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Nachlaßvorrichtung für T iefbohranlagen mit automatischer Bohrdruckregelung
Die Bohrleistung von Tiefboh ranlagen hängt neben der Art des verwendeten Bohrers
in der Hauptsache vom Bohrdruck ab, mit welchem man die Bohrschneiden bzw. Bohrerzähne
belastet. Je größer der Bohrdruck ist, um so größer ist gewöhnlich die Bohrleistung.
Der Größe des Bohrdrucks sind jedoch durch den Bohrlochdurchmeser, die Anzahl der
im Bohrloch befindlichen Schwerstangen, die Drehzahl,des Bohrers, die Neigung der
zu durchbohrenden Gebirgsschichten usw. Grenzen gesetzt. Ein zu großer Bohrdruck
bei zu kleiner Menge oder Düsengeschwindigkeit des Spülwassers verschmiert schon
nach kürzester Zeit den Bohrmeißel, so daß der Bohrer wie auf einem hydraulischen
Spurlager sich auf der Boh rlochsohle dreht und die Bohrerschneiden dann nicht mehr
mit dem richtigen Bohrdruck die Bohrlochsohle berühren. Bei, zu großem Bohrdruck
sind krumme Bohrlöcher, bei zu kleinem Bohrdruck entsprechend geringere Bohrleistungen
und schnellerer Verschleiß des- Bohrers idie Folge. Eine möglichst genaue Einhaltung
des Bohrdrucks ist deshalb erforderlich.
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Die Regulierung des Bohrdrucks von Hand durch die Windwerkshremsen
hat sich als: mangelhaft erwiesen, obgleich diese Art der Regulierung heute noch
vorwiegend angewendet wird.
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Es ist auch schon vorgeschlagen woirden, die Regulierung automatisch
durch einen Regler vorzunehmen, der vom Tobende des Flaschenzugseiles beeinflußt
wird und mit der Windwerksbremse in Verbindung steht. Aber auch eine solche Art
ider Regulierung des Bohrdrucks über die Windwerksbremse
hat sich
:nicht bewährt, weil. der Reib:ungskoeffizient zwischen Bremstrommel und Bremsbelag
unter den verschiedenen Bohrverhältnissen zu große Unterschiede annimmt, s(o daß
die Bremstrommel. unter dem Einfluß der Bohrzeuglast unbeabsichtigt oft schneller
und ruckweise durchrutscht und damit der Bohrdruck viel größer wird, als zunächt
beabsichtigt war.
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Bei einer anderen bekannten Einrichtung -; zur Regulierung des Bohrdrucks
ist, unter Vermeidung der Bremseinrichtung an oder Windwerksürommel, die Seiltrommelwielle
mit einer normalen- Pumpe verbunden, die eine Flüssigkeit, z.-B-. Wasser oder Öl,
von einem Behälter in ein Rohr abgibt, von dem eine Leitung zu mehreren Anzeigevorrichtungen
führt, während eine Rückkehrleitung zu einer selbsttätigen Ventilsteuervoirrichtung
führt. Diese Steuerung besitzt nur ein Ventil, das die, Zurückleitung der F.lüsisigkeit
beherrscht, wobei die Ventilstange unter der Wirkung eines Gewichtes: -steht.
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Ein weiterer schon gemachter Vorschlag benutzt eine gleichartige Einrichtung
mit einer Pumpe, welche ebenfalls durch die sinkende Bohrzeuglast angetrieben wird,
jedoch eine Mehrzahl parallel geschalteter Ventile mit verschieden, großen Durchlaßöffnungen
besitzt, wobei ,dife größeren Ventile abgeschaltet werden müssen, wenn ein langsamer
Vorschub erforderlich ist und deshalh eine Regulierung durch die kleineren Ventile
erfolgen soll. Eine schnelle Feinregelung ist aber auch hiermit nicht möglich.
