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Dokumentenidentifikation DE10162473B4 01.12.2005
Titel Wälzlager in Tiefbohreinrichtung
Anmelder FAG Kugelfischer AG & Co. oHG, 97421 Schweinfurt, DE
Erfinder Herles, Günter, 97456 Dittelbrunn, DE;
Göbel, Dieter, 97711 Thundorf, DE;
Mützel, Richard, 97711 Thundorf, DE
DE-Anmeldedatum 19.12.2001
DE-Aktenzeichen 10162473
Offenlegungstag 10.07.2003
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 01.12.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 01.12.2005
IPC-Hauptklasse F16C 19/20
IPC-Nebenklasse F03B 11/06   F16C 33/66   

Beschreibung[de]
Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft die Lagerung einer Hohlwelle zwischen Bohrkopf und Antriebsturbine in einer Tiefbohreinrichtung.

Hintergrund der Erfindung

In Tiefbohrvorrichtungen werden seit langem im Bohrloch angetriebene Bohrköpfe eingesetzt. Bei diesen angetrieben Bohrköpfen wird über eine stehende Rohrleitung Spülflüssigkeit von außerhalb unter Druck in Richtung des Bohrkopfes gepumpt. Am Ende der Rohrleitung ist eine Turbine vorgesehen, die den Druck der Spülflüssigkeit in eine Drehbewegung umsetzt und so den Bohrkopf antreibt. Nach dem die Spülflüssigkeit die Turbine passiert hat, läuft sie über eine Hohlwelle zum Bohrkopf. Mit der Spülflüssigkeit wird der Bohrkopf geschmiert und gekühlt. Die außerhalb des Bohrkopfes zur Oberfläche zurückströmende Spülflüssigkeit führt das heraus gebohrte Gestein mit sich zur Oberfläche. In die Wälzlager dringt aufgrund der rauhen Umgebungsbedingungen immer wieder die Spülflüssigkeit mit Verunreinigungen ein, was zu einem zu schnellen Verschleiß der Wälzlager führt.

In der DE 25 27 237 C3 wird die im Bohrkopf eingesetzte Wälzlagerung durch spezielle Dichtungen geschützt, um das Eindringen von Wasser zu verhindern. Das Wasser enthält trotz Filtern immer noch eine Vielzahl von Verunreinigungen. Das Problem dieser Dichtungen besteht darin, dass trotz der Dichtungen, das Wasser in die Wälzlagerung eindringen kann, und dann die Verunreinigungen im Wasser das Wälzlager schädigen, so dass die Lebensdauer der Wälzlagerungen stark sinkt.

Es sind auch Wälzlagerungen bekannt, bei denen vollkugelige Vierpunktlager eingesetzt werden. Bei diesen Vierpunktlagern sind alle Wälzlagerkomponenten aus einem verschleißfesten Wälzlagerstahl (AISI S2) gefertigt. Trotz dieser verschleißfesten Materialien wäre eine längere Lebensdauer des Wälzlagers wünschenswert, da das Wechseln des Wälzlagers für den Betreiber der Tiefbohreinrichtung sehr aufwendig ist.

DD 272 391 beschreibt Lager, in denen zwischen den Laufringen abwechselnd Tragkugeln mit großem Durchmesser und Trennkugeln mit vergleichsweise kleinen Durchmessern angeordnet sind. Diese Kugellagereinheit für eine Tiefbohreinrichtung weist Tragkugeln und Trennkugeln aus Kunststoff auf. Da der Raum zwischen den Laufringen und den Kugeln mit verschmutzten Spülmedium durchsetzt ist sind die Kugeln besonders hoch belastet. Das im Vergleich zum Werkstoff Stahl der Laufringe weiche Material der Kugeln ist somit besonders durch Verschleiß gefährdet.

Aufgabe der Erfindung

Es besteht also die Aufgabe ein Wälzlager in Tiefbohreinrichtungen aufzuzeigen, das bei Betriebsbedingungen, bei denen das Spülwasser durch die Lagerung läuft eine möglichst große Lebensdauer aufweist.

Beschreibung der Erfindung

Die Lösung dieser Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruches 1 erreicht.

