DE19803596C2 - Proportionalventil zum Steuern eines Horizontalbohrschlittens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Proportionalventil zum Steuern der Schlittenge­ schwindigkeit eines Bohrschlittens, wie er beim horizontalen Erdbohren ein­ gesetzt wird.

Bei dieser Bohrtechnik, wie sie in der deutschen Patentschrift DE 42 20 430 C2 beschrieben ist, wird ein Bohrkopf mit Hilfe einer Lafette, entweder durch Aneinanderfügen einzelner Gestängeschüsse und Eintreiben in das Erdreich vorwärts bewegt, wobei das Gestänge rotiert, oder durch schrittweises Herausziehen und Lösen der Gestängeschüsse in entgegengesetzter Rich­ tung durch das Erdreich gezogen, wobei keine Rotation des Gestänges stattfindet.

Bei diesem Vorgang wird der Bohrschlitten mit dem in die Lafette eingeleg­ ten Gestängeschuß in die Bohrachse verfahren, bis der Gestängeschuß so weit in die Bohrachse eingetrieben ist, daß die Lafette einen neuen Gestän­ geschuß aufnehmen kann. Dafür wird der Bohrschlitten zunächst wieder in seine Ausgangsposition zurückverfahren. In dieser Position wird ein neuer Gestängeschuß in die Bohrachse eingelegt und beispielsweise über eine Schraubverbindung mit dem bereits im Erdreich befindlichen Gestängeschuß verschraubt. Diese Arbeitsschritte wiederholen sich für jeden einzelnen Gestängeschuß, wobei der Schlitten üblicherweise hydraulisch hin- und herbewegt wird und das Gestänge rotiert. Beim Arbeitshub ist häufig gleich­ zeitig eine Bohrsuspensionspumpe in Betrieb.

Die Hydraulik wird bei bekannten Bohrlafetten über ein Zweiwegeproportio­ nalventil durch eine Bedienperson vom Steuerpult der Bohrlafette aus per Hand gesteuert. Gebräuchliche Proportionalventile besitzen einen Steuer­ hebel, der den Öldurchfluß in seiner Mittenstellung blockiert. Der Hebel kann aus dieser Stellung in zwei Richtungen bewegt werden, wobei jede Richtung einen unterschiedlichen Steuerkanal freigibt und dadurch zu einer unter­ schiedlichen - jeweils entgegengesetzten - Bewegungsrichtung des Bohr­ schlittens führt.

Eine Besonderheit des Proportionalventils besteht darin, daß die Durchfluß­ menge des Hydraulikmediums vom Ausmaß der Winkelbewegung des Hebels aus der Mittenstellung heraus abhängt. Dies erlaubt es, mit Hilfe eines Anschlags die maximale Durchflußmenge des Hydraulikmediums am Hebel voreinzustellen.

So läßt sich beispielsweise für den Hebelausschlag in einer Richtung ein bestimmter Anschlag und damit eine bestimmte Durchflußmenge und für den Hebelausschlag in die andere Richtung ein anderer Anschlag einstellen und dadurch eine unterschiedliche Durchflußmenge je nach Betätigungsrichtung des Hebels vorbestimmen. Damit besteht die Möglichkeit, den Bohrschlitten beim Arbeitsgang bzw. beim Eintreiben des Gestänges in das Erdreich langsam und bei der Leerfahrt zur Freigabe der Gestängeaufnahme der Bohrlafette schnell zu verfahren.

In der Praxis haben sich derartige verstellbare Anschläge für Betätigungs­ hebel von Proportionalventilen jedoch als umständlich erwiesen, da ein Wechsel von Gestängeschußzugabe zur Gestängeschußentnahme - wie er beispielsweise beim Wechsel vom Pilotbohren zum Aufweiten der Pilotboh­ rung und Einziehen eines Rohres in entgegengesetzter Richtung nötig ist - ein vollständiges Neueinstellen der Anschläge erfordert. Diese Neueinstel­ lung wäre somit nach jeder Pilotbohrung notwendig, da anschließend immer ein Rohrstrang eingezogen oder das Gestänge aus der Bohrung herausge­ zogen wird. Dabei ist die Umstellarbeit um so größer, je feiner sich die Anschläge einstellen lassen. Der Umstellungsaufwand wird als besonders störend empfunden, wenn der Bohrkopf mit dem Bohrgestänge beispiels­ weise für eine Korrektur der Bohrachse oder zum Umgehen eines Hindernis­ ses - wie beim Richtungsbohren gemäß der europäischen Offenlegungs­ schrift EP 0 247 767 A1 möglich - ein mehrfaches kurzzeitig aufeinanderfolgendes Eintreiben und Herausziehen des Bohrgestänges erfordert.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Vorrichtung zur Leerhub­ steuerung eines Bohrschlittens zu schaffen, mit der ein einfacher Richtungswechsel der Schlittenbewegung möglich ist, ohne auf die Vorteile unterschiedlicher voreingestellter Geschwindigkeiten je nach Bewegungs­ richtung verzichten zu müssen.

