EP1247778A2 - Hubwinde - Google Patents

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EP1247778A2
EP1247778A2 EP02000979A EP02000979A EP1247778A2 EP 1247778 A2 EP1247778 A2 EP 1247778A2 EP 02000979 A EP02000979 A EP 02000979A EP 02000979 A EP02000979 A EP 02000979A EP 1247778 A2 EP1247778 A2 EP 1247778A2
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EP
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rope
control unit
drive
tensile force
winch
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EP02000979A
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EP1247778B1 (de
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Maximilian Arzberger
Sebastian Dr. Bauer
Hans Dr. Regler
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Bauer Maschinen GmbH
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Bauer Maschinen GmbH
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B66—HOISTING; LIFTING; HAULING
    • B66D—CAPSTANS; WINCHES; TACKLES, e.g. PULLEY BLOCKS; HOISTS
    • B66D1/00—Rope, cable, or chain winding mechanisms; Capstans
    • B66D1/02—Driving gear
    • B66D1/08—Driving gear incorporating fluid motors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B66—HOISTING; LIFTING; HAULING
    • B66D—CAPSTANS; WINCHES; TACKLES, e.g. PULLEY BLOCKS; HOISTS
    • B66D1/00—Rope, cable, or chain winding mechanisms; Capstans
    • B66D1/28—Other constructional details
    • B66D1/40—Control devices
    • B66D1/48—Control devices automatic
    • B66D1/50—Control devices automatic for maintaining predetermined rope, cable, or chain tension, e.g. in ropes or cables for towing craft, in chains for anchors; Warping or mooring winch-cable tension control

Definitions

  • the invention relates to a hoist winch, in particular one Kelly winch for civil engineering drills, according to the generic term of claim 1.
  • a hoist winch comprises a rotatable mounted drum for receiving a rope, a drive, through which the drum for winding and unwinding the Rope is rotatable, a measuring device for measuring a Rope load and a control unit for the drive, being by the control unit based on the measured rope load a tensile force on the rope can be determined and with a specifiable Residual traction is comparable.
  • a generic hoist winch or cable winch comes from the DE 297 23 821.
  • This winch can be used universally and allows one for a variety of applications efficient operation.
  • a control unit provided, which in connection with a measuring device measures a pulling force and ensures that a residual pulling force is retained on the rope. Because should be the burden would stand up on the rope with the drum rotating the rope is no longer under tension and it would then form a larger amount of slack rope. This is not More tensioned rope can cause the rope turns no longer, as intended, in the grooves of the rope drum lie, but grooves are skipped, or the turns come to lie on top of one another in an uncontrolled manner. Such an unclean winding on the winch leads to high Rope wear.
  • the winch as a Kelly winch for the rotary drilling process problems arise here.
  • Hit the load so for example a Kelly bar
  • a firmer medium for example water in a borehole
  • the tensile force on the rope can fall below the residual tensile force. This then leads to the drive being switched off Winds.
  • the winch drive starts again and winds it Rope down at the original speed. by virtue of the lower rate of descent of the load, for example in the water of the borehole, but continues to arise Slack rope so that the winch is stopped again. This can form an oscillation limit cycle, which a quick and efficient lowering of the load is impaired.
  • the object of the invention is to improve a generic hoist winch and to provide a method for operating a hoist winch which enables efficient winch operation in a particularly wide range of applications.
  • the hoist winch according to the invention is characterized in that that the control unit and the measuring device for continuous Determination of the current tensile force on the rope are trained and that when the tensile force falls below the power of the drive under the residual traction Control unit can be reduced and adapted, whereby by a regulation kept the traction above the residual traction becomes.
  • the drive does not stop, but only on reduced a small value. This reduces the rate of descent of the load, the rope tension increased and again above the threshold of the residual tractive force can rise. Then preferably again increase the power of the drive, so that an almost optimal rate of descent can be adjusted can. So it’s going to be a simple black and white scheme, the winch drive when falling below the residual winch pulling force completely switched off, avoided. The danger of emergence an adverse vibration limit cycle with a Constant switching on and off of the winch drive is largely reduced and practically excluded.
