DE4011083A1 - Verfahren und anordnung zur regelung einer gesteinsbohrmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Regelung der Schlagleistung einer hydraulisch be­ triebenen Gesteinsbohrmaschine, bei welchem Verfahren Druckflüssigkeit gleichzeitig einer Schlageinrichtung und durch ein Druckreduzierelement einer Vorschubein­ richtung zugeführt wird, und wobei die Schlagleistung durch Regelung des Drucks der zur Schlageinrichtung fließenden Druckflüssigkeit geregelt wird.

Weiter bezieht sich die Erfindung auf eine An­ ordnung zur Regelung der Schlagleistung einer hydrau­ lisch betriebenen Gesteinsbohrmaschine, welche Anord­ nung eine Druckflüssigkeitspumpe, eine Schlageinrich­ tung und eine Vorschubeinrichtung, deren Einlaßkanal an einen Druckkanal der Pumpe angeschlossen ist, und wenigstens ein zwischen dem Druckkanal der Pumpe und der Vorschubeinrichtung gekoppeltes Druckreduzierele­ ment aufweist, damit der Druck der der Vorschubein­ richtung zuzuführenden Druckflüssigkeit niedriger als der Druck des Druckkanals der Pumpe geregelt werden kann.

Bei bekannten Gesteinsbohrmaschinen und ihren Bedienungseinrichtungen ist der Schlagdruck der Ge­ steinsbohrmaschine auf einen bestimmten Wert fest geregelt, und der Vorschub der Bohrmaschine wird durch Regelung des Drucks des Vorschubmechanismus je nach der zu bohrenden Steinsorte geregelt, was oft Schwierigkeiten verursacht.

Wenn der Vorschubdruck dem Schlagdruck gegen­ über zu klein ist, wobei die Vorschubgeschwindigkeit kleiner ist als die erforderliche oder zulässige Vor­ schubgeschwindigkeit, wird ein Schlagpuls nicht or­ dentlich längs einer Bohrstange auf den zu bohrenden Stein übertragen, sondern verursacht Erschütterung an der Bohrstange und auch an den übrigen Geräten. Die Erschütterung wird allmählich in Wärme umgewandelt, wobei der größte Temperaturanstieg an Gewinde­ anschlüssen der Bohrstangen oder dergleichen ge­ schieht und somit besonders diese einer unnötigen Be­ anspruchung aussetzt. Daraus folgt, daß die Bohrgerä­ te beschädigt respektive schneller als gewöhnlich ab­ genutzt werden können, was ihre Lebensdauer verkürzt und die Anwendungskosten der Geräte entsprechend er­ höht. Gleichzeitig wird die Eindringungsgeschwindig­ keit eines Bohrers in das Gestein kleiner, und die zum Bohren einer bestimmten Lochlänge zu gebrauchende Zeit wird länger und erhöht somit die Bohrungskosten. Die Erschütterung setzt auch alle anderen mecha­ nischen und hydraulischen Komponenten der Bohrgeräte einer extra Beanspruchung aus und verursacht mit der Zeit unnötigen Bedarf an Wartung und Reparatur.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein solches Verfahren und eine solche An­ ordnung zur Regelung der Bohrung einer Gesteinsbohr­ maschine zustandezubringen, mittels deren obenange­ führte Schwierigkeiten vermieden werden und die Boh­ rung je nach den Umständen möglichst gut ausgeführt werden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren ist da­ durch gekennzeichnet, daß Druckflüssigkeit mit einer druckgesteuerten Volumenstrompumpe zugeführt wird, daß der Volumenstrom der Pumpe durch einen Druck zwi­ schen der Vorschubeinrichtung und dem Druckreduzier­ element gesteuert wird und daß das Verhältnis der Drücke der zu der Schlageinrichtung und Vorschubein­ richtung zu leitenden Druckflüssigkeiten mittels eines mit der Vorschubeinrichtung in Serie geschal­ teten Druckregelelements wesentlich konstant geregelt wird.

