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Getriebeanordnung und Verfahren für den Antrieb von Hebewerken und
Spülpumpen von Tiefbohranlagen Die Erfindung bezieht sich auf eine Getriebeanordnung
für den Antrieb von Hebewerken und Spülpumpen von Tiefbohranlagert, bei welcher
das Hebewerk über einen hydrodynamischen Drehmomentenwandler und die Spülpumpe über
ein mechanisches Schaltgetriebe mit einer vorgeordneten elastischen Kupplung (z.B.
Strömungskupplung) bei abgeschaltetem Wandler angetrieben wird.
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Es ist bei Tiefbohranlagen bekannt, für den Antrieb von Hebewerken
und Spülpumpen hydraulische Strömungsgetriebe und auch mechanische Schaltgetriebe
zu verwenden. Beim Bohrbetrieb treibt die Maschinenanlage die Spülpumpe an. Zum
Antrieb der Spülpumpen, für die lediglich ein begrenzter Drehzahlbereich vorgesehen
zu werden braucht, zumal Spülpumpen über längere Zeit mit der gleichen Drehzahl
laufen, sind mechanische Schaltgetriebe infolge ihres hohen Wirkungsgrades vorzuziehen.
Um die Anlage vor starker Stoßbelastung und überlastung zu schützen, empfiehlt es
sich, eine hydraulische Strömungskupplung im Antriebsstran vorzusehen.
C 9
Beim Hebewerksbetrieb treibt die Maschinenanlage die Seilwinde zum Ziehen
und Ablassen des Gestänges an. In diesem Betriebszustand ist ein relativ großer
Drehzahlbereich erforderlich, um die Motorleistung beim Gestängeausbau voll ausnutzen
zu können. Weiter ist ein häufiges Anfahren und Anhalten der Maschinenanlage notwendig.
Auf Grund dieser Anforderungen ist für den Hebewerksbetrieb der hydraulische Antrieb
mit Strömungsgetriebe dem mechanischen Getriebe trotz des schlechteren Wirkungsgrades
der Kraftübertragung durch seine einfache Bedienung, stoßfreie Fahrweise und die
dem hydraulischen Drehmomentwandler eigene selbsttätige Anpassung der Ziehgeschwindigkeit
an die je-
weils vorhandene Belastung überlegen. Ein weiterer Vorteil des
Strömungsgetriebes besteht darin, daß der Drehmomentwandler als Bremse beim Einlassen
des Gestänges benutzt werden kann. Es kann dadurch der Einbau einer gesonderten
Bremse erspart werden.
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Aus den vorgenannten Betriebsbedingungen ist zu ersehen, daß bei Verwendung
eines mechanischen Schaltgetriebes bekannter Bauweise wohl gute Bedingungen für
den Spülpumpenantrieb gegeben sind, beim Hebewerksbetrieb jedoch Verlustzeiten zufolge
der schwierigen Bedienungs- und Fahrweise eintreten. Die Strömungsgetriebe sind
dagegen für den Hebewerksbetrieb besser geeignet, für den Antrieb der Spülpumpen
jedoch weisen sie infolge des schlechteren Übertragungswirkungsgrades und der Möglichkeit
einer überlastung der Spülpumpen bei niedriger Drehzahl durch die Drehmornentsteigerung
im Drehmomentwandler nicht unbedeutende Nachteile auf, insbesondere wenn man betrachtet,
daß der Spülpumpenbetrieb im Mittel etwa 70% der Gesamtlaufzeit beträgt.
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Es wurde bereits vorgeschlagen, automatisch schaltende hydraulische
oder mechanische Getriebe für den Tiefbohrbetrieb zu verwenden. Bei solchen Getrieben
wirken §ich jedoch die für die automatische Umschaltung erforderliche Zeit als Verlustzeit
und die dabei auftretenden Schaltstöße nachteilig aus, und außerdem bedingt die
vorgeschlagene Anlage durch den notwendigen umfangreichen Schaltmechanismus hohe
Anschaffungskosten. Sie ist überdies im Betrieb störungsanfälliger als eine handgesteuerte
Anlage.