  • a preferred embodiment of the hoist winch according to the invention is that the drive as a hydraulic Drive is formed.
  • a hydraulic drive is relatively stiff, i.e. he can with very little delay changes in performance and thus changes in the speed of the rope accordingly the specifications of the control unit. This is for one quick adjustment close to the optimal working point and the optimal sinking speed is particularly advantageous.
  • control unit together with the hydraulic drive an electro-hydraulic Regulation forms.
  • the control unit can electric valve or a very small electric one Control servomotor, which in turn controls the hydraulic drive, as part of a hydraulic torque boost is controlled.
  • the measuring device on a deflection roller or arranged in the region of the drum is.
  • a measurement of the rope load in the area of the drum can about a torque support, for example in connection with the generic class the technology is described and known.
  • the control unit preferably has a data memory to save at least essential data of the previous one Stroke cycle, such as stroke length and reversal points, and a processor to evaluate and influence the next stroke cycle based on the data.
  • the invention is characterized in that that the control unit falls short the current pulling force below the residual pulling power the drive diminishes and adjusts and the performance of the drive based on the currently determined tractive force is regulated by the control unit.
  • a particularly efficient operation in terms of lowering speed is achieved according to the invention that the rope load is continuously by the measuring device is measured and that the control unit continuously the instantaneous tensile force of the rope determined and with the predetermined Compares residual traction.
  • the procedure is to stop the rope at a lower reversal point at each stroke cycle is stored in the control unit and that with the following stroke cycle before reaching the previously saved one Low reversal point is the power of the drive is reduced by the control unit. This is particularly so advantageous when drilling with Kelly rods, to a faster and more gentle stopping of the To reach rope load.
  • First, every stroke cycle by measuring and evaluating the rope unwinding path through a suitable length measuring device the respective reversal point stored on which a downward movement in an upward movement or vice versa. This turning point according to the uncoiled length in one corresponding memory unit noted in the control unit. Because with Kelly drilling in the subsequent drilling cycle the following kelly bar essentially the same or a defined changed height must, according to a predetermined program in the Control unit a gentle and fast braking movement the rope speed before the turning point become.
  • the invention achieved an "intelligent" lifting winch, so to speak, at which the control unit taking into account the current and the previous operational sequence Adjust the almost optimal lowering speed of the rope can.
  • FIG. 1 and 2 is a winch according to the invention 10 illustrates.
  • a drum 12 is on drum bearings 14a, 14b rotatable about a central axis 18 on a frame 13 mounted with two frame supports 13a, 13b.
  • the drum 12 is designed to receive a rope 11, which one or can be wound up in multiple layers on the drum 12.
  • a drive 16 is provided for rotating the drum 12 and thus for opening or closing Unwinding the rope 11.
  • This can be an engine or a combination of an engine and a gearbox.
  • the drum 12 is designed as a hollow drum, in the hollow or interior of the drive 16 with its drive shaft 17 is arranged coaxially to the central axis 18.
  • the torque transmission between the drive 16 and the Drum 12 takes place via a rotary connection, which is a Keyway connection can be.
  • a measuring device On the torque support mounted with two connecting bolts 20 a measuring device, not shown, is provided, through which the supported torque can be determined is.
  • the measured value determined in each case can, for example via a line 21 to a computer unit, not shown be forwarded in which according to the Drum diameter taking into account the number of Rope layers on the drum 12, which the actual Can expand drum diameter, one on the rope 11 Force is measured.
