DE19924200B4

DE19924200B4 - Speed Feed Control

Info

Publication number: DE19924200B4
Application number: DE1999124200
Authority: DE
Inventors: Manfred Dipl.-Ing. Schauerte; Klaus Dipl.-Ing. Zerbs
Original assignee: Wolfgang Schmidt E K; WOLFGANG SCHMIDT EK
Current assignee: WOLFGANG SCHMIDT E.K., 57368 LENNESTADT, DE
Priority date: 1999-05-27
Filing date: 1999-05-27
Publication date: 2004-07-15
Anticipated expiration: 2019-05-28
Also published as: DE19924200A1

Abstract

Verfahren zum automatischen Steuern einer Bohrvorrichtung zum Herstellen horizontaler Erdbohrungen oder Ersetzen, Zerstören oder Erneuern erdverlegter Rohrleitungen unter Zufuhr von Bentonit, bei dem
– die Drehzahl des Bohr- oder Aufweitwerkzeugs oder des Bohrgestänges (7) oder des einzuziehenden Rohres ermittelt wird,
– der Vorschub mit dem ermittelten Wert so geregelt wird, daß die Drehzahl des Bohr- oder Aufweitwerkzeugs im wesentlichen konstant bleibt,
– der Vorschub der Bohrvorrichtung (6) verringert, eingestellt oder umgekehrt wird, wenn die Drehzahl des Bohr- oder Aufweitwerkzeugs oder des Gestänges (7) oder des einzuziehenden Rohres unter einen bestimmten Soll-Wert absinkt und
– die Bentonitzufuhr in Abhängigkeit von der Drehzahl und/oder dem Vorschub geregelt wird.Method for the automatic control of a drilling device for producing horizontal earth bores or replacing, destroying or renewing underground pipelines while supplying bentonite, in which
- The speed of the drilling or expanding tool or the drill pipe (7) or the pipe to be pulled is determined,
The feed is regulated with the determined value so that the speed of the drilling or expanding tool remains essentially constant,
- The feed of the drilling device (6) is reduced, adjusted or vice versa, when the speed of the drilling or expanding tool or the linkage (7) or the pipe to be drawn in drops below a certain target value and
- The bentonite supply is regulated depending on the speed and / or the feed.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum automatischen Steuern einer zum Erzeugen horizontaler Erdbohrungen bestimmten Bohrvorrichtung.The invention relates to a method and an automatic control device for generating horizontal earth drilling specific drilling device.

Die Bohrgestänge einer im Erdreich eingesetzten Bohrvorrichtung sind hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt. Dies gilt vor allem, wenn das Gestänge mit einer großen Vortriebsgeschwindigkeit durch eine sich unter Umständen ständig ändernde Bodenbeschaffenheit bewegt wird. Bei einer Überlastung der Gestänge können demnach mechanische Beschädigungen oder Verwindungen auftreten, deren Behebung erhebliche Kosten verursachen können.The drill pipe of one used in the ground Drilling devices are exposed to high mechanical loads. This is especially true when the boom is moving at a high rate through one yourself constantly changing Soil quality is moved. If the linkage is overloaded, it can mechanical damage or torsion, the elimination of which can cause considerable costs.

Des weiteren setzt ein Bohren in einer vorgegebenen Richtung ohne unerwünschte Richtungsänderungen voraus, daß der Bohrkopf in permanenter, möglichst konstanter Rotation gehalten wird. Die Vortriebsgeschwindigkeit soll dabei möglichst hoch sein. Dies ist insbesondere bei ungleichmäßiger Bodenbeschaffenheit schwer zu realisieren.Furthermore, drilling starts a given direction without unwanted changes in direction ahead of the Drilling head in permanent, if possible constant rotation is maintained. The speed of advance should be as possible be high. This is particularly difficult when the soil is uneven to realize.