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Die beiden letztgenannten Einrichtungen zur Regulierung des Bohrdrucks
enthalten Kolbenpumpen mit unveränderlichem Hub. Ihre Hub :ahl bzw. die Drehzahl
ihrer Kurbelwelle je: Zeiteinheit und mit dieser die Absinkgeschwindigkeit desi
Bohrers werden durch Öffnen oder Schließen von Ventilen bestimmt. Je nachdem nun
der Bohrer schneller oder langsamer vorankommt, sind Eingriffe an einem Ventil oder
mehreren Ventilen erforderlich, um dem . j eweiligen Bohrfortschritt? Rechnung zu
tragen und den Bofhrdruck wieder auf die gewünschte Größe zu bringen. Bei den in
den letzten Jahren um ein Vielfaches. gestiegenen Bohrleistungen - ioo m Bohrleistung
je Stunde sind heute keine Seltenheit m,eihr - dauern jedoch diese Eingriffe ebenfalls
zu lange.
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Um :die erwähnten Mängel zu beseitigen, geht die Erfindung von der
bei Nachlaßvorrichtungen für Tiefbohranlagen bekannten Anordnung einer mit der Wi:ndwerks.tro:mme-l
gekuppelten, vorzugsweise mehrzylindrigen Pumpe .aus und besteht .im wesentlichen
in der Verwendung einer Pumpe mit in an sich bekannter Weise stufenlos veränderbarem
Kolbenhub, der entsprechend dem jeweils gewünschten Bohrdruck eingestellt und dann
in Abhängigkeit vom Förderdruck :der Pumpe selbsttätig geregelt wird. Der Zusammenhang
zwischen Pumpenhub und Bohrdruck ergibt sich daraus, daß sich die jeweilige Differenz
zwischen der gesamten Boihrzeuglast und dem Bohrdruck über :das Seil der' Nachlaßvorrichtung
als Antriebsmoment auf die Windwerkstrommel und damit auch die mit dieser . gekuppelte
Pumpe auswirkt, deren Leis.tungsaufnahme einerseits vom Förderdruck und andererseits
von der Fördermenge abhängt.
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Die baulichen und betriebsmäßigen Einzelheiten dos Erfindungsgegenstandes
sowie die mit diesem erreichten Vorteile sind nachstehend an Hand einer in der Zeichnung
beispielsweise dargestellten Ausführungsfoxm beschrieben; es zeigt Abb. i :eine
Übersicht der bekannten Teile einer solchen Nachlaßvorrichtung, Abb. 2 in größerem
Maßs.tabe einen senkrechten Schnitt durch die mit -der Windwerksitrommel gekuppelte
Pumpe; Abb. 3 einen waagerechten Schrott durch die gleiche Pumpe und Abb. 4- in
kleinerem Maßstabe nochmals einem, senkrechten Schnitt durch die Pumpe mit der vollständigem,
Hubverstelieineichtung.
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Die Nachlaßvorrichtung besteht gemäß Abb. i im wesentlichen aus einem
Flaschenzug i mit dem an, diesem hängenden Bohrgestänge 2, dem Flasche:nzugsleil
3, welches an .einem Ende :einen Festpunkt 4 hat und in der Nähe desselben ein Drillorrieter
5 zum Anzeigen des der ganzen Bohrzeuglast oder der jeweilen Differenz zwischen
.dieser und dem Bohrdrucl: entsprechenden Seilzuges enthält, während das. andere
Seilende auf.leiner Windwerkstrommel 6 aufgewunden ist, ferner einem Seiltrieb 7,
8, durch welchen die Trommelwelle 9 mit der Welle io einer Flüssngkeitspumpe i i
gekuppelt .iis.t. Mit einer solchen Vorrichtung wird der Biohr:druck bekanntlich
in .der Weise erzeugt, rclaß man einen Teil der gesamten Bohrzeuglaisst auf die
Bohrso:hl.e einwirken läßt. Der über den gewünschten Bo#hrdru.ek hinausgehende Teil
der Bohrzeuglast wird während des Bohrvorgangesi durch den Flaschenzug getragen,
wobei der betreffende Seilzug auf -die Trommelwelle 9 eine Drehkraft ausübt, welche
mittels des Getriebes7, 8 auf die Pumpenwel-lie-io übertragen wird.
