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Vorrichtung zur selbsttätigen Steuerung der Drehzahlregeleinrichtung des Antriebs- aggregates für den Vortrieb des Blasrohres einer thermischen Gesteinsbohrmaschine
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf thermische Felsbohrmaschinen jener Type, bei der eine Heizeinrichtung, z. B. ein Blasrohr, verwendet wird, um Hitze gegen einen Felskörper zu richten und das Material durch Ausbohren zu entfernen. Im speziellen betrifft die Erfindung ein automatisches Kontrollsystem, das die Herstellung tiefer Bohrlöcher ermöglicht, ohne die dauernde Aufmerksamkeit des Bedienenden zu erfordern.
Das Ausmass, mit dem ein Fels mit einer Heizeinrichtung, insbesondere mit einer Brennölflamme, angebohrt werden kann, hängt von den Eigenschaften des Felsens selbst ab. Nachdem der Aufbau des Gesteines nicht homogen ist, sind verschiedene Geschwindigkeiten möglich, mit denen die Bohrung vorgetrieben werden kann. Besitzt das Material ein hohes Abbröckelungs- bzw. Abblätterungsausmass, so ist die Bohrgeschwindigkeit entsprechend höher als im umgekehrten Falle. Eine ungünstige Arbeits- weise kann entstehen, wenn nicht die der Brüchigkeit des Materiales (welche dem Abbröckelungsmass direkt proportional ist) entsprechende Geschwindigkeit genau eingehalten wird. Ist z.
B. das Abbröckelungsmass sehr hoch und die Bohrgeschwindigkeit zu klein, so hat der Bohrlochgrund die Tendenz, vor der Flamme davonzulaufen". Umgekehrt kann die Flamme zu nahe dem Bohrlochgrund kommen. Beide Fälle geben ungünstige Arbeitsergebnisse hinsichtlich des Bohrlochvortriebes.
Es wurde festgestellt, dass es für ein bestimmtes Material eine spezifische und festliegende Distanz zwischen dem Blasrohrende und dem Bohrlochgrund gibt, bei der sich die besten Ergebnisse erzielen lassen.
Für die Mehrzahl der in Frage kommenden Materialien ist diese Distanz 75 bis 100 mm.
Eine Bedienung des Blasrohres von Hand aus gibt dem Bedienenden völlige Freiheit für das Vorschieben und Rückziehen des Blasrohres, solange er die Wirkung überblicken kann. Kann der Bedienende den Grund des Bohrloches nicht mehr sehen, so ist die Einhaltung der optimalen Distanz des Blasrohres äusserst schwierig.
Es wurden daher schon automatische Kontrollgeräte für das thermische Felsbohren mit Blasrohren hergestellt. Diese Geräte, die dahingehend wirken, den Vorschub des Blasrohres aufzuhalten, wenn ein Hindernis bei normalen Verhältnissen auftritt, sind nicht in der Lage, eine optimale Distanz zwischen dem Blasrohrende und dem Bohrlochgrund einzuhalten.
Die vorliegende Erfindung hat zum Ziele, diese Nachteile zu beheben und die Sicherheit zu schaffen, dass stets eine bestimmte optimale Distanz zwischen dem Blasrohrende und dem Bohrlochgrund eingehalten wird.
Die Erfindung betrifft demgemäss eine Vorrichtung zur selbsttätigen Steuerung der Drehzahlregeleinrichtung des Antriebsaggregates für den Vortrieb des Blasrohres einer mit einer Einrichtung zur begrenzten Rückholung desselben bd Erreichen der Bohrlochsohle ausgerüsteten thermischen Gesteinsbohrmaschine.
Derartige Antriebsaggregate für den Vortrieb des Blasrohres mit einer Steuereinrichtung zur begrenzten Rückholung desselben sind aus der USA-Patentschrift Nr. 2, 679, 381 bereits bekannt.
Das oben angegebene Ziel wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass die Drehzahlregeleinrichtung des Antriebsaggregates von einem in seiner Drehrichtung umschaltbaren Serienmotor gesteuert ist, dessen Steuerstromkreis von einer Taktgebzrschaltung über eine Taktfolgegeberschaltung betätigt ist, wobei die
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festhaltenden elektromagnetischen Kupplung besteht, deren Erregungsspule der Serienschaltung MotorTaktgeberruhekontakt parallel geschaltet ist, und wobei in den vom Taktgeberarbeitskontakt gesteuerten Strompfad ein Taktgeberrelais geschaltet ist, sowie ein Arbeitskontakt desselben mit dem Taktfolgegeber der Taktfolgegeberschaltung in Serie und zu einem nach einem vollen Arbeitszyklus (z.
