DE1426604C - Verstellvorrichtung fur einen Kolben motor - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Verstellvorrichtung für Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bei einen Kolbenmotor, dessen Arbeitskolben von der den vorstehend erwähnten Verstellvorrichtungen vorDruckdifferenz an einer im Durchflußweg der Druck- handenen Fehlerquellen zu vermeiden, d. h. un.abflüssigkeit angeordneten ersten Drossel beaufschlagt hängig von der Geschwindigkeit des Ärbeitskolbens.. ist und bei der der Durchgangsquerschnitt der ersten 5 des Kolbenmotors den Arbeitsdruck im wesentlichen Drossel über ein Steuerglied in Abhängigkeit von konstant zu halten bzw. nur durch die Strömungsgeder Druckdifferenz an der ersten Drossel veränder- schwindigkeit der Druckflüssigkeit zu ändern, bar ist. Die gestellte Aufgabe wird bei einer Verstellvor-

Bei bekannten Verstellvorrichtungen für hydrau-' richtung der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst,-lische Kolbenmotoren besitzt die im Durchflußweg ίο daß gemäß der Erfindung das Steuerglied zusätzlich der Druckflüssigkeit angeordnete Drossel einen unver- in Abhängigkeit von der Druckdifferenz an einer im . änderlichen Querschnitt, so daß die jeweilige Größe Durchflußweg der Druckflüssigkeit in Reihe mit der der Kraftabgabe nicht nur eine Funktion der züge- ersten Drossel vorgesehenen zweiten Drossel so verführten Druckflüssigkeitsmenge, sondern auch eine stellbar ist, daß die Druckdifferenzen direkt proportio-Funktion der Geschwindigkeit ist, mit der der Arbeits- 15 nal zueinander sind.

kolben mit Bezug auf seinen Zylinder arbeitet. Dies ist Bei der Verstellvorrichtung nach der Erfindung ist

darauf zurückzuführen, daß die Durchflußgeschwin- nur der Durchfluß durch die erste Drossel mit ver-

digkeit der Flüssigkeit durch die Drossel die Summe änderlichem Querschnitt, auch »Lastdrossel« genannt,

oder-die Differenz der Zufuhrgeschwindigkeiten und den Geschwindigkeitsänderungen des Kolbens mit Be-

der Geschwindigkeit darstellt, mit welcher die Flüssig- 20 zug auf seinen Zylinder unterworfen. Der Durchfluß

keit infolge der Bewegung des Arbeitskolbens in die durch die zweite Drössei, auch »Steuerdrossel« ge-

beiderseits des Kolbens gebildeten Zylinderräume ein- nannt, ist immer gleich der Strömungsgeschwindigkeit

tritt oder austritt. Daher beeinträchtigt die Bewegungs- der Druckflüssigkeit, und die-Druckdifferenz an der

geschwindigkeit des Arbeitskolbens,den auf ihn wirk- Steuerdrossel daher eine Funktion lediglich der Strö-

samen Druckunterschied. 25 mungsgeschwindigkeit (wenn nicht willkürlich weitere

Ferner ist es bekannt, einen Servokolben mit der Faktoren eingeführt werden). Da aber gemäß der ErDruckdifferenz einer im Durchflußweg der Druck- findung die Druckdifferenz an der Lastdrossel direkt flüssigkeit angeordneten Drossel zu beaufschlagen. proportional zur Druckdifferenz an der Steuerdrossel Dabei ist der Drosselquerschnitt durch ein Steuerglied ist, ist die Größe der abgegebenen Kraft von der relaabhängigvon dieser Druckdifferenz einstellbar. Mit 30 tiven Kolbengeschwindigkeit unabhängig, dieser Anordnung läßt sich jedoch ein konstanter Wenn die Steuerdrossel einen konstanten DurchArbeitsdruck des Servokolbens nicht erreichen. trittsquerschnitt hat, dann verändert sich die abge-

