DE3025420C2

DE3025420C2 - Automatisches Steuersystem für eine Drehbohrmaschine

Info

Publication number: DE3025420C2
Application number: DE19803025420
Authority: DE
Inventors: Aleksei Alekseevi&ccaron; &Scaron;ukovsky; Vladimir Dmitrievi&ccaron; Butkin; Michail Ivanovi&ccaron; &Ccaron;eljabinsk Kula&ccaron;ek
Original assignee: NAUCNO-ISSLEDOVATEL'SKIJ PROEKTNO-KONSTRUKTORSKIJ INSTITUT PO DOBYCE POLEZNYCH ISKOPAEMYCH OTKRYTYM SPOSOBOM CELJABINSK SU
Current assignee: NAUCNO-ISSLEDOVATEL'SKIJ PROEKTNO-KONSTRUKTORSKIJ INSTITUT PO DOBYCE POLEZNYCH ISKOPAEMYCH OTKRYTYM SPOSOBOM CELJABINSK SU
Priority date: 1980-07-04
Filing date: 1980-07-04
Publication date: 1984-05-30
Also published as: DE3025420A1

Description

Die Erfindung betrifft ein automatisches Steuersystem für eine Drehbohrmaschine, an deren Eingang ein Achsbelastungsregler des Bohrwerkzeuges und an deren anderen Eingang ein Drehzahlregler angeschlossen sind, deren jeder über ein eigenes Vergleichselement mit einem Sollwerteinsteller verbunden ist, und deren Ausgänge jeweils mit einem Bohrgeschwindigkeitsgeber, einem Drehzahlgeber des Bohrwerkzeuges, einem Achsbelastungsgeber des Bohrwerkzeuges, einem Geber für das an das Bohrwerkzeug angelegte Drehmoment und einem Geber für die Schwingungsgesehwindigkeit der Bohrmaschinen-Konstruktion verbunden sind.

Das automatische Steuersystem nach der vorliegenden Erfindung ist zum Einsatz bei Bohrarbeiten mit Rollen-, Schneid- und kombinierten Bohrwerkzeugtypen während der Niederbringung von vorzugsweise Spreng- sowie geologischen Erkundungs- und Tiefbohrungen im Bergbaubetrieb in verschiedenen Industriezweigen verwendbar.

Bei den bekannten Systemen der automatischen Steuerung wird hauptsächlich das Prinzip der Regelung der Drehzahl des Bohrwerkzeuges in direkter Proportionalität realisiert, während jedoch die Achsbelastung des Bohrwerkzeuges in umgekehrter Proportionalität zur Bohrdrehzahl in dem zu bohrenden Gestein geregelt wird.

Ein bekanntes Steuersystem umfaßt Regler, die mit dem Eingang der Bohrmaschine für die Drehzahl der Bohrmaschine und die Axialbelastung der Bohrmaschine verbunden sind, wobei jeder dieser Regler ein eigenes Vergleichselement enthält, welches mit dem Einsteller für die geregelte Größe verbunden ist. An die Ausgänge der Bohrmaschine ist ein Fühler für die Drehzahl, ein Fühler für die Drehzahl der Bohrmaschine und ein Fühler für die Axiallast der Bohrmaschine angeschlossen, die für die zu messenden Parameter des Bohrbetriebes entsprechende Steuervorrichtungen aufweisen. Der Ausgang des Fühlers für die Axialbelastung ist mit einem Teiler eines konstanten Wertes K verbunden, der an einem der Eingänge des Teilers aufgrund des Istwertes der Achsbelastung P der Bohrmaschine eingegeben wird. Das vom Ausgang des Teilers oder Divisors abgenommene Signal wird dem Eingang des Vergleichselements des Reglers für die Drehzahl ω des Bohrwerkzeugs zugeführt, wo ?uch ein Signal zur Vorgabe des M inimal wertes für die Drehzahl des Bohrwerkzeugs eintrifft. Der Ausgang des Bohrdrehzahlgebers ist ari einen Divisor eines an einem der Eingänge des Divisors eingegebenen konstanten Wertes C durch einen Momentanwert der Bohrgeschwindigkeit V angeschlossen. Das dem Ausgang des Divisors entnommene Signal wird dem Eingang des Vergleichselementes des Reglers für die Achsbelastung Pdcs Bohrwerkzeuges zugeführt, wo auch ein Signal zur Vorgabe des Minimalwertes für

!0 die Achsbelastung des Bohrwerkzeuges ankommt (siehe beispielsweise W. A. Tzygankow »Adaptives Steuersystem für ein Bohrverfahren mit kombinierter Steuerung«, Hochschulen-Mitteilungen. Gerätebau, 1971. Nr. 4).

Es ist auch eine Ausführungsvariante des genannten Systems bekannt, bei dem die Drehzahl ω des Bohrwerkzeuges gemäß einer direkten proportionalen Abhängigkeit in Funktion der Bohrgeschwindigkeit V und die Achsbelastung mit Hilfe einer Drr>?seldüse mit fester Querschnittsfiäche ihrer öffnung geregelt werden, die im Hydrauliksystem zum Vorschub des Werkzeuges in die Bohrlochsohle zur Schaffung eines Ausflußwiderstandes im Hydrauliksystem angeordnet wird.

Die Achsbelastung P wird in dem bekannten System auf ein der augenblicklichen Bohrgeschwindigkeit V proportionales Signal geregelt, das vom Ausgang des Gebers für die Bohrgeschwindigkeit V am Eingang des Divisors eintrifft. Am Ausgang des Divisors wird ein Steuersignal gebildet, das dem Eingang des Reglers für die Belastung P zugeführt wird. Je größer die augenblickliche Bohrgeschwindigkeit K ist, desto kleiner wird der Wert der Achsbelastung Pam Bohrwerkzeug eingestellt.

