WO2018099518A1 - Kraftdrehkopfaxiallager mit messbolzen für bohranlagen - Google Patents

Kraftdrehkopfaxiallager mit messbolzen für bohranlagen Download PDF

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WO2018099518A1
WO2018099518A1 PCT/DE2017/101029 DE2017101029W WO2018099518A1 WO 2018099518 A1 WO2018099518 A1 WO 2018099518A1 DE 2017101029 W DE2017101029 W DE 2017101029W WO 2018099518 A1 WO2018099518 A1 WO 2018099518A1
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bearing ring
bearing
measuring
kraftdrehkopfaxiallager
measuring element
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PCT/DE2017/101029
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Maximilian Escher
Stefan Scharting
Jens Heim
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Schaeffler Technologies AG & Co. KG
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    • F16C19/22—Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement with bearing rollers essentially of the same size in one or more circular rows, e.g. needle bearings
    • F16C19/30—Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement with bearing rollers essentially of the same size in one or more circular rows, e.g. needle bearings for axial load mainly
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
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    • F16C2352/00—Apparatus for drilling

Definitions

  • the present invention relates to a power turret thrust bearing for a drilling rig, wherein the power turret thrust bearing has a material recess with a pressed-in measuring element with a sensor. More particularly, the invention relates to a Kraftwoodkopfaxiallager, which is designed as axial tapered roller bearings.
  • the construction of such a drilling tool substantially comprises a drill string having a drill bit disposed at the lower end of the drill string, the drill string extending downwardly from a derrick into the earth formation or borehole.
  • a so-called “Top Drive” for driving the drill string is suspended via a rope in a crane hook on a crane bottle in.
  • the rope is in turn anchored with a dead rope anchor with the soil
  • the drill bit comprises a so-called underground motor (“downhole motor”) and a drill bit for the actual drilling.
  • the axial load on the drill bit is also known as weight-on-bit (WOB) .
  • a load acts on the drill bit over the drill string, which is in communication with other components located at the surface, such as the top drive "on which derrick hangs in pretension, so that the size of the WOB can be adjusted by changing the superior hook load.
  • WOB affects penetration rate, drill bit wear and drilling direction.
  • Torque-on-bit (TOB) torque is also important in terms of drill bit wear and drilling direction, especially when combined with WOB, so excessive TOB is indicative of one serious bit damage, such as failure of a warehouse under jammed cones.
  • Methods and apparatus for measuring WOB and / or TOB are known over days or underground. Over-day measurements are taken by comparing the hook load weight to the "over-the-sole weight": for example, if the hook load is 100 tons with the drill string lifted and only 95 tons after lowering to the bottom of the drill, then the drill bit must now be five tons A boring tool operator can now lift the drill string from the bottom of the hole and adjust its control, and if the boron process continues, it will receive the "missing" hook load as a bit load.
  • Underground measurements are often taken using force sensors, which are arranged, for example, on additional cylinders or pockets in the underground tool.
  • these measurements are subject to significant inaccuracies due to the effects of borehole pressure and temperature gradients.
  • they generally distinguish between tension caused by the weight and axial tension caused by the pressure difference. They are also adversely affected by the pressure exerted by drilling fluids. Summary of the invention
  • one of the bearing rings has at least one material recess on the end face thereof, into which at least one material recess is a measuring element with at least one sensor for measuring the bearing load pressed with oversize.
  • the detection of the forces transmitted by the rolling elements upon rolling of the measuring element in the material recess makes it possible to derive the load of the bit in the borehole.
  • the thrust bearing thrust bearing is not affected by the above-described problems of underground force measurements. Even with respect to the known over-the-day force measurements, the detection of the forces at the top-mounted power turret bearing has considerable advantages with regard to measuring errors.
  • the at least one material recess is arranged on the bearing ring which is in rotation for rotation. This has the advantage that no telemetry is required to detect the forces of the rotating drill string. In particular, no data from the borehole must be transmitted.
  • the first bearing ring is a wave washer and the second bearing ring is a housing washer.
  • the wave washer can rotate and the housing disc is stationary in relation to the rotation.
  • the at least one measuring element is designed as a bolt and / or the at least one sensor as a strain-sensitive sensor, in particular as a direct coating.
  • a direct coating has, in contrast to foil strain gauges, inter alia an individually adaptable measuring structure, a higher precision and long-term stability as well as increased resistance to environmental conditions such as strong temperature fluctuations.