Die wesentliche Idee der Erfindung ist, daß das Verhältnis zwischen dem Schlagdruck und dem Vorschub­ druck dadurch wesentlich konstant gehalten wird, daß der Schlagdruck proportional zu dem Vorschubdruck ge­ regelt wird, wobei die Leistung eines Schlagpulses direkt gemäß dem von dem Vorschub vorausgesetzten Druckniveau und durch Anwendung einer druckgesteuer­ ten Volumenregelpumpe zur Zuführung von Druckflüssig­ keit geregelt wird, wobei der Volumenstrom dieser Pumpe auf der Basis des Vorschubdrucks geregelt wird, und dabei verursachen Änderungen im Vorschubdruck, wenn die Schlagleistung proportional zu dem zum Schlagmechanismus fließenden Volumenstrom ist, ähn­ liche Änderungen im Schlagdruck und halten den Schlagdruck und somit die Schlagleistung proportional zu dem Vorschubdruck.

Die erfindungsgemäße Anordnung ist dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Pumpe eine druckgesteuerte Vo­ lumenregelpumpe ist, daß der zur Vorschubeinrichtung leitende Druckflüssigkeitskanal zwischen dem Druck­ reduzierelement und der Vorschubeinrichtung an den Steuerdruckkanal der Pumpe angeschlossen ist und daß sie wenigstens ein Druckregelelement aufweist, das an den Einlaßkanal der Vorschubeinrichtung in Serie da­ mit geschaltet ist, und zwar zum Halten des Drucks der zu der Schlageinrichtung zu leitenden Druckflüs­ sigkeit wesentlich in konstantem Verhältnis zu dem im Einlaßkanal der Vorschubeinrichtung wirkenden Druck.

Die wesentliche Idee der erfindungsgemäßen An­ ordnung ist, daß der Einlaßkanal des Vorschubmotors an den Steuerdruckkanal der druckgesteuerten Volumen­ regelpumpe angeschlossen ist, wobei der Volumenstrom der Pumpe auf der Basis des Vorschubdrucks des Vor­ schubmotors geregelt wird, und daß sie ein Druck­ regelelement aufweist, das das Verhältnis zwischen dem Schlagdruck und dem Vorschubdruck wesentlich kon­ stant hält.

Die Erfindung wird in den beigefügten Zeich­ nungen ausführlicher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch eine erfindungsgemäße Kupplungsausführung und

Fig. 2 schematisch eine zweite erfindungsge­ mäße Kupplungsausführung.

Fig. 1 zeigt eine von einem nicht-gezeigten und an sich bekannten Motor betriebene Volumenstrom­ regelpumpe 1 mit einem Stromregelzylinder 2 und einem federbelasteten Gegenzylinder 3. Weiter ist an der Pumpe ein druckgesteuertes, proportionales Regelven­ til 4 montiert. Die Pumpe 1 ist gekoppelt, Druck­ flüssigkeit aus einem Druckflüssigkeitsbehälter 5 zu saugen und sie weiter einem Druckkanal 6 zuzuführen. Der Druckkanal 6 ist mit einer Schlageinrichtung 7 gekoppelt, deren Funktion und Konstruktion an sich allgemein bekannt sind und in diesem Zusammenhang nicht genauer erläutert werden. Die aus der Schlag­ einrichtung 7 zurückkehrende Druckflüssigkeit wird durch einen Rücklaufkanal 8 in den Druckflüssigkeits­ behälter 5 zurückgeleitet. Der Druckkanal 6 der Pumpe 1 ist ferner durch eine Drossel 9 mit einem Propor­ tionalventil 10 gekoppelt, aus dem die Druckflüssig­ keit zu einer Vorschubeinrichtung 11 weitergeleitet wird, die gewöhnlich ein Vorschubmotor ist, aber kann auch irgendeine andere Vorschubeinrichtung, wie ein Druckflüssigkeitszylinder oder dergleichen, sein. Die aus dem Vorschubmotor 11 abfließende Druckflüssigkeit wird wieder durch den Rücklaufkanal 8 in den Druck­ flüssigkeitsbehälter 5 geleitet. Zwischen der Drossel 9 und dem Proportionalventil 10 wird der Druck des Druckflüssigkeitskanals längs eines Steuerkanals 12 durch eine zweite Drossel 13 zu einem proportionalen Druckbegrenzungsventil 14 und daraus weiter zu dem druckgesteuerten, proportionalen Regelventil 4 gelei­ tet. An der einen Seite des proportionalen Druckbe­ grenzungsventils 14 wird die Druckflüssigkeit durch den Rücklaufkanal 8 in den Druckflüssigkeitsbehälter 5 geleitet.