Der wesentliche Kern der Erfindung besteht darin, dass Tragkugeln aus Keramik eingesetzt werden, die von geringfügig kleineren Trennkugeln aus Stahl auf Abstand gehalten werden. Die Laufbahnen der Wälzlagerringe sind ebenfalls aus Stahl. Aufgrund dieser Konstruktion hat der tragende Wälzkörper aus Keramik im Wälzkontakt nur Berührung mit Flächen aus Stahl.

Bei Verunreinigungen im Wälzlager sowie bei Mangelschmierung liegt ein direkter Materialkontakt beim Abwälzen vor. Dieser direkte Materialkontakt besteht In dieser besonderen Anordnung immer zwischen Keramik und Stahl. Überraschend hat sich gezeigt, dass bei Mangelschmierung der Verschleiß zwischen den Wälzpartnern (Stahl und Keramik) geringer ist, als bei den Wälzpaarungen im Stand der Technik (Stahl gegen Stahl).

Der Effekt der Wälzpaarung Stahl und Keramik auf die Lebensdauer des Wälzlagers (z. B. Axiallagers) ist um so überraschender, da rechnerisch die Lebensdauer des erfinderischen Wälzlagers geringer ist als die eines vollkugeligen Axiallagers mit gleich großen Stahlkugeln im Stand der Technik. Versuche haben gezeigt, dass der technische Nachteil der erfindungsgemäßen Lageranordnung durch den geringeren Verschleiß der Wälzpartner mehr als ausgeglichen wird. Die erfindungsgemäßen Wälzlager halten in Versuchen, mit praxisnahen Umgebungsbedingungen, deutlich länger als die herkömmlichen Lagerungen.

Es wurde durch die Versuche auch ein Vorurteil beseitigt, da bisher die Meinung vorherrschte, dass Keramikkugeln in einer verschmutzen Umgebung, in der auch harte Sandkörper auftreten, keine große Haltbarkeit haben. Die Versuche haben gezeigt, dass die Wälzkörper aus Keramik diese Umgebungsbedingung ohne nennenswerte Beschädigungen überstehen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

1 zeigt einen Bohrkopf mit Lagerung

2 das Lagerpaket im Schnitt parallel zur Rotationsachse

3 den Ausschnitt eines Lagers in der Draufsicht

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

In der 1 wird die Wälzlagerung der Antriebswelle des Bohrkopfes in Form einer Kugellagereinheit 1 dargestellt. Innerhalb der Wälzlagerung ist die Antriebswelle als Hohlwelle 3 angeordnet. Die Hohlwelle 3 wird über die Wälzlagerung (Lagereinheit) 1 im nicht rotierenden Gehäuse 2 abgestützt. Die Hohlwelle 3 überträgt das Antriebsmoment von der Antriebsturbine (nicht dargestellt) auf den Bohrkopf (nicht dargestellt). In der Hohlwelle 3 wird die Flüssigkeit weitergeleitet 4, mit der die Antriebsturbine betrieben wird. Vor der Wälzlagerung wird ein Teil dieser Flüssigkeit durch Öffnungen 10 in die Kugellagereinheit 1 geleitet, um die Wälzlagerung zu kühlen und zu schmieren. Mit der Flüssigkeit, die aus der Hohlwelle austritt 5, wird dann der Bohrkopf gekühlt und geschmiert. Da die Flüssigkeit immer etwas verunreinigt ist, gelangen konstant Verunreinigungen in die Kugellagereinheit 1.

In der 2 ist die Kugellagereinheit 1, die die Hohlwelle gegenüber dem Gehäuse lagert, dargestellt. In diesem Einsatzfall werden mehrere vollkugelige radial, axial Kugellager (4-Punktlager) parallel zueinander in einer Lagereinheit 1 eingesetzt. Ein 4-Punktlager setzt sich aus zwei äußeren Laufringen 6 und zwei inneren Laufringen 7 zusammen. Zwischen den Laufringen folgt einer tragenden Keramikkugel 8 eine etwas kleinere Trennkugel 9. In der 3 ist die Anordnung der Kugeln 8, 9 in der Draufsicht dargestellt. In jedem einzelnen Lager dieser Kugellagereinheit 1 sind tragende Keramikkugeln 8 und trennende Stahlkugeln 9 eingesetzt. Die Laufringe 6, 7 aus Stahl oder die trennenden Stahlkugeln 9 können aus Wälzlagerstahl, aus rostfreien Wälzlagerstählen oder verschleißfesten Stählen gefertigt werden. Eine bevorzugte Ausführungsform ist dabei der Stahl AISI S2.