Zum Erzeugen von Erdbohrungen bedarf es in der Regel einer Bedienung durch zwei Personen in räumlicher Entfernung:
Eine Person befindet sich am Bedienpult in örtlicher Nähe zur Schub- oder Zugeinrichtung zur Steuerung beispielsweise des Vorschubs und der Drehung des Antriebs, während eine andere die Bewegungen des Bohrkopfes über der Bohrung mittels eines Ortungsgerätes verfolgt und die Daten an die erste Person weitergibt, die die Steuerung der Anlage über das Bedienpult modifizieren kann.In order to create earth bores, it is usually necessary for two people to operate at a distance:
One person is located on the control panel in close proximity to the pushing or pulling device for controlling, for example, the feed and the rotation of the drive, while another tracks the movements of the drill head over the bore by means of a locating device and forwards the data to the first person, who Control of the system can be modified via the control panel.

Die Drehzahl des Bohrkopfes wird üblicherweise mittels einer manuellen Hydrauliksteuerung am Bedienpult versucht weitgehend konstant zu halten.The speed of the drill head is usually tried using a manual hydraulic control on the control panel to keep largely constant.

Dazu werden vom Bediener manuell die Vortriebsgeschwindigkeit und die Drehzahl über die Bedienung zweier Hebel aufeinander abgestimmt: Fällt die Drehzahl über einen vom Bediener festgelegten Wert ab, wird dieser die Vortriebsgeschwindigkeit zurücknehmen; steigt die Drehzahl dagegen an, kann auch die Vortriebsgeschwindigkeit erhöht werden. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil der großen Störanfälligkeit und der geringen Präzision, da die Ergebnisse in erster Linie von Erfahrungen des Bedieners abhängen und Fehlbedienungen nicht auszuschließen sind.This is done manually by the operator the propulsion speed and the speed using two levers coordinated: if Speed above from a value specified by the operator, this becomes the speed of advance withdraw; on the other hand, if the speed increases, so can the speed of advance elevated become. However, this method has the disadvantage of being very susceptible to faults and the low precision, since the results are primarily from operator experience depend and incorrect operation cannot be excluded.

Die deutsche Offenlegungsschrift 197 08 997 beschreibt ein hydraulisches Steuerungsverfahren der Vorschubgeschwindigkeit einer Erdbohranlage in Abhängigkeit vom Drehmoment, das eine mechanische Überlastung des Gestänges verhindern und eine den Umständen angepaßte optimierte Vorschubgeschwindigkeit gewährleisten soll. Dazu wird die Menge des dem Antrieb zugeleiteten Druckmittels über ein Steuerventil in Abhängigkeit des in der Druckleitung des Drehantriebs auftretenden Drucks geregelt. Dem Steuereingang des Ventils liegt dabei eine dem Drehmoment des Drehantriebs proportionale Steuergröße an. Steigt das Drehmoment des Drehantriebs durch erhöhten Widerstand im Erdreich an, baut sich ein erhöhter Druck in der Druckmittelzuleitung auf dieser wird als Signal an das Steuerventil weitergeleitet, das dann die Verminderung der Vortriebsgeschwindigkeit initiiert.The German publication 197 08 997 describes a hydraulic control method of the Feed rate of an earth drilling rig depending the torque that prevents mechanical overloading of the boom and one according to the circumstances adapted to ensure optimized feed speed. For this, the Amount of pressure medium supplied to the drive via a control valve depending regulated in the pressure line of the rotary actuator. The control input of the valve is the torque of the Rotary actuator proportional control variable. The torque increases of the rotary drive by increased If there is resistance in the ground, an increased pressure builds up in the pressure medium supply line on this is passed on as a signal to the control valve that then initiates the reduction in the rate of advance.

Übersteigt der Druck in der Druckmittelleitung einen definierten Wert, schaltet das Steuerventil ab, so daß als Folge sowohl die Drehung des Bohrkopfes als auch der Vorschub zum Stillstand kommen. Das System muß dann manuell zurückgefahren, neu positioniert und wiederum manuell an das Bohrloch herangefahren werden. Dies birgt den Nachteil des jeweils manuellen zeitaufwendigen erneuten Anfahrens und Ausrichtens der Bohrvorrichtung.exceeds the pressure in the pressure medium line switches a defined value the control valve, so that as Follow both the rotation of the drill head and the feed to Come to a standstill. The system must then retract manually repositioned and again manually approached the borehole become. This has the disadvantage of time-consuming manual work restarting and aligning the drilling device.

