DE10116342A1 - Hubwinde - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Hubwinde und ein Verfahren zum Betreiben einer Hubwinde, welche eine drehbar gelagerte Trommel zur Aufnahme eines Seiles, einen Antrieb für die Trommel, eine Messeinrichtung zur Messung der Seillast sowie eine Steuereinheit zur Steuerung des Antriebes aufweist. Ein besonders effizienter Betrieb der Hubwinde wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Steuerung die momentane Zugkraft an dem Seil ermittelt, wobei bei Unterschreiten der Zugkraft unter eine Restzugkraft länger als eine definierte Zeitspanne die Leistung des Antriebes durch die Steuereinheit herabsetzbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Hubwinde, insbesondere eine Kellywinde für Tiefbau-Bohrgeräte, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine derartige Hubwinde umfasst eine dreh­ bar gelagerte Trommel zur Aufnahme eines Seiles, einen An­ trieb, durch welchen die Trommel zum Auf- und Abwickeln des Seiles drehbar ist, eine Messeinrichtung zur Messung einer Seillast und eine Steuereinheit für den Antrieb, wobei durch die Steuereinheit aufgrund der gemessenen Seillast eine Zugkraft an dem Seil bestimmbar und mit einer vorgeb­ baren Restzugkraft vergleichbar ist.

Eine gattungsgemäße Hubwinde oder Seilwinde geht aus der DE 297 23 821 hervor. Diese Seilwinde ist universell einsetz­ bar und erlaubt für eine Vielzahl von Anwendungsfälle einen effizienten Betrieb. Insbesondere ist eine Steuereinheit vorgesehen, welche im Zusammenhang mit einer Messeinrich­ tung eine Zugkraft misst und dafür sorgt, dass eine Rest­ zugkraft an dem Seil beibehalten wird. Denn sollte die Last an dem Seil bei weiterdrehender Trommel aufstehen, würde das Seil nicht mehr unter Spannung stehen und es würde sich dann eine größere Menge Schlappseil bilden. Dieses nicht mehr gespannte Seil kann dazu führen, dass die Seilwindun­ gen nicht mehr, wie vorgesehen, in den Rillen der Seil­ trommel liegen, sondern Rillen übersprungen werden, oder die Windungen unkontrolliert übereinander zu liegen kommen. Solch eine unsaubere Spulung auf der Winde führt zu hohem Seilverschleiß.

Bei der gattungsbildenden Hubwinde wird dies dadurch ver­ hindert, dass bei Unterschreiten der gemessenen Zugkraft unter die vorgegebene Mindest- oder Restzugkraft die Winde gestoppt wird. Hierdurch werden für viele Fälle die Bildung von Schlappseil und die damit verbundenen Nachteile zu­ verlässig verhindert.

Für bestimmte Anwendungsfälle, insbesondere bei Verwendung der Winde als Kellywinde für das Dreh-Bohrverfahren, kön­ nen hierbei Probleme auftreten. Trifft etwa die Last, also beispielsweise eine Kellystange, vor Erreichen der ge­ wünschten Tiefe auf einen festen Widerstand oder auf ein festeres Medium, beispielsweise Wasser in einem Bohrloch, kann die Zugkraft an dem Seil die Restzugkraft unterschrei­ ten. Dies führt dann zu einem Abschalten des Antriebes der Winde. Da beispielsweise bei dem Auftreffen auf Wasser die Last wieder weiter absinkt, und damit die momentane Zug­ kraft des Seiles die Restzugkraft wieder überschreitet, springt der Antrieb der Winde wieder an und wickelt das Seil mit der ursprünglichen Geschwindigkeit ab. Aufgrund der geringeren Absinkgeschwindigkeit der Last, beispiels­ weise im Wasser des Bohrloches, entsteht jedoch weiter er­ neut Schlappseil, so dass die Winde abermals gestoppt wird. Es kann sich dadurch ein Schwingungsgrenzzyklus bilden, der ein schnelles und effizientes Absinken der Last beeinträch­ tigt.

Aus diesem Grund wird für diesen Anwendungsfall des Bohrens mit Kellystangen häufig eine sogenannte Freifallwinde mit mechanischem Freifall eingesetzt, wobei eine Scheibenkupp­ lung die Windentrommel freigibt oder abbremst. Allerdings ist eine derartige Freifallwinde bezüglich Wartung und Ein­ stellung als auch bezüglich der Komplexität der Bauteile gegenüber einer gattungsbildenden Hubwinde nachteilig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Hubwinde zu verbessern und ein Verfahren zum Betrieb einer Hubwinde bereitzustellen, mit welchen in einem besonders weiten Anwendungsbereich ein effizienter Windenbetrieb ermöglicht wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Hubwinde mit den Merkmalen des Anspruches 1 sowie durch ein Verfahren zum Betrieb einer Hubwinde gemäß Anspruch 5 gelöst. Bevor­ zugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängi­ gen Ansprüchen angegeben.

Die erfindungsgemäße Hubwinde ist dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit und die Messeinrichtung zur konti­ nuierlichen Bestimmung der momentanen Zugkraft an dem Seil ausgebildet sind und dass bei Unterschreiten der Zugkraft unter die Restzugkraft die Leistung des Antriebes durch die Steuereinheit herabsetzbar und anpassbar ist, wobei durch eine Regelung die Zugkraft über der Restzugkraft gehalten wird.

Im Gegensatz zum Stand der Technik wird bei einem Unter­ schreiten der Restzugkraft bei der erfindungsgemäßen Winde die Leistung des Antriebes nicht gestoppt, sondern nur auf einen geringen Wert herabgesetzt. Hierdurch vermindert sich die Absinkgeschwindigkeit der Last, wobei sich die Seil­ spannung erhöht und wieder über den Schwellwert der Rest­ zugkraft steigen kann. Vorzugsweise kann dann auch wieder eine Erhöhung der Leistung des Antriebes erfolgen, so dass eine nahezu optimale Absinkgeschwindigkeit eingeregelt wer­ den kann. Es wird also eine einfache Schwarz-Weiß-Regelung, die beim Unterschreiten der Windenrestzugkraft den Winden­ antrieb komplett abschaltet, vermieden. Die Gefahr des Ent­ stehens eines nachteiligen Schwingungsgrenzzyklus mit einem ständigen An- und Abschalten des Windenantriebes wird wei­ testgehend reduziert und praktisch ausgeschlossen.

Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hub­ winde besteht darin, dass der Antrieb als ein hydraulischer Antrieb ausgebildet ist. Im Gegensatz zu einem Elektromotor ist ein hydraulischer Antrieb relativ steif, d. h. er kann mit einer sehr geringen Verzögerung Leistungsänderungen und damit Geschwindigkeitsänderungen des Seiles entsprechend der Vorgaben der Steuereinheit ausführen. Dies ist für eine schnelle Einregelung nahe dem optimalen Arbeitspunkt und der optimalen Absinkgeschwindigkeit besonders vorteilhaft.

Hierbei ist von besonderem Vorteil, dass die Steuereinheit zusammen mit dem hydraulischen Antrieb eine elektrohydrau­ lische Regelung bildet. Dabei kann die Steuereinheit ein elektrisches Ventil oder einen sehr kleinen elektrischen Stellmotor steuern, durch welchen wiederum der Hydraulikan­ trieb, etwa im Rahmen einer hydraulischen Drehmomentver­ stärkung gesteuert wird.

Für eine besonders einfache und zugleich genaue Messung der Seillast ist es bevorzugt, dass die Messeinrichtung an einer Umlenkrolle oder im Bereich der Trommel angeordnet ist. Eine Messung der Seillast im Bereich der Trommel kann etwa durch eine Drehmomentabstützung erfolgen, welche bei­ spielsweise im Zusammenhang mit dem gattungsbildenden Stand der Technik beschrieben und bekannt ist.

Die Steuereinheit weist vorzugsweise einen Datenspeicher zum Speichern zumindest wesentlicher Daten des vorherigen Hubzyklus, etwa Hublänge und Umkehrpunkte, sowie einen Pro­ zessor zur Auswertung und Beeinflussung des nächsten Hub­ zyklus auf Grundlage der Daten auf.

