SE534879C2

SE534879C2 - Method, system and rock drilling device for controlling the rotational speed of a rock drilling tool

Info

Publication number: SE534879C2
Application number: SE0950831A
Authority: SE
Inventors: Erik Alden; Anders Nydahl
Original assignee: Atlas Copco Rock Drills Ab
Priority date: 2009-11-05
Filing date: 2009-11-05
Publication date: 2012-01-31
Also published as: FI20106158A7; SE0950831A1; FI20106158L; FI20106158A0

Abstract

23 åammandxag Füxeliggandæ uppfinning hänför sig till mætød fö: styrning avrotationsvårvtalet för etï veïktyg (3) viü an bergborrningsan~ørdninq. varvid åtminstone en hydraulmøtßr çïä; 41) är inrätw tad för ratation av nämnáa verkïyë íš), øch varvid nämnda hyd~ Us rﬂalmutør (l6; 41) drivs av en hydraulpumg {15; 42; EÜ) som,undæx üriït, avger ett hydraulvätskeflödæ. Mætøüæn ínnæfattarz»~ att passæra väsæntligen hela det av hydrauïpumpen iïß; è2;ﬁÜ} avgivna hydraulvštskeflödët genmm nämnda åtminßtßne än10 hydraulmøtor (16: ål), øcà ~ att styra nämnda från hydraulpumpen (15: 42* ëü) avgivnahydraulvätskeflöde, varvid det av hydraulvänskeflöiet direktäæroænüe røtationævarvtalæt has hydraulmntorn (lå: 41), Gch därmad hos verktyget (3), styrs. r: Uppfínningen hänför sig även till ätt sysïem man en bergborrw ningsanwrdninq. 'Y fin; . ;-_~, The present invention relates to a method for controlling the rotational rotational speed of a tool (3) through a rock drilling device. wherein at least one hydraulic meeting çïä; 41) is set up for ratation of the said verkïyë íš), and the said hyd ~ Us r ﬂ almutør (l6; 41) is driven by a hydraulic pump {15; 42; EÜ) which, undæx üriït, emits a hydraulic fluid flow. Mætøüæn ínnæfattarz »~ att passæra väsæntligen hele det av hydrauïpumpen iïß; è2; ﬁ Ü} emitted hydraulic fluid flow through the said at least 10 hydraulic motors (16: eel), øcà ~ to control the said hydraulic fluid flow emitted from the hydraulic pump (15: 42 * ëü), whereby the hydraulic fluid flow is directly hydrated; the tool (3) is controlled. r: The invention also relates to a rock drilling system. 'Y fin; . ; -_ ~,

Description

25 534 B79 Oljeflödet till den hydraulmotor som styr borrsträngens rota- tion kan t.ex. regleras genom att med hjälp av en proportio- nell riktningsventil styra ut en del av det totala oljeflödet från en hydraulpump till hydraulmotorn. 25 534 B79 The oil flow to the hydraulic motor that controls the rotation of the drill string can, for example, be regulated by using a proportional directional valve to direct part of the total oil flow from a hydraulic pump to the hydraulic motor.

Vid bestämning av borrsträngens rotation tas i allmänhet hän- syn till att ett allt för högt varvtal kan ge upphov till ökad förslitning av stiften på grund av rotationshastigheten, medan ett för lågt varvtal kan ge förslitning på grund av att stif- ten slås in i redan krossat berg varvid en del av slagets energi åtgår till att krossa borrkax istället för berg.When determining the rotation of the drill string, it is generally taken into account that a speed that is too high can cause increased wear of the pins due to the rotation speed, while a speed that is too low can cause wear due to the pin being driven into already crushed rock, whereby part of the energy of the impact is used to crush drill cuttings instead of rock.

Ett problem vid borrning med roterande borrsträng enligt ovan är att vid vissa rotationsvarvtal, framför allt låga rota- tionsvarvtal, kan så kallad "ryckig (jerky) rotation" uppstå, vilket innebär att rotationsvarvtalet varierar kraftigt, var- vid borrsträngens rotation blir ryckig, med följden att borr- ningshastighet minskar eller helt stannar av på grund av att borrkronans stift inte hela tiden träffar orört berg och vil- ket kan medföra att borrningen markant försämras.A problem with drilling with a rotating drill string as described above is that at certain rotational speeds, especially low rotational speeds, so-called "jerky rotation" can occur, which means that the rotational speed varies greatly, causing the rotation of the drill string to become jerky, with the result that the drilling speed decreases or stops completely because the drill bit's pin does not constantly hit untouched rock, which can lead to significantly poor drilling performance.

Ett annat problem med dagens lösningar för rotation av borr- strängen är att oönskade energiförluster uppstår, med ökad bränsleförbrukning som följd.Another problem with today's solutions for rotating the drill string is that unwanted energy losses occur, resulting in increased fuel consumption.

Det existerar således ett behov av ett förbättrat system för styrning av rotationsvarvtalet vid bergborrning.There is thus a need for an improved system for controlling the rotational speed during rock drilling.

Sammanfattning av uppfinningen Det är ett syfte med föreliggande uppfinning att tillhanda- hålla en metod för styrning av rotationsvarvtalet för ett verktyg vid en bergborrningsanordning löser ovanstående pro- blem. Detta syfte uppnås med en metod enligt patentkrav 1. 10 15 20 25 30 534 878 Föreliggande uppfinning hänför sig till en metod för styrning av rotationsvarvtalet för ett verktyg vid en bergborrningsan- ordning, varvid åtminstone en hydraulmotor är inrättad för ro- tation av nämnda verktyg, och varvid nämnda hydraulmotor drivs av en hydraulpump som, vid borrning, avger ett hydraulvätske- flöde. Metoden innefattar att passera väsentligen hela det av hydraulpumpen avgivna hydraulvätskeflödet genom nämnda åtmin- stone en hydraulmotor, och att styra nämnda från hydraulpumpen avgivna hydraulvätskeflöde, varvid det av hydraulvätskeflödet direkt beroende rotationsvarvtalet hos hydraulmotorn, och där- med hos verktyget, styrs.Summary of the invention It is an object of the present invention to provide a method for controlling the rotational speed of a tool in a rock drilling device that solves the above problem. This object is achieved by a method according to claim 1. 10 15 20 25 30 534 878 The present invention relates to a method for controlling the rotational speed of a tool in a rock drilling device, wherein at least one hydraulic motor is arranged for rotation of said tool, and wherein said hydraulic motor is driven by a hydraulic pump which, during drilling, delivers a hydraulic fluid flow. The method comprises passing substantially the entire hydraulic fluid flow delivered by the hydraulic pump through said at least one hydraulic motor, and controlling said hydraulic fluid flow delivered from the hydraulic pump, whereby the rotational speed of the hydraulic motor, and thus of the tool, which is directly dependent on the hydraulic fluid flow, is controlled.

Grundtanken med föreliggande uppfinning är att, istället för att enligt känd teknik styra borrstångens rotation (rotations- varvtal) genom att medelst en proportionell riktningsventil avleda en större eller mindre del av det flöde som genereras av hydraulpumpen, styra hydraulpumpens flöde direkt, dvs. sty- ra hydraulpumpen på ett sådant sätt att den genererar precis, eller väsentligen precis, det flöde som erfordras för att den till hydraulpumpen anslutna hydraulmotorn, och därmed borr- strängen, ska rotera med önskat varvtal.The basic idea of the present invention is that, instead of controlling the rotation of the drill rod (rotational speed) according to known technology by diverting a larger or smaller part of the flow generated by the hydraulic pump by means of a proportional directional valve, the flow of the hydraulic pump is controlled directly, i.e. controlling the hydraulic pump in such a way that it generates precisely, or essentially precisely, the flow required for the hydraulic motor connected to the hydraulic pump, and thus the drill string, to rotate at the desired speed.

