[0001] Die Erfindung betrifft eine Antriebsanordnung, welche es ermöglicht, ein um eine
Drehachse rotierendes Element quer zu dieser Drehachse zu bewegen, wobei die entsprechende
Bewegungsrichtung als erste Bewegungsrichtung bezeichnet wird. Für die Bewegung dieses
Elements ist ein Hubantrieb vorgesehen, der sich nicht gemeinsam mit dem Element dreht,
sondern der demgegenüber vielmehr drehfest verbleibend angeordnet ist, was als ortsfest
bezeichnet wird. Der Hubantrieb lässt sich in Längsrichtung der Drehachse hin und
her bewegen, so dass diese Hinund Herbewegung des ortsfesten Hubantriebs in eine quer
dazu verlaufende Bewegung des um die Drehachse rotierenden Elements umgesetzt werden
kann.
[0002] Dabei ist vorschlagsgemäß ein Druckring vorgesehen, der konzentrisch um die Drehachse
verläuft und derart mit dem Hubantrieb verbunden ist, dass er gemeinsam mit dem Hubantrieb
achsparallel zur Drehachse hin und her bewegt werden kann. Der Hubantrieb kann beispielsweise
als Gewindespindel oder als Hydraulikzylinder ausgestaltet sein. Der Druckring wirkt
seinerseits auf einen hydraulischen, so genannten Antriebskolben ein, der ebenfalls
in Längsrichtung zur Drehachse, beispielsweise achsparallel, ausgerichtet ist, so
dass die in Längsrichtung der Drehachse hin- und hergehende Bewegung des Hubantriebs
über den Druckring zu einer ebenfalls in Achsrichtung hin- und hergehenden Bewegung
dieses hydraulischen Antriebskolbens übertragen wird. Dabei erfolgt durch den zwischengeschalteten
Druckring eine Übertragung von dem drehfest angeordneten Hubantrieb auf den Antriebskolben,
der sich gemeinsam mit dem beweglichen Element um die Drehachse dreht.
[0003] Der Druckring kann einteilig ausgestaltet sein. In einer ersten Ausführungsform kann
er wie der Hubantrieb drehfest montiert sein, in welchem Fall der Antriebskolben mittels
einer Laufrolle über den Druckring rollen kann. Oder der Druckring kann sich in einer
zweiten Ausführungsform gemeinsam mit den drehenden Bauteilen der Antriebsanordnung,
also auch mit dem Antriebskolben, um die Drehachse drehen, in welchem Fall der drehfest
montierte Hubantrieb mittels einer Rolle dem Druckring anliegt.
[0004] Der hydraulische Antriebskolben ist an eine hydraulische Druckkammer angeschlossen,
so dass, wenn der Antriebskolben mittels des Hubantriebs und des Druckrings in die
Druckkammer eingeschoben wird, der Druck in der Druckkammer erhöht wird. An dieselbe
Druckkammer ist ein so genannter hydraulischer Elementkolben ebenfalls angeschlossen,
wobei dieser Elementkolben nicht wie der Antriebskolben in Längsrichtung der Drehachse
hin und her beweglich ist, sondern quer dazu, nämlich in der ersten Bewegungsrichtung,
in welcher das bewegliche Element bewegt werden soll. Da Antriebs- und Elementkolben
gemeinsam an dieselbe hydraulische Druckkammer angeschlossen sind, führt der sich
in der Druckkammer erhöhende hydraulische Druck dazu, dass der Elementkolben aus der
Druckkammer ausgefahren wird. Auf diese Weise wird das rotierende Element in seiner
ersten Bewegungsrichtung bewegt in Abhängigkeit davon, dass der drehfest angeordnete
Hubantrieb eine Bewegung in Längsrichtung der Drehachse ausführt.
[0005] Der Vorteil der vorgeschlagenen Antriebsanordnung liegt insbesondere in ihrer Druckkammer
und den daran angeschlossenen
[0006] Antriebs- und Elementkolben, da diese Baugruppe eine verlustarme Richtungsumlenkung
der auf den Antriebskolben einwirkenden Kraft ermöglicht.
