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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf unterirdische Bohrmaschinen
und auf Verfahren zum Steuern des unterirdischen Bohrens. Insbesondere
bezieht sich die vorliegende Erfindung auf unterirdische Bohrmaschinen
zur Verwendung beim horizontalen Richtungsbohren und auf ein verbessertes
Verfahren zur automatischen Steuerung von Bohrfunktionen sowie auf
eine Vorrichtung dafür.
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Hintergrund
der Erfindungs
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Versorgungsleitungen
für Wasser,
Elektrizität,
Gas, Telephon und Kabelfernsehen werden aus Gründen der Sicherheit und der Ästhetik
häufig
unterirdisch verlegt. Gelegentlich werden die unterirdischen Versorgungseinrichtungen
in einem Graben vergraben, der daraufhin wiederaufgefüllt wird.
Allerdings kann die Grabenöffnung
zeitaufwändig
sein und eine wesentliche Beschädigung
an vorhandenen Bauwerken oder Straßen verursachen. Folglich werden
zunehmend alternative Techniken wie etwa das horizontale Richtungsbohren
("HDD") verbreitet.
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Eine
typische Horizontalrichtungsbohrmaschine umfasst einen Bock, an
dem ein Drehantriebsmechanismus angebracht ist, der entlang der
Längsachse
des Bocks gleitfähig
bewegt werden kann, um einen Bohrstrang um seine Längsachse
zu drehen, während
er entlang des Bocks gleitet, um den Bohrstrang in den Boden vorzuschieben
oder aus ihm zurückzuziehen.
Der Bohrstrang weist eine oder mehrere Bohrstangen auf, die in einem
Strang aneinander befestigt sind.
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An
dem am weitesten von der Horizontal-HDD-Maschine entfernten Ende
des Bohrstrangs ist ein Bohrwerkzeug montiert. Wenn der Bohrstrang in
den Boden vorgeschoben wird, wo es kein vorhandenes Loch gibt, wird
z. B. eine Bohrkrone verwendet. Ähnlich
wird ein Bohrlochräumer
verwendet, um ein gebohrtes Loch zu vergrößern, wobei er auch dann verwendet
wird, wenn der Bohrstrang zurückgezogen
wird, nachdem ein Loch geschnitten worden ist. Diese Bohrwerkzeuge
können
eine breite Vielfalt von Erdreichschneidvorrichtungen umfassen,
die für spezifische
Formationen angepasst sind. Beispiele umfaassen Schneidkanten, die
das Erdreich abscheren, und Kompressionselemente, die die Längskraft von
dem Bohrstrang auf einen konzentrierten Bereich konzentrieren, um
den Boden zu brechen, wenn unter Gesteinsbedingungen gebohrt wird.
Auf jeden Fall umfasst der Betrieb der Bohrwerkzeuge sowohl eine
Dreh- als auch eine Längsbewegung
(oder Schubbewegung).
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Bohrmaschinen
umfassen Bedienelemente, die ermöglichen,
dass der Betreiber sowohl die Drehbewegung als auch die Längsbewegung,
auch als Schub bezeichnet, des Bohrstrangs und folglich des Bohrwerkzeugs
steuert. Üblicherweise
sind die Größen der
Drehbewegung und der Schubbewegung proportional zu den Stellungen
der Bedienelemente. Die optimale Einstellung der Drehbewegung und
der Schubbewegung hängt
von verschiedenen Faktoren wie etwa den Erdreichbedingungen, der
Formation und dem Typ des Bohrwerkzeugs ab. Somit ist es notwendig,
dass der Betreiber anhand jeder einzigartigen Bohrsituation die
optimale Einstellung festsetzt. Allerdings können sich die Erdreichbedingungen
in einigen Situationen, insbesondere, während das Bohrwerkzeug durch
das Erdreich fortschreitet und auf Erdreich verschiedener Dichten
und Arten wie etwa Lehmboden und Gesteine trifft, schnell ändern. Unter
diesen Umständen
kann ein Betreiber möglicherweise
die Einstellungen nicht schnell genug anpassen, um diese Änderungen
zu kompensieren. Das US-Patent 5.746.278 an Bischel, das hiermit durch
Literaturhinweis eingefügt
ist, offenbart ein Steuersystem, das die Drehbewegungs- und die Schubbewegungseinstellungen
unabhängig
von den Eingaben des Betreibers automatisch anpasst.
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Unter
einigen Bedingungen erfordert der Bohrprozess die Erhaltung gleichbleibender
Werte der Dreh- und Schubbewegungseinstellung, was wiederum erfordert,
dass der Betreiber die Bedienelemente für verhältnismäßig lange Zeitdauern in der richtigen
Stellung erhält.
Allerdings kann es für
den Betreiber schwierig sein, die Stellungen der Bedienelemente
für verhältnismäßig lange
Zeitdauern genau zu erhalten, ohne zu ermüden oder unaufmerksam zu werden.