B. 30 sec. ) abfallenden Selbsthaltekontakt des Taktfolgegebers parallel liegt, und dem Taktfolgegeber eine Serienschaltung, bestehend aus einem bei Berührung der Bohrlochsohle durch das Blasrohr schliessenden Schalter, einem nach einem vorbestimmten Teil des Arbeitszyklus (z. B. 8 sec.) öffnenden Arbeitskontakt des Takt- folgegebsrs und einem ersten Taktfolgegeberrelais parallel geschaltet ist, wobei den beiden letztgenannten
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Elementen der Serienschaltung ein zweites Taktfolgegeberrelais parallel und dem ersten der drei Elemente der Serienschaltung ein Arbeitskontakt dieses zweiten Taktfolgegeberrelais parallel geschaltet ist,
wobei ferner in einem Hilfssteuerkreis einem Hilfsrelais ein Ruhekontakt des zweiten Taktfolgegebersteuerrelais und ein innerhalb eines Arbeitszyklus verzögert ansprechender und öffnender Arbeitskontakt des Taktfolgegebers einander nachgeschaltet sind, und schliesslich der Steuerstromkreis für den die Drehzahlregeleinrichtung steuernden Serienmotor in an sich bekannter Weise zwei den beiden Drehrichtungen desselben zugeordnete Stromkreise enthält, von denen der eine-einer Beeinflussung der Drehzahlregeleinrichtung im Sinne einer beschleunigten Absenkung des Blasrohres entsprechende-Stromkreis durch Arbeitskontakte des Hilfsrelais und der andere-einer Beeinflussung der Drehzahlregeleinrichtung im Sinne einer verzögerten Absenkung des Blasrohres entsprechende-Stromkreis durch Arbeitskontakte des ersten Taktfolgegeberrelais geschlossen ist.
In den Zeichnungen, die ein Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigen, ist Fig. l eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäss automatisch gesteuerten, thermischen Felsbohrmaschine, Fig. 2 zeigt ein Schaltbild der automatischen Steuereinrichtung einer Maschine nach Fig. 1, und Fig. 3 zeigt in Form eines Schaltbildes Einzelheiten des Motorsteuerkreises, wie er ebenfalls schematisch in Fig. l aufscheint.
In Fig. l ist ein längliches Blasrohr B zum Felsbohren dargestellt, welches an einem Seil C aufgehängt ist und in das Bohrloch H hineinragt, das sich vertikal im Fels R erstreckt. Das Seil C ist über Rollen an der Spitze eines Mastes M geführt, der an der Vorderseite eines Fahrzeuges A befestigt ist, und führt weiter herunter zu einer Rolle oder Trommel IC, die ihrerseits in einer Halterung 12 gelagert ist, die um eine Drehachse 14 in einer vertikalen Ebene bewegbar ist. Die Rolle 10 kann über je einen Motor eines Motorpaares MS, MF abwechselnd angetrieben werden. u. zw. arbeitet der Motor MS über einen Bereich niedriger und der Motor MF über einen Bereich höherer Geschwindigkeit. Die Motoren MS und MF treiben die Rolle 10 über ein übliches Planetengetriebe an, welches gestattet, dass ein Motor stillsteht, während der andere arbeitet.
Das Blasrohr B und die Halterung 12 sind zunächst annähernd im Gleichgewicht. An der Halterung 12 greift eine nach oben gerichtete Kraft an, die vom Gewicht des Blasrohres zusammen mit der Wirkung einer Schraubenfeder 16 ausgeübt wird, und die die Halterung solange in einer gehobenen Stellung hält, als das Blasrohrgewicht am Seil C wirkt.
Während des Bohrvorganges wird das Blasrohr B durch einen am Mast M geführten Gleitschutz 18 gehalten. Die gezahnte Spitze 19 des Blasrohres kann durch einen Antriebsmechanismus 20 in Umdrehung versetzt werden, wobei z. B. die Aussenseite des Blasrohres genutet sein kann und der Antrieb über einen Drehtisch erfolgt, von dem Keile in die Nuten eingreifen.
Wenn während des normalen Vorschubes des Blasrohres dieses auf ein Hindernis im Bohrloch, z. B. auf dessen Grund, stösst, so wird das Seil entlastet. Da jedoch das Seil weiterhin von der Rolle 10 abgewickelt wird, schwingt die Halterung 12 um die Achse 14 nach unten, entsprechend der Verminderung der auf sie vom Blasrohr ausgeübten Kraft.
Das Abwärtsschwingen der Halterung 12 erregt einen nicht gezeichneten Steuerkreis, wie er beispielsweise in der USA-Patentschrift Nr. 2, 679, 381 beschrieben ist, welcher einen der Antriebsmotoren der Rolle 10 speist, um das Seil einzuholen. Das Blasrohr wird somit automatisch angehalten bzw. zurückgezogen, wenn es den Boden des Bohrloches erreicht hat.
Die efmdungsgemässe Vorrichtung zur selbsttätigen Steuerung der Drehzahlregeleinrichtung des Antriebsaggregates für den Vortrieb des Blasrohres kann diesem automatischen Rückholmechanismus überlagert werden. Die Steuereinrichtung 22 enthält einen zyklischen Taktgeber 24, einen Taktfolgegeber 26 und einen Steuermotorkreis 27, der parallel zu den ersteren geschaltet ist (Fig. 2). Der zyklische Taktgeber 24 enthält in bekannter Weise einen Synchronmotor 32, der über eine elektromagnetische Kupplung, deren Erregerspule mit 30 bezeichnet ist, eine Nockenanordnung antreibt, die ihrerseits wieder einen Ruhekontakt 38 a und einen Arbeitskontakt 38 b in somit vorbestimmter Folge betätigt. Die Nockenanordnung kann übrigens austauschbar sein.
Der zyklische Taktgeber wird durch einen handbetätigten Schalter 28 erstmals in Betrieb gesetzt, wodurch die Netzspannung einem Kreis aufgedrückt wird, bei dem in Serie mit den Ruhekontakten 34 und 36 die Parallelschaltung der Kupplungsspule 30 und des Motors 32 des zyklischen Zeitgebers liegt.
Nach seiner Erregung betätigt der Taktgeber 24 am Ende der jeweils eingestellten Zeitperiode (z. B.
3 min. ) den Arbeitskontakt 38 b, durch den Spannung an das Taktgeberrelais 40 gelegt wird. Dieses Relais 40 schliesst bei seiner Erregung den Arbeitskontakt 42 im Erregerkreis 100 des Generators (Fig. 3) und öffnet den Ruhekontakt 44 im Erregerkreis 101 des Vorschubmotors. Die Betätigung dieser Kontakte schaltet volle Spannung an den Erregerkreis 100 für das Generatorfeld und den vollen Vorwiderstand 82 in den Erregerkreis 101 für das Motorfeld, mit der Folge einer hohen Drehzahl des Motors, die wiederum
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Kupplung 30 die Nockenanordnung in ihrer Lage, in der die Kontakte 38 a und 38 b betätigt sind.
Gleichzeitig damit bewirkt die Erregung des Relais 40 das Schliessen des Arbeitskontaktes 46, der in Serie mit dem Taktfolgegeber 26 liegt und diesen erregt. Der Taktfolgegeber enthält die Parallelschaltung
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über vorherbestimmte Zeitabschnitte betätigt ; nach Erregung des Taktfolgegebers 26 schliesst sofort der als Selbsthaltekontakt für den Taktfolgegeber 26 parallel zum Kontakt 46 liegende Arbeitskontakt 52 und öffnet wieder nach einem vorbestimmten Zeitintervall, z. B. nach 30 sec ; der Arbeitskontakt 54 schliesst sofort und öffnet nach z. B. 8 sec ; der Arbeitskontakt 56 schliesst z. B. nach 8 sec. und öffnet wieder nach z. B. 14 sec. ; der Ruhekontakt 34 im zyklischen Taktgeber öffnet nach einer Zeitperiode von z. B.
20 sec. Diese Schaltfolge bewirkt nachstehende Arbeitsweise der Steuervorrichtung.
Es sei vorausgesetzt, dass während dieser Vorgänge das Blasrohr den Boden des Bohrloches erreicht hat, so dass die Plattform 58 der Halterung 12, wie schon erwähnt, nach unten schwingt und dabei den Arbeitskontakt 60 schliesst. Über den Kontakt 60 und die Kontakte 52 und 54 entsteht somit ein Stromkreis, der die Taktfolgegeberrelais 6 und 64 erregt. Das Relais 64 schliesst den Arbeitskontakt 66 und sichert damit die Erregung des Relais 62, solange der Kontakt 54 geschlossen ist, auch dann, wenn der Kontakt 60 zufolge des automatischen Rückzuges des Blasrohres wieder geöffnet hat. Zusätzlich bewirkt die Erregung des Relais 64 das Öffnen des Ruhekontaktes 68, wodurch die Erregung des Hilfsrelais 70 verhindert wird.
Die Erregung des Relais 62 bewirkt das Schliessen der Arbeitskontakte 72 und 74 im Steuerstromkreis 27 des die Regelwiderstände 82 und 84 der Drehzahlregeleinrichtung betätigenden Serienmotors, wodurch der Anker 76 und das Serienfeld 78 dieses Motors über die Leistung 80 an Spannung gelegt werden. Dies bewirkt eine Drehung des Serienmotors in dem Sinne, dass sowohl der Vorwiderstand 82 im Erregerkreis 101 für das Motorfeld als auch die vom Spannungsteiler 24 abgegriffene Speisespannung für den Erregerkreis 100 des Generatorfeldes erniedrigt wird (Fig. 3). Der Vorschub des Blasrohres im Bohrloch wird somit verlangsamt. In den Feldkreisen 100 und 101 des Motors und des Generators sind Kontaktpaare 86 und 88 vorgesehen, um zwischen einer automatischen und einer handbetätigten Steuerung wählen zu können.
Die von Hand betätigten Kontakte 86 und 88 ermöglichen je eine handbetätigte (Kontakte 86 geschlossen, Kontakte 88 offen) bzw. eine automatische (Kontakte 86 offen, Kontakte 88 geschlossen ; Fig. 3) Steuerung der Drehzahlregeleinrichtung.
Nach der Erregung des Relais 40 und dem Schliessen seines Arbeitskontaktes 42 bzw. dem Öffnen seines Ruhekontaktes 44 erfolgt ein rascher Vorschub des Blasrohres. Sollte in dem Zeitintervall (z. B.
8 sec. ), während dem der Kontakt 54 geschlossen ist, das Blasrohr den Boden des Bohrloches noch nicht berührt haben, wird, da sich die Plattform 58 noch nicht gesenkt hat und somit der Kontakt 60 noch offen ist, der Kontakt 56 schliessen und das Relais 70 erregt. Die Erregung des Relais 70 bewirkt das Schliessen der Arbeitskontakte 90 und 92 im Steuerstromkreis 27 des Serienmotors, so dass der Anker 76 und das Serienfeld 78 dieses Motors über die Leitung 80 an Spannung gelegt werden. Der Motor dreht dann in dem Sinne, dass sowohl der Vorwiderstand 82 im Erregerkreisl0l für das Motorfeld als auch die vom Spannungsteiler 84 abgegriffene Speisespannung für den Erregerkreis 100 des Generatorfeldes erhöht wird, wodurch der Vorschub des Blasrohres im Bohrloch beschleunigt wird. Wie oben erwähnt, öffnet nach einer Zeitperiode von z.
B. 20 sec. der in den Stromkreis des zyklischen Taktgebers geschaltete Ruhekontakt 34 des Taktfolgegebers 26 und unterbricht den Stromkreis für die Kupplung 30, welche bisher die Nockenanordnung zur Betätigung der Kontakte 38 a und 38 b festgehalten hat. Die Kupplung 30 lässt somit die Nockenanordnung los, und diese kehrt-wie es bei diesen Taktgebern üblich ist-in ihre Ausgangslage zurück. Wenn dann der Taktfolgegeber 26 beispielsweise weitere 30 sec. gelaufen ist, schliesst er neuerdings den Kontakt 34, und der zyklische Taktgeber 24 beginnt einen neuen Zyklus, wie oben beschrieben.
Somit ergibt sich, dass bei Anwendung der beschriebenen selbsttätigen Steuervorrichtung das Blasrohr drei Minuten lang mit der zunächst von Hand aus voreingestellten Vorschubgeschwindigkeit arbeitet, sodann eine Überprüfung des Abstandes vom Bohrlochgrund und eine allenfalls erforderliche Geschwindigkeitskorrektur vorgenommen wird, worauf der ganze Arbeitszyklus sich wiederholt. Die Zeit zwischen dem Rückstellen der Kontakte 38 a und 38 b und dem Beginn des neuen Zyklus beträgt, wie oben ausgeführt, 30 sec., und ist durch die Einstellung des Taktfolgegebers bedingt. Es ist noch zu erwähnen, dass der in Fig. 2 im Stromkreis des zyklischen Taktgebers 24 eingezeichnete weitere Ruhekontakt 36 eine Sicherheitsvorkehrung darstellt, da seine Betätigung eine sofortige Stillsetzung der Anlage bewirkt.
Die Wirkungsweise einer erfindungsgemässen Steuerung wird nun an Hand dreier betriebsmässiger Beispiele beschrieben. Es sei dabei angenommen, dass der einzuhaltende Optimalabstand zwischen der Blasrohrspitze und dem Bohrlochgrund 100 mm betrage.
Beispiel 1 : Wenn das Blasrohr während des Prüfens weniger als 100 mm vom Bohrlochgrund entfernt ist, wird der Vorschub durch die Steuervorrichtung automatisch verringert. Das Ausmass der Kompensation ist dabei proportional dem Abstand des Blasrohres vom 100 mm-Bezugspunkt.
Die Zeit, die zur Verfügung steht, um unter optimalen Bedingungen, z. B. wenn das Blasrohr 100 mm vom Bohrlochgrund entfernt wäre, die Lage zu überprüfen, sei 8 sec.
Wenn das Blasrohr weniger als 100 mm vom Bohrlochgrund entfernt ist, muss die Steuerung derart wirken, dass diese Abweichung vom Bezugswert, also von den 100 mm, kompensiert wird. Ist z. B. das Blasrohr 50 mm über dem Grund, so beträgt die Zeit, bis es den Grund bei einem Vorschub von z. B.
750 mm/min. erreicht, 4 sec.
Vom Taktfolgegeber 26 werden elektrische Kontakte gesteuert, welche während der ersten 8 sec des Prüfzyklus geschlossen bleiben. Da die Zeit zum Erreichen des Grundes 4 sec beträgt, stellt die Differenz (4 sec) das Ausmass der notwendigen Kompensation dar. Das Relais 62, dessen Kontakte 72,74 den
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Serienmotor steuern, wird daher 4 sec lang erregt sein. Während dieser Zeit betätigt der Serienmotor die Regelwiderstände 82, 84 der Drehzahlregeleinrichtung in einem solchen Sinn, dass das Blasrohr während der nächsten Bohrperiode langsamer vorgeschoben wird.
Beispiel 2 : Befindet sich das Blasrohr während der Prüfungsperiode mehr als 100 mm über dem Bohrlochgrund, wird die Vorschubgeschwindigkeit durch die Steuervorrichtung automatisch gesteigert. Die Steigerung erfolgt in einem proportionalen Ausmass zum Abstand zwischen dem Blasrohr und dem Bezugspunkt (100 mm).
In diesem Falle muss die Kompensation jede Abweichung vom Bezugspunkt ausgleichen können.
Ist der Abstand des Blasrohres vom Grunde z. B. 150 mm, so beträgt die Zeit bis zum Erreichen des Grundes, wieder bei einem Vorschub von 750 mm/min 12 sec. Vom Taktfolgegeber werden Kontakte gesteuert, die nach 8 sec schliessen und nach 14 sec öffnen. Die Differenz zwischen den 12 sec und den 8 sec, also 4 sec, stellen das notwendige Ausmass der Kompensation dar. Es wird in diesem Falle das Relais 70, dessen Kontakte 90,92 den Serienmotor mit umgekehrter Drehrichtung wie im Beispiel l einschalten, 4 sec lang erregt sein. Während dieser Zeit betätigt der Serienmotor die Regelwiderstände 82, 84 der Drehzahlregeleinrichtung in einem solchen Sinn, dass das Blasrohr während der nächsten Bohrperiode schneller vorgetrieben wird.
Beispiel 3 : Der Abstand des Blasrohres vom Grunde des Bohrloches ist während der Prüfungsperiode gleich den 100 mm, so dass keine Korrektur notwendig ist. Die Prüfzeit unter optimalen Bedingungen, d. h. mit einem Blasrohrabstand von 100 mm, beträgt 8 sec. Das Beispiel 3 entspricht der günstigsten Lage des Blasrohres. Die elektrischen Kontakte, die vom Taktfolgegeber 26 betätigt werden, bedingen die Wirkungslosigkeit des Serienmotors, und es findet keine Kompensation statt.