DE3012779A1

DE3012779A1 - Bohrmeissel-direktantrieb

Info

Publication number: DE3012779A1
Application number: DE19803012779
Authority: DE
Inventors: Horst 7990 Friedrichshafen Schulz; Siegfried 7992 Tettnang Winkelmann
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 1980-04-02
Filing date: 1980-04-02
Publication date: 1981-10-08
Also published as: IT1168521B; NO156763B; FR2479892A1; JPS6339759B2; DE3012779C2; JPS56156383A; GB2073285A; NO156763C; IT8146825A0; FR2479892B1; GB2073285B; NO811043L; US4388973A

Description

Die Erfindung betrifft einen Bohrmeißel-Direktantrieb nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 oder 2.

Derartige Antriebe unterliegen sehr rauhen Bedingungen in bezug auf axiale und radiale Beanspruchung. Sehr starke Bohrstöße - die auf die Betriebsweise des Bohrens, insbesondere bei unterschiedlichem Bohrgestein zurückzuführen sind - wirken auf das Gestänge, das Getriebe und auf den Bohrantrieb selbst, z. B. eine Turbine, so daß solche Anlagen infolge hoher Stoßbeanspruchung nicht immer betriebssicher sind und vor allem eine geringe Einsatzzeit bis zu einer Überholung und damit eine geringe Lebensdauer haben. Die Standzeit des Bohrmeißels kann, infolge von Schäden in der Lagereinheit, dem Getriebe oder dem Antrieb selbst z. T. nicht ausgenutzt werden.

Aus der Druckschrift "Artep Institut Prancais du Petrole" ist ein Bohrmeißel-Direkantrieb mit einem Drehzahlreduziergetriebe nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 bekanntgeworden, bei dem der gesamte Antrieb axial starr ausgeführt ist und somit diese eingangs geschilderten Mängel nicht auszuschließen sind. Gleiche Mängel ergeben iich auch bei anderen bekannten Bohrmeißel-Antrieben, die kein Getriebe" aufweisen, wo also dxe Drehzahl der Antriebssektion und die erforderliche Bohrmeißel-Drehzahl gleich sind»

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Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, einen Bohrmeißel-Direktantrieb nach den Oberbegriffen von Anspruch 1 oder 2 zu schaffen, der mit hoher Funktionssicherheit arbeitet und bei dem die Lebensdauer spürbar verbessert wird.

• Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen von Anspruch 1 und erfüllt.

Mit der Abstützung der axial wirkenden Kräfte aus der Antriebssektion an dem im Prinzip feststehenden Außenrohr wird das im Antriebsstrang nachgeordnete Getriebe nach Anspruch 1 in axialer Richtung nicht belastet.

Aber auch in Bohrmeißel-Direktaritrieben ohne Reduktionsgetriebe ist es von Vorteil, wenn die Ausgangswelle des Antriebssystems (Turbine, Schraubenmotor) im ölgefüllten, gedichteten Raum angeordnet und am rotationsfreien Außenrohr abgestützt werden kann.

Bisher liefen derartige Axiallager im aggressiven Sp.ülungsmedium und man mußte zur Schonung dieser Lager darauf achten, daß die aus dem Antriebssystem kommende Axialkraft und die entgegengeriGfrtete BohrmeiBeirk-raft möglichst im Gleichgewicht waren. Dies ist aber bei bestimmten Gesteinsarten, z. B. weiches Gestein, nur unvollkommen möglich, da hier ein hohes Moment abverlangt wird - hohe Axialkraft des Antriebssystems und gleichzeitig nrv ein reduzierter Bohrmeißeldruck möglich ist.

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Demgegenüber ermöglicht das im gedichteten, ölgefüllten Raum angeordnete Axiallager, die beiden gegeneinander gerichteten Axialkräfte unabhängig voneinander optimal einzustellen, ohne Nachteile für die Lagerung in Kauf nehmen zu müssen.