Detta har fördelen att väsentligen hela, eller hela flödet som hydraulpumpen avger kan ledas till hydraulmotorn utan att nå- got flöde behöver shuntas bort.This has the advantage that essentially all, or the entire flow delivered by the hydraulic pump, can be directed to the hydraulic motor without any flow needing to be shunted away.

Därmed kan också flödet genom hydraulmotorn regleras utan an- vändning av en proportionalventil. I den kända tekniken leds den del av hydraulpumpens oljeflöde som inte leds genom en proportionalventil för faktisk drivning av hydraulmo- torn/motorerna tillbaka till tank utan att ledas genom hyd- raulmotorn, varvid, åtminstone i vissa driftsfall såsom vid låga varvtal, en stor del av hydraulpumpens avgivna flöde kan lO 15 20 25 30 534 879 resultera i enbart energiförluster utan att överhuvudtaget an- vändas för drivning av hydraulmotorn.This also allows the flow through the hydraulic motor to be regulated without the use of a proportional valve. In the prior art, the part of the hydraulic pump's oil flow that is not routed through a proportional valve for actual driving of the hydraulic motor(s) is routed back to the tank without being routed through the hydraulic motor, whereby, at least in certain operating cases such as at low speeds, a large part of the hydraulic pump's output flow can result in only energy losses without being used at all for driving the hydraulic motor.

Således erhålls enligt föreliggande uppfinning en lösning där hydraulpumpens flöde är direktkopplat mot flödet genom hyd- raulmotorn. Detta medför att flödet genom hydraulmotorn, och därmed den av flödet direkt beroende rotationshastigheten, kan styras mycket exakt genom styrning av hydraulpumpen.Thus, according to the present invention, a solution is obtained where the flow of the hydraulic pump is directly coupled to the flow through the hydraulic motor. This means that the flow through the hydraulic motor, and thus the rotational speed directly dependent on the flow, can be controlled very precisely by controlling the hydraulic pump.

I den kända tekniken styrs en proportionalventil pà ett sätt som genererar ett bestämt tryckfall över proportionalventilen och därmed ett bestämt flöde (där resterande flöde från hyd- raulpumpen shuntas bort enligt ovan). Trycket i denna hydraul- krets (rotationskrets) kommer dock hela tidenﬂatt variera, t.ex. beroende pà det motstånd som verktyget utsätts för vid borrningen (om verktyget stöter på hårdare motstånd kommer ett högre tryck erfordras för att rotera verktyget med önskad has- tighet och vice versa), varvid konstanttryckfallsregleringen över proportionalventilen hela tiden sker vid olika arbets- punkter(absoluttrycknivàer), dvs. även om trycket över propor- tionalventilen regleras till att vara konstant kommer det ingångstryck fràn vilket tryckfallet regleras att variera med variationer i trycket i rotationskretsen.In the prior art, a proportional valve is controlled in a way that generates a specific pressure drop across the proportional valve and thus a specific flow (where the remaining flow from the hydraulic pump is shunted away as above). The pressure in this hydraulic circuit (rotational circuit) will, however, constantly vary, e.g. depending on the resistance to which the tool is exposed during drilling (if the tool encounters stronger resistance, a higher pressure will be required to rotate the tool at the desired speed and vice versa), whereby the constant pressure drop regulation across the proportional valve constantly takes place at different operating points (absolute pressure levels), i.e. even if the pressure across the proportional valve is regulated to be constant, the input pressure from which the pressure drop is regulated will vary with variations in the pressure in the rotational circuit.

Föreliggande uppfinning har fördelen att en lösning erhålls som både är mindre känslig för dylika tryckvariationer genom att regleringen är oberoende av dylika tryckvariationer, och där bortshuntning av flöde från hydraulpumpen undviks, varvid även risken för att ryckig rotation ska uppstå kan minskas.The present invention has the advantage that a solution is obtained that is both less sensitive to such pressure variations in that the regulation is independent of such pressure variations, and where shunting of flow from the hydraulic pump is avoided, whereby the risk of jerky rotation occurring can also be reduced.

Föreliggande uppfinning har även fördelen att eftersom den år oberoende av det faktiska tryck som råder i hydraulkretsen, dvs. oberoende av belastning (åtminstone upp till systemets angivna maxbelastning) kan rotationsvarvtalet styras mycket 10 15 20 25 534 879 exakt med bibehàllet önskat varvtal även oberoende av belast- ningsvariationer.The present invention also has the advantage that since it is independent of the actual pressure prevailing in the hydraulic circuit, i.e. independent of load (at least up to the system's specified maximum load), the rotational speed can be controlled very precisely while maintaining the desired speed even independent of load variations.

Rotationsvarvtalet för hydraulmotorn, och därmed rotations- varvtalet för verktyget, vilket är direkt beroende av flödet genom hydraulmotorn, styrs alltsá genom styrning av nämnda hydraulpump, varvid nämnda hydraulpump kan styras så att det av hydraulpumpen avgivna hydraulvätskeflödet motsvarar ett önskat rotationsvarvtal för nämnda hydraulmotor. Således kan rotationsvarvtalet för verktyget styras mycket noggrant genom styrning av det av hydraulpumpen avgivna hydraulflödet.The rotational speed of the hydraulic motor, and thus the rotational speed of the tool, which is directly dependent on the flow through the hydraulic motor, is thus controlled by controlling said hydraulic pump, whereby said hydraulic pump can be controlled so that the hydraulic fluid flow delivered by the hydraulic pump corresponds to a desired rotational speed of said hydraulic motor. Thus, the rotational speed of the tool can be controlled very accurately by controlling the hydraulic flow delivered by the hydraulic pump.

Hydraulpumpens avgivna flöde kan styras genom reglering av hydraulpumpens deplacement och/eller varvtal. Genom att styra hydraulpumpens deplacement kan det avgivna flödet styras obe- roende av varvtalet för den kraftkälla som driver hydraulpum- pens rotation. Vidare kan, i det fall kraftkällan kan varv- talsstyras, hydraulpumpens flöde för en hydraulpump med fast deplacement styras genom att styra kraftkällans varvtal.The output flow of the hydraulic pump can be controlled by regulating the displacement and/or speed of the hydraulic pump. By controlling the displacement of the hydraulic pump, the output flow can be controlled independently of the speed of the power source that drives the rotation of the hydraulic pump. Furthermore, in the case where the power source can be speed-controlled, the hydraulic pump flow of a fixed displacement hydraulic pump can be controlled by controlling the speed of the power source.

I en utföringsform kan hydraulpumpen vara förbunden med kraft- källan via en växelmekanism, i vilket fall det även är möjligt att styra hydraulpumpens varvtal oberoende av varvtalet för den kraftkälla som driver hydraulpumpens rotation.In one embodiment, the hydraulic pump may be connected to the power source via a gear mechanism, in which case it is also possible to control the speed of the hydraulic pump independently of the speed of the power source driving the rotation of the hydraulic pump.

Ytterligare kännetecken för föreliggande uppfinning och förde- lar därav kommer att framgå ur följande detaljerade beskriv- ning av exempelutföringsformer och de bifogade ritningarna.Further features of the present invention and advantages thereof will become apparent from the following detailed description of exemplary embodiments and the accompanying drawings.

Kort beskrivning av ritningarna Fig. 1 visar en bergborrningsanordning vid vilken föreliggande uppfinning med fördel kan tillämpas. 10 15 20 25 534 879 Fig. 2 visar en anordning för styrning av rotationsvarvtalet vid borrning enligt en exempelutföringsform av föreliggande uppfinning.Brief description of the drawings Fig. 1 shows a rock drilling device to which the present invention can be applied with advantage. 10 15 20 25 534 879 Fig. 2 shows a device for controlling the rotational speed during drilling according to an exemplary embodiment of the present invention.