[0007] Besonders vorteilhaft kann eine solche Antriebsanordnung bei einem Verrohrungs-Drehtisch
angewendet werden, der zur Handhabung eines Bohrgestänges dient. Derartige Drehtische
sind aus der Praxis bekannt. Die Bohrgestänge können entweder aus einem Vollmaterial
bestehen, also als Stangen ausgestaltet sein, oder sie können hohl, also als Rohre
ausgestaltet sein, um beispielsweise geologische Proben zu nehmen, oder um Material
durch das Bohrgestänge fördern zu können.
[0008] Aus der Praxis sind Verrohrungs-Drehtische bekannt, bei denen Spannbacken radial
zur Drehachse des Bohrgestänges bewegt werden können, um das Bohrgestänge in einem
drehbeweglich angetriebenen Spannfutter festzulegen und auf diese Weise die Drehbewegung
des Spannfutters auf das Bohrgestänge zu übertragen. Das drehbewegliche Spannfutter
und die darin gelagerten, also ebenfalls um die Drehachse des Bohrgestänges beweglichen
Spannbacken, die radial zur Drehachse hin und her bewegt werden können, werden bei
den bekannten Drehtischen mechanisch bewegt. Hierzu ist beispielsweise eine Keilverbindung
bekannt. Wenn achsparallel ein hydraulischer Hubantrieb in Form eines Hydraulikzylinders
hin und her bewegt wird, so wird parallel zum Bohrgestänge ein Keil hin und her bewegt.
Mit seiner Keilfläche wirkt er auf einen zweiten Keil ein, der mit der Spannbacke
verbunden ist, so dass über die Schrägflächen der Keile die Bewegungsumlenkung von
einer achsparallelen zu einer radialen Bewegungsrichtung erfolgt. Der Hubantrieb kann
in diesem Fall als Spannantrieb bezeichnet werden, weil er dazu dient, die Spannbacken
anzutreiben und gegen das Bohrgestänge zu pressen.
[0009] Die Antriebsverluste bei derartigen Bewegungsübertragungen sind sehr hoch, so dass
eine solche Ausgestaltung des Verrohrungs-Drehtisches wirtschaftlich nachteilig ist.
Erstens ist nämlich die Materialbelastung vergleichsweise hoch, da aufgrund der Hubantrieb
sehr hohe, auf die nachfolgenden Elemente einwirkende Kräfte aufbringen muss, um schließlich
an den Spannbacken eine ausreichende Klemmkraft zur Festlegung des Bohrgestänges sicherzustellen.
Die dazu bereitzustellende Antriebsenergie ist ebenfalls unwirtschaftlich hoch, da
die erwähnten Antriebsverluste Werte von 50 % erreichen können, welche in der Praxis
insbesondere dann nicht unüblich sind, wenn die aneinander anliegenden Keilflächen
nicht optimal gleitfreudig sind, sondern wenn vielmehr Rost, Schmutz o. dgl. die Reib-
bzw. Gleitbewegung beeinträchtigt.
[0010] Dadurch, dass vorschlagsgemäß eine hydraulische Bewegungs-umlenkung erfolgt, nämlich
von dem Antriebskolben, der etwa achsparallel, jedenfalls in Längsrichtung der Drehachse
wirkt, über die Druckkammer auf den radial zur Drehachse wirkenden Elementkolben können
die Übertragungsverluste auf einen geringen einstelligen Prozentbereich reduziert
werden.
[0011] Die Vorteile der vorgeschlagenen Antriebsanordnung werden daher nachfolgend insbesondere
am Beispiel eines Verrohrungs-Drehtisches näher erläutert, ohne dass die Anwendung
der vorgeschlagenen Antriebsanordnung auf diesen Einsatzbereich beschränkt ist.
[0012] Eine vorschlagsgemäße Antriebsanordnung weist durch ihre Konstruktion eine hohe Schmutz-Unempfindlichkeit
auf und ermöglicht somit wirtschaftlich vorteilhaft einen verscheißarmen Betrieb.
Durch wenige Abschmierstellen ermöglicht eine vorschlagsgemäße Antriebsordnung wirtschaftlich
vorteilhaft einen Betrieb mit stark reduzierten Wartungszeiten.
[0013] Durch eine deutliche Reduzierung der erwähnten Antriebsverluste können die Spannelemente
einer vorschlagsgemäßen Antriebsanordnung einen höheren Anpressdruck auf die Spannfläche
eines Bohrgestänges ausüben, so dass die Reibungswerte erhöht werden und somit ein
höheres Drehmoment übertragen werden kann.