Unter diesen Bedingungen kann das Steuersystem so eingestellt werden,
dass es die Bohrparameter automatisch erhält, wenn der Betreiber die
optimalen Pegel der Drehung und des Schubs bestimmt hat. Ein Steuersystem,
das auf diese Weise konfiguriert ist, ermöglicht, dass der Betreiber
zunächst
die gewünschten
Drehbewegungs- und Schubbewegungsparameter manuell einstellt und daraufhin
durch Niederdrücken
eines getrennten Bedienelements (wie etwa eines Schalters), das
veranlasst, dass das Steuersystem diese Einstellungen erhält, wenn
der Betreiber die Bedienelemente loslässt, diesen Zustand erhält. Obgleich
die Bedienelemente üblicherweise
in ihre Neutralstellungen (die Stellung, wo die Dreh- und Schubbewegung
auf null eingestellt sind) zurückkehren,
werden die Dreh- und Schubbewegungseinstellungen automatisch in
dem bevorzugten Betriebszustand erhalten.
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Allerdings
muss die Bohroperation im Allgemeinen periodisch unterbrochen werden,
wie etwa, wenn eine Bohrstange während
des Bohrens zu dem Bohrstrang hinzugefügt werden muss oder wenn eine
Bohrstange während
des Bohrlochräumens
aus dem Bohrstrang entfernt werden muss. Wenn der Bohrprozess wiederaufgenommen
wird, muss die Bohrkrone aus einem feststehenden Zustand in einen
Bohrzustand überführt werden.
Ein Bohrzustand kann allgemein als ein solcher definiert werden,
der eine Drehung und einen Schub gegen das Erdreich umfasst. Um
dies auszuführen,
kann das Steuersystem ferner so konfiguriert sein, dass es die Drehbewegungs-
und Schubbewegungsparameter wiederaufnimmt, die vorhanden waren,
bevor die Bohroperation unterbrochen wurde. Allerdings können in
dem Bohrwerkzeug und in dem Bohrstrang hohe Lasten festgestellt
werden, wenn das Steuersystem versucht, die Dreh- und Schubbewegungseinstellung schnell
wiederaufzunehmen. Diese hohen Lasten können das Bohrwerkzeug und den
Bohrstrang beschädigen
und zu schlechter Bohrleistung führen. Somit
besteht ein Bedarf an einem optimierten Bohrwiederaufnahmeprozess
und an einer Vorrichtung zu dessen Realisierung.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Ein
Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Steuern eines unterirdischen
Bohrwerkzeugs. Das Verfahren umfasst das Einstellen einer Drehrate
des Bohrwerkzeugs und das Einstellen eines Axialschubs des Bohrwerkzeugs.
Wie oben angegeben wurde, werden die Solldrehrate und der Sollaxialschub
des Bohrwerkzeugs im Allgemeinen wie etwa zum Hinzufügen einer
Bohrstange zu dem Bohrstrang periodisch unterbrochen. Nach der Unterbrechung
wird zunächst
die Solldrehrate des Bohrwerkzeugs wiederaufgenommen, bevor der
Sollaxialschub des Bohrwerkzeugs mit einer Sollrate zunehmenden
Axialschubs wiederaufgenommen wird. Obgleich hier zur Beschreibung
der Unterbrechungen in dem Bohrzustand der Begriff periodisch verwendet wird,
sollte allerdings gewürdigt
werden, dass zur Verwirklichung der Prinzipien der vorliegenden
Erfindung nur eine solche Unterbrechung des Bohrzustands und eine
Wiederaufnahme notwendig sind.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung umfasst eine Vorrichtung zum Steuern
eines unterirdischen Bohrwerkzeugs. Die Vorrichtung umfasst ein
Hydrauliksystem, um in Reaktion auf die Stellung eines ersten Bedienelements
dem Bohrstrang eine Drehbewegung mit einer steuerbaren Umdrehungsgeschwindigkeit
zu erteilen oder ein steuerbares Niveau des Drehmoments zu erzeugen
und um in Reaktion auf die Stellung eines zweiten Bedienelements
einem Bohrwerkzeug am distalen Ende des Bohrstrangs eine Schubbewegung
mit einer steuerbaren Geschwindigkeit zu erteilen oder ein steuerbares
Niveau der Axialschubkraft zu erzeugen. Außerdem umfasst die Vorrichtung
ein drittes Bedienelement, um in Reaktion auf die Stellung der Bedienelemente ein
Dreheinstellungssignal und ein Schubeinstellungssignal zu erzeugen,
einen Indikator, um ein Signal der Automatikbohrbetriebsart zu erzeugen,
und ein viertes Bedienelement, um ein Automatikbohrbetriebsart-Abbruchsignal
zu erzeugen. Darüber
hinaus umfasst die Vorrichtung eine Steuereinheit, um von den Bedienelementen
Eingangssignale zu empfangen, die Dreh- und Schubeinstellungssignale,
Automatikbohrbetriebsart-Signale und Automatikbohrbetriebsart-Abbruchsignale
umfassen, um in Reaktion auf die Eingangssignale Umdrehungsgeschwindigkeits-
und Schubgeschwindigkeits-Steuersignale zu erzeugen und um die Bewegungssteuersignale
zu übermitteln,
um das Hydrauliksystem funktional zu steuern.