Eine weitere Verstellvorrichtung, die sich für die gebene Kraft mit dem Quadrat der Strömungsge-Herstellung von Bohrlöchern eignet, ist in der deut- schwindigkeit der Druckflüssigkeit. Nach einer vorsehen Patentschrift 1 084 216 beschrieben. Diese Vor- 35 teilhaften Weiterbildung der Erfindung kann der Querrichtung weist einen Motor auf, der als Elektromotor schnitt der Steuerdrossel entweder als Funktion des oder als hydraulische Turbine ausgebildet sein kann Druckes stromaufwärts der Steuerdrossel veränderbar und von dem durch ein hohles Bohrgestänge nach sein, um eine Veränderung der Kraftabgabe mit einer unten gepumpten Bohrschlamm betätigt wird. Die anderen Potenz der Strömungsgeschwindigkeit der Motorwelle ist. mit einem umlaufenden Bohrwerkzeug 40 Druckflüssigkeit zu erreichen, oder aber in Abhängigverbunden und weist einen hydraulischen Stempel auf, keit von irgendeinem anderen oder mehreren Faktoren der zwischen dem Motor und einer schweren Ringan- veränderbar sein. Wenn es erwünscht ist, eine Steuerung Ordnung angeordnet ist, die den Bohrstrang in Span- in Abhängigkeit von mehr als einem Faktor durchzununghält, welcher sich durch das Bohrloch der Ring- führen, kann es auch zweckmäßig sein, die Steueranordnung nach unten erstreckt. Die Stempelanord- 45 drossel in eine entsprechende Anzahl von Drosseln zu nung dient zur Regelung der axialen Belastung, die auf unterteilen, die hintereinander oder parallel zueindas Bohrwerkzeug wirkt und als »Bohrerbelastung« be- ander angeordnet sind.

kannt ist. Der Stempelanordnung wird durch eine von Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung dem Bohrmotor angetriebene Pumpe mit positiver Ver- ergeben sich aus den Unteransprüchen, drängung öl zugeführt. Bei einer gegebenen Bohrer- 5° Die Erfindung ist besonders geeignet für Vorschubbelastung nimmt das zum Drehen der Bohrer erforder- vorrichtungen an umlaufenden Bohrern, beispielsweise liehe Drehmoment mit der Zunahme der Härte der zu bei der Herstellung von Erdbohrungen, bei denen es bohrenden Formation ab, es besteht daher die Neigung erwünscht ist, eine gewünschte Beziehung zwischen der einer Drehzahlzunahme. Hohe Drehzahlen sind jedoch Drehzahl des Bohrers und der auf ihn aufgebrachten bei harten Formationen schädlich und verkürzen die 55 Vorschubkraft aufrechtzuerhalten, unabhängig von der Lebensdauer des Bohrwerkzeugs. Sie können auch Vorschubgeschwindigkeit des Bohrers. Ebenso ist die einen Schaden oder eine vorzeitige Abnutzung der Tür- Erfindung aber auch mit Erfolg bei automatisch schliesbine verursachen. Die deutsche Patentschrift 1 084 216 senden Türen einsetzbar, wo der Schließkolben beim zeigt verschiedene Wege, wie derartige Drehzahlen Vorliegen einer großen Gegenkraft; beispielsweise vermieden werden können, indem die Bohrerbelastung 6° durch eine sreh im Türbereich befindende Person, keine in-Abhängigkeit von der Drehzahl mittels der Stempel- oder nur eine geringe Kraft auf diese Person ausüben Vorrichtung geregelt wird. Die auf diese Weise ausge- darf.

übte Regelung kann jedoch fehlerhaft sein, wenn die Nachfolgend sind Ausführungs- und Anwendungs-

Vorschubgeschwindigkeit des Bohrgestänges, d. h. die beispiele der Erfindung sowie deren Vorteile an Hand

Geschwindigkeit, bei welcher das Bohrgestänge im 65 von Zeichnungen beschrieben:

■Bohrloch abgesenkt wird, sich von der Eindringge- F i g. 1 zeigt ein Prinzipschaltbild der Verstellvor-

schwindigkeit des Bohrwerkzeuges in die Formation richtung nach der Erfindung;

Unterscheidet. F i g. 2 zeigt eine vereinfachte Konstruktion der Ver-

Stellvorrichtung mit einer Steuerdrossel unveränderlichen Querschnittes;

F i g. 3 zeigt einen abgewandelten Aufbau mit einer •Steuerdrossel veränderlichen Querschnitts.