Fig. 3 visar ett exempel pà ett hydraulflödesschema enligt den i fig. 2 visade exempelutföringsformen av föreliggande uppfin- ning.Fig. 3 shows an example of a hydraulic flow diagram according to the exemplary embodiment of the present invention shown in Fig. 2.

Fig. 4 visar ett exempel pà ett hydraulflödesschema enligt en alternativ exempelutföringsform av föreliggande uppfinning.Fig. 4 shows an example of a hydraulic flow diagram according to an alternative exemplary embodiment of the present invention.

Fig. 5 visar en anordning för styrning av rotationsvarvtalet vid borrning enligt en alternativ exempelutföríngsform av fö- religgande uppfinning.Fig. 5 shows a device for controlling the rotational speed during drilling according to an alternative exemplary embodiment of the present invention.

Fig. 6 visar en anordning för styrning av rotationsvarvtalet vid borrning enligt känd teknik.Fig. 6 shows a device for controlling the rotational speed during drilling according to prior art.

Detaljerad beskrivning av exempelutföringsformer I fig. 1-2 visas en första exempelanordning enligt föreliggan- de uppfinning som med fördel kan användas för styrning av ro- tationsvarvtalet vid borrning, varvid risken för att ryckig rotation ska uppstå kan minskas eller alternativt elimineras.Detailed description of exemplary embodiments Fig. 1-2 shows a first exemplary device according to the present invention which can be advantageously used for controlling the rotational speed during drilling, whereby the risk of jerky rotation occurring can be reduced or alternatively eliminated.

Borrstàngens rotation kan åstadkommas med hjälp av en eller flera hydraulmotorer. I den i fig. 1-2 visade utföringsformen genereras dock rotationen av en hydraulmotor.The rotation of the drill rod can be achieved by means of one or more hydraulic motors. However, in the embodiment shown in Fig. 1-2, the rotation is generated by a hydraulic motor.

Fig. 1 visar en bergborrningsanordning innefattande en borrigg 1, i detta exempel en ovanjordborrníngsrigg, vilken uppbär en borrmaskin i form av en topphammarborrmaskin 11.Fig. 1 shows a rock drilling device comprising a drilling rig 1, in this example a surface drilling rig, which carries a drilling machine in the form of a top hammer drilling machine 11.

Borríggen 1 visas i användning, borrandes ett hål 2 i berg, vilket börjar vid jordytan och där borrningen för närvarande befinner sig vid ett djup d. Hålet är avsett att resultera i ett häl med djupet B, vilket, beroende på tillämpningsområde, 10 15 20 25 30 534 B75 kan variera stort från hål till hål och/eller tillämpningsom- råde till tillämpningsområde. Det avslutade hålet anges med streckade linjer. (Det visade förhållandet mellan borriggshöjd och håldjup år inte på något sätt avsett att vara proportio- nerligt. Borrens totala höjd y kan till exempel vara 10 meter, medan håldjupet ß kan vara både mindre än och väsentligt myck- et större än 10 meter, t.ex. 20 meter, 30 meter, 40 meter el- ler mer.) Topphammarborrmaskinen 11 år via en borrsläde 13 monterad på en matarbalk 5. Matarbalken 5 är i sin tur fäst till en bom 19 via en matarbalkshàllare 12. Topphammarborrmaskinen ll till- handahåller, via en borrsträng 6 som stöds av ett borrsträng- stöd 14, slagverkan på ett borrverktyg i form av en borrkrona 3, vilken vanligtvis innefattar skär eller stift av hårdme- tall, diamant e.d., vilka överför stötvågsenergi från toppham- marborrmaskinen 11 till berget. Borrsträngen 6 består av prak- tiska skål vanligtvis av ett antal borrstånger som skarvas till varandra vartefter borrningen fortskrider.The drilling rig 1 is shown in use, drilling a hole 2 in rock, which begins at the surface of the earth and where the drilling is currently at a depth d. The hole is intended to result in a hole of depth B, which, depending on the application area, 10 15 20 25 30 534 B75 can vary greatly from hole to hole and/or application area to application area. The completed hole is indicated by dashed lines. (The shown relationship between drill rig height and hole depth is in no way intended to be proportional. The total height y of the drill may, for example, be 10 meters, while the hole depth ß may be both less than and substantially greater than 10 meters, e.g. 20 meters, 30 meters, 40 meters or more.) The top hammer drilling machine 11 is mounted via a drill carriage 13 on a feed beam 5. The feed beam 5 is in turn attached to a boom 19 via a feed beam holder 12. The top hammer drilling machine 11 provides, via a drill string 6 supported by a drill string support 14, impact action on a drilling tool in the form of a drill bit 3, which usually comprises cutting edges or pins of carbide, diamond or the like, which transmit shock wave energy from the top hammer drilling machine 11 to the rock. The drill string 6 consists of practical bowls, usually a number of drill rods that are joined together as the drilling progresses.

Topphammarborrmaskinen ll är av hydraulisk typ, varvid den ef- fektförsörjs av en hydraulpump 10, vilken i sin tur drivs av en kraftkälla i form av en förbränningsmotor 9 (såsom t.ex. en dieselmotor) via slangar (ej visat) på sedvanligt sätt. Alter- nativ kan kraftkällan 9 utgöras av t.ex. en elmotor.The top hammer drilling machine 11 is of the hydraulic type, whereby it is powered by a hydraulic pump 10, which in turn is driven by a power source in the form of an internal combustion engine 9 (such as a diesel engine) via hoses (not shown) in the usual manner. Alternatively, the power source 9 may be, for example, an electric motor.

Det vid borrningen krossade berget, borrkaxet, spolas ut ur hålet 2 medelst ett spolningsmedium såsom t.ex. komprimerad luft.The rock crushed during drilling, the drill cuttings, is flushed out of the hole 2 by means of a flushing medium such as compressed air.

Borrstängerna utgörs av tjockväggiga rör, t.ex. av stål, var- vid en genom stängernas väggar bildad kanal genom borrsträngen används för att mata spolningsmediumet genom borrsträngen 6 för utsläpp nära borrkronan 3. Den komprimerade luften spolar borrkaxet uppåt genom och ut ur hålet 2, såsom indikeras av de uppåtriktade pilarna i fig. 1. Istället för komprimerad luft 10 15 20 25 30 534 879 kan andra spolningsmedium likaväl användas, till exempel vat- ten, med eller utan tillsatsmedel. Den komprimerade luften ma- tas till borrsträngen 6 från en kompressor 8 via en slang 7. Även kompressorn 8 drivs av förbränningsmotorn 9. Borriggen 1 innefattar vidare en hydraulpump 15 för drivning av en hyd- raulmotor 16, vilken roterar borrsträngen 6 under borrning.The drill rods consist of thick-walled tubes, e.g. of steel, whereby a channel formed through the walls of the rods through the drill string is used to feed the flushing medium through the drill string 6 for discharge near the drill bit 3. The compressed air flushes the drill cuttings upwardly through and out of the hole 2, as indicated by the upwardly directed arrows in Fig. 1. Instead of compressed air 10 15 20 25 30 534 879 other flushing mediums can also be used, for example water, with or without additives. The compressed air is fed to the drill string 6 from a compressor 8 via a hose 7. The compressor 8 is also driven by the combustion engine 9. The drilling rig 1 further comprises a hydraulic pump 15 for driving a hydraulic motor 16, which rotates the drill string 6 during drilling.

