DE2821112A1

DE2821112A1 - Verfahren und vorrichtung zur maschinellen einstellung der neigung einer gesteinsbohrvorrichtung

Info

Publication number: DE2821112A1
Application number: DE19782821112
Authority: DE
Inventors: Claes-Gustav Bergstroem
Original assignee: Atlas Copco AB
Current assignee: Atlas Copco AB
Priority date: 1977-05-16
Filing date: 1978-05-13
Publication date: 1978-11-30
Also published as: DE2821113A1; GB1600659A; US4274494A; FR2391504A1; AU3606078A; CA1117519A; AU526037B2

Description

Patentanwälte
Dipl.-Ing. W.Beyer Dipl.-Wirtsch.-Ing. B.Jochem

Frankfurt/Siain Staufenstraße 36

Atlas Copco AB

Nacka/Schweden

Verfahren und Vorrichtung zur maschinellen Einstellung der Neigung einer Gesteinsbohrvorrichtung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur maschinellen Einstellung der Neigung einer Gesteins— bohrvorrichtung mit Bezug auf wenigstens eine senkrechte Ebene, wobei die Neigung mittels einer an einem relativ zur Gfesteinsbohrvorrichtung verschwenkbaren Tragteil montierten Pendeleinrichtung abgefühlt wird.

Es sind sowohl handbedisnte als auch automatische Vorrichtungen zur Einstellung von Gesteinsbohrvorrichtungen in bestimmte Richtungen bekannt. Pur die Einstellung von Hand genügt eine einfache, mit einem Pendel oder einer Wasserwaage versehene Einrichtung, die fest mit der Gestänsbohr— vorrichtung verbunden ist. Bei Verwendung von Pendeln wird die Abweichung vom senkrechten Pendel an einer Heßskala abgelesen,und bei Verwendung von Wasserwaagen wird die Stellung einer Blase in einem Sichtfenster beobachtet.

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Die vorliegende Zrfiniur-g bezieht sich auf automatisch arbeitende Einstellvorrichtungen. Ein bekanntes Ausführungsbeispiel einer solchen Vorrichtung ist in der US-PS 3 896 885 beschrieben, wobei Anzeigeeinrichtungen für die Neigung und den Weg vorgesehen sind und die Neigung in bestimmten Richtungen durch trigonometrische Berechnungen . gewonnen wird. Eine andere bekannte Ausführung ist in der GB-PS 1 325 240 beschrieben, wonach in einem ersten Schritt die Gesteinsbohrvorrichtung von Hand in eine bestimmte Bohrrichtung gebracht wird. Danach wird eine Halterung bzw. ein Tragteil für ein Pendel von Hand so eingerichtet, daß seine senkrechte Symmetrielinie genau lotrecht liegt, d.h. das Tragteil horizontal ausgerichtet ist. Ein anschließendes Verschwenken des Bohrauslegers bewirkt, daß die gleichzeitig mit ausgelenkte Pendeleinrichtung Steuersignale für einen Stellantrieb erzeugt, der die Gesteinbohrvorrichtung wieder in die manuell eingestellte Richtung zurückführt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit deren Hilfe eine Gesteinsbohrvorrichtung sehr schnell so ausgerichtet werden kann, daß sie Löcher mit einer gewünschten Neigung in verschiedenen Richtungen bohrt.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Lösung der vorstehenden Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwert der Neigung der Gesteinsbohrvorrichtung durch Einstellung des Tragteils in einer um ein dem Sollwert analoges Maß von der horizontalen abweichenden Ausgangsstellung eingestellt wird, und daß von der dabei entsprechend ausgelenkten Pendeleinrichtung die Abweichung anzeigende Steuersignale erzeugt werden, welche einen sowohl mit der Gesteinsbohrvorrichtung als auch mit dem Tragteil verbundenen Stellantrieb in derjenigen Schwenkrichtung betätigen, daß das Tragteil in die horizontale Stellung zurückgeführt und gleichzeitig die Gesteinsbohrvorrichtung in entsprechender Richtung und um den entsprechenden Winkel verschwenkt wird.

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BAD ORIGINAL

Die Einstellung des Sollwerts der Neigung der Gesteinsbohrvorrichtung mit Bezug auf eine oder mehrere senkrechte Ebenen mittels des Tragteils der Pendeleinrichtung kann von Hand oder mittels eines automatischen Steuerprogramms erfolgen. Entsprechend dieser Einstellung des Tragteils der Pendeleinrichtung stellt danach der von dort aus gesteuerte Stellantrieb die Gesteinsbohrvorrichtung selbsttätig in die gewünschte Lage.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigenj

Pig. 1 eine vereinfachte Seitenansicht eines fahrbaren Bohrgerüsts mit einer erfindungsgemäß einstellbaren Bohrvorrichtung,

Pig. 2 eine vereinfachte Ansicht des Bohrgerüsts nach Pig. 1 von hinten,

Fig. 3 eine erfindungsgemäße Einstellvorrichtung in Seitenansicht, zum Teil im Schnitt und mit angeschlossenen Steuerleitungen,

Pig. 4 eine schematische Darstellung zur Steuerung des Stellantriebs der Bohrvorrichtung nach Pig. 1 und 2,

Pig. 5 eine schaubildliche Darstellung zum Verhältnis der Voreinstellung des Sollwerts der Neigung der Gesteinsbohrvorrichtung zum nachfolgenden, durch die Voreinstellung bewirkten Drehen der Gesteinsbohrvorrichtung.

Das in Fig. 1 und 2 dargestellte Bohrgerüst 10 ist herkömmlicher Ausführung. Es hat einen schwenkbaren Bohrausleger 13» der eine längliche Gesteinsbohrvorrichtung trägt, die aus einer Vorschublafette 14 und einer Gesteintobohr—

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maschine 15 besteht. Die Gesteinsbohrmaschine ist auf der Vorschublafette verschieblich geführt und treibt einen Bohrstahl 16 drehend und schlagend an. Die Vorschublafette 14 kann mittels eines Hydraulikzylinders 17 um eine Achse 19 versch^enkt werden, um einen bestimmten SchwerikwinkeloC zwischen der Vorschublafette und der in Fig. 19 eingezeichneten senkrechten Querebene einzustellen . Die Vorschublafette kann aber auch mittels eines Hydraulikzylinders 18 um eine senkrecht auf der Achse 19 stehenden Achse 20 verschwenkt werden, um einen bestimmten Neigungswinkelβ zwischen der Vorschublafette 14 und der in Fig. 2 eingezeichneten senkrechten Längsebene einzustellen.

Die Vorrichtung zur Einstellung der Neigung der Vorschub— lafette 14 mit Bezug auf die senkrechte Längs- und Querebene umfaßt zwei elektrische, die Abweichung von der Senkrechten messende Instrumente oder Pendelumsetzer 21,22. Obgleich nur mit zwei Pendelt dargestellt, versteht es sich, daß auch mit einem einzigen Pendel gearbeitet werden könnte, welches in diesem Fall so aufzuhängen wäre, daß es in zwei senkrecht aufeinander stehenden Ebenen schwingt. Solch ein Einzelpendel könnte alternativ als Hänge- oder Kippendel ausgebildet sein, d.h. den Schwenkpankt über oder unter dem Gewicht haben. Ein Ausführungsbeispiel für solch ein Instrument ist in der GB-PS 1 325 240 beschrieben.

Die Pendelumsetzer 21, 22 sind im rechten Winkel zueinander im Inneren eines Instrumentengehäuses bzw. Tragteils 12 fest montiert. Das Instrumentengehäuse 12 ist an einer Welle 23 angebracht, die sich rechtwinklig zum Instrumentengehäuse erstreckt. Die Welle 23 ist über ein Universalgelenk 24 mit einer Welle 25 verbunden, die wiederum in ihrer Lage mit Bezug auf die Vorschublafette 14 festliegt _t vorzugsweise in paralleler Ausrichtung. Eine Hülle 26 in Form eines Balgs ist mittels Kugellagern 27,28 um die Wellen 23,25 drehbar. Der Khickwinkel zwischen den Wellen 23,25 am Universalgelenk ?4 kann mittels.einer Stellschraube 29 eingestellt werden,

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die mit zwei verschiedenen Gewinden 30, 31 unterschiedlicher Steigungsrichtung versehen ist. An der Hülle 26 ist ein Zeiger 32 angebracht, der mit einer Skala 33 zusammenwirkt, die relativ zur Welle 23 feststeht, so daß der Winkel im Universalgelenk 24 äußerlich angezeigt wird.

Eine Platte 34 ist um die Welle 23 drehbar, kann aber mittels einer Verriegelungsschraube 35 relativ zur Welle 23 festgelegt werden. Die Platte 34 trägt ein Richtglas und kann außerdem mit Bezug auf die Hülle 26 durch eine Federplatte 38 und einen daran angebrachten Stift 37 festgelegt werden, der in ein Loch 39 im Boden der Hülle 26 einschnappbar ist.

Mittels der in Pig. 3 gezeigten Vorrichtung lassen sich die Sollwerte für die Neigung der Vorschublafette 14 mit Bezug auf zwei rechtwinklig zueinander stehende senkrechte Ebenen einstellen. Der gewünschte Sollwert für die Neigung der Vorschublafette mit Bezug auf die eine senkrechte Ebene kann mittels der Stellschraube 29 eingestellt und an der Skala 33 abgelesen werden. Danach wird die Verriegelungsschraube 35 gelöst und danach die gewünschte Richtung der senkrechten Ebene durch die Vorschublafette - und damit die Neigung der Vorschublafette mit Bezug auf die andere der beiden senkrecht aufeinanderstehenden senkrechten Ebenen - eingestellt, indem das Richtglas 36 auf ein bestimmtes Bezugsobjekt in der Umgebung gerichtet wird. Daraufhin wird die Platte 34 wieder mittels der Schraube 35 verriegelt und die Hülle 26 gedreht, bis der Stift 37 in das Loch 39 einschnappt.

Die Platte 34 und somit auch das Instrumentengehäuse 12 ist nunmehr in eine bestimmte Ausgangsstellung eingestellt, die von der horizontalen Lage abweicht. Die Bedingung, welche jetzt erfüllt werden muß, um eine bestimmte Neigung der Bohrlafette in der einen Ebene und eine bestimmte Richtung dieser Ebene zu erhalten, besteht darin, daß das Tragteil des Pendelsystems, d.h. das Instrumentengehäuse 12 und die Platte 34_t wieder in eine horizontale Stelhng zurückgebracht werden müssen.

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Verursacht durch die Voreinstellung des Tragteils 12 in einer Schräglage, werden durch die Pendelumsetzer 21, 22 Steuersignale erzeugt, welche der Neigung des Tragteils 12 entsprechen und die Abweichung zwischen dem tatsächlichen Wert und dem Sollwert der Neigung und Richtung der Vorschublafette darstellen.

Die Steuersignale von den Pendelumsetzern 21, 22 werden an eine elektronische Steuereinheit 40 geleitet, deren Ausgangssignale elektrohydraulische Servoventile 41, 42 steuern, die wiederum die Bewegungen eines Stellantriebs, z.B. bestehend aus den Hydraulikzylindern 17, 18 steuern. Nach der Einstellung der Servoventile 41, 42 strömt hydraulisches Fluid von einer Pumpe 43 zu den Hydraulikzylindern 17, 18 und von dort zurück zu einem Tank 44. Ein von einer bestimmten Abweichung des Tragteils 12 von der horizontalen Ebene verursachtes Steuersignal , welches nach Umsetzung an eines der Ventile 41, 42 gelangt, stellt dieses Ventil so ein, daß die Hydraulikzylinder 17, 18 veranlaßt werden, der genannten Abweichung entgegenzuwirken, bis diese wieder Null ist. In diesem Moment erreicht die Vorschublafette die gewünschte Neigung und Richtung. Pig. 3 zeigt die Lage des Instrumentengehäuses 12 und der Pendelumsetzer 21, 22 in ihrer Endstellung nach Vornahme einer Positionierung. Fig. 5 zeigt schaubildlich die Umsetzung der Sollwert-Einstellung in die zugehörige Einstellung der Vorschublafette 14 . In der Endstellung ist das Instrumentengehäuse 12 entsprechend einer horizontalen Ebene xy ausgerichtet, und die Welle 23 fällt mit der z-Achse des Koordinatensystems zusammen. Wenn die Welle 25 gemäß Fig. 5 mit der Welle 23 fluchtet, erstreckt sich die Vorschublafette 14 ebenfalls in der Richtung der z-Achse. Es sei nun angenommen, daß das Instrumentengehäuse 12 geneigt und gedreht wird. Das seine Lage beschreibende xyz-System folgt der Bewegung und wird dabei in ein x'y'z'-System transformiert. Um das Instrumentengehäuse 12 in seine horizontale Stellung zurückzubringen, muß die Vorschublafette 14 so verschwenkt werden, daß ein mit ihr verbundenes Koordinatensystem in ein x^fty^f*z^tf-System transformiert wird. Es kann gezeigt werden, daß die

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Bedingung, welche erfüllt sein muß, um eine genaue Einstellung der Vorschublafette mit Bezug auf Neigung und Richtung zu erhalten, darin besteht, daß -x^f; -y*| z* auf x^tf; y"; x" fällt.

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur maschinellen Einstellung der Neigung einer Gesteinsbohrvorrichtung mit Bezug auf wenigstens eine senkrechte Ebene, wobei die Neigung mittels einer an einem relativ zur Gesteinsbohrvorrichtung verschwenk— baren Tragteil montierten Pendeleinrichtung abgefühlt wird, dadurch gekennzeic hnet, daß der Sollwert der Neigung der Gesteinsbohrvorrichtung durch Einstellung des Tragteils in einer um ein dem Sollwert analoges Maß von der horizontalen abweichenden Ausgangsstellung eingestellt wird, und daß von der dabei entsprechend ausgelenkten Pendeleinrich— tung die Abweichung anzeigende Steuersignale erzeugt werden, welche einen sowohl mit der Gesteinsbohrvorrichtung als auch mit dem Tragteil verbundenen Stellantrieb in derjenigen Schwenkrichtung betätigen, daß das Tragteil in die horizontale Stellung zurückgeführt und gleichzeitig die Gesteinsbohrvorrichtung in entsprechender Richtung und um den entsprechenden Winkel verschwenkt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Pendeleinrichtung die Neigung der Gesteinsbohrvorrichtung und des Trag— teils mit Bezug auf rechtwinklig aufeinander stehende senkrechte Ebenen abfühlt und beiden Ebenen zugeordnete Steuersignale für rechtwinklig dazu wirksame Stellantriebe erzeugt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuersignale der Abweichung der tatsächlichen Stellung der Gesteinsbohrvorrichtung vom Sollwert entsprechen.

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ORIGINAL INSPECTED

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Tragteil (12) eine Stelleinrichtung (29) zu seiner Einstellung in einer von der horizontalen abweichenden Stellung entsprechend dem Sollwert der Neigung der Gestein sbohrvorrichtung (14, 15) angebracht ist und Kittel (40, 41, 42, 43) zur Steuerung des Stellantriebs (17,18) der Gesteinsbohrvorrichtung (14, 15) und des Tragteils (12) durch die Steuersignale der Pendeleinrichtung (21,22) in derjenigen Schwenkrichtung vorgesehen sind, in welcher das Tragteil (12) in die im wesentlichen horizontale Stellung zurückführbar ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Tragteil (12) mit Bezug auf zwei rechtwinklig aufeinanderstehende, oenkrechte Ebenen einstellbar ist und Mittel (40, 41, 42, 43) zur Steuerung des Stellantriebs (17, 18) der Gesteinsbohrvorrichtung (14, 15) und des Tragteils (12) durch den beiden Ebenen zugeordnete Steuersignale der Pendeleinrichtung (21, 22) in denjenigen Schwenkrichtungen vorgesehen sind, in welchen das Tragteil (12) in die im wesentlichen horizontale Stellung zurückführbar ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Pendeleinrichtung (21, 22) elektrische Steuersignale erzeugt, durch welche über eine elektronische Steuereinheit (40) elektro-hydraulieche Steuerventile (41, 42) des Stellantriebs (.17,18) betätigbar sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Pendeleinrichtung (21, 22) zwei den beiden Ebenen zugeordnete, rechtwinklig aufeinander stehende, mechanisch—elektrische Umsetzer aufweist, welche der Bewegung des Tragteils folgen.

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8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Tragteil (12) mit einer von zwei gelenkig miteinander gekuppelten, in einstellbaren Winkelstellungen gegenseitig feststellbaren Wellen (23, 25) verbunden ist, deren andere fest mit der Gesteinsbohrvorrichtung (14» 15) verbunden ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß die zweite Welle (25) in paralleler Lage mit der Gesteinsbohrvorrichtung (14, 15) verbunden ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, d a durch gekennzeichnet, daß die Neigung der Gesteinsbohrvorrichtung (14, 15) in ihrer senkrechten Längsebene durch die Einstellung des Winkels zwisehen den beiden Wellen (23, 25) mittels haltender Stellglieder (29 - 33) und die Richtung der senkrechten Längsebene durch die Gesteinsbohrvorrichtung (14, 1.5) durch eine Einrichtung voreinstellbar sind, welche aus einer um die erste Welle (23) drehbaren Richteinrichtung (36), einer Drehlagerung (27, 28) der Stellglieder (29-33) mit Bezug auf die erste und zweite Welle (23, 25) und Kitteln (37, 38, 39) zur relativen Drehwinkeleinstellung zwischen der Richteinrichtung (36) und den Stellgliedern (29-33) besteht.

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