Diese Vorrichtung hat den weiteren Nachteil, daß sie nicht für alle beim Erdbohren vorkommenden Gegebenheiten eine geeignete Steuerung darstellt.This device has the other Disadvantage that they not for a suitable control system for all conditions that occur during earth drilling represents.

Trifft der Bohrkopf beispielsweise auf ein hartes Hindernis, wird sich der Druck nicht schnell genug erhöhen, um über einen Anstieg in der Druckmittelleitung die Vortriebsgeschwindigkeit zu reduzieren und ein Stauchen des Bohrgestänges zu verhindern. Die zeitliche Verzögerung zwischen der Veränderung des Drehantriebs und der durch das Drehmoment gesteuerten Veränderung der Vortriebsgeschwindigkeit bewirkt also in bestimmten Fällen doch eine mechanische Beschädigung des Bohrgestänges, deren Vermeidung eine der wesentlichen Aufgaben des Steuerungsverfahrens darstellt.For example, if the drill head hits on a hard obstacle, the pressure will not increase quickly enough to pass over you The rate of advance increases in the pressure medium line reduce and prevent the drill pipe from compressing. The temporal delay between the change of the rotary drive and the change controlled by the torque the speed of propulsion does in some cases mechanical damage of the drill pipe, avoiding them is one of the essential tasks of the control process represents.

Die Vorrichtung versucht, diesem Nachteil zu begegnen, indem die Vortriebsgeschwindigkeit zusätzlich in analoger Weise über die Vorschubkraft geregelt sein kann, indem der Steuereingang des Ventils gleichzeitig über ein Wechselventil an die Druckseite der Vorschubkraft angeschlossen ist. Dies birgt allerdings den weiteren Nachteil eines zusätzlichen baulichen Aufwandes.The device tries this Counter disadvantage by additionally driving in in an analogous manner the feed force can be regulated by the control input of the Valve at the same time a shuttle valve is connected to the pressure side of the feed force is. However, this has the further disadvantage of an additional structural Expenditure.

Ein weiterer Nachteil dieser Vorrichtung besteht darin, daß die Steuerung unmittelbar mit dem Hydraulikkreislauf der gesamten Bohranlage in Verbindung steht. Ändert sich der Druck an nur einer Stelle des Gesamtsystems, beispielsweise durch Verschmutzungen oder Leckagen, wird sich dies unmittelbar auch auf die Steuerung des Drehantriebs auswirken, ohne daß dies im Einzelfall gewünscht oder beabsichtigt ist. Diese, nicht von dem gesamten Hydraulikkreislauf funktionell getrennte hydraulische Steuerung ist daher störanfällig.Another disadvantage of this device is that the Control directly with the hydraulic circuit of the entire drilling system communicates. change the pressure at only one point in the overall system, for example due to contamination or leakage, this will be immediate also affect the control of the rotary drive without this in Individual case desired or is intended. This, not of the entire hydraulic circuit functionally separate hydraulic control is therefore prone to failure.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum automatischen Steuern einer Bohrvorrichtung zur Verfügung zu stellen, die die vorgenannten Nachteile vermeidet.The invention is based on the object Method and device for automatically controlling a drilling device available to make, which avoids the aforementioned disadvantages.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1.This task is solved by a method with the features of claim 1.

Dabei kann das Verfahren auf einer Steuerung in Abhängigkeit von der Drehzahl des Bohrkopfes basieren. Die Drehzahl des Bohrkopfes kann über ein Stellglied vorgegeben werden. Dies kann manuell oder elektronisch, beispielsweise über ein Potentiometer oder einen Joystick, erfolgen und den besonderen Gegebenheiten der jeweiligen Bohrsituation angepaßt sein. Ein Drehzahlsensor mißt die tatsächliche Drehzahl und gibt den Wert an eine Elektronik weiter, die einen Soll-/Istwertvergleich durchführt. Entsprechend dem Ergebnis wird die Vorschubgeschwindigkeit des Bohrkopfes geregelt, d. h. erhöht oder vermindert. Die Änderung der Vorschubgeschwindigkeit hat eine Änderung der Vorschubkraft zur Folge, die sich wiederum über das Bremsmoment im Erdreich auf die Drehzahl des Bohrkopfes auswirkt.The method can be based on a controller depending on the speed of the drill head fes based. The speed of the drill head can be specified using an actuator. This can be done manually or electronically, for example using a potentiometer or a joystick, and can be adapted to the particular circumstances of the particular drilling situation. A speed sensor measures the actual speed and passes the value on to electronics, which carries out a setpoint / actual value comparison. The feed rate of the drill head is regulated, ie increased or decreased, according to the result. The change in the feed rate results in a change in the feed force, which in turn affects the speed of the drill head via the braking torque in the ground.