Die Federelemente zur elastischen Abstützung des den Bohrmeißel tragenden Innenrohres sowie die relativ große mögliche axiale Verschiebung im Bereich der Radiallager wie auch die federnd angeordneten Axiallager sind in der Lage, alle nachteiligen Stöße und Schwingungen, die vom Bohrmeißel kommen, aufzunehmen, ohne daß dabei die radiale wie axiale Lagerung eben dieses Bohrmeißels in negativem Sinne beeinträchtigt wird.

Die Kupplung, die zwischen der Lagersektion und dem Antrieb - Getriebe oder 2. B. Turbine selbst - angeordnet ist, garantiert eine drehstarre Verbindung im Antriebsstrang und läßt aber eine relativ große, leichtgängige axiale Bewegung des Innenrohres, das den Bohrmeißel trägt, auch bei sehr hohen Drehmomenten in einfacher Weise zu.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich nach den Ansprüchen ^ biä I^ _

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Infolge der in axialer Richtung verbreiterten inneren oder äußeren Laufflächen in den Wälzlagern für die radiale Abstützung nach Anspruch 3 wird trotz leichtgängiger axialer Bewegung des Innenrohres die Lagerqualität in radialer Richtung nicht beeinträchtigt.

Nach Anspruch 4 ist es in einfacher Weise möglich, die meist mehrfach vorhandenen, mit Lastausgleich versehenen Axiallager in der LagerSektion auf dem Innenrohr axial· fest anzuordnen und die Federelemente zwischen diesem Federpaket und einem einfachen Anschlag am rotationsfreien Außenrohr abzustützen.

Sollen jedoch die Axiallager die axiale Verschiebung des Bohrmeißels und damit des Innenrohres nicht mitmachen, kann das Lagerpaket nach Anspruch 5 auch am Außenrohr befestigt werden, so daß die Federelemente sich am Innenrohr abstützen.

Die Verwendung von mehrfach geschichteten Tellerfedern nach Anspruch 6 ist besonders günstig, weil es möglich ist, die Schichtung aneinanderliegend, aber auch gegeneinanderliegend vorzunehmen. Durch Mehrfachschichtung wird eine Steigerung der Axialtragfähigkeit wie auch eine Reibdämpfung erreicht.

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Reibungsfedern - Ringfedern - als Federelemente nach Anspruch 7 haben neben der günstigen dämpfenden Wirkung auch noch den Vorteil, daß sie ein sehr hohes spezifisches Arbeitsvermögen haben und damit in einem Ringraum sehr gut unterzubringen sind. Infolge von Serienanordnung sind diese Federn sehr gut anpaßbar.

Werden Tellerfederpakete gegeneinander angeordnet, ergeben sich bei der Schichtung günstige ölräume - wie aus Fig. 1 erkennbar - die bei der axialen Beanspruchung sich verkleinern, wobei ein Teil des Öls in einen anderen Teil des ölraumes gedrängt wird. In Verbindung mit Drosselbohrungen in einem Druckring, der zwischen den Axiallagern und den z. B. Tellerfedern angeordnet ist, kann die axiale Bewegung des Bohrmeißels damit auch noch gedämpft werden (Anspruch 8).

Eine Kupplung mit axial verlaufenden Nuten, in denen Rollglieder als Kupplungsglieder wirken nach Anspruch 9, ist dann besonders einfach und günstig herzustellen, wenn die Ausgestaltung nach Anspruch 10 aus einem innen und koaxial dazu angeordneten Außenring besteht. Die in Achsrichtung verlaufenden Nuten erhalten ein halbkreisförmiges Profil und werden z. B. durch Bohrungen, auf der Trennlinie zwischen diesen beiden Bauteilen und auf den Umfang verteilt angebracht, Damit ist es neben der einfachen Herstellung dieser Nuten möglich, auch einfache Kugeln als Rollglieder einzusetzen.

