EP1475347A2 - Seilwindenanordnung und Verfahren zu deren Betrieb - Google Patents

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EP1475347A2
EP1475347A2 EP04009246A EP04009246A EP1475347A2 EP 1475347 A2 EP1475347 A2 EP 1475347A2 EP 04009246 A EP04009246 A EP 04009246A EP 04009246 A EP04009246 A EP 04009246A EP 1475347 A2 EP1475347 A2 EP 1475347A2
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EP
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winch
control device
cable winch
cable
pressure
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Hubert Mert
Lothar Herbert Schirmel
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Bauer Maschinen GmbH
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B66—HOISTING; LIFTING; HAULING
    • B66C—CRANES; LOAD-ENGAGING ELEMENTS OR DEVICES FOR CRANES, CAPSTANS, WINCHES, OR TACKLES
    • B66C13/00—Other constructional features or details
    • B66C13/16—Applications of indicating, registering, or weighing devices
    • 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

Definitions

  • the invention relates on the one hand to a winch arrangement with a winch, a winch drive and a control device and on the other hand a procedure for their operation.
  • Such cable winch arrangements are used in particular in civil engineering used. Such winches are used, for example for lowering and lifting so-called pile boring tools, with which holes with a drilling depth of approx. 100 m and Drill diameters of approx. 1 m to 3 m are sunk. At the Because of the large drilling diameter, pile drilling becomes that Total weight of the drill string and, if applicable, one additional contact pressure as a load for the drilling tool used.
  • So-called well drilling differs from pile drilling.
  • Well drilling rigs necessary for this have one significantly smaller drilling diameter of about max. 300 mm to 500 mm. However, this requires drilling depths of several 100 m can be reached up to about 1000 m. Because of the small drilling diameter and the greater drilling depths would be through that Dead weight of the drill string creates a load on the drill head too large so that it could be damaged. To do this To prevent the load from over the drill string supporting winds can be reduced precisely controlled.
  • Such Incremental taxation is usually with special Winches reached, which have two drive motors, such as it is shown for example in DE 41 34 742 C1.
  • the invention is based on the object of specifying a cable winch arrangement and a method for its operation, with which reliable load control is also possible with a simple structure.
  • the cable winch arrangement according to the invention is characterized in that that by the control device a first one Operating mode for lifting and lowering and a second operating mode can be switched on, in which a load on a winch is adjustable.
  • a basic idea of the invention is that a Control with two operating modes is provided.
  • the control is designed with a first operating mode, the is designed for normal lifting and lowering operations. In this operation can be done without a complex control quick and efficient lifting and lowering are done as it is for example, is sufficient for pile drilling.
  • the Control is, however, according to the invention also to a second one Switchable operating mode, in which an input option the control requires a reduced load is adjustable, the control device via corresponding Controls the winch drive accordingly controls and monitors.
  • the control can also be a Control of the winch drive include.
  • the invention Design of the cable winch arrangement thus allows one Can also be used for drilling wells without having to State of the art two drives must be provided.
  • a preferred embodiment of the invention consists in that the winch drive has a hydraulic motor, the via hydraulic lines with a pressure energy source connected is.
  • a hydraulic motor allows for a compact Arrangement a high power transmission.
  • controllable Valves are provided, which are via the control device are controllable.
  • a measurement of the load on the rope, for example Required for well drilling can be reliable and achieved in a simple manner according to the invention be that in the hydraulic lines at least one Pressure sensor arranged to measure a hydraulic pressure is, the pressure sensor with the control device in Connection is established. Correlated according to a finding of the invention the pressure in the hydraulic line with the load and can therefore take appropriate account of a Correlation rule in the control device for determination and control or regulation of the desired load on Drill can be used.
  • Cable winch arrangement is provided on the cable winch a hydraulically actuated holding brake is formed which is controllable via the control device.
  • the inventive method for operating a cable winch arrangement is characterized in that for a lift and lowering a first operating mode in the control device is set and that a second operating mode is set in which a load on a rope of the Winch is set.
  • the cable winch arrangement comprises a drum-shaped one Cable winch 22, which is rotatable in a holder 23 mounted and via a schematically illustrated drive shaft driven by a winch drive 24 is.
  • the cable winch 22 can be locked via a holding brake 25, which acts on the drive shaft.