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Die Erfindung geht von einer anderen vorbekannten Getriebeanordnung
für den Antrieb von Hebewerken und Spülpumpen aus, bei welcher das Hebewerk über
einen hydrodynamischen Drehmomentenwandler und die Spülpumpe über ein mechanisches
Schaltgetriebe mit einer vorgeordneten elastischen Kupplung (z. B. Strömungskupplung)
bei abgeschaltetem Wandler angetrieben wird.
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Die Ab- und Anschaltung der Strömungskupplung bzw. des Wandlers
wird bei der vorbekannten Anordnung auf rein hydraulischem Wege vorgenommen, indem
man die Füllung und Entleerung dieser Elemente als Mittel zum An- und Abschalten
verwendet.
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. Die Folge dieser Maßnahme, nämlich Flüssigkeitsschläge und
demzufolge Schaufelbrüche sowie erhebliche Schaltzeiten, werden durch den Gegenstand
der
Erfindung vermieden, indem. erfindungsgemäß, die wechselweise
Abschaltung der Kupplung bzw. des Wandlers mit Hilfe von Überbrückungskupplungen
mechanisch erfolgt und das mechanische Schaltgetriebe mit mindestens einem für die
niederen Gänge vorgesehenen, Freilaufeigenschaft besitzenden Element ausgerüstet
ist und der höchste Gang jeden niederen Gang vorzugsweise über eine Reibungskupplung
überlagernd betätigbar ist.
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Da die Schaltung im Sinne der Erfindung mechaiiisch erfolgt, werden
Flüssigkeitsschläge ausgeschlossen, demzufolge auch die bei der vorbekannten Einrichtung
häufig auftretenden Schaufelbrüche. Außerdem wird die Schaltzeit von dem einen auf
das andere System wesentlich verkürzt, so daß die Anlage nach der Erfindung einen
größeren Gesamtwirkungsgrad besitzt.
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Mit der Erfindung werden solche Anwendungsfälle beherrscht, bei
denen eine schnellaufende Vorrichtung mit im wesentlichen gleichbleibender
Drehzahl und gleichbleibendem Moment auf mechanischem Wege und eine andere Vorrichtung,
bei der die Drehzahl, das Moment und die zu übertragende Leistung ständig sich ändern,
durch ein hydromechanisches Verbundgetriebe angetrieben werden sollen, wobei das
Wesentliche darin besteht, daß der Kraftfluß für beide Antriebsarten im wesentlichen
über dieselben Getriebeteile geführt wird.
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Die anderen bekannten Vorrichtungen befinden sich in größerer Distanz
zur Erfindung. So ist es beispielsweise bekannt, zwei verschiedene anzutreibende
Vorrichtungen einer Bohrwerksanlage von einem Motor aus über zwei getrennte Getriebewege
anzutreiben. Im wesentlichen handelt es sich hierbei um den Antrieb einer Spülpumpe
einerseits und des Bohrtisches andererseits. Für jeden Antriebszweig ist dabei ein
selbsttätig regelbares Getriebe vorgesehen. Man wollte dabei die Verwendung eines
zweiten Motors einsparen und mußte dafür die zusätzliche Anordnung eines zweiten
Getriebes in Kauf nehmen.
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Andererseits fehlt bei einem weiteren bekannten Getriebe für Bohrwerksanlagen
die Anordnung einer hydrodynamischen Kupplung, so daß beim Spülpumpenantrieb, der
etwa 70 % der gesamten Betriebszeit beträgt, über den Wandler mit einem relativ
niedrigen Wirkungsgrad von etwa 85 % gefahren werden muß.
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Zu erwähnen ist schließlich ein nicht vorveröffentlichter Vorschlag,
bei dem das Wesentliche in der Verbindung eines Zahnräderwechselgetriebes mit ohne
Zugkraftunterbrechung schaltbaren Gängen mit entweder einer hydraulischen Kupplung
oder einem hydraulischen Getriebe besteht. Der ältere Vorschlag enthält also nur
einen Teil eines Getriebes für den Anwendungszweck der Erfindung, während es bei
der Erfindung darum geht, mit einem Getriebe besonderer Art zwei unterschiedliche
Vorrichtungen anzutreiben und in jedem Antriebszustand einen maximalen Wirkungsgrad
zu erreichen.