Der Istwert der Achsbelastung P wird durch einen Achsbelastungsgeber gemessen und dem Eingang eines zweiten Divisors zugeführt, dessen Ausgang ein Steuersignal des Reglers für die Drehzahl ω des Bohrwerkzeuges bildet. )e größer der Istwert der Achsbelastung P ist, eine desto geringere Drehzahl ω wird durch das auto-

•40 maische Steuersystem eingestellt.

Nachteilig ist bei den bekannten Systemen deren geringe Regelungsgenauigkeit, denn den Eingängen des Divisors zugeführte konstante Koeffizienten, die vorausberechnet werden und optimale Regelungsprogram-

•t5 me bestimmen, sind angenähert. Die optimalen Regelungsprogramme für die bekannten Systeme müssen für jeden Typ des Bohrwerkzeuges und für jede Art des Gesteins und der Bohrmaschine vorausberechnet werden. Die Berechnungen der optimalen Programme schließen in sich die Auswahl eines Bohrbarkeitsparameters für alle möglichen Bohrbedingungen und Ermittlung von Bohrparametern entsprechend optimaler Werte der Drehzahl des Bohrwerkzeuges und der Achsbelastur.g P des Bohrwerkzeuges ein. Die genannten 3e-

5") rechnungcn sind kompliziert und arbeitsintensiv und bedürfen der An%vendung einer komplizierten Rechentechnik. Die im Ergebnis erhaltenen optimalen Programme sind nur auf die Verhältnisse, für die sie ausgelegt sind, anwendbar. Der Abweichungsgrad der optimalen Programme von deren Einsatzbedingimgen ist unkontrollierbar, was eine zusätzliche Verschlechterung der Steuerungsgenauigkeit bei Änderung von Bohrbedingungen nach sich zieht.
Aus der US-PS 39 71 449 ist eine Anordnung zur Regelung der Bohrfunktionen bei einer Bohreinrichtung bekannt, bei der die Drehzahl des Bohrkopfes und die Vorschubkraft bzw. Achsbelastung des Bohrkopfes so geregelt werden, daß der Bohrfortschritt eine optimale

Geschwindigkeit als Funktion der Vorschubkraft bzw. Achsbelastung erreicht. Während der Bohrarbeit wird die Änderung der Eindringgeschwindigkeit des Bohrkopfes in das Gestein gemessen, und die Bohrfunktionen werden auf der Grundlage der Meßergebnisse so geregelt, daß die Bohrkopf-Vorschubkraft entweder erhöht oder vermindert wird. Bei diesem bekannten System werden jedoch nicht alle für den Bohrvorgang wesentlichen Parameter berücksichtigt, beispielsweise wird dabei kein Bohrbarkeitsparameter berücksichtigt, der über die Qualität des jeweils vorherrschenden Gesteins Aufschluß gibt, so daß mit Hilfe dieses bekannten Systems keine sehr hohe Genauigkeit der automatischen Regelung erzielt werden kann.

Aus der US-PS 38 72 932 ist ein Verfahren zur progressiven Erhöhung des auf einen Bohrkopf wirkenden Gewichtes bekannt, wobei gemäß diesem bekannten

» 1.1 IfIIIi ».II U».. flUUlt ···.., Ut. ........ ...£,£....... .w.j,

keil des ßohrkopl'es während dieser Periode ermittelt wird, und dann progressiv das Gewicht, welches auf den Bohrkopf wirkt, vermindert wird, wenn die Eindringgeschwindigkeit einen bestimmten Wert erreicht hat. woraufhin dann das auf den Bohrkopf wirkende Gewicht erneu! progressiv erhöht wird. Mit Hilfe dieses bekannten Verfahrens wird nicht die Möglichkeit gegeben die Lebensdauer des jeweils verwendeten Bohrgeräts bzw. Bohrkopfes optimal auszunutzen, da auch bei diesem bekannten Verfahren eine Reihe von wesentlichen Parametern nicht berücksichtigt werden.

Aus der US-PS 30 39 543 ist ein elektronisches Regelsystem für Tiefbohrarbeiten bekannt. Das bekannte Regelsystem umfaßt drei Regeleinheiten, von denen die erste Regeleinheit die Bohrgeschwindigkeit regelt, so daß der Maximalwert des zulässigen Drehmoments des Antriebsmotors nicht überschritten wird. Das zweite Regelsystem !st düfür vorgesehen die Bohrpcschwindigkeit und den Zufluß des dem Bohrloch zugeführten Schmiermittels zu regeln und diese Parameter so einzustellen, daß die erforderliche Menge an Schmiermittel immer in das Bohrloch eingeführt wird und dabei möglichst wenig Schmiermittel .ils Überschuß verlorengeht. Die dritte Regeleinheil dient da/u der Situation Rechnung /u tragen, bei der die Menge des /ugeführten Schmiermittels nicht mehr weiter erhöht werden kann und den Schmierniittel/ufluß auf einen konstanten Wert /u halten.

Damit wird auch bei diesem bekannten Regelsystem nicht den wesentlichen Parametern wie beispielsweise dem Bohrbarkeitsparameter Rechnung getragen.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Genauigkeit der automatischen Regelung der optimalen Parameter bei Änderung der Bohrbedingungen unier gleichzeitiger Vereinfachung der Steuermittel zu erhöhen.