Das Problem wird gelöst durch ein Proportionalventil gemäß Anspruch 1.

Das erfindungsgemäße Proportionalventil basiert auf dem Lösungsgedan­ ken, einen asymmetrischen und in seiner Ausrichtung invertierbaren Anschlag am Betätigungshebel einer Steuerung, wie beispielsweise eines Proportionalventils, vorzusehen, wobei sich die Stellung des Anschlags auf den maximalen Hebelweg auswirkt.

Der Anschlag kann aus einer asymmetrischen und auf der Hebelachse um 180° verschwenkbaren Nocke bestehen, die dann zur Begrenzung des Hebelausschlags jeweils mit der in Betätigungsrichtung angeordneten Nockenseite beispielsweise an einen feinverstellbaren Begrenzungsrahmen anschlägt und damit eine bestimmte Geschwindigkeit vorgibt.

Alternativ kann der Anschlag als Scheibe ausgebildet sein, die eine Auswahl zwischen verschiedenen Hebelwegen ermöglicht.

So kann der Bohrschlitten der Bohrlafette beim Eintreiben des Bohrgestän­ ges in das Erdreich durch Verschwenken des Betätigungshebels mit asym­ metrischem Anschlag langsam vorwärts bewegt werden, indem der Hebel in einer Richtung bis zum Anschlag gedrückt wird, wobei die Ölmenge begrenzt ist, und schnell zurückgefahren werden, um dann die Gestängeschußauf­ nahme der Bohrlafette wieder freizugeben, indem der Betätigungshebel in entgegengesetzter Richtung bis zum Anschlag verschwenkt wird, wobei die volle Ölmenge zur Verfügung steht.

Dabei ist der asymmetrische Anschlag so auf dem Betätigungshebel ange­ ordnet, daß beispielsweise die weiter hervorstehende Seite des Anschlags in der gegebenen Position, die in der Schwenkebene des Hebels einen kür­ zeren Hebelweg zuläßt, in derjenigen Schwenkrichtung angeordnet ist, die ein Verfahren des Bohrschlittens in Vortriebsrichtung des Bohrgestänges bewirkt.

Der Schlitten wird folglich bei entgegengesetzter Hebelbetätigung schneller verfahren, da der asymmetrische Anschlag ein größeres Auslenken des Schwenkhebels und damit eine größere Durchflußmenge des Hydraulikme­ diums im Proportionalventil erlaubt. So kann beispielsweise die volle Ölmenge der Hydraulikstation für den Leerhub ausgenutzt werden, was die Ölmenge des Rotationsantriebs und der Spülmittelpumpe einschließt.

Soll das Gestänge nun wieder aus dem Erdreich entfernt werden, was eine Umkehrung von Arbeitsfahrt und Leerfahrt des Bohrschlittens erfordert, wird die asymmetrische Nocke auf dem Betätigungshebel in ihre entgegenge­ setzte Position verstellt. Dies kann beispielsweise durch eine auf der Hebelachse rotierbare Nocke erfolgen, indem diese gedreht wird. Besonders vorteilhaft ist dabei die Verwendung eines den Betätigungshebel und die Nocke umgebenden Nockenrahmens, der einerseits die jeweiligen Maxi­ malausschläge des Betätigungshebels begrenzt und andererseits eine sta­ bile Führung für den asymmetrischen Anschlag liefert. Dieser erlaubt auch die Verwendung feinfühliger Einstellschrauben ohne aufwendigen Umstell­ vorgang beim Bohrrichtungswechsel.

Die Nocke kann auch als eine oder mehrere Scheiben mit mehreren Anschlägen und einer Skala ausgebildet sein.

Mit der Erfindung lassen sich kleine Hydraulikstationen einsetzen, ohne auf einen schnellen Leerhub verzichten zu müssen. Dies ist besonders bei transportablen Bohrgeräten von großer Bedeutung, da diese in großer Stückzahl produziert werden und kleinere Hydraulikstationen eine erhebliche Kostensenkung erlauben und natürlich der Transport mit einer kleinen Hydraulikstation erleichtert ist.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels des näheren erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Proportionalventils mit asymmetrischer Nocke und Führungsrahmen;

Fig. 2 eine Detailansicht des Betätigungshebels mit asymmetrischer Nocke der Fig. 1;

Fig. 3 ein Proportionalventil der Fig. 1 mit verstellbarer Anschlagsscheibe.

Das Proportionalventil 1 besteht aus einem Ventilgehäuse 2 mit einem Betä­ tigungshebel 3 zum Einstellen der Durchflußmenge eines Hydraulikmediums im Proportionalventil. Der Betätigungshebel 3 ist über eine Aufnahmeöffnung 4 im Hebelkopf 5 auf einer Steuerwelle 6 für die Durchflußmenge des Hydraulikmediums fixiert. Über den Betätigungshebel 3 läßt sich die Steuerwelle 6 um ihre eigene Achse drehen und mit zunehmendem Dreh­ winkel, ausgehend von einer Nullstellung, die Durchflußmenge des Hydrau­ likmediums vergrößern.

Auf dem Betätigungshebel 3 ist eine asymmetrische, rotierbare Nocke 7 angeordnet. Die asymmetrische Nocke 7 besitzt eine Längsbohrung, in der sich der Schaft des Betätigungshebels 3 befindet und um dessen Achse eine Rotation der Nocke möglich ist. Der untere asymmetrische Bereich der Nocke 7 ist von einem Führungsrahmen 8 mit Begrenzungsschrauben 9, 10 umgeben. Der Führungsrahmen 8 weist eine Ausnehmung auf, die in ihrer Breite in etwa der Breite der Nocke 7 entspricht und in ihrer Länge bzw. in der Verschwenkebene des Betätigungshebels 3 einen durch die Begren­ zungsschrauben 9, 10 einstellbaren Hebelausschlag zuläßt.

In der für das Eintreiben von Gestängeschüssen vorgesehenen Funktions­ stellung der asymmetrischen Nocke 7 des Betätigungshebels 3 ist die asymmetrische Nocke mit ihrer Seite größerer Ausdehnung in derjenigen Schwenkrichtung des Betätigungshebels 3 angeordnet, die eine Bewegung des Bohrschlittens in Richtung des Bohrlochs bewirkt.

Beim Einfahren des Bohrgestänges in das Erdreich wird der Betätigungshe­ bel 3 durch eine Bedienperson bis zum Anschlag der Begrenzungsschraube 9 ausgelenkt. Dies bewirkt eine langsame Schlittenfahrt bei gleichzeitiger Rotation des Bohrstrangs und Bohrsuspensionszufuhr bis die Endstellung des Bohrschlittens erreicht ist. Die Verbindung zwischen Bohrschlitten und ins Erdreich eingefahrenem Gestänge wird nun gelöst und der Betätigungs­ hebel 3 für einen schnellen Rücklauf (Leerhub) des Bohrschlittens in entge­ gengesetzter Richtung bis zum Anschlag der Begrenzungsschraube 10 aus­ gelenkt. Da die Auslenkung in letzterer Richtung aufgrund der geringeren Ausdehnung der asymmetrischen Nocke 7 in dieser Richtung größer ist, bewirkt das Proportionalventil eine schnellere Schlittenfahrt an der Bohrla­ fette, wobei keine Rotation des Gestänges und kein Betrieb der Bohrsuspen­ sionspumpe stattfindet und somit die volle Pumpenleistung ausgenutzt wer­ den kann.

Bei einer Umkehrung der Bewegungsrichtung des Bohrgestänges, wie beispielsweise beim Wechsel vom Eintreiben zum Herausziehen des Bohr­ gestänges durch Entfernen der Gestängeschüsse, führt folgender einfacher Bedienungsvorgang zu einer Inversion der Steuerungsfunktion:
Die Bedienperson bewegt die asymmetrische Nocke 7 mit Hilfe eines Ver­ stellbügels 11 entgegen der Ausdehnungsrichtung einer Spannfeder 12 aus der Ebene des Führungsrahmen 8 heraus, rotiert die asymmetrische Nocke 7 um den Schaft des Betätigungshebels 3 und entläßt die asymmetrische Nocke mit Hilfe der Spannfeder 12 wieder in die Ausnehmung des Führungs­ rahmens 8, wobei sich der Bereich größerer Ausdehnung und der Bereich kleinerer Ausdehnung der Nocke 7 in Verschwenkrichtung nun jeweils in entgegengesetzter Ausrichtung angeordnet sind.

Durch diesen sekundenschnellen Vorgang ist nun die Steuerungssituation umgekehrt, so daß bei einem Verschwenken des Betätigungshebels 3 in Richtung der Begrenzungsschraube 10 eine langsame Bewegung des Bohr­ schlittens ein Herausziehen des Bohrgestänges aus dem Bohrloch bewirkt, während durch eine entgegengesetzte Hebelbetätigung eine schnelle Leer­ fahrt des Bohrschlittens in Richtung des Bohrlochs möglich ist, wobei der volle Volumenstrom des Hydraulikantriebs ausgenutzt werden kann, da keine Rotation des Gestänges und kein Betrieb der Bohrsuspensionspumpe erforderlich ist. Alternativ kann die Funktion des Anschlags auch durch eine oder mehrere Scheiben 14 ausgeübt werden (Fig. 3). Die Verwendung von Scheiben besitzt den Vorteil, zwischen verschiedenen Hubkombinationen auswählen zu können, ohne auf den erfindungsgemäßem Vorteil des schnellen Umstellens verzichten zu müssen.

Das erfindungsgemäße Proportionalventil erlaubt somit ein beliebiges Hin- und Herwechseln zwischen den unterschiedlichen Arbeitssituationen beim Eintreiben und beim Herausziehen des Bohrgestänges aus dem Erdreich, wobei die Feineinstellung der Durchflußmenge und damit der Bewegungsge­ schwindigkeit des Bohrschlittens unabhängig von dem Hin- und Herwechseln zwischen den beiden Funktionsstellungen des asymmetrischen Anschlags 7,14 erfolgen kann. Damit läßt sich die erforderliche Größe der Hydraulik­ station verringern, ohne auf Leerhubgeschwindigkeit zu verzichten.

Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Proportionalventils liegt darin, daß zu dessen Herstellung handelsübliche Proportionalventile lediglich mit einem Führungsrahmen versehen werden müssen, der beispielsweise am Ventilgehäuse fixiert werden kann und ein asymmetrischer Anschlag in Form einer Scheibe oder einer Nocke mit einer mit dem Schaft des Betätigungshebels des Proportionalventils korrespondierenden Längs­ bohrung auf den Betätigungshebel aufgeschoben werden muß.

Claims (9)

1. Proportionalventil zum Steuern eines Horizontalbohrschlittens für das Erdbohren mit

• - einem Betätigungshebel (3), der in zwei Richtungen schwenkbar ist, um zwei Bewegungsrichtungen des Bohrschlittens zu bewirken;
• - einem invertierbaren Anschlag (7), der die Auslenkung des Betätigungshebels (3) in seine jeweilige Endstellung begrenzt und mindestens zwei Arbeitsstellungen besitzt, die jeweils zu einer Umkehr der Begrenzungssituation mit unterschiedlicher Auslenkung des Betätigungshebels (3) führen.

2. Proportionalventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Betätigungshebel (3) als manuell schwenkbarer Handbetätigungs­ hebel ausgebildet ist.

3. Proportionalventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschlag (7) als asymmetrische Nocke ausgebildet ist.

4. Proportionalventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschlag (7) aus einer oder mehreren asymmetrischen Schei­ ben (14) besteht.

5. Proportionalventil nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschlag (7) eine Bohrung aufweist, mit der er auf dem Schaft des Betätigungshebels (3) aufsitzt und um die Achse des Betäti­ gungshebels (3) rotierbar ist.

6. Proportionalventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Anschlag (7) in einem Führungsrahmen (8) an­ geordnet ist.

7. Proportionalventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Führungsrahmen (8) eine Ausnehmung aufweist, die an ihren die Auslenkung des Betätigungshebels (3) begrenzenden Enden Begren­ zungsschrauben (9, 10) zur Feineinstellung der Auslenkung des Betä­ tigungshebels (3) aufweist.

8. Proportionalventil nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Anschlag (7) einen Verstellbügel (11) und eine Spannfeder (12) besitzt, wobei der Anschlag (7) durch die Spannfeder (12) in seiner Endstellung fixiert ist und sich mit dem Verstellbügel (11) aus seiner Endstellung für das Verstellen der Arbeitsposition lösen läßt.

9. Verfahren zum Steuern von Bohrgerätefunktionen mittels eines hydraulischen Mediums und eines Ventils gemäß einem der vorherge­ henden Ansprüche.