Verändert sich beispielsweise die Bodenbeschaffenheit derart, daß die Drehzahl des Bohrkopfes abnimmt, kann der Drehzahlsensor dies an die Elektronik weitergeben. Die Geschwindigkeit des Vortriebs, und damit die Vorschubkraft, wird reduziert, so daß die Drehzahl wieder ansteigt.For example, the Soil quality so that the Speed of the drill head decreases, the speed sensor can do this pass on the electronics. The speed of propulsion, and thus the feed force is reduced so that the speed increases again.

So kann die Drehzahl des Bohrkopfes weitgehend konstant gehalten werden.So the speed of the drill head be kept largely constant.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß die Drehzahl eine Meßgröße darstellt, die im Gegensatz zum Drehmoment unmittelbar und direkt die Rotation des Bohrkopfes angibt. Eine zeitliche Verzögerung zwischen dem Verlangsamen oder Festhaken des Bohrkopfes und einer Verringerung des Vorschubs, die die Gefahr einer mechanischen Beschädigung der Bohranlage in sich birgt, ist demnach weitgehend ausgeschlossen. Das Steuerungssystem auf der Basis der Drehzahlmessung ist besonders feinfühlig.A particular advantage of the invention is that the Speed represents a measured variable, which, in contrast to the torque, directly and directly the rotation of the drill head. A time lag between slowing down or hooking the drill head and reducing the feed, which involves the risk of mechanical damage to the drilling rig is largely excluded. The control system based on the speed measurement is particularly sensitive.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels des näheren erläutert. Die mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung eingesetzte elektronische Steuerung besteht aus einer Elektronik 1, die mit einem Wegeventil 2 verbunden ist. Das Wegeventil 2 ist über Hydraulikleitungen 10 mit einer Hydraulikpumpe 3 einerseits und einem hydraulischen Antrieb 4 für den Vorschub eines Bohrschlittens 6 andererseits verbunden. Über einen zweiten Hydraulikkreislauf 20 – oder ebenfalls über den Hydraulikkreislauf 10 – mit einem Wegeventil 5 ist der Antrieb des Bohrschlittens 6 zur Drehung des Bohrgestänges 7 verbunden. Die Drehung des Gestänges 7 kann von der Elektronik 1 über einen Sensor 8 am Bohrgestänge 7 abgegriffen werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren werden wie folgt eingesetzt: Zunächst wird über ein Stellglied 21 die gewünschte Drehzahl in Abhängigkeit von bestimmten Bohrparametern eingestellt. Dabei ist im wesentlichen der Durchmesser des Werkzeugs und die Beschaffenheit des Erdreichs und beim Einziehen von Rohren die Rohrgröße maßgebend. Eine Elektronik sieht eine Funktion vor, die es erlaubt, neben der erfindungsgemäßen Regelung der Drehzahl des Bohrkopfes auch ein Richtungsbohren durch Aussetzen der Rotation unter Verwendung entsprechender Richtungsbohrköpfe zu bewirken, ohne daß sich dies auf die Regelung des Vorschubs auswirkt.The invention is explained below with reference to an embodiment shown in the drawing. The electronic control used with the device according to the invention consists of electronics 1 with a directional valve 2 connected is. The directional valve 2 is about hydraulic lines 10 with a hydraulic pump 3 on the one hand and a hydraulic drive 4 for feeding a drill carriage 6 on the other hand connected. Via a second hydraulic circuit 20 - or also via the hydraulic circuit 10 - with a directional valve 5 is the drive of the drilling carriage 6 for rotating the drill pipe 7 connected. The rotation of the boom 7 can from electronics 1 via a sensor 8th on the drill pipe 7 be tapped. The device according to the invention and the method according to the invention are used as follows: First, an actuator is used 21 the desired speed is set depending on certain drilling parameters. The diameter of the tool and the nature of the soil and, when pipes are pulled in, the pipe size is decisive. An electronic system provides a function which, in addition to the regulation of the speed of the drill head according to the invention, also enables directional drilling by suspending the rotation using corresponding directional drill heads, without this having an effect on the regulation of the feed.