Während der nicht-gezeigte Motor die Pumpe 1 in einer an sich bekannten Weise dreht, kommt im Druck­ kanal der Pumpe Druck vor, wobei die fließende Druck­ flüssigkeit veranlaßt, daß die Schlageinrichtung 7 betätigt wird und der Vorschubmotor 11 die Bohrma­ schine in einer bekannten Weise vorwärtsschiebt. Wenn die Verhältnisse die ganze Zeit konstant bleiben, bleibt der Druck im Steuerkanal 12 auch konstant und somit wird die Funktion der Pumpe 1 nicht von außen gesteuert. Dabei halten der Stromregelzylinder 2 und der federbelastete Gegenzylinder 3, die normalerweise zu der Pumpe 1 gehören, den Volumenstrom der Pumpe 1 automatisch so, daß der Druck des Druckkanals 6 kon­ stant bleibt. Die Struktur und Funktion der Pumpe 1 und dieser zu der Pumpe fest gehörenden Komponenten sind an sich allgemein völlig bekannt und werden des­ halb hier nicht ausführlicher erläutert.

Unter fortgesetzt konstanten Verhältnissen fließt die Druckflüssigkeit durch die erste Drossel 9 aus dem Druckkanal 6 heraus, wobei an der Drossel 9 ein Druckverlust geschieht. Weiter fließt die Druck­ flüssigkeit durch das Proportionalventil 10 zu dem Vorschubmotor 11, wobei im Proportionalventil 10 ein vorausbestimmter Druckverlust unabhängig von der Strömung geschieht und somit beim Vorschubmotor 11 ein Druck herrscht, der um den gemeinsamen Druckver­ lust der Drossel 9 und des Proportionalventils 10 kleiner ist als der Druck im Druckkanal 6 und an der Schlageinrichtung 7. Der Druck der Schlageinrichtung 7 wird mittels des proportionalen Druckbegrenzungs­ ventils 14 geregelt, das den höchsten im Kanal 12 herrschenden Druck einstellt. Durch Regelung des Druckbegrenzungsventils 14 kann der Druck im Kanal 12 geändert werden und in entsprechender Weise der Volu­ menstrom der Pumpe 1 und somit der Druck im Druck­ kanal 6 und an der Schlageinrichtung 7 erhöht oder gesenkt werden. Der Regler des Druckbegrenzungsven­ tils 14 und der Regler des Proportionalventils 10 sind so miteinander gekoppelt, daß bei zunehmendem Regelwert des Druckbegrenzungsventils, d.h. wenn der Wert des Höchstdrucks im Steuerkanal 12 wächst, der Regelwert des Proportionalventils 10 entsprechend kleiner wird, wobei bei darüber fließender Druck­ flüssigkeit ein kleinerer Druckverlust entsteht und der Vorschubdruck des Vorschubmotors 11 größer wird. Die Regelung der Ventile ist so dimensioniert, daß die Drücke des Vorschubmotors 11 und der Schlagein­ richtung 7 im linearen Verhältnis zueinander sind, d.h. daß ihr Verhältnis wesentlich konstant ist.

Wenn eine Bohrkrone beim Bohren beispielsweise einen weichen Stein oder eine Hohlung, einen Kluft oder dergleichen trifft, wobei die dem Vorschub wi­ derstehende Kraft und somit der Druck des Vorschub­ motors 11 sinken, so folgt daraus zugleich, daß der Druck zwischen dem Proportionalventil 10 und der Drossel 9 sinkt. Weil die Drossel 9 eine schnelle Strömung der Druckflüssigkeit zu dem Vorschubmotor und somit ein schnelles Vorwärtsstürzen des Vorschubs des Vorschubmotors 11 verhindert, so bringt eine Drucksenkung mit sich, daß der Druck des Steuerkanals 12 entsprechend sinkt und die Lage des Regelventils 4 und dadurch den Volumenstrom der Pumpe 1 schnell kleiner regelt. Bei abnehmendem Volumenstrom sinkt zugleich der Druck im Druckkanal 6 entsprechend, und somit sinkt der Schlagdruck der Schlageinrichtung 7 schnell bei abnehmendem Vorschubdruck, und es ist nicht möglich, daß eine dem Vorschub gegenüber zu hohe Schlagleistung entsteht und in Wärme umgewandelt wird. Wenn die Bohrkrone wieder einen Stein oder die Oberfläche eines Steins nach normalen Verhältnissen trifft, nimmt der Druck an der Einlaßseite des Vor­ schubmotors 11 von neuem und entsprechend der Druck zwischen dem Proportionalventil 10 und der Drossel 9 zu, bis er den Druckwert erreicht, auf den das Druck­ begrenzungsventil 14 geregelt ist. Bei zunehmendem Druck zwischen dem Ventil 10 und der Drossel 9 steigt der Druck im Steuerkanal 12 entsprechend an und re­ gelt mittels des Regelventils 4 den Volumenstrom der Pumpe 1 größer, bis er sich auf das ursprünglich von dem geregelten Schlagdruck vorausgesetzte Niveau stellt.

Fig. 2 zeigt schematisch eine andere Ausfüh­ rungsform der Erfindung, bei der der Schlagdruck auf eine bestimmte obere Grenze nicht begrenzt ist, son­ dern der Schlag und der Vorschub so miteinander ge­ koppelt sind, daß unter einem vorausbestimmten Druck­ verhältnis eine Druckzunahme des Vorschubmotors den Druck der Schlageinrichtung erhöht respektive eine Druckabnahme ein Sinken des Drucks der Schlageinrich­ tung zustande bringt. Die Figur zeigt ebenfalls ein Regelventil 15 der Schlageinrichtung, mittels dessen sie in und außer Betrieb gesetzt werden kann, und ein Regelventil 16 des Vorschubmotors, mittels dessen der Vorschubmotor gekoppelt werden kann, die Bohrmaschine vorwärts oder rückwärts zu verschieben oder sie ganz zu stoppen. Die Funktion und Struktur dieser Ventile sind an sich bekannt und werden deshalb nicht genauer erläutert. In dieser Ausführungsform wird ausschließ­ lich das proportionale Druckdifferenzregelventil 10 benutzt, das gekoppelt ist, eine zum Vorschubdruck proportionale Druckdifferenz zwischen dem Schlagdruck und Vorschubdruck zu halten. Bei dieser Lösung verur­ sacht eine Änderung des Vorschubdrucks, wenn die Re­ gelventile 15 und 16 in normaler Betriebsstellung sind, eine Änderung der Volumenströmung bei der Pumpe 1 in einer der Lösung der Fig. 1 entsprechenden Wei­ se so, daß der Druck im Druckkanal 6 der Pumpe 1 und somit bei der Schlageinrichtung 7 in einem bestimmten Verhältnis zu dem Vorschubdruck des Vorschubmotors bleibt. Bei der Lösung der Fig. 2 kann das Verhält­ nis zwischen dem Schlagdruck und dem Vorschubdruck durch Ändern des Regelwerts des proportionalen Druck­ differenzventils 10 geregelt werden. Wenn dagegen das zu benutzende Schlagdruckniveau geregelt werden soll, muß es so ausgeführt werden, daß die Vorspannung der Feder des Regelventils 4 des Volumenstromreglers der Pumpe geregelt wird.

Oben in der Beschreibung sind nur exemplifika­ torische Ausführungsformen der Erfindung angeführt worden, und die Erfindung ist keineswegs darauf be­ schränkt. Die wesentliche Idee der Erfindung kann so angewendet werden, daß in verschiedenen Weisen regel­ bare Volumenstrompumpen und verschiedene Kupplungen zur Identifizierung der Drücke und zum Anschließen des Steuerdrucks an die volumenstromgeregelte Pumpe verwendet werden. In den Figuren und in der Be­ schreibung werden an sich allgemein verwendete verschiedene Regel- und Steuerventile sowie Druck­ begrenzungsventile oder dergleichen auch nicht an­ geführt, mittels deren die Anwendung der Anordnung in einer anderen Weise gesteuert und geschützt werden kann, weil diese für die Erfindung nicht wesentlich sind. Eine Verwendung solcher Steuer-, Regel- und Schutzkupplungen beschränkt weder die Erfindung ir­ gendwie noch vermindert ihren Schutzumfang. Die er­ findungsgemäße Lösung kann natürlich auch anders, wie z.B. zur Steuerung des Bohrarms und der Komponenten einer Bohrmaschine, verwendet werden, damit die Be­ wegungsverhältnisse gewisser Bewegungen proportional zueinander gehalten werden können.

Claims (7)

1. Verfahren zur Regelung der Schlagleistung einer Schlageinrichtung (7) einer hydraulisch betrie­ benen Gesteinsbohrmaschine, bei welchem Verfahren Druckflüssigkeit gleichzeitig der Schlageinrichtung (7) und durch ein Druckreduzierelement (9) einer Vor­ schubeinrichtung (11) zugeführt wird, und wobei die Schlagleistung durch Regelung des Drucks der zu der Schlageinrichtung (7) fließenden Druckflüssigkeit geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß Druckflüssigkeit mit einer druckgesteuerten Volu­ menstrompumpe (1) zugeführt wird, daß der Volumen­ strom der Pumpe (1) durch einen Druck zwischen der Vorschubeinrichtung (11) und dem Druckreduzierelement (9) gesteuert wird und daß das Verhältnis der Drücke der zu der Schlageinrichtung (7) und Vorschubeinrich­ tung (11) zu leitenden Druckflüssigkeiten mittels eines mit der Vorschubeinrichtung (11) in Serie ge­ schalteten Druckregelelements (10) wesentlich kon­ stant geregelt wird.

2. Anordnung zur Regelung der Schlagleistung einer Schlageinrichtung (7) einer hydraulisch betrie­ benen Gesteinsbohrmaschine, welche Anordnung eine Druckflüssigkeitspumpe (1), die Schlageinrichtung (7) und eine Vorschubeinrichtung (11), deren Einlaßkanal an einen Druckkanal (6) der Pumpe (1) angeschlossen ist, und wenigstens ein zwischen dem Druckkanal (6) der Pumpe (1) und der Vorschubeinrichtung (11) gekop­ peltes Druckreduzierelement (9) aufweist, damit der Druck der zu der Vorschubeinrichtung (11) zu leiten­ den Druckflüssigkeit niedriger als der Druck des Druckkanals (6) der Pumpe (1) geregelt werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe (1) eine druckgesteuerte Volumenregelpumpe (1) ist, daß der zu der Vorschubeinrichtung (11) leitende Druckflüssigkeitskanal zwischen dem Druckreduzierele­ ment (9) und der Vorschubeinrichtung (11) an den Steuerdruckkanal (12) der Pumpe (1) angeschlossen ist und daß sie wenigstens ein Druckregelelement (10) aufweist, das an den Einlaßkanal der Vorschubeinrich­ tung (11) in Serie damit geschaltet ist, und zwar zum Halten des Drucks der zu der Schlageinrichtung (7) zu leitenden Druckflüssigkeit wesentlich in konstantem Verhältnis zu dem im Einlaßkanal der Vorschubeinrich­ tung (11) wirkenden Druck.

3. Anordnung nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckreduzier­ element (9) eine Drossel (9) ist.

4. Anordnung nach Patentanspruch 2 oder 3, da­ durch gekennzeichnet, daß das Druck­ regelelement (10) ein regelbares Druckdifferenzventil (10) ist, das zwischen der Drossel (9) und der Vor­ schubeinrichtung (11) gekoppelt ist.

5. Anordnung nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerdruck­ kanal (12) der Pumpe (1) zwischen dem Druckdifferenz­ ventil (10) und der Vorschubeinrichtung (11) gekop­ pelt ist.

6. Anordnung nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerdruck­ kanal (12) der Pumpe (1) zwischen der Drossel (9) und dem Druckdifferenzventil (10) gekoppelt ist und daß die Anordnung ein regelbares Druckbegrenzungsventil (14) aufweist, das mit dem Steuerdruckkanal (12) der Pumpe (1) gekoppelt ist und das den Druck des Steuer­ kanals (12) und somit den Druck der zu der Schlagein­ richtung (7) fließenden Druckflüssigkeit auf einen vorausbestimmten Maximalwert begrenzt.

7. Anordnung nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Regler des Druckdifferenzventils (10) und des Druckbegrenzungs­ ventils (14) zusammengekoppelt sind, um gleichzeitig in der Weise geregelt zu werden, daß bei Regelung des Maximaldrucks der zur Schlageinrichtung (7) fließen­ den Druckflüssigkeit das Druckdifferenzventil (10) entsprechend so geregelt wird, daß das Verhältnis der Drücke der zur Schlageinrichtung (7) fließenden Druckflüssigkeit und der zur Vorschubeinrichtung (11) fließenden Druckflüssigkeit wesentlich konstant bleibt.