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Diese Anordnung hat sowohl in radialer wie auch in axialer Wirkrichtung geringe Reibungsverluste, so daß auch bei auftretenden hohen Drehmomenten eine leichtgängige Axialverschiebung und damit eine sichere Funktion gewährleistet ist- Die aus Bohrstößen des. Bohrmeißels entstehenden Axialbewegungen können sich dabei nicht auf das Getriebe bzw. die Antriebssektion übertragen.

Aus dem Hughes-Catalog 1976 - 1977 ist ein Stoßdämpfer bekanntgeworden, der auch geeignet ist, die Funktionssicherheit und die Lebensdauer von Tiefbohreinrichtungen zu verbessern.

Dieser Stoßdämpfer wird aber in das Bohrgestänge zwischen Bohrmeißel und dem durch den oberirdischen Antrieb bewegten Bohrstrang eingefügt und reduziert damit lediglich die Bohrstöße in ihrer Wirkung auf das Bohrgestänge, stützt sich also nicht an einem rotationsfreien Außenrohr ab und ist deshalb nicht geeignet für einen Bohrmeißel-Direktantrieb. Weiterhin verlängert ein derartiger zusätzlicher Stoßdämpfer die Baulänge, was besonders beim Richtungsbohren von Nachteil ist.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand von einem Ausführungsbeispiel und anhand von Zeichnungen erläutert.

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Ss zeigen:

Fig. 1 (a - d) den Bohrmeißel-Antrieb im Schnitt.

Fig. 2 die Lagersektion mit einer anderen Anordnung der Lager und Federelemente.

Fig. 3 die Kupplung im Längs- und Querschnitt.

In Fig. 1 (a - d) ist der Bohrmeißel-Direktantrieb dargestellt, wobei die Antriebssektion 1 nur teilweise die Getriebesektion 2 und die Lagersektion 3 jedoch gänzlich enthalten sind. Zwischen Antriebs- und Getriebesektion befindet sich noch der ölspeicher 4, der über Kanäle 43 mit dem öldicht angeordneten Ringrauni Il, 22, 36 verbunden ist. Ein Differenzdruck gegenüber dem Umgebungsdrucfc im ölspeicher wird .von einer Druckfeder 42 erzielt. Das mögliche Volumen dieses Speichers 4 muß alle Leckölverluste i».- gesamten Ringraum während der Standzeit des Bohrmeißels ausgleichen. Zwischen Antriebs- und Getriebesektion ist neben den notwendigen Radiallagern 14 noch mindestens ein Axiallager 12 angeordnet. Ebenfalls im Ringraum befinden sich zwischen Getriebe- 2 und Lagersektion 3 noch die Kupplung 5 mit einem Außenring 53, Innenring 54 und Rollgliedern 52, die in Nuten dieser Ringe eingebracht sind. Im Ringraum 36 der Lagersektion 3 sind die Radiallager 31 mit den verbreiterten inneren

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oder äußeren Laufflächen 31¹, die mit einer Lastausgleichseinrichtung 33'versehenen Axiallager 3 2 sowie die Federelemente 34, die in dieser Ausführung als Tellerfedern 35 ausgeführt sind, angeordnet. Am Innenrohr 6 ist der Bohrmeißel 61 angebracht.

Werden Tellerfedern 35 gegeneinander angeordnet, so ergeben sich bei der Schichtung zu einer Federsäule zwischen den sich gegenüberliegenden konischen Flächen der Tellerfedern Hohlräume 36, die mit öl ausgefüllt sind. Beim Einfedern der Federelemente wird dieses öl verdrängt. Bei bearbeiteten Auflageflächen der Tellerfedern und hoher Axiallast sind diese Auflageflächen weitgehend undurchlässig für das verdrängte öl. Dieses muß dann zwischen den äußeren Rändern der Tellerfedern und der Wand des Außenrohres abfließen. Eine Verbindung zu dem übrigen ölraum ist durch Drosselbohrungen ψ[ vorgesehen, die in einem Druckring 4Ί zwischen den Federelementen 34 und den Axiallagern 32 angeordnet sind. Hierdurch erfolgt bei axialen Bewegungen der Federelemente ein Öltransport durch die Drosselbohrungen ^U--wodurch diese Bewegungen gedämpft werden.