  • the as single hydraulic motor trained winch drive 24 via a hydraulic line arrangement explained in more detail below connected to at least one pressure energy source 20, which is a hydraulic pump.
  • the hydraulic line assembly includes a variety of Valves, which via a control device 21 for Setting the two operating modes explained below are controllable.
  • This first operating mode is used, for example, for Dry rotary drilling rigs used the usual methods.
  • the control device 21 sets the valves as follows on: valve 19 is depressurized; at valve 13 Port A blocked. So there is no pressure on the valves 17 and 16 (and thus on 2).
  • the proportional flow control valve 9, 10 is also closed in this operating mode.
  • the valve 14 is switched to high pressure.
  • the pressure energy source 20 designed as a constant pump promotes the volume flow directly through the valve 19 in a tank, not shown.
  • Check valve 11 prevents as a second security level next to valve 17, that oil flows out of the winch control 26 via line B '.
  • the load control is therefore not active, but rather only the normal winch mode.
  • the pressure energy can do this by another pressure energy source, not shown to be provided.
  • This mode of operation is used, for example, when the drill with flushing drilling equipment, e.g. for drilling wells, is operated.
  • valve 19 is redesigned so that the pressure energy source 20 can generate high pressure.
  • the valve 14 is open switched low pressure. This pressure setting is higher than the feed pressure, so that valve 14 no oil can flow out of the feed circuit.
  • Valve 9, 10 is closed.
  • the valve 13 can now be switched to unlock the check valve 17 and the Open brake 25 with the help of valve 2.
  • the switchover of valve 13 is only released if the Pressure switch 12 indicates sufficiently high pressure.
  • the cable winch 22 After opening the holding brake 25, the cable winch 22 coils lower speed because the pressure energy source 20 Volume flow delivers. With the pressure sensor 8 can now necessary for lifting the free-floating drilling drill string Pressure can be detected. To calculate the load on the winch (corresponds to the weight of the drill string in this state) the pressure generated by the valve 14 must Preload should be taken into account.
  • valve 9, 10 the volume flow can flow off. If more volume flow flows off, as is pumped by the pump 20, the winch begins 22 to unwind. In this operating mode it is therefore unwinding of the rope from the winch 22 with a predetermined Load with the same winch drive 24 possible can also be used in normal winch operation can.
  • the continuous pressure measurement on the sensor 8 can the control when the pressure drops and therefore too high a load the flow control valve 9, 10 close slightly to the to reach the specified load again. With increasing Pressure at the pressure sensor 8 and therefore too little load the flow control valve 9, 10 by the control device 21 opened accordingly.
  • the inventive method Control of the drill string no longer lowered as quickly, how the drilling progress is, or is even being raised. If the determined load is too low, the drill string becomes lowered again faster by the winch 22, so that it is more strongly supported on the sole.
  • the drill string is pulled switched back to the first operating mode.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Seilwindenanordnung mit einer Seilwinde (22), einem Windenantrieb (24) und einer Steuereinrichtung (21) sowie ein Verfahren zu deren Betrieb. Durch die Steuereinrichtung (21) kann ein erster Betriebsmodus für ein Heben und Senken und ein zweiter Betriebsmodus eingeschaltet werden, in welchem eine Auflast an einem Seil der Winde einstellbar ist. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft zum einen eine Seilwindenanordnung mit einer Seilwinde, einem Windenantrieb und einer Steuereinrichtung und zum anderen ein Verfahren zu deren Betrieb.
Derartige Seilwindenanordnungen werden insbesondere im Spezialtiefbau eingesetzt. Derartige Winden dienen beispielsweise zum Senken und Heben sogenannter Pfahlbohrwerkzeuge, mit welchen Bohrungen mit einer Bohrtiefe von ca. 100 m und Bohrdurchmessern von ca. 1 m bis 3 m abgeteuft werden. Beim Pfahlbohren wird aufgrund des großen Bohrdurchmessers das Gesamtgewicht des Bohrstranges und gegebenenfalls eine zusätzliche Anpresskraft als Auflast für das Bohrwerkzeug verwendet.