  • Sensotect® Such a direct coating technology or thin-film technology is known to the applicant under the name Sensotect®.
  • a measuring bolt with different arrangements of a strain-sensitive sensor is described, for example, in DE 10 2014 204 025 A1.
  • the external load of the Kraftwarkopfaxiallagers has strains and compressions of the individual bearing components result. These expansions and compressions can be detected metrologically with the at least one measuring element, for example a measuring pin with Sensotect® coating, ie a Sensotect® pin.
  • This Sensotect® pin can be made small in size. Since not the large-scale bearing ring, so for example, the wave washer, but only small-sized Sensotect® pins are coated directly, costs can be saved.
  • the strain-sensitive sensors are introduced into the material of the bearing ring and there detect compressions and expansions in the interior of the bearing ring, which are introduced into the bearing ring by the rolling elements.
  • the strain sensors are positioned with the help of a measuring element, such as the bolt, at locations where much larger strains and compressions occur than is the case on the surface of a bearing ring.
  • the bearing load is introduced via the rolling elements in the bearing ring, a measuring element detects the bearing load maximum, if a rolling element just above the Measuring element is. Therefore, the maxima of the sensor signals can be used for a calculation of the bearing load. It is thus possible to determine the load variations which are smaller in their frequency than the rolling body rollover frequency.
  • one of the bearing rings has at least two adjacent material recesses each having a measuring element, wherein the distance between the at least two material recesses is smaller than the distance between two adjacent rolling elements. The distance is preferably smaller by a factor of 10.
  • one of the measuring elements is always rolled over in succession at short intervals by a rolling body.
  • one of the bearing rings has at least two further adjacent material recesses each having a measuring element.
  • the distance between the adjacent Matenalausappel and the other adjacent MatenalausEnglish aus a multiple, in particular an integer multiple, the distance between two adjacent rolling elements.
  • one of the bearing rings has at least two groups of closely spaced measuring elements, wherein the at least two groups are pressed into material recesses spaced from each other by a multiple of the rolling element spacing.
  • one of the bearing rings has at least one group of at least three material recesses each having at least one measuring element.
  • the at least one group is arranged such that the three measuring elements can be rolled over by a rolling body at the same time.
  • At least three derar tige groups arranged on the circumference of the bearing ring.
  • the groups are arranged at approximately equal angular intervals.
  • the arrangement with such staggered groups has the advantage that a higher temporal resolution of the measurement can be achieved.
  • the results of the groups can be averaged together to increase the accuracy.
  • the rolling elements must not stand simultaneously above the material recesses with measuring elements. This is then fulfilled if the number of rolling elements causes the rolling elements not to be simultaneously above the material recesses with equally spaced material recesses.
  • the distances of the MaterialausappelInstitut with measuring elements can also be selectively varied with each other, so are not kept exactly the same so that the rolling elements are not all at the same time on the Materialausappel12.
  • a first measuring element can be located just below a first rolling element, a second measuring element in 1/10 pitch below a second rolling element, a third measuring element in 2/10 pitch below the third rolling element, etc.
  • the odd measuring elements can be positioned under a first rolling element and the straight measuring elements offset according to a second rolling element.
  • the Kraftmusiciaxager is designed as axial tapered roller bearings.
  • Axial tapered roller bearings allow for very high load capacity, shock-resistant and rigid bearings with only a small axial space requirement. Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the embodiments described below and with reference to the figures.
  • FIG. 1 shows an overview of a drilling rig with a drilling tool in use
  • FIG. 2 shows a power rotary axial bearing with a measuring bolt in a bearing ring
  • FIG 3 shows an enlarged cross-section of a part of a power rotary thrust bearing with a measuring pin in a recess on an end face of a bearing ring
  • Figure 4 shows an arrangement of a plurality of measuring bolts in recesses on an end face of a bearing ring.
  • FIG. 1 shows an overview of a drilling rig 100 with drilling tool in use.
  • the rig 100 includes the derrick 120, which is located on the ground for days. From the derrick 120, a drill string 1 10 extends into the soil 105.
  • the drill string includes at its end a downhole motor 1 12 12 ends in a drill bit. In operation, the force F 1 16 acts on the drill bit 1 14.
  • Underground motor 1 12, drill bit 1 14 and partially the drill string 1 10 are located underground, so in the soil 105 in a borehole.
  • a power turret and components 122 are mounted on a crane cylinder and crane hook 124.
  • FIG. 1 is separated over days and under days by means of the horizontal line.
  • Figure 2 shows a Kraftwoodkopfaxiallager 200 with measuring pin in the bearing ring 234, for example, a housing plate.
  • the measuring bolts are pressed in excess in the material recesses 240-244 on the end face of the bearing ring 234.
  • the measuring bolts, or else measuring elements, each comprise a sensor for measuring the bearing load (not illustrated in FIG. 2).
  • rolling elements 236 are arranged between the bearing rings 232, 234 rolling elements 236 are arranged. Rolling elements 236 roll over the material recesses 240-244 with the measuring bolts.
  • the sensors can detect the force applied to the measuring pin. This takes place, for example, with a sensor layer at the end of the force measuring pin which comes to rest on the pressure angle action line of a rolling body 236. See also the description of FIG. 3.
  • FIG. 3 shows an enlarged cross-section of a part of a power rotary axial bearing 300 with a measuring bolt in a recess 340 on an end face of a bearing ring 334, in particular a housing disk.
  • the power rotary axial bearing 300 has a further bearing ring 332 with rolling elements 336 lying between the bearing rings 332, 334.
  • a strain-sensitive sensor layer 350 is arranged at the end of the measuring pin.
  • the material recess 340 is introduced into the bearing ring 334 such that the end of the force measuring pin, and thus the strain-sensitive sensor layer 350, lies on the pressure angle action line 352 of the rolling element 336.
  • FIG. 4 shows an arrangement of a plurality of measuring bolts in recesses 440, 441, 442 on an end face of a bearing ring 400.
  • the recesses 440, 441, 442 form a group 447 of material recesses which are rolled over by rolling bodies at short intervals. Further corresponding groups 445, 446 of material recesses with measuring bolts are distributed over the circumference of the bearing ring 400 at approximately equal angular intervals.

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Abstract

Kraftdrehkopfaxiallager (200) für eine Bohranlage mit einem ersten Lagerring (232), einem zweiten Lagerring (234) und einer Vielzahl von Wälzkörpern (236) zwischen dem ersten Lagerring (232) und dem zweiten Lagerring (234). Erfindungsgemäß weist der erste Lagerring (232) oder der zweite Lagerring (234) mindestens eine Materialausnehmung (240-244) auf dessen Stirnseite auf, und mindestens ein Messelement mit mindestens einem Sensor zur Messung der Lagerlast ist mit Übermaß in die mindestens eine Materialausnehmung (240-244) eingepresst.

Description

Kraftdrehkopfaxiallager mit Messbolzen für Bohranlagen
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kraftdrehkopfaxiallager für eine Bohranlage, wo- bei das Kraftdrehkopfaxiallager eine Materialausnehmung mit einem eingepressten Messelement mit einem Sensor aufweist. Die Erfindung betrifft insbesondere ein Kraftdrehkopfaxiallager, das als Axialkegelrollenlager ausgebildet ist.
Hintergrund der Erfindung Das Erstellen von Erdbohrungen, insbesondere im Bereich der Öl- und Gasindustrie, erfordert eine vorsichtige Handhabung des Bohrwerkzeugs, um entlang eines gewünschten Weges zu bohren. Der Aufbau eines solchen Bohrwerkzeugs umfasst im Wesentlichen einen Bohrstrang mit einer Bohrspitze, die am unteren Ende des Bohrstrangs angeordnet ist, wobei der Bohrstrang sich von einem Bohrturm nach un- ten in die Erdformation bzw. das Bohrloch erstreckt. Im Bohrturm ist in der Regel ein sogenannter Kraftdrehkopf (engl.„Top Drive") zum Antreiben des Bohrstrangs über ein Seil in einen Kranhaken an einer Kranflasche eingehängt. Das Seil ist wiederrum mit einem Totseilanker mit dem Erdreich verankert. Die Steuerung des Bohrens kann unter anderem durch Nach- oder Zurückführen des Seils beeinflusst werden. Die Bohrspitze umfasst einen sogenannten Untertagemotor (engl,„downhole motor") und einen Bohrmeißel zur eigentlichen Bohrung.
Für den Bohrvorgang ist es wichtig, die auf die Bohrspitze wirkenden Kräfte zu kennen, um Schäden am Bohrwerkzeug, insbesondere am Bohrmeißel, zu vermeiden. Die Kenntnis über die an der Bohrspitze wirkenden Kräfte ist auch hilfreich, um den Bohrvorgang wirtschaftlich durchführen zu können.
Es ist bekannt, dass die Axiallast und das Drehmoment, die auf einen Bohrmeißel (im Folgenden auch Bohrbit genannt) während des Bohrvorgangs einwirken, wichtige Parameter sind, welche die Richtung und Neigung des Bohrlochs wie auch die Wirt- schaftlichkeit der Bohrarbeit beeinflussen. Die Axialbelastung auf das Bohrbit ist auch bekannt als Bitgewicht (engl.„Weight-on-bit" (WOB)). Eine Last wirkt auf das Bohrbit über den Bohrstrang, der mit den weiteren an der Erdoberfläche angeordneten Komponenten, beispielsweise dem„Top Drive", an dem Bohrturm in Vorspannung hängt, so dass die Größe des WOB durch Veränderung der übertätigen Hakenlast eingestellt werden kann. WOB beeinflusst die Eindringrate, den Bohrbitverschleiß und die Bohrrichtung. Das auf das Bohrbit wirkende Drehmoment (engl.„Torque-on-bit" (TOB)) ist in Bezug auf den Bohrbitverschleiß und der Bohrrichtung, insbesondere in kombinierter Betrachtung mit WOB, ebenfalls wichtig. So ist ein exzessiver TOB indikativ für ei- ne ernsthafte Bitbeschädigung, etwa Versagen eines Lagers unter verklemmten Kegeln.
Verfahren und Vorrichtungen zur Messung des WOB und/oder TOB sind über Tage oder unter Tage bekannt. Über Tage erflogen bekannte Messungen durch Vergleichen des Hakenlastgewichts mit dem„Über-Sohle-Gewicht": wenn die Hakenlast bei abgehobenem Bohrstrang beispielsweise 100 Tonnen und nach dem Herablassen auf die Bohrsohle nur noch 95 Tonnen beträgt, dann muss der Bohrmeißel nun folglich mit fünf Tonnen Last auf der Bohrsohle stehen. Ein Bohrwerkzeugführer kann nun den Bohrstrang wieder von der Bohrsohle abheben und seine Steuerung justieren. Bei Fortführung des Borvorgangs erhält er dann die„fehlende" Hakenlast als Meißelbelas- tung.
Um die Hakenlast über Tage zu erfassen, sind Druckmessdosen am Totseilanker oder dem sogenannten Flaschenzug im Bohrturm (engl.„Crown Block") bekannt. Auch bekannt sind Messsensoren, wie Dehnungsmesstreifen, am (Tot)Seil selbst.
Messungen unter Tage erfolgen häufig über Kraftsensoren, die beispielsweise an zu- sätzlichen Zylindern oder Taschen im Untertagewerkzeug angeordnet sind. Diese Messungen unterliegen jedoch deutlichen Ungenauigkeiten infolge der Effekte von Bohrlochdruck und Temperaturgradienten. Sie können in der Regel auch nicht zwischen Zug, hervorgerufen durch das Gewicht, und Axialzug, hervorgerufen durch die Druckdifferenz, unterscheiden. Sie werden auch nachteilig durch den von Bohrfluiden ausgeübten Druck beeinflusst. Zusammenfassung der Erfindung
Es ist die Aufgabe der Erfindung, die Erfassung der Meißelbelastung zu verbessern, insbesondere robuster gegen Messfehler zu gestalten und weitere Parameter für die Steuerung des Bohrwerkzeugs zu erfassen.
Diese Aufgabe wird durch ein Kraftdrehkopfaxiallager für eine Bohranlage nach Anspruch 1 gelöst. Das Kraftdrehkopfaxiallager ist in einem„Top Drive" einsetzbar. Das Lager umfasst zwei Lagerringe mit dazwischen angeordneten Wälzkörpern. Erfindungsgemäß weist einer der Lagerringe mindestens eine Materialausnehmung auf dessen Stirnseite auf. In die mindestens eine Materialausnehmung ist ein Messelement mit mindestens einem Sensor zur Messung der Lagerlast mit Übermaß einge- presst.
Die Erfassung der durch die Wälzkörper übertragenen Kräfte bei Überrollung des Messelements in der Materialausnehmung ermöglicht es, die Belastung des Meißels im Bohrloch abzuleiten. Das Kraftdrehkopfaxiallager ist hierbei nicht durch die oben beschriebenen Probleme von unter Tage Kraftmessungen beeinflusst. Auch gegenüber den bekannten über Tage Kraftmessungen hat die Erfassung der Kräfte am Kraftdrehkopfaxiallager erhebliche Vorteile in Bezug auf Messfehler.
In einer Ausführungsform ist die mindestens eine Materialausnehmung an dem im Be- zug zur Rotation stehenden Lagerring angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass keine Telemetrie zur Erfassung der Kräfte des rotierenden Bohrstrangs erforderlich ist. Insbesondere müssen auch keine Daten aus dem Bohrloch übertragen werden.
In einer Ausführungsform ist der erste Lagerring eine Wellenscheibe und der zweite Lagerring eine Gehäusescheibe. So kann die Wellenscheibe rotieren und die Gehäu- sescheibe steht im Bezug zur Rotation still.
In einer weiteren Ausführungsform ist das mindestens eine Messelement als Bolzen und/oder der mindestens eine Sensor als dehnungssensitiver Sensor, insbesondere als Direktbeschichtung, ausgebildet. Eine Direktbeschichtung weist gegenüber Folien- Dehnungsmessstreifen unter anderem eine individuell anpassbare Messstruktur, eine höhere Präzision und Langzeitstabilität sowie erhöhte Beständigkeit gegenüber Umgebungsbedingungen wie starken Temperaturschwankungen auf. Eine solche Direkt- beschichtungstechnologie bzw. Dünnschichttechnologie ist bei der Anmelderin unter dem Namen Sensotect® bekannt. Ein Messbolzen mit unterschiedlichen Anordnun- gen eines dehnungssensitiven Sensors ist beispielsweise in DE 10 2014 204 025 A1 beschrieben.
Die äußere Belastung des Kraftdrehkopfaxiallagers hat Dehnungen und Stauchungen der einzelnen Lagerkomponenten zur Folge. Diese Dehnungen und Stauchungen können messtechnisch mit dem mindestens einen Messelement, beispielsweise ei- nem Messbolzen mit Sensotect® Beschichtung, also einem Sensotect® Pin, erfasst werden.
Dieser Sensotect® Pin kann kleinbauend hergestellt werden. Da nicht der großbauende Lagerring, also beispielsweise die Wellenscheibe, sondern nur kleinbauende Sensotect® Pins direktbeschichtet werden, können Kosten eingespart werden. Zusätzlich wird mit dem in der Materialausnehmung eingepressten Messelement erreicht, dass die dehnungsempfindlichen Sensoren in das Material des Lagerrings hineingebracht werden und dort im Inneren des Lagerrings Stauchungen und Dehnungen erfassen, die durch die Wälzkörper in den Lagerring eingeleitet werden. Die Dehnungssensoren werden mit Hilfe eines Messelements, wie dem Bolzen, an Messorten positioniert, an denen wesentlich größere Dehnungen und Stauchungen auftreten als dies an der Oberfläche eines Lagerrings der Fall ist. An der Oberfläche eines Lagerrings könnten ähnlich große Dehnungen und Stauchungen nur dann erreicht werden, wenn der Lagerring beispielsweise durch eine Nut geschwächt wird. Dies hat jedoch den Nachteil, dass die Lebensdauer des Lagers abnimmt. Ein Messelement jedoch wird mit Übermaß eingepresst, damit es auch Dehnungen erfassen kann, und damit es einstückig mit dem Lagerring wirkt. Der Lagerring wird also nicht wesentlich geschwächt. Das Lager wird also insgesamt in seiner Struktur und Steifigkeit nicht geschwächt.
Da die Lagerlast über die Wälzkörper in den Lagerring eingeleitet wird, erfasst ein Messelement die Lagerlast dann maximal, wenn ein Wälzkörper genau über dem Messelement steht. Daher können die Maxima der Sensorsignale für eine Berechnung der Lagerlast herangezogen werden. Es können also die Lastvariationen ermittelt werden, die in ihrer Frequenz kleiner sind als die Wälzkörperüberrollfrequenz.
Um dieser Einschränkung begegnen zu können, weist in einer Ausführungsform einer der Lagerringe mindestens zwei benachbarten Matenalausnehmungen mit jeweils einem Messelement auf, wobei der Abstand zwischen den mindestens zwei Material- ausnehmungen kleiner ist als der Abstand zwischen zwei benachbarten Wälzkörpern. Der Abstand ist bevorzugt um den Faktor 10 kleiner. Somit wird immer eines der Messelemente nacheinander in kurzen Abständen von einem Wälzkörper überrollt. In einer weiteren Ausführungsform weist einer der Lagerringe mindestens zwei weitere benachbarte Matenalausnehmungen mit jeweils einem Messelement auf. Hierbei ist der Abstand zwischen den benachbarten Matenalausnehmungen und der weiteren benachbarten Matenalausnehmungen ein Vielfaches, insbesondere ein ganzzahliges Vielfaches, des Abstands zwischen zwei benachbarten Wälzkörpern. In anderen Wor- ten, weist einer der Lagerringe mindestens zwei Gruppen von eng beabstandeten Messelementen auf, wobei die mindestens zwei Gruppen um ein Vielfaches des Wälzkörperabstands voneinander beabstandet in Materialausnehmungen eingepresst sind.
In einer weiteren Ausführungsform weist einer der Lagerringe mindestens eine Gruppe von mindestens drei Materialausnehmungen mit jeweils mindestens einem Messelement auf. Hierbei ist die mindestens eine Gruppe derart angeordnet ist, dass die drei Messelemente gleichzeitig von einem Wälzkörper überrollbar sind. Dies hat den Vorteil, dass auch unterschiedliche Kraftrichtungen bestimmt werden können. Inner- halb einer solchen Gruppe können nämlich Betrag und Richtung der Kraft ermittelt werden, indem die Messwerte als Stützpunkte einer virtuellen Ebene betrachtet werden. Der Kraftvektor steht senkrecht zu dieser virtuellen Ebene und hat die Länge des Mittelwerts der Messwerte aller Sensoren innerhalb der Gruppe.
In einer Fortbildung der vorbeschriebenen Ausführungsform einer Gruppe von min- destens drei Materialausnehmungen mit Messelementen, sind mindestens drei derar- tige Gruppen am Umfang des Lagerringes angeordnet. Vorzugsweise sind die Gruppen in näherungsweise gleichen Winkelabständen angeordnet. Die Anordnung mit solchen zueinander versetzten Gruppen hat den Vorteil, dass eine höhere zeitliche Auflösung der Messung erreicht werden kann. Weiter können die Ergebnisse der Gruppen untereinander gemittelt werden, um damit die Genauigkeit zu erhöhen.
Um jedoch diese höhere zeitliche Auflösung zu erreichen, dürfen die Wälzkörper nicht gleichzeitig über den Materialausnehmungen mit Messelementen stehen. Dies ist dann erfüllt, wenn die Wälzkörperanzahl dazu führt, dass bei gleich beabstandeten Materialausnehmungen mit Messelementen die Wälzkörper nicht gleichzeitig über diesen stehen.
In einer weiteren Ausführungsform, können daher die Abstände der Materialausnehmungen mit Messelementen auch untereinander gezielt variiert werden, also nicht exakt gleich gehalten werden, damit die Wälzkörper eben nicht alle gleichzeitig über den Materialausnehmungen stehen. Beispielsweise kann eine erstes Messelement sich genau unter einem ersten Wälzkörper befinden, ein zweites Messelement in 1/10 Teilung unter einem zweiten Wälzkörper, ein drittes Messelement in 2/10 Teilung unter dem dritten Wälzkörper usw. Dies hat den Vorteil, dass auch 10 Messelemente nebeneinander in den Abstand zwischen zwei Wälzkörper eingebracht werden können. Alternativ können beispielsweise auch die ungeraden Messelemente unter einem ersten Wälzkörper positioniert werden und die geraden Messelemente entsprechend versetzt unter einem zweiten Wälzkörper.
In einer Ausführungsform ist das Kraftdrehkopfaxiallager als Axialkegelrollenlager ausgebildet. Axialkegelrollenlager ermöglichen axial sehr hoch belastbare, stoßunempfindliche und steife Lagerungen bei nur geringem axialem Platzbedarf. Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Figuren.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren dargestellt. Die Figuren zeigen nicht-skalierte Zeichnungen. Es zeigen:
Figur 1 eine Überblicksdarstellung einer Bohranlage mit Bohrwerkzeug in Anwendung,
Figur 2 ein Kraftdrehkopfaxiallager mit Messbolzen in einem Lagerring,
Figur 3 einen vergrößerten Querschnitt eines Teils eines Kraftdrehkopfaxiallagers mit einem Messbolzen in einer Ausnehmung auf einer Stirnseite eines Lagerrings, und
Figur 4 eine Anordnung mehrere Messbolzen in Ausnehmungen auf einer Stirnseite eines Lagerrings.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen Figur 1 zeigt eine Überblicksdarstellung einer Bohranlage 100 mit Bohrwerkzeug in Anwendung. Die Bohranlage 100 umfasst den Bohrturm 120, welcher auf dem Boden über Tage angeordnet ist. Von dem Bohrturm 120 erstreckt sich ein Bohrstrang 1 10 in das Erdreich 105. Der Bohrstrang umfasst an dessen Ende einen Untertagemotor 1 12 der in einem Bohrmeißel 1 14 endet. Auf den Bohrmeißel 1 14 wirkt im Betrieb die Kraft F 1 16. Untertagemotor 1 12, Bohrmeißel 1 14 und teilweise der Bohrstrang 1 10 befinden sich unter Tage, also im Erdreich 105 in einem Bohrloch. An dem Bohrturm 120 ist an einer Kranflasche und Kranhaken 124 ein Kraftdrehkopf und Komponenten 122 eingehängt. Der Kraftdrehkopf und Komponenten 122, die den Bohrstrang 1 10 antreiben, sind mit dem (Tot)seil 126 an einem Totseilanker 128 gesichert. Der Totseilanker ist typischerweise fest mit dem Erdboden verbunden. In Figur 1 ist über Tage und unter Tage mittels der waagerechten Linie getrennt. Figur 2 zeigt ein Kraftdrehkopfaxiallager 200 mit Messbolzen in dem Lagerring 234, beispielsweise einer Gehäusescheibe. Die Messbolzen sind in den Materialausneh- mungen 240-244 auf der Stirnseite des Lagerrings 234 mit Übermaß eingepresst. Die Messbolzen, oder auch Messelemente, umfassen je einen Sensor zur Messung der Lagerlast (nicht in Figur 2 illustriert). Zwischen den Lagerringen 232, 234 sind Wälzkörper 236 angeordnet. Wälzkörper 236 überrollen die Materialausnehmungen 240- 244 mit den Messbolzen. Bei Überrollung können die Sensoren an den Messbolzen den wirkenden Krafteintrag erfassen. Dies erfolgt beispielsweise mit einer Sensorschicht am Ende des Kraftmessbolzens, die auf der Druckwinkelwirkungslinie eines Wälzkörpers 236 zum Liegen kommt. Siehe hierzu auch die Beschreibung zu Figur 3.
Figur 3 zeigt einen vergrößerten Querschnitt eines Teils eines Kraftdrehkopfaxialla- gers 300 mit einem Messbolzen in einer Ausnehmung 340 auf einer Stirnseite eines Lagerrings 334, insbesondere einer Gehäusescheibe. Das Kraftdrehkopfaxiallager 300 weist einen weiteren Lagerring 332 mit zwischen den Lagerringen 332, 334 lie- genden Wälzkörper 336 auf. Am Ende des Messbolzens ist eine dehnungsempfindliche Sensorschicht 350 angeordnet. Die Materialausnehmung 340 ist derart in den Lagerring 334 eingebracht, dass das Ende des Kraftmessbolzens, und damit die dehnungsempfindliche Sensorschicht 350, auf der Druckwinkelwirkungslinie 352 des Wälzkörpers 336 liegt. Figur 4 zeigt eine Anordnung mehrere Messbolzen in Ausnehmungen 440, 441 , 442 auf einer Stirnseite eines Lagerrings 400. Die Ausnehmungen 440, 441 , 442 bilden eine Gruppe 447 von Materialausnehmungen, welche von Wälzkörpern in kurzen Abständen überrollt werden. Weitere dementsprechende Gruppen 445, 446 von Materialausnehmungen mit Messbolzen sind in annähernd gleichen Winkelabständen über den Umfang des Lagerrings 400 verteilt. Bezugszeichenliste
100 Bohranlage
105 Erdreich
1 10 Bohrstrang
1 12 Untertagemotor
1 14 Bohrmeißel
1 16 Kraft F auf Bohrmeißel
120 Bohrturm
122 Kraftdrehkopf und Komponenten
124 Kranhaken und Kranflasche
126 (Tot)seil
128 Totseilanker
200, 300 Kraftdrehkopfaxiallager
232, 332 erster Lagerring
234, 334 zweiter Lagerring
236, 336 Wälzkörper
240-244 Materialausnehmung mit Bolzen
340 Materialausnehmung mit Bolzen
350 Dehnungsempfindliche Sensorschicht
352 Druckwinkelwirkungslinie
400 Lagerring eines Kraftdrehkopfaxiallagers
440, 441 , 442 Materialausnehmung mit Bolzen
445, 446, 447 Gruppen von Matehalausnehmungen mit Bolzen

Claims

Ansprüche
1 . Kraftdrehkopfaxiallager (200, 300) für eine Bohranlage (100), umfassend
- einen ersten Lagerring (232, 332),
- einen zweiten Lagerring (234, 334),
- und eine Vielzahl von Wälzkörpern (236, 336), wobei die Vielzahl der Wälzkörper (236, 336) zwischen dem ersten Lagerring (232, 332) und dem zweiten Lagerring (234, 334) angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass der erste Lagerring (232, 332) oder der zweite Lagerring (234, 334) mindestens eine Matenalausnehmung (240-244, 340, 440, 441 , 442) auf dessen Stirnseite aufweist, und dass mindestens ein Messelement mit mindestens einem Sensor (350) zur Messung der Lagerlast mit Übermaß in die mindestens eine Matenalausnehmung (240-244, 340, 440, 441 , 442) eingepresst ist.
2. Kraftdrehkopfaxiallager (200, 300) nach Anspruch 1 , wobei die mindestens eine Matenalausnehmung (240-244, 340, 440, 441 , 442) an dem im Bezug zur Rotation stehenden Lagerring (234, 334) angeordnet ist.
3. Kraftdrehkopfaxiallager (200, 300) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der erste Lagerring (232, 332) eine Wellenscheibe ist, und der zweite Lagerring (234, 334) eine Gehäusescheibe ist.
4. Kraftdrehkopfaxiallager (200, 300) einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das mindestens eine Messelement als Bolzen ausgebildet ist und/oder der mindestens eine Sensor (350) als dehnungssensitiver Sensor, insbesondere als Di- rektbeschichtung, ausgebildet ist.
5. Kraftdrehkopfaxiallager (200, 300) einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der erste Lagerring (232, 332) oder der zweite Lagerring (234, 334) mindestens zwei benachbarte Materialausnehmungen (240-244, 440, 441 , 442) mit jeweils einem Messelement aufweist, und wobei der Abstand zwischen den mindestens zwei Matenalausnehmungen (440, 441 , 442) kleiner ist als der Abstand zwischen zwei benachbarten Wälzkörpern.
6. Kraftdrehkopfaxiallager (200, 300) nach Anspruch 5, wobei der Abstand um
den Faktor 10 kleiner ist.
7. Kraftdrehkopfaxiallager (200, 300) nach Anspruch 5 oder 6, wobei der erste Lagerring (232, 332) oder der zweite Lagerring (234, 334) mindestens zwei weitere benachbarte Matenalausnehmungen mit jeweils einem Messelement aufweist, und wobei der Abstand zwischen den benachbarten Matenalausnehmungen und der weiteren benachbarten Matenalausnehmungen ein Vielfaches, insbesondere ein ganzzahliges Vielfaches, des Abstands zwischen zwei benachbarten Wälzkörpern ist.
8. Kraftdrehkopfaxiallager (200, 300), nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der erste Lagerring (232, 332) oder der zweite Lagerring (234, 334) mindestens eine Gruppe (445, 446, 447) von mindestens drei Matenalausnehmungen (440, 441 , 442) mit jeweils mindestens einem Messelement aufweist, und wobei die mindestens eine Gruppe (445, 446, 447) derart angeordnet ist, dass die drei Messelemente gleichzeitig von einem Wälzkörper überrollbar sind.
9. Kraftdrehkopfaxiallager (200, 300) nach Anspruch 8, wobei mindestens drei derartige Gruppen (445, 446, 447) am Umfang des ersten Lagerrings (232, 332) oder des zweiten Lagerrings (234, 334), vorzugsweise in näherungsweise gleichen Winkelabständen, angeordnet sind.
10. Kraftdrehkopfaxiallager (200, 300) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Kraftdrehkopfaxiallager als Axialkegelrollenlager ausgebildet ist.
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