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Die Pumpenwelle io iist gemäß Abb. 2 durch einen mit Kugellagern ausgerüsteten
Lagerkörper i i in das.Innere des Pumpengehäuses 12 hineingeführt und dort mit einer
von ihrer Stirnseite ausgehenden Axialhohrung versehen, in welcher das eine Ende
eines Mitnehmers, 13 angeordnet ist. Über diesen Mitnehmer ist die Welle io mit
einer Zylindertrommel 14 gekuppelt, welche auf einem Zapfen 15 eines Schwenkkörpers
1ü gelagert ist. Dieser Schwenkkörper ist durch zwei Laschen 17 mit dem Lagerkörper
12 gelenleig verbunden und in einem gewissen Abstand davon mittels eines verstellbaren
Gestänges i8 an der Decke des Pumpengehäuses aufgehängt. In der Zykndertrommel 14
ist, in Umfangs,richtung gleichmäßig verteilt, eine je nach Größe geeignete Anzahl
Kolben i9, geführt, die durch mittels kugelförmiger Enden drehbar gelagerte Kolbenstangen
2o mit der gemeinsamen Antriebswelle io in axial zwangläufiger Verbindung stehen.
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Beim Umlauf der Welle io und damit auch des Schwenkkörpeirs 16 führen
die Kalben i9 eine hin und her gehende Bewegung im S,i.nne eines Druck-bzw.
Saughubes
aus, deren Grölte von der jeweils eingestellten Neigung des Schwenkkörpers gegenüber
der Welle abhängt. Die in Abb. 2 dargestellten Kolben befinden sich .in den beiden
Hubendstellungen a bzw. bin diese Endstellungen kommen die einzelnen Kolben
nacheinander beim Durchgang durch die von den Längsachsen der Welle und des Schwenkkörpers
gebildete Ebene. Mittels eines Handrades 21 kann die Neigung des Schwenkkörpers
und damit die Größe des Pumpenkolbenhubes zwischen Null (bei waagerechter Lage des
Schwenkkörpers) und einem .durch die Konstruktion bedingtem Maximum beliebig verändert
werden.
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Die Flüssigkeitsverteilung in der Pumpe wird gemäß Abb.3 in an sich
bekannter Weise durch einen Steuerspiegel 22 bewirkt, der einen Saugkanal 23 und
einen Druckkanal 24 des Schwenkkörpers 16 voneinander trennt. Der Saugkanal taucht
mit seinem freien Ende .in ein. im unterem. Teil des Pumpengehäuses 12 befindliches
ölbad 25 -ein, während an den Druckkanal eine Rohrleitung 26 .angeschlossen ist,
die unter Zwischenschaltung eines von Hand einstellbaren Ventils 27 mit ihrem freien
Ende in den Innenraum des Pumpengehäuses zurückgeführt its-t.
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Aus Abb. q. ist zu ersehen, @daß das mit dem Handrad 21 versehene
Gestänge 18 im Bereich seiner ein- oder beiderseitigen VeTb-indung mit dem Schwenlrkörper
16 ein bzw. je ein Langloch 28 ;hat. Dadurch kann der Schwenkkörper auch bei gleichbleibender
Einstellung dieser willkürlich zu betätigenden Verstelleinrichtung über ein weiteres
an. ihm angreifendes. Gestänge 29 durch einen Regelkolben 3o beeinflußt werden.
Dieser Regelkolben wird auf seiner Oberseite durch eine vorgespannte Druckfedür
31 und auf seiner Unterseite .durch die über eine von dem Druckkanal 24 oder der
Druckleitung 26 abzweigende Leitung 32 zugeführte Fönderflüsei:gkeit der Pumpe belastet.
