DE19924200A1

DE19924200A1 - Drill speed-feed control involves regulating feed depending on measured tool rotation so revolution rate is constant; feed is reduced, adjusted or reversed if rotation less than demand value

Info

Publication number: DE19924200A1
Application number: DE1999124200
Authority: DE
Inventors: Manfred Schauerte; Klaus Zerbs
Original assignee: Tracto Technik GmbH and Co KG; Tracto Technik Paul Schmidt Spezialmaschinen KG
Current assignee: Wolfgang Schmidt Ek 57368 Lennestadt De
Priority date: 1999-05-27
Filing date: 1999-05-27
Publication date: 2000-11-30
Anticipated expiration: 2019-05-28
Also published as: DE19924200B4

Abstract

The method involves determining the rotation of the drilling or expansion machine or of the drilling rod (7) or of the pipe to be pulled in, regulating the feed depending on the measured rotation so that the tool revolution rate remains essentially constant and the feed is reduced, adjusted or reversed if the rotation of the drill or expansion tool, rod or pipe falls to below a defined demand value. An Independent claim is also included for an arrangement for automatically controlling a drilling machine.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum automatischen Steuern einer zum Erzeugen horizontaler Erdbohrungen bestimmten Bohr vorrichtung.The invention relates to a method and an apparatus for automatic Controlling a drilling intended to produce horizontal earth bores contraption.

Die Bohrgestänge einer im Erdreich eingesetzten Bohrvorrichtung sind ho hen mechanischen Belastungen ausgesetzt. Dies gilt vor allem, wenn das Gestänge mit einer großen Vortriebsgeschwindigkeit durch eine sich unter Umständen ständig ändernde Bodenbeschaffenheit bewegt wird. Bei einer Überlastung der Gestänge können demnach mechanische Beschädigungen oder Verwindungen auftreten, deren Behebung erhebliche Kosten verursa chen können.The drill pipes of a drilling device used in the ground are ho hen exposed to mechanical loads. This is especially true if that Linkage with a high rate of advance through one under Circumstances that are constantly changing may be moved. At a Overloading the linkage can therefore cause mechanical damage or distortions occur, the elimination of which causes considerable costs can.

Des weiteren setzt ein Bohren in einer vorgegebenen Richtung ohne uner wünschte Richtungsänderungen voraus, daß der Bohrkopf in permanenter, möglichst konstanter Rotation gehalten wird. Die Vortriebsgeschwindigkeit soll dabei möglichst hoch sein. Dies ist insbesondere bei ungleichmäßiger Bodenbeschaffenheit schwer zu realisieren.Furthermore, drilling in a given direction continues without any wished direction changes ahead that the drill head in permanent, rotation is kept as constant as possible. The speed of advance should be as high as possible. This is especially uneven Soil quality difficult to realize.

Zum Erzeugen von Erdbohrungen bedarf es in der Regel einer Bedienung durch zwei Personen in räumlicher Entfernung:
Eine Person befindet sich am Bedienpult in örtlicher Nähe zur Schub- oder Zugeinrichtung zur Steuerung beispielsweise des Vorschubs und der Dre hung des Antriebs, während eine andere die Bewegungen des Bohrkopfes über der Bohrung mittels eines Ortungsgerätes verfolgt und die Daten an die erste Person weitergibt, die die Steuerung der Anlage über das Bedienpult modifizieren kann.In order to create boreholes, it is usually necessary for two people to operate them at a distance:
One person is on the control panel in close proximity to the pushing or pulling device for controlling, for example, the feed and the rotation of the drive, while another tracks the movements of the drill head over the hole by means of a locating device and forwards the data to the first person who the control of the system can be modified via the control panel.

Die Drehzahl des Bohrkopfes wird üblicherweise mittels einer manuellen Hy drauliksteuerung am Bedienpult versucht weitgehend konstant zu halten. The speed of the drill head is usually determined by means of a manual Hy Draulic control on the control panel tries to keep largely constant.