Die gestellte Aufgabe wird nach der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst, daß es eine Recheneinheit zur Ermittlung des Fortschritts des Bohrwerkzeuges je Umdrehung enthält, deren Eingänge jeweMs auf den Bohrgeschwindigkeitsgeber und auf den Drehzahlgeber des Bohrwerkzeuges und deren Ausgang auf ein Element /um Vergleich des Istwerts des Fortschritts des Bohrwerkzeuges je Umdrehung mit dem entsprechenden SoIIu en geschaltet sind, der durch eine Recheneinrichtung ermittelt wird, derer, ilirigiip.ge jeweils an die Geber fur die Bohrgeschwindigkeit. Drehzahl des Bohrwerkzeuges. Achsbe'astung des Bohrwerkzeuges, für d:is an das Bohrwerkzeug angelegte Drehmoment und an den Geber für die Schwingungsgeschwindigkeit sowie an einen Einsteller für weitere Eingangsparameter und deren Ausgänge jeweils an das Vergleichselement für den Ist/Sollwert des Fortschritts des Bohrwerkzeuges je Umdrehung, an den Achsbelastungsregler des Bohrwerkzeuges, an den Drehzahlgeber des Bohrwerkzeuges und an ein Element zum Vergleich des Istwerts der spezifischen Bohrbarkeit des zu bohrenden Gesteins mit dem entsprechenden Sollwert angeschlossen sind. Die erfindungsgemäße Ausführung des automatisehen Steuersystems gestattet es, die Genauigkeit der automatischen Regelung der Bohrbetriebsparameter unter gleichzeitiger Vereinfachung der Steuermittel wesentlich zu erhöhen.
Zweckmäßig wird die Recheneinheit für die Bohrparameter in Form eines Divisors ausgeführt, an dessen Eingänge Multiplikationsglieder angeschlossen sind, die einen Istwert der dem Bohrwerkzeug zugeführten Energie gegenüber der Antriebsleistung für das zn bohrende Gestein aus an den Eingängen der Multiplika-

>o tionsglieder von den entsprechenden Gebern eintreffenden Signalen erzeugen. Dies gibt die Möglichkeit, operativ die Kriterien für die Bohrparameter beim Bohrvorgang in Form eines Verhältnisses aus Antriebsenergie, die zugeführt wird und Antriebsleistung für den

:5 Bohrvorgang als Funktion der Parameter für den Bohrbetrieb zu bestimmen.

DK. Einstelleinheit für den Wert der Achsbelastung des Bohrwerkzeuges wird zweckmäßigerweise in Form einer Kompensationseinheit ausgeführt, die an das Ver-

jo gleichselement für den Istwert der spezifischen Bohrbarkeit des zu bohrenden Gesteins und für den Sollwert angeschlossen ist, und den momentanen Optimalwert der Kriterien für die Bohrparameter in einem Regelungsvorgang für die Achsbelastung des Bohrwerkzeuges erzeugt, der mittels eines mit dem Achsbelastungsregler über einen Umschalter gekoppelten Sollwerteinstellers für die Achsbelastung zustandekommt. Dies erlaubt es, den Optimalwert der Achsbelastung des Bohrwerkzeuges sowohl bei einem konstanten Wert der

4i) Drehzahl des Bohrwerkzeuges als auch bei einer gleichzeitigen Regelung der Drehzahl und der Achsbelastung des Bohrwerkzeuges einzustellen, was die Einsiellzcit des Optinialwertes der Achsbelastung verkürzt.

Die Einstcllcinheit für die Drehzahl des Bohrwerkzeuges wird zweckmäßigerweise in Form einer Kompensationseinheit ausgeführt, die an das Vergleichselement für den Istwert des Bohrfortschritts und für den Sollwert angeschlossen ist, und den momentanen Optimalwert für die Kriterien der Parameter des Bohrbetriebs im Prozeß der Regelung der Drehzahl erzeugt, die mittels eines mit dem Drehzahlregler über einen Umschalter gekoppelten Einstellers für die Drehzahl zustande kommt. Dies gibt die Möglichkeit, den Optimalwert der Drehzahl des Bohrwerkzeuges sowohl bei einem konstanten Wert der Achsbelastung des Bohrwerkzeuges als auch bei einer gleichzeitigen Regelung der Achsbelastung und der Drehzahl einzustellen, was die Einstellzeit für den Optimalwert der Drehzahl des Bohrwerkzeuges reduziert.

Es ist sinnvoll, die Recheneinheit für die Selbstkosten des Bohrens in Form eines Summators auszuführen, dessen einer Eingang über einen Zwischendivisor mit dem Ausgang eines anderen Divisors verbunden ist an dessen Eingänge dem Istwert des Bohrfortschritts pro

to Umdrehung und den Kosten des Bohrwerkzeuges entsprechende Signale eintreffen, wobei der andere Eingang des Zwischendivisors mit einem Einsteller für die Motorkapazität des Bohrwerkzeuges verbunden und

der zweite Eingang des Summators über einen anderen, mit einem Eingang mit dem Geber für die Bohrgeschwindigkeit gekoppelten Zwischendivisor an den Ausgang eines anderen Summaiors angeschlossen ist. an dessen einem Eingang ein den Amortisationskosten der Bohrmaschine und den Personalkosten entsprechende ; Signal ankommt, während der andere Eingang mit einem Multiplikator verbunden ist. an dessen getrennten Eingängen den Kosten einer Einheit der verbrauchten elektrischen Energie und dem Verbrauch der durch die Bohrmaschine aufgenommenen Leistung entsprechende Signale ankommen. Eine derartige Ausführung der Recheneinheit für die Selbstkosten des Bohrens gestattet es. nach den laufenden und an den Eingängen der Recheneinheit für die Selbstkosten des Bohrens eingegebenen Werten der Parameter auf das Bohrwerkzeug und andere Kostenpositionen bezogene Püriiai'tvcrtc der Selbstkosten getrennt cu ei rechnen und sie bei Bedarf als spezielle Qualitätskriterien zur Regelung der Betriebsart der Bohrmaschine heranzuziehen.

Zweckmäßig wird im Falle der Regelung der Drehzahl des Bohrwerkzeuges der Einsteller für die Motorkapazi'.ät des Bohrwerkzeuges in Form eines Potentiometers ausgeführt. Dies ermöglicht es, bei einfacher Konstruktion vor Beginn der Bohrung einen konstanten Wert der Motorkapazität rasch einzustellen und zwar unabhängig von der Drehzahl des Bohrwerkzeuges, wenn letzteres ein bekannter Typ ist.

Es .it angebracht, im Falle der Achsbelastungsregelung des Bohrwerkzeuges den Einsteller für die Motorkapazität des Bohrwerkzeuges in Form eines Funktionswandlers für den Istwert der Achsbelastung des Bohrwerkzeuges in Funktion der Motorkapazität, abhängig vom Wert dieser Belastung, auszuführen. Dies gestattet es, nach einer für den beim Bohren verwendeten Typ des Werkzeuges bekannten Abhängigkeit der Motorkapazität von der Achsbelastung des Bohrwerkzeuges mit einfachen Mitteln im Bohrverfahren einen Istwert der Motorkapazität des Bohrwerkzeuges operativ zu formieren und verleiht der Arbeitsweise des Systems der automatischen Steuerung eine zusätzliche Flexibilität.

Zweckmäßig wird die Recheneinrichtung mit einem Extremwertregler versehen, dessen Eingang an den Ausgang der Recheneinheit für die Berechnung der Kriterien der Bohrparameter und dessen Ausgang über einen Umschalter mit einem der Eingänge des Vergleichselements für den Istwert der spezifischen Bohrbarkeit des zu bohrenden Gesteins und für de:· Sollwert oder mit dem Eingang des Achsbelastungsgebers gekoppelt ist. Dies gibt die Möglichkeit, die Suchgeschwindigkeit für die Optimalwerte der Achsbelastung des Bohrwerkzeuges des Systems der automatischen Steuerung ohne Erniedrigung der Regelgenauigkeit, insbesondere beim Bohren gemengter Gesteine mit stark abweichenden Eigenschaften, zu erhöhen

Vorteilhaft wird die Recheneinrichtung mit einem Extremwertregler versehen, dessen Eingang an den Ausgang der Recheneinheit für die Kriterien der Bohrparameter und dessen Ausgang über einen Umschalter mit einem der Eingänge des Vergleichselements für den Istwert des Bohrfortschritts des Bohrwerkzeuges pro Um- - drehung und für den Sollwert oder mit dem Eingang des Reglers für die Drehzahl des Bohrwerkzeuges gekoppelt ist. Dies erlaubt es, die Suchgeschwindigkeit für die Optimalwerte der Drehzahl des Bohrwerkzeuges des automatischen Steuersystems ohne Herabsetzung der Regelgenauigkcit. insbesondere beim Bohren gemengter Gesteine mit stark abweichenden F.igenschaften, zu erhöhen.

Die Recheneinrichtung kann mit einer Begrenzereinheit für die Drehzahl des Bohrwerkzeuges in Gestalt eines Vergleichselementes für den Istwert der Schwingungsgeschwindigkeit und für den Sollwert ausgeführt werden, dessen Ausgang über ein Sperrglied an den Drehzahlregler des Bohrwerkzeuges gekoppelt ist. Eine

ίο derartige Ausführung der Recheneinrichtung gestattet es. eine rasche Korrektur der Drehzahl des Bohrwerkzeuges im Falle der Entstehung einer den durch den Einsiellcr festgelegten Wen der Schwingungsgeschwindigkeit übersieigenden Schwingungsgcschwindigkcit

r> vorzunehmen.

Die Recheneinrichtung kann auch mit einer Begrenzereinheit für den Wert der Achsbelastung des Bohrwerkzeuges in Form eines Vergieichseiements für den Istwert der Schwingungsgeschwindigkeit und für den

:o Sollwert ausgeführt werden, dessen Ausgang über ein Sperrglied an den Achsbelastiingsregler angeschlossen ist. Dies macht es möglich, eine schnelle Korrektur der Achsbelastung des Bohrwerkzeuges im Falle der Entstehung einer Schwingungsgesehwindigkeit vorzunehmen, die betragsmäßig ihren durch den Einsteller festgelegten Wert überschreitet.

Die vorliegende Erfindung ist im folgenden anhand konkreter Ausführungsbeispiele und Zeichnungen nähererläutert. Es zeigt

jo Fig. I ein Blockschaltbild eines automatischen Steuersystems gemäß der Erfindung:

F i g. 2 ein Blockschaltbild der Recheneinheit für die Berechnung des Kriteriums des Bohrparameters in einer konkreten Ausführungsvariante unter Benutzung

J5 eines Verhältnisses des Wertes der Vorschubleisiung des Bohrwerkzeuges zum Wert der Antriebsleistung des Bohrwerkzeugs für das Gestein mit Merkmalen nach der Erfindung:

Fig.3 ein Blockschaltbild der Einstelleinheit für den Wert der Bohrwerkzeug-Achsbelastung, mit Merkmalen nach der Erfindung;

Fig.4 ein Blockschaltbild der Einstelleinheit für den Wert der Drehzahl des Bohrwerkzeuges, mit Merkmalen nach der Erfindung:

Fig. 5 ein Blockschaltbild der Recheneinheit für das Kriterium der Bohrparameter in einer konkreten Variante unter Ausnutzung des Istwertes der laufenden Bohrkosten als Kriterium der Bohrparanieter mit Merkmalen nach der Erfindung;

F i g. 6 ein Blockschaltbild des Anschlusses des Extremwertreglers an das Vergleichselement zum Vergleiche» des Istwerts der spezifischen Bohrbarkeit des auszubohrenden Gesteines mit dem Sollwert mit Merkmalen nach der Erfindung;

F i g. 7 ein Blockschaltbild des Anschlusses des Extremwertreglers an das Vergleichselement zum Vergleichen des Istwertes des Bohrfortschritts des Bohrwerkzeuges mit dem Sollwert, mit Merkmalen nach der Erfindung;

Fig.8 ein Blockschaltbild der Begrenzereinheit für die Drehzahl des Bohrwerkzeuges mit Merkmalen nach der Erfindung:

Fig.9 ein Blockschaltbild der Begrenzereinheit für die Achsbelastung des Bohrwerkzeuges mit Merkmaien nach der Erfindung.

Dem Aufbauprinzip des automatischen Steuersystems mit Merkmalen nach der Erfindung liegt die Ausnutzung des Regelparameters eines optimalen Bohr-

fortschritts des Bohrwerkzeuges je eine Umdrehung, die Motorkapazität des Bohrwerkzeuges sowie energetischen Beziehungen beim Bohren zugrunde, die es gestatten, ein Minimum des unproduktiven Aufwandes der dem Bohrwerkzeug zugeführten Energie zu erhalten. Die für das Funktionieren des Steuersystems benötigte Information wird operativ und laufend im Bohrverfahren errechnet und unverzüglich zur Steuerung der Bohrmaschine nach einem von der die Bedienungsperson gewählten Kriterium aus einem Satz von im System der automatischen Steuerung zur Verfügung stehenden Kriterien ausgewertet.

Das Blockschaltbild des automatischen Steuersystems der Drehbohrmaschine ist in F i g. 1 dargestellt.

Das automatische Steuersystem für eine Drehbohrmaschine 1 enthält einen Regler 2 für die Achsbelastung P des (nicht gezeigten) Bohrwerkzeuges und einen Reglsr 3 für die Drch/.üh! cj des Bohrwerkzeuges, die jn den Eingang der Bohrmaschine 1 angeschlossen sind. Die Regler 2 und 3 sind über eigene Verglcichselemente 4 und 5 an entsprechende Ausgänge einer Recheneinrichtung 6 angeschlossen

An jeweilige Ausgänge der Bohrmaschine 1 sind Geber 7 für die Bohrgeschwindigkeit V, Geber 8 für die Drehzahl ω des Bohrwerkzeuges, Geber 9 für die Achsbelastung P des Bohrwerkzeuges, Geber 10 für das Drehmoment M des Bohrwerkzeuges und Geber 11 für die Schwingungsgeschwindigkeit y angeschlossen. Die Ausgänge der Geber 7,8,9,10 und 11 sind auf entsprechende Eingänge der Recheneinrichtung 6 geschaltet.

Außerdem werden an den Eingängen der Recheneinrichtung 6 dem Wert 12 der Motorkapazität R_n des Bohrwerkzeuges, den Kosten C₁, des Bohrwerkzeuges, den Kosten Ck der durch die Bohrmaschine 1 verbrauchten elektrischen Energie, den Verschleißkosten Ca der Bohrmaschine 1 und den Personalkosten, der durch die Bohrmaschine 1 aufgenommenen Energie N entsprechende Signale eingegeben.

Das automatische Steuersystem enthält eine Recheneinheit 13 für den Bohrfortschritt-lstwcrt des Bohrwerkzeuges je Umdi ihung. deren Eingänge an den Geber 7 für die Bohrgeschwindigkeit Vbzw. an den Geber 8 für die Drehzahl to des Bohrwerkzeuges und dessen Ausgang an das Vergleichselement 5 für den Bohrfortschritt-Istwert Zdes Bohrwerkzeuges und für den durch die Recheneinrichtung 6 ermittelten Sollwert Z₀ angeschlossen sind.

Ein derartiger Aufbau des Steuersystems gestattet es bei dessen Arbeit, die Effektivität der Arbeit des Bohrwerkzeuges kontinuierlich und automatisch nach dessen Bohrfortschritt-Istwert Z zu überwachen, ohne daß unproduktive Betriebsarten der Bohrmaschine 1 mit niedrigen Bohrgeschwindigkeiten Vzugelassen werden. Das Steuersystem weist auch eine Recheneinheit

für den Momentanwert der Kennziffer -ψ- der spezifischen Bohrbarkeit in Form eines Produkts ωΡ der Istwerte der Achsbelastung P des Bohrwerkzeuges und der Drehzahl ω des Bohrwerkzeuges auf. deren Eingänge an den Geber 8 für die Drehzahl ω des Bohrwerkzeuges und an den Geber 9 für die Achsbelastung P des Bohrwerkzeuges und deren Ausgang an das Vergleichselement 4 für den Istwert von -~ der spezifischen

Bohrbarkeit in Form eines Produkts wPder Achsbchi- b5 stung P des Bohrwerkzeuges und der Drehzahl ω des Bo'iTrwerkzeuges und für den durch die Recheneinrich

10

15

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40

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50 tung 6 ermiuJten Istwert von fo_ der spezifischen

Bohrbarkeit dss auszubohrenden Gesteines angeschlossen sind. Dies gibt die Möglichkeit, bei der Arbeit der

Bohrmaschine 1 den Istwert von —2- der spezifischen

Zo

Bohrbarkeit automatisch zu überwachen, ohne daß Bohrbetriebe zugelassen werden, bei denen das Verhältnis — der spezifischen Bohrbarkeit einen kleinen,

die Arbeitsleistung der Bohrmaschine 1 herabsetzenden Wert aufweist. An den Eingängen des Reglers 2 für die Achsbelastung P und des Reglers 3 für die Drehzahl ω des Bohrwerkzeuges werden von den entsprechenden Ausgängen der Recheneinrichtung 6 auch Begrenzungssignale Ay₁, und Ay₁,, für die Achsbelastung P und die Drehzahl «des Bohrwerkzeuges zugeführt. Die Einführung der operativen Begrenzungen für die Achsbelastung Pund die Drehzahl «des Bohrwerkzeuges macht die Arbeit der Bohrmaschine 1 stabil, nahezu schwingungs- und erschütterungsfrei und erhöht die Zuverlässigkeit ihrer Ausrüstung.

Das automatische Steuersystem ist mit erforderlichen Kontrollgeräten 15, 16, 17, 18, 19 versehen, die jeweils Istwerte von beim Bohren beobachteten Größen der Bohrgeschwindigkeit V, der Drehzahl ω des Bohrwerkzeuges, der Achsbelastung P des Bohrwerkzeuges, des Drehmomentes M des Bohrwerkzeuges und der Schwingungsgeschwindigkeit y anzeigen.

Bei der Arbeit der Bohrmaschine 1 errechnet die Recheneinrichtung 6 nach den beobachteten Istwerten der Bohrgeschwindigkeit V, der Drehzahl ω des Bohrwerkzeuges, der Achsbelastung P des Bohrwerkzeuges und nach den Eingangsparametern 12 entsprechend dem von einer Bedienungsperson gewählten Kriterium Optimalwerte des Bohrfortschritts Z₀ des Bohrwerkzeuges pro dessen Umdrehung und der Kennziffer -φ- der spe-

M)

zifischen Bohrbarkeil des auszubohrenden Gesteines. Gleichzeitig werden in den Einheiten 13,14 Istwerte Z des Bohrfortschritts des Bohrwerkzeuges für dessen eine Umdrehung und Produkte «Paus der Drehzahl und der Achsbelastung Pdes Bohrwerkzeuges ermittelt.

Die erhaltenen Ist- und die berechneten Optimalwerte der Größen «Pund -— und Za werden entsprechend-

durch die Vergleichselemente 4 und 5 verglichen. Die am Ausgang des Vergleichselements 5 auftretende Signaldifferenz AZ wird dem Eingang des Reglers 3 für die Drehzahl ω des Bohrwerkzeuges zugeführt, der eine Änderung der Drehzahl ω des Bohrwerkzeuges so lange vornimmt, bis diese Differenz AZ nahe Null geworden ist. Die sich am Ausgang des Vergleichselements 4 ergebende Signaldifferenz Δ(ωΡ) wird am Eingang des Reglers 2 für die Achsbelastung P eingespeist, der eine Änderung der Achsbelastung P so lange vornimmt, bis diese Differenzen;/^nahe Null geworden ist.

Durch die RecheneinrichtunglTw~er3en auch Signale A Yp und Δ γ,ο für die Begrenzung der Achsbelastung P und der Drehzahl ω des Bohrwerkzeuges ermittelt, die auf die Regler 2 und 3 für die Achsbelastung P und Drehzahl ω des Bohrwerkzeuges zur Korrektur von Istwerten der Bohrbetriebsparameter P und to gelangen, um die Arbeit der Bohrmaschine 1 mit großen, für das Bedienungspersonal schädlichen und die Zuverlässigkeil der Ausrüstung der Bohrmaschine 1 herabsetzenden Schwingungen zu verhindern.

Nach der automatischen Regelung der Betriebspara-

bO

meter Pund «arbeitet die Bohrmaschine 1 beim Erreichen ihrer O»'timalwertc Pi, und om ohne Änderung de.-iJetriebsart, bis sich die Eigenschaften des zu bohrenden Gesteines geändert haben. Bei Änderung der f-igenschaften des Gesteines ändert sich der Istwert Z des Bohrfortschritts des Bohrwerkzeuges je eine Umdrehung, was eine Differenz ΔΖ von Signalen Z und Zo am Ausgang des Vergleichselements 5 für diese Signale erscheinen läßt. Der Regler 3 für die Drehzahl ω des Bohrwerkzeuges nimmt eine Regelung der Drehzahl ω vor, was eine Änderung des Wertes des Produktes ωΡ aus der Drehzahl ω und der Achsbelastung Pdes Bohrwerkzeuges und eine Regelung der Achsbelastung Pmit Hilfe des Reglers 2 für die Achsbelastung P bewirkt. Gleichzeitig werden durch die Recheneinrichtung 6 Optimalwerte von -^- der spezifischen Bohrbarkeit und

des Bchrfcrtschritts Zs des Bohrwerkzeuges je eine Umdrehung erarbeitet. Der Regelungsvorgang kommt zum Abschluß, wenn der Wert ΔΖ des Unterschiedes zwischen dem Optimalwert Z₀ des Bohrfortschritts und dem Istwert Z des Bohrfortschritts am Ausgang des Vergleichselements 5 für diese Werte und der Wert des Unterschiedes Δ{ωΡ) zwischen dem Optimalwert von

Bohrbarkeit des Gesteines und

-£■ der

spezifischen

dem Istwert des Produkts ωΡ aus der Drehzahl ω des Bohrwerkzeuges und der Achsbelastung Pam Ausgang d^s Vergleichselements 4 für diese Werte gleich Null geworden sind. Hierbei beginnt die Bohrmaschine 1 in einem neuen Betrieb mit den Optimalwerten für eine neue Formation des auszubohrenden Gesteines entsprechenden Betriebspararnetern ω und P zu arbeiten. Bei einer kontinuierlichen Änderung der Eigenschaften des auszubohrenden Gesteines geht die Regelung der Betriebsparameter ω und Pkontinuierlich vor sich. Beispielsweise nimmt bei einer Härtezunahme des Gesteines die Drehzahl ω des Bohrwerkzeuges ab und die Achsbelastung Pzu. Bei der Härteabnahme des Gesteines nimmt die Drehzahl ω des Bohrwerkzeuges zu und die Achsbelastung P ab. Beim Bohren eines sich nach der Härte nicht ändernden homogenen Gesteines bleiben die Betriebsparameter Pund ω stabil.

In der Recheneinrichtung 6 können nach der Wahl der Bedienungsperson mehrere Qualitätskriterien ausgenutzt werden. Fig.2 zeigt eine Ausführungsvariante der Recheneinheit für das Qualitätskriterium der Einrichtung 6, wo als Qualitätskriterium ein Verhältnis

—τ. der Vorschubleistung PV des Bohrwerkzeuges an

der Bohrlochsohle zur Bohrleistung ωΜ der Ausbohrung des Gesteines durch das Bohrwerkzeug genommen wird. Die Ausnutzung dieses Qualitätskriteriums zur Steuerung der Bohrbetriebsparameter ω und P gewährleistet einen niedrigen Energieverbrauch durch die Bohrmaschine 1 für unproduktive Leistungen.

Die Recheneinheit für das Qualitätskriterium ist in diesem Fall in Form eines Divisors 20 ausgeführt, an dessen Eingänge Multiplikationsglieder 21 und 22 angeschlossen sind. Am Eingang des Multiplikationsgliedes 22 treffen von den entsprechenden Gebern Signale ein, die den Istwerten der Achsbelastung P des Bohrwerkzeuges und der Bohrungsgeschwindigkeit V entsprechen. Am Eingang des Multiplikationsgliedes 21 kommen von den entsprechenden Gebern Signale an, die den entsprechenden Istwerten der Drehzahl ω des Bohrwerkzeuges und des Drehmomentes M des Bohrwerkzeuges entsprechen. Die sich am Ausgang der Mmtiplikalionsgliedcr 22 und 21 ergebenden Werte der Vorschublcisiung PVdes Bohrwerkzeuges in der Bohrlochsohle und der Bohrleistung «J/des Bohrwerkzeuges im Gestein treffen am Eingang des Divisors 20 ein.

- PV

an dessen Ausgang das Verhältnis —- der Vorschub-

(ύ Μ

leistung PV zur Bohrleistung ωΜ errechnet wird. Am Ausgang des Divisors 20 liegt ein Anzeiger 23 für das

FV

Verhältnis —- .
ίο ωΜ

Zur Abstimmung des Systems der automatischen Steuerung vor seiner Arbeit schaltet die Recheneinrichtung 6 die Einstclleinheit für den Wert der Aehsbelastung Pdes Bohrwerkzeuges (Fig. 3) und die Einstelleinheit für den Wert der Drehzahl wdes Bohrwerkzeuges (Fi g. 4) ein.

Die Einstclleinheit für den Wert der Achsbelastung P (F i g. 3) des Bohrwerkzeuges enthält einen Einsteller 24 für den Wert dieser Belastung P, der über einen Umschalter 25 mit dem Eingang des Reglers 2 für die Belastung P des Bohrwerkzeuges verbunden ist, und eine Kompensationseinheil 26, deren Ausgang über das Vergleichselement 4 für den Istwert «Pdes Produktes der Drehzahl ω des Bohrwerkzeuges und der Achsbelastung P des Bohrwerkzeuges und den Umschalter 25 gleichfalls mit dem Eingang des Belastungsreglers 2 gekoppelt ist. Das Vergleichselement 4 ist mit einem Anzeiger 27 versehen, der einen Unterschied zwischen dem Wert des Produkts ωΡ der Drehzahl ω des Bohr-Werkzeuges und der Achsbelastung Pund der Kennziffer -j- der spezifischen Bohrbarkeit des auszubohrenden Gesteines angibt.

Ein derartiger Aufbau der Einstelleinheit für den

J5 Wert der Achsbelastung P gestattet es. gleichzeitig mit der Einstellung der Achsbelastung P den optimalen

spezifischen Bohrbarkeit des

Kennwert von

-rr der

auszubohrenden Gesteines nach einem Istwert des Produktes ωΡ aus der Drehzahl ω und der Achsbelastung P zu bestimmen.

