Gängad koppling enligt krav 11, k ä n n e t e c k n a d a v att den avsmalnande yttre ytan har en halvvinkel på mel- lan 3° och l0°.

15. Gängad koppling enligt krav 14, k ä n n e t e c k n a d a V att den avsmalnande yttre ytan har en halvvinkel på mel- lan 4° och 6°.

16. Gängad koppling enligt krav 10, k ä n n e t e c k n a d a v att ett rotområde (42) hos det ena gängade elementet är radiellt àtskilt från ett toppomràde (46) hos det andra gängade elementet.

17. Gängad koppling enligt krav 16, k ä n n e t e c k n a d a v att ett toppområde (46) hos det ena gängade elementet har större axiell dimension än toppomràdet (46) hos det andra gängade elementet.

18. Gängad koppling enligt krav 17, k ä n n e t e c k n a d a v att ett toppområde (46) på det gängade hanelementet (12) har större axiell dimension än toppområdet (46) på det gängade honelementet (14).

19. Gängad koppling enligt krav 18, k ä n n e t e c k n a d a v att toppomràdet (46) på det gängade honelementet (14) har O en axiell dimension som är större än 80 6 av den axiella di- mensionen hos toppområdet (46) på hanelementet (12). 23168 avd .doC; 2001-09-17 10 15 20 25 30 521 790 /s

20. Gängad koppling enligt krav 19, k ä n n e t e c k n a d a v att toppområdet (46) på det gängade honelementet (14) har en axiell dimension mellan 89 % och 95 % av den axiella dimen- sionen hos toppområdet (46) på hanelementet (12).

21. Gängad koppling (13) för förbindning av intilliggande komponenter (12) längs en längdaxel i en borrsträng (10), vil- ken koppling omfattar ett gängat hanelement (12) och ett gängat honelement (14), vart och ett med gängor (16, 18, 20, 22) utformade på elementen för ingrepp med varandra för inbör- des förbindning av de båda elementen (12, 14), k ä n n e t e c k n a d a v att var och en av gängorna har motsatt riktade konvergerande flanker (44), som är i längdled inbördes åtskilda längs elementet av ett väsentligen cirkulärt rotområde av resp. gänga, varvid alla flanker är linjära och lutar en gemensam lutningsvinkel i förhållande till koppling- ens längdaxel, varvid gängorna står i kontakt utmed åtminstone ett parti av flankerna för avgränsning av resp. slitvolymer mellan de motsatt riktade flankerna, varvid den hos det ena elementet avgränsade slitvolymen är större än slitvolymen hos den andra gängan.

22. Gängad koppling enligt krav 21, k ä n n e t e c k n a d a v att det gängade honelementet utgörs av en hylsa (14) och har en mindre slitvolym än hanelementet (12).

23. Gängad koppling enligt krav 22, k ä n n e t e c k n a d a v att det gängade honelementet (14) har en slitvolym (48) på mellan 80 % och 95 % av slitvolymen hos det gängade hanele- mentet (12).

24. Gängad koppling enligt krav 23, k ä n n e t e c k n a d a V att det gängade honelementet (14) har en slitvolym (48) pa mellan 89 % och 95 % av hanelementet (12). e t e c k n a d D

25. Gängad koppling enligt krav 23, k ä n -C ~ »A1 'I .r J.\J ULCLLG. i Q v att flankerna (44) sträcker rotområde (42) U Q t ( t och ett toppområde (46), och att toppområdet 46) hos en gänga 23168 avd.doc; 2001-09-17 10 15 20 25 30 521 790 ll: på ett av elementen är radiellt àtskilt från ett rotparti (42) hos en gänga på det andra elementet.

26. aV Gängad koppling enligt krav 25, k ä n n e t e c k n a d (46) med gängans längdaxel. att toppområdet sträcker sig i huvudsak parallellt

27. äV Gängad koppling enligt krav 25, k ä n n e t e c k n a d (42) tris och de därtill tangentiellt anslutande flankerna (44). att rotomràdet avgränsas av en delcirkulär genera-

28. ett gängat hanelement innefattande (14), a v att vartdera elementet har en (16, 18, 20, 22) på mellan 7° och lO°, varvid varje gänga har ett par motsatt (44), (46), som sträcker sig väsentligen parallellt med en längdaxel (42), cirkulär generatris med därtill tangentiellt anslutande flan- Gängad koppling (13) (12) k ä n n e t e c k n a d för en borrsträng (10) och ett gängat honelement enkelstartande helixgänga med en helixvinkel riktade flanker som sträcker sig mellan ett toppomràde till gängan, och ett rotområde som avgränsas av en del- ker, som samtliga är linjära och lika lutande mot gängans längdaxel, varvid varje gängas toppområde och rotområde är ra- diellt åtskilda mer än 8 mm och flankerna på hangelementets gänga anligger mot flankerna på honelementets gänga över en sträcka, mätt i kopplingens radiella riktning, som är större än 3,7 mm.

29. âV Gängad koppling enligt krav 28, k ä n n e t e c k n a d att toppområdets (46) axiella utsträckning på det gängade honelement (14) är skild från den axiella utsträckningen hos (12). toppområdet (46) på det gängade hanelement

30. âV Gängad koppling enligt krav 29, k ä n n e t e c k n a d att den axiella dimensionen hos toppområdet (46) på hon- (14) (12). elementet är mindre än motsvarande axiella dimension hos hanelementet 23168 avd.doc; 2001-09-17 521 790 ïëf? 15

31. Gängad koppling enligt krav 28, k ä n n e t e c k n a d a v att qeneratriser till flankerna (44) är linjära och lika- dant lutande i förhållande till ett radialplan. 23168 avdxioc; 2001-09-17