Über den Sensor 8 wird die Ist-Rotation des Gestänges 7 kontinuierlich ermittelt und protokolliert. Sobald die Rotation des Gestänges 7 den vorgegebenen Soll-Wert überschreitet, wird die Schubkraft am Antrieb 4 erhöht, so daß die Bremsmomente im Erdreich zu einer Verlangsamung der Rotation führen. Sobald sich die Drehzahl des Gestänges 7 unter einen bestimmten Soll-Wert absenkt, wird der Vorschub des Bohrschlittens 6 über den Antrieb 4 von der Elektronik 1 verringert, eingestellt oder umgekehrt. Die Drehung des Gestänges 7 oder des Bohrkopfes kann auch über einen Drucksensor erfaßt werden, der den Antriebsdruck der Hydraulik ermittelt. Vorzugsweise wird Bentonitdruck und damit die am Bohrkopf austretende Bentonitmenge ebenfalls in Abhängigkeit von der Rotation und/oder des Vorschub geregelt.About the sensor 8th becomes the actual rotation of the boom 7 continuously determined and logged. Once the rotation of the boom 7 exceeds the specified target value, the thrust on the drive 4 increased so that the braking torques in the ground slow down the rotation. As soon as the speed of the boom 7 is lowered below a certain target value, the feed of the drilling carriage 6 about the drive 4 from electronics 1 decreased, discontinued or vice versa. The rotation of the boom 7 or the drill head can also be detected via a pressure sensor that determines the drive pressure of the hydraulic system. The bentonite pressure and thus the amount of bentonite emerging at the drill head are preferably also regulated as a function of the rotation and / or the feed.

Auf diese Weise läßt sich ein optimierter Bohrvorgang erreichen und eine Beschädigung des Werkzeugs oder des Gestänges durch Drehmomente ausschließen.In this way, an optimized drilling process can be carried out reach and damage of the tool or the boom exclude by torques.

Die verwendeten Antriebe können sowohl mit Konstant- und/oder Verstellpumpen und Wegeventilen als auch mit Verstellpumpen und/oder Verstellmotoren im geschlossenen Kreislauf erfolgen.The drives used can both Constant and / or Variable pumps and directional valves as well as variable pumps and / or Adjustment motors take place in a closed circuit.

Claims

Method for the automatic control of a drilling device for producing horizontal earth bores or replacing, destroying or renewing underground pipelines with the supply of bentonite, in which - the speed of the drilling or expanding tool or the drill pipe ( 7 ) or the pipe to be drawn in, - the feed is regulated with the determined value so that the speed of the drilling or expanding tool remains essentially constant, - the feed of the drilling device ( 6 ) is reduced, adjusted or vice versa when the speed of the drilling or expanding tool or the linkage ( 7 ) or the pipe to be drawn in drops below a certain target value and - the bentonite supply is regulated depending on the speed and / or the feed.

A method according to claim 1, characterized in that this Falling below a minimum speed or stopping rotation of the drill pipe or the pipe to be drawn in or the drilling or expanding tool via one Speed sensor detected becomes.

A method according to claim 1 or 2, characterized in that falling below a minimum speed or suspending the rotation of the drill linkage ( 7 ) or the pipe to be drawn in or the drilling or expanding tool is detected via a pressure sensor which determines the drive pressure of the hydraulic system.

Device for the automatic control of a drilling device for producing earth bores under the supply of bentonite, characterized by a sensor ( 8th ) to determine the speed of the drill pipe or the pipe to be drawn in or the drilling or expanding tool and electronics ( 1 ) to regulate the feed rate of the drilling device depending on the speed of the drill pipe ( 7 ) or the pipe to be pulled in or the drilling or expanding tool and for regulating the supply of bentonite depending on the speed and / or the feed.