Die rotierende Bewegtmg^^z. B. einer Turbine, als Antriebssektion 1 wird über die Welle 15, Hohlwelle (Innenrohr) 13 auf das innere Zentralrad 24 in der Getriebesektion 2 übertragen und z. B. über den Planetenträger (Abtrieb) 21 auf den äußeren Ring ΓJ der Kupplung 5 geleitet. Die Abstützung

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der Welle 15, die in ihrem unteren Bereich als Hohlwelle 15' ausgebildet ist, verhindert mit dem Axiallager 12 eine übertragung der axial wirkenden Turbinenschubkraft auf die Hohlwelle 13 und damit auf das Getriebe 2. Dieser Bereich des Antriebes ist in axialer Richtung fest. Gleichzeitig wird die Turbine selbst von der axial wirkenden Turbinenschubkraft entlastet, was sich vorteilhaft auf die Standzeit der Turbinenlager auswirkt.

Das Innenrohr 6 im Bereich der Lagersektion 3, an dem auch der Bohrmeißel 61 befestigt ist, ist dreh- und axialfest mit einem abgesetzten, rohrförmigen Bauteil 63 verbunden, das mit seinem oberen den größten Durchmesser bildenden Teil des Innenringes 54 der Kupplung 5 ergibt. Infolge der verbreiterten Laufflächen 31' der Radiallager 31 und der gefederten Anordnung der Axiallager 32 in der Lagereinheit 3 hat das Innenrohr 6 die Möglichkeit, eine relativ große Axialbewegung zu vollziehen, so daß ein sehr großer ^meil der stoßweisen Oberlastungen und Vibrationen infolge von Einflüssen aus dem Bohrgestein verhindert wird. Oi* Kupplung kann dabei mit den Rollgliedern 52 in den zusammenwirkenden Nuten des Außen- 53 und Innenringss 54 sehr hob» Drehmomente übertragen und dabei leichtgängig die axiale Verschiebung des Innenrohres 6 ermöglichen.

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Das Spülmedium, was z. B. gleichzeitig Antriebsmedium ist, fließt zunächst über den inneren Ringraum 16, der sich um die Antriebswelle 15 ergibt. Im Bereich des Oberganges 17 der Welle 15 zur Gestalt einer Hohlwelle 15· sind Durchbrüche 18, durch die dann das Spülmedium in das Innenrohr 13 und später 6 geleitet wird. Die axiale Verschiebung des Innenrohres 6 wird dabei im Bereich der Kupplung 5 durch ein unter der Belastung einer Feder 55 stehendes Zwischenrohr 56 ausgeglichen, so daß sich für den Fluß des Spülmediums eine im Prinzip durchgängige Wandung ergibt.

Die Füllung des öldichten Ringraumes 11, 22, 36 erfolgt über das Ventil 23 zwischen dem Ringraum 11 und 22. Nach völliger Befüllung wird dann über Kanäle 43 der ölspeicher 4 befüllt, wobei der sich aufbauende Öldruck den Kolben 44 gegen den Druck der Feder 42 in Richtung der Antriebssektion 1 verschiebt. Der Federraum 45 der Feder 42 für den ölspeicher 4 ist mit dem Ringraum 16, in dem das Spülmedium zum Innenrohr 6 geführt wird, über Durchbrüche 46 verbunden, so daß der statische Druck des Spülmediums auch in diesem Federraum wirkt und der Kolben 44 des ölSpeichers 4 beaufschlagt wird, um einen Druckausgleich zu erzielen und die Dichtungen weitgehend vom Umgebungsdruck im Bohrloch zu entlasten.

