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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 Erfindung
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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 umfassen 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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US 2003/0 205 409 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum horizontalen Bohren. Die Vorrichtung ist eingerichtet, einen Vorschub eines Bohrwerkzeugs in Abhängigkeit eines Vorschubeingabesignals und eine Rotation des Bohrwerkzeugs in Abhängigkeit eines Rotationseingabesignals zu erzeugen und umfasst hierzu ein Steuerungssystem, welches eingerichtet ist, das Vorschubeingabesignal und das Rotationseingabesignal auf Grundlage einer Benutzereingabe zu steuern, ein Vorschubaufrechterhaltungssystem, welches eingerichtet ist, das Vorschubeingabesignal automatisch auf Grundlage einer benutzerseitig gewählten Vorschubaufrechterhaltungsstufe aufrechtzuerhalten, und ein Rotationsaufrechterhaltungssystem, welches eingerichtet ist, das Rotationseingabesignal automatisch auf Grundlage einer benutzerseitig gewählten Rotationsaufrechterhaltungsstufe aufrechtzuerhalten.
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US 2005/0 073 195 A1 offenbart eine Vorrichtung, insbesondere in Form eines Lenk- bzw. Steuerrads für ein Kraftfahrzeug, welches eine Einrichtung zur Einstellung diverser Systemeinstellungen des Kraftfahrzeugs vorsieht.
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US 4 582 146 A offenbart eine Vorrichtung zum Bohren in Erde mit einem Bohrelement und einem zugehörigen Antrieb.
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US 2003/0 173 113 A1 offenbart ein Verfahren zur elektronischen Entwicklung eines Bohrplans einer Bohrstelle zur Verwendung in Verbindung mit einer unterirdischen Bohrmaschine, einschließlich der Erstellung eines vorher festgelegten Bohrplans unter Verwendung von Informationen über den Bohrungsverlaufsplan, der repräsentativ für einen geplanten Bohrungsverlauf an einer Bohrstelle ist.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Ein Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Steuern eines unterirdischen Bohrwerkzeugs gemäß Anspruch 1. 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 nochmals weiterer Aspekt der Erfindung umfasst ein System zum Steuern eines unterirdischen Bohrwerkzeugs gemäß Anspruch 9.
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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. 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 Drehbzw. 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 110 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 Ausführungsform 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.