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Ein
nochmals weiterer Aspekt der Erfindung umfasst eine Vorrichtung
zum Steuern eines unterirdischen Bohrwerkzeugs. Die Vorrichtung
umfasst ein Hydrauliksystem, um einem Bohrwerkzeug in Reaktion auf
die Stellung eines ersten Bedienelements eine Drehbewegung mit einer
steuerbaren Umdrehungsgeschwindigkeit zu erteilen oder ein steuerbares
Niveau des Drehmoments zu erzeugen und in Reaktion auf die Stellung
eines zweiten Bedienelements eine Schubbewegung mit einer steuerbaren
Geschwindigkeit zu erteilen oder ein steuerbares Niveau des Axialschubs
zu erzeugen. Außerdem
umfasst die Vorrichtung ein drittes Bedienelement, um in Reaktion auf
die Stellung der Bedienelemente ein Dreheinstellungssignal und ein
Schubeinstellungssignal zu erzeugen, ein viertes vom Betreiber zu
betätigendes Bedienelement,
das ein Signal zum Erhöhen
und Verringern einer Drehbewegungseinstellung erzeugt, und ein fünftes vom
Betreiber zu betätigendes
Bedienelement, das ein Signal zum Erhöhen und Verringern einer Axialschubeinstellung
erzeugt. Außerdem umfasst
die Vorrichtung eine Steuereinheit zum Empfangen von Eingangssignalen
von dem ersten, zweiten, dritten, vierten und fünften vom Betreiber zu betätigenden
Bedienelement, um in Reaktion auf die Eingangssignale Drehbewegungs-
und Axialschub-Steuersignale zu erzeugen und um die Bewegungssteuersignale
zu übermitteln,
um das Hydrauliksystem funktional zu steuern.
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Obgleich
die Erfindung in Bezug auf Konfigurationen bevorzugter Ausführungsformen
und in Bezug auf bestimmte hier verwendete Vorrichtungen beschrieben
wird, soll die Erfindung selbstverständlich in keiner Weise als
entweder durch diese Konfiguration oder durch diese Komponenten,
die hier beschrieben sind, eingeschränkt ausgelegt werden. Obgleich
hier die bestimmten Typen von Hydraulikpumpen und Motoren beschrieben
werden, sollen diese bestimmten Mechanismen außerdem selbstverständlich nicht
auf einschränkende
Weise ausgelegt werden. Stattdessen erstrecken sich die Prinzipien
der Erfindung auf irgendeine Umgebung, in der das automatische Erhalten
und/oder Wiederaufnehmen eines Bohrzustands mit vorgegebenen Dreh- und
Axialschubeinstellungen erwünscht
ist. Diese und weitere Änderungen
der Erfindung gehen für
den Fachmann auf dem Gebiet anhand einer ausführlicheren Beschreibung der
Erfindung hervor.
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Die
Vorteile und Merkmale, die die Erfindung charakterisieren, sind
ausführlich
in den hier beigefügten
Ansprüchen
dargelegt und bilden einen Teil hiervon. Für ein besseres Verständnis der
Erfindung sollte aber auf die Zeichnungen, die einen Teil hiervon
bilden, und auf die beigefügte
Beschreibung, in der eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht
und beschrieben ist, Bezug genommen werden.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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Die
beigefügten
Zeichnungen, die hierin enthalten sind und einen Teil der Patentschrift
bilden, veranschaulichen mehrere Aspekte der Erfindung und dienen
zusammen mit der Beschreibung zur Erläuterung der Prinzipien der
Erfindung. Eine Kurzbeschreibung der Zeichnungen ist wie folgt:
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1 veranschaulicht
eine Horizontalrichtungsbohrmaschine;
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2 veranschaulicht den Betreiberbedienungsstand
einer Horizontalrichtungsbohrmaschine gemäß den Prinzipien der vorliegenden
Erfindung;
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3 veranschaulicht
einen Bedienungshebel des Betreiberbedienungsstands aus 2;
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4 veranschaulicht
ein Schild, das die Funktion der Bedienelemente identifiziert, die
an dem Bedienungshebel aus 3 zu finden
sind;
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5 veranschaulicht
Bedienelemente, die auf der rechten Seite des Betreiberbedienungsstands
aus 2 zu finden sind;
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6 veranschaulicht
eine Anzeige gemäß den Prinzipien
der vorliegenden Erfindung;
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7 veranschaulicht
die Zunahmeraten der Drehbewegung und des Axialschubs, wenn ein Bohrprozess
wiederaufgenommen wird; und
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8 ist
ein Ablaufplan eines Verfahrens zum Wiederaufnehmen der automatischen
Steuerung der Bohrfunktionen.
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Ausführliche
Beschreibung
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Nunmehr
anhand der verschiedenen Zeichnungsfiguren, in denen gleiche Elemente überall gleich
nummeriert sind, wird nun eine Beschreibung verschiedener beispielhafter
Aspekte der vorliegenden Erfindung gegeben. In der Zeichnung sind
die bevorzugten Ausführungsformen
gezeigt und beschrieben, wobei die vorliegende Offenbarung selbstverständlich als
eine Veranschaulichung der Erfindung und nicht als Beschränkung der
Erfindung auf die offenbarten Ausführungsformen zu betrachten
ist.
