DE2032463C2

DE2032463C2 - Fluid flow control unit - has non-return valve with venting aperture, to prevent excessive pump speed

Info

Publication number: DE2032463C2
Application number: DE2032463A
Authority: DE
Inventors: Raymond John Bromell; George Livonia Mich. Homanick; Marion Duane Dallas Tex. Lackey
Original assignee: NATIONAL ADVANCED DRILLING MACHINES Inc HOUSTON TEX US
Current assignee: NATIONAL ADVANCED DRILLING MACHINES Inc HOUSTON TEX US
Priority date: 1970-07-01
Filing date: 1970-07-01
Publication date: 1983-12-29
Also published as: DE2032463A1

Abstract

The control unit is esp. for the lifting or lowering movement of drill rods. It has a pump (11) with first feed and return conduit (35) to a working unit (17) and a second feed and return conduit (38) to a fluid tank (15). A capacity control unit is connected to the pump. The second conduit contains an adjustable non-return valve (29) with an air vent aperture connected via a third conduit (41) to the first conduit. Thus, during return flow, the valve adjusts a pressure on the side of the pump away from the first conduit, which is higher than the pressure in that conduit. A second non-return valve (19) between the pump and tank bypasses the piston.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Steuerungeines Fluidstroms gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs.The invention relates to a device for controlling a fluid flow according to the preamble of the patent claim.

Aus der GB-PS 11 34 748 Ist bereits eine Steuervorrichtung für einen Fluldstrom bekannt, welcher als Venlllblock mit Integrierter Zahnradpumpe aufgebaut ist. Die Zahnradpumpe liegt in einer Hauptleitung, die an einem Ende ein Kugel-Rückschlagventil aufweist. Dadurch kann Fluid nur In einer ersten Richtung zu der Pumpe gefördert werden, beispielsweise aus einem Vorratsbehälter. Für die Rückforderung Ist ein zweites Kugel-Rückschlagventil vorgesehen, das zwischen der Pumpe und dem ersten Rückschlagventil Ober eine Verzweigungsleitung angeschlossen Ist. Das zweite Rückschlagventil 1st Im umgekehrten Sinne durchlässig eingebaut wie das erste Rückschlagventil. Außerdem Ist noch ein drittes Kugel-Rückschlagventil vorgesehen, das In einer Verzweigungsleitung montiert Ist, die auf der dem ersten Rückschlagventil abgewandten Seite der Pumpe an die Hauptleitung ansetzt. Der Öffnungsdruck des Rückschlagventils wird lediglich durch die Federkraft der die Kugeln auf den Ventilsitz drückenden Federn bestimmt. Dadurch kann nicht verhindert werden, daß beispielsweise bei der Rückforderung von Fluid aus einem mit einem hohen Gewicht belasteten Arbeitszylinder ein höherer Druck an der Einlaßseite der Pumpe als an deren Auslaßseite entsteht, was ein Überdrehen der Pumpe zurFrom GB-PS 11 34 748 a control device for a fluid flow is already known, which is constructed as a valve block with an integrated gear pump. the Gear pump is located in a main line that has a ball check valve at one end. Through this can fluid only in a first direction to the pump be promoted, for example from a storage container. A second ball check valve is provided between the pump and Is connected to the first check valve via a branch line. The second check valve 1st Installed in the opposite sense as permeable as the first check valve. There is also a third one Ball check valve is provided, which is mounted in a branch pipe that is on the first one Check valve facing away from the side of the pump attaches to the main line. The opening pressure of the check valve is only controlled by the spring force of the Balls on the valve seat pressing springs determined. This cannot prevent that, for example, when fluid is reclaimed from a with a heavy weight working cylinder loaded a higher pressure on the inlet side of the pump than on their Outlet side arises, what an overturning of the pump to Folge haben kann. Sind die Federn jedoch so stark gewählt, daß kein Überdrehen der Pumpe erfolgen kann, dann muß zum Absenken einer sehr leichten Last von der Pumpe ein beträchtlicher Druck erzeugt werden, um s das Rückschlagventil zu öffnen.Can have a consequence. However, are the feathers so strong chosen so that no over-revving of the pump can occur, then a very light load of Considerable pressure must be generated by the pump in order to s open the check valve.

