DE4123639A1

DE4123639A1 - Zahngelenk fuer bohrgestaenge

Info

Publication number: DE4123639A1
Application number: DE4123639A
Authority: DE
Inventors: Franz-Josef Hecke
Original assignee: Renk Tacke GmbH
Current assignee: Renk GmbH
Priority date: 1991-07-17
Filing date: 1991-07-17
Publication date: 1993-01-21
Anticipated expiration: 2011-07-18
Also published as: DE4123639C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Zahngelenk für Bohrgestänge ge mäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Ein solches Zahngelenk ist aus der DE-PS 11 42 473 bekannt. In dieser Schrift ist eine Wellenkupplung für achsparallele und winklige Verlagerungen von Wellen zueinander beschrie ben, bei welcher zur Führung dienende Kugelflächen einer Nabe als Ringe ausgebildet sind, die axial auf der Nabe verschiebbar sind, wobei zwischen jedem Ring und zugehöri ger Nabe eine Druckfeder angeordnet ist. Dadurch kann die Wellenkupplung sowohl Zug- als auch Druckkräfte übertragen und in axialer Richtung wirkende Stöße elastisch abfangen. Die Wellenkupplung kann als einfaches Gelenk oder als Dop pelgelenk ausgeführt sein.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, das Zahngelenk (die Wellenkupplung) für Bohrgestänge auf Schwimmkörpern, beispielsweise schwimmende oder fest veran kerte Bohrinseln und Bohrschiffe, und für Bohrtürme an Land, so auszubilden, daß ein Austreten von Öl einerseits und ein Eindringen von Wasser, Gestein, und anderen Medien verhindert und gleichzeitig eine gute Schmierung und Funk tionsfähigkeit des Zahngelenks aufrechterhalten wird.

Diese Aufgabe wird bei der Erfindung durch die kennzeich nenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst.

Weitere Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen erhalten.

Die Erfindung wird im folgenden mit Bezug auf Fig. 1 der Zeichnung anhand einer bevorzugten Ausfüh rungsform als Beispiel beschrieben. Die Zeichnung zeigt in

Fig. 1 eine Seitenansicht, zur Hälfte im Axialschnitt, eines Zahn gelenks nach der Erfindung für Bohrgestänge.

Das in der Zeichnung dargestellte Zahngelenk nach der Erfin dung für Bohrgestänge besteht im wesentlichen aus folgenden Elementen.

Gehäuse 2
Nabe 4
O-Ring 6
O-Ring 8
O-Ring 10
O-Ring 12
O-Ring 14
Schutzhülse 16
Kalottenring 18
Stützring 20
Axiallager 22
Spannfeder 24
Seegering 26
Kolben 28
Verschlußschraube 30
Schmiernippel 32

Das Axiallager 22 besteht aus einem im Gehäuse 2 ortsfest angeordneten Kugelkalottenausschnitt-Lagerring 34 und einem entgegengesetzt dazu in der Nabe 4 ortsfest angeordneten, bezüglich der Lagerfläche 36 komplementär ausgebildeten zweiten Lagerring 38. Dieses Axiallager 22 überträgt die Axialkräfte beim Bohren von der Nabe 4 nach unten auf das Gehäuse 2.

Der Kalottenring 18 und der Stützring 20 liegen über ring förmigen Kugelkalottenausschnittsflächen, im wesentlichen in Axialrichtung Kräfte übertragend, aneinander an. Diese Kugelkalottenausschnittsflächen haben den gleichen Krümmungsmittelpunkt wie die ringförmigen Kugelkalottenaus schnittsflächen 36 des Axiallagers 22 und bilden zusammen mit diesem den Gelenk-Schwenkmittelpunkt 42. Der Stützring 20 ist in das Gehäuse 2 eingeschraubt. Der Kalottenring 18 ist in der Nabe 4 axial verschiebbar angeordnet und wird von der Spannfeder 24 axial gegen den Stützring 20 ge drückt.