Dazu werden vom Bediener manuell die Vortriebsgeschwindigkeit und die Drehzahl über die Bedienung zweier Hebel aufeinander abgestimmt: Fällt die Drehzahl über einen vom Bediener festgelegten Wert ab, wird dieser die Vortriebsgeschwindigkeit zurücknehmen; steigt die Drehzahl dagegen an, kann auch die Vortriebsgeschwindigkeit erhöht werden. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil der großen Störanfälligkeit und der geringen Präzi sion, da die Ergebnisse in erster Linie von Erfahrungen des Bedieners ab hängen und Fehlbedienungen nicht auszuschließen sind.For this purpose, the speed of advance and the Speed coordinated with each other using two levers: if the Speed above a value specified by the operator, this becomes the Reduce propulsion speed; however, the speed increases the speed of advance can also be increased. This method However, it has the disadvantage of high susceptibility to faults and low precision sion, since the results depend primarily on the experience of the operator hang and incorrect operation cannot be excluded.

Die deutsche Offenlegungsschrift 197 08 997 beschreibt ein hydraulisches Steuerungsverfahren der Vorschubgeschwindigkeit einer Erdbohranlage in Abhängigkeit vom Drehmoment, das eine mechanische Überlastung des Gestänges verhindern und eine den Umständen angepaßte optimierte Vor schubgeschwindigkeit gewährleisten soll. Dazu wird die Menge des dem An trieb zugeleiteten Druckmittels über ein Steuerventil in Abhängigkeit des in der Druckleitung des Drehantriebs auftretenden Drucks geregelt. Dem Steu ereingang des Ventils liegt dabei eine dem Drehmoment des Drehantriebs proportionale Steuergröße an. Steigt das Drehmoment des Drehantriebs durch erhöhten Widerstand im Erdreich an, baut sich ein erhöhter Druck in der Druckmittelzuleitung auf, dieser wird als Signal an das Steuerventil wei tergeleitet, das dann die Verminderung der Vortriebsgeschwindigkeit initiiert.The German patent application 197 08 997 describes a hydraulic Control method of the feed rate of an earth drilling rig in Dependence on the torque, which is a mechanical overload of the Preventing rods and an optimized fore adapted to the circumstances should ensure thrust speed. For this, the amount of the to driven pressure medium supplied via a control valve depending on the the pressure line of the rotary actuator occurring pressure regulated. The tax The input of the valve is the torque of the rotary drive proportional control variable. The torque of the rotary drive increases due to increased resistance in the soil, an increased pressure builds up in the pressure medium supply line, this is white as a signal to the control valve led, which then initiates the reduction in the rate of advance.

Übersteigt der Druck in der Druckmittelleitung einen definierten Wert, schal tet das Steuerventil ab, so daß als Folge sowohl die Drehung des Bohrkop fes als auch der Vorschub zum Stillstand kommen. Das System muß dann manuell zurückgefahren, neu positioniert und wiederum manuell an das Bohrloch herangefahren werden. Dies birgt den Nachteil des jeweils manu ellen zeitaufwendigen erneuten Anfahrens und Ausrichtens der Bohrvorrich tung.If the pressure in the pressure medium line exceeds a defined value, stale tet the control valve, so that as a result both the rotation of the drill head fes and the feed come to a standstill. The system must then manually moved back, repositioned and again manually to the Drill hole are approached. This has the disadvantage of the respective manu ellen time-consuming re-starting and aligning the drilling device tung.

Diese Vorrichtung hat den weiteren Nachteil, daß sie nicht für alle beim Erd bohren vorkommenden Gegebenheiten eine geeignete Steuerung darstellt. This device has the further disadvantage that it is not for everyone on earth drilling existing conditions represents a suitable control.