Wenn der Druck der Feder 31 überwiegt, nimmt der Regelkolben gemäß Abb. q. seine
tiefste Lage ein, bei welcher der Schwenkkörper 16 eine .durch die Langlochverbin.-dung
des Gestänges 18 begrenzte maximale Neigung hat. Wenn der Flüseigkeitsdruck über
den betreffenden Federdruck ansteigt, bewegt sich der Regelkolben unter Mitnahme
des Schwenkkörpers so weit nach oben, bis, Gleichgewicht zwischen den beiderseitigen
Drücken herrscht.
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An Stelle der Druckfeder 31 kann auch ein in gleicher Richtung auf
den Regelkolben 3o einwirkendes Gewicht vorgesehen sein, Idas zwecks veränderlicher
Kolbenbelastung etwa auf einem Hebel verschiebbar angeordnet ist.
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Mit einer solchen N.achlaßvorrichtung wird praktisch in folgender
Weise gearbeitet: Der Schwenkkörper 16 wird zunächist mittels .des Handrades 21
auf größtmögliche Neigung, d. h. auf größtmögl.ichen Pumpenkolbenhub eingestellt.
Außerdem wird das Ventil 27 ganz geschlossen und die Feder 31 vorgespannt. Nachdem
dann die Nachlaßvorrichtung mit der Wi.ndwerkstrommel6 gekuppelt worden ist, wird
die (nicht dargestellte) Windwerksbremse gelöst und der Bohrzeugantrieb eingeschaltet.
Der Bohrer hängt dabei noch frei über der Bohrlochsohle, so daß die ganze Bohrzeuglast
ein Drehmoment auf -die Windwerkstrommel 6 und die Pumpenwelle io ausübt. Da jedoch
die von -der Pumpe geförderte Flüssigkeit nicht aus der Leitung 26 entweichen kann,
.hält der von den Kolben i9 erzeugte Druck schon unmittelbar nach dem Anlaufen der
Pumpe dem durch das Bohrzeug ausgeübten Drehmoment das. Gleichgewicht, so daß die
Pumpe wieder zum Stillstandkommt.
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Öffnet man nun das Regelventil 27 etwas, so kann die Flüssigkeit in
entsprechendem Maße aus der Druckleitung 26 in das Pumpengehäuse 12 zurückfließen.
Infolge des. dadurch verringerten Pumpendruckes beginnen die Pumpenwelle und die
Windwerkstrommel sich wieder zu drehen, und das Bohrzeug 2 sinkt weiter ab, @so
daß der Bohrer auf der Bohrlo:chsohle einen Bohrdruck erzeugen kann. Sobald .der
gewünschte Bohrdruck erreicht ist, wozu gegebenenfalls das Regelventil27 noch weiter
geöffnet oder wieder etwas mehr geschlossen. werden muß, verringert man .die Vorspannung
der Feder 31 so weit, bis der Regelkolben 3o anspricht und den Schwenkkörper 16
:in eine etwa .einem mittleren Pumpenkolbenhub entsprechende Lage angehoben hat.
Dabei wird das Einhalten des gewünschten Bohrdruckes am Drillometer 5 überwacht.
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Mit diesen Maßnahmen ist das Einstellen der Nachlaßvorrichtung beendet,
und der Bohrdruck bleibt im weiteren Verlauf der Bohrarbeit automatisch gleich entsprechend
der Differenzzwilchen der gesamten Bohrzeuglast und denn durch idi.e Leistungsaufnahme
der Pumpe von der Windwerkstrommel gehaltenen Teil dieser Last. Wenn nämlich durch
Vertiefung des Bohrloches der Bohrdruck kleiner, die vom Flaschenzug i getragene
Last also größer wird, so erhöht sich auch entsprechend, der Pumpendruck. Infolgedessen
werden, der Regelkolben 30 und damit der Schwenkkörper 16 gegen den gleichzeitig
zunehmenden Druck der Feder 31 vorübergehend angehoben, biss nach dem durch Verringerung
von Kolbenhub, Fördermenge und Förderdzuck der Pumpe ermöglichten genügenden Absenken
des Bohrzeuges und Erhöhen des Bohrdruckes auf den, früheren Wert automatisch auch
die Rückführung des Regelkolbens 30 und damit die Wiederherstellung des eingestellten
Normalzustandes der Pumpe erfolgen.