Axial zwischen dem Axiallager 22 und dem Kugelkalottenlager 44, das durch die Schutzhülse 16 und den Stützring 20 ge bildet ist, befindet sich eine Zahnkupplung 46. Die Zahnkupplung 46 besteht aus einem inneren Kranz von Zähnen 48 des Gehäuses 2 und einem äußeren Kranz von Zähnen 50 der Nabe 4, welche zwischen die Zähne 48 des Gehäuses 2 eingreifen. Die Zähne 50 der Nabe 4 sind in bekannter Weise bogenförmig und ballig ausgebildet, so daß der Zahnkranz 50 der Nabe 4 innerhalb des Zahnkranzes 48 des Gehäuses 2 winkelbewegliche Schwenkbewegungen um den Gelenk-Schwenk mittelpunkt 42 ausführen kann. Die Zähne 50 sind zwischen den Zähnen 48 axial verschiebbar und kommen axial an den Stützring 20 zur Anlage, wenn die Nabe 4 axial nach oben zurückgezogen wird, um das Bohrgestänge aus dem Bohrloch herauszuziehen. Dabei nimmt die Nabe 4 über die Zähne 50 des äußeren Zahnkranzes den Stützring 20 und das mit ihm verschraubte Gehäuse 2 axial nach oben mit. Ein konischer unterer Abschnitt 52 des Gehäuses 2 ist mit einem Gewinde zum Anschluß eines Bohrkopfes versehen. Ein konischer oberer Abschnitt 54 der Nabe 4 ist mit einem Gewinde zum Anschluß an ein Bohrgestänge versehen.

Über Kanäle 60, 62, 64, 66 und 68 können sämtliche elektiv zueinander bewegbaren Innenflächen mit Öl versorgt werden, insbesondere die Lagerflächen 36 und 40, sowie die Zähne 48 und 50 der Zahnkupplung 46.

In der oberen Stirnseite 70 des konischen Abschnittes 54 der Nabe 4 ist ein in der Stirnfläche ausmündender Zylin derraum 72 gebildet, in welchen der Kolben 28 stirnseitig eingesetzt ist. Der Ölkanal 60 im oberen Abschnitt der Nabe 4 ist mit den Zylindern 72 in Strömungsverbindung. Durch den Kolben 28 führt eine Axialbohrung 61, die durch den herausnehmbaren Schmiernippel 32 verschlossen ist. Am ent gegengesetzten Ende der Zahnkupplung führt der Ölkanal 68 axial durch den Endabschnitt 52 des Gehäuses 2. Der Ölkanal 68 ist durch die herausnehmbare Verschlußschraube 30 ver schlossen. Durch den Schmiernippel 32 kann die gesamte Zahnkupplung vollständig mit Öl gefüllt werden, wobei in der Zahnkupplung enthaltene Luft durch den Ölkanal 68 ent weichen kann, wenn die Verschlußschraube 30 herausgenommen ist. Die Verschlußschraube 30 wird nach dem Füllen des Zahngelenks mit Öl wieder in den Ölkanal 68 geschraubt.

Das mit dem Kolben 28 und dem Schmiernippel 32 versehene Ende des Zahngelenks ist oben, und das mit der Verschluß schraube 30 versehene Ende des Zahngelenks ist unten.

