DE2732987C3 - Fahrbare Tiefbohrvorrichtung mit einer Steuervorrichtung für die Drehgeschwindigkeit des Bohrstangenhalters - Google Patents

Description

Fig. 7 Teile der Steuereinheit in der Stellung für Vorwärtsantrieb,

F i g. 8 Teile der Steuereinheit in der Endstellung für den Vorwärtsantrieb und

F i g. 9 bis 12 Schema der Funktionen der Steuerglieder der Steuereinheit.

Eine in Fig.! dargestellte verfahrbare Tiefbohrvorrichtung 10 zum Bohren von Sprenglöchern weist einen an einem aufrecht stehenden Mast 14 gelagerten drehbaren Bohrstangenhalter 17 auf. Dieser ist über einen Drehmomentwandler 26 und ein Getriebe 28 antriebsübertragend mit einer zum Bohrgerät 10 gehörigen Antriebsquelle 25, etwa einer Brennkraftmaschine oder einem Elektromotor, im folgenden als »Motor« bezeichnet, verbunden. Dem Drehmomentwandler 26, welcher zwischen dem Motor 25 und dem Getriebe 28 angeordnet ist, ist eine elektrohydraulisch servogesteuerte Kupplung 27 für den Antrieb des Bohrstangenhalters mit einer wahlweise bestimmbaren Drehzahl zugeordnet. Das zwischen dem Drehmomentwandler 26 und dem Bohrstangenhalter 17 angeordnete Getriebe 28 weist zwei über Magnetventile betätigbare Getriebeschaltkupplungen 30, 31 für den Vorwärtsoder Rückwärtsantrieb des Bohrstangenhalters 17 auf. Die Kupplung 27 des Drehmomentwandlers ist zwischen einer Mindest-Kraftschlußstellung und einer vollen Kraftschlußstellung modulierbar. Für die Betätigung der Kupplungen 27, 30 und 31 ist eine Steuervorrichtung mit einer von Hand betätigbaren elektromechanischen Steuereinheit 40 vorgesehen, welche zwei Drehgriffe als getrennte, mechanisch miteinander verbundene Steuerglieder 37, 38 für die Steuerung des Drehsinns bzw. der Drehzahl aufweist und dazu dient, die Kupplungen 27,30,31 zu betätigen, um den Bohrstangenhalter aus dem Stillstand wahlweise vorwärts oder rückwärts in Drehung zu versetzen, die Drehzahl des Bohrstangenhalters beim Vorwärtsantrieb innerhalb eines vorbestimmten Bereiches zwischen etwa 30 und 200 U/min zu steuern, die Drehzahl des Bohrstangenhalters beim Rückwärtsantrieb auf einen vorbestimmten Mindestwert von etwa 30 U/min zu begrenzen, die Bohrgeschwindigkeit durch die Verwendung eines Reglers, welcher die Ausgangsdrehzahl des Drehmomentwandlers, entsprechend der Eingangsdrehzahl des Getriebes, ermittelt und das Drehmoment der Belastung anpaßt auf einem gewählten oder vorbestimmten Wert konstant zu halten, die Getriebeschaltkupplungen 30, 31 automatisch derart zu betätigen, daß die jeweils betätigte Kupplung vor der Kupplung 27 des Drehmomentwandlers eingereicht und nach diesem gelöst wird, um damit ein gleichmäßiges, ruckfreies Anlaufen und Anhalten des Bohrstangenhalters zu gewährleisten, und die Betätigung der Steuerglieder 37,38 für die Steuerung des Drehsinns bzw. der Drehzahl nur in einer bestimmten Reihenfolge zuzulassen, um dadurch Beschädigungen des Bohrers und der Vorrichtung zu verhindern.

Die in F i g. 3 und 4 dargestellte Steuereinheit 40 trägt die beiden jeweils auf einer Welle 61 bzw. 62 sitzenden Steuerglieder 37,38, von denen das eine der Steuerung des Drehsinns zwischen Vorwärtslauf, Stillstand und Rückwärtslauf und das andere der Steuerung der Drehzahl beim Bohren dient Die Wellen 61, 62 betätigen jeweils einen Regelwiderstand 63 bzw. 64, und die Welle 61 betätigt außerdem zwei elektrische Schalter 51,5 Z Die Wellen 61,62 sind auf im folgenden beschriebene Weise mechanisch derart miteinander gekoppelt daß jeweils nur eines der Steuerglieder 37,38 betätigbar ist. Ein Wechsel der Betätigung von einem Steuerglied auf das andere ist nur möglich, wenn sich beide in einer Entkopplungssteüung befinden. Wird eines der Steuerglieder aus der Entkopplungsstellung bewegt, so wird das jeweils andere dadurch in dieser Stellung arretiert. Wie F i g. 6 zeigt läßt sich das Steuerglied 38 für die Drehzahlsteuerung nicht betätigen, wenn sich das Steuerglied 37 für die Steuerung des Drehsinns in der Stillstandsstellung befindet. F i g. 8 zeigt, daß sich das Steuerglied 38 für die Drehzahlsteuerung betätigen läßt, wenn sich das Steuerglied 37 für die Steuerung des Drehsinns in der Endstellung für den Vorwärtsantrieb befindet. Befindet sich das Steuerglied 37 für die Steuerung des Drehsinns, wie in F i g. 5 dargestellt, in der Stellung für Rückwärtsantrieb, so läßt sich das Steuerglied 38 für die Drehzahlsteuerung nicht verstellen. Andererseits kann das Steuerglied 37 für die Steuerung des Drehsinns nicht betätigt werden, solange sich das Steuerglied für die Drehzahlsteuerung nicht in der Stellung für die geringste Drehzahl befindet.