  • the measured Traction value is controlled by the drive 16, wherein if the tensile force value is reduced, the Power of the drive 16 and thus the unwinding speed he follows.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Hubwinde und ein Verfahren zum Betreiben einer Hubwinde, welche eine drehbar gelagerte Trommel (12) zur Aufnahme eines Seiles (11), einen Antrieb (16) für die Trommel, eine Messeinrichtung zur Messung der Seillast sowie eine Steuereinheit zur Steuerung des Antriebes aufweist. Ein besonders effizienter Betrieb der Hubwinde wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Steuerung die momentane Zugkraft an dem Seil ermittelt, wobei bei Unterschreiten der Zugkraft unter eine Restzugkraft länger als eine definierte Zeitspanne die Leistung des Antriebes durch die Steuereinheit herabsetzbar ist. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Hubwinde, insbesondere eine Kellywinde für Tiefbau-Bohrgeräte, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine derartige Hubwinde umfasst eine drehbar gelagerte Trommel zur Aufnahme eines Seiles, einen Antrieb, durch welchen die Trommel zum Auf- und Abwickeln des Seiles drehbar ist, eine Messeinrichtung zur Messung einer Seillast und eine Steuereinheit für den Antrieb, wobei durch die Steuereinheit aufgrund der gemessenen Seillast eine Zugkraft an dem Seil bestimmbar und mit einer vorgebbaren Restzugkraft vergleichbar ist.
Eine gattungsgemäße Hubwinde oder Seilwinde geht aus der DE 297 23 821 hervor. Diese Seilwinde ist universell einsetzbar und erlaubt für eine Vielzahl von Anwendungsfälle einen effizienten Betrieb. Insbesondere ist eine Steuereinheit vorgesehen, welche im Zusammenhang mit einer Messeinrichtung eine Zugkraft misst und dafür sorgt, dass eine Restzugkraft an dem Seil beibehalten wird. Denn sollte die Last an dem Seil bei weiterdrehender Trommel aufstehen, würde das Seil nicht mehr unter Spannung stehen und es würde sich dann eine größere Menge Schlappseil bilden. Dieses nicht mehr gespannte Seil kann dazu führen, dass die Seilwindungen nicht mehr, wie vorgesehen, in den Rillen der Seiltrommel liegen, sondern Rillen übersprungen werden, oder die Windungen unkontrolliert übereinander zu liegen kommen. Solch eine unsaubere Spulung auf der Winde führt zu hohem Seilverschleiß.
Bei der gattungsbildenden Hubwinde wird dies dadurch verhindert, dass bei Unterschreiten der gemessenen Zugkraft unter die vorgegebene Mindest- oder Restzugkraft die Winde gestoppt wird. Hierdurch werden für viele Fälle die Bildung von Schlappseil und die damit verbundenen Nachteile zuverlässig verhindert.
Für bestimmte Anwendungsfälle, insbesondere bei Verwendung der Winde als Kellywinde für das Dreh-Bohrverfahren, können hierbei Probleme auftreten. Trifft etwa die Last, also beispielsweise eine Kellystange, vor Erreichen der gewünschten Tiefe auf einen festen Widerstand oder auf ein festeres Medium, beispielsweise Wasser in einem Bohrloch, kann die Zugkraft an dem Seil die Restzugkraft unterschreiten. Dies führt dann zu einem Abschalten des Antriebes der Winde. Da beispielsweise bei dem Auftreffen auf Wasser die Last wieder weiter absinkt, und damit die momentane Zugkraft des Seiles die Restzugkraft wieder überschreitet, springt der Antrieb der Winde wieder an und wickelt das Seil mit der ursprünglichen Geschwindigkeit ab. Aufgrund der geringeren Absinkgeschwindigkeit der Last, beispielsweise im Wasser des Bohrloches, entsteht jedoch weiter erneut Schlappseil, so dass die Winde abermals gestoppt wird. Es kann sich dadurch ein Schwingungsgrenzzyklus bilden, der ein schnelles und effizientes Absinken der Last beeinträchtigt.