[0014] Vorteilhaft kann vorgesehen sein, dass um die Drehachse herum zirkumferent verteilt
wenigstens zwei Druckkammern, vorteilhaft drei oder mehr Druckkammern angeordnet sein
können, die jeweils mit Antriebs- und Elementkolben verbunden sind. Auf diese Weise
wird eine möglichst gleichmäßig um den Umfang der Drehachse verteilte Belastung der
einzelnen Komponenten der Antriebsanordnung bewirkt. Beim Spannen eines Bohrgestänges
wird auf diese Weise eine möglichst gleichmäßige radiale Belastung des Bohrgestänges
sichergestellt, so dass beispielsweise Verformungen des Bohrgestänges oder auch Abweichungen
aus seinem gewünschten, geradlinigen, üblicherweise lotrechten Verlauf vermieden werden
können.
[0015] Vorteilhaft kann der Druckring zweigeteilt ausgestaltet sein. Dies ist gegenüber
einer einteiligen Ausgestaltung des Druckrings insofern vorteilhaft, als an den einen
Teil des Druckrings der Hubantrieb und an den anderen Teil der Antriebskolben jeweils
fest angeschlossen werden kann. Da der Hubantrieb drehfest ist und dementsprechend
auch dieser Teil des Druckrings drehfest ist, wird dieser Teil als Stator bezeichnet.
An den anderen Teil des Druckrings schließt hingegen der Antriebskolben an, der gemeinsam
mit dem drehbeweglichen Bauteil um die Drehachse drehbar ist, so dass auch dieser
Teil des Druckrings um die Drehachse dreht und dementsprechend als Rotor bezeichnet
ist. Zwischen dem Stator und dem Rotor des zweigeteilten Druckrings ist ein Drehlager
vorgesehen, welches die Übertragung der Kräfte vom Hubantrieb über den Stator auf
den Rotor und von dort auf den Antriebskolben sicherstellt.
[0016] Vorteilhaft können der Stator und der Rotor des Druckrings radial nebeneinander angeordnet
sein. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass der Stator radial außen vom Rotor
angeordnet ist. Auf diese Weise wird problemlos ein ausreichend großer Bauraum radial
außerhalb des Bohrgestänges bereitgestellt, um den Hubantrieb anzuordnen und an den
Druckring anzuschließen. Der Hubantrieb kann vorteilhaft als Hydraulikzylinder ausgestaltet
sein und in einer für den Wirkungsgrad des Antriebs optimalen, zur Drehachse achsparallelen
Ausrichtung angeordnet sein.
[0017] Vorteilhaft kann vorgesehen sein, dass die Anzahl der an die Druckkammer angeschlossenen
Antriebskolben größer ist als die Anzahl der an dieselbe Druckkammer angeschlossenen
Elementkolben. So kann entweder über die Flächenverhältnisse eine Druckverstärkung
erzielt werden, oder es können mehrere Antriebskolben mit kleinen Querschnittsabmessungen
statt eines größeren Antriebskolbens verwendet werden, um den Durchmesser der Antriebsanordnung
in diesem Bereich möglichst gering zu halten.
[0018] Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der rein schematischen Darstellungen
nachfolgend näher erläutert. Dabei zeigt
- Fig. 1
- eine perspektivische Ansicht auf eine Antriebsanordnung und
- Fig. 2
- einen Ausschnitt, ebenfalls in perspektivischer Anordnung, aus der Antriebsanordnung
von Fig. 1, wobei Fig. 2 den Bereich um eine Druckkammer und die daran anschließenden
Antriebs- und Elementkolben zeigt sowie eine Spannbacke.
[0019] In Fig. 1 ist mit 1 insgesamt eine Antriebsanordnung dargestellt, wie sie bei einem
Verrohrungs-Drehtisch einsetzbar ist. Über eine motorisch angetriebene Antriebsschnecke
2 wird ein Zahnkranz 3 in Drehbewegung versetzt, wobei dieser Zahnkranz 3 mit einem
insgesamt mit 4 bezeichneten Spannfutter verbunden ist. Das Spannfutter 4 mitsamt
dem Zahnkranz 3 ist um eine vertikale Drehachse 5 drehbar gelagert und umgibt einen
Hohlraum, in welchem ein Bohrgestänge angeordnet werden kann. Das Bohrgestänge dreht
sich dann mitsamt dem Spannfutter 4 um die Drehachse 5, wenn die ganze Einheit über
die Antriebsschnecke 2 angetrieben wird.