Förbränningsmotorn 9 utgör borriggens primära effektförsörj- ningsaggregat, och bör därför vara tillräckligt kraftfull för att samtidigt kunna driva både kompressorn 8 och hydraulpum- parna 10, 15 vid full hastighet, liksom även kylfläktar och andra anordningar, såsom t.ex. ev. ytterligare hydraulpumpar för drivning av andra på bergborrningsanordningen hydrauliskt styrda funktioner, och vilka erfordras vid de borrningsförhâl- landen som erfordrar maximalt effektuttag. Borriggen innefat- tar även en styrenhet 18, vilken utgör en del av borriggens styrsystem och vilken kan användas för styrning av diverse funktioner, såsom t.ex. rotation av borrsträngen enligt före- liggande uppfinning.The internal combustion engine 9 constitutes the primary power supply unit of the drilling rig, and should therefore be powerful enough to simultaneously drive both the compressor 8 and the hydraulic pumps 10, 15 at full speed, as well as cooling fans and other devices, such as e.g. possibly additional hydraulic pumps for driving other hydraulically controlled functions on the rock drilling device, and which are required in the drilling conditions that require maximum power output. The drilling rig also includes a control unit 18, which constitutes part of the drilling rig's control system and which can be used for controlling various functions, such as e.g. rotation of the drill string according to the present invention.

I fig. 2 visas systemfunktionen för rotationen av borrsträngen 6 i fig. 1 enligt en första exempelutföringšform mer i detalj.In Fig. 2 the system function for the rotation of the drill string 6 in Fig. 1 according to a first exemplary embodiment is shown in more detail.

Hydraulpumpen 15 drivs enligt ovan av den i fig. 1 visade för- bränningsmotorn 9, där hydraulpumpen 15 är förbunden med en frán förbränningsmotorn utgående axel 20. Förbränningsmotorn 9 drivs vanligtvis med ett förhållandevis konstant varvtal. Även om kraftkällan (förbränningsmotorn) vanligtvis kan drivas vid olika, väsentligen konstanta varvtal, vilka är anpassade för olika driftsfall, måste kraftkällan fortfarande hålla åtmin- stone ett visst minsta varvtal för att önskad funktion ska kunna säkerställas för samtliga pà borriggen anordnade och till förbränningsmotorn 9 anslutna förbrukare.The hydraulic pump 15 is driven as above by the combustion engine 9 shown in Fig. 1, where the hydraulic pump 15 is connected to a shaft 20 extending from the combustion engine. The combustion engine 9 is usually driven at a relatively constant speed. Even though the power source (the combustion engine) can usually be driven at different, essentially constant speeds, which are adapted for different operating cases, the power source must still maintain at least a certain minimum speed in order to ensure the desired function for all consumers arranged on the drilling rig and connected to the combustion engine 9.

Hydraulpumpens 15 flöde leds (via en riktningsventil 21, vil- ken beskrivs nedan) till hydraulmotorn 16, vilken roterar 10 15 20 25 30 534 B79 borrsträngen 6 via en från hydraulmotorn 16 utgående axel 17, vilken kan vara kopplad till borrsträngen antingen direkt, men företrädesvis via en växel 24 för att möjliggöra att borr- strängen kan rotera med ett lägre varvtal än motorvarvtalet.The flow of the hydraulic pump 15 is directed (via a directional valve 21, which is described below) to the hydraulic motor 16, which rotates the drill string 6 via a shaft 17 extending from the hydraulic motor 16, which can be connected to the drill string either directly, but preferably via a gear 24 to enable the drill string to rotate at a lower speed than the motor speed.

Borrsträngens 6 rotationsriktning styrs av hydraulmotorns 16 rotationsriktning, och för att möjliggöra rotation av borr- strängen 6 i bägge riktningar kan flödesriktningen genom hyd- raulmotorn växlas. Detta àstadkoms med hjälp av en riktnings- ventil 21, vilken bestämmer rotationsriktningen för hydraulmo- torn 16. Borrning sker normalt vid en och samma rotationsrikt- ning, men när en borrsträng bestående av flera sammangängade borrstänger ska tas isär efter avslutad borrning kan borr- strängen roteras i motsatt riktning för att lösgöra borrstäng- erna från varandra. Riktningsventilen 21 visas mer i detalj i hydraulflödesschemat i fig. 3, där hydraulflödet i rotations- kretsen enligt uppfinningen áskàdliggörs mer i detalj. Rikt- ningsventilen 21 är en riktningsventil som är antingen öppen eller stängd. När riktningsventilen aktiveras åt något av hål- len leds oljeflödet fràn hydraulpumpen 15 genom riktningsven- tilen 21 till hydraulmotorn 16. Hydraulmotorns rotationsrikt- ning bestäms genom att antingen försätta riktningsventilen 21 i läge (a) eller (b) (i viloläget (C) är flödet till hydraul- motorn, och därmed borrsträngens rotation, stoppad). önskad rotationsriktning styrs med hjälp av styrtryck A respektive B för styrning av riktningsventilen 21 till läge (a), respektive läge (c). Tryckavlastade styrtryck eller tryckjämvikt instäl- ler ventilen i läge (b).The direction of rotation of the drill string 6 is controlled by the direction of rotation of the hydraulic motor 16, and to enable rotation of the drill string 6 in both directions, the flow direction through the hydraulic motor can be switched. This is achieved by means of a directional valve 21, which determines the direction of rotation of the hydraulic motor 16. Drilling normally takes place in one and the same direction of rotation, but when a drill string consisting of several threaded drill rods is to be disassembled after drilling is completed, the drill string can be rotated in the opposite direction to release the drill rods from each other. The directional valve 21 is shown in more detail in the hydraulic flow diagram in Fig. 3, where the hydraulic flow in the rotation circuit according to the invention is illustrated in more detail. The directional valve 21 is a directional valve that is either open or closed. When the directional valve is activated to either port, the oil flow from the hydraulic pump 15 is directed through the directional valve 21 to the hydraulic motor 16. The direction of rotation of the hydraulic motor is determined by either setting the directional valve 21 to position (a) or (b) (in the rest position (C), the flow to the hydraulic motor, and thus the rotation of the drill string, is stopped). The desired direction of rotation is controlled by means of control pressures A and B to control the directional valve 21 to position (a) and position (c), respectively. Pressure-relieved control pressures or pressure balance set the valve to position (b).

Hydraulmotorns 16 returflöde leds sedan tillbaka till rikt- ningsventilen 21 och vidare till tank 31 (hydraulmotorns re- turflöde måste dock inte nödvändigtvis ledas tillbaka till tank via riktningsventilen, utan kan t.ex. ledas direkt till tank). Rotation av hydraulmotorn genereras således på detta 10 15 20 25 30 534 B79 10 sätt, varvid hydraulmotorn kan rotera borrsträngen enligt OVan .The return flow of the hydraulic motor 16 is then directed back to the directional valve 21 and further to the tank 31 (however, the return flow of the hydraulic motor does not necessarily have to be directed back to the tank via the directional valve, but can, for example, be directed directly to the tank). Rotation of the hydraulic motor is thus generated in this way, whereby the hydraulic motor can rotate the drill string according to the OVan.

Hydraulpumpen 15 är en variabel hydraulpump. Hydraulmotorns 16 rotationsvarvtal styrs av den volym vätska (i det här fallet olja) per tidsenhet (dvs. flödet) som tillförs hydraulmotorn 16 av hydraulpumpen 15.The hydraulic pump 15 is a variable hydraulic pump. The rotational speed of the hydraulic motor 16 is controlled by the volume of fluid (in this case oil) per unit of time (i.e. the flow) supplied to the hydraulic motor 16 by the hydraulic pump 15.

Direktkopplingen mellan hydraulpump och hydraulmotor har för- delen att risken för att ryckig rotation ska uppstå kan mins- kas eftersom det av hydraulpumpen avgivna flödet, i drift, dvs. när riktningsventilen står i läge (a) eller (b), i sin helhet kommer att flöda genom hydraulmotorn utan att något flöde behöver shuntas bort (se beskrivning av den kända tekni- ken i anknytning till fig. 6 nedan). Uppfinningen har därmed fördelen att energin utnyttjas på ett effektivare sätt. Hyd- raulpumpens arbete utnyttjas därmed också pà ett betydligt ef- fektivare sätt enligt föreliggande uppfinning, eftersom hyd- raulpumpen endast avger det oljeflöde som behövs för att driva hydraulmotorn. Eftersom att energiförlusterna minskar, minskas också bränsleförbrukningen.The direct connection between the hydraulic pump and the hydraulic motor has the advantage that the risk of jerky rotation occurring can be reduced because the flow delivered by the hydraulic pump, in operation, i.e. when the directional valve is in position (a) or (b), will flow entirely through the hydraulic motor without any flow needing to be shunted away (see description of the prior art in connection with Fig. 6 below). The invention thus has the advantage that the energy is utilized in a more efficient manner. The work of the hydraulic pump is thus also utilized in a significantly more efficient manner according to the present invention, since the hydraulic pump only delivers the oil flow needed to drive the hydraulic motor. Since the energy losses are reduced, fuel consumption is also reduced.

Dessutom blir lösningen enligt föreliggande uppfinning mindre beroende av kraftkällans (förbränningsmotorns) varvtal, dvs. kraftkällans varvtal kan variera utan att onödiga förluster i rotationskretsen uppstår.In addition, the solution according to the present invention becomes less dependent on the speed of the power source (combustion engine), i.e. the speed of the power source can vary without unnecessary losses in the rotation circuit occurring.

Såsom nämnts styrs hydraulpumpens flöde genom reglering av dess varvtal och/eller deplacement (dvs. avgiven vo- lym/tidsenhet vid ett visst rotationsvarvtal). I det fall hyd- raulpumpens deplacement regleras ástadkoms detta ofta med hjälp av reglerorgan i form av en eller flera regulatorer 22 (se fig. 2). Dessa en eller flera regulatorerna 22 reglerar pumpens deplacement i proportion till en given regulatorstyr- signal, och det av hydraulpumpen avgivna oljeflödet styrs se- 10 15 20 25 30 534 E73 ll dan pá ett sådant sätt att deplacementet motsvarar given styr- signal 29 och därmed resulterar i önskat rotationsvarvtal, Hydraulpumpar med variabelt deplacement utgör välkänd teknik och finns i flera olika utföringsformer, varför den faktiska regleringen av deplacementet inte beskrivs närmare här.As mentioned, the flow of the hydraulic pump is controlled by regulating its speed and/or displacement (i.e. delivered volume/time unit at a certain rotational speed). In the case where the displacement of the hydraulic pump is regulated, this is often achieved by means of control means in the form of one or more regulators 22 (see Fig. 2). These one or more regulators 22 regulate the displacement of the pump in proportion to a given regulator control signal, and the oil flow delivered by the hydraulic pump is then controlled in such a way that the displacement corresponds to the given control signal 29 and thus results in the desired rotational speed. Variable displacement hydraulic pumps constitute well-known technology and are available in several different embodiments, which is why the actual regulation of the displacement is not described in more detail here.

Styrsignalen 29 för styrning av regulatorn/regulatorerna kan t.ex. vara hydraulisk eller företrädesvis elektrisk, och kan tillföras hydraulpumpen antingen från ett av borriggoperatören styrt manöverorgan, såsom ett vred, eller från t.ex. styrenhe- ten l8. Borriggoperatören kan t.ex. ställa in önskat rota- tionsvarvtal via ett MI-gränssnitt 23, varvid styrenheten 18 sedan ombesörjer utstyrning av hydraulpumpregula- torn/regulatorerna så att ett önskat oljeflöde från hydraul- pumpen 15, och därmed också önskat rotationsvarvtal, erhålls.The control signal 29 for controlling the regulator/regulators can, for example, be hydraulic or preferably electrical, and can be supplied to the hydraulic pump either from an operating device controlled by the drilling rig operator, such as a knob, or from, for example, the control unit 18. The drilling rig operator can, for example, set the desired rotational speed via an MI interface 23, whereby the control unit 18 then provides for the adjustment of the hydraulic pump regulator/regulators so that a desired oil flow from the hydraulic pump 15, and thus also the desired rotational speed, is obtained.

Alternativt kan styrningen av rotationshastigheten vara helt automatisk, varvid styrenheten kan bestämma önskat rotations- varvtal på tillämpligt sätt. Även om styrning kan ske helt och hållet genom uppmätning av hydraulmotorns och/eller borr- strängens faktiska rotation kan de en eller flera hydraulmoto- rernas storlek (deplacement) finnas lagrad i ett minne 24 i styrsystemet för att kunna användas vid bestämning av erford- rat flöde vid styrningen.Alternatively, the control of the rotation speed may be fully automatic, whereby the control unit may determine the desired rotation speed in an appropriate manner. Although control may be effected entirely by measuring the actual rotation of the hydraulic motor and/or drill string, the size (displacement) of the one or more hydraulic motors may be stored in a memory 24 in the control system for use in determining the required flow for control.

T.ex. är det möjligt att hela tiden styra hydraulmotorns (borrsträngens) varvtal baserat pá borrmaskinens slagverksfre- kvens så att, oavsett slagverksfrekvens, det hela tiden kan säkerställas att borrkronans stift roteras till önskad plats, t.ex. genom att stiften vid nästkommande slag hela tiden ham- nar mittemellan stiftpositioner vid föregående slag.For example, it is possible to constantly control the speed of the hydraulic motor (drill string) based on the percussion frequency of the drilling machine so that, regardless of the percussion frequency, it can always be ensured that the drill bit's pin is rotated to the desired location, for example by ensuring that the pins on the next stroke always end up between the pin positions on the previous stroke.

Rotationsvarvtalet kan naturligtvis även styras oberoende av slagverkstrycket. Exempelvis kan rotationsvarvtalet styras àt- minstone delvis baserat pà borrkronans (förväntade) förslit- 10 15 20 25 30 534 B79 12 ning. I detta fall kan rotationsvarvtalet t.ex. vara beroende på den tid som förflutit sedan byte av krona eller slipning av borrkronans stift. Hänsyn kan även tas till typ av berg, var- vid rotationshastigheten kan regleras åtminstone delvis i be- roende av den bergart i vilken borrning sker.The rotational speed can of course also be controlled independently of the percussion pressure. For example, the rotational speed can be controlled at least partly based on the (expected) wear of the drill bit. In this case, the rotational speed can, for example, depend on the time that has elapsed since the bit was replaced or the drill bit was ground. Consideration can also be given to the type of rock, whereby the rotational speed can be regulated at least partly depending on the type of rock in which drilling is taking place.

Styrningen av rotationsvarvtalet kan även vara baserad på en godtycklig kombination av ovanstående reglermetoder.The control of the rotational speed can also be based on any combination of the above control methods.

I kombination med varvtalsgivare 25 på borrstång eller i hyd- raulmotor (ej visat), alternativt flödesgivare 26 i rotations- kretsen, kan aktuellt rotationsvarvtal bestämmas och användas av styrenheten 18 vid varvtalsregleringen.In combination with a speed sensor 25 on the drill rod or in the hydraulic motor (not shown), or alternatively a flow sensor 26 in the rotation circuit, the current rotation speed can be determined and used by the control unit 18 for speed regulation.