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Eine
in 1 veranschaulichte Horizontalrichtungsbohrmaschine 20 enthält einen
Bock 22, an dem ein Drehantriebsmechanismus 30 angebracht ist,
der gleitfähig
entlang einer Längsachse
des Bocks 22 bewegt wird. In einer Ausführungsform umfasst die Horizontalrichtungsbohrmaschine 20 einen hinteren
Stabilisator 26 und einen vorderen Stabilisator 27 zum
Positionieren und Stabilisieren der Maschine 20 an der
Bohrstelle und eine Radbaueinheit 24 zum Unterstützen der
Maschine während
des Transports zwischen Arbeitsstellen. Ein Bohrstrang 18 weist
ein Bohrwerkzeug 42, das so ausgelegt ist, dass es mit
dem Erdreich in Eingriff ist, und eine oder mehrere Bohrstangen 38,
die Kräfte
von der Maschine 20 auf das Bohrwerkzeug 42 übertragen,
auf. Der Drehantriebsmechanismus 30 umfasst üblicherweise ein
Getriebe und eine Antriebsspindel, die den Bohrstrang 18 um
seine Längsachse
dreht, wobei die Drehleistung vorzugsweise durch einen Hydraulikmotor 216 bereitgestellt
wird. Außerdem
umfasst die Horizontalrichtungsbohrmaschine 20 einen Schubantriebsmechanismus 28,
der üblicherweise
Zahnräder
oder Zähne
umfasst, um den Antriebsmechanismus 28 an dem Bock 22 auf
und ab zu bewegen, um den Bohrstrang 18 in das Erdreich
vorzuschieben oder aus ihm zurückzuziehen.
Die Schubleistung wird vorzugsweise durch einen Hydraulikmotor 217 bereitgestellt.
In einigen Ausführungsformen
treibt eine Kraftmaschine 36 Hydraulikpumpen 16 und 17 an, die
Fluid mit Druck beaufschlagen, das zu den Hydraulikmotoren 216 und 217 übertragen
wird.
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Die
Hydrauliksysteme können
entweder offene Kreise sein, wo das Fluid aus einem Hydraulikvorratsbehälter 14 durch
die Pumpen zu den Motoren 216, 217 und zurück zu dem
Vorratsbehälter 14 übertragen
wird, oder können
hydrostatisch sein, wo das Fluid im Wesentlichen in einem geschlossenen
Kreis ist und zwischen der Pumpe und dem Motor übertragen wird. In beiden Systemen
sind die Pumpen 16, 17 und die Motoren 216, 217 so
angepasst, dass durch Steuern der Durchflussmenge des Hydraulikfluids
die Umdrehungsgeschwindigkeit der Abtriebswellen der Motoren gesteuert
wird und abgeleitet werden kann. Die Pumpen sind üblicherweise
Verstellpumpen, die veränderliche
Ausgangsdurchflussmengen erzeugen können, die proportional zu einem durch
ein Steuersystem bereitgestellten elektrischen Strom sind. Die Abtriebsdrehzahl
der Pumpen ist proportional zu den Ausgangsdurchflussmengen. Während die
Geschwindigkeit gesteuert werden kann, kann der Druck des Hydraulikfluids überwacht
werden, um das durch den Motor erzeugte Drehmoment zu folgern, das
direkt proportional zu der Längskraft oder
zu dem Drehmoment ist, die/das erzeugt wird. Es sind weitere Ausführungsformen
möglich,
in denen z. B. der Dreh- und Schubantriebsmechanismus durch andere
Hydraulikantriebe (wie etwas z. B. durch Hydraulikzylinder) betätigt werden
könnte.
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Einige
Ausführungsformen
können
außerdem
einen Wasserflussmechanismus umfassen, der Wasser durch den Bohrstrang 18 in
die Nähe
des Bohrwerkzeugs 42 überträgt, wo der
Wasserfluss geschnittene Erdreichpartikel mitnimmt und sie aus dem
Loch entfernt. Außerdem
kann die Horizontalrichtungsbohrmaschine 20 eine Schmierbüchse (nicht
gezeigt) umfassen, um die verschiedenen beweglichen Komponenten
zu schmieren.
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2 veranschaulicht einen beispielhaften Betreiberbedienungsstand 100 für eine Horizontalrichtungsbohrmaschine 20.
Der Betreiberbedienungsstand 100 umfasst ein Drehungsbedienelement 110 und
ein Schubbedienelement 130, die Eingaben in eine Steuereinheit 150 bereitstellen.
Es sind viele Ausführungsformen
der Bedienelemente 110 und 130 verwendbar. Zum
Beispiel weist jedes der Bedienelemente 110 und 130 in
einer verwendbaren Ausführungsform
einen Bedienungshebel auf. In einer solchen Ausführungsform erzeugen die Bedienungshebel 110, 130 jeweils
ein elektrisches Signal, das proportional zu der Stellung des Bedienungshebels
in Bezug auf eine Mittelstellung ist. Das elektrische Signal wird
als eine Eingabe in eine Steuereinheit 150 bereitgestellt.
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Wenn
der Bedienungshebel 110, 130 in einer Ausführungsform
aus der Mittelstellung wegbewegt wird, entspricht das elektrische
Signal, das erzeugt wird, einem erhöhten Drehmoment (und/oder einer erhöhten Rate
der Drehbewegung) bzw. einer erhöhten
Axialschubkraft (und/oder einer erhöhten Rate der Axialbewegung).