Das Zahngelenk befindet sich axial zwischen einem nicht dargestellten Bohrkopf und einem ebenfalls nicht darge stellten Gestänge, so daß das Zahngelenk beim Bohren sowohl von Kühlwasser als auch Gesteinsmaterial umgeben ist. Je nach Bohrtiefe ist der Kühlwasserdruck bzw. Spülwasserdruck unterschiedlich groß. Um ein Eindringen von Wasser, Gestein usw. in das Zahngelenk zu verhindern, wird dieses in der genannten Weise vollständig mit Öl gefüllt. Durch den Kol ben 28 ergibt sich ein Druckausgleich, durch welchen der Druck des Öls im Zahngelenk stets auf gleichen Druck wie der Druck des Mediums der Zahngelenkumgebung gehalten wird. Während des Bohrvorganges wird der Axialdruck von der ring förmigen Kugelkalottenfläche 36 des Axiallagers 22 aufge nommen, während die ringförmigen Kugelkalottenflächen 40 lediglich als federnde Dichtung sowie beim Herausziehen des Gestänges als Begrenzungsvorrichtung dienen. Das Zahngelenk hat neben der Übertragung von Drehmoment, Axialdruck, Win kel- und Parallelverlagerungen zwischen dem Bohrkopf und dem Bohrgestänge auch die Aufgabe, in Achsrichtung als druckregulierbares Dämpfungselement unter Verwendung von Schmieröl zum Schmieren der Verzahnung 48, 50 sowie der ka lottenförmigen Lagerflächen 36 und 40 zu wirken.

Hierzu ist es erforderlich, vor dem Einbau das komplette Zahngelenk mit der herausgenommenen Verschlußschraube 30 in eine vertikale Position nach oben zu bringen, um danach durch den Schmiernippel 32 von unten, also bei auf den Kopf gestelltem Zahngelenk, so lange Öl einzupressen, bis sämtli che Luft aus dem Inneren entwichen und der Kolben 28 am Seegering 26 zum Anschlag gekommen ist. Anschließend ist die Verschlußschraube 30 stirnseitig in den konischen Endabschnitt oder Gewindezapfen 52 des Gehäuses 2 einzudre hen, so daß dieser dann entweder direkt mit dem Bohrkopf oder einem Zwischengestänge verschraubt werden kann. Auf das Gewinde des konischen oberen Abschnittes 54 der Nabe 4 wird eine Muffe des Antriebs- oder Zwischengestänges befe stigt, wodurch das Drehmoment und der Axialdruck über das Zahngelenk auf den Bohrkopf übertragen werden.

Sowohl das gesamte Gestänge ist außen und innen als auch das Zahngelenk außen von einem relativ hohen Wasserdruck umgeben, weshalb sicherzustellen ist, daß dieser Wasser druck dem Öldruck im Zahngelenk entspricht, um einerseits das Eindringen von Wasser in das Zahngelenk und anderer seits ein Austreten von Öl aus dem Zahngelenk zu vermeiden. Dadurch, daß der Wasserdruck außerhalb und innerhalb des Gestänges gleich ist, sorgt der Kolben 28 für einen dem Wasserdruck gleichen Öldruck innerhalb des Zahngelenks. Da mit ist gewährleistet, daß kein Wasser, Gestein usw. in das Zahngelenk eindringen und dessen Funktion beeinträchtigen kann. Die Dichtung 10 verhindert ein Eindringen von Wasser oder eines anderen Mediums entlang des Kolbens 28.

Ein Herausnehmen des Schmiernippels 32 ist dann zweckmäßig, wenn bei Inspektion des Zahngelenks in Folge natürlichen Verschleißes von Dichtungen der betriebsbedingte Ölstand sich zu weit reduziert hat und die fehlende Ölmenge durch Öl aus einem Handkännchen ergänzt oder das Zahngelenk über holt und gereinigt werden muß.

Beim Bohren übernimmt nur das Axiallager 22 den zum Bohren erforderlichen Axialdruck. Der Stützring 20 ist durch ein Gewinde 80 mit dem Gehäuse 2 fest verbunden, so daß der Ka lottenring 18 sich in der Schutzhülle 16, die mit der Nabe 4 fest verbunden ist, durch die Spannfeder 24 in Achsrich tung bewegen kann und ständig gegen die Kalottenfläche 40 drückt. Diese federnde Kalottenausführung dient ausschließ lich zur Abdichtung des Zahngelenks und als Begrenzung oder Anschlag beim Herausziehen des kompletten Gestänges. Beim Herausziehen des Gestänges wandert nämlich die Nabe 4 mit der Außenverzahnung 50 gegen die Stirnfläche 82 des Stütz ringes 20.