Vom Pfahlbohren unterscheidet sich das sogenannte Brunnenbohren. Hierfür notwendige Brunnenbohrgeräte haben einen deutlich kleineren Bohrdurchmesser von etwa max. 300 mm bis 500 mm. Dafür müssen jedoch Bohrtiefen von mehreren 100 m bis etwa 1000 m erreichbar sein. Aufgrund des kleinen Bohrdurchmessers und der größeren Bohrtiefen wäre die durch das Eigengewicht des Bohrstranges erzeugte Auflast am Bohrkopf zu groß, so dass dieser geschädigt werden könnte. Um dies zu verhindern, muss die Auflast über die den Bohrstrang tragende Winde genau gesteuert reduziert werden. Eine solche Auflaststeuerweise wird üblicherweise mit speziellen Winden erreicht, welche zwei Antriebsmotore besitzen, wie es beispielsweise in der DE 41 34 742 C1 dargestellt ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Seilwindenanordnung und ein Verfahren zu deren Betrieb anzugeben, mit welchem bei einem einfachen Aufbau auch eine zuverlässige Auflaststeuerung möglich ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Seilwindenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. durch ein Verfahren zum Betrieb einer Seilwindenanordnung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst. Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die erfindungsgemäße Seilwindenanordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass durch die Steuereinrichtung ein erster Betriebsmodus für ein Heben und Senken und ein zweiter Betriebsmodus einschaltbar ist, in welchem eine Auflast an einer Seilwinde einstellbar ist.
Ein Grundgedanke der Erfindung liegt darin, dass eine Steuerung mit zwei Betriebsarten vorgesehen ist. Die Steuerung ist mit einem ersten Betriebsmodus ausgebildet, der für einen normalen Hebe- und Senkbetrieb ausgelegt ist. In diesem Betrieb kann ohne eine aufwendige Steuerung ein schnelles und effizientes Heben und Senken erfolgen, wie es beispielsweise für das Pfahlbohren ausreichend ist. Die Steuerung ist aber erfindungsgemäß auch auf einen zweiten Betriebsmodus umschaltbar, in welchem über eine Eingabemöglichkeit der Steuerung eine gewünschte reduzierte Auflast einstellbar ist, wobei die Steuereinrichtung über entsprechende Steuerorgane den Windenantrieb entsprechend steuert und überwacht. Die Steuerung kann dabei auch eine Regelung des Windenantriebes beinhalten. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Seilwindenanordnung erlaubt so einen Einsatz auch für das Brunnenbohren, ohne dass wie im Stand der Technik zwei Antriebe vorgesehen werden müssen.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass der Windenantrieb einen Hydraulikmotor aufweist, der über Hydraulikleitungen mit einer Druckenergiequelle verbunden ist. Ein Hydraulikmotor erlaubt bei einer kompakten Anordnung eine hohe Kraftübertragung.
Eine besonders robuste und zuverlässige Steuerungsanordnung wird nach der Erfindung dadurch erreicht, dass steuerbare Ventile vorgesehen sind, welche über die Steuereinrichtung ansteuerbar sind.
Eine Messung der Auflast an dem Seil, wie es beispielsweise für ein Brunnenbohren erforderlich ist, kann in zuverlässiger und einfacher Weise nach der Erfindung dadurch erreicht werden, dass in den Hydraulikleitungen mindestens ein Druckaufnehmer zum Messen eines Hydraulikdruckes angeordnet ist, wobei der Druckaufnehmer mit der Steuereinrichtung in Verbindung steht. Gemäß einer Erkenntnis der Erfindung korreliert der Druck in der Hydraulikleitung mit der Auflast und kann so über eine entsprechende Berücksichtigung einer Korrelationsregel in der Steuereinrichtung zur Bestimmung und Steuerung bzw. Regelung der gewünschten Auflast am Bohrgerät verwendet werden.
Zur Erhöhung der Betriebssicherheit der erfindungsgemäßen Seilwindenanordnung ist es vorgesehen, dass an der Seilwinde eine hydraulisch betätigbare Haltebremse ausgebildet ist, welche über die Steuereinrichtung steuerbar ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb einer Seilwindenanordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass für ein Heben und Senken in der Steuereinrichtung ein erster Betriebsmodus eingestellt wird und dass ein zweiter Betriebsmodus eingestellt wird, in welchem eine Auflast an einem Seil der Winde eingestellt wird. Durch dieses Verfahren können die vorstehend genannten Vorteile beim Betrieb der erfindungsgemäßen Seilwindenanordnung erreicht werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles weiter erläutert, welches schematisch in dem beigefügten Hydraulikschaltplan dargestellt ist.