Trifft der Bohrkopf beispielsweise auf ein hartes Hindernis, wird sich der Druck nicht schnell genug erhöhen, um über einen Anstieg in der Druckmit telleitung die Vortriebsgeschwindigkeit zu reduzieren und ein Stauchen des Bohrgestänges zu verhindern. Die zeitliche Verzögerung zwischen der Ver änderung des Drehantriebs und der durch das Drehmoment gesteuerten Veränderung der Vortriebsgeschwindigkeit bewirkt also in bestimmten Fällen doch eine mechanische Beschädigung des Bohrgestänges, deren Vermei dung eine der wesentlichen Aufgaben des Steuerungsverfahrens darstellt.For example, if the drill head encounters a hard obstacle, the Pressure does not increase quickly enough to indicate an increase in pressure line to reduce the speed of propulsion and compress the To prevent drill pipe. The time delay between the ver Modification of the rotary drive and those controlled by the torque So changing the speed of propulsion results in certain cases mechanical damage to the drill pipe, the avoidance of this is one of the main tasks of the control process.

Die Vorrichtung versucht, diesem Nachteil zu begegnen, indem die Vor triebsgeschwindigkeit zusätzlich in analoger Weise über die Vorschubkraft geregelt sein kann, indem der Steuereingang des Ventils gleichzeitig über ein Wechselventil an die Druckseite der Vorschubkraft angeschlossen ist. Dies birgt allerdings den weiteren Nachteil eines zusätzlichen baulichen Aufwandes.The device tries to counter this disadvantage by the front drive speed additionally in an analogous manner via the feed force can be regulated by the control input of the valve at the same time a shuttle valve is connected to the pressure side of the feed force. However, this has the further disadvantage of an additional structural Effort.

Ein weiterer Nachteil dieser Vorrichtung besteht darin, daß die Steuerung unmittelbar mit dem Hydraulikkreislauf der gesamten Bohranlage in Verbin dung steht. Ändert sich der Druck an nur einer Stelle des Gesamtsystems, beispielsweise durch Verschmutzungen oder Leckagen, wird sich dies un mittelbar auch auf die Steuerung des Drehantriebs auswirken, ohne daß dies im Einzelfall gewünscht oder beabsichtigt ist. Diese, nicht von dem gesamten Hydraulikkreislauf funktionell getrennte hydraulische Steuerung ist daher störanfällig.Another disadvantage of this device is that the control directly with the hydraulic circuit of the entire drilling rig in Verbin manure stands. If the pressure changes at only one point in the overall system, for example due to dirt or leaks, this will become un indirectly affect the control of the rotary drive without this is desired or intended in individual cases. This, not all of it Hydraulic circuit is therefore functionally separate hydraulic control prone to failure.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrich tung zum automatischen Steuern einer Bohrvorrichtung zur Verfügung zu stellen, die die vorgenannten Nachteile vermeidet.The invention has for its object a method and a Vorrich device for automatic control of a drilling device set, which avoids the aforementioned disadvantages.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des An spruchs 1. This problem is solved by a method with the features of the An saying 1.

Dabei kann das Verfahren auf einer Steuerung in Abhängigkeit von der Drehzahl des Bohrkopfes basieren. Die Drehzahl des Bohrkopfes kann über ein Stellglied vorgegeben werden. Dies kann manuell oder elektronisch, bei spielsweise über ein Potentiometer oder einen Joystick, erfolgen und den besonderen Gegebenheiten der jeweiligen Bohrsituation angepaßt sein. Ein Drehzahlsensor mißt die tatsächliche Drehzahl und gibt den Wert an eine Elektronik weiter, die einen Soll-/Istwertvergleich durchführt. Entsprechend dem Ergebnis wird die Vorschubgeschwindigkeit des Bohrkopfes geregelt, d. h. erhöht oder vermindert. Die Änderung der Vorschubgeschwindigkeit hat eine Änderung der Vorschubkraft zur Folge, die sich wiederum über das Bremsmoment im Erdreich auf die Drehzahl des Bohrkopfes auswirkt.The method can be based on a controller depending on the Speed of the drill head. The speed of the drill head can be over an actuator can be specified. This can be done manually or electronically for example via a potentiometer or a joystick, and the be adapted to the particular circumstances of the respective drilling situation. On Speed sensor measures the actual speed and gives the value to one Electronics, which carries out a setpoint / actual value comparison. Corresponding the feed speed of the drill head is regulated, d. H. increased or decreased. The change in feed rate has a change in the feed force, which in turn changes over the Braking torque in the soil affects the speed of the drill head.