[0020] Um das Bohrgestänge im Spannfutter 4 festzulegen, sind um den Umfang des Spannfutters
4 verteilt vier Spannbacken 6 vorgesehen, die radial verstellbar sind, also vom Spannfutter
4 aus weiter nach innen in Richtung zur Drehachse 5 beweglich sind, um auf diese Weise
das Bohrgestänge festzulegen, so dass dieses rotatorisch vom Spannfutter 4 mitgenommen
werden kann.
[0021] Die gesamte in Fig. 1 dargestellte Antriebsanordnung ist höhen-beweglich gelagert,
so dass ein Bohrvortrieb erfolgen kann, indem die gesamte Antriebsanordnung abgesenkt
wird, so dass auf diese Weise das Bohrgestänge beispielsweise ins Erdreich abgesenkt
werden kann.
[0022] Für diese radiale Bewegung der Spannbacken 6 ist ein in Fig. 1 lediglich schematisch
angedeuteter Hubantrieb 7 vorgesehen, der als Hydraulikzylinder ausgestaltet ist und
an einen Druckring 8 angreift. Der Druckring 8 ist in radialer Richtung zweigeteilt
ausgestaltet und weist einen inneren, am Spannfutter 4 befestigten Rotor 9 auf, der
gemeinsam mit dem Spannfutter 4 drehbeweglich ist, sowie radial außerhalb davon einen
zweiten Teil, der drehfest gelagert und mit dem Hubantrieb 7 verbunden ist, und der
als Stator 10 bezeichnet ist. Das Drehlager zwischen dem Stator 10 und dem Rotor 9
ermöglicht die Übertragung der Hubkräfte zwischen diesen beiden Teilen des Druckrings
8. Wenn der Hubantrieb 7 also ausgefahren wird, der Stator 10 somit ebenfalls angehoben
wird, so wird über dieses Drehlager die Hubbewegung auch auf den Rotor 9 übertragen,
so dass insgesamt beim Ausfahren des Hubantriebs 7 der gesamte Druckring 8 angehoben
wird.
[0023] Auf dem Rotor 9 des Druckrings 8 stützen sich mehrere Arbeitskolben 11 ab, wobei
die Arbeitskolben 11 nicht unmittelbar dem Druckring 8 anliegen, sondern jeweils auf
einer Montageplatte 12 montiert sind. Dabei ist jeweils ein Paar von Arbeitskolben
11 jeder Spannbacke 6 zugeordnet. Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, führen jeweils die
beiden einer Spannbacke 6 zugeordneten Arbeitskolben in ein Kammergehäuse 14, welches
eine in Fig. 2 angedeutete Druckkammer 15 umgibt. Die Druckkammer 15 ist als Hydraulikkammer
ausgestaltet, also mit einem Hydraulikfluid gefüllt und an diese Druckkammer 15 schließen
nicht nur die beiden Arbeitskolben 11 an, sondern auch ein Elementkolben 16, der mit
dem zu bewegenden Element, nämlich einer Spannbacke 6 verbunden ist. Dabei ist aus
Fig. 2 ersichtlich, dass die Ausrichtung der beiden Arbeitskolben 11 parallel zueinander
gewählt ist und der Elementkolben 16 in einer davon abweichenden Richtung ausgerichtet
ist. Innerhalb der Druckkammer 15 erfolgt somit ein Richtungswechsel bei der Übertragung
hydraulischer Druckkräfte.
[0024] Durch den Druckring 8 erfolgt eine Übertragung von einem drehfest angeordneten Antrieb
in Form des Hubantriebs 7 auf einen in gleicher Richtung, jedoch rotierenden Antrieb
in Form der zusammen mit dem Spannfutter 4 umlaufend beweglichen Antriebskolben 11.
[0025] Mittels der Druckkammer 15 kann die Richtungsänderung der Antriebskräfte äußerst
verlustarm erfolgen, so dass von Kräften, welche der Hubantrieb 7 als Hubkräfte aufbringt,
mehr als 90 % in Form von Spannkräften oder Klemmkräften an den Spannbacken 6 zur
klemmenden Festlegung des Bohrgestänges genutzt werden können.
1. Antriebsanordnung (1) zur Bewegung eines beweglichen Elements in einer ersten Bewegungsrichtung,
wobei dieses Element um eine Drehachse (5) beweglich gelagert ist und die erste Bewegungsrichtung
quer zu der Drehachse (5) verläuft,
mit einem Hubantrieb (7), der in Bezug auf das drehbewegliche Element ortsfest verbleibend
und insofern drehfest angeordnet ist, und der achsparallel zu der Drehachse (5) hin
und her beweglich ist,
und mit einem Druckring (8), der konzentrisch um die Drehachse (5) verläuft und wirksam
mit dem Hubantrieb (7) verbunden ist, derart, dass der Druckring (8) gemeinsam mit
dem Hubantrieb (7) achsparallel zu der Drehachse (5) hin und her beweglich ist,
und mit wenigstens einem hydraulischen Antriebskolben (11), der in Längsrichtung zur
Drehachse (5) ausgerichtet ist und durch den Druckring (8) beaufschlagt ist,
wobei der Antriebskolben (11) gemeinsam mit dem beweglichen Element drehbar ist,
sowie mit wenigstens einem hydraulischen Elementkolben (16), der in der ersten Bewegungsrichtung
ausgerichtet ist und auf das bewegliche Element einwirkt, derart, dass das Element
mittels des Elementkolbens (16) quer zu der Drehachse (5) hin und her beweglich angetrieben
ist, wobei der Antriebskolben (11) und der Elementkolben (16) an eine gemeinsame hydraulische
Druckkammer (15) angeschlossen sind, derart, dass vom Antriebskolben (11) aufgebauter
Druck durch das in der Druckkammer (15) befindliche Hydraulikfluid auf den Elementkolben
(16) einwirkt.
2. Antriebsanordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Anzahl der an die Druckkammer (15) angeschlossenen Antriebskolben (11) größer
ist als die Anzahl der an dieselbe Druckkammer (15) angeschlossenen Elementkolben
(16).
3. Antriebsanordnung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass um die Drehachse (5) zirkumferent verteilt wenigstens zwei Druckkammern (15) samt
Antriebskolben (11) und Elementkolben (16) angeordnet sind.
4. Antriebsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Druckring (8) zweigeteilt ausgestaltet ist, wobei ein erster Teil als Stator
(10) bezeichnet ist und mit dem Hubantrieb (7) verbunden ist,
und ein zweiter, als Rotor (9) bezeichneter Teil drehbeweglich gegenüber dem Stator
(10) gelagert ist und mit dem Antriebskolben (11) verbunden ist,
und wobei das zwischen Stator (10) und Rotor (9) vorgesehene Drehlager die vom Hubantrieb
(7) auf den Antriebskolben (11) einwirkenden Kräfte übertragend ausgestaltet ist.
5. Antriebsanordnung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Stator (10) und der Rotor (9) des Druckrings (8) radial nebeneinander angeordnet
sind.
6. Antriebsanordnung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Stator (10) radial außen von dem Rotor (9) angeordnet ist.
7. Verrohrungs-Drehtisch zur Handhabung eines aus mehreren Abschnitten bestehenden, um
seine Längsachse drehbeweglich angetriebenen Bohrgestänges,
mit einem in Drehrichtung ortsfesten, als drehfest bezeichneten, jedoch achsparallel
zum Bohrgestänge hin und her beweglichen Spannantrieb,
einem gemeinsam mit dem Bohrgestänge drehbeweglichen Spannfutter (4), welches wenigstens
eine radial hin und her bewegliche, an das Bohrgestänge anlegbare Spannbacke (6) aufweist,
wobei eine Antriebsanordnung (1) vorgesehen ist, welche den Spannantrieb sowie die
Spannbacke (6) aufweist, und dessen Spannantrieb über Antriebsmittel mit der Spannbacke
(6) wirksam verbunden ist, derart, dass die achsparallele Bewegung des drehfesten
Spannantriebs mittels der Antriebsmittel in eine radiale Bewegung der drehenden Spannbacke
(6) übertragbar ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Antriebsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgestaltet ist.