Die erfindungsgemäße Seilwindenanordnung umfasst eine trommelförmige Seilwinde 22, welche drehbar in einer Halterung 23 gelagert und über eine schematisch dargestellte Antriebswelle mittels eines Windenantriebes 24 antreibbar ist. Die Seilwinde 22 ist über eine Haltebremse 25 feststellbar, welche auf die Antriebswelle einwirkt. Der als einzelner Hydraulikmotor ausgebildete Windenantrieb 24 ist über eine nachfolgend näher erläuterte Hydraulikleitungsanordnung mit mindestens einer Druckenergiequelle 20 verbunden, welche eine hydraulische Pumpe ist.
Die Hydraulikleitungsanordnung umfasst eine Vielzahl von Ventilen, welche über eine Steuerungseinrichtung 21 zum Einstellen der beiden nachfolgend erläuterten Betriebsmodi ansteuerbar sind.
Erster Betriebsmodus für Vorschubwinde
Dieser erste Betriebsmodus wird beispielsweise für die bei Trockendrehbohrgeräten üblichen Verfahren verwendet.
Die Steuereinrichtung 21 stellt die Ventile folgendermaßen ein: Ventil 19 ist drucklos geschaltet; bei Ventil 13 ist Anschluss A gesperrt. Somit liegt kein Druck an den Ventilen 17 und 16 (und damit an 2) an. Das proportionale Stromregelventil 9, 10 ist in diesem Betriebsmodus ebenfalls geschlossen. Das Ventil 14 ist auf hohen Druck geschaltet.
Die als Konstantpumpe ausgebildete Druckenergiequelle 20 fördert also den Volumenstrom direkt über das Ventil 19 in einen nicht dargestellten Tank. Das Rückschlagventil 11 verhindert als zweite Sicherheitsstufe neben dem Ventil 17, dass Öl über die Leitung B' aus der Windensteuerung 26 abfließt. Die Auflaststeuerung ist somit nicht aktiv, sondern nur der normale Windenmodus. Die Druckenergie kann hierfür durch eine weitere nicht dargestellte Druckenergiequelle bereitgestellt werden.
Wird nun Druck auf "Heben" oder "Senken" gegeben, wird über das Wechselventil im Windensteuerungsblock 26 und über das Wechselventil 16 das Ventil 2 betätigt und somit die Haltebremse 25 geöffnet. Ebenso öffnet das Bremsventil im Windensteuerungsblock 26 - aber nur gerade soweit, dass der Windenantrieb 24 die Seilwinde 22 kontrolliert auf- oder abspulen kann.
Zweiter Betriebsmodus für die Auflaststeuerung
Dieser Betriebsmodus wird beispielsweise verwendet, wenn das Bohrgerät mit einer Spülbohrausrüstung, etwa zum Brunnenbohren, betrieben wird.
Das Ventil 19 wird umgestaltet, so dass die Druckenergiequelle 20 Hochdruck erzeugen kann. Das Ventil 14 wird auf niedrigen Druck umgeschaltet. Diese Druckeinstellung ist höher als der Einspeisedruck, so dass über das Ventil 14 kein Öl aus dem Einspeisekreis abfließen kann. Ventil 9, 10 ist geschlossen. Das Ventil 13 kann nun umgeschaltet werden, um das Rückschlagventil 17 zu entsperren und die Haltebremse 25 mit Hilfe von Ventil 2 zu öffnen. Die Umschaltung von Ventil 13 wird nur freigegeben, wenn der Druckschalter 12 genügend hohen Druck anzeigt.
Nach Öffnen der Haltebremse 25 spult die Seilwinde 22 mit niedriger Geschwindigkeit auf, da die Druckenergiequelle 20 Volumenstrom liefert. Mit dem Druckaufnehmer 8 kann nun der zum Heben des freischwebenden Spülbohrstrangs notwendige Druck erfasst werden. Zum Errechnen der Last an der Winde (entspricht in diesem Zustand dem Eigengewicht des Bohrstrangs) anhand des Drucks muss die vom Ventil 14 erzeugte Vorspannung berücksichtigt werden.
Nun öffnet die Steuerung langsam Ventil 9, 10, so dass der Volumenstrom abfließen kann. Fließt mehr Volumenstrom ab, als von der Pumpe 20 gefördert wird, beginnt die Seilwinde 22 abzuspulen. Es ist in diesem Betriebsmodus also ein Abspulen des Seiles von der Seilwinde 22 mit einer vorgegebenen Auflast mit demselben Windenantrieb 24 möglich, der auch in einem normalen Windenbetrieb eingesetzt werden kann.
Wenn sich der Bohrstrang auf die Sohle absenkt, steigt die Auflast auf den Bohrkopf. Die Steuerung achtet nun darauf, dass die eingestellte Auflast nicht überschritten wird.
Durch die kontinuierliche Druckmessung am Aufnehmer 8 kann die Steuerung bei fallendem Druck und damit zu großer Auflast das Stromregelventil 9, 10 etwas schließen, um die vorgegebene Auflast wieder zu erreichen. Bei steigendem Druck am Druckaufnehmer 8 und damit zu geringer Auflast wird das Stromregelventil 9, 10 durch die Steuerungseinrichtung 21 entsprechend geöffnet.
Ist die Auflast also zu groß, wird durch die erfindungsgemäße Steuerung der Bohrstrang nicht mehr so schnell abgesenkt, wie der Bohrfortschritt ist, oder wird sogar angehoben. Ist die ermittelte Auflast zu niedrig, wird der Bohrstrang durch die Seilwinde 22 wieder schneller abgesenkt, so dass sich dieser stärker auf der Sohle abstützt.
Nach Beendigung des Abbohrens wird zum Ziehen des Bohrstranges wieder in den ersten Betriebsmodus umgeschaltet.

Claims (10)

  1. Seilwindenanordnung mit einer Seilwinde (22), einen Windenantrieb (24) und einer Steuereinrichtung (21),
    dadurch gekennzeichnet, dass durch die Steuereinrichtung (21) ein erster Betriebsmodus für ein Heben und Senken und ein zweiter Betriebsmodus einstellbar ist, in welchem eine Auflast an einem Seil der Seilwinde (22) einstellbar ist.
  2. Seilwindenanordnung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Windenantrieb (24) einen Hydraulikmotor aufweist, der über Hydraulikleitungen mit mindestens einer Druckenergiequelle (20) verbunden ist.
  3. Seilwindenanordnung nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass steuerbare Ventile (9, 10, 13, 14, 19) vorgesehen sind, welche über die Steuereinrichtung (21) ansteuerbar sind.
  4. Seilwindenanordnung nach Anspruch 2 oder 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass in den Hydraulikleitungen mindestens ein Druckaufnehmer (8) zum Messen eines Hydraulikdruckes angeordnet ist, wobei der Druckaufnehmer (8) mit der Steuereinrichtung (21) in Verbindung steht.
  5. Seilwindenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass an der Seilwinde (22) eine hydraulisch betätigbare Haltebremse (25) ausgebildet ist, welche über die Steuereinrichtung (21) steuerbar ist.
  6. Verfahren zum Betrieb einer Seilwindenanordnung mit einer Seilwinde (22), einem Windenantrieb (24) und einer Steuereinrichtung (21),
    dadurch gekennzeichnet, dass für ein Heben und Senken in der Steuereinrichtung (21) ein erster Betriebsmodus eingeschaltet wird und dass ein zweiter Betriebsmodus eingeschaltet wird, um eine Auflast an einem Seil der Seilwinde (22) einzustellen.
  7. Verfahren nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Seilwinde (22) durch einen Hydraulikmotor angetrieben wird, welcher über Hydraulikleitungen mit einer Druckenergiequelle (20) verbunden ist.
  8. Verfahren nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass zum Steuern des Hydraulikmotors steuerbare Ventile (9, 10, 13, 14, 19) vorgesehen sind, welche über die Steuereinrichtung (21) gesteuert werden.
  9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass in den Hydraulikleitungen ein Hydraulikdruck mittels mindestens einem Druckaufnehmer (8) gemessen wird, und
    dass die vom Druckaufnehmer (8) ermittelten Werte an die Steuereinrichtung (21) weitergeleitet werden.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass zum Abbremsen und Feststellen der Seilwinde (22) eine Haltebremse (25) vorgesehen ist, welche über die Steuereinrichtung (21) gesteuert wird.
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