Aus diesem Grund wird für diesen Anwendungsfall des Bohrens mit Kellystangen häufig eine sogenannte Freifallwinde mit mechanischem Freifall eingesetzt, wobei eine Scheibenkupplung die Windentrommel freigibt oder abbremst. Allerdings ist eine derartige Freifallwinde bezüglich Wartung und Einstellung als auch bezüglich der Komplexität der Bauteile gegenüber einer gattungsbildenden Hubwinde nachteilig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Hubwinde zu verbessern und ein Verfahren zum Betrieb einer Hubwinde bereitzustellen, mit welchen in einem besonders weiten Anwendungsbereich ein effizienter Windenbetrieb ermöglicht wird.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Hubwinde mit den Merkmalen des Anspruches 1 sowie durch ein Verfahren zum Betrieb einer Hubwinde gemäß Anspruch 5 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die erfindungsgemäße Hubwinde ist dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit und die Messeinrichtung zur kontinuierlichen Bestimmung der momentanen Zugkraft an dem Seil ausgebildet sind und dass bei Unterschreiten der Zugkraft unter die Restzugkraft die Leistung des Antriebes durch die Steuereinheit herabsetzbar und anpassbar ist, wobei durch eine Regelung die Zugkraft über der Restzugkraft gehalten wird.
Im Gegensatz zum Stand der Technik wird bei einem Unterschreiten der Restzugkraft bei der erfindungsgemäßen Winde die Leistung des Antriebes nicht gestoppt, sondern nur auf einen geringen Wert herabgesetzt. Hierdurch vermindert sich die Absinkgeschwindigkeit der Last, wobei sich die Seilspannung erhöht und wieder über den Schwellwert der Restzugkraft steigen kann. Vorzugsweise kann dann auch wieder eine Erhöhung der Leistung des Antriebes erfolgen, so dass eine nahezu optimale Absinkgeschwindigkeit eingeregelt werden kann. Es wird also eine einfache Schwarz-Weiß-Regelung, die beim Unterschreiten der Windenrestzugkraft den Windenantrieb komplett abschaltet, vermieden. Die Gefahr des Entstehens eines nachteiligen Schwingungsgrenzzyklus mit einem ständigen An- und Abschalten des Windenantriebes wird weitestgehend reduziert und praktisch ausgeschlossen.
Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hubwinde besteht darin, dass der Antrieb als ein hydraulischer Antrieb ausgebildet ist. Im Gegensatz zu einem Elektromotor ist ein hydraulischer Antrieb relativ steif, d.h. er kann mit einer sehr geringen Verzögerung Leistungsänderungen und damit Geschwindigkeitsänderungen des Seiles entsprechend der Vorgaben der Steuereinheit ausführen. Dies ist für eine schnelle Einregelung nahe dem optimalen Arbeitspunkt und der optimalen Absinkgeschwindigkeit besonders vorteilhaft.
Hierbei ist von besonderem Vorteil, dass die Steuereinheit zusammen mit dem hydraulischen Antrieb eine elektrohydraulische Regelung bildet. Dabei kann die Steuereinheit ein elektrisches Ventil oder einen sehr kleinen elektrischen Stellmotor steuern, durch welchen wiederum der Hydraulikantrieb, etwa im Rahmen einer hydraulischen Drehmomentverstärkung gesteuert wird.
Für eine besonders einfache und zugleich genaue Messung der Seillast ist es bevorzugt, dass die Messeinrichtung an einer Umlenkrolle oder im Bereich der Trommel angeordnet ist. Eine Messung der Seillast im Bereich der Trommel kann etwa durch eine Drehmomentabstützung erfolgen, welche beispielsweise im Zusammenhang mit dem gattungsbildenden Stand der Technik beschrieben und bekannt ist.
Die Steuereinheit weist vorzugsweise einen Datenspeicher zum Speichern zumindest wesentlicher Daten des vorherigen Hubzyklus, etwa Hublänge und Umkehrpunkte, sowie einen Prozessor zur Auswertung und Beeinflussung des nächsten Hubzyklus auf Grundlage der Daten auf.