Föreliggande uppfinning har vidare fördelen att genom att en- bart styra det av hydraulpumpen 15 avgivna flödet kan önskat rotationsvarvtal upprätthàllas oberoende av faktiskt belast- ning av borrsträngen och därmed hydraulmotorn 16. Om borr- strängens belastning ökar kommer hydraulpumpen att jobba hår- dare, dvs. fortfarande avge det av styrsignalen bestämda flö- det men vid ett högre tryck. Regleringen av rotationshastighe- ten är således oberoende av det faktiska tryck som råder i hydraulkretsen, varvid reglering av trycket inte heller er- fordras av uppfinningen. Endast i det fall belastningen av borrsträngen blir så pass hög att ett för rotationskretsen förutbestämt maximalt tryck överskrids kommer flödet automa- tiskt att minska, för att sedan öka om belastningen minskar.The present invention further has the advantage that by simply controlling the flow delivered by the hydraulic pump 15, the desired rotational speed can be maintained regardless of the actual load on the drill string and thus the hydraulic motor 16. If the load on the drill string increases, the hydraulic pump will work harder, i.e. still deliver the flow determined by the control signal but at a higher pressure. The regulation of the rotational speed is thus independent of the actual pressure prevailing in the hydraulic circuit, whereby regulation of the pressure is also not required by the invention. Only in the case where the load on the drill string becomes so high that a predetermined maximum pressure for the rotation circuit is exceeded will the flow automatically decrease, and then increase if the load decreases.

Hydraulpumpen kan vara inställd till att inte avge ett högre tryck än det valda maxtrycket.The hydraulic pump can be set to not deliver a higher pressure than the selected maximum pressure.

Uppfinningen har även fördelen att den så kallade "ryckiga (jerky) rotation" som, framförallt vid vissa rotationsvarvtal, och då i synnerhet vid låga rotationsvarvtal, kan uppstå en- ligt den kända tekniken kan minskas eller alternativt elimine- raS . 10 15 20 25 30 534 B79 13 Orsakerna till uppkomsten av denna ryckiga rotation kan vara flera, där den i den kända tekniken använda proportionalventi- len (beskrivs nedan) utgör en bidragande orsak.The invention also has the advantage that the so-called "jerky rotation" which, above all at certain rotational speeds, and then especially at low rotational speeds, can occur according to the prior art can be reduced or alternatively eliminated. 10 15 20 25 30 534 B79 13 The causes of the occurrence of this jerky rotation can be several, where the proportional valve used in the prior art (described below) constitutes a contributing cause.

Det kan dock fortfarande vara fördelaktigt att övervaka tryck- et i hydraulkretsen, t.ex. medelst en tryckgivare 27. Denna tryckbestämning kan t.ex. vara nödvändig för att andra delar av borrningsprocessen ska kunna styras på ett korrekt sätt.However, it may still be advantageous to monitor the pressure in the hydraulic circuit, e.g. by means of a pressure sensor 27. This pressure determination may, for example, be necessary for other parts of the drilling process to be controlled in a correct manner.

T.ex. kan en bestämning av trycket i hydraulkretsen användas för att säkerställa att ett tillräckligt tryck råder för att inte riskera att borrsträngens skarvar mellan olika borrstäng- er lösgörs. Nämnda tryck kan även användas i syfte att detek- tera överbelastning av borrsträngen så att rotationshastighe- ten kan minskas, eller rotationen helt stängas av, för att minska risken för skador. Föreliggande uppfinning kan även an- vändas för sådan detektering. Genom att t.ex. jämföra inställd rotationshastighet med faktisk rotationshastighet (vilken kan bestämmas medelst varvtals- och/eller flödesgivare enligt ovan) kan en avvikelse mellan inställt och uppmätt värde be- ståmmas. Om sedan faktisk rotationshastighet avviker (nedåt) från inställd rotationshastighet med mer än t.ex. en viss pro- cent eller ett visst varvtal kan borrsträngen antagas vara överbelastad, varvid erforderliga åtgärder kan vidtagas.For example, a determination of the pressure in the hydraulic circuit can be used to ensure that there is sufficient pressure to prevent the joints of the drill string between different drill rods from becoming loose. Said pressure can also be used for the purpose of detecting overloading of the drill string so that the rotation speed can be reduced, or the rotation completely shut off, to reduce the risk of damage. The present invention can also be used for such detection. By, for example, comparing the set rotation speed with the actual rotation speed (which can be determined by means of a speed and/or flow sensor as described above), a deviation between the set and measured value can be determined. If the actual rotation speed then deviates (downwards) from the set rotation speed by more than, for example, a certain percentage or a certain speed, the drill string can be assumed to be overloaded, in which case the necessary measures can be taken.

Hittills har det antagits att hydraulpumpens kraftkälla (för- bränningsmotorn) roterar hydraulpumpen med konstant varvtal.So far, it has been assumed that the hydraulic pump's power source (the internal combustion engine) rotates the hydraulic pump at a constant speed.

Beroende på t.ex. in-/urkoppling av andra laster som drivs av kraftkällan kan detta varvtal dock variera. Vanligtvis drivs kraftkällan vid något av ett flertal förutbestämda väsentligen fasta varvtal. Styrenheten 18 kan därför vara anordnad att ta hänsyn till kraftkällans (förbränningsmotorns) varvtal, vilket t.ex. kan erhållas med hjälp av en vid kraftkällans utgående axel eller hydraulpumpens ingående axel anordnad varvtalsgiva- re 28, eftersom detta bestämmer ingående varvtal på hydraul- 10 15 20 25 30 534 B73 14 pumpen. Vid ändrat varvtal kan styrenheten 18 kompensera styr- signalen till hydraulpumpen med hänsyn tagen till det ändrade varvtalet så att inställt flöde, och därmed rotationsvarvtal, upprätthålls.Depending on e.g. the connection/disconnection of other loads driven by the power source, this speed may vary, however. Usually the power source is driven at one of a plurality of predetermined substantially fixed speeds. The control unit 18 may therefore be arranged to take into account the speed of the power source (combustion engine), which e.g. can be obtained by means of a speed sensor 28 arranged at the output shaft of the power source or the input shaft of the hydraulic pump, since this determines the input speed of the hydraulic pump. In the event of a changed speed, the control unit 18 may compensate the control signal to the hydraulic pump taking into account the changed speed so that the set flow, and thus the rotational speed, is maintained.

I fig. 4 visas hydraul- (rotations-) kretsen för en alternativ utföringsform av föreliggande uppfinning. I den i fig. 4 visa- de utföringsformen är hydraulmotorn 41 direkt förbunden med en hydraulpump 42. Hydraulkretsen utgör således ett slutet hyd- raulsystem. Hydraulmotorns 41 rotationsriktning kan då bestäm- mas direkt från hydraulpumpen och dess styrning genom att sty- ra hydraulpumpens rotationsriktning. Den i fig. 4 visade lös- ningen har därmed fördelen att riktningsventilen kan uteslutas helt. Hydraulpumpen i detta system är dock, till skillnad från hydraulpumpen i fig. 2-3, helt knuten till denna funktion. Vid en lösning av den i fig. 3 visade typen kan hydraulpumpen, i de fall den inte används för att driva hydraulmotorn 16, t.ex. vid paus i borrningen eller vid förflyttning av borriggen, även användas för drivning andra hydraulpumpdrivna funktioner pà borriggen.Fig. 4 shows the hydraulic (rotational) circuit for an alternative embodiment of the present invention. In the embodiment shown in Fig. 4, the hydraulic motor 41 is directly connected to a hydraulic pump 42. The hydraulic circuit thus constitutes a closed hydraulic system. The direction of rotation of the hydraulic motor 41 can then be determined directly from the hydraulic pump and its control by controlling the direction of rotation of the hydraulic pump. The solution shown in Fig. 4 thus has the advantage that the directional valve can be completely excluded. However, the hydraulic pump in this system is, unlike the hydraulic pump in Figs. 2-3, completely tied to this function. In a solution of the type shown in Fig. 3, the hydraulic pump can also be used to drive other hydraulic pump-driven functions on the drilling rig, in cases where it is not used to drive the hydraulic motor 16, e.g. during a break in drilling or when moving the drilling rig.

Ovan har uppfinningen beskrivits för fallet med en deplace- mentsstyrd hydraulpump. I en alternativ exempelutföringsform, visas schematiskt i fig. 5 och motsvarande den i fig. 2, är dock hydraulpumpen 60 istället varvtalsstyrd. I denna utfö- ringsform drivs hydraulpumpen 60 företrädesvis av en separat kraftkälla 61, såsom t.ex. en dedikerad förbränningsmotor el- ler en dedikerad elmotor. I denna utföringsform styrs kraft- källans varvtal istället för hydraulpumpens deplacement, var- vid hydraulpumpens varvtal, och därmed flöde, kan styras på önskat sätt. Således styrs i denna utföringsform kraftkällans varvtal istället för hydraulpumpens regulator/regulatorer, varvid fördelar motsvarande de ovanstående uppnås även med denna utföringsform. I detta fall kan därför en styrsignal 62 10 15 20 25 30 534 B75 15 genereras pà motsvarande sätt som ovan med hjälp av en styren- het 18, men där styrsignalen skickas antingen direkt till kraftkällan 61 (visas streckat) eller alternativt till en styrenhet 63 som ansvarar för styrning av kraftkällans 61 varvtal.Above, the invention has been described for the case of a displacement-controlled hydraulic pump. In an alternative exemplary embodiment, shown schematically in Fig. 5 and corresponding to that in Fig. 2, however, the hydraulic pump 60 is instead speed-controlled. In this embodiment, the hydraulic pump 60 is preferably driven by a separate power source 61, such as e.g. a dedicated combustion engine or a dedicated electric motor. In this embodiment, the speed of the power source is controlled instead of the displacement of the hydraulic pump, whereby the speed of the hydraulic pump, and thus the flow, can be controlled in the desired manner. Thus, in this embodiment, the speed of the power source is controlled instead of the hydraulic pump regulator(s), whereby advantages corresponding to the above are also achieved with this embodiment. In this case, a control signal 62 10 15 20 25 30 534 B75 15 can therefore be generated in a similar manner as above using a control unit 18, but where the control signal is sent either directly to the power source 61 (shown in dashed lines) or alternatively to a control unit 63 which is responsible for controlling the speed of the power source 61.

Det är även möjligt att styra hydraulpumpens varvtal vid ett system där kraftkällans varvtal är konstant. I detta fall styrs hydraulpumpens varvtal med hjälp av att styra en växel av lämplig typ mellan kraftkälla och pump.It is also possible to control the speed of the hydraulic pump in a system where the speed of the power source is constant. In this case, the speed of the hydraulic pump is controlled by controlling a gear of a suitable type between the power source and the pump.

I fig. 5 visas inga givare/sensorer, men dylika kan naturligt- vis användas på ett sätt motsvarande vad som har beskrivits i anknytning till fig. 2. Vidare visas riktningsventilen 21 streckad då även den i fig. 5 visade lösningen fungerar med eller utan riktningsventil.Fig. 5 does not show any transducers/sensors, but such can of course be used in a manner corresponding to what has been described in connection with Fig. 2. Furthermore, the directional valve 21 is shown in dashed lines as the solution shown in Fig. 5 also works with or without a directional valve.

Varvtalsstyrning enligt ovan kan även kombineras med deplace- mentsstyrning enligt ovan, varvid både styrning av kraftkäl- lans (hydraulpumpens) varvtal och hydraulpumpens deplacement sker.Speed control as described above can also be combined with displacement control as described above, whereby both the speed of the power source (hydraulic pump) and the displacement of the hydraulic pump are controlled.

I fig. 6 visas ett system för styrning av rotationsvarvtalet för ett verktyg enligt känd teknik och som kommer att beskri- vas i anknytning till en borrigg av den i fig. 1 visade typen.Fig. 6 shows a system for controlling the rotational speed of a tool according to prior art and which will be described in connection with a drilling rig of the type shown in Fig. 1.

En hydraulpump 51 drivs enligt ovan av en förbränningsmotor med ett förhållandevis konstant varvtal, varvid hydraulpumpen 51 drivs med ett väsentligen konstant varvtal för att därmed också ge ett väsentligen konstant hydraulvätskeflöde.A hydraulic pump 51 is driven as above by an internal combustion engine at a relatively constant speed, whereby the hydraulic pump 51 is driven at a substantially constant speed to thereby also provide a substantially constant hydraulic fluid flow.

Hydraulpumpens flöde leds till hydraulmotorn 52, vilken rote- rar en borrsträng 56 via en frán hydraulmotorn 52 utgående axel 57, vilken precis som ovan kan vara kopplad till borr- strängen via en växel 58. Borrsträngens 56 rotationsriktning styrs av hydraulmotorns 52 rotationsriktning, och för att möj- 10 15 20 25 30 534 B79 16 liggöra rotation av borrsträngen 56 i bägge riktningar används ett proportionalventilblock 50, vilket även fungerar som rikt- ningsventil och vilket med sina tre respektive lägen a,b,c möjliggör rotation i de tvà respektive rotationsriktningar- na(a,c) respektive stoppad rotation (b). Önskad rotationsriktning styrs med hjälp av styrtryck A re- spektive B för styrning av proportionalventilblocket 50 till läge (a), respektive läge (c). Styrtryckens storlek styr även flödet (öppningsarean) genom proportionalventilblocket 50 fram till rotationsmotorn. Tryckavlastade styrtryck eller tryckjäm- vikt inställer ventilen i läge (b).The flow of the hydraulic pump is directed to the hydraulic motor 52, which rotates a drill string 56 via a shaft 57 extending from the hydraulic motor 52, which, just as above, can be connected to the drill string via a gear 58. The direction of rotation of the drill string 56 is controlled by the direction of rotation of the hydraulic motor 52, and to enable rotation of the drill string 56 in both directions, a proportional valve block 50 is used, which also functions as a directional valve and which, with its three respective positions a, b, c, enables rotation in the two respective directions of rotation (a, c) and stopped rotation (b). The desired direction of rotation is controlled by means of control pressures A and B, respectively, for controlling the proportional valve block 50 to position (a) and position (c). The magnitude of the control pressures also controls the flow (opening area) through the proportional valve block 50 to the rotary motor. Pressure-relieved control pressures or pressure balance set the valve in position (b).

För att en given styrsignal A, B, ska resultera i ett önskat flöde fram till rotationsmotorn 52 erfordras att tryckfallet över proportionalventilen 50 är konstant. Detta tryckfall be- stäms med hjälp av en tryckbegränsare/shuntventil 53. Shunt- ventilen 53 känner av trycket före och efter proportionalven- tilen S0, och upprätthåller det önskade tryckfallet med hjälp av fjädern 54 genom att blöda av delar av det konstanta pump- flödet direkt till tank 55.In order for a given control signal A, B, to result in a desired flow to the rotary motor 52, it is required that the pressure drop across the proportional valve 50 is constant. This pressure drop is determined by means of a pressure limiter/shunt valve 53. The shunt valve 53 senses the pressure before and after the proportional valve S0, and maintains the desired pressure drop with the help of the spring 54 by bleeding off parts of the constant pump flow directly to the tank 55.

Styrning av rotationen av hydraulmotorn, och därmed borr- strängen, àstadkoms således med hjälp av styrsignalerna (trycken) A, B och att medelst shuntventilen 53 reglera tryck- et över proportionalventilen 50. Shuntventilens 53 stryparea anpassas så att trycket över proportionalventilen hela tiden hålls på en konstant nivå. Eftersom flödet genom en strypning beror av stryparea och tryckfall kommer, genom att tryckfallet hålls konstant, en konstant strypning att resultera i ett kon- stant flöde genom hydraulmotorn. Borriggens operatör kan där- med ställa in önskad rotationshastighet (och -riktning) genom att reglera proportionalventilens öppningsarea med hjälp av styrsignalerna A, B. 10 15 20 534 B79 17 Vid en liten öppningsarea i proportionalventilen 50 erfordras endast ett litet flöde för att uppnå önskat tryckfall, således avleds i detta fall en stor del av pumpflödet till tank 55 med hjälp av shuntventilen 53. Vid en stor öppningsarea i propor- tionalventilen gäller det omvända. Även om den i fig. 6 visade lösningen för rotation av horr- strängen i många driftsfall uppvisar god funktion har den fle- ra nackdelar jämfört med föreliggande uppfinning. Beroende på aktuell utstyrning av proportionalventilen 50 kommer en större eller mindre andel av hydrauloljan fràn hydraulpumpen 51 di- rekt att shuntas till tank 55 med hjälp av shuntventilen 53, varvid således, framförallt vid låga rotationshastigheter (låga flöden genom proportionalventilen och stort flöde som direkt shuntas bort via shuntventilen), oönskade energiförlus- ter uppstår.Control of the rotation of the hydraulic motor, and thus the drill string, is thus achieved by means of the control signals (pressures) A, B and by means of the shunt valve 53 regulating the pressure across the proportional valve 50. The throttle area of the shunt valve 53 is adapted so that the pressure across the proportional valve is constantly maintained at a constant level. Since the flow through a throttle depends on the throttle area and pressure drop, by keeping the pressure drop constant, a constant throttle will result in a constant flow through the hydraulic motor. The operator of the drilling rig can thus set the desired rotation speed (and direction) by regulating the opening area of the proportional valve using the control signals A, B. 10 15 20 534 B79 17 With a small opening area in the proportional valve 50, only a small flow is required to achieve the desired pressure drop, thus in this case a large part of the pump flow is diverted to tank 55 using the shunt valve 53. With a large opening area in the proportional valve, the reverse applies. Although the solution shown in Fig. 6 for rotating the drill string in many operating cases functions well, it has several disadvantages compared to the present invention. Depending on the current setting of the proportional valve 50, a larger or smaller proportion of the hydraulic oil from the hydraulic pump 51 will be shunted directly to tank 55 using the shunt valve 53, whereby, particularly at low rotational speeds (low flows through the proportional valve and large flows that are directly shunted away via the shunt valve), unwanted energy losses occur.

Dessutom kan alltså så kallad "ryckig (jerky) rotation" upp- stå, framförallt vid vissa rotationsvarvtal, och då i synner- het vid låga rotationsvarvtal.In addition, so-called "jerky rotation" can occur, especially at certain rotational speeds, and especially at low rotational speeds.

Orsakerna till uppkomsten av denna ryckiga rotation kan vara flera, och proportionalventilen/shuntventilen utgör en bi- dragande orsak, vilken alltså undviks enligt föreliggande upp- finning enligt ovan.The causes of this jerky rotation can be several, and the proportional valve/shunt valve constitutes a contributing cause, which is thus avoided according to the present invention as described above.

Claims

10 15 20 25 534 B73 18 Patent claims

A method of controlling the rotational speed of a tool (3) in a rock drilling device, wherein at least one hydraulic motor (16; 41) is arranged for rotation of said tool (3), and wherein said hydraulic motor (16: 41) is driven by a hydraulic pump (15: 42: 60) which, during drilling, delivers a hydraulic fluid flow, the method comprising: - passing substantially the entire hydraulic fluid flow delivered by the hydraulic pump (15; 42; 60) through said at least one hydraulic motor (16 : 41), and - to control the hydraulic fluid flow emitted from the hydraulic pump (15; 42; 60), the rotational speed directly dependent on the hydraulic fluid flow of the hydraulic motor (16: 41), and thus of the tool (3), being controlled.

Method according to claim 1, wherein the flow delivered by the hydraulic pump (15: 42; 60) is controlled by controlling the displacement and / or speed of the hydraulic pump (15: 42: 60).

A method according to any one of claims 1-2, wherein said control of said hydraulic pump (15: 42; 60) is controlled by a control unit (18), the method comprising emitting a control signal (29: 62) from said control unit (18). to control means (22: 63) for regulating said hydraulic pump (15: 42; 60), said control signal (29: 62) comprising a representation of a desired flow delivered from said hydraulic pump (15: 42; 60).

A method according to claim 3, wherein determining said control signal (29; 62) is performed at least in part based on a representation of the rotational speed of the tool and / or the hydraulic motor (16: 41). 10 15 20 25 534 B75 19

A method according to claim 3 or 4, wherein determining said control signal (29: 62) is performed at least in part based on the actual flow to the hydraulic motor (16: 41).

A method according to any one of claims 3-5, wherein said hydraulic pump is driven by a power source, and wherein determining said control signal (29: 62) is performed at least in part based on the speed of the power source.

A method according to any one of claims 3-6, wherein said hydraulic pump (15:42) is controlled by controlling the speed of the power source of the hydraulic pump (15:42).

A method according to any one of claims 3-7, wherein said control takes place automatically.

A method according to any one of claims 3-8, further comprising, in said control: - determining an actual rotational speed of said tool, - comparing said actual rotational speed with a desired rotational speed, and - regulating said one of said hydraulic pump (15; 42; 60) emitted hydraulic fluid flow based on said comparison.

The method of any of claims 3-7, further comprising controlling said hydraulic fluid flow delivered by said hydraulic pump (15: 42; 60) at least in part based on the frequency of a percussion and / or tool wear.

A method according to any one of the preceding claims, wherein the method further comprises reducing the rotational speed of, or stopping the rotation of, said tool if the pressure of said hydraulic fluid flow emitted from said hydraulic pump (15:42; 60) exceeds a first threshold value. 10 15 20 25 30 534 879 20

A system for controlling the rotational speed of a tool (3) in a rock drilling device, wherein at least one hydraulic motor (16; 41) is arranged for rotation of said tool (3), and wherein said hydraulic motor (16; 41) is arranged to be driven by a hydraulic pump (15: 42; 60) which, when drilling, emits a hydraulic fluid flow, characterized in that the system is arranged in such a way that, when drilling, substantially all of the hydraulic pump (15: 42; 60 The hydraulic fluid flow discharged passes through said at least one hydraulic motor (16; 41), and the system comprises control means for controlling said hydraulic fluid flow discharged from the hydraulic pump (15: 42; 60).

A system according to claim 12, wherein said control means is constituted by a control unit arranged to output a control signal (29: 62) to control means (22: 63) for controlling said hydraulic pump (15: 42; 60), said control signal ( 29; 62) comprises a representation of a desired flow delivered from said hydraulic pump (15; 42; 60).

A system according to claim 13, wherein said control means (22: 63) for regulating said hydraulic pump (15: 42; 60) constitutes one or more regulators for regulating the speed and / or displacement of the hydraulic pump (15: 42: 60). .

A system according to claim 13, wherein said control means (22: 63) for regulating said hydraulic pump (15: 42; 60) constitutes control means (22: 63) for regulating the speed of the power source of the hydraulic pump (15: 42; 60) .

A system according to claim 12 or 13, further comprising a gear arranged between said power source and hydraulic pump (15: 42; 60), said control means for controlling said hydraulic fluid flow discharged from the hydraulic pump (15: 42; 60) being arranged for control of control of the speed of said hydraulic pump (15: 42; 60) by controlling said gear. 10 15 534 879 21

A system according to any one of claims 12-16, wherein said hydraulic motor (16; 41) and said hydraulic pump (15: 42; 60) are arranged to operate in a closed circuit.

A system according to any one of claims 12-16, wherein said hydraulic motor (16; 41) is connected to said hydraulic pump (15; 42; 60) via a directional valve (21), wherein the direction of rotation of the hydraulic motor (16; 41) is arranged to be controlled by means of said directional valve (21).

A system according to any one of claims 12-18, wherein said at least one hydraulic motor (16; 41) is directly connected to said hydraulic pump (15: 42; 60), the direction of rotation of said at least one hydraulic motor being arranged to be controlled by controlling the direction of rotation of said hydraulic pump (15:42; 60).

Rock drilling device, characterized in that it comprises a system according to any one of claims 12-19.