Aus der DE-OS 16 Ol 738 ist ein hydraulisches Stellwerk bekannt, bei dem an einem Hydraulikzylinder eine erste und eine zweite Leitung angeschlossen sind, die über eine Pumpe mit konstanter Fördermenge einen geschlossenen Kreislauf bilden. Ein Vorratsbehälter, der über Saugleitungen und über Rückschlagventile an den Kreislauf angeschlossen ist, dient dazu, Flüssigkeitsunterschiede auszugleichen. Da die Rückschlagventile jedoch nicht in dem Haüptkreislauf liegen, sondern in .i den Stichleitungen zum Vorratsbehälter, haben sie keinen Einfluß auf den Betrieb der Pumpe. Insbesondere sind sie nicht in der Lage, ein Überdrehen der Pumpe zu verhindern, wenn an deren Saugseite ein höherer Druck als an der Förderseite auftritt. Ein zwischen Pumpe und Hydraulikzylinder geschaltetes, von Hand verstellbares Diüsselgiicu dient lediglich dazu, die Geschwindigkeit der Kolbenbewegung Im Hydraulikzylinder zu steuern.From DE-OS 16 Ol 738 a hydraulic interlocking is known in which a hydraulic cylinder first and second lines are connected, the one via a pump with a constant flow rate form a closed cycle. A storage container that is connected to the Circuit is connected, is used to compensate for fluid differences. As the check valves however, they are not in the main circuit, but in the branch lines to the storage tank, and they have no effect on the operation of the pump. In particular they are unable to prevent the pump from over-revving if there is a higher pressure on its suction side than occurs on the delivery side. One that is connected between the pump and the hydraulic cylinder and can be adjusted by hand Diüsselgiicu only serves to increase the speed to control the piston movement in the hydraulic cylinder.

Aus dem Fachbuch von Zoebel, »Ölhydraulik«, Wien, Springer-Verlag, 1963, Seite 151 sind Druckbegrenzungsventile bekannt, die bei Überschreiten eines bestimmten einstellbaren Druckes einen Austrit-Uquerschnitt öffnen und somit verhindern, daß der Öldruck in einem System einen zulässigen Maximalwert überschreitet. Als einfachste Druckbegrenzungsventile sind dort federbelastete Kugelventile bezeichnet. Diese auch bei der GB-PS 11 34 748 verwendeten Kugelventile sind billig, neigen aber zum Flattern und haben eine schlechte Charakteristik, d. h., mit zunehmender Durchflußmenge steigt auch der Öldruck stark an.From the specialist book by Zoebel, "Ölhydraulik", Vienna, Springer-Verlag, 1963, page 151 pressure relief valves are known which, when a certain value is exceeded adjustable pressure to open an outlet cross-section and thus prevent the oil pressure in a system exceeds a permissible maximum value. The simplest pressure relief valves there are spring-loaded ones Ball valves called. These ball valves, which are also used in GB-PS 11 34 748, tend to be cheap but to flutter and have poor characteristics, i.e. that is, increases with increasing flow rate the oil pressure also rises sharply.

Schließlich zeigt das Prospektblatt »Relief Valves, Models CF-I6/24 Series« von 1968 ein Rückflußventll mit Steuerventil, dessen Steuerventilkolben den Absperrkörper des Hauptventilteils auf dsm Hauptventllsltz hält bzw. Ihn davon abheben laut. Hierzu Ist die Oberseite des Steuerventilkolbens mit einer Entlüftungsöffnung verbunden, an die eine Steuerleitung anschließbar Ist.Finally, the leaflet "Relief Valves, Models CF-16/24 Series" from 1968 shows a backflow valve with control valve, the control valve piston of which holds the shut-off element of the main valve part on the main valve or it stand out loud. To do this, the top of the Control valve piston connected to a vent opening to which a control line can be connected.