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Diese Vorteile der Erfindung werden durch die, besondere Anordnung
des Mehrganggetriebes erzielt, derart, daß die Kraftiibertragung in den unteren
-Gängen über ein oder mehrere Freilaufeigenschaft besitzende Übertragungselemente
erfolgt. Hierbei kann der höchste Gang (Schnellgang) über eine Schal&upplun,-,
insbesondere - Reibungskupplung, .jedem geschalteten niedrigeren Gang durch
einen besoideren Szlialthebel oder vorteilhafterweise durch eine besondere Stellung
des Hauptfahrhebels überlagert eingeschaltet werden. Wird die Kupplung des höchsten
Ganges eingeschaltet, dann erfolgt in dem vorher in Betrieb befindlichen Getriebegang
eine Überholbewegung. Während des Schaltvorganges wird hierbei die Zugkraft nicht
unterbrochen, so daß keine Schwierigkeiten beim Heben der Lasten eintreten können.
Diese Eigenschaft des Getriebes gestattet eine außerordentlich rasche Manövrierfähigkeit
beim Gestängeeinbau in der Schaltfolge: kurzes Anheben der Last aus den Keilen im
geschalteten niedrigen Gano, - Ablassen der Last - Hochfahren des
Leerhakens im Schnellgang - Anheben der Last aus den Keilen, usw. Zu diesem
Arbeitsvorgang ist nur die Bedienung des Hauptfahrhebels erforderlich.
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Die dem Mehrgang-Schaltgetriebe vor- oder nachgeschaltete Umschaltstufe
ist in ihren Übersetzungen so ausgelegt, daß die eine Schaltstellung günstige Abtriebsdrehzahlen
für den Hebewerksbetrieb bei Antrieb über den Drehmomentwandler und die andere Schaltstellung
günstige Abtriebsdrehzahlen für den Pumpenbetrieb bei Antrieb über den zweiten Kraft-Weg,
also die hydraulische Strömungskupplun& ergibt. Die Umschaltung der beiden Schaltstellungen
erfolgt erfindungsgemäß zwangläufig und gleichzeitig mit der Pumpenkupplung.
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Gegenstand der Erfindung ist weiterhin ein Schaltverfahren, bei dem
erfindungsgemäß zur Erzielung einer kraftflußunterbrechungsfreien Umschaltung von
dem einen auf den anderen Kraftweg zunächst die die hydraulische Kupplung überbrückende
Reibungskupplung ausgeschaltet und alsdann die eine der vor dem Wandler liegenden
beiden Kupplungen ein- und die andere ausgeschaltet wird, woraufhin die Überbriickurigskupppulng
wieder eingeschaltet wird. Beim Absenken der Last erweist es sich im Sinne der Erfindung
als vorteilhaft, daß die Überbrückungskupplung und die beiden dem Wandler vorgeschalteten
Kupplungen geöffnet werden, woraufhin bei der Wiedereinschaltung zunächst die eine
der dem Wandler vorgeschalteten Kupplungen geschlossen und alsdann nach einer geringen
Zeitverzögerung die Überbrückungskupplung eingeschaltet wird. Schließlich empfiehlt
es sich, daß die Umschaltung der zusätzlichen Schaltstufe gemeinsam mit der Betätigung
der Kupplung durchgeführt wird, die den Kraftweg zur Pumpe schließt.
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Wie bereits vorher erwähnt, haben sich vollautomatische Getriebe für
diesen Betrieb auf Grund der genannten Nachteile gegenüber handgesteuerten Anlagen
nicht durchgesetzt. Bei handgesteuerten Anlagen ist die Fahrweise dem Bedienungspersonal
überlassen. Es ist also mehr oder weniger von der Intelligenz des Personals abhängig,
ob die Leistungsfähigkeit der Maschine stets voll ausgenutzt wird, d, h.
ob jeweils, insbesondere bei Hebewerksbetrieb, mit der höchstmöglichen Ziehgeschwindigkeit,
also #mit dem höchstmöglichen Gang, gefahren wird. Um nun em Bedienungspersonal
die richtige optimale Fahrweise zu ermöglichen, kann erfindungsgemäß eine neuartige
Gangvorwählanzeige-Einrichtung vorgesehen sein, derart, daß eine von der Getriebeeingangsdrebzahl
bzw. dem Eingangsdrehnioment abhängige Regeleinrichtung angeordnet ist, die bei
Überschreitung einer bestimmten Drehzahl bzw, Unterschreitung eines bestimmten Drehmomentes
ein Signal am Steuerstand betätigt, das das Kommando ,>höheren Gang vorwählen« und
bei einer Unterschreitung
einer bestimmten Drehzahl bzw. Überschreitung
eines bestimmtenDrehmomentesdasKomniando »niedrigeren Gang vorwählen« anzeigt, wobei
die Anzeige »niedrigeren Gang vorwählen« erst nach- der normalen Anfahrzeit der
Anlage in Tätigkeit tritt. Durch die Verwendung einer derartigen Einrichtung ist
das Bedienungspersonal stets in der Lage, die Ausnutzung der Anlage zu kontrollieren
und den richtigen Gang zu schalten.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich a.us der Zeichnung.
In ihr ist die Erfindung schematisch und beispielsweise dargestellt, und es zeigt
Fig. 1 ein Getriebeschema der Getriebeanordnung bei Lastbetrieb, Fig. 2 das
Getriebeschema gemäß Fig. 1 bei Pumpenbetrieb, Fig. 3 eine schematische
Ansicht der Schaltmittel mit ihren Schaltstellungen und Fig. 4 und 5 schematische
Darstellungen einer Kontrolleinrichtung in zwei Varianten für die Wahl des zu schaltenden
Ganges.
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Fig. 1 und 2 zeigen ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Getriebeanordnung, bei deren Aufbau die einzelnen Elemente in verschiedener Anordnung
eingeordnet werden können. Ebenso können bei Anwendung der Erfindung einzelne Elemente,
wie hydraulische Strömungskupplungen, Drehmomentwandler, Freilaufkupplungen usw.,
verschiedenster Konstruktion eingebaut g werden.
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In den Ausführungsbeispielen nach Fig. 1 und 2 ist mit 34 ein
Getriebeblock bezeichnet, in dem die hydraulische Strömun 'gskupplung
1 und eine sie überbrückende Kupplung2 angeordnet sind. Mit der Antriebswelle26
wird das Pumpenrad der Strömungskupplungl. angetrieben. Das Turbinenrad wirkt auf
die Abtriebswelle28, mit der auch das Sekundärteil der Kupplung2 verbunden ist.
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Mit 35 ist das Wandlergetriebe bezeichnet, das mit dem mechanischen
übersetzungsgetriebe 8 und einem Vorgelegegetriebe 13 verbunden isL
Die Zwischenwelle 29 treibt die Getriebewelle 30 und über das Zahnradpaar
23-24 die Getriebewelle 31 an, mit der das Primärteil 32 einer Doppelkupplung
3, 4 verbunden ist. Die Kupplung 3V4 verbindet den Wand-'er 5 über
den Freilauf 6 mit der Getriebehauptwelle 7
und der Antriebswelle
30. Die Kupplung 32/3 stellt eine unmittelbare Verbindung der Getriebewellen
30
und 7 unter Umgehung des Wandlers 5 her. Der Ab-
trieb
25 dient für den Antrieb anderer Aggregate.
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Die Getriebehauptwelle 7 des Wandlerblocks 35
ist mit
der Getriebehauptwelle 33 des übersetzungsgetriebes8 über die Reibungskupplung10
verbunden, die zugleich die Kuppplung für den höchsten Gang ist. Auf den Nebenwellen
37 und 38, die über die Zahnradpaare 39-40 und 41-42 angetrieben werden,
sind die Schaltkupplungen 11 und l'- für die unteren Gänge angeordnet. Der
Rücktrieb erfolgt auf die Getriebehauptwelle 33 mittels der Zahnradpaare
4345 bzw. 44-45, wobei zwischen Zahnrad 45 und Welle 33 der Freilauf
9 wirksam ist. An Stelle des Freilaufes Können auch die Kupplungen
11 und 12 r nit Freilauf'.igenschaft ausgeführt sein.
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C, Von der Getriebehauptwelle 33 erfolgt innerhalb des Vorg
,eieg - le s 13 der Abtrieb über die Zahnradpaare 16-17 und 14-15
auf die Abtriebswelle 46 auf der dic Kupplung 1-8 angeordnet ist, die entweder
das C
Zahnrad 17 oder das Zahnrad 15 mit der Abtriebswelle 46
verbindet. Über die Zwischenwelle 47 und die Welle 48 erfolgt der Antrieb des Zusatzgediebes
36 das durch Betätigung der Kupplungen 20 und 27 über das Zahnradpaar
50-51 die Lastenhebtrommel 19 und der Kupplung 22 die Pumpe 21 antreibt.
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Die erfindungsgenläße Kraftübertragung bei Hebewerksbetrieb erfolgt
gemäß Fig. 1 über die Antriebswelle 26, die Kupplung 2, das Radpaar
23-24, die Kupplung 4, den Wandler 5, den Freilauf 6, die Welle
7, das Getriebe 8 (Getriebewelle 33), das Radpaar
16-17, die Kupplungen 18, 20 und 27 auf die Seilwinde
19. Für den Pumpbetrieb erfolgt die Kraftübertragung gemäß Fig. 2 erfindungsgemäß
über die Welle 26, die hydraulische Kupplung 1, das Radpaar 23-24,
die Kupplung 3, die Welle 7, das Getriebe 8" das Radpaar 14-15, die
Kupplungen 18 und 22 auf die Spülpumpe 21.
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Die Umschaltung von einem Kraftweg (Wandlergang) zum anderen Kraftweg
(Kupplungsgang) erfolgt vorteilhafterwcise durch die Regeleinrichtung
68 in Abhängigkeit der Welle 7, also der Drehzahl des Drehmomentwandlers
5, ohne Unterbrechung der Kraftübertragung in einer Schaltfolge, bei der
zuerst die Kupplung 2 ausgeschaltet und sodann die Kupplung 3 eingerückt
und daraufhin die Kupplung 4 ausgerückt wird. Beim Umschalten vom K-upplungsgang
auf den Wandlergang wird zuerst Kupplung 4 eingeschaltet und dann die Kupplung3
aus- und die Kupplung 2 eingerückt. Durch diese neuartige Anordnung und den vorbeschriebenen
Schaltvorgang wird eine besonders elastische Fahrweise und ein weiches Schalten
erreicht, da in jedem Betriebszustand und auch während des Schaltvorganges von einem
Kraftweg auf den anderen ein hydraulisches übertragungselement (Kupplung
1 oder Wandler 5) an der Kraftübertragung beteiligt ist. Die Funktion
der Regeleinrichtung68 wird vorteilhafterweise bei eingeschalteter Hebewzrkskupplung
27 gesperrt, so daß der Kupplungsgang nur bei Pumpbetrieb eingeschaltet wird.
Um beim Einlassen des Gestänges die Bremswirkung des Drehmomentwandlers herabzusetzen,
können durch eine besondere Hebelstellung des Hauptfahrhebels die Kupplungen 4 und
2 gelöst werden. Durch die erfindungsgemäße Schaltfolge der Kupplungen erst Kupplung
4, dann Kupplung 2 einrücken wird ein besonders weiches Einschalten des Wandlerpumpenrades
erreicht, da beim Einschalten der Kupplung 4 der Schlupf der hydraulischen Kupplung
1
so lange wirksam ist, bis die Kupplung 2 geschlossen wird. Der Schlupf der
hydraulischen Kupplung kann bekanntlich bei Motorleerlauf bis zu 1001/o betragen.
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Fig. 3 zeigt eine Anordnung der Schalteinrichtung am Steuerstand,
und zwar den Hauptschalter 70 zur Betätigung der Kupplung 3 und 4
(Fig. 1) und der an der Getriebeabtriebswelle an-eordneten Getriebebrems-.
69 (Fig. 1). Die Schaltstellung 71 entspricht der Ausschaltung
der Kupplungen3 und 4, wohingeg.-n die Schaltstellung 72 der Ausschaltung
der Kupplungen3 und 4, und der Einschaltung der Bremse 69 entspricht. Bei
der Schaltstellung r 73 sind die Kupplungen 3 und 4 eingeschaltet.
Mit dem Betriebsart-Vorwählschalter52 werden die Kupplungen 20, 22 und 18 (IFig.
1) betätigt, wobei die Schaltstellung der Kupplung 18 von der Schaltstellung
der Kupplung 22 abhängig erfolgt. Die Schaltstellung53 bedeutet Hebebetrieb, die
Stellun ' g 54
Pumpenbetrieb und die Stellung 55 Hebe- und Pumpenbetrieb.
Der Schaltgetriebe-Vorwählschalter
56 dient zur Betätigung
der Kupplungen 10, 11 und 12 (Fig. 1), und der Hauptfahrhebel
57 steuert das Hebewerk über die Betätigung der Kupplung 27, und er
dient weiterhin der Motordrehzahlregulierung. Die vorbeschriebenen Schalthebel sind
mit einer Verriegelungseinrichtung versehen, derart, daß die Hebel 52 und
56 nur bewegt werden können, wenn der Schalter 70 in Stellung
72 steht und die Funktion des Hauptfahrhebels in den Stellungen
71 und 72 des Schalters 70 gesperrt ist.
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Die Funktion des Hauptfahrhebels 57 ist erfindungsgemäß erweitert,
derart, daß in der Schaltstelli4ng 58 der Antrieb des Hebewerks in dem am
Schalthebel 56 vorgewählten Gang erfolgt und in einer besonderen Schaltstellung,
z. B. Schaltstellung 59, die Kupplung 10 im Schaltgetriebe
8 (Fig. 1) eingerückt und somit der höchste Gang (SchneRgang) dem
vorgewählten Gang überlagert eingeschaltet wird. In dieser Schaltstellung wird erfindungsgemäß
die Freilaufeigenschaft des übertragungseleinentes 9 wirksam. In Stellung
60 des Hebels 57 wird die Kupplung27 des Hebewerks ausgerückt. Die
Schaltstellung 61 des Hauptschalthebels 57 ist für das Einlassen des
Gestänges bestimmt. Es werden dabei gegebenenfalls die Kupplungen 4 und 2 (Fig.
1) geöffnet bzw. in bekannter Weise die Pumpen- oder Leitschaufelverstellung
im Wandler vorgenommen.
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Fig. 4 zeigt eine Anordnung der erfindungsgemäßen Gangvorwählanzeigeeinrichtung.
Eine von der Turbinenwelle 7 des Drehmomentwandlers 5 angetriebene
Regeleinrichtung, z. B. Fliehkraftregler 62, betätigt über Schalter
63 und 64 am Steuerstand angeordnete Signale 65 derart, daß bei Erreichen
einer bestimmten höheren Drehzahl das eine und bei einer bestimmten niedrigeren
Drehzahl das andere Signal betätigt wird. Mit 66 ist hierbei der Antriebsmotor
bezeichnet.
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In Fig. 5 ist eine Variante der Anzeigerichtung veranschaulicht.
Eine an der Antriebswelle 7 des Getriebes 8 angeordnete an sich bekannte
Drehmomentmeßeinrichtung 67 betätigt hierbei bei bestimmten Drehmomenten
die Signale 65 am Steuerstand. Die Anordnung nach Fig. 5 ist auch
bei Anla,-en ohne Drehmomentwandler anwendbar.