DE3610880C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Gewindeaufbau für das Verbinden zweier Elemente in einem Schlagbohrstrang mit einem zylindrischen Innengewinde und einem zylindrischen Außengewinde, wobei die Gewinde aneinanderstoßende Flanken haben, die längs ihrer Stoßkontaktabschnitte gerade sind, und wobei zwischen dem Bodenteil des Außengewindes und dem Kopfteil des Innengewindes ein Spiel vorgesehen ist, wobei das Spiel mehr als 1% des Außendurchmessers des Außengewindes beträgt.

Ein Gewindeaufbau dieser Art ist in der US 43 32 502 beschrieben.

Diese befaßt sich insbesondere mit dem Zusammenhang zwischen Flankenwinkel des Gewindes und Gewindesteigung, um ein Festfressen und Verkeilen der Flanken­ flächen aneinander zu vermeiden.

Ein Gewindeaufbau ähnlicher Art ist in der US-PS 36 45 570 beschrieben, bei welchem jedoch die Größe des Spiels nicht näher bestimmt ist und in einem Ausführungsbeispiel in der Größenordnung von 1 Promille des Gewindedurch­ messers liegt. Bei einem solchen Gewindeaufbau wird Reibmartensit an den Berührungsoberflächen gebildet, das sich beim sogenannten Lochfraß oder Pitting ergibt. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn Druckluft als Spülmedium verwendet wird, die zu einer vergleichsweise schwachen Kühlung der Kontakt­ flächen führt, und wenn die Kontaktflächen karburiert bzw. karbonisiert werden. Wenn dieser sogenannte Lochfraß an den Flanken der Gewinde auftritt, ist er verhältnismäßig ungefährlich. Im Bodenteil des Außengewindes jedoch, wo die Belastungskonzentration hoch ist, führt ein Oberflächendefekt schnell zu Ermüdungs­ fehlern bzw. zum Ermüdungsbruch des Bohrelementes.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines gattungsgemäßen Gewindeaufbaues, bei welchem sichergestellt ist, daß zwischen dem Kopfteil des Innengewindes und dem Bodenteil des Außengewindes auch dann kein Kontakt auftritt, wenn die Gewinde abgenutzt oder abgerieben sind.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Im folgenden wird die Erfindung im einzelnen unter Bezug­ nahme auf die Zeichnungen beschrieben, in welchen nur als Beispiel eine Ausführungsform der Erfindung dargestellt ist. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenschnittansicht eines Endes einer Bohr­ stange gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine Seitenansicht des anderen Endes der Bohrstange in Fig. 1,

Fig. 3 zwei Bohrstangen der in den Fig. 1 und 2 gezeig­ ten Art, die miteinander verbunden sind,

Fig. 4 ein Innengewinde mit einem Bohrelement gemäß der Er­ findung,

Fig. 5 ein Außengewinde in einem Bohrelement gemäß der Erfindung und

Fig. 6 ein Teil der Kupplung in Fig. 3 in vergrößertem Maßstab.

Die Bohrstange 10, die in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist, ist an ihrem einen Ende mit einem hülsenförmigen Teil 11 versehen, in welchem ein Innengewinde 12 gebildet ist. An ihrem anderen Ende ist die Bohrstange 10 mit einem Außenge­ winde 13 versehen. Ferner weist die Bohrstange 10 einen Spülkanal 14 auf, der längs durch die Stange hindurchgeht, durch welchen Spülmedium geleitet wird, wie z. B. Druckluft oder unter Druck gesetztes Wasser. Der Boden des hülsenför­ migen Teils 11 bildet eine ringförmige vorspringende bzw. anstoßende Stoßfläche oder Stirnfläche 15, die geeignet derart ausgestaltet ist, daß sie gegen eine entsprechende ringförmige Stoßfläche 16 am Außengewindeende einer anderen Bohrstange aufliegt, wenn zwei Bohrstangen 10 miteinander verschraubt werden.

Bei dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel ist die Bohr­ stange 10 im Querschnitt kreisförmig und an ihren Enden mit Torsionsgreifern bzw. -kupplern 17, 18 versehen, um während des Verbindens und Auseinandernehmens der Bohrstangen deren Halterung zu ermöglichen.

Das Innengewinde 12 hat im Längsschnitt ein gerades Flan­ kenteil 19, und das Außengewinde 13 hat ein entsprechendes gerades Flankenteil 20. Die Gewinde 12, 13 haben im Profil gerade Kopf- und Bodenteile, die für das Außengewinde mit 21 bzw. 22 bezeichnet sind und für das Innengewinde mit 23 bzw. 24 bezeichnet sind. Die geraden Kopf- und Bodenteile drehen sich über gekrümmte Teile 25, 26 auf dem Außengewin­ de und gekrümmte Teile 27, 28 auf dem Innengewinde in die geraden Flankenteile 19, 20 hinein.