Es ist Aufgabe der Erfindung, die Steuervorrichtung der eingangs erwähnten Art dahingehend weiterzubilden, daß für jeden Betriebszustand der an die Pumpe angeschlossenen Arbeitseinheit stets ein höherer Druck an der Förderseite der Pumpe als an deren Saugseite automatisch aufrechterhalten wird.It is the object of the invention to develop the control device of the type mentioned at the outset to the effect that that for each operating state of the working unit connected to the pump, a higher pressure is always applied the delivery side of the pump is automatically maintained than on the suction side.

Zur Lösung df^ser Aufgabe dienen die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs. Durch die Verwendung eines an sich bekannten Rück flußventlls mit Steuerventil-Entlüftungsöffnung In der von der Pumpe zum Behälter für das Fluid führenden Leitung und durch die Verbindung der Entlüftungsöffnung des Rückflußventlls mit der dem Rückflußventll abgewandten Seite der Pumpe wird erreicht, daß beim Absenken einer an der Arbeitseinheit hängenden Last, also wenn die Pumpe Fluid von der Arbeltseinheit zum Behälter fördert, der Druck a.i der Saugseite über die Entlüftungsöffnung des Steuerventils auf dessen Steuerventilkolben übertragen wird und dessen Hauptventllkör- per nur dann öffnet, wenn der Druck an der Förderseite der Pumpe höher als an der Saugseite Ist. Dadurch wird ein Überdrehen der Pumpe auf einfache und zuverlässige Welse unabhängig von der Größe der an der Arbeitselnhelt hangenden Last verhindert. Für das Anheben der Last Ist ein Rückschlagventil vom Behälter zur Arbeitseinheit durchgangig und überbrückt das Rückflußventll, so daß auch In diesem Betriebszustand der Druck an derThe characterizing features of the patent claim serve to solve this problem. By using a known return flußventlls with control valve vent opening in the from the pump to the container for the fluid leading line and through the connection of the vent opening of the Rückflußventlls with that of the Rückflußventll the side facing away from the pump ensures that when a load hanging on the work unit is lowered, so when the pump fluid from the work unit to the Container promotes, the pressure a.i the suction side over the The vent opening of the control valve is transferred to its control valve piston and its main valve body per only opens when the pressure on the delivery side of the pump is higher than on the suction side. This will prevents the pump from being over-revved in a simple and reliable manner, regardless of the size of the load hanging on the work surface. For lifting the Load If a non-return valve is open from the tank to the working unit and bridges the return valve, so that also in this operating state the pressure on the

Saugseite der Pumpe stets kleiner als an der Förderseite ist.The suction side of the pump is always smaller than on the delivery side is.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert:The invention is explained in more detail below with reference to a drawing:

Ein Motor 13 treibt eine in ihrer Fördermenge einstellbare Pumpe 11, weiche Fluid aus einem Behälter 15 in eine Arbeltseinheit 17 fördert. Die Arbeitseinheit 17 weist einen Kolben auf, der über eine Kolbenstange ein Gewicht 37 trägt. Das Gewicht 37 ist beispielsweise ein Bohrgestänge, das mit Hilfe des Kolbens angehoben oder abgesenkc wird. Zur Strümungsverblndung von der Arbeitseinheit 17 zur Pumpe 11 dient eine erste Leitung 35. Eine zweite Leitung 38 verbindet die Pumpe 11 mit einem Behälter 15, aus dem Fluid von der Pumpe zur Arbeltseinheit 17 und zurück förderbar ist. Die Steuerung der Pumpe 11 erfolgt auf an sich bekannte Weise; die geförderte Fluidmenge bestimmt die Geschwindigkeit für die Bewegung des Gewichts 37. Der in der Arbeltseinheit 17 von der Pumpe 11 aufgebaute Druck muß daher zum Weben des Gewichts 37, also beispielsweise des Bohrgestänges, ausreichen.A motor 13 drives a pump 11, adjustable in its delivery rate, soft fluid from a container 15 in a work unit 17 promotes. The working unit 17 has a piston, which is a piston rod Carries weight 37. The weight 37 is, for example, a drill rod that is lifted with the aid of the piston or is lowered. To the flowering of the A first line 35 serves the working unit 17 to the pump 11. A second line 38 also connects the pump 11 a container 15 from which fluid can be conveyed from the pump to the work unit 17 and back. The control the pump 11 takes place in a manner known per se; the amount of fluid delivered determines the speed for the movement of the weight 37. The pressure built up in the work unit 17 by the pump 11 must therefore be used Weaving the weight 37, so for example the drill rod, suffice.