In der 3 ist eine Kugelreihe der Kugellagereinheit 1 in der Draufsicht dargestellt. Die tragenden Keramikkugeln 8 und die geringfügig kleineren Stahlkugeln 9 sind gezeigt. Es wird aus dieser Darstellung deutlich, dass die Keramikkugeln 8 als Wälzpartner nur Stahlteile (Stahlkugeln 9 oder die Laufringe 6, 7) haben. Die im Durchmesser 9a kleineren Stahlkugeln, müssen soviel keiner gewählt werden, dass bei einer Maximalbelastung des Wälzlagers diese trennenden Stahlkugeln 9 nicht zu tragenden Kugeln werden. Die Keramikkugeln 8 können aus Vollkeramik oder aus einem Trägermaterial, das mit Keramik beschichtet ist, bestehen. Das Keramikmaterial kann z. B. aus Siliziumnitrid oder Zirkoniumoxyd bestehen.

1Kugellagereinheit 2Gehäuse 3Hohlwelle 4Flußrichtung der Spülflüssigkeit 5Austritt der Spülflüssigkeit 6äußere Laufringe 7innere Laufringe 8tragende Keramikkugeln 9trennende Stahlkugeln 8aDurchmesser der tragenden Keramikkugel 9aDurchmesser der trennenden Stahlkugel 10Eintritt der Spülflüssigkeit in das Wälzlager

Anspruch[de]
  1. Kugellagereinheit (1) für eine Lagerung einer Tiefbohreinrichtung, bestehend aus Laufringen aus Stahl mit zwischen den Laufringen (6, 7) angeordneten Kugeln und mit verschmutztem Spülmedium (10) zwischen den Laufringen (6, 7), wobei zwischen den Laufringen (6, 7) abwechselnd Tragkugeln (8) und im Durchmesser (9a) kleinere Trennkugeln (9) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragkugeln (8) aus Vollkeramik oder aus einem Trägermaterial, das mit Keramik beschichtet ist, bestehen und die Trennkugeln (9) aus Stahl sind, wobei der Durchmesser (9a) der Trennkugeln (9) soviel kleiner ist als der Durchmesser (8a) der Tragkugeln (8), dass bei einer Maximalbelastung der Kugellagereinheit (1) nur die Tragkugeln (8) in einem direkten Materialkontakt zu Stahl sind.
  2. Kugellagereinheit (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl der Laufringe aus dem Material AISI S2 (1.2890 B) besteht.
  3. Kugellagereinheit (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser (9a) der kleineren Trennkugeln (9) aus Stahl nur so viel kleiner ist als der Durchmesser (8a) der tragenden Keramikkugeln (8), dass die Trennkugeln (9) bei einer Maximalbelastung der Kugellagereinheit (1) nicht zu tragenden Kugeln werden, d. h. keine Lagerlast aufnehmen.
  4. Kugellagereinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial der Tragkugeln aus Stahl besteht.
  5. Kugellagereinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugellagereinheit mehrere parallel geschaltete Kugellager aufweist, wobei jedes der Kugellager abwechselnd Tragkugeln (8) und Trennkugeln (9) aufweist.
  6. Kugellagereinheit nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Kugellager ein Vierpunktlager mit zwei äußeren Laufringen (6) und zwei inneren Laufringen (7) ist.
  7. Kugellagereinheit nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Kugellager ein Vierpunktlager mit zwei äußeren Laufringen (6) und zwei inneren Laufringen (7) ist, wobei in der Kugellagereinheit (1) die Tragkugeln (8) von zwei unmittelbar benachbarten der parallel geschalteten Kugellager an einem gemeinsamen der äußeren Laufringe (6) und an einem gemeinsamen der inneren Laufringe (7) anliegen.
Es folgen 2 Blatt Zeichnungen






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