DE2821113A1 - Verfahren und vorrichtung zur maschinellen einstellung der neigung einer gesteinsbohrvorrichtung - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur maschinellen einstellung der neigung einer gesteinsbohrvorrichtung

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Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. W.Beyer Dipl.-Wirtsch.—Ing. B.Jochem
Frankfurt/iMain Staufenstraße
Atlas Copeο AB
Nacka / Schweden
Verfahren und Vorrichtung zur maschinellen Einstellung der Neigung einer Gesteinsbohr-
vorrichtung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur maschinellen Einstellung der Neigung einer Gesteins— bohrvorrichtung mit Bezug auf wenigstens eine senkrechte Ebene, wobei der Sollwert der Neigung der Gesteinsbohrvor— richtung durch Einstellung eines relativ zu dieser ver— schwenkbaren Tragteils einer Pendeleinrichtung in einer um ein dem Sollwert analoges Maß von der horizontalen abweichenden Ausgangsstellung eingestellt wird und von der dabei entsprechend ausgelenkten Pendeleinrichtung die Abweichung anzeigende Steuersignale erzeugt werden, welche einen mit der Gesteinsbohrvorrichtung verbundenen Stellantrieb entsprechend Richtung und Größe der Abweichung betätigen nach Patent ·. (deutsche Patentanmeldung
entsprechend der schwedischen Patentanmeldung Nr. 77 05 669—5 vom 16.5.1977).
Es sind sowohl handbediente als auch automatische Vorrichtungen zur Einstellung von Gesteinsbohrvorrichtungen in bestimmte Richtungen bekannt. PUr die Einstellung von Hand
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genügt eine einfache, mit einem Pendel oder einer Wasserwaage versehene Einrichtung, die fest mit der Gesteinsbohrvorrichtung verbunden ist. Bei Verwendung von Pendeln wird die Abweichung vom senkrechten Pendel an einer Meßskala abgelesen, und bei Verwendung von Wasserwaagen wird die Stellung einer Blase in einem Sichtfenster beobachtet. Die vorauf
liegende Erfindung bezieht sichyautomatisch arbeitende Ein- ' Stellvorrichtungen. Ein bekanntes Ausführungsbeispiel einer solchen Vorrichtung ist in der US-PS 3 896 885 beschrieben, wobei Anzeigeeinrichtungen für die Neigung und den Weg vorgesehen sind und die Neigung in bestimmten Richtungen durch trigonometrische Berechnungen gewonnen wird. Eine andere bekannte Ausführung ist in der GB-PS 1 325 240 beschrieben, wonach in einem ersten Schritt die Gesteinsbohrvorrichtung von Hand in eine bestimmte Bohrrichtung gebracht wird. Danach wird eine Halterung bzw. ein Tragteil für ein Pendel von Hand so eingerichtet, daß seine senkrechte Symmetrielinie genau lotrecht liegt, d.h. das Tragteil horizontal ausgerichtet ist. Ein anschließendes Verschwenken des Bohrauslegers bewirkt, daß die gleichzeitig mit ausgelenkte Pendeleinrichtung Steuersignale für einen Stellantrieb erzeugt, der die Gesteinsbohrvorrichtung wieder in die manuell eingestellte Richtung zurückführt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit deren Hilfe eine Gesteinsbohrvorrichtung sehr schnell so ausgerichtet werden kann, daß sie Löcher mit einer gewünschten Neigung in verschiedenen Richtungen bohrt. Verfahren und Vorrichtung sollen besonders geeignet sein für große Bohrgerüste, bei denen eine Fernsteuerung der Neigung und Richtung der Bohrvorrichtungen, z.B. vom Führerhaus aus, möglich sein soll.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur lösung der vorstehenden Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, daß eine über ein zweites Tragteil mit der Gesteinsbohrvorrichtung verbundene zweite Pendeleinrichtung der tatsächlichen Neigung der Gesteinsbohrvorrichtung entsprechende Steuersignale erzeugt, welche mit
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den Steuersignalen der ersten Pendeleinrichtung verglichen werden und den Stellantrieb betätigen lassen, bis der eingestellte Sollwert erreicht ist.
Die Einstellung des Sollwerts der Neigung der Gesteinsbohr— vorrichtung mit Bezug auf eine oder mehrere senkrechte Ebe-· nen mittels des Tragteils der ersten Pendeleinrichtung kann von Hand oder mittels eines automatischen Steuerprogramms erfolgen. Entsprechend dieser Einstellung des Tragteils der ersten Pendeleinrichtung stellt danach der von dort aus gesteuerte Stellantrieb die Gesteinsbohrvorrichtung selbsttätig in die gewünschte, von der zweiten Pendeleinrichtung abgefühlte Lage.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert· Es zeigen:
Pig. 1 eine vereinfachte Seitenansicht eines fahrbaren Bohrgerüsts mit einer erfindungsgemäß efastellbaren Bohrvorrichtung,
Fig. 2 eine vereinfachte Ansicht des Bohrgerüsts nach Fig. 1 von hinten,
Fig. 3 eine erfindungsgemäße Einstellvorrichtung in Seitenansicht, z.T. im Schnitt,
Fi.g 4 eine schematische Darstellung zur Steuerung des Stellantriebs der Bohrvorrichtung nach Fig. 1 und 2,
Fig. 5 eine schaubildliche Darstellung zum Verhältnis der Voreinstellung des Sollwerts der Neigung der Gesteinsbohrvorrichtung zum nachfolgenden,
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durch die Voreinstellung bewirkten Schwenken der Gesteinsbohrvorrichtung.
Das in Pig. 1 und 2 dargestellte Bohrgerüst 10 ist herkömmlicher Ausführung. Es hat einen schwenkbaren Bohrausleger 13» der eine längliche Gesteinsbohrvorrichtung trägt, die aus einer Vorschublafette 14 und einer Gesteinsbohrmaschine 15 besteht. Die Gesteinsbohrmasohine ist auf der Vorschublafette verschieblich geführt und treibt einen Bohrstahl 16 drehend und schlagend an. Die Vorschublafette 14 kann mittels eines Hydraulikzylinders 17 um eine Achse 19 verschwenkt werden, um einen bestimmten Schwenkwinkel oC zwischen der Vorschublafette und der in Fig. 19 eingezeichneten senkrechten Querebene einzustellen. Die Vorschublafette kann aber auch mittels eines Hydraulikzylinders 18 um eine senkrecht auf der Achse 19 stehende Achse 20 verschwenkt werden, um einen bestimmten Neigungswinkel β zwischen der Vorschublafette 14 und der in Fig. 2 eingezeichneten senkrechten Längsebene einzustellen·
Die Vorrichtung zur Einstellung der Neigung der Vorschublafette 14 mit Bezug auf die senkrechte Längs— und Querebene umfaßt zwei elektrische, die Abweichung von der Senkrechten messende Instrumente oder Pendelumsetzer 46, 47· Ein Ausführungsbeispiel eines solchen Instruments ist in der ÜS-PS 3 113 283 beschrieben · Obgleich nur mit zwei Pendeln dargestellt, versteht es sich, daß auch mit einem einzigen Pendel gearbeitet werden könnte, welches in diesem Fall so aufzuhängen wäre, daß es in zwei senkrecht aufeinanderstellenden Ebenen schwingt. Solch ein Einzelpendel könnte alternativ als Hänge- oder Kipp— pendel ausgebildet sein, d.h. den Schwenkpunkt über oder unter dem Gewicht haben· Ein Ausführungsbeispiel für solch ein Instrument ist in der GB-PS 1 325 240 beschrieben·
Die Pendelumsetzer 46, 47 sind im rechten Winkel zueinander im inneren eines Instrumentengehäuses bzw. Tragteils 48 fest montiert. Das Instrumentengehäuse 48 ist fest an der Vorschublafette 14 angebracht. Der Pendelumsetzer 46 ist dabei
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so montiert, daß er sich in der senkrechten Ebene durch die Achse 20 befindet, so daß er den NeigungswinkeloC der Vorschublafette abfühlt. Entsprechend mißt der Pendelumsetzer 47 den Neigungswinkel ß. Zu der Steuervorrichtung gehören weiterhin zwei elektrische Pendelumsetzer 21, 22, die im rechten Winkel zueinander im Inneren eines Instrumenten— gehäuses bzw. Tragteils 12 montiert sind. Das Instrumenten- ' gehäuse 12 befindet sich im Beispielsfall in größerem Abstand von der Vorschublafette 14, z.B. im Führerhaus eines Bohrgerüsts, und folgt auch nicht den Bewegungen der Vorschublafette. In Fig. 5 ist beispielhaft die Installation des Instrumentengehäuses 12 in einer Führerkabine 45 gezeigt. Die Bedienungsperson kann in diesem Fall die Vorschublafette ausrichten, ohne dazu das Führerhaus verlassen zu müssen.
Das Instrumentengehäuse 12 ist an einer Welle 23 angebracht, die sich rechtwinklig zum Instrumentengehäuse erstreckt. Die Welle 23 ist über ein Universalgelenk 24 mit einer Welle 25 verbunden. Die letztere muß immer senkrecht ausgerichtet sein, d.h. man muß gegebenenfalls Neigungen oder eine Schrägstellung des Rahmens bzw. Chassis ausgleichen. Dieser Ausgleich kann entweder von Hand, z.B. mittels einer runden Wasserwaage, oder automatisch mittels eines für sich bekannten Nivellier— systems geschehen. Eine Hülle 26 in Form eines Balgs ist mittels Kugellagern 27, 28 um die Wellen 23, 25 drehbar. Der Knickwinkel zwischen den Wellen 23, 25 am Universalgelenk 24 kann mittels einer Stellschraube 29 eingestellt werden, die mit zwei verschiedenen Gewinden 30, 31 unterschiedlicher Steigungsrichtung versehen ist. An der Hülle 26 ist ein Zeiger 32 angebracht, der mit einer Skala 33 zusammenwirkt, die relativ zur Welle 23 feststeht, so daß der Winkel im Universalgelenk 24 äußerlich angezeigt wird.
Eine Platte 34 ist um die Welle 23 drehbar, kann aber mittels einer Verriegelungsschraube 35 relativ zur Welle 23 festgelegt werden. Die Platte 34 trägt ein Richtglas und kann außer-
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dem mit Bezug auf die Hülle 26 durch eine Federplatte 38 und einen daran angebrachten Stift 37 festgelegt werden, der in ein Loch 39 im Boden der Hülle 26 einschnappbar ist.
Mittels der in Pig. 3 gezeigten Vorrichtung lassen sich die Sollwerte für die Neigung der Vorschublafette 14 mit Bezug auf zwei rechtwinklig zueinander stehende senkrechte Ebenen einstellen. Der gewünschte Sollwert für die Neigung der Vorschublafette mit Bezug auf die eine senkrechte Ebene kann mittels der Stellschraube 29 eingestellt und an der Skala abgelesen werden. Danach wird die Verriegelungsschraube 35 gelöst und danach die gewünschte Richtung der senkrechten Ebene durch die Vorschublafette — und damit die Neigung der Vorschublafette mit Bezug auf die andere der beiden senkrecht aufeinanderstellenden senkrechten Ebenen — eingestellt, indem das Richtglas 36 auf ein bestimmtes Bezugsobjekt in der Umgebung gerichtet wird. Daraufhin wird die Platte 34 wieder mittels der Schraube 35 verriegelt und die Hülle 26 gedreht, bis der Stift 37 in das Loch 39 einschnappt.
Die Platte 34 und somit auch das Instrumentengehäuse 12 ist nunmehr in eine bestimmte Ausgangsstellung eingestellt, welche den Sollwerten der Neigung der Vorschublafette 14 in ihrer senkrechten Längsebene und deren Richtung entspricht.
Die Pendelumsetzer 21, 46 sind in der Weise miteinander verbunden, daß sie ein Steuersignal erzeugen, welches dem unter— schiedi zwischen dem tatsächlichen Wert und dem Sollwert des Neigungswinkels öC entspricht. In gleicher Weise sind die Pendelumsetzer 22, 47 so ausgelegt, daß sie ein Steuersignal erzeugen, welches der Differenz zwischen dem tatsächlichen Wert und dem Sollwert des Neigungswinkels β entspricht.
Fig. 5 zeigt schaubildlich die umsetzung der Sollwert-Einstellung in die zugehörige Einstellung der Vorschublafette 14. In seiner horizontalen Stellung ist das Instrumentengehäuse 12 entsprechend einer horizontalen Ebene xy ausgerichtet, und die
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Wellen 23 und 25 fallen mit der z-Achse des Koordinatensystems zusammen. Es sei nun angenommen, daß das Instrumenten— gehäuse 12, wie oben beschrieben, in eine bestimmte Ausgangsstellung entsprechend den gewünschten Sollwerten geneigt und gedreht worden ist. Das seine Lage beschreibende xyz-System folgt der Bewegung des Instrumentengehäuses 12 und wird dabei in ein x'y'z'-System transformiert. Die Bedingung, welche erfüllt sein muß, damit die Vorschublafette die gewünschte Richtung einnimmt, besteht darin, daß sie in der Weise verschwenkt werden muß, daß ein mit ihr verbundenes, der Bewegung folgendes Koordinatensystem in ein x"y"z''-System transformiert wird. Die Vorschublafette 14 befindet sich in einer Bezugs— position, wenn sie entsprechend der senkrechten Linie 51 in Fig. 5 ausgerichtet ist, also sich entlang der z-Achse des xyz-Systems erstreckt. Es kann gezeigt werden, daß die Bedingung, welche erfüllt sein muß, um eine genaue Einstellung der Vorschublafette mit Bezug auf Neigung und Richtung zu erhalten, darin besteht, daß - x1, - y1; z1 mit xf·; yft| ζ " übereinstimmt ·
Pig. 4 zeigt, wie die Signale von den Pendelumsetzern 46, 47» welche mit der Vorschublafette verbunden sind, mit den Signalen von den zugeordneten Pendelumsetzern 21, 22 verglichen werden,und wie die Hydraulikzylinutr 17, 18 mittels der Steuersignale betätigt werden. Bei Voreinstellung des In— strumentengehäuses 12 mittels der Stellschraube 29 und der Platte 34 wird von dem Pendelumsetzer 21 ein Signal erzeugt. Dieses Signal wird mit einem Signal von dem Pendelumsetzer 46 verglichen. Die Pendelumsetzer 21, 46 sind mit einer Bezugs— Spannungsquelle 49 verbunden. Ein entstehendes Differenzsignal wird in einem Verstärker 50 verstärkt. Das von diesem abgegebene Steuersignal gelangt an ein elektro-hydraulisches Ventil 41, welches dem Hydraulikzylinder 17 zugeordnet ist. Nach Umschaltung des Ventils 41 strömt Öl von einer Pumpe 43 zum Hydraulikzylinder 17, von wo das Öl zu einem Tank 44 zurückfließt. Der Hydraulikzylinder 17 verschwenkt die Vorschublafette 14, bis das vom Verstärker 50 erzeugte Differenzsignal Null ist. In diesem Moment ist der NeigungswinkelJO erreicht.
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Die Pendelumsetzer 22, 47 sind in entsprechender Weise gekoppelt, um den Hydraulikzylinder 18 so zu steuern , daß er die Vorschublafette 14 verschwenkt, bis der Riohtungswinkel β erreicht iet.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Welle 25 vor der Einstellung der gewünschten Bohrrichtung senkrecht gestellt. Bei einer alternativen Ausführungsform kann jedoch die Welle 25 auch relativ zum Bohrgerüst feststehen. In diesem Pail ist das Bohrgerüst bzw. der Bohrwagen mit geeigneten Mitteln zum Messen seiner Schrägstellung ausgerüstet, z.B. mit einem weiteren Paar Pendelumsetzern. Diese Fühleinrichtung erzeugt Signale, welche die Differenz-Steuersignale der Pendelumsetzer 21, 46; 22, 47 entsprechend der Schrägstellung des Bohrwagens korrigieren, bevor die Differenz-Steuersignale auf die Hydraulikzylinder 17, 18 wirken.
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Claims (1)

  1. Patentansprüche
    1· Verfahren zur maschinellen Einstellung der Neigung einer Gesteinsbohrvorrichtung mit Bezug auf wenigstens eine senkrechte Ebene, wobei der Sollwert der Neigung der Gesteinsbohrvorrichtung durch Einstellung eines relativ zu dieser verschwenkbaren Tragteils einer Pendel— einrichtung in einer um ein dem Sollwert analoges Maß von der horizontalen abweichenden Ausgangsstellung eingestellt wird und von der dabei entsprechend ausgelenkten Pendeleinrichtung die Abweichung anzeigende Steuersignale erzeugt werden, welche einen mit der Gesteinsbohrvorrichtung verbundenen Stellantrieb entsprechend Richtung und
    Größe der Abweichung betätigen, nach Patent · ·,
    dadurch gekennzeichnet, daß eine über ein zweites Tragteil mit der Gesteinsbohrvorrichtung verbundene zweite Pendeleinrichtung der tatsächlichen Neigung der Gesteinsbohrvorrichtung entsprechende Steuersignale erzeugt, welche mit den Steuersignalen der ersten Pendeleinrichtung verglichen werden und den Stellantrieb betätigen lassen, bis der eingestellte Sollwert erreicht ist.
    2, Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mittels der ersten Pendeleinrichtung Sollwerte für die Neigung der Gesteinsbohrvorrichtung mit Bezug auf rechtwinklig aufeinanderstellende senkrechte Ebenen eingestellt werden-und daß die zweite Pendeleinrichtung die tatsächliche Neigung der Gesteinsbohrvorrichtung mit Bezug auf beide Ebenen abfühlt und diesen zugeordnete Steuersignale für rechtwinklig dazu wirksame Stellantriebe erzeugt·
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    ORIGINAL INSPECTtD
    3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuersignale der Abweichung der tatsächlichen Stellung der Gesteinsbohrvorriehtung vom Sollwert entsprechen.
    4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an dem im Abstand zur Gesteinsbohrvorrichtung (14,15) und unabhängig von dieser angeordneten Tragteil (12) der ersten Pendeleinrichtung (21,22) eine Stelleinrichtung (29) zu seiner Einstellung in einer von der horizontalen abweichenden Stellung entsprechend dem Sollwert der Neigung der Gesteinsbohrvorrichtung (14, 15) angebracht ist, und Mittel ( 50, 41, 43) zur Steuerung des Stellantrfebs (17, 18) der Gesteinsbohrvorrichtung (14, 15) durch Steuersignale vorgesehen sind, welche durch Vergleich der Signale der die voreingestellte Neigung anzeigenden ersten Pendeleinrichtung (21, 22) und der die tatsächliche Neigung anzeigenden zweiten Pendeleinrichtung (46, 471) gebildet sind, wobei der Stellantrieb (17, 18) so lange betätigbar ist, bis die tatsächliche Neigung der Gesteinsbohrvorrichtung (14,15) relativ zu einer Bezugsebene (51) der am Tragteil (12) der ersten Pendeleinrichtung (21, 22) eingestellten Neigung relativ zu dessen horizontalen Bezugsstellung entspricht.
    5· Vorrichtung nach Anspruch 4» dadurch gekennzeichnet, daß das Tragteil (12) der ersten Pendeleinrichtung (21, 22) mit Bezug auf zwei rechtwinklig aufeinanderstellende, senkrechte Ebenen einstellbar ist, die zweite Pendeleinrichtung (46,47) die tatsächliche Neigung der Gesteinsbohrvorrichtung (14, 15) mit Bezug auf zwei entsprechende, rechtwinklig aufeinanderstellende, senkrechte Ebenen abfühlt, und Mittel (50, 41» 43) zur Steuerung des Stellantriebs (17» 18) der Gesteinsbohrvorrichtung durch den beiden Ebenen
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    zugeordnete Steuersignale der beiden Pendeleinrichtungen (21, 22j 46, 47) vorgesehen sind.
    6· Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Pendeleinrichtungen (21, 22; 46, 47) elektrische Steuersignale erzeugen, durch welche elektro-hydraulische Steuerventile (41) des Stellantriebs (17, 18) betätigbar sind.
    7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, da du roh gekennzeichnet, daß die Pendeleinrichtungen 21, 22; 46, 47) jeweils zwei den beiden Ebenen zugeordnete, rechtwinklig aufeinanderstellende, mechanisch-elektrische Umsetzer aufweisen, welche der Bewegung ihrer jeweiligen Tragteile (12; 48) folgen.
    8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch ge — kennzeichnet, daß die Gesteinsbohrvorrichtung (14, 15) um zwei rechtwinklig aufeinanderstellende Achsen (19, 20) schwenkbar ist-und einer der Pendel— umsetzer (46, 47) an dem mit der Gesteinsbohrvorrichtung verbundenen Tragteil (48) die Neigung der Gesteinsbohrvorrichtung relativ zu einer der beiden Achsen (19, 20) mißt, während der andere Pendelumsetzer die Neigung der Gesteinsbohrvorrichtung relativ zu der anderen der beiden Achsen abfühlt·
    9· Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Pendeleinrichtung (21, 22) von einer im wesentlichen senkrechten ersten Welle (25) über eine zweite Welle (23) getragen ist, welche mit der ersten Welle verschwenkbar verbunden ist und sich rechtwinklig zum Tragteil (12) der ersten Pendeleinrichtung (21, 22) erstreckt.
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    10, Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bie 9, dadurch gekenn ze ichnet, daß die Neigung der ffesteinsbohrvorriohtung (14, 15) in ihrer senkrechten Längsebene durch die Einstellung des Winkele zwischen den beiden Wellen (23, 25) mittels haltender Stellglieder (29-33) und die Richtung der senkrechten · LSngsebene durch die Gesteinsbohrvorrichtung (14, 15) durch eine Einrichtung voreinstellbar sind, welche aus einer um die erste Welle (23) drehbaren Richteinrichtung (36), einer Drehlagerung (27, 28) der Stellglieder (29-33) «dt Bezug auf die erste und zweite Welle (23, 25) und Mitteln (37, 38, 39) zur relativen Drehwinkeleinstellung zwischen der Richteinrichtung (36) uad den Stellgliedern (29-33) besteht.
    At 8917/12.5.1978 8098A8/07A4
DE19782821113 1977-05-16 1978-05-13 Verfahren und vorrichtung zur maschinellen einstellung der neigung einer gesteinsbohrvorrichtung Ceased DE2821113A1 (de)

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