Hinsichtlich des Verfahrens ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit bei einem Unterschreiten der momentanen Zugkraft unter die Restzugkraft die Leistung des Antriebes vermindert und anpasst und die Leistung des Antriebes anhand der momentan ermittelten Zugkraft durch die Steuereinheit geregelt wird.
Mit diesem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb einer Winde werden die vorstehend beschriebenen Vorteile erreicht.
Ein besonders effizienter Betrieb hinsichtlich der Absenkgeschwindigkeit wird nach der Erfindung dadurch erzielt, dass durch die Messeinrichtung die Seillast kontinuierlich gemessen wird und dass die Steuereinheit kontinuierlich die momentane Zugkraft des Seiles bestimmt und mit der vorgegebenen Restzugkraft vergleicht.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass zum Abstoppen des Seiles bei einem unteren Hubpunkt bei jedem Hubzyklus ein Tiefen-Umkehrpunkt in der Steuereinheit gespeichert wird und dass bei folgendem Hubzyklus vor Erreichen des vorausgehend gespeicherten Tiefen-Umkehrpunktes die Leistung des Antriebes durch die Steuereinheit vermindert wird. Dies ist insbesondere beim sogenannten Bohren mit Kellystangen vorteilhaft, um ein schnelleres und zugleich schonenderes Abstoppen der Seillast zu erreichen. Zunächst wird bei jedem Hubzyklus durch Messung und Auswertung des Seilabspulweges durch eine geeignete Längenmesseinrichtung der jeweilige Umkehrpunkt gespeichert, an welchem eine Abwärtsbewegung in eine Aufwärtsbewegung oder umgekehrt gewechselt wird. Dieser Umkehrpunkt wird entsprechend der abgespulten Länge in einer entsprechenden Speichereinheit in der Steuereinheit vermerkt. Da beim Kellybohren im nachfolgenden Bohrzyklus die folgende Kellystange im Wesentlichen bei der gleichen oder einer definiert geänderten Höhe angesetzt werden muss, kann entsprechend einem vorgegebenen Programm in der Steuereinheit eine schonende und zugleich schnelle Abbremsbewegung der Seilgeschwindigkeit vor dem Umkehrpunkt eingeleitet werden.
In vergleichbarer Weise ist es bevorzugt, dass zum Abstoppen des Seiles an einem oberen Hubpunkt vor dessen Erreichen die Leistung des Antriebes durch die Steuereinheit vermindert wird. Insgesamt wird durch die Erfindung eine sozusagen "intelligente" Hubwinde erreicht, bei welcher die Steuereinheit unter Berücksichtigung des momentanen und des vorausgegangenen Betriebsablaufes die jeweils nahezu optimale Absenkgeschwindigkeit des Seiles einstellen kann.
Die Erfindung wird weiter anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles erläutert, welches schematisch in den Zeichnungen gezeigt ist. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1
eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Seilwinde und
Fig. 2
eine Querschnittsansicht gemäß dem Schnitt A-A von Figur 1.
In den Figuren 1 und 2 ist eine erfindungsgemäße Seilwinde 10 veranschaulicht. Eine Trommel 12 ist über Trommellager 14a, 14b drehbar um eine Mittenachse 18 an einem Gestell 13 mit zwei Gestellträgern 13a, 13b gelagert. Die Trommel 12 ist zur Aufnahme eines Seiles 11 ausgebildet, welches einoder mehrlagig auf die Trommel 12 aufgewickelt werden kann.
Zum rotierenden Antreiben der Trommel 12 und somit zum Aufoder Abwickeln des Seiles 11 ist ein Antrieb 16 vorgesehen. Dieser kann ein Motor oder eine Kombination aus einem Motor und einem Getriebe sein. Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Trommel 12 als eine Hohltrommel ausgebildet, in deren Hohl- oder Innenraum der Antrieb 16 mit seiner Antriebswelle 17 koaxial zur Mittenachse 18 angeordnet ist. Die Drehmomentübertragung zwischen dem Antrieb 16 und der Trommel 12 erfolgt über eine Drehverbindung, welche eine Keilnutverbindung sein kann.