In Fig. 2 ist eine Alternativanordnung der Lager und der Federelemente im Bereich der Lagersektion 3 (Fig. 1) dargestellt. Während nach Fig. Ic und Id die Axiallager 32, 32'

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sich mit dem Innenrohr 6 in axialer Richtung bewegen und die Federelemente 34 sich am Außenrohr 7 abstützen, erfolgt die Abstützung am Innenrohr 6' am Anschlag 62 und die Axiallager 32" sind im Prinzip axial fest am Außenrohr 7¹ befestigt.

In Fig. 3 ist die Kupplung 5' (Fig. 1) noch einmal schematisch dargestellt. Gemeinsame Bohrungen 51* auf der Trennlinie zwischen dem äußeren 53' und inneren 54* Ring in axialer Richtung und auf den umfang verteilt ergeben schalenförmige Nuten, die in Länge und Anzahl in einem weiten Bereich variiert werden können. Damit ist es möglich, die axiale, leichtgängige Verschiebbarkeit des mit dem Innenrohr verbundenen Bauteiles 63* auch unter hoher Belastung in ausreichendem Maß zu gewährleisten* Außerdem können mehrere Kugeln 52' in einer Bohrung 51' - je eine Halbschale im Innen- und Außenring untergebracht werden und am Umfang können mehrere Bohrungen 5-1 · angeordnet werden, so daß die Kupplung &:> das zu übertragende Drehmoment anpaßbar ist.

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17.03.1980
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Claims

ZAHNKADrABRIiC FftIEDKICHSHAFEN Aktiengesellschaft Friedrichshafen Bohrmeiße1-Direktantrieb Patentansprüche

1. Bohrmeißel-Direktantrieb mit jeweils einer Antriebs-, Getriebe- und Lagersektion, wobei alle Lager zur axialen Abstützung und ein Teil der Lager in der Antriebssektion sowie alle Lager in den übrigen Sektionen zur radialen Abstützung und auch das Getriebe in einem öldicht abgeschlossenen Ringraum zwischen einem rotationsfreien Außenrohr und mehreren in axialer Richtung hintereinander liegenden und rotierenden Innenrohren angeordnet sind, dieser Ringraum noch einen ölspeicher hat und das Spülmedium durch C¹Ie konzentrisch angeordneten Innenrohre an den Bohrmeißel geleitet wird, der an dem im Bereich der LagerSektion sich befindlichen Innenrohr befestigt ist,
dadurch gekennzeichnet, daß im Ringraum (11) zwischen der Antriebs- (1) und Getriebesektion (2) zusätzliche Axiallager (12) zur Abstützung der in der Antriebssektion (1) entstehenden axialen Kräfte angeordnet sind,

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die zwischen Getriebesektion (2) und Bohrmeißel (61) angeordnete Lagersektion (3) noch eine Kupplung (5) hat, die drehstarr, aber mit einer großen axialen Relativbeweglichkeit das Innenrohr (6), das den Bohrmeißel (61) trägt, mit dem Abtrieb (21) der Getriebesektion (2) verbindet,
- im Bereich der Lagersektion (3)"

zwischen Außen- (7) und Innenrohr (6) Federelemente (34), welche die Aufnahme von Axialkräften bei axialer Verschiebung des Innenrohres (6) möglich machen, angeordnet sind,

die Wälzlager (31) für die radiale Abstützung eine relativ große axiale Verschiebung des Innenrohres (6) ermöglichen,

die mit einer Lastausgleichseinrichtung (33) versehenen Wälzlager (32, 32') für die axiale Abstützung des Bohrmeißel-Druckes federnd angeordnet sind oder die Federung des Innenrohres (6) ermöglichen.

2. Bohrmeißel-Direktantrieb mit jeweils einer Antriebsund Lagersektion, wobei alle Lager zur axialen Abstützung und ein Teil der Lager in der Antriebssektion sowie alle Lager in den übrigen Sektionen zur radialen Abstützung in einem öldicht abgeschlossenen Ringraum zwischen einem rotationsfreien Außenrohr und mehreren in axialer Richtung hintereinanderliegenden und rotierenden Inn^nrohren angeordnet sind, dieser Ringraum

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noch einen ölspeicher hat und das Spülmedium durch die konzentrisch angeordneten Innenrohre an den Bohrmeißel, der an dem im Bereich der Lagersektion sich befindlichen Innenrohr befestigt ist, geleitet wird,
dadurch gekennzeichnet, daß im Ringraum (11) zwischen der Antriebs- (1) und Lagersektion (3) zusätzliche Axiallager (12) zur Abstützung der in der Antriebssektion (1) entstehenden axialen Kräfte angeordnet sind,

die zwischen Antriebssektion (1) und Bohrmeißel (61) angeordnete Lagersektion (3) eine Kupplung (5) hat, die drehstarr, aber mit einer großen axialen Relativbeweglichkeit das Innenrohr (6), das den Bohrmeißel (61) trägt, mit dem Innenrohr (13) - Abtrieb der Antriebssektion (1) - verbindet,
im Bereich der LagerSektion (3)

die mit einer Lastausgleichseinrichtung (33) versehenen Wälzlager (32), 32·) für die axiale Abstützung des Bohrmeißel-Druckes federnd angeordnet sind oder die Federung des Innenrohres (6) ermöglichen.

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3. Bohrmeißel-Direktantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wälzlager (31) für die radiale Abstützung im Bereich der LagerSektion (3) innere bzw. äußere verbreiterte Laufflächen (31') besitzen.

4. Bohrmeißel-Direktantrieb nach einem der vorgenannten Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, daß die Federelemente (34) in der Lagersektion (3) zwischen Anschlägen (71) am Außenrohr (7) und den Wälzlagern (32) für die axiale Abstützung angeordnet sind.

5. Bohrmeißel-Direktantrieb nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Federelemente (34') in der Lagersektion (3¹) zwischen den Anschlägen (62) am Innenrohr (6¹) und den Wälzlagern (32") für die axiale Abstützung angeordnet sind.

6. Bohrmeißel-Direktantrieb nach einem der vorgenannten Ansprüche/

dadurch gekennzeichnet, daß die Federelemente (34) in der Lagersektion (3) mehrfach geschichtete Tellerfedern (35) sind.

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7. Bohrmeißel-Direktantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5,

dadurch gekennzeichnet, daß die Federelemente (34¹) in der Lagersektion (3*) mehrfach geschichtete Ringfedern (35¹) mit kegelige nBerührungsflachen

8. Bohrmeißel-Direktantrieb nach einem der vorgenannten Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, daß im Ringraum (36) in der LagerSektion (3) zwischen den Axial lagern (32) und den Federelementen (34) Drosseln (41). angeordnet sind.

9. Bohrmeißel-Direktantrieb nach einem der vorgenannten Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen der Antriebssektion l\) - Abtrieb (21) vom Getriebe (2) bzw. Innenrohr (13) der Abtriebssektion (1) selbst - und dem Drehmeißel (61) tragenden Innenrohr (6) angeordnete Kupplung (5) in axial verlaufenden Nuten (51), Rollglieder (52) hat.

10. Bohrmeißel-Direktantrieb nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplung (5¹) aus einem Außenring (53*) und einem koaxial dazu angeordneten Innenring (54') besteht, daß in

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axialer Richtung auf der Trennlinie (57) dieser Ringe und auf den umfang verteilt Bohrungen (51¹) - teilungsgleiche, halbkreisförmige Nuten in beiden Ringen - angeordnet und daß darin Kugeln (52·) als Rollglieder abrollbar geführt sind.

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