Die in F i g. 1 gezeigte Verstellvorrichtung besteht aus einem Arbeitskolben 1, der in einem Zylinder 2 wirksam ist, womit eine obere und eine untere Arbeitskammer 3 bzw. 4 gebildet werden. Durch einen mit einer zweiten Drossel Oc unveränderlichen Querschnitts versehenen Kanal 5 strömt Druckflüssigkeit zu einem Kanal 6, in dem sich eine erste Drossel Ol veränderlichen Querschnitts befindet. Durch einen Kanal 7 strömt die Druckflüssigkeit dann zur Niederdruckseite der Verstellvorrichtung zurück. Die Kanäle 5, 6 und 7 stellen zusammen den »Durchflußweg« dar, der in dieser Beschreibung erwähnt wird.

Die Druckflüssigkeit wird durch die Kanäle 8 und 9, welche von dem Kanal 6 stromaufwärts bzw. stromabwärts der ersten Drossel Ol abzweigen, in die Arbeitskammern 3 und 4 eingelassen, so daß der Druckabfall an der ersten Drossel Ol auf den Arbeitskolben einwirken kann und dort eine Kraftwirkung ausübt, die proportional dem Druckabfall ist. Wenn die erste Drossel Ol eine öffnung unveränderlichen Querschnitts hätte, würde die Kraftabgabe des Arbeitskolbens 1 eine Funktion sowohl der Kolbengeschwindigkeit als auch der Zufuhrmenge der Druckflüssigkeit durch den Kanal 5 sein, da die Durchflußmenge durch die erste Drossel Ol gleich der Zufuhrmenge plus bzw. minus der aus bzw. in die Arbeitskammer 3 strömen den Flüssigkeitsmenge ist. Der Fluß durch die zweite Drossel Oc wird jedoch durch diese Plus- und Minusabweichung nicht berührt. Demzufolge kann das gewünschte Ergebnis, die Kraftabgabe lediglich als eine Funktion der Druckflüssigkeitszufuhr durch den Kanal 5 zu halten, durch Veränderung des Querschnitts der ersten Drossel Ol dadurch erreicht werden, daß der Druckabfall an ihr immer dem Druckabfall an der zweiten Drossel direkt proportional ist.

Zu diesem Zweck ist ein Steuerglied 10, welches die Öffnungsquerschnitte der ersten Drossel Ol steuert, mit einem Ausgleichshebel 11 verbunden, der bei 12 an ein stationäres Teil angelenkt und ebenso mit zwei Kolben 13 und 14 verbunden ist, welche in den Zylindern 15 bzw. 16 wirksam sind. Der Kolben 13 teilt den Zylinder 15 in eine untere und eine obere Arbeitskammer 17 und 18, welche durch Kanäle 19 und 20 mit dem Kanal 5 stromaufwärts bzw. stromabwärts der zweiten Drossel Oc verbunden sind, so daß der Druckabfall im Sinne einer Verminderung des öffnungsquerschnitts der_ersten Drossel Ol auf den Kolben 13 wirksam ist. Ähnlich teilt der Kolben 14 den Zylinder 16 in eine obere und eine untere Arbeitskammer 21 bzw. 22, weiche durch Kanäle 23 bzw. 24 mit dem Kanal 6 stromaufwärts bzw. stromabwärts der ersten Drossel Ol verbunden sind, so daß der Druckabfall im Sinne einer Vergrößerung des Öffnungsquerschnittes der ersten Drossel. Ol auf den Kolben 14 einwirkt, d. h. entgegengesetzt zum Kolben 13.