Bei einer von der Bedienungsperson im voraus eingestellten Drehzahl ω des Bohrwerkzeuges und u«ch einem Wert gleich dem Mittelwert im Regelbereich der Drehzahl ω wird mittels des Einstellers 24 die Achsbelastung Pdes Bohrwerkzeuges in Richtung einer Vergrößerung so lange geregelt, bis der Anzeiger 23 (Fig. 2)

PV einen Maximalwert des Verhältnisses — der Vor-

Schubleistung PVdes Bohrwerkzeuges zur Bohrleistung ωΜ für das Gestein angegeben hat. Mit Hilfe eines Kompensator 26 wird der Istwert des Verhältnisses FfJZa der spezifischen Bohrbarkeit derart kompensiert, daß am Ausgang des Vergleichselements 4 für den Wert

ωΡ und das Verhältnis ~τ~ der spezifischen Bohrbarkeit

des Gesteines die Differenz Δ{ωΡ) dieser Signale gleich Null ist. Die genannten Operationen werden bei anderen Werten der Drehzahl ω des Bohrwerkzeuges wiederholt, wobei eine minimale Anzeige des Maximalwer-

tes des Verhältnisses

FV

— der

Vorschubleistung PV

zur Bohrleistung ωΜ nach dem Anzeiger 23 angestrebt wird. Der nach der letzten Kompensation am Ausgang des Kompensators 26 erhaltene Signal-

wert stellt einen Optimalwert

fischen Bohrbarkeit des auszubohrenden Gesteines dar.

F₀

— der spezi-

■4)

der den Optimalwerten der Drehzahl ω des Bohrwerkzeuges und der Achsbelastung P des Bohrwerkzeuges entspricht.

Die Einstellen heit für den Wert der Drehzahl ω des Bohrwerkzeuges (F i g. 4) enthält einen Einsteller 28 für den Wert dieser Drehzahl ω, der über einen Umschalter 29 mit dem Eingang des Reglers 3 für die Drehzahl ω verbunden ist. und eine Kompensationseinheit 30, deren Ausgang über das Vergleichselement 5 für den Istwert Z des Bohrfortschritts des Bohrwerkzeuges pro eine Umdrehung und den Sollwert Zo dieses Bohrfortschritts sowie über den Umschalter 29 ebenfalls mit dem Eingang des Reglers 3 für die Drehzahl ω gekoppelt ist. Das Vergleichselement 5 ist mit einem Anzeiger 31 versehen, de^r <iie Differenz zwischen dem Sollwert Zq und dem Istwert Z des Niederbringens des Bohrwerkzeuges für eine Umdrehung angibt Ein derartiger Aufbau der Einstelleinheit für den Wert der Drehzahl ω gibt die Möglichkeit, zugleich mit der Einstellung der Drehzahl ω den Optimalwert für Zo des Bohrfortschritts des Bohrwerkzeuges nach einem Istwert Z dieses Rahrfortschritis zu ermitteln.

Bei einer konstanten, von der Bedienungsperson vorher eingestellten Achsbelastung P des Bohrwerkzeuges wird die Drehzahl ω des Bohrwerkzeuges mit Hilfe des Einstellen 28 in Richtung der Vergrößerung so lange

geregelt, bis der Anzeiger 23 (I"ig.2) einen Minimally

wert des Verhältnisses —- der Vorschubleistung PV ω Μ

des Bohrwerkzeuges zur Bohrleistung toM für das Gestein gezeigt hat. Mit Hilfe des !Compensators 30 wird der Istwert Z des Bohrfortschritts des Bohrwerkzeuges in der Weise kompensiert, daß am Ausgang des Vergleichselements 5 die Differenz ΔΖ zwischen dem Istwert Z des Bohrfortschritts und dem Sollwert Z₀ gleich Null ist. Die genannten Operationen werden so lange wiederholt, bis der minimalste Wert des Verhältnisses py
—- der Vorschubleistung PV zur Bohrieistung ωΜ für

das Gestein gefunden worden ist.

Der nach der letzten Kompensation am Ausgang des Kompensator 30 erhaltene Signalwert wird einen Optimalwert Zo des Bohrfortschritts des Bohrwerkzeuges für dessen eine Umdrehung darstellen.

Nach der Abstimmung des automatischen Steuerungssvstcms mit Hilfe der Umschalter 25 und 29 wird es auf eine auiomutischc Steuerung der Bohrmaschineeingestellt und arbeitet ohne Eingreifen einer Bedienungsperson.

Der Optimalwert für Z₁, des Bohrfortschritts des Bohrwerkzeuges für eine Umdrehung kann im voraus eingestellt werden, wenn der nach den geometrischen Parametern des Bohrwerkzeuges oder aus technologischen Erwägungen ermittelte Wert Zn dieses Bohrfortschritts für den verwendeten Typ des Bohrwerkzeuges bekannt ist. In diesem Fall wird die Abstimmung des Systems der automatischen Steuerung auf die Einstellung des optimalen Wertes für -=- der spezifischen

μ)

Bohrbarkeit des auszubohrenden Gesteines bei der automatischen Regelung der Drehzahl ω des Bohrwerkzeuges mit Hilfe der Einstelleinheit für die Achsbelastung P des Bohrwerkzeuges (F i g. 3) zurückgeführt. In diesem Fail wird im automatischen Steuersystem von

ρ
dem Qualitätskritcrium — Zn Gebrauch gemacht, das

gleich dem Verhältnis der Achsbclastung P zum Drehmoment Λ7 des Bohrwerkzeuges, multipliziert mit dem Optimalwert Zo des Bohrfortschritts des Bohrwerkzeuges je eine Umdrehung, ist.

In Fig.5 ist eine Ausführungsvariante der Recheneinheit für das Qualitätskriterium der Recheneinrichtung 6 dargestellt wo als Qualitätskriterium die Bohrselbstkosten Cin Frage kommen. Die Recheneinheit für die Bohrselbstkosten C ist in Form eines Summators 32 ausgeführt, dessen einer Eingang über einen Zwischendivisor 33 mit dem Ausgang eines anderen Divisors 34

ίο gekoