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Die Erfindung bezieht sich auf konische Schraubverbindungen, insbesondere
auf Drehverbindungen, mit Anlagebund für Bohrstangen zum Einsatz bei Großlochbohrungen
im - - Grubenbetrieb. Mit Hilfe eines konischen Gewindeverlaufes lassen sich solche
Verbindungen ausreichend fest und dicht anziehen, um Undichtheiten des rohrförmigen
Bohrgestänges, exzentrische Schlagbewegungen und ein Abschrauben zu verhindern.
Absätze oder Bunde dienen zum Begrenzen der gegenseitigen Verschraubung unter Berücksichtigung
von Kriecheigenschaften des Gewindematerials im Einsatz und Verhindern damit das
Aufreißen der Schräubbüchse und das Zusammenbrechen, oder -drücken- des Außengewinde
tragenden hohlen Schraubzapfens. Wenn die Bunde aneinanderliegen, kann ein weite%es
Zusammenschrauben nur dadurch erfolgen, daß,-.der Ansatz des rohrförmigen Schraubzapfens
gestreckt-iitid das Mündungsende der Schraubbüchse zusammengepreßt wird. Mit dem
dabei an den Bundflächen auftretenden Druck entsteht eine Primärdichtung, und darüber
hinaus werden insbesondere auf den Schraubzapfen wirkende Biegemomentbeanspruchungen
verringert.
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Die erfindungsgemäße Schraubverbindung eignet sich vor allem zum Aneinandersetzen
von Rohrstangenabschnitten, die beim Aufbohren stark geneigter Großlöcher im Grubenbetrieb
Anwendung finden.
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Solche Bohrungen von Sohle zu Sohle besitzen im allgemeinen einen
Durchmesser von etwa 1,2m. Um die notwendige Axialkraft auf den Bohrer aufzubringen
und dadurch den entsprechend hohen Druck mit einer harte Gesteine.-durchbrechenden
Bohrkrone dieses Durchmessers zu erzeugen, wird mit dem Bohrgestänge meist unter
Zugspannung gebohrt: Würde das Bohrgestänge unter einer entsprechend hohen Drucklast
stehen, könnte ein Ausknicken nur dann vermieden werden, wenn das Bohrgestänge überdimensioniert
und damit zu schwer wird. Um mit einem unter Zuglast stehenden Bohrgestänge die
erwünschte Bohrung einzubringen, wird zunächst unter Drucklast eine Vorbohrung mit
geringem Durchmesser hergestellt; die dann das Bohrgestänge aufnimmt, über welches
die Bohrkrone unter Spannung zurückgezogen wird.
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Im Grubenbetrieb Terwendete Bohrstangen für das Bohrgestänge sind
üblicherweise etwa 1,5 m lang. Platzbeschränkungen unter Tage verbieten die Verwendung
längerer Bohrstangen. Aus dem gleichen Grunde kommen weitere. Ausrüstungen, wie
lange Gestängezangen Kabelwinden, beim Bohren unter Tage meist nicht zur Anwendung.
Die Schraubverbindungen werden deshalb bei Beginn der Arbeit nur von Hand festgezogen,
während das beim Bohren auftretende Drehmoment für ein weiteres Festziehen- sorgt.
Beim Bohren unter ; Zuglast wird zunächst die gesamte Länge des Bohrgestänges eingesetzt,
die anschließend bei Fortschreiten der Bohrung stückweise verkürzt wird. Da die
Schraubverbindungen mit Beginn des Bohrvorganges angezogen sind, befinden sie sich
in einem abgedich- i teten Zustand, so daß auf Grund der anfänglich nur mit der
Handkraft erfolgten Verschraubungen keine Leckverluste zu erwarten sind. Darüber
hinaus wird beim Aufwärtstreiben der Hauptbohrung über das Bohrgestänge nur Luft
zugeführt, um die Lager der Bohrkrone sauberzuhalten. Das gebohrte Material fällt
durch Schwerkraft zum unteren Ende der Bohrung und wird dort durch einen Förderer
beseitigt, so daß sich die Verwendung von Wasser, Bohrschlamm oder einer anderen
unter hohem Druck stehenden Flüssigkeit mit Zuführung über das Bohrgestänge erübrigt.
Beim Eintreiben einer Bohrung von oben nach unten kann es zweckmäßig sein, zur Beseitigung
des geschnittenen Bohrmaterials eher Flüssigkeit als Luft oder Gas zu verwenden,
wobei jedoch deren Druck nicht hoch zu sein braucht, da die Länge einer Bohrung
von einer zur anderen Sohle gewöhnlich nur im Bereich von 60 m oder weniger liegt.
Aus diesen Gründen ist auch das anfängliche Verschrauben des Bohrgestänges von Hand
völlig ausreichend.
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Auf Grund der großen Bohrkrone, z. B. mit einem Durchmesser von 1,2
m, und deren hohen Axialbelastung, die bei voller Ausnutzung des Bohrgerätes z.
B. 16,4 t ausmachen kann, muß das auf das Bohrgestänge aufgebrachte Drehmoment ebenfalls
sehr hoch sein, z. B. in der Größenordnung von 11000 mkg, was zu einer äußerst festen
Verschraubung führt. Die gegenseitige Verschraubung wird ferner beeinflußt durch
die kombinierte Zuglast, die sich aus dem"".Gewicht des Bohrgestänges und der Bohrkrone
zuzüglich der axial wirkenden, über das Bohrgerät aufgebrachten Zuglast ergibt,
mit der der Ansatz des Schraubzapfens jeder Schraubverbindung gestreckt wird, womit
-gleichzeitig die gegenüberliegenden Bundflächen an Schraubzapfen und Schraubbüchse
getrennt werden, so daß eine weitergehende Verschraubung stattfinden kann. Wenn
konische Schraubverbindungen festgezogen werden, steht die Schraubbüchse unter Zug
und der Gewindezapfen unter Druck. Bei besonders starkem Zusammenschrauben besteht
die Gefahr des Aufplatzens der Schraubbüchse, des Zusammenfallens des Schraubzapfens
sowie des Fressens oder Abreißens der erhabenen Gewindewülste.
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Das Abschraubmoment ist eine Funktion des Aufschraubmomentes, wobei
im Falle eines hohen Aufschraubmomentes auch das Abschraubmoment einen hohen Wert
besitzt. Wie oben angegeben, stehen Spezialwerkzeuge, wie kraftgetriebene Winden
oder lange Greifzangen zur Vereinfachung des Aufschraubens normalerweise unter Tage
nicht zur Verfügung. Selbst wenn das Bohrgerät mit einer kraftgetriebenen Winde
ausgerüstet wäre, würde diese am Fuß der eingetriebenen Bohrung nicht verfügbar
sein, wo die Bohrkrone mit einem Durchmesser von 1,2 m mit dem Bohrgestänge verbunden
werden muß. Wenn die Verbindungen des" Bohrgestänges einem zu hohen Aufschraubmoment
ausgesetzt sind, können beim Lösen der Verbindungen mit Hilfe der unter Tage anwendbaren
relativ kurzen, z. B. 1,2 m langen handbetätigten Winden oder Zangen Schwierigkeiten
auftreten. -'-Im übrigen ist bei einem Bohrgestänge zur Herstellung einer Sohlenverbindung
ein hohes Abschraubmoment nicht Bedingung; denn auf Grund der relativ kurzen Gesamtlänge
des Bohrgestänges (z. B. 50 m) verdreht es sich im Betrieb zwischen Bohrmaschine
und Bohrkrone nicht sehr stark. Das Bohrgestänge ist deshalb auch nicht großen entgegengesetzten
Drehmomenten als Folge von Trägheitskräften beim Zurückdrehen (Entspannen) ausgesetzt.
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Da das Bohrgestänge für eine auszuführende Bohrung unter Tage zusammengebaut
wird, sind die Schraubverbindungen besonders dem Eindringen und
Festsetzen
von Schmutz in den Gewindegängen sowie zwischen den Bundflächen an Schraubzapfen
und -büchse ausgesetzt. Selbst wenn die Gewindegänge und Bundflächen beim ersten
Gebrauch sauber sind, bewirkt die Zugkraft auf Grund des Gewichtes von Gestänge
und Bohrkrone eine Streckung des Zapfenansatzes, die ausreicht, um zwischen den
gegenüberliegenden Bundflächen einen Spalt zu öffnen, durch den Staub und Schmutz
eintreten kann.
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Auch beim Bohrvorgang unter Zuglast ist das Bohrgestänge mit der schweren
und im Durchmesser großen Bohrkrone ungewöhnlichen Biegemomenten unterworfen. Die
relativ enge Vorbohrung begrenzt zwar die seitliche Ausbiegung des Bohrgestänges,
aber dennoch wirken auf die Rohrverschraubungen schwellende Biegebeanspruchungen,
die leicht zu Ermüdungserscheinungen des Materials führen können. Da die Bohrstangen
nur etwa 1,5m lang sind, befinden sich an einem 60m langen Bohrgestänge 40 Verschraubungen,
die sämtlich den schwellenden Biegemomenten ausgesetzt sind.
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Damit ergibt sich, daß bei der Konstruktion einer einwandfreien Schraubverbindung
für Bohrgestänge besondere Schwierigkeiten auftreten. Aufgabe der Erfindung ist
die Beseitigung solcher Schwierigkeiten und die Angabe einer bei dem hier erläuterten
Anwendungsgebiet einwandfrei arbeitenden Bohrstangenverschraubung. Diese Schraubverbindung
soll sich erfolgreich auch bei verschmutzten Gewindegängen und bei extrem hohen
Aufschraubmomenten verwenden lassen,. ohne daß dabei die Gefahr besteht, daß der
Schraubzapfen zusammengedrückt wird und die Schraubbüchse aufplatzt und die Gewindegänge
abgerissen werden. Gleichzeitig soll die herzustellende Verbindung schnell aufschraub-
und abschraubbar sein und ein solches Abschraubmoment aufweisen, das die begrenzte
Kapazität von unter Tage anwendbaren Werkzeugen sowie die eines Bohrgerätes für
unterirdische Stollenverbindungen berücksichtigt. Die Schraubverbindung soll darüber
hinaus den additiven Zugbelastungen, schwellenden Biegemomenten und den unter Tage
auftretenden korrodierenden Einflüssen gewachsen sein.
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Diese Aufgabe wird bei einer koaxialen Schraubverbindung für Bohrgestängerohre,
z. B. im Durchmesserbereich zwischen 100 und 300 mm, die an ihrem einen Ende einen
Abschnitt mit sich konisch aufweitendem Innendurchmesser aufweisen, der an der Stelle
seines kleineren Durchmessers in den Verlauf der zylindrischen Wand übergeht, erfindungsgemäß
durch die Kombination folgender Merkmale gelöst: Die das eine Rohrende bildende
Schraubbüchse besitzt eine radiale Stirnfläche; die Innenwandung der Büchse besitzt
einen glattwandigen Bereich, der sich von der Stirnfläche aus in Richtung auf den
Übergang zwischen konischem und zylindrischem Verlauf erstreckt; der glattwandige
Bereich der Innenwandung bildet die Mündung der Büchse; die Innenwandung der Büchse
ist mit einem sägezahnähnlichen doppelgängigen Gewinde in einem Mündungsbereich
versehen, der sich bis zum übergang zwischen dem konischen und dem zylindrischen
Wandungsverlauf erstreckt; die radial nach innen gerichteten Gewindewülste reichen
an keiner Stelle bis über den lichten zylindrischen Innendurchmesser des Rohres;
die Gewindegänge verlieren allmählich an Höhe bzw. Tiefe bei Annäherung an die übergangsstelle
und verschwinden dort vollständig; die Gewindegänge besitzen eine Steigung zwischen
6 und 10,5 %, ihre Höhe liegt in der Grö= ßenordnung von 3,2 bis 4,8 mm, während
die durchschnittliche Breite etwa den gleichen Wert wie die Höhe aufweist; der Winkel
für die tragenden Gewindeflanken liegt in der Größenordnung von 10 bis 20°, der
gegenüberliegende Flankenwinkel in der Größenordnung von 30 bis 60°; das andere
Rohrende ist durch einen Bund abgesetzt, der in einen sich konisch verjüngenden
Zapfen übergeht; der größte Durchmesser des Zapfenkonus ist kleiner als der Außendurchmesser
der Schraubbüchse und der kleinste Durchmesser des Zapfenkonus, der kleiner als
der Innendurchmesser der Schraubbüchse ist, .wobei der radial verlaufende Bund eine
Anlage für die Büchsenstirnfläche bildet; der Zapfen ist außen mit dem gleichen
sägezahnähnlichen Doppelgewinde wie die Innenwand ,der Büchse versehen, welches
sich von einer unter einem axialen Abstand zum Bund stehenden Ebene in Richtung
auf das Zapfenende erstreckt; die Gewindevorsprünge auf Zapfen und Büchse sind schmaler
als die Abstände dazwischen, so daß beim erfolgten Zusammenschrauben zwischen den
nicht tragenden Gewindeflanken ein Abstand entsteht; der Zapfenbereich zwischen
dem Bund und dem Beginn des Zapfengewindes bildet den Zapfenansatz; die Außenfläche
des Zapfenansatzes bildet eine bezüglich des Gewindekonus des Zapfens hinterdrehte
bzw. eine parallele, jedoch radial weiter innen verlaufende Konusfläche; der Zapfenansatz
liegt bei zusammengeschraubter Verbindung der Büchsenmündung radial gegenüber; die
Längen von Zapfenansatz und Büchsenmündung sind gleich und besitzen Werte in der
Größenordnung der Gewindesteigung; Zapfen und Büchse besitzen jeweils einen konischen
Wandungsverlauf, der bestimmt ist durch einen Kegel im Bereich zwischen 1 : 9,6
bis 1: 6,85; die axiale Entfernung zwischen der Büchsenstirnfläche und dem Scheitel
des die Büchsengewindespitzen verbindenden Kegels ist um mindestens 5% der Gewindesteigung
größer als die Entfernung zwischen dem Zapfenbund und dem Scheitel des die Zapfengewindekerne
verbindenden Kegels, und auch die Entfernung zwischen der Büchsenstirnfläche und
dem Scheitel des die Büchsengewindekerne verbindenden Kegels ist um mindestens 5%
der Gewindesteigung größer als die Entfernung zwischen dem Zapfenbund und dem Scheitel
des die Zapfengewindespitzen verbindenden Konus, so daß bei gegenseitiger Anlage
von Zapfenbund und Büchsenstirnfläche Abstände zwischen den Gewindespitzen an Zapfen
und Büchse und den gegenüberliegenden Gewindekernbereichen entstehen.
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Die auf diese Weise hergestellte Schraubverbindung besitzt ein Abschraubmoment,
das nur etwa 66% des beim Bohren auftretenden Aufschraubmomentes beträgt, z. B.
in der Größenordnung von etwa 7000 mkg.
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Das Verhältnis von Abschraubmoment zu Aufschraubmoment hängt - von
mehreren Einflußgrößen ab. Die Gewindeflanken auf dem Zapfen können als eine geneigte
Ebene aufgefaßt werden, die um den Zapfen herumgewickelt ist. Auf dieser Ebene gleiten
beim Zusammenschrauben die Gewindeflanken der Büchse, und der Neigungswinkel dieser
Ebene ist Gewindesteigungswinkel. Beim weiteren Zusammenschrauben wird, nachdem
sich der Zapfenbund an die Stirnfläche der Büchse angelegt hat, die Mündung der
Schraubhülse axial zusammengedrückt und der Zapfenansatz axial gestreckt; so daß
zwischen den Gewindeflanken sowie zwischen Stirnfläche der Büchse und dem Zapfenbund
ein Axialdruck entsteht, der zu einem Reibungswiderstand bei der Drehbewegung, vor<
Büchse und Zapfen führt. Der Zusammenschraubvorgang erfordert daher ein ausreichend
großes Drehmoment, um die Büchse zusammenzudrücken, den Zapfen zu strecken und die
Reibung zwischen Zapfenbund und Büchsenstimfläche sowie zwischen den Gewindeflanken
zu überwinden.
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Bei- fehlendem Gewinde wären an Zapfen und Büchse nur glatte konisch
verjüngte Flächen vorhandm Da die Erzeugende der konischen Flächen bezüglich der
Konusachse geneigt ist, können die konischen Flächen als Steigung- aufgefaßt werden,
wobei der Steigungswinkel der Konuswinkel ist. Falls sich in dem verschraubten Bereich
von Zapfen und Büchse die Gewindespitzen und -kerne berühren oder falls die tragenden
Gewindeflanken nicht senkrecht zur Schraubachse verlaufen, entsteht beim Zusammenschrauben
in der Büchse eine Ringzugspannung und im Zapfen eine Ringdruckspannung. Dies führt
zu einem Radialdruck zwischen den Gewindeflanken und damit zu einem Reibungswiderstand
bei der Relativbewegung von Zapfen und Büchse. Das Zusammenschrauben erfordert deshalb
auch ein Drehmoment, um die Büchse aufzuwerten, den Zapfen zusammenzudrücken und
um die Reibung zwischen den sich radial berührenden Flächen der Gewinde zu überwinden,
und zwar zusätzlich zu dem obengenannten Drehmoment, welches erforderlich ist, um
die axialen Beanspruchungen, zu erzeugen und die daraus resultierenden Reibungswiderstände
zu überwinden.
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Es handelt sich hier um zwei Steigungen: die Steigung des Gewindes
und der konische Verlauf von Zapfen und Büchse. Beim Zusammenschrauben entstehen
durch beide Steigungen im Metall Beanspruohungen und. als Folge davon Reibungswiderstände,
die durch ein entsprechendes Moment überwunden werden müssen. Beim Lösen der Verschraubung
unterstützen die gegen die »Steigungen« wirkenden Metallbeanspruchungen deck Absehraubvorgang,
so daß -das Abschraubmoment geringer wird als das Aufschraubmoment.-Andererseits
ist die Endstellung nach dem Aufschrauben das Ergebnis der Relativbewegung zwischen
Zapfen und Hülse, wozu Gleitreibung zu überwinden war. Beim Lösen der Verschraubung
ist der zu überwindende Reibungswiderstand statische Reibung, deren Kennwerte üblicherweise
beträchtlich höher als Gleitreibung liegen, so daß unter Berücksichtigung dieser
Tatsache das Abschraubmoment bezüglich des Aufschraubmomentes vergrößert wird.
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Durch Verwendung steiler Steigungen, z. B. eines steilen konischen
Verlaufs für Zapfen und Büchse und einer steilen Gewindesteigung, werden die auf
Zapfen und Büchse wirkenden Ringspannungen, die Spannung am Zapfenansatz sowie die
Druckspannung an der Hülsenmündung für jedes gegebene Aufschraubmoment verringert,
so daß die Schraubverbindung hohen Bohrmomenten besser widerstehen kann. Damit wird
außerdem das Verhältnis von notwendigem Drehmoment zur Erzielung elastischer Metallverformung
bzw. -beanspruchung (womit das Lösen der Verbindung erleichtert wird) zum Drehmoment
für die überwindung des Reibungswiderstandes erhöht, so daß sich das Verhältnis
von Abschraub= zu Aufschraubmoment verringert.
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Diese Möglichkeiten sind jedoch durch die Konussteigung an Zapfen
und Büchse beschränkt. Um ein Gleichgewicht der Wirkungen zwischen Zapfen und Büchse
zu erreichen, sollte das Widerstandsmoment der Büchse kurz unterhalb des Endes des
Zapfens etwa 2- bis 3mal so groß wie das Widerstandsmoment des Zapfens im Bereich
seines Bundes sein. In dem nachfolgend zu beschreibenden Ausführungsbeispiel ist
das Widerstandsmoment der Büchse 6 mm unterhalb des Endes des Zapfens gleich 21/2mal
dem Wert des Widerstandsmomentes des Zapfens im Bereich von 19 mm vor dem Zapfenbund.
Wenn die Kegelsteigung von Zapfen und Büchse zu hoch ist, muß die Zapfenbohrung
einen unzweckmäßig kleinen Durchmesser erhalten, damit genug Wandstärke für den
Zapfen stehenbleibt, um den erwünschten Querschnitt sicherzustellen. Andere Einflußgrößen
beschränken die Gewindesteigung. Es bestehen daher Grenzen für die mögliche Verringerung
des Verhältnisses von Abschraub- zu Aufschraubmoment, wobei der Grenzwert erreicht
werden kann, indem die Kegelsteigung und die Gewindesteigung erhöht werden.
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Verhindert man jede Berührung zwischen den Spitzen der Gewindewülste
von Zapfen und Büchse mit den gegenüberliegenden Gewindegangböden und benutzt man
steile Winkel für die tragenden Flanken bei gleichzeitiger Vorsorge für einen großen
Abstand zwischen den unbelasteten Gewindeflanken, so bleibt ein beträchtlicher offener
Raum bestehen, in den sich Schmutz hineinbewegen kann, ohne die Gewinde zu beschädigen.
Auf Grund dieser Maßnahme wird ferner der größte Reibungsbereich beseitigt, der
im Zusammenhang mit den Ringspannungen in Zapfen und Büchse eine Rolle spielt. Außerdem
wird damit das Verhältnis von Abschraub- zu Aufschraubmoment verringert, Durch das
Phosphatieren der Gewinde werden deren Oberflächen angegriffen und darin Aufnahmetaschen
gebildet, in denen Schmierfett eingefangen und zurückgehalten werden kann. Durch
diese Schmierung der Gewindegänge wird das Fressen an Metall sowie Korrosion verhindert.
Ferner ergibt sich damit eine Verringerung der Gewindereibung und des Verhältnisses
von statischer zu dynamischer Reibung, so daß auch hierdurch sich das Verhältnis
von Abschraub- zu Aufschraubmoment reduziert.
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Auf Grund des steilen Gewindes kann die Schraubverbindung nicht nur
hohen Drehmomenten widerstehen, - sondern auch schnell -zusammengeschraubt werden.
Durch Verwendung eines zweigängigen Gewindes wird- die notwendige Zugfestigkeit
erreicht,
ohne daß eine große Anzahl miteinander im Eingriff stehender
Gewindegänge vorzusehen ist. Mit der geringen Länge des Längsschnittes der Schraubverbindung,
in der die Gewindegänge miteinander in vollem Eingriff stehen, wird die Biegefähigkeit
des verschraubten Bereichs erhöht und gleichzeitig das Einwirken von Biegemomenten
auf andere Bereiche der Verschraubung verringert. Mit dem Auslaufen des Zapfengewindes
in eine Ringnut sowie mit dem Übergang der Büchsengewindegänge in den Innendurchmesser
werden nicht nur Spannungskonzentrationen verringert, sondern auch die Anzahl der
miteinander im Eingriff stehenden Gewindegänge, was zur Erhöhung der Flexibilität
erwünscht ist.
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Die Erfindung ist nachfolgend an Hand eines in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigt F i g. 1 einen teilweise geschnittenen
Aufriß durch eine Schraubverbindung nach der Erfindung und F i g. 2 in vergrößertem
Maßstab einen Teilschnitt zur Darstellung von Einzelheiten des Gewindes am Schraubzapfen.
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F i g. 1 zeigt eine Schraubverbindung zwischen zwei Stahlrohren 10
und 11. Die dargestellten Rohre 10 und 11 können entweder die Enden zwischen
zwei Bohrstangen oder kurze an die Enden von Bohrstangen angeschweißte oder angeschraubte
Rohre sein oder andere beliebige Rohre, für die die erfindungsgemäße Rohrverschraubung
geeignet ist. Das Rohr 10 ist an seinem einen Ende mit einem zapfenförmigen
Ansatz 12 versehen, der von einem im Durchmesser verjüngten Absatz ausgeht. Auf
dem Umfang des Zapfens 12 sind zwei Gewindegänge 13 und 14 aufgebracht. Der Zapfen
12 weist an seiner Außenseite einen konischen Verlauf auf mit einem Kegel im Bereich
zwischen 1: 9;6 und 1: 6,9, vorzugsweise 1: 8 entsprechend der Darstellung, und
ist an seinem größten Außendurchmesser wesentlich kleiner als der Außendurchmesser
des Rohres 10, der über einen radial verlaufenden Bund 15 in den Zapfenbereich
übergeht. Zwischen dem Bund 15 und den benachbarten Enden der Gewindegänge 13 und
14 befindet sich ein konischer hinterschnittener Bereich 16 zur Spannungsentlastung,
der den gleichen Konuswinkel wie das Gewinde aufweist und bezüglich der gedachten
Gewindeverlängerung am Zapfen 12 um 0,8 mm hinterschnitten ist.
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Das Rohr 11 ist an seinem einen Ende als Schraubbüchse 9 ausgebildet,
deren Innenwandung den gleichen konischen Verlauf wie der Zapfen 12 aufweist und
im Bereich 8 gegenüber dem hinterschnittenen Bereich 16 am Ansatz 20 des Zapfens
12 glattwandig ausgeführt ist, so daß eine Mündung 21 entsteht. Der verbleibende
Teil der Büchseninnenwandung besitzt ein Doppelgewinde mit zwei Schraubengängen
7 und 6, das sich von der Mündung bis zum Übergang des konischen in den zylindrischen
Verlauf der Innenwandung des Rohres 11 erstreckt. Die Gewindewulstspitzen der ersten
von der Mündung ausgehenden Gewindegänge sind konisch abgeschrägt, verschwinden
jedoch allmählich beim ilbergang in die zylindrische Innenwandung des Rohres
11.
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Die Größenabmessungen des Gewindes auf dem Zapfen sind in F i g. 2
angegeben, aus der auch hervorgeht, daß die Breite der Gewindewulstspitzen geringer
ist als der Abstand am Fuß zweier benachbarter Gewindeflanken, d. h., die Gewindewülste
sind schmaler als die Gewindenuten. Die Gewindewülste in der Schraubbüchse sind
ähnlich geformt, so daß längs des Gewindelaufes zwischen den unbelasteten Gewindeflanken
breite Abstände 17, 18 entstehen.
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Die Längen von Zapfenansatz 20 und Hülsenmündungsteil21 sind
bezüglich der durch die Gewindewulstspitzen verlaufenden Konusse so bemessen, daß
bei Anlage des Zapfenbundes 15 an der Büchsenstirnfläche 22 nach vollständigem Zusammenschrauben
immer noch innere Abstände 23, 24 zwischen den Wulstspitzen auf dem Zapfen und den
gegenüberliegenden Gewindenuten des Büchsengewindes sowie innere Abstände 25, 26
zwischen den Gewindewulstspitzen der Büchse und den gegenüberliegenden Gewindenuten
des Zapfengewindes bestehen bleiben. Um diese inneren Abstände zu erreichen, ist
die Büchsenstirnfläche 22 weiter vom Scheitelpunkt des durch die Gewindespitzen
der Büchse verlaufenden Konus entfernt als der Zapfenbund 15 vom Scheitelpunkt des
Konus des Zapfengewindekernes. Außerdem ist die Büchsenstirnfläche 22 weiter
von dem Scheitelpunkt des durch den Büchsengewindekern gehenden Konus entfernt als
der Zapfenbund 15 von dem Scheitelpunkt des durch die Gewindespitzen am Zapfen verlaufenden
Konus: Die Abstände 25, 26 vergrößern sich in Richtung zum Zapfenende, da die Gewindegänge
in der Büchse in den zylindrischen Verlauf der Innenwandung 28 des Rohres
11 übergehen. Die Abstände 17, 23, 25
stehen miteinander in Verbindung
und bilden daher einen entsprechenden der Gewindesteigung wendelförmigen Hohlraum.
Auch die °Abstände18, 24, 26 stehen miteinander in Verbindung und bilden entsprechend
dem doppelgängigen Gewinde einen zweiten wendelförmigen Hohlraum. Nur die gegenseitige
Anlage der 15°-Flanken 30, 31, 32, 33 verhindert, daß die Büchse auf dem Schraubzapfen
12 taumelt. Dieser Winkel von 15° ist einerseits klein genug, um Ringspannungen
in zulässigen Grenzen zu halten, andererseits doch groß genug, um ein Taumeln oder
Schlagen zu verhindern. Der Flankenwinkel kann innerhalb des Bereiches von 10 bis
20° verändert werden.
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Die anderen unter einem Winkel von 45° gerichteten Gewindeflanken
sorgen für eine ausreichende Festigkeit der Gewindegänge, um die Axiallast aufzunehmen,
die nicht nur aus der Zugspannung des Bohrgestänges, sondern auch aus dem Biegemoment
resultiert, welches, grob gesehen, versucht, das Büchsengewinde seitlich bezüglich
des Zapfengewindes zu verschieben. Bei den nicht tragenden Flanken sind größere
Toleranzen bezüglich des Flankenwinkels zulässig, beispielsweise in einem Bereich
zwischen 30 und 60°. Der Gewindequerschnitt ist vorzugsweise dahingehend ausgelegt,
daß die Gewindehöhe sich in der gleichen Größenordnung wie die durchschnittliche
Breite befindet.
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Der Bund 15 und die Stirnfläche 22 sind außen jeweils mit einer Fase
35 und 36 versehen, um die Axiallast zu konzentrieren und eine bessere Abdichtung
zu gewährleisten. Diese Fasen verringern darüber hinaus die Möglichkeit von Beschädigungen
am Außenumfang der Bunde durch unachtsame Behandlung. Die Gewindesteigung kann in
einem Bereich etwa zwischen 6 und 10 mm pro 100 mm verändert werden.
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Der Zapfenansatz 20 und die Hülsenmündung 21 besitzen zwischen dem
Bund 15 bzw. der Stirnfläche 22 bis zum Beginn der 30°-Schrägfläche an der
Hülse
bzw. der 45°-Schrägfläche am Zapfen jeweils eine Länge von etwa 25 mm, während die
Schrägflächen, mit denen die Gewinde beginnen, eine axiale Länge von etwa 6 mm aufweisen.
Zapfenansatz und Hülsenmündung besitzen somit Längen in der gleichen Größenordnung
wie die Gewindeneigung. Diese Länge genügt, damit nach der anfänglichen Berührung
von Bund und Stirnfläche der Zapfenansatz gestreckt und die Büchsenmündung zusammengedrückt
werden kann und um eine dichte Verbindung ohne Gewindedeformierung zu erreichen.
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Eine Berechnung zeigt, daß der zwischen den Gewindewulstspitzen und
gegenüberliegenden Gewindekernen vorgesehene radiale Abstand von 0,127 mm bei gegenseitiger
Anlage von Zapfenbund und Büchsenstirnfläche gemäß F i g. 1 nach Verschraubung von
Hand bei einem Konusverlauf entsprechend einem Kegel von 1: 8 ausreicht, ohne daß
bei einem Axialweg um etwa 2 mm die Gewindewülste die Kern-oder Fußbereiche zwischen
den Flanken berühren. Tatsächlich wird ein etwas größeres Bewegungsspiel ohne Berührung
möglich sein, und zwar auf Grund der Ringspannungen in Zapfen und Büchse. Wenn eine
solche Berührung erst nach einem Aufschrauben bzw. Weiterschrauben um etwa 2 mm
eintritt, so kann gesagt werden, daß nach dem festen Zusammenschrauben in der Größenordnung
von 5 % der Gewindesteigung noch ein nennenswerter Abstand verbleibt. Diese Berechnung
geht aus von der Beziehung
| Radialabstand - halbe Kegelsteigung, |
| Axialweg |
| bis zur Berührung |
| 0,127 _ 1 |
| etwa 2 16 |
Ein Axialweg beim Zusammenschrauben von etwa 2 mm bei einer Gewindesteigung von
25,4 mm entspricht etwa 1/12 Umdrehung. Versuche zeigen, daß innerhalb des erwarteten
Bereichs des Aufschraubmomentes die Umfangsbewegung bei diesem Aufschraubvorgang
weniger als 1I12 Umdrehungen ausmacht.
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Die vorbeschriebene Schraubverbindung eignet sich zur Anwendung bei
rohrförmigem Bohrgestänge mit einem Außendurchmesser im Bereich zwischen etwa 100
und 300 mm. Der Nenndurchmesser des Zapfens, d. h. der Durchmesser der Projektion
des Gewindespitzenkonus auf den Zapfenbund kann entsprechend dem Gestängedurchmesser
verändert werden, um den erwünschten Ausgleich der Widerstandsmomente zu erreichen
und gleichzeitig einen ausreichenden Innendurchmesser zu gewährleisten. Beispielsweise
kann ein Zapfen mit 120 mm Nenndurchmesser bei einem Gestängerohr mit einem Außendurchmesser
von 160 mm verwendet werden. Ein Zapfen mit Nenndurchmesser 145 mm kann bei einem
Rohr mit einem Außendurchmesser zwischen 175 und 180 mm verwendet werden und ein
Nenndurchmesser von 175 mm bei einem Rohr von 205 mm Durchmesser. Bei sämtlichen
Rohrdurchmessern können die gleiche Kegelsteigung für Zapfen und Büchse, ferner
die gleiche Gewindesteigung und auch der gleiche Gewindequerschnitt beibehalten
werden.