Die in F i g. 1 schematisch dargestellte Vorrichtung 10 hat einen Unterbau 11 mit einem Raupenfahrwerk 12 und einen Oberbau 13, welcher den aufrecht stehenden Mast 14 trägt. Der Mast 14 seinerseits trägt den Bohrstangenhalter 17, welcher in einer waagerechten Ebene entsprechend den Pfeilen 15, 16 vorwärts und rückwärts antreibbar ist

F i g. 1 zeigt ferner den Antrieb für den Bohrstangenhalter 17 in einer gewünschten Richtung und mit einer gewünschten Geschwindigkeit Der Antrieb umfaßt den Motor 25, den Drehmomentwandler 26, die zwischen dem Motor 25 und dem Drehmomentwandler 26 angeordnete hydraulische, modulierbare Eingangskupplung 27 und das Getriebe 28 mit der ersten Getriebekupplung 30 für den Vorwärtslauf und der zweiten Getriebekupplung 31 für den Rückwärtsantrieb. Die Kupplung 27 des Drehmomentwandlers ist über ein Magnetventil 33,33Λ modulierbar. Die beiden Getriebekupplungen 30, 31 sind einzeln über ihnen zugeordnete Magnetventile 34 bzw. 35 betätigbar. Die drei Magnetventile 33,34,35 sind von der handbetätigten Steuereinheit 40 aus steuerbar. Die Steuereinheit 40 erzeugt elektrische Steuersignale für das Servo-Magnetventil 33 der Kupplung 27 und für jeweils eines der Magnetventile 34, 35. Die Getriebekupplungen 30, 31 werden über Magnetventile 400, 400.A in einer Mindest-Kraftschlußstellung gehalten, selbst wenn die beiden Magnetventile 34, 35 nicht betätigt werden, so daß das Einrücken der Kupplungen 30,31 ruckfrei vor sich geht und die jeweils unbetätigte Kupplung einen Drehwiderstand ausübt und die Steuerung erleichtert Die Steuereinheit 40 ist so ausgelegt, daß die Kupplung 27 erst moduliert wird, nachdem eine gewählte Getriebekupplung 30 oder 31 betätigt ist, d. h, es wird also die gewählte Getriebekupplung der Kupplung 27 eingerückt Ferner ist ein Sensor 42 für die Drehzahl einer Ausgangswelle 80 des Drehmomentwandlers 26, entsprechend der Drehzahl einer Eingangswelle 101 des Getriebes 28 und ein vom Sensor 42 gespeister Regler 45 für das Magnetventil 33 vorgesehen.

Fig.2 zeigt in einem Diagramm die Beziehungen zwischen der Betätigung der Steuereinheit 40 und dem Drehmoment am Turbinenrad 84 des Drehmomentwandlers sowie an der jeweils betätigten Getriebekupplung 30, 31. Entlang der .Y-Achse des Diagramms sind die Stellungen des Steuergliedes 37 zwischen 0% und zwei mit 100% bezeichneten Endsteflungen für den Vorwärts- und Rückwärtsantrieb aufgetragen. Entlang

der K-Achse ist der Kraftschluß der jeweils betätigten Getriebekupplung 30, 31 in Prozent vom vollen Kraftschluß aufgetragen. Eine Kurve A zeigt das durch Modulieren der Kupplung 27 an der Ausgangswelle 80 vorhandene Drehmoment; Kurven C und D zeigen das Drehmoment an der jeweils betätigten Getriebekupplung 30 oder 31.

Die Magnetventile 34,35 können gleich sein, wie dies z. B. in der DE-OS 26 57 384 beschrieben wird. Deshalb wird nur das Magnetventil 33 für die Kupplung 27 beschrieben. Auch von den gleichen Getriebekupplungen 30, 31 wird nur die eine Kupplung 30 für den Vorwärtsantrieb beschrieben.

Der Motor 25 hat eine Ausgangswelle 46, die bei normalem Betrieb konstant mit 2000 U/min rotiert und Antriebsscheiben 51 treibt, weiche mit Abtriebsscheiben 53 zur Kupplung 27 gehören.

Die Kupplung 27 ist über das Magnetventil 33 hydraulisch zwischengelöst und voll eingerückt modulierbar. Eine Ausgangswelle 65 der Kupplung 27 bildet die Eingangswelle des Drehmomentwandlers 26.

Ein Kolben 70 ist über das Magnetventil 33 aus einer Pumpe 72 und einem ölbehälter 73 beaufschlagbar und preßt die Scheiben 51,53 zusammen.

Das Arbeitsverhalten einer Reibscheibenkupplung ist im Betrieb Änderungen unterworfen, u. a. dadurch, daß sich der Reibungskoeffizient ändert Die einwandfreie Steuerung der Kupplung 27 wäre daher äußerst schwierig. Es ist deshalb ein fliehkraftabhängiges Steuerventil 300 als hydraulischer Regler für die Drehzahl des Kupplungseingangs unabhängig von Änderungen des Reibungskoeffizienten vorgesehen, das beispielsweise in der US-PS 33 52 395 erläutert ist

Die Ausgangswelle 65 der Kupplung 27 ist gleichzeitig die Eingangswelle des Drehmomentwandlers 26. Die zugeführte Antriebskraft wird durch den Drehmomentwandler 26 auf dessen Ausgangswelle 80 übertragen. Es hat der Drehmomentwandler 26 ein Gehäuse 79 mit einem Pumpenrad 86, welches eine ölströmung für das Turbinenrad 84 erzeugt Das Pumpenrad 86 ist mit einer Verzahnung auf der Eingangswelle 65 befestigt Das Turbinenrad 84 ist mit der Ausgangswelle 80 verzahnt

Das Getriebe 28 hat ein Gehäuse 100, in welchem die beiden Getriebekupplungen 30, 31 untergebracht sind und aus welchem eine Eingangswelle 101 und eine Ausgangswelle 102 hervorstehen. Die Eingangswelle 101 ist mechanisch mit der Ausgangswelle 80 des Drehmomentwandlers 26 gekoppelt und immer in Richtung des Pfeils 107 in F i g. 1 von dieser angetrieben. Die Ausgangswelle 102 wird entweder vorwärts (Pfeil 108) oder rückwärts (Pfeil 109) angetrieben.