Verändert sich beispielsweise die Bodenbeschaffenheit derart, daß die Drehzahl des Bohrkopfes abnimmt, kann der Drehzahlsensor dies an die Elektronik weitergeben. Die Geschwindigkeit des Vortriebs, und damit die Vorschubkraft, wird reduziert, so daß die Drehzahl wieder ansteigt.For example, the soil changes in such a way that the Speed of the drill head decreases, the speed sensor can do this to the Pass on electronics. The speed of the advance, and thus the Feed force is reduced so that the speed increases again.

So kann die Drehzahl des Bohrkopfes weitgehend konstant gehalten wer den.So the speed of the drill head can be kept largely constant the.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß die Drehzahl eine Meß größe darstellt, die im Gegensatz zum Drehmoment unmittelbar und direkt die Rotation des Bohrkopfes angibt. Eine zeitliche Verzögerung zwischen dem Verlangsamen oder Festhaken des Bohrkopfes und einer Verringerung des Vorschubs, die die Gefahr einer mechanischen Beschädigung der Bohranlage in sich birgt, ist demnach weitgehend ausgeschlossen. Das Steuerungssystem auf der Basis der Drehzahlmessung ist besonders fein fühlig.A particular advantage of the invention is that the speed is a measurement Size represents that, in contrast to the torque, directly and directly indicates the rotation of the drill head. A time lag between slowing or snagging the drill head and reducing it of the feed, which involves the risk of mechanical damage to the Drilling system is inherently excluded. The Control system based on the speed measurement is particularly fine sensitive.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels des näheren erläutert. The invention is illustrated below with the aid of one in the drawing Exemplary embodiment explained in more detail.

Die mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung eingesetzte elektronische Steuerung besteht aus einer Elektronik 1, die mit einem Wegeventil 2 ver bunden ist. Das Wegeventil 2 ist über Hydraulikleitungen 10 mit einer Hy draulikpumpe 3 einerseits und einem hydraulischen Antrieb 4 für den Vor schub eines Bohrschlittens 6 andererseits verbunden. Über einen zweiten Hydraulikkreislauf 20 - oder ebenfalls über den Hydraulikkreislauf 10 - mit einem Wegeventil 5 ist der Antrieb des Bohrschlittens 6 zur Drehung des Bohrgestänges 7 verbunden. Die Drehung des Gestänges 7 kann von der Elektronik 1 über einen Sensor 8 am Bohrgestänge 7 abgegriffen werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren werden wie folgt eingesetzt:
Zunächst wird über ein Stellglied 21 die gewünschte Drehzahl in Abhängig keit von bestimmten Bohrparametern eingestellt. Dabei ist im wesentlichen der Durchmesser des Werkzeugs und die Beschaffenheit des Erdreichs und beim Einziehen von Rohren die Rohrgröße maßgebend. Eine Elektronik sieht eine Funktion vor, die es erlaubt, neben der erfindungsgemäßen Re gelung der Drehzahl des Bohrkopfes auch ein Richtungsbohren durch Aus setzen der Rotation unter Verwendung entsprechender Richtungsbohrköpfe zu bewirken, ohne daß sich dies auf die Regelung des Vorschubs auswirkt.The electronic control used with the device according to the invention consists of electronics 1 , which is connected to a directional control valve 2 . The directional control valve 2 is connected via hydraulic lines 10 with a hydraulic pump 3 on the one hand and a hydraulic drive 4 for the advance of a drilling carriage 6 on the other hand. Via a second hydraulic circuit 20 - or likewise via the hydraulic circuit 10 - with a directional control valve 5 , the drive of the drilling carriage 6 for rotating the drill string 7 is connected. The rotation of the rod 7 can be picked up by the electronics 1 via a sensor 8 on the drill rod 7 . The device according to the invention and the method according to the invention are used as follows:
First, the desired speed is set depending on certain drilling parameters via an actuator 21 . The diameter of the tool and the nature of the soil and, when pipes are pulled in, the pipe size is decisive. An electronics provides a function that allows, in addition to the re regulation of the speed of the drill head according to the invention, a directional drilling by setting off the rotation using appropriate directional drilling heads, without this having an effect on the regulation of the feed.

Über den Sensor 8 wird die Ist-Rotation des Gestänges 7 kontinuierlich er mittelt und protokolliert. Sobald die Rotation des Gestänges 7 den vorge gebenen Soll-Wert überschreitet, wird die Schubkraft am Antrieb 4 erhöht, so daß die Bremsmomente im Erdreich zu einer Verlangsamung der Rotation führen. Sobald sich die Drehzahl des Gestänges 7 unter einen bestimmten Soll-Wert absenkt, wird der Vorschub des Bohrschlittens 6 über den Antrieb 4 von der Elektronik 1 verringert, eingestellt oder umgekehrt. Die Drehung des Gestänges 7 oder des Bohrkopfes kann auch über einen Drucksensor erfaßt werden, der den Antriebsdruck der Hydraulik ermittelt. Vorzugsweise wird Bentonitdruck und damit die am Bohrkopf austretende Bentonitmenge ebenfalls in Abhängigkeit von der Rotation und/oder des Vorschub geregelt.The actual rotation of the linkage 7 is continuously averaged and recorded via the sensor 8 . As soon as the rotation of the linkage 7 exceeds the predetermined target value, the thrust on the drive 4 is increased, so that the braking torques in the ground lead to a slowdown in the rotation. As soon as the speed of the linkage 7 drops below a certain target value, the feed of the drilling carriage 6 is reduced, adjusted or vice versa by the electronics 1 via the drive 4 . The rotation of the rod 7 or the drill head can also be detected via a pressure sensor which determines the drive pressure of the hydraulic system. The bentonite pressure and thus the amount of bentonite emerging at the drill head are preferably also regulated as a function of the rotation and / or the feed.

Auf diese Weise läßt sich ein optimierter Bohrvorgang erreichen und eine Beschädigung des Werkzeugs oder des Gestänges durch Drehmomente ausschließen.In this way, an optimized drilling process can be achieved Damage to the tool or linkage due to torque exclude.

Die verwendeten Antriebe können sowohl mit Konstant- und/oder Verstell pumpen und Wegeventilen als auch mit Verstellpumpen und/oder Verstell motoren im geschlossenen Kreislauf erfolgen.The drives used can be both constant and / or adjustable pumps and directional valves as well as with variable pumps and / or variable motors in a closed circuit.

Claims

1. A method for automatically controlling a drilling device for the manufacture of horizontal earth bores or replacing, destroying or renewing underground pipelines, characterized in that the rotation of the drilling or expanding tool or the drill string ( 7 ) or the pipe to be drawn in is determined, the feed is regulated with the determined value in such a way that the speed of the drilling or expanding tool remains essentially constant and the feed of the drilling device ( 6 ) is reduced, adjusted or vice versa when the rotation of the drilling or expanding tool or the rod assembly ( 7 ) or the pipe to be drawn in drops below a certain target value.

2. The method according to claim 1, characterized in that the sub exceed a minimum speed or stop rotating the drill rod or pipe to be drawn in or drilling or opening wide tool is detected via a speed sensor.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that falling below a minimum speed or exposing the rotation of the drill string ( 7 ) or the pipe to be drawn in or the drilling or expanding tool is detected via a pressure sensor which determines the operating pressure of the hydraulic system.

4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in net that the bentonite supply depending on the speed and or the feed is regulated.

5. Method for automatically controlling a drilling device for manufacturing make horizontal earth bores or replace, destroy or renew earth buried pipelines, characterized in that the Drilling or expanding tool when the speed falls below a minimum or suspending the rotation of the drill string or the the pipe or the drilling or expanding tool is withdrawn, until a desired speed is reached again.

6. Device for the automatic control of a drilling device for generating earth bores, characterized by a sensor ( 8 ) for determining the speed of the drill pipe or the pipe or the drilling or expanding tool to be pulled in, and electronics ( 1 ) for regulating the feed speed of the drilling device depending on the speed of the drill string ( 7 ) or the pipe to be pulled or the drilling or expanding tool.