In herkömmlicher Weise sind die Gewinde 12, 13 derart aus­ gestaltet, daß ein Kontakt bzw. eine Berührung nur zwischen den geraden Flankenteilen 19, 20 entsteht, wenn die Gewinde zusammengeschraubt werden, und somit nicht zwischen den ge­ krümmten Teilen oder zwischen den Kopf- und Bodenteilen. Deshalb wird ein Anstoßen zwischen Teilen vermieden, die relativ zur Bohrachse nur schwach geeignet sind, und das An­ stoßen kann die Gewinde veranlassen, daß sie unter Verkei­ lung verbunden werden.

Wie vorstehend erwähnt, ist es Zweck der Erfindung, sicher­ zustellen, daß ein Kontakt zwischen dem Kopfteil 24 des In­ nengewindes 12 und dem Bodenteil 22 des Außengewindes dann nicht entsteht, wenn die Gewinde abgerieben sind. Wegen des asymmetrischen Abriebes des Gewindeprofiles bei Abrieb der Profile neigt das Spiel a zwischen dem Kopfteil 24 und dem Bodenteil 22 dazu, auf einer Seite kleiner und kleiner zu werden; genauer gesagt an der Seite nahe den Stoßflanken­ teilen 19, 20.

Bei dem Gewindeaufbau dieser Art ist es erwünscht, einen Zwischenraum zwischen den Gewinden so klein wie möglich zu haben, um dem Eindringen von Bohrstaub in die Gewindekupp­ lung hinein entgegenzuwirken. Im Gegensatz dazu hat man ge­ funden, daß die Lebensdauer des Bohrelementes beachtlich verlängert wird, wenn das Spiel a erheblich vergrößert wird. Hierdurch ist sichergestellt, daß der Kontakt an den Teilen 22, 24 selbst dann nicht entsteht, wenn die Gewinde stark abgerieben sind. In diesem Falle entsteht selbstverständ­ lich eine Berührung an den Teilen 21, 23, da das Spiel b zwischen dem Bodenteil 23 des Innengewindes und dem Kopf­ teil 21 des Außengewindes konventionelles Maß hat. Eine solche Berührung, die zum sogenannten Lochfraß führt, ruft jedoch sehr selten Ermüdungsbruch hervor. Der Grund dafür besteht darin, daß das Teil mit dem Innengewinde 12 einen erheblich größeren Biegewiderstand als das Teil mit dem Außengewinde 13 hat, was zu geringeren Biegebeanspruchungen in dem ersterwähnten Teil führt. Man hat gefunden, daß das Spiel bzw. der Zwischenraum oder Abstand a größer als 1% des Außendurchmessers Dy des Außengewindes 13 sein sollte und daß auch das Spiel a mindestens das Vierfache des Spie­ les b ist, um sicherzustellen, daß ein Kontakt zwischen den Teilen 22, 24 nicht auftritt. Bei der dargestellten Ausfüh­ rungsform hat das Innengewinde 12 eine Höhe h, die kleiner ist als 5% des Innendurchmessers Di des Innengewindes 12. Bei einer bevorzugten Ausführungsform hat das Gewinde 12 eine Höhe h, die kleiner als 4,5% des Innendurchmessers Di für Innendurchmesser ist, die kleiner als 55 mm sind.

In an sich bekannter Weise haben die Gewinde einen Eingang, und der Steigungswinkel α der Gewinde liegt zwischen 5,5° und 8°. Der Steigungswinkel α wird aus der Formel berechnet,

wobei
s = die Steigung und
D_m = der effektive oder mittlere Durchmesser.

Der etwas verringerte Steigungswinkel, wenn man mit dem Ge­ windeaufbau nach der US-PS 36 45 570 vergleicht, beruht auf der Tatsache, daß der Steigungswinkel gemäß der vorliegenden Erfindung an hydraulisch betriebene Gesteinsbohrmaschinen angepaßt ist, während der Steigungswinkel bei dem Gewindeaufbau nach der US-PS 36 45 570 an pneumatisch betriebene Gesteinsbohrmaschinen angepaßt ist.

Infolge der Natur der Stoßwellen ziehen die pneumatischen Gesteinsbohrmaschinen die Gewindeverbindung härter an als die hydraulischen Gesteinsbohrmaschinen. Weil das Entkupplungsdrehmoment steigt, wenn der Steigungswinkel abnimmt, wird ein vergleichsweise kleiner Steigungswinkel ausgesucht, um sicherzustellen, daß die Gewindeverbindung während des Bohrens durch hydraulische Gesteinsbohrmaschinen hart genug angezogen ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform hat man gefunden, daß der Steigungswinkel α um 0,4°-0,8° abnehmen sollte, wenn der Durchmesser der Gewinde 12, 13 um 10 mm steigt, in welchem Falle der Steigungswinkel α in der Größenordnung von 7,2° für ein Innengewinde 12 mit einem Außendurchmesser von 38 mm liegt.

In an sich bekannter Weise beträgt der Neigungswinkel β der Flankenteile 19, 20 relativ zur Längsachse des Schlagbohrstranges 45°-40°, vorzugsweise hat er Werte in der Größenordnung von 35°. Wie oben erwähnt, tritt ein Anstoßen nur an den Flankenteilen 19, 20 auf. Deshalb können die den Flankenteilen 19, 20 gegenüberliegenden Flanken sowie die benachbarten gekrümmten Teile und das Kopf- und Bodenteil willkürlich in zeimlich weiten Grenzen ausgestaltet sein. Man hat es jedoch für zweckmäßig gefunden, wenn die zwei gegenüberliegenden Flanken der Gewinde bezüglich der Flankenneigung im wesentlichen symmetrisch sind. Ferner hat man es für zweckmäßig erachtet, daß die Kopf- und Bodenteile der Gewinde gerade und im wesentlichen parallel zur Längsachse des Bohrstranges sein sollten. Die Kopf- und Bodenteile können jedoch auf andere Arten ausgestaltet sein, z. B. konkav, wobei in diesem Falle das Spiel a an derjenigen Stelle gemessen wird, wo der Abstand zwischen den Kopf- und Bodenteilen am kleinsten ist und die Höhe h die größte Höhe des Gewindes ist.

Nachfolgend stehen Größen in Tabellenform, welche für das Spiel a für zweckmäßig angesehen worden sind, ebenso für die Höhe h des Innengewindes und den Steigungswinkel α für unterschiedliche Größen des Innendurchmessers Di des Innengewindes und des Außendurchmessers Dy des Außengewindes.

Da das Spiel b eine konstante Größe, 0,1 mm, hat, liegt das Verhältnis a : b im Bereich von 4,5 bis 7 für die als Beispiel genommenen Gewinde.

Wie man aus Fig. 2 sieht, ist in der Stoßfläche 16 eine Nut 29 vorgesehen. Die Nut 29 erstreckt sich ganz über die Stoßoberfläche 16 und steht mit dem Spülkanal 14 in Verbindung, wodurch sichergestellt ist, daß das Spülmedium den Gewinden 12, 13 zum Spülen und Kühlen derselben zugeführt wird. Andererseits kann die Nut 29 auch in der Stoßfläche 15 vorgesehen werden.

Obwohl die Erfindung hier in Verbindung mit einer Bohrstange beschrieben worden ist, die an ihrem einen Ende ein Außengewinde und an ihrem anderen Ende ein Innengewinde hat, versteht es sich aber doch, daß der Gewindeaufbau in jeder Art von Bohrelement in einem Schlagbohrstrang benutzt werden kann, wie z. B. einer Bohrstange, die an beiden Enden außen mit Gewinde versehen ist, einer Kupplungshülse für die Verbindung zweier solcher Bohrstangen und einen Bohrstahl bzw. Abbaumeißel, der zum Verbinden mit einer solchen Bohrstange geeignet ausgestaltet ist.

Claims (4)

1. Gewindeaufbau für das Verbinden zweier Elemente (10, 11) in einem Schlagbohrstrang mit einem zylindrischen Innengewinde (12) und einem zylindrischen Außengewinde (13), wobei die Gewinde (12, 13) aneinanderstoßende Flanken (19, 20) haben, die längs ihrer Stoßkontaktabschnitte gerade sind, und wobei zwischen dem Bodenteil (22) des Außengewindes (13) und dem Kopfteil (24) des Innengewindes (12) ein Spiel (a) vorgesehen ist, wobei das Spiel (a) mehr als 1% des Außendurchmessers (Dy) des Außengewindes (13) beträgt, dadurch gekennzeichnet, daß das Spiel (a) mindestens das Vierfache des Spiels (b) zwischen dem Bodenteil (23) des Innengewindes und dem Kopftteil (21) des Außengewindes ist.

2. Gewindeaufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Innengewinde (12) eine Höhe (h) hat, die kleiner als 5% des Innendurchmessers (Di) des Innengewindes (12) ist.

3. Gewindeaufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stoß- bzw. Stirnflanken (19, 20) um 25° bis 40°, vorzugsweise 35°, zur Längsachse des Bohrstranges geneigt sind.

4. Gewindeaufbau nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewinde (12, 13) einen Eingang haben und der Steigungswinkel (α) der Gewinde 5,5°-8° beträgt, wobei der Steigungswinkel (α) um 0,4°-0,8° auf eine Zunahme des Durchmessers der Gewinde (12, 13) um 10 mm abnimmt, und daß der Steigungswinkel (α) in der Größenordnung von 7,2° liegt für ein Innengewinde (12) mit einem Außendurchmesser von 38 mm.