Das Zahngelenk ist in der Zeichnung nur als einfaches Zahn gelenk dargestellt. Je nach Ausführung und Länge des Bohr gestänges sowie der Bohrtiefe können jedoch auch mehrere solcher Zahngelenke axial hintereinander angeordnet werden. Beim Einbau nur eines Zahngelenkes ist das Gestänge ein fach-gelenkig, bei Verwendung von zwei oder mehreren Zahn gelenken ist das Gestänge zweifach- oder mehrfach-karda nisch wirksam, wodurch relativ große Fluchtabweichungen des Gestänges oder des Bohrloches aufgenommen werden können.

Claims

1. Zahngelenk für Bohrgestänge, mit zwei axiale Kräfte aufnehmenden Kugelkalottenlagern (22, 44), die entge gengesetzt zueinander, mit axialem Abstand voneinander angeordnet sind, und einen gemeinsamen, axial zwischen ihnen gelegenen Gelenk-Schwenkmittelpunkt (42) bilden, mit einer Zahnkupplung (46), die axial zwischen den beiden Kugelkalottenlagern (22, 44) angeordnet ist und deren Kupplungszähne ein Gehäuse (2) und eine Ge lenknabe (4), drehfest jedoch relativ zueinander um den Gelenk-Schwenkmittelpunkt (42) schwenkbar mitein ander verbinden, mit Ölkanälen (60, 61, 62, 64, 66, 68), durch welche Öl zwischen die Lagerflächen (36, 40) der beiden Kugelkalottenlager (22, 44) und in die Zahnkupplung (46) gelangt, dadurch gekennzeichnet, das alle Ölkanäle (60, 61, 62, 64, 66, 68) vollständig mit Öl gefüllt sind und mit einem Zylinderraum (72) in Strömungsverbindung stehen, der in einem der beiden Kupplungskörper (Gehäuse 2, Nabe 4) gebildet ist, daß im Zylinderraum (72) ein Kolben (28) untergebracht ist, der das Öl von der Zahngelenk-Außenumgebung trennt und von den entgegengesetzt zueinander auf den Kolben (28) wirkenden Drücken des Öls einerseits und des Mediums der Außenumgebung (Flüssigkeit und/oder Gas) andererseits beaufschlagt wird und dadurch den Druck des Öls dem jeweiligen Druck des Mediums der Zahngelenk-Außenumgebung anpaßt.

2. Zahngelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem der beiden Kugelkalottenlager (44) die beiden Lagerflächen (40) durch Federmittel (24) ela stisch gegeneinander gedrückt werden, und daß beim an deren Kugelkalottenlager (22) die beiden Lagerflächen (36) je im wesentlichen starr angeordnet sind.

3. Zahngelenk nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (28) in die Stirnseite (70) des einen Kupplungskörpers (Gehäuse 2 oder vorzugsweise Nabe 4) in den dort gebildeten Zylinderraum (72) eingesetzt ist.

4. Zahngelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an entgegengesetzten Enden (52, 54) des durch die Ölkanäle (61, 60, 62, 64, 66, 68) gegebenen Ölweges je eine verschließbare Öffnung (30, 32) derart vorgesehen ist, daß beim Füllen der Ölkanäle durch die eine Öff nung Luft durch die andere Öffnung entweichen kann und dadurch alle Ölkanäle vollständig mit Öl gefüllt wer den.

5. Zahngelenk nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine der verschließbaren Öffnungen (32) im Kolben (28) gebildet ist.

6. Zahngelenk nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Öffnungen (30, 32) an voneinander abge wandten äußeren Stirnseiten des Zahngelenks vorgesehen sind.