Wenn die Pumpe 11 Fluid vom Behälter 15 zur Arbeitseinheit 17 fördert, so fördert sie dieses Fluid von einer Stelle niedrigen Druckes zu einer Stelle hohen Drucks. Wenn andererseits Fluid aus der Arbeitseinheit 17 abgepumpt werden soll, so muß die Pumpe 11 im Pumpbetrieb wiederum Fluid von einer Stelle niedrigen Druckes zu einer Stelle höheren Druckes fördern. I'm für den letzteren Fall an der der Arbeitseinheit 17 abgewandten Seite, also in der zweiten Leitung 38, einen höheren Druck aufzubauen, ist in der zweiten Leitung 38 ein Rückflußventil 29 vorgesehen.When the pump 11 conveys fluid from the container 15 to the working unit 17, it conveys this fluid from a point of low pressure to a point of high pressure. On the other hand, if fluid from the working unit 17 is to be pumped out, the pump 11 must in turn low fluid from one point in the pumping mode Promote pressure to a point of higher pressure. I'm at the one facing away from work unit 17 in the latter case Page, that is to say in the second line 38 to build up a higher pressure, is a in the second line 38 Backflow valve 29 is provided.

Beim Heben des Gewichts 37 muß der Motor 13 nach folgender Gleichung Energie liefern:When lifting the weight 37, the motor 13 must supply energy according to the following equation:

Gleichung (1) kann auch dazu benutzt werden, um Im Rückflußventil 29 beim Absenken des Gewichts 37 verbrauchte Energie zu berechnen. Die Energiegleichung für das Rückflußventil 29 lautet:Equation (1) can also be used to calculate the amount consumed in the reflux valve 29 when the weight 37 is lowered Calculate energy. The energy equation for the reflux valve 29 is:

E_R = [(ρ + 4P)-P_r] Q. (4)E _R = [(ρ + 4P) -P _r ] Q. (4)

Ist P_r = 0, so ergibt sich die im Rückflußventil 29 verbrauchte Energie zu:If P _r = 0, the energy consumed in the reflux valve 29 results in:

(5)(5)

E = (P₀-P,) QE = (P ₀ -P,) Q

(D(D

worin P.where P.

P,P,

der Druck an der der Arbeitseinheit 17 zugewandten Seite der Pumpe 11,
der Druck an der dem Behälter 15 zugewandten Seite der Pumpe 11, und
Q die von der Pumpe 11 jeweils geförderte Fluidmenge Ist.the pressure on the side of the pump 11 facing the working unit 17,
the pressure on the side of the pump 11 facing the container 15, and
Q is the amount of fluid delivered in each case by the pump 11.

Ist der Behälterdruck P, = 0 und wird der Druck P benötigt, um das Gewicht 37 zu hebsn, so muß der Motor 13 der Pumpe 11 Energie gemäß der folgenden Gleichung zuführen:If the container pressure P, = 0 and the pressure P is required to lift the weight 37, the must Feed motor 13 to pump 11 according to the following equation:

E„ = PQ (2)E "= PQ (2)

Wird das Rückflußventil 29 so eingestellt, daß es an der dem Behälter 15 zugewandten Seite der Pumpe 11 einen Druck P + Δ P aufbaut, so ergibt sich aus der Gleichung (1), daß der Motor 13 beim Absenken des Gewichts 37 folgende Energie aufbringen muß: If the reflux valve 29 is set so that it builds up a pressure P + Δ P on the side of the pump 11 facing the container 15, then equation (1) shows that the motor 13 has to generate the following energy when the weight 37 is lowered :

(3)(3)

E₀ = Δ PQE ₀ = Δ PQ

Der Motor 13 muß also sowohl beim Heben des Gewichts 37 als auch bei seinem Absenken der Pumpe 11 Energie zuführen. Daraus ergibt sich, daß die Pumpe 11 dauernd den Fluldstrom In der Vorrichtung steuert.The motor 13 must so both when lifting the Weight 37 as well as when lowering the pump 11 Supply energy. It follows that the pump 11 continuously controls the fluid flow in the device.