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Der umgekehrte Vorgang ergibt stich bei vorübergehender Vergrößerung
des Bohrdruckes",d. h. Verringerung des Anteils der noch vom Flaschenzug getragenen
Bohrzeuglast. In einem ,solchen Falle drückt die Feder 31 den Regelkolben
30 und damit den Schwenkkörper 16 nach unten, wodurch Kolbenhub, Fördermenge
und Förderdruck der Pumpe größer werden, so daß infolge ihres entsprechend vergrößerten
Widerstandsmoments gegen das Drehen der Windwerkstrommel 6 auch der von dieser gehaltene
Teil der Bohrzeuglast wieder vergrößert und damit der Bohrdruck wieder verringert
werden.
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Bei großem Vorschub des Bohrers, z. B. wenn derselbe in eine Gesteinskluft
kommt oder bei Gestängebruch,
kann der Schwenkkörper 16 bis .annähernd
oder ganz in die waagerechte Lage gehoben werden, im. welcher die Pumpenkolben 1g
nur nach einen sehr kleinen bzw. überhaupt keinen Hub mehr ausführen. Dann wird
von .der Pumpe fast bzw. gar kein Flüssigkeitsdruck mehr erzeugt, .und das, Bohrzeug
2 sinkt mit größtmöglicher Geschwindigkeit ohne Eingriff ab, bis .der Bohrer wieder
auf die Sohle trifft und dort wieder ein Bohrdruck entstehen kann. Bei klüftigen
Gebirgsschichten ist es deshalb wegen .der Gefahr von Gestängebrüchen zweckmäßig,
das. Regelorgan 27 als Drehschieberventil auszubilden und ständig vom Bohrmeister
unter Beobachtung des, Diillometer.s, in der Hand halten zu lassen, wie es bisher'
mit dem Bremshebel der Windwerksbremse geschieht, um die bei. Gestängebruchdurch
die Nachlaßvorrichtung sofort in schnellem Vorschub gebrachte Gestängelast durch
rechtzeitiges schnelles Schließen des Ventils noch festhalten zu können.
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Entsprechend* dem müt größer werdender Bohrlochtiefe durch Verlängerung
des Gestänges jeweils erhöhtem Bohrzeuggewi..cht wird auch das. von diesem auf die
Seiltrommel 6 ausgeübte Drehmoment bei gleichbleibendem Bohrdruck entsprechend größer.
Deshalb muß dann dafür gesorgt werden, durch stärkeres Drosseln des Ventils 27 der
von der Pumpe erzeugte Drin ebenfalls zunimmt und die Feder 31 mehr vorgespannt
oder die sonstige Gewichtsbelastung der Oberseite des Regelko-lbens 30 erhöht
wird. Eine solche Gewichtsbelastung verändert sieh zwar im Gegensatz zur. Federspannung
nicht se@lbsittätig bei jeder Bewegung des Regelkolbens, sie ermöglicht aber eine
schnellere undweitergehendeAuswirkung eines Regelimpulses; allerdings mit etwas
größeren Pendelerscheinungen bis zur Wiederherstellung .des Ausgangszustandes.
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Durch Verwendung, einer Pumpe mit veränderlichem Kolbenhub wird im
vorliegenden Zusammenhang ferner der Vorteil .ausgenutzt, daß die Regelung von .der
Viskosität der Betriebsflüssigkeit unabhängig und deshalb besonders genau i,s@t.