Die Getriebekupplungen 30, 31 sind zwischen einer Mindest-Kraftschiuüsteiiung und einer vollen Kraftschlußstellung betätigbar. In der Neutralstellung des Steuergriffs 37 befinden sich beide Kupplungen in der ss Mindest-Kraftschlußstelhing. Wird das Steuerglied 37 aus der Neutralstellung in die Stellung für Vorwärtsoder Rückwärtsantrieb bewegt so wird eine Getriebekupplung 30 bzw. 31 voll eingerückt Bis dahin steht die Ausgangswelle 1OZ Wird die Kupplung 30 betätigt so eo verläuft der Kraftfluß von der Eingangswelle 101 über die Kupplung 30 zur Ausgangswelle 102, so daß diese sich in Richtung des Pfeils 109 vorwärts dreht Bei Betätigung der anderen Kupplung 31 verläuft der Kraftfhiß von der Eingangswelle 101 über die Kupplung 31 zur Ausgangswelle 102, so daß diese sich in Richtung des Pfeils 108 rückwärts dreht

Die Getriebekupplungen 30, 31 in Fig. 1 sind

einander gleich, deshalb wird lediglich die Kupplung 30 beschrieben. Die Getriebekupplung 30 enthält Antriebsscheiben 151 und dazwischenliegende Abtriebsscheiben 153. Zum Anpressen der Scheiben 151 und 153 ist ein Zylinder 163 mit einem Kolben 170 vorhanden, der über das Magnetventil 34 aus der Pumpe 72 beaufschlagbar ist.

Die Mindest-Kraftschlußstellung des Kolbens 170 wird über ein Magnetventil 400 vorgesteuert. Im betätigten Zustand des Magnetventils 400 ist in der Getriebekupplung 30 ein Mindest-Kraftschluß entsprechend dem unteren Teil der Kurve D in F i g. 2 vorhanden. Im unbetätigten Zustand des Magnetventils 400 ist die Kupplung 30 jedoch vollständig gelöst. Aus F i g. 2 und 8 ist zu entnehmen, daß die Welle 61 die Betätigung des Magnetventils 400 automatisch unterbricht, wenn das Steuerglied 37 im Uhrzeigersinn in die Endstellung für Vorwärtsantrieb gedreht wird.

Das Magnet-Steuerventil 33 steuert die Beaufschlagung der Kupplung 27 aus der Pumpe 72. Das Magnetventil 33 wird in eine Schließ- oder Nullstellung belastet und ist von einem Proportional-Elektromagnet voll zu öffnen. Die Menge des vom Magnetventil 33 für die Modulierung der Kupplung 27 durchgelassenen Druckmittels ist dem durch den Proportional-Elektromagnet 33Λ fließenden Strom proportional.

Die Getriebekupplungen 30, 31 sind nicht modulierbar, d. h, sie sind entweder gelöst oder kraftschlüssig. Sie werden über nicht proportionale Elektromagnete 34A bzw. 35Λ gesteuert Das Magnetventil 400 ist ebenfalls über einen nicht proportionalen Elektromagnet 400/4 betätigbar. Bei Erregung des Elektromagneten 400/4 sind die Kolben 170 der Getriebekupplungen 30, 31 durch einen Mindestdruck belastet, so daß die Scheiben 151 und 153 mit einer bestimmten Mindestkraft zusammengepreßt werden. Im nicht erregten Zustand des Elektromagneten 400/4 fehlt diese Vorbelastung. Bei dem Ventil 300 handelt es sich um ein sogenanntes »Omegaventil«, welches in einem Vortrag anläßlich einer Tagung der Association of Oil Well Servicing Contractors am 27. Februar 1970 von H. J. Wirry beschrieben ist

Die in F i g. 3 und 4 dargestellte Steuereinheit 40 hat ein Gehäuse mit einer Frontplatte 200, welche Öffnungen 202,203,204 bzw. 205 für die Wellen 61 bzw. 62 aufweist An der Frontplatte 200 sind Halterungen 206, 207 für elektrische Bauteile sowie für ein Arretierelement befestigt Das Steuerglied 38 ist mit einer Mutter 208 auf der Welle 62 befestigt Das Steuerglied 37 ist mit einer sich auf einer Tellerscheibe 210 abstützenden Mutter 209 auf der Welle 61 befestigt, daß es in der Neutralstellung arretierbar ist Die Tellerscheibe 2iO stützt sich auf einer in einer Blindbohrung 213 sitzenden Druckfeder 212 ab. Das Steuerglied 37 ist über einen Stift 215 mit einer Abstandsmuffe 217 verbunden, die eine Bohrung 220 für eine Rasteinrichtung 218 aufweist, welche einen federbelasteten Stift 221 enthält, der in eine Rastbohrung 222 im Lager 204 lösbar einrasten kann. In der Neutralstellung des Steuergliedes 37 taucht der Stift 221 in die Rastbohrung 222. Wird das Steuerglied 37 und die. Welle 61 gegen die Feder 212 gezogen, gelangt der Stift 221 aus der Rastbohrung 222 und das Steuerglied 37 und die Welle 61 lassen sich drehen. Nach dem Drehen des Steuergliedes 37 in die Stellung für vorwärts oder rückwärts wird der Stift 221 auf dem Rand des Lagers 204 aufgesetzt und behindert die weitere Drehung nicht

Die Wellen 61, 62 tragen mit Schrauben 232

ίο

festgelegt eine Arretierscheibe 230 bzw. 231. In ihrer Umfangsfläche 233 hat jede Scheibe eine Arretiervertiefung und einen Vorsprung 235. Die Wellen 61,62 sind mit verdrehbaren Wellen von Regelwiderständen 63 bzw. 64 verbunden, die über Stützen 238 bzw. 239 an Halterungen 206 bzw. 207 befestigt sind. Die Stütze 238 dient außerdem zur Befestigung von Begrenzungsschaltern Sl und 52. Die Welle 61 trägt ferner ein paar Kurvenscheiben 240, 241 zur Betätigung der Begrenzungsschalter 51 bzw. 52. Die Kurvenscheibe 240 hat einen Schaltbereich von 180°, die andere Kurvenscheibe 241 hingegen einen von 90°.

Ein Arretierelement 250 als zweiteiliger Stößel 254, 255 von verstellbarer Länge ist axial verschieblich in jeweils einer Bohrung 251, 252 der Halterungen 206 bzw. 207 geführt. Mit Kontermuttern 256 ist die Länge des Arretierelements 250 einstellbar. Zwischen dem Arretierelement 250 und den Scheiben 230, 231 sind Kugeln 257 bzw. 258 angeordnet Eine Feder 259 belastet das Arretierelement 250 in F i g. 4 nach rechts.

Ein Wechsel der Betätigung von einem Steuerglied auf das andere ist nur möglich, wenn beide in der Entkopplungsstellung stehen. Wird eines aus der »Entkopplungsstellung« verdreht, so wird dadurch das andere arretiert Zunächst befindet sich das Steuerglied 38 in seiner Entkopplungsstellung und das Steuerglied 37 in der Neutralstellung. Zum Anhalten des Bohrstangenhalters muß zunächst das Steuerglied 38 im Gegenuhrzeigersinn bis in die Endstellung für die kleinste Drehzahl verdreht werden, bevor das Steuerglied 37 in die Neutralstellung gedreht und arretiert werden kann. Das Steuerglied ist um nahezu 320° verdrehbar. Das Steuerglied 37 ist aus der Neutralstellung um ca. 90° nach beiden Seiten verdrehbar. Mit den Steuergliedern 37, 38 ist der Regler 45 auf zweierlei Weise steuerbar. Für das Zusammen- oder Auseinanderschrauben des Bohrgestänges begrenzt der Regler 45 die Drehzahl auf beispielsweise 30 U/min. Beim Bohren paßt der Regler 45 das Drehmoment bei einer gewählten Drehzahl der Belastung an und hält die Drehzahl konstant Diese Beziehungen zwischen den Steuerfunktionen sind in F i g. 9 bis 12 dargestellt

Das Magnetventil 33 steuert (F i g. 1) die Kupplung 27 an. Dabei ist es zweckmäßig, die Drehzahl des Bohrstangenhalters 17 unabhängig von der Bewegung des Steuergliedes zu begrenzen. Dazu wird das Betätigungssignal für das Magnetventil 33 von der Steuereinheit 40 über den Regler 45 geleitet der außerdem mit einem von der Drehzahl der Ausgangswelle 80 abhängigen Signal vom Sensor 42 gespeist ist so

Der Regler 45 ist für drei Korrekturfunktionen ausgelegt und korrigiert die Schaltungsanordnung für die Drehzahlsteuerung proportional, integral und derivativ. Die Drehzahl wird auf elektrischem Wege über den Regelwiderstand 64 bestimmt Ist die vom Regler 45 eingespeiste Drehzahl höher als die vom Regelwiderstand 64 eingestellte, so wird das Ausgangs-Steuersignal für das Magnetventil 33 verringert, um die Drehzahlabweichung zu korrigieren. Ist dagegen die tatsächliche Drehzahl niedriger als erwünscht, so wird das Ausgangs-Steuersignal verstärkt Bei Obereinstimmung der tatsächlichen mit der eingestellten Drehzahl wird das Steuersignal für das Magnetventil 33 gehalten.

Das erzeugte Steuersignal kann auf folgende Weise mittels des anderen Regelwiderstandes 63 korrigiert und abgeschwächt, nicht jedoch verstärkt werden: Erzeugt der Regelwiderstand 63 ein Korrektursignal nahe dem Massepotential, so wird der Regler 45 derart angesteuert, daß er den dem Magnetventil 33 zufließenden Strom auf nahezu Null verringert und die Kupplung 27 daher auf den Zustand des geringsten Kraftschlusses eingestellt wird. Durch Verdrehen des Regelwiderstandes 63 erhöht sich das Korrektursignal über das Massepotential, wodurch dem Magnetventil 33 ein stärkerer Strom zufließt. Dabei kann der Regelwiderstand 63 um so viel weitergedreht werden, daß sein Ausgangssignal die Stärke des des Regelwiderstandes 64 erreicht Der Strom für die Erregung des Magnetventils 33 wird also jeweils durch denjenigen Regelwiderstand 63 oder 64 gesteuert, welcher auf die niedrigere Stromstärke eingestellt ist.

In F i g. 4 bis 8 sind elektrische Schaltbilder für die Steuerung des Proportional-Elektromagneten 33Λ und der Elektromagnete 34/4, 35A für die Betätigung der Ventile 33,34 bzw. 35 dargestellt. Die Schaltungsanordnung wird für die Erregung der Magnetventile 34, 35 von einer 24-V-GIeichstromquelle über die Schalter 51, 52 gespeist Der Schalter 51 hat einen Arbeitsstromkontakt 5Iß und einen Ruhestromkontakt SiA. Der Schalter 52 hat einen Arbeitsstromkontakt 52Λ und einen Ruhestromkontakt 52ß. Bei Betätigung des Steuergliedes 37 erzeugt der Regelwiderstand 63 ein Signal für den Magneten 33/4 des die Kupplung 27 betätigenden Magnetventils 33. In der Stellung des Steuergliedes 37 für den Vorwärtsantrieb erzeugt der Regelwiderstand 64 in Abhängigkeit von der Stellung des Steuergliedes 38 ein Signal für die Erregung des Proportional-Elektromagneten 33A Die elektrische Schaltungsanordnung läßt sich im Detail aus der DE-OS 26 57 384 entnehmen.

Befindet sich das Steuerglied 37 (Fig.6) in der Neutralstellung, so betätigt die Kurvenscheibe 240 den Schalter 51, so daß der Kontakt 5 XA geschlossen und der Kontakt 5Iß offen ist Die Kurvenscheibe 241 betätigt den Schalter 52, so daß der Kontakt 52/4 geschlossen und der Kontakt 52ß offen ist Der Regel widerstand 63 befindet sich in der Nullstellung. Dadurch sind die Elektromagnete 34/4 und 35A stromlos, während der Elektromagnet 33A schwach erregt gehalten ist, so daß an der Kupplung des Drehmomentwandlers eine geringe hydraulische Vorspannung liegt Solange sich das Steuerglied 37 in der Neutralstellung befindet, muß das Steuerglied 38 durch das Arretierungselement 250 in der Stellung für die niedrigste Drehzahl sein. Das Steuerglied 37 wird durch den Stift 221 in der Neutralstellung festgehalten.

In F i g. 7 ist das Steuerglied 37 nach Ausheben des Arretierstiftes 221 aus der Neutralstellung in eine Stellung für den Vorwärtsantrieb verdreht Dadurch ist der Kontakt 5Iß geschlossen und der Kontakt SiA offen, während die Kontakte 52/4 und 5 2ß geschlossen bzw. offen bleiben. Der Regelwiderstand 63 ist aus der Neutralstellung in eine Stellung für den Vorwärtsantrieb verdreht Das Magnetventil 34 ist erregt und betätigt die Getriebekupplung 30 für den Vorwärtsantrieb, während das Magnetventil 35 für den Rückwärtsantrieb stromlos bleibt Das Magnetventil 33 für die Betätigung der Kupplung des Drehmomentwandlers in ebenfalls erregt

In der in Fig.8 dargestellten Endstellung des Steuergliedes 37 ist der Kontakt 52/4 geöffnet so daß das die Getriebekupplungen unter hydraulischer Vorspannung haltende Magnetventil 400 stromlos ist Der Kontakt 52ß ist geschlossen, was jedoch keine Wirkung hat In dieser Stellung gibt das Arretierelement 250 das Steuerglied 38 frei, so daS dieses nun in jede

Stellung zwischen der niedrigsten und der höchsten Drehzahl verdreht werden kann.

In Fig. 5 ist das Steuerglied 37 nach Ausheben des Arretierstiftes 221 aus der Neutralstellung in eine Stellung für den Rückwärtsantrieb verdreht. Der Kontakt 5 Iß ist weiterhin offen und der Kontakt SiA geschlossen, während nun der Kontakt S2A offen und der Kontakt S2B geschlossen ist. Der Regelwiderstand 63 ist aus der Neutralstellung in eine Stellung für den Rückwärtsantrieb verdreht. Dementsprechend ist nun das Magnetventil 35 erregt und betätigt die Getriebekupplung 31 für den Rückwärtsantrieb, während das Magnetventil 34 für die Vorwärtsantriebe stromlos ist. Das die Vorspannung der Getriebekupplungen steuernde Magnetventil 400 ist ebenfalls erregt. In dieser Stellung verhindert das Arretierelement 250 ein Verdrehen des Steuergliedes 38 aus der Stellung für die niedrigste Drehzahl.

In der Neutralstellung des Steuergliedes 37 sind die Kupplungen 27, 30, 31 unter Vorspannung gehalten. Wird das Steuerglied 37 in eine Stellung für den Vorwärtsantrieb gedreht, so wird der Regelwiderstand 63 in den aktiven Bereich verstellt, so daß das dem Regler zugeführte Steuersignal über das Massepotential ansteigt. Wird das Steuerglied 38 betätigt, so erzeugt der Regelwiderstand 64 ein der Verdrehung proportionales Stromsignal für die Erregung des Magnetventils 33 der Kupplung des Drehmomentwandlers, während das Magnetventil 34 für die Erregung der Vorwärts-Getriebekupplung über den Kontakt S lö erregt gehalten wird. Dabei erhöht sich der Betätigungsdruck für die Kupplung 27 des Drehmomentwandlers.

Wird das Steuerglied 37 aus der Neutralstellung in eine Stellung für den Rückwärtsantrieb verdreht, so wird der Regelwiderstand 63 dadurch wieder in seinen aktiven Bereich eingestellt, so daß das dem Regler zugeführte Signal über das Massepotential ansteigt. Das Steuerglied 38 ist in seiner Stellung für geringste Drehzahl arretiert, und das Magnetventil 35 ist über den Kontakt S 25 erregt gehalten.

In F i g. 9 bis 12 sind die Steuerfunktionen der beiden Steuerglieder 37,38 schematisch dargestellt.

Nach F i g. 9 läßt sich das Steuerglied 37 aus einer Neutralstellung in zwei Richtungen verdrehen. Ein schraffiertes Segment 37Λ bezeichnet den Arretier- oder Entkopplungsbereich. Das Steuerglied 38 ist zwischen einer Stellung für die niedrigste Drehzahl von 30 U/min und einer Stellung für die höchste Drehzahl von 200 U/min verdrehbar. Ein schraffiertes Segment 38/4 bezeichnet wiederum den Arretier- oder Entkopplungsbereich.

Gemäß Fig. 10 ist die Antriebsdrehzahl bei einer Betätigung des Sieuergiiedes 37 zwischen der Neuiraistellung und den Endstellungen für Vorwärts- oder Rückwärtsantrieb durch den Regler jeweils auf beispielsweise 30 U/min begrenzt. Der Regler 45 begrenzt also die Drehzahl auf ca. 30 U/min, bis das Steuerglied 37 bis zum Arretier- oder Entkopplungsbereich 37/4 verdreht ist und das Steuerglied 38 aus seiner Stellung für die niedrigste Drehzahl verdreht wird. Nach dem Verdrehen des Steuergliedes 38 in irgendeine Stellung zwischen seinen Stellungen für die höchste und die niedrigste Drehzahl hält der Regler 45 die jeweils eingestellte Antriebsdrehzahl für den Bohrstangenhalter 17 konstant.

Gemäß F i g. 11 überträgt die Kupplung 27 unter der Steuerung des Ventils 33 bei Verdrehung des Steuergliedes 37 zwischen der Neutralstellung und einer der beiden Endstellungen ein von Null bis zum Höchstwert ansteigendes Drehmoment. Im gesamten Verstellbereich des Steuergliedes 38 wird das höchste Drehmoment übertragen.

In Fig. 12 sind die Betätigungszustände der Getriebekupplungen 30, 31 über den Verstellbereich der Steuereinheit 40 dargestellt. Im Stillstand des Antriebs sind beide Kupplungen unter Vorspannung gehalten. Beim Verdrehen des Steuergliedes 37 aus der Neutralstellung in eine Stellung für den Rückwärtsantrieb bleibt die eine Kupplung 30 unter Vorspannung, während die andere Kupplung 31 voll kraftschlüssig wird. Wird das Steuerglied 37 in eine Stellung für den Vorwärtsantrieb verdreht, so bleibt die eine Kupplung 31 unter Vorspannung, während die andere Kupplung 30 voll kraftschlüssig wird. Die Kupplung 30 für den Vorwärtsantrieb bleibt über den gesamten Antriebsdrehzahlbereich voll kraftschlüssig, und in der Endstellung des Steuergliedes 37 für den Vorwärlsantrieb ist die Vorspannung der Kupplung 31 für den Rückwärtsantrieb aufgehoben.

Die Magnetventile 34, 35 und 400 werden allein über die durch Kurvenscheiben betätigbaren Schalter Sl, S2 gesteuert, während das Magnetventil 33,33/4 proportional durch das Ausgangssignal des Reglers 45 gesteuert wird. Die Steuerung geschieht in nachstehender Reihenfolge: Durch Verdrehen der Welle 61 und die dadurch erfolgte Betätigung eines der Schalter Sl, S 2 wird zunächst eine der Getriebekupplungen 30, 31 betätigt. Anschließend wird der Betätigungsdruck für die Kupplung 27 des Drehmomentwandlers in Abhängigkeit von der Verdrehung des Steuergliedes 37 gesteigert, bis das dadurch übertragene Drehmoment die vorhandenen Dreh widerstände übersteigt und die Ausgangswelle mit einer durch die Stellung des Regelwiderstandes 63 bestimmten Drehzahl in Drehung versetzt wird. Die Antriebsdrehzahl läßt sich durch Verdrehen des anderen Steuergliedes 38 und damit des zugeordneten Regelwiderstandes 64 steigern, sofern sich das erste Steuerglied 37 in der Entkopplungsstellung befindet. In dieser, der Verdrehung des Steuergliedes 37 in die Endsieüung im Uhrzeigersinn entsprechenden Stellung ist das Magnetventil 400 zwangsläufig abgeschaltet und damit die Vorspannung der Getriebekupplung für den Rückwärtsantrieb aufgehoben.

Hierzu 8 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Fahrbare Tiefbohrvorrichtung mit einem einen Bohrstangenhalter über eine hydraulisch betätigbare Kupplung, einen Drehmomentwandler und ein Getriebe antreibenden Antriebsmotor, wobei in dem Getriebe Schaltkupplungen vorgesehen sind, die zur Drehung des Bohrstangenhalters in beiden Drehrichtungen wahlweise betätigbar sind, und mit einer ι ο Steuervorrichtung für die Drehgeschwindigkeit und Drehrichtung des Bohrstangenhalters, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung eine manuell bedienbare, elektromechanische Bohrsteuereinheit (40) aufweist, in der zwei getrennte Steuerglieder (37, 38) für die Drehgeschwindigkeit und -richtung sowie Arretierungselemen'e (221,222, 250) für die Steuerglieder vorgesehen sind, mittels derer eine Betätigung der Steuerglieder (37, 38) ausschließlich in einer vorbestimmten Reihenfolge durchführbar ist, und daß in der Steuervorrichtung Betätigungseinrichtungen für die Schaltkupplungen (30, 31) und die modulierbar ausgelegte Hydraulikkupplung (27) vorgesehen sind, mit denen über die Schaltkupplungen (30, 31) der Bohrstangenhalter 2^r> (17) aus einer Neutralstellung entweder vorwärts oder rückwärts drehbar ist, wobei über die modulierbare Hydraulikkupplung die Vorwärtsdrehung innerhalb eines vorbestimmten Drehgeschwindigkeitsbereiches auf jeder gewünschten Geschwindigkeit haltbar und die Rückwärtsdrehung mit einer vorbestimmten Mindestgeschwindigkeit aufrechthaltbarist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung Einrichtungen η (45) enthält, mit denen eine ausgewählte oder vorbestimmte Drehgeschwindigkeit durch selbsttätiges Vergleichen des vom Drehmomentwandler (TC) abgegebenen Drehmomentes mit der Bohrbelastung einhaltbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Steuervorrichtung zusätzlich der selbsttätig modulierbaren hydraulischen Kupplung (27) zugeordnete Einrichtungen vorgesehen sind, mit denen die Schaltkupplungen 4S (30, 31) voreilend zur hydraulischen Kupplung (27) einrückbar und nacheilend zur hydraulischen Kupplung (27) ausrückbar sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrsteuereinheit ">o (40) als eines der Steuerglieder einen wahlweise betätigbaren Richtungssteuerwähler (37) zur Ansteuerung der Schaltkupplungen (30, 31) aufweist, der zwischen einer Neutral-, einer Vorwärts- und einer Rückwärtsstellung verdrehbar ist, daß als π anderes der Steuerglieder ein wahlweise betätigbarer Drehgeschwindigkeitssteuerwähler (38) zum Ansteuern der hydraulischen Kupplung (27) vorgesehen ist, der zwischen einer Minimalgeschwindigkeits- und einer Maximalgeschwindigkeitsstellung in f>o jede Zwischenstellung drehbar ist, und daß in der Bohrsteuereinheit (40) zwischen den beiden Wählern (37, 38) eines der Arretierungselemente (250) angeordnet ist, wobei eine Bewegung des Richtungssteuerwählers (37) aus einer Stellung in eine andere Stellung nur dann zugelassen ist, wenn sich der Geschwindigkeitssteuerwähler (38) in einer Minimalgeschwindigkeitsstellung befindet, und eine Bewegung des Geschwindigkeitssteuerwahlers (38) zwischen seiner Minimal- und Maximalgeschwindigkeitsstellung nur dann zugelassen ist, wenn sich der Richtungssteuerwähler (37) in seiner Vorwärtsstellung befindet

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der Bohrsteuereinheit (40) als weiteres Arretierungselement eine lösbare Rastvorrichtung (220, 221) für den Richtungssteuerwähler (37) vorgesehen ist, mit der dieser in seiner Neutralstellung verrastbar ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrsteuereinheit (40) aus einem Lagerkörper (200) besteht, in dem ein Paar von in gegenseitigem Abstand liegenden Wellen (61,62) zur wahlweisen Verdrehung gelagert sind, daß am Lagerkörper elektrische Bauteile (S 1, 52, 238, 63, 239, 64) angebracht sind, die in Abhängigkeit von der Drehung der Wellen (61, 62) betätigbar sind und durch welche die Drehrichtung und die Drehgeschwindigkeit des Bohrstangenhalters (17) steuerbar sind, daß auf jeder Welle (61,62) eine Arretierscheibe (230, 231) angebracht ist, die mit einer Arretiervertiefung (234) am Außenumfang vergehen ist, und daß verschiebbare Arretierelemente (250,257,258) im Lagerkörper (200) gelagert sind, die sich zwischen den beiden Arretierscheiben (230, 231) erstrecken und diesen derart zugeordnet sind, daß bei Eingreifen eines Endes eines der Arrctierelemente in die Arretiervertiefung (234) der einen, dann gegen eine Drehung gesperrten Arretierscheibe das andere Ende des Elements auf dem Außenumfang der anderen Arretierscheibe aufliegt und der dieser anderen Arretierscheibe zugeordneten Welle eine Drehbewegung gestattet.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die lösbare Rastvorrichtung (22 i, 222) zwischen dem Lagerkörper (200) und einer der Wellen (61,62) angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Lagerkörper (200) und dem Arretierungselement (250) eine das Arretierungselement in Richtung auf eine der beiden Arretierungsscheiben hin belastende Feder(218) vorgesehen ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der hydraulisch modulierbaren Kupplung (27) ein erstes, magnetbetätigtes Kupplungssteuerventil (33, 33A) vorgeschaltet ist, daß den Schaltkupplungen (30, 31) im Getriebe zur wahlweisen Betätigung ein zweites und ein drittes magnetbetätigtes Kupplungssteuerventil (J4, 35) vorgeschaltet sind, daß die Steuervorrichtung Einrichtungen enthält, mit denen das erste Kupplungssteuerventil zum Modulieren der hydraulischen Kupplung (27) und zum Betätigen eines vom zweiten und dritten ausgewählten Kupplungssteuerventils (34, 35) vorgesehen sind, wobei die ausgewählte Schaltkupplung voreilend zum vollen Einrücken der hydraulischen Kupplung (27) voll einrückbar ist, daß das wahlweise betäligbare Richtungssteuerglied (37) zur Betätigung des /.weiten oder dritten Kupplungssteuerventils und das wahlweise betätigbare Drehgeschwindigkeitssteuerglied (38) zur Betätigung des ersten Kupplungssteuerventils vorgesehen sind und daß die Arretierungselemente (250, 257, 258), die zwischen den beiden Steuergliedern eingeordnet sind, eine Verdrehung des Richtungssteuergliedes

nur zulassen, wenn das Drehgeschwindigkeitssteuerglied in seiner Minimalgeschwindigkeitsstellung steht und eine Verdrehung des Drehgeschwindigkeitssteuergliedes nur zulassen, wenn das Richtungssteuerglied in seiner Vorwärtssteilung steht.

Die Erfindung betrifft eine fahrbare Tiefbohrvorrich- m tung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei einer aus der US-PS 29 11 193 bekannten Tiefbohrvorrichtung sind insgesamt sieben Betätigungselemente für die einzelnen Steuerfunktionen vorgesehen. Zudem läßt sich eine Änderung der Drehgeschwin- ι -, digkeit des Bohrstangenhalters primär durch die Regelung der Motordrehzahl erzeugen, was in der Praxis unbefriedigend ist. Eine gefühlvolle Steigerung einer langsamen Drehung des Bohrstangenhalters in beiden Drehrichtungen, wie sie beispielsweise zum 2» Zusammenschrauber, bzw. Auseinandersi-hrauben der einzelnen Bohrstangenabschnitte bei modernen Vorrichtungen dieser Gattung erforderlich ist, läßt sich hierbei nur sehr schwierig bewerkstelligen. Ein vorgesehenes Umkehrgetriebe beaufschlagt die Windeneinrich- >-, tung, mit der die Bohrstange angehoben oder abgesenkt wird. Eine fehlerhafte Betätigung der Steuerglieder ist in jedem Betriebszustand möglich, so daß die Gefahr einer Beschädigung von Teilen des Bohrstangenhalters oder der Bohrstange nicht zuverlässig ausgeschlossen >o werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die sich durch eine einfache und selbsttätig gegen Fehlbedienungen gesicherte Steuervorrichtung aus- j5 zeichnet, mit der im besonderen ein gefühlvolles Andrehen oder Anhalten des Bohrstangenhalters ermöglicht wird.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs angegebenen Merkmale gelöst.

Mit dieser Ausbildung der Bohrsteuereinheit ist eine Bedienungsperson selbst dann in der Lage eine feinfühlige Steuerung der Bohrstangenhaherbewegung zu bewirken, wenn sie über keine besondere Fachkennt- 4 > nis verfügt. Ruckartige Bewegungen, eine schlagartige Drehrichtungsumfahr, ein zu rascher Anstieg des auf die Bohrstange ausgeübten Drehmoments sowie ein schlagartiger Abbau des ausgeübten Drehmoments werden auf einfache Weise vermieden. Da der Antriebsmotor durch die Ausbildung der Steuereinheit mit konstanter Drehzahl betrieben werden kann, ergibt sich eine günstige Leistungsausnutzung bei vernünftigem Energieverbrauch und bei Bedarf auch eine sofort zur Verfügung stehende hohe Antriebsleistung. Trotz der stets zur Verfugung stehenden hohen Antriebsleistung von seilen des Motors läßt sich die Bohrstangenhalter-Bewegung feinfühlig regulieren. Mit der Vorrichtung kann zügig gearbeitet werden, da während eines Bohrvorgangs jederzeit ein neuer Bohrstangenabschnitt bO angeschraubt oder entfernt werden kann. Die Steuervorrichtung baut verhältnismäßig klein und kann an gut zugänglicher Stelle der Tiefbohrvorrichtung angebracht werden, da sie als reine Fernsteuer-Vorrichtung ausgelegt werden kann und unabhängig von der Lage der mechanischen Bauteile der Vorrichtung ist. Die Arretierungselemente sorgen zudem dafür, daß die Schaltkupplungen, die die Antriebsverbindung im Getriebe herzustellen haben, derart schaithar sind, daß der Drehmomentwandler gegen ein Durchgeben oder eine Überbelastung abgesichert ist.

Es ist eine besonders einfache und schonende Bewegungssteuerung für den Bohrstangenhalter erzielbar, und zwar trotz der üblicherweise groben Arbeitsbedingungen beim Tiefbohren und der achtlosen Bedienung der Vorrichtung. Dazu kommt eine günstige Leistungsausnutzung des Antriebsmotors und ein damit verbundener, gleichmäßiger und niedriger Verschleiß der gesamten Mechanik der Vorrichtung.

Es ist zwar aus der US-PS 38 94 443. der US-PS ii 52 392, der US-PS 21 53 085 und der US-PS 18 50 302 bekannt, Steuervorrichtungen mit mehreren Bedienungshebeln durch mechanische Arretierungselemente oder federnde Rastglieder so abzusichern, daß eine Fehlbetätigung durch gleichzeitiges Verstellen aller Betätigungshebel vermieden wird. Bei der Steuervorrichtung für Schwerfahrzeuge nach der US-PS 38 94 443 verhindert eine Arretierungsvorrichtung mit einer Sperrkugel eine gleichzeitige Bewegung beider Handhebel. Damit wird jedoch der grundsätzlich vorhandene Drehbereich der Handhebel nur auf einen engeren Bewegungssektor begrenzt. Gemäß der US-PS 33 52 392 sind bei einer Steuervorrichtung für eine Kupplungs- und Getriebeanordnung mit einem Betätigungshebel und einer Schaltkulisse unterschiedliche Steuerfunktionen ausführbar. Das Problem, das bei mehreren Hebeln und deren Fehlbedienung vorliegt, tritt hier nicht auf. Aus der US PS 21 53 085 ist eine Arretierung für zwei Schaltmuffen-Stdlhebel eines Getriebes bekannt, die über einen bestimmten Verschwenkbereich der Hebel als elastische Verrastung und darüber hinaus als starre Arretierung wirkt. Mit ihr wird die Bewegungsfähigkeit jeweils eines Hebels gesperrt, wenn sich der andere in einer kritischen Stellung befindet. Nach der US-PS 18 50 302 ist eine mechanische Sperre für zwei die Kupplungsinuffen in einem Getriebe verschiebende Hebel bekannt, bei der jedoch die Sperre in mehreren Hebelstellungen beider Hebel aufgehoben ist. Diese Prinzipien sind insgesamt bei Tiefbohrvorrichtungen der eingangs genannten Art für die spezielle Steuerungsaufgabe nicht brauchbar. Denn es bestand das Problem, daß insgesamt drei wahlweise zu betätigende Kupplungen vorhanden sind, von denen eine — abweichend zur bisher üblichen Handhabung bei solchen Tiefbohrvorrichtungen — in ihrem Eingriff modulierbar auszulegen war, damit die besonderen Voraussetzungen, die zum Zusammenschrauben und Lösen der Bohrstangenabschnitte gegeben sind, besser erfüllt werden können.

Im folgenden werden anhand der Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert. Zweckmäßige Ausführungsformen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor. Es zeigt

Fig. 1 ein Schema des Antriebs eines Hohrstangenhalters bei einer Tiefbohrvorrichtung,

F i g. 2 ein Diagramm über Beziehungen zwischen den Stellungen von Steuergliedern und den dabei abgegebenen Drehmomenten,

Fig. 3 eine vergrößerte Vorderansicht einer die Steuerglieder aufweisenden Steuereinheit,

Fig. 4 einen Teilschnitt der Steuereinheit nach Fig. 3,

Fig. 5 die Steuereinheit in einer Stellung für Rückwärtsdrehung des Bohrstangenhalters,

Fig. 6 Teile der Steuereinheit in der Stillstandsstellung,