Während
der Bedienungshebel 110, 130 näher in die Mittelstellung bewegt
wird, entspricht das erzeugte elektrische Signal einem verringerten
Drehmoment (und/oder einer verringerten Rate der Drehbewegung) bzw.
einer verringerten Axialschubkraft (und/oder einer verringerten
Rate der Axialbewegung). Wenn der Bedienungshebel 110 in die
Vorwärtsrichtung,
von dem Betreiber weg, bewegt wird (am besten in 3 zu
sehen, wo die Richtung mit 200 bezeichnet ist), entspricht
das erzeugte elektrische Signal in einer Ausführungsform der Drehbewegung
des Bohrstrangs gegen den Uhrzeigersinn, auf das Ende des Bohrstrangs
gesehen. Wenn der Bedienungshebel 110 alternativ in die Rückwärtsrichtung,
zu dem Betreiber hin, bewegt wird (am besten in 3 zu
sehen, wo die Richtung mit 201 bezeichnet ist), entspricht
das elektrische Signal, das erzeugt wird, der Drehbewegung in der
entgegengesetzten Richtung, im Uhrzeigersinn. Gleichfalls entspricht
das elektrische Signal, das erzeugt wird, wenn der Bedienungshebel 130 vorwärts, von dem
Betreiber weg, bewegt wird, in einer Ausführungsform einer Vorwärtsbewegung
des Bohrstrangs in das Erdreich.
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Alternativ
entspricht das elektrische Signal, das erzeugt wird, wenn der Bedienungshebel 130 in der
Rückwärtsrichtung,
zu dem Betreiber hin, bewegt wird, der Rückwärtsbewegung des Bohrstrangs
zu der Maschine zurück.
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Wenn
einer der Bedienungshebel 110, 130 in der Mittelstellung
ist, entspricht das elektrische Signal, das erzeugt wird, einer
Neutralbedingung, in der die Dreh- bzw. Schubbewegung auf null eingestellt ist.
Es ist ein Feder- oder ein anderer Vorspannmechanismus vorgesehen,
um jeden der Bedienungshebel in die Mittelstellung zurückzustellen,
sodass er in seine mittlere Neutralstellung zurückkehrt, falls ein Betreiber
den Hebel nicht hält,
sodass die Dreh- oder Schubbewegungseinstellungen auf null eingestellt werden.
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Die
Steuereinheit 150 erzeugt in Reaktion auf verschiedene
Eingaben Ausgaben, um das Hydrauliksystem zu steuern. Das System
umfasst die Hydraulikpumpen 16 und 17 der Bohrmaschine 20. Die
Hydraulikmotoren 216, 217 werden auf bekannte Weise
durch das Hydraulikfluid angetrieben, um eine Dreh- und Schubbewegung
des Bohrwerkzeugs 42 und des Bohrstrangs 18 zu
erzeugen. Wie oben angemerkt wurde, ist die Steuerung üblicherweise
ein veränderlicher
elektrischer Strom, wobei ein bestimmter elektrischer Strom veranlasst,
dass die Pumpe eine bestimmte Hydraulikdurchflussmenge erzeugt.
Dadurch dreht sich die Abtriebswelle des Motors mit einer bestimmten
Umdrehungsgeschwindigkeit. Üblicherweise
ist diese unabhängig
von dem Druck in dem Fluid. Üblicherweise
sind die Steuersysteme so ausgelegt, dass sie eine Geschwindigkeitssteuerung
bereitstellen, die unabhängig
von der Last ist. Üblicherweise
umfassen die Steuersysteme ferner Druckwandler 226 und 227,
die für
das Steuersystem eine Rückkopplung
bereitstellen, die den Druck in den Kreisen angibt, und können ferner
Geschwindigkeitssensoren 236 und 237 umfassen,
die die Abtriebsdrehzahlen der Motoren 216 bzw. 217 messen.
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3 veranschaulicht
das Drehbewegungs-Bedienelement 110 ausführlicher,
wobei sie die verschiedenen an dem Bedienelement angebrachten Betätigungsschalter
sowie die Vorwärtsrichtung 200 und
die Rückwärtsrichtung 201 zeigt. 4 veranschaulicht
eine visuell wahrnehmbare Anzeige (z. B. ein Zeichen), die dem Betreiber
die Funktionen jedes der an dem Bedienelement 110 angeordneten Betätigungsschalter
angibt. Das Bedienelement 110 umfasst Schalter 112, 118, 120 und 122,
von denen jeder, wenn er betätigt
wird, wie etwa indem er gedrückt
wird, ein elektrisches Signal erzeugt. Der Betätigungsschalter 112 kann
ein SET-Schalter genannt werden. Wenn der SET-Schalter 112 betätigt wird, wird
an die Steuereinheit 150 ein elektrisches Signal gesendet,
das eine Automatikbohrbetriebsart (auch Autobohrbetriebsart genannt)
aktiviert. Wenn die Steuereinheit 150 vom SET-Schalter 112 ein
Signal empfängt,
werden der Drehbewegungs- und der Schubbewegungsparameter in der
Steuereinheit auf die Werte eingestellt, die durch die Stellungen
der Bedienelemente 110, 130 zu der Zeit, zu der
der SET-Schalter 112 betätigt wird, festgesetzt sind.
Die bevorzugte Technik umfasst das Einstellen eines Werts für die Umdrehungsgeschwindigkeit,
während ein
Wert für
den Druck, wie später
ausführlicher
erläutert
wird, in dem Axialschubkreis eingestellt wird. Anschließend hält die Steuereinheit 150 die
Bohrparameter der Drehbewegung und der Schubbewegung ohne weitere
Eingabe von dem Betreiber automatisch auf den Sollwerten. Vorzugsweise
kann der Betreiber die Bedienungshebel 110, 130 daraufhin loslassen,
die daraufhin innerhalb kurzer Zeitdauer automatisch in die Neutralstellung
zurückkehren, ohne
den Bohrbetrieb zu beeinflussen, wodurch die Ermüdung des Betreibers verringert
wird. Falls nachfolgend entweder der Drehgriff 110 oder
der Schubgriff 130 aus der Neutralstellung bewegt wird,
wird die Autobohrbetriebsart deaktiviert. Es sollte gewürdigt werden,
dass es als eine alternative Ausführungsform oder als eine Option
möglich
sein kann, das System durch Betätigen
des SET-Schalters (oder eines anderen Schalters) zu deaktivieren,
wenn das System momentan aktiviert ist.
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In
einer Ausführungsform
umfasst das Drehbewegungs-Bedienelement 110 außerdem Betätigungsschalter 114 und 116,
die die Wasserflussfunktionen zum Einspritzen von Wasser in ein
gebohrtes Loch, um Bohrklein aus dem Loch zu entfernen, steuern.
Außerdem
umfasst das Drehbewegungs-Bedienelement 110 Betätigungsschalter 118 und 120 zum Steuern
der Geschwindigkeit der Kraftmaschine 36 und einen Betätigungsschalter 122 zum
Steuern einer Schmierbüchse
(nicht gezeigt).
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6 veranschaulicht
eine Anzeige 170 für das
Steuersystem, die ein Licht 172 umfasst, das eingeschaltet
ist, wenn eine Autobohrbetriebsart aktiv ist (um z. B. zu helfen,
den Nutzer auf den Status des Systems aufmerksam zu machen). Dieses
Licht 172 wird eingeschaltet, nachdem der SET-Schalter 112 aktiviert
worden ist und eine Dreheinstellung und eine Schubeinstellung definiert
worden sind, um in die Autobohrbetriebsart einzutreten. Falls die
Autobohrbetriebsart nicht aktiv ist, ist das Licht 172 deaktiviert.
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5 veranschaulicht
zusätzliche
Betätigungsschalter
auf der rechten Seite des Betreiberbedienungsstands 100.
In einer Ausführungsform
umfasst der Bedienungsstand 100 Schalter 140, 142, die
mit der Steuereinheit 150 in elektrischer Verbindung stehen.
Der Schalter 140 besitzt eine Neutralstellung, eine erste
Betriebsstellung und eine zweite Betriebsstellung. In einer Ausfüh rungsform
ist der Schalter 140 in die Neutralstellung federbelastet,
sodass der Schalter 140 in die Neutralstellung zurückkehrt,
wenn der Schalter entweder in der ersten oder in der zweiten Betriebsstellung
angeordnet und daraufhin losgelassen wird. Wenn der Schalter 140 in der
Neutralstellung ist, hat der Schalter 140 keine Wirkung
auf die Bohroperation. Wenn der Schalter 140 in der ersten
Betriebsstellung angeordnet wird, wie etwa, wenn der Schalter 140 im
Uhrzeigersinn aus der Neutralstellung weggedreht wird, und wenn die
Autobohrbetriebsart aktiviert ist, wird an die Steuereinheit 150 ein
elektrisches Signal gesendet, um die Drehdruck- oder Drehbewegungseinstellung
um eine vorgegebene Zunahme zu erhöhen. Ähnlich wird an die Steuereinheit 150 ein
elektrisches Signal gesendet, um die Drehdruck- oder Drehbewegungseinstellung
um eine vorgegebene Abnahme zu verringern, wenn der Schalter 140 in
der zweiten Betriebsstellung angeordnet wird, wie etwa, wenn der Schalter 140 gegen
den Uhrzeigersinn aus der Neutralstellung weggedreht wird, und wenn
die Autobohrbetriebsart aktiviert ist.
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Der
Betrieb des Schalters 142 ist ähnlich. Der Schalter 142 besitzt
eine Neutralstellung, eine erste Betriebsstellung und eine zweite
Betriebsstellung. In einer Ausführungsform
ist der Schalter 142 in die Neutralstellung federbelastet,
sodass der Schalter 142 in die Neutralstellung zurückkehrt,
wenn der Schalter entweder in der ersten oder in der zweiten Betriebsstellung
angeordnet und daraufhin losgelassen wird. Wenn der Schalter 142 in
der Neutralstellung ist, hat der Schalter 142 keine Wirkung
auf die Bohroperation. Wenn der Schalter 142 in der ersten Betriebsstellung
angeordnet wird, wie etwa, wenn der Schalter 142 im Uhrzeigersinn
aus der Neutralstellung weggedreht wird, und wenn die Autobohrbetriebsart
aktiviert ist, wird an die Steuereinheit 150 ein elektrisches
Signal gesendet, um die Axialschubdruckeinstellung um eine vorgegebene
Zunahme zu erhöhen. Ähnlich wird
an die Steuereinheit 150 ein elektrisches Signal gesendet,
um die Axialschubdruckeinstellung um eine vorgegebene Abnahme zu verringern,
wenn der Schalter 142 in der zweiten Betriebsstellung angeordnet
wird, wie etwa, wenn der Schalter 142 gegen den Uhrzeigersinn
aus der Neutralstellung weggedreht wird, und wenn die Autobohrbetriebsart
aktiviert ist.
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Danach
wirkt das System während
des Bohr- oder Bohrlochräumprozesses
so, dass es die Drehung des Bohrstrangs unabhängig von der Drehdruckeinstellung
und von der Axialdruckeinstellung auf der ausgewählten Umdrehungsgeschwindigkeit hält, wobei
es die Axialschubgeschwindigkeit bei Bedarf automatisch ändert, um
zu versuchen, den ausgewählten
Druck in der Drehschaltung zu erhalten oder einen Sollkraftbetrag
an dem Bohrwerkzeug zu erhalten. In gleichbleibenden Formationen
führt das Erhalten
einer konstanten Kraft auf die Bohrkrone zu einem konstanten/gleichbleibenden
Drehmoment auf die Bohrkrone und maximiert die Bohreffizienz. In Formationen,
die sich ändern,
ist dieselbe Steuertechnik ebenfalls wirksam.
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Es
kann notwendig sein, die Autobohrbetriebsart zu unterbrechen, wie
etwa, wenn es erforderlich ist, eine Bohrstange zu dem Bohrstrang
hinzuzufügen
oder aus ihm zu entfernen. Es gibt mehrere Arten, auf die die Autobohrbetriebsart
unterbrochen werden kann. Die Maschine 20 kann so konfiguriert
sein, dass dann, wenn, wie durch das Licht 172 angegeben
ist, die Autobohrbetriebsart aktiviert ist, irgendeine weitere Bewegung
der Bedienelemente 110, 130 an die Steuereinheit 150 ein
elektrisches Signal sendet, das veranlasst, dass die Steuereinheit 150 die
Autobohrbetriebsart unterbricht. Alternativ können andere Schalter oder Bedienelemente
so vorgesehen oder angepasst sein, dass sie für die Steuereinheit 150 ein
elektrisches Signal bereitstellen, um die Autobohrbetriebsart zu
unterbrechen. Ein Beispiel ist eine Steuerfunktion, die sich auf
das Unterbrechen der Verbindung zwischen dem Antriebsspannfutter
des Drehantriebs 30 und dem Bohrstrang bezieht. Wenn eine
Bohrstange vollständig
eingefügt worden
ist und der Drehantrieb am Ende des Bocks 22 ist, muss
der Drehantrieb von dem Bohrstrang abgeschraubt und an das entgegengesetzte
Ende des Bocks bewegt werden, sodass eine weitere Bohrstange hinzugefügt werden
kann. Diese Aktion ist erforderlich, wenn sich der Bohrantrieb an
bestimmten Stellen entlang des Bocks, z. B. an den äußersten gegenüberliegenden
Enden, befindet. Somit kann durch einen Sensor, der die Stellung
des Schubantriebs misst, automatisch ein Unterbrechungssignal bereitgestellt
werden. Wenn das Unterbrechungssignal empfangen wird, kann es außerdem automatisch weitere
Funktionen wie etwa den Wasserfluss abbrechen.
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Außerdem umfasst
der Betreiberbedienungsstand 100 einen Schalter 144,
der in elektrischer Verbindung mit der Steuereinheit 150 steht. Der
Schalter 144 kann auch ein RESUME-Schalter genannt werden.
Wenn die Autobohrbetriebsart unterbrochen worden ist, kann der Betreiber
den Schalter 144 betätigen,
um die Autobohrbetriebsart wiederaufzunehmen. Daraufhin sendet der
Schalter 144 an die Steuereinheit 150 ein elektrisches
Signal, das veranlasst, dass die Steuereinheit 150 die
Autobohrbetriebsart mit denselben Einstellungen wiederaufnimmt,
wie sie vorhanden waren, bevor die Autobohrbetriebsart unterbrochen
worden ist.
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In 8 ist
ein bevorzugtes Verfahren gezeigt, das die Prinzipien der vorliegenden
Erfindung realisiert, wobei das Verfahren allgemein mit 800 bezeichnet
ist. Im Block 801 wird eine Drehrate des Bohrwerkzeugs 42 eingestellt.
Im Block 802 wird der Axialschub des Bohrwerkzeugs 42 eingestellt.
Im Block 803 werden die Solldrehrate und der Sollaxialschub
unterbrochen, während
im Block 804 der Wiederaufnahmeprozess realisiert wird.
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Es
sind viele Ausführungsformen
des Wiederaufnahmeprozesses verwendbar. Der Wiederaufnahmeprozess
der vorliegenden Erfindung beginnt die Bohroperation in einer Weise,
die unnötige Schwingung
und Spannung in dem Bohrstrang und in dem Bohrwerkzeug minimiert.
Die 7 und 8 veranschaulichen eine verwendbare
Ausführungsform
des Wiederaufnahmeprozesses. Der Wiederaufnahmeprozess beginnt (zur
Zeit gleich 0 Sekunden), wenn der Schalter 144 niedergedrückt wird,
um den Wiederaufnahmeprozess zu beginnen, wobei an die Steuereinheit 150 ein
elektrisches Signal gesendet wird. Die Steuereinheit 150 aktiviert
den Drehantriebsmechanismus, um das Bohrwerkzeug auf den Sollwert
der Drehbewegung, auf die Solldrehrate, zu bringen. Vorzugsweise
wird gleichzeitig automatisch der Wasserfluss neu gestartet (nicht
gezeigt). Die Wiederaufnahme der Drehbewegung geschieht recht schnell, üblicherweise
in etwa einer Sekunde. Während
der Zeit, in der die Drehung wiederaufgenommen wird, aktiviert die
Steuereinheit 150 den Schubantriebsmechanismus nicht. Auf
diese Weise nimmt das Bohrwerkzeug 42 die Drehung mit der
Solldrehrate wieder auf, während
es wenig oder keine Längsschubbelastung
oder -bewegung gibt. Dieser Betrieb ist vorteilhaft, da er eine
stetige Drehbeschleunigung ohne Stoßbelastung des Bohrwerkzeugs
und des Bohrstrangs erzeugt. Es bietet zusätzliche Vorteile, den Wasserfluss
für das
Schneidwerkzeug wiederherzustellen, bevor von der Axialbewegung
des Bohrstrangs neues Bohrklein erzeugt wird.
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Nachdem
die Drehbewegungseinstellung erreicht ist, etwa eine Sekunde, nachdem
die Drehung begonnen hat, beginnt die Steuereinheit 150,
eine Schubkraft auf den Bohrstrang auszuüben. Eher, als die Schubkraft
schnell auf den Sollwert zu erhöhen, wird
die Schubkraft aber mit einer vorgegebenen Rate von null auf den
Sollwert, den Sollaxialschub, erhöht. In einer verwendbaren Ausführungsform
wird die Schubkraft von dem Zeitpunkt eine Sekunde, nachdem der
Wiederaufnahmeprozess begonnen worden ist, bis zu dem Zeitpunkt
vier Sekunden, nachdem der Wiederaufnahmeprozess begonnen worden
ist, für
drei Sekunden mit einer ersten konstanten Rate von 25% der Sollaxialschubkraft-Einstellung pro Sekunde
ausgeübt.
Nachdem er sich somit für
drei (3) Sekunden um 25% der Schubkrafteinstellung erhöht hat,
ist der Betrag der zu diesem Punkt ausgeübten Schubkraft somit 75% der
Schubkraft-Einstellung. Daraufhin wird die Schubkraft für zwei Sekunden
mit einer zweiten konstanten Rate von 12,5% pro Sekunde ausgeübt. Gemäß diesem Wiederaufnahmebeispiel
wird die Schubkraft von dem Zeitpunkt vier (4) Sekunden, nachdem
der Wiederaufnahmeprozess begonnen worden ist, bis zu dem Zeitpunkt
sechs (6) Sekunden, nachdem der Wiederaufnahmeprozess begonnen worden
ist, von 75% des Sollwerts auf 100% des Sollwerts erhöht. Somit
arbeitet das Bohrwerkzeug sechs (6) Sekunden, nachdem der Wiederaufnahmeprozess
begonnen worden ist, sowohl mit der Solldrehrate als auch mit dem
Sollaxialschub.
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Eine
alternative Ausführungsform
umfasst das Erhöhen
der Axialschubkraft mit einer einzelnen vorgegebenen Rate wie etwa
25% der Sollaxialschubkraft pro Sekunde für vier (4) Sekunden. Es sollte
gewürdigt
werden, dass außerdem weitere
Raten verwendet werden können
und dass die hier gegebenen Raten als bevorzugte Ausführungsformen und
nicht als Einschränkungen
dargestellt sind.
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Obgleich
in Bezug auf ihre Anwendung bestimmte Ausführungsformen der Erfindung
beschrieben worden sind, ist für
den Fachmann auf dem Gebiet selbstverständlich, dass die Erfindung
durch eine solche Anwendung oder Ausführungsform oder durch die hier
offenbarten und beschriebenen besonderen Komponenten nicht eingeschränkt ist.
Außerdem
ist für
den Fachmann auf dem Gebiet klar, dass innerhalb des Erfindungsgedankens
und der Aufgabe dieser Erfindung außer den wie hier beschriebenen
weitere Komponenten konfiguriert werden können, die die Prinzipien dieser
Erfindung und weitere Anwendungen dafür verkörpern. Die hier beschriebene
Anordnung wird nur als ein Beispiel einer Ausführungsform gegeben, die die
Prinzipien dieser Erfindung umfasst und verwirklicht. Weitere Abwandlungen
und Änderungen
liegen durchaus in der Kenntnis des Fachmanns auf dem Gebiet und
sollen in dem umfassenden Umfang der angefügten Ansprüche enthalten sein.