Hinsichtlich des Verfahrens ist die Erfindung dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Steuereinheit bei einem Unterschreiten der momentanen Zugkraft unter die Restzugkraft die Lei­ stung des Antriebes vermindert und anpasst und die Leistung des Antriebes anhand der momentan ermittelten Zugkraft durch die Steuereinheit geregelt wird.

Mit diesem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb einer Winde werden die vorstehend beschriebenen Vorteile er­ reicht.

Ein besonders effizienter Betrieb hinsichtlich der Absenk­ geschwindigkeit wird nach der Erfindung dadurch erzielt, dass durch die Messeinrichtung die Seillast kontinuierlich gemessen wird und dass die Steuereinheit kontinuierlich die momentane Zugkraft des Seiles bestimmt und mit der vorgege­ benen Restzugkraft vergleicht.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass zum Abstoppen des Seiles bei einem unteren Hubpunkt bei jedem Hubzyklus ein Tiefen-Um­ kehrpunkt in der Steuereinheit gespeichert wird und dass bei folgendem Hubzyklus vor Erreichen des vorausgehend ge­ speicherten Tiefen-Umkehrpunktes die Leistung des Antriebes durch die Steuereinheit vermindert wird. Dies ist insbeson­ dere beim sogenannten Bohren mit Kellystangen vorteilhaft, um ein schnelleres und zugleich schonenderes Abstoppen der Seillast zu erreichen. Zunächst wird bei jedem Hubzyklus durch Messung und Auswertung des Seilabspulweges durch eine geeignete Längenmesseinrichtung der jeweilige Umkehrpunkt gespeichert, an welchem eine Abwärtsbewegung in eine Auf­ wärtsbewegung oder umgekehrt gewechselt wird. Dieser Um­ kehrpunkt wird entsprechend der abgespulten Länge in einer entsprechenden Speichereinheit in der Steuereinheit ver­ merkt. Da beim Kellybohren im nachfolgenden Bohrzyklus die folgende Kellystange im Wesentlichen bei der glei­ chen oder einer definiert geänderten Höhe angesetzt werden muss, kann entsprechend einem vorgegebenen Programm in der Steuereinheit eine schonende und zugleich schnelle Abbrems­ bewegung der Seilgeschwindigkeit vor dem Umkehrpunkt einge­ leitet werden.

In vergleichbarer Weise ist es bevorzugt, dass zum Ab­ stoppen des Seiles an einem oberen Hubpunkt vor dessen Erreichen die Leistung des Antriebes durch die Steuerein­ heit vermindert wird. Insgesamt wird durch die Erfindung eine sozusagen "intelligente" Hubwinde erreicht, bei wel­ cher die Steuereinheit unter Berücksichtigung des momenta­ nen und des vorausgegangenen Betriebsablaufes die jeweils nahezu optimale Absenkgeschwindigkeit des Seiles einstel­ len kann.

Die Erfindung wird weiter anhand eines bevorzugten Ausfüh­ rungsbeispieles erläutert, welches schematisch in den Zeichnungen gezeigt ist. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Seil­ winde und

Fig. 2 eine Querschnittsansicht gemäß dem Schnitt A-A von Fig. 1.

In den Fig. 1 und 2 ist eine erfindungsgemäße Seilwinde 10 veranschaulicht. Eine Trommel 12 ist über Trommellager 14a, 14b drehbar um eine Mittenachse 18 an einem Gestell 13 mit zwei Gestellträgern 13a, 13b gelagert. Die Trommel 12 ist zur Aufnahme eines Seiles 11 ausgebildet, welches ein- oder mehrlagig auf die Trommel 12 aufgewickelt werden kann.

Zum rotierenden Antreiben der Trommel 12 und somit zum Auf- oder Abwickeln des Seiles 11 ist ein Antrieb 16 vorgesehen. Dieser kann ein Motor oder eine Kombination aus einem Motor und einem Getriebe sein. Bei der dargestellten Ausführungs­ form ist die Trommel 12 als eine Hohltrommel ausgebildet, in deren Hohl- oder Innenraum der Antrieb 16 mit seiner An­ triebswelle 17 koaxial zur Mittenachse 18 angeordnet ist. Die Drehmomentübertragung zwischen dem Antrieb 16 und der Trommel 12 erfolgt über eine Drehverbindung, welche eine Keilnutverbindung sein kann.

Zur Bestimmung der an dem Seil 11 anliegenden Kraft ist der Antrieb 16 über Antriebslager 19 drehbar innerhalb der Trommel 12 gelagert. Zur Abstützung des Drehmoments bei Drehung der Trommel 12 ist der Antrieb 16 ausschließlich über eine hebelförmige Drehmomentstütze 20 mit dem Gestell 13 fest verbunden.

An der mit zwei Verbindungsbolzen gelagerten Drehmoment­ stüzte 20 ist eine nicht dargestellte Messeinrichtung vor­ gesehen, durch welche das abgestützte Drehmoment bestimmbar ist. Der jeweils ermittelte Meßwert kann beispielsweise über eine Leitung 21 an eine nicht dargestellte Rechnerein­ heit weitergeleitet werden, in welcher entsprechend dem Trommeldurchmesser unter Berücksichtigung der Anzahl der Seillagen auf der Trommel 12, welche den tatsächlichen Trommeldurchmesser erweitern können, eine am Seil 11 an­ liegende Kraft gemessen wird. Entsprechend dem gemessenen Zugkraftwert erfolgt eine Regelung des Antriebs 16, wobei bei Verminderung des Zugkraftwertes eine Verminderung der Leistung des Antriebes 16 und damit der Abwickelgeschwin­ digkeit erfolgt.

Claims (8)

1. Hubwinde, insbesondere Kellywinde für Tiefbau-Bohrge­ räte, mit
einer drehbar gelagerten Trommel (12) zur Aufnahme eines Seiles (11),
einem Antrieb (16), durch welchen die Trommel (12) zum Auf- und Abwickeln des Seiles (11) drehbar ist,
einer Messeinrichtung zur Messung einer Seillast und
einer Steuereinheit für den Antrieb (16), wobei durch die Steuereinheit aufgrund der gemessenen Seillast eine Zugkraft an dem Seil (11) bestimmbar und mit einer vorgebbaren Restzugkraft vergleichbar ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Steuereinheit und die Messeinrichtung zur kontinuierlichen Bestimmung der monmentanen Zugkraft an dem Seil (11) ausgebildet sind und
dass bei Unterschreiten der Zugkraft unter die Rest­ zugkraft die Leistung des Antriebes (16) durch die Steuereinheit entsprechend herabsetzbar und anpass­ bar ist, wobei durch eine Regelung die Zugkraft über der Restzugkraft gehalten wird.

2. Hubwinde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (16) als ein hydraulischer Antrieb ausgebildet ist.

3. Hubwinde nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit zusammen mit dem hydraulischen Antrieb eine elektrohydraulische Regelung bildet.

4. Hubwinde nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung an einer Umlenkrolle oder im Bereich der Trommel (12) angeordnet ist.

5. Verfahren zum Betrieb einer Hubwinde (10) gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit bei einem Unterschreiten der momentanen Zugkraft unter die Restzugkraft die Lei­ stung des Antriebes (16) vermindert und anpasst und die Leistung des Antriebes (16) anhand der momentan ermittelten Zugkraft durch die Steuereinheit geregelt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Messeinrichtung die Seillast kontinu­ ierlich gemessen wird und dass die Steuereinheit kontinuierlich die momentane Zugkraft des Seiles (11) bestimmt und mit der vorge­ gebenen Restzugkraft vergleicht.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass zum Abstoppen des Seiles (11) bei einem unteren Hubpunkt bei jedem Hubzyklus ein Tiefen-Umkehrpunkt in der Steuereinheit gespeichert wird und dass beim fol­ genden Hubzyklus vor Erreichen des vorausgehend ge­ speicherten Tiefen-Umkehrpunktes die Leistung des An­ triebes (16) durch die Steuereinheit vermindert wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zum Abstoppen des Seiles (11) an einem oberen Hubpunkt vor dessen Erreichen die Leistung des Antrie­ bes (16) durch die Steuereinheit vermindert wird.