Diese Energie wird durch das Rückflußventil 29 in Wärme umgesetzt, welche von dem durchströmenden Fluid abgeleitet wird. Zur Kühlung des erwärmten Fluids vor der Rückkehr in den Behälter 15 ist daher zwischen dem Rückflußventil 29 und dem Behälter 15 ein Wärmetauscher 31 angeordnet.This energy is converted into heat by the reflux valve 29, which from the flowing through Fluid is derived. To cool the heated fluid before returning to the container 15 is therefore between the reflux valve 29 and the container 15, a heat exchanger 31 is arranged.

Ist das an der hydraulischen Arbeitseinheit 17 hängende Gewicht 37 veränderbar, also eine variable Last, beispielsweise ein Bohrgestänge, so ändert sich auch derIf the weight 37 hanging on the hydraulic working unit 17 can be changed, i.e. a variable load, for example a drill pipe, the changes too

2Q Druck an der der Arbeltseinheit 17 zugewandten Seite der Pumpe 11, und das Rückflußventil 29 muß entsprechend gesteuert werden. Hierzu ist die Entlüftungsöffnung eines an sich bekannten Rückflußventils 29 mit der ersten Leitung 35 verbunden, die von der Pumpe 11 zu der hydraulischen Arbeitseinheit 17 führt. Der von der Pumpe in der ersten Leitung 35 erzeugte Druck ändert sich in Abhängigkeit von der Last an der Arbeitseinheit 17, und entsprechend ändert sich auch der In der ersten Leitung 35 aufgebaute Druck, wenn das Gewicht 37 abgesenkt wird.2Q Pressure on the side facing the work unit 17 the pump 11, and the return valve 29 must accordingly being controlled. For this purpose, the vent opening of a known reflux valve 29 with the first line 35, which leads from the pump 11 to the hydraulic working unit 17. The one from the The pressure generated by the pump in the first line 35 changes depending on the load on the working unit 17, and accordingly the pressure built up in the first line 35 also changes when the weight 37 is lowered.

Durch die Verbindung der Entlüftungsöffnung des Rückflußventlls 29 mit der der Arbeitseinheit 17 zugewandten Seite der Pumpe 11 hat der von dem Rückflußventil 29 aufgebaute Druck eine feste Beziehung zu dem Druck in der ersten Leitung 35. Dieser Druck ist (P₃₅ + Δ P), worin P₃₅ der Infolge des Gewichtes 37 entstehende Druck in der ersten Leitung 35 Ist. Die Druckdifferenz {Δ P) wird durch die Eigenschaften des Rückflußventils 29 festgelegt, wobei der Druck In seinem Haupt) .11 etwas größer als der Druck im Steuerteil Ist. Somit Ist über eine dritte Leitung 41 durch die Verbindung des Steuerteils, also der Entlüftungsöffnung, mit der ersten Leitung 35 der Druck an der dem Ruckflußventll 29 zugewandten Seite immer einen bestimmten Betrag größer als der Einlaßdruck In der ersten Leitung 35, und zwar auch dann, wenn nur eine leichte Last abgesenkt wird. Die von dem Rückflußventil 29 umgewandelte Energie hängt von der Größe des Gewichts 37 ab. Sie ergibt sich aus der folgenden Gleichung:By connecting the vent opening of the return valve 29 to the side of the pump 11 facing the working unit 17, the pressure built up by the return valve 29 has a fixed relationship to the pressure in the first line 35. This pressure is (P ₃₅ + Δ P), in which P _{35 is} the result of the weight 37 pressure in the first line 35. The pressure difference {Δ P) is determined by the properties of the return valve 29, the pressure in its main) .11 being slightly greater than the pressure in the control part. Thus, via a third line 41 through the connection of the control part, i.e. the vent opening, with the first line 35, the pressure on the side facing the Ruckflußventll 29 is always a certain amount greater than the inlet pressure in the first line 35, even then, when only a light load is lowered. The energy converted by the reflux valve 29 depends on the size of the weight 37. It results from the following equation:

Ε« = [(P₃₅ + Δ P) -P,] QΕ «= [(P ₃₅ + Δ P) -P,] Q

für P, =-Oe.rgIbt sichfor P, = -Oe. it results

= (P₃₅ = (P ₃₅

(8)(8th)

Da es erforderlich sein kann. Ober der Pumpe 11, eine Druckdifferenz aufzubauen, die größer als die von dem RQckflußventll 29 erzeugte Druckdifferenz ist. Ist In der dargestellten Ausfuhr ^ngsform ein Rückschlagventil 39 zwischen der Entlüftungsöffnung des Rückflußventlls 29 und der ersten Leitung 35 In die dritte Leitung 41 eingeschaltet. In einer anderen, nicht dargestellten Ausführungsforrh kann das Rückschlagventil 39 fehlen.As it may be required. Above the pump 11, one Build up pressure difference that is greater than that of that RQckflussventll 29 generated pressure difference is. Is in the The illustrated embodiment is a check valve 39 between the vent opening of the return valve 29 and the first line 35 in the third line 41 switched. In another, not shown Ausführungsforrh the check valve 39 may be missing.

Hierzu 1 filatt ZeichnungenIn addition 1 filatt drawings

Claims

Patentanspruch: ■ .Claim: ■.

Vorrichtung zur Steuerung eines Fluidstromes zu einer Arbeltseinheit und von dieser fort, insbesondere zur Steuerung der Hebe- und Senkbewegungen eines Bohrgestänges,Apparatus for controlling a fluid flow to and from a work unit, in particular for controlling the lifting and lowering movements of a drill rod,

- mit einer Pumpe (11) mit steuerbarer Leistung zur Zufuhr und Ableitung veränderbarer Strömungsmengen Ober eine erste Leitung (35) zur Arbeitseinheit (17),- With a pump (11) with controllable power for the supply and discharge of variable flow rates via a first line (35) to Work unit (17),

- mit einem über eine zweite Leitung (38) an die Pumpe (11) angeschlossenen Behälter (15) für Fluid sowohl für die Aufnahme von aus der Arbeitseinheit (17) gefördertem als auch für die Lieferung von an die Arbeitseinheit (17) zu förderndem Fluid,- With one via a second line (38) to the Pump (11) connected container (15) for fluid both for receiving from the Working unit (17) conveyed as well as for the delivery of fluid to be conveyed to the working unit (17),

- und mit einer an die Pumpe (11) angeschlossenen Steuereinrichtung zur Steuerung der Pumpenlei-- and with one connected to the pump (11) Control device for controlling the pump line StUtii?.StUtii ?.

dadurch gekennzeichnet,characterized,

- daß In der von der Pumpe (11) zum Behälter (15) fahrenden zweiten Leitung (38) ein einstellbares Ruckflußventil (29) mit Entlüftungsöffnung liegt und die Entlüftungsöffnung des RQckflußventlls (29) über eine dritte Leitung (41) an die von der Arbeltseinheit (17) zur Pumpe (11) führende erste Leitung (35) derart angeschlossen ist, daß das RückOußventll (29) bei rückflleßendem Fluid auf der der ersten Leitung (35) abgewandten Seite -der Pumpe (11) einen höhten Druck einstellt als der in der ersten Leitung (35) herrschende Druck,- That in the from the pump (11) to the container (15) moving second line (38) has an adjustable return valve (29) with a vent opening and the vent of the return valve (29) via a third line (41) to the first one leading from the work unit (17) to the pump (11) Line (35) is connected in such a way that the RückOußventll (29) opens when the fluid is flowing back the side facing away from the first line (35) -of the pump (11) sets a higher pressure than that the pressure prevailing in the first line (35),

- und daß ein das Rückfti !ventil (29) überbrükkendes, vom Behälter (15) zur Pumpe (11) durchgängiges Rückschlagventil (19) vorgesehen Ist.- and that a nonreturn valve (19) bridging the return valve (29) and continuous from the container (15) to the pump (11) is provided.