Zur Bestimmung der an dem Seil 11 anliegenden Kraft ist der Antrieb 16 über Antriebslager 19 drehbar innerhalb der Trommel 12 gelagert. Zur Abstützung des Drehmoments bei Drehung der Trommel 12 ist der Antrieb 16 ausschließlich über eine hebelförmige Drehmomentstütze 20 mit dem Gestell 13 fest verbunden.
An der mit zwei Verbindungsbolzen gelagerten Drehmomentstüzte 20 ist eine nicht dargestellte Messeinrichtung vorgesehen, durch welche das abgestützte Drehmoment bestimmbar ist. Der jeweils ermittelte Meßwert kann beispielsweise über eine Leitung 21 an eine nicht dargestellte Rechnereinheit weitergeleitet werden, in welcher entsprechend dem Trommeldurchmesser unter Berücksichtigung der Anzahl der Seillagen auf der Trommel 12, welche den tatsächlichen Trommeldurchmesser erweitern können, eine am Seil 11 anliegende Kraft gemessen wird. Entsprechend dem gemessenen Zugkraftwert erfolgt eine Regelung des Antriebs 16, wobei bei Verminderung des Zugkraftwertes eine Verminderung der Leistung des Antriebes 16 und damit der Abwickelgeschwindigkeit erfolgt.

Claims (8)

  1. Hubwinde, insbesondere Kellywinde für Tiefbau-Bohrgeräte, mit
    einer drehbar gelagerten Trommel (12) zur Aufnahme eines Seiles (11),
    einem Antrieb (16), durch welchen die Trommel (12) zum Auf- und Abwickeln des Seiles (11) drehbar ist,
    einer Messeinrichtung zur Messung einer Seillast und
    einer Steuereinheit für den Antrieb (16), wobei durch die Steuereinheit aufgrund der gemessenen Seillast eine Zugkraft an dem Seil (11) bestimmbar und mit einer vorgebbaren Restzugkraft vergleichbar ist,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Steuereinheit und die Messeinrichtung zur kontinuierlichen Bestimmung der monmentanen Zugkraft an dem Seil (11) ausgebildet sind und
    dass bei Unterschreiten der Zugkraft unter die Restzugkraft die Leistung des Antriebes (16) durch die Steuereinheit entsprechend herabsetzbar und anpassbar ist, wobei durch eine Regelung die Zugkraft über der Restzugkraft gehalten wird.
  2. Hubwinde nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (16) als ein hydraulischer Antrieb ausgebildet ist.
  3. Hubwinde nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit zusammen mit dem hydraulischen Antrieb eine elektro-hydraulische Regelung bildet.
  4. Hubwinde nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung an einer Umlenkrolle oder im Bereich der Trommel (12) angeordnet ist.
  5. Verfahren zum Betrieb einer Hubwinde (10) gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit bei einem Unterschreiten der momentanen Zugkraft unter die Restzugkraft die Leistung des Antriebes (16) vermindert und anpasst und die Leistung des Antriebes (16) anhand der momentan ermittelten Zugkraft durch die Steuereinheit geregelt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass durch die Messeinrichtung die Seillast kontinuierlich gemessen wird und
    dass die Steuereinheit kontinuierlich die momentane Zugkraft des Seiles (11) bestimmt und mit der vorgegebenen Restzugkraft vergleicht.
  7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass zum Abstoppen des Seiles (11) bei einem unteren Hubpunkt bei jedem Hubzyklus ein Tiefen-Umkehrpunkt in der Steuereinheit gespeichert wird und dass beim folgenden Hubzyklus vor Erreichen des vorausgehend gespeicherten Tiefen-Umkehrpunktes die Leistung des Antriebes (16) durch die Steuereinheit vermindert wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass zum Abstoppen des Seiles (11) an einem oberen Hubpunkt vor dessen Erreichen die Leistung des Antriebes (16) durch die Steuereinheit vermindert wird.
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