Wenn nun folgende Zusammenhänge angenommen werden:

P₁ = Zufuhrdruck stromaufwärts der zweiten Drossel Oc und in der Arbeitskammer 17,

P₂ = Druck stromabwärts der zweiten Drossel Oc und in den Arbeitskammern 3,18 und 21,

P₃ — Druck stromabwärts der ersten Drossel Ol und in den Arbeitskammern 4 und 22,

A₁ — Fläche des Kolbens 13,
A₂ = Fläche des Kolbens 14,
L₁ — Hebelarm des Kolbens 13,
L₂ = Hebelarm des Kolbens 14,

dann wird bei Vernachlässigung der kleinen Flächen der Kolbenstangen und des Steuerglieds 10 ein Ausgleich erreicht, sobald

(P₁ - P₂) A₁ L₁ = (P₂ - P₃) A₂ L₂

ist, daher ist

= (Pi - Λ)

A₁L₁ A₂L₂

Da A₁, A₂, L₁ und L₂ konstant sind, ist P₂ — P₃ mithin direkt proportional der Druckdifferenz P₁ — P₂ an der zweiten Drossel Oc und unabhängig von der Geschwindigkeit des Arbeitskolbens 1. Wenn die Bedingungen sich in solcher Weise ändern, daß das Gleichgewicht gestört ist, dann bewegen sich die Kolben 13 und 14 und das Steuerglied 10 jeweils in eine solche Richtung, daß das Gleichgewicht wiederhergestellt wird. Wenn beispielsweise die Abwärtsge^chwindigkeit des Arbeitskolbens abnimmt, während die Druckflüssigkeitszufuhr unverändert bleibt, dann steigt der Wert P₂ — P₃ an, und das Steuerglied 10 bewegt sich nach unten, um die erste Drossel Ol weiter zu öffnen. Die maximale Abwärtsgeschwindigkeit des Arbeitskolbens wird natürlich durch die maximale Druckflüssigkeitszufuhr durch den Kanal 5 bei geschlossener erster Drossel Ol bestimmt. Die Anlage arbeitet auch dann, wenn der Arbeitskolben 1 durch eine von außen auf die Kolbenstange einwirkende Kraft entgegen der Richtung der Kraftabgabe nach oben verschoben wird. Die Vorrichtung kann durch Verwendung eines Differentialkolbens anstelle der zwei getrennten Kolben 13 und 14, die durch den Ausgleichshebel 11 miteinander verbunden sind, mechanisch vereinfacht werden. Dies ist in F i g. 2 dargestellt, in welcher ein Arbeitskolben 1 in einem Zylinder 2 mit Arbeitskammern 3 und .4 wirksam ist. Die durch den Kolben entwickelte Kraft wird durch eine Kolbenstange 30 auf den Kraftverbraucher übertragen, wobei natürlich auf das Gehäuse 31, welches den Zylinder 2 und andere Teile der Vorrichtung enthält, eine gleiche und entgegengesetzte Reaktionskraft ausgeübt wird.

Im Gehäuse 31 befindet sich ein abgestufter Zylinder, welcher an seinem Ende 32 größeren Durchmessers über einen Kanal 33 mit der Arbeitskammer 3 und an seinem Ende 34 mit dem kleineren Durchmesser mit einem Raum 35 in Verbindung steht, der wiederum Verbindung zur Arbeitskammer 4 hat. In dem abgestuften Zylinder arbeitet ein Differentialkolben mit einem Teil 36 größeren Durchmessers und einem Teil 37 kleineren Durchmessers und bildet mit der Stufe eine Arbeitskammer 38. Im Gehäuse 31 befindet sich eine Zahnradpumpe 39 mit einer Antriebswelle 40. Die Zahnradpumpe saugt Flüssigkeit durch eine Einlaßöffnung 41 an und fördert sie durch einen Kanal 42 in die Arbeitskammer 38, von wo sie durch einen Kanal 43, die zweite Drossel Oc mit unveränderlichem Öffnungsquerschnitt und den Kanal 33 in die Arbeitskammer 3 eintritt. Die Flüssigkeit aus dem Kanal 33 kann auch über einen Kanal 44 zur Niederdruckseite der Anlage zurückfließen. Der Kanal 44 mündet so in das Zylinderende 32 ein, daß der Teil 36 des Differentialkolbens mit dem größeren Durchmesser den öff-

nungsquerschnitt des Kanals 44 nach Art der ersten Drossel Ol rnit veränderlichem Öffnungsquerschnitt steuert. Das "Gehäuse 31 ist teilweise mit Arbeitsflüssigkeit 45 gefüllt und bei 46 mit der Atmosphäre verbunden, kann jedoch ebensogut gänzlich mit einer Flüssigkeit oder einem Gas gefüllt sein, wobei das Innere durch eine biegsame Membran oder ein anderes Mittel, welches die Druckübertragung gestattet, von dem das Gehäuse umgebenden Strömungsmittel getrennt wird.

Es ist ersichtlich, daß genau wie bei der in F i g. 1 gezeigten Anordnung die gesamte von der Pumpe 39 geförderte Flüssigkeitsmenge ständig die zweite Drossel durchströmt. Während die erste Drossel Ol diesen Durchfluß plus bzw. minus der aus der bzw. in die -Arbeitskammer 3 strömenden Flüssigkeitsmenge passieren läßt.

Bei Anwendung derselben Bezeichnungen wie in ' F i g. 1, abgesehen davon, daß A₁ jetzt die Fläche der Kolbenstufe und und A₂ die Fläche des Teiles 37 des Kolbens ist, ergibt sich dann die Gleichung:

(P₁ - PO A₁ = (P₂ - P.) A₂;
damit ist dann:

P^P₈ (P₁P₂).

Αχ t

Obwohl die Hebelarme bei F i g. 2 nicht in Erscheinung treten, zeigt der Aufbau nach F i g. 2 dieselben Ergebnisse wie der nach F i g. 1. Da die zweite Drossel Oc einen unveränderlichen Öffnungsquerschnitt hat und die Pumpe 39 eine Zahnradpumpe ist, ist der Druckabfall an der zweiten Drossel Oc dem Quadrat der Geschwindigkeit N der Pumpenantriebswelle 40 proportional. Demzufolge sind der Druckabfall an der ersten Drossel Ol und die durch den Arbeitskolben 1 entwickelte Kraft ebenfalls proportional zu N². Das öesetz der quadratischen Beziehung kann dadurch abgewandelt werden, daß man die unveränderliche zweite Drossel Oc durch eine Drossel ersetzt, deren Öffnungsquerschnitt sich mit dem Druckabfall an dieser zweiten Drossel gemäß einem gewählten Gesetz ändert. F i g. 3 zeigt eine Abwandlung dieser Art, wobei die Vorrichtung ähnlich der nach F i g. 2 ausgebildet ist, abgesehen davon, daß der Kanal 43 und die zweite Drossel Oc durch einen Kanal 50 ersetzt sind, der sich durch den Teil 36 des Differentialkolbens mit dem größeren Durchmesser hindurch erstreckt und eine Drosselöffnung Oc aufweist, deren Öffnungsquerschnitt von einem als Kolbenschieber ausgebildeten Steuerglied 51 gesteuert wird, welches durch eine Feder 52 belastet ist und sich in Abhängigkeit von Veränderungen des Druckabfalls an der Drosselöffnung Oc bewegt. Bei der dargestellten Anordnung nimmt der Öffnungsquerschnitt bei einer Zunahme des Druckabfalls an der • Drosselöffnung zu, so daß durch geeignete Wahl des Profils der Öffnung jedes beliebige Gesetz nach der Formel

P₁-Pt = KN^X

erzielt werden kann, wobei χ kleiner ist als 2. Durch eine Umkehr der Anordnung, so daß der Öffnungsquerschnitt bei einer Zunahme des Druckabfalls an der Drosselöffnung abnimmt, können Gesetze nach derselben Formel erreicht werden, wobei jedoch χ größer als 2 ist.

Die Erfindung ist insbesondere für Bohrausrüstungen zur Herstellung von Bohrlöchern geeignet, wozu sie einen Motor in Form eines Elektromotors oder einer hydraulischen Turbine aufweist, der von dem durch einen hohlen Bohrstrang nach unten gepumpten Bohrschlamm betätigt wird und dessen Motorwelle "mit einem umlaufenden Bohrwerkzeug verbunden ist. Ausserdem gehört zur Ausrüstung ein hydraulischer Stempel, der zwischen dem Motor und einer schweren Ringanordnung angeordnet ist und der den Bohrstrang, wfelcher sich durch das Bohrloch zu der Ringanordnung nach unten erstreckt, in Spannung hält. Der hydraulische Stempel dient zur Regelung der axialen Belastung, die auf das Bohrwerkzeug wirkt und als Bohrerbelastung bekannt ist. Dem hydraulischen Stempel wird durch eine von dem Bohrmotor angetriebene Pumpe öl zugeführt. Durch die Stempelkonstruktion nach der Erfindung wird dafür gesorgt, daß der Arbeitsdruck konstant gehalten wird bzw. nur durch die Strö-

ao mungsgeschwindigkeit des Öls geändert werden kann.

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Verstellvorrichtung für einen Kolbenmotor, dessen Arbeitskolben von der Druckdifferenz an einer im Durchflußweg der Druckflüssigkeit angeordneten ersten Drossel beaufschlagt ist und bei der der Durchgangsquerschnitt der ersten Drossel über ein Steuerglied in Abhängigkeit von der Druckdifferenz an der ersten Drossel veränderbar ist, d adurch gekennzeichnet, daß das Steuerglied (10, 36) zusätzlich in Abhängigkeit von der Druckdifferenz (P₁ — P₁) an einer im Durchflußweg der Druckflüssigkeit in Reihe mit der ersten Drossel (O_L) vorgesehenen zweiten Drossel (O₁) so verstellbar ist, daß die Druckdifferenzen direkt . ~ proportional zueinander sind.

2. Verstellvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchgangsquerschnitt durch die zweite Drossel (Oc) durch ein in Abhängigkeit von dem stromaufwärts der zweiten Drossel (Oc) herrschenden Druck betätigtes Steuerglied (51) veränderlich ist.

3. Verstellvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das den Durchgangsquerschnitt der ersten Drossel (Ol) verändernde Steuerglied (10) ein Ventilkörper ist, der mit zwei auf Druck ansprechenden, einander entgegenwirkenden Kolben (13,14) zusammenwirkt, von denen ■ ein Kolben (13) auf die Druckdifferenz an der zweiten Drossel (Oc) und der andere Kolben (14) auf die Druckdifferenz an der ersten Drossel (Ol) anspricht.

4. Verstellvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Kolben zu einem Differentialkolben (36, 37) vereinigt sind. · .

5. Verstellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Drossel (Oc) von einem mit einer axialen Drosselbohrung versehenen Schraubnippel gebildet ist, der von außen her zugänglich und gegen eine andere Drossel mit anderer Drosselbohrung austauschbar ist.

6. Verstellvorrichtung nach einem der An-Sprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein gegen die Kraft einer Feder axial fluchtend zum Ventilkörper der ersten Drossel (Ol) beweglich an-■ geordneter Stößel vorgesehen ist, welcher am unte-

ren Ende des Arbeitskolbenhubes am Ventilkörper angreift und auf diesen im Öffnungssinne verschiebend einwirkt.

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7. Verstellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Durchflußweg der Druckflüssigkeit von der normalerweise mit Niederdruck beaufschlagten zur normalerweise mit Hochdruck beaufschlagten Seite

des Kolbens ein in einer Richtung wirksames Entlastungsventil angeordnet ist.

8. Verstellvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Entlastungsventil einen ' nach unten durch den Ventilsitz bis über die untere Arbeitskolbenfläche hinaus vorstehenden Absatz aufweist, welcher das Entlastungsventil am unteren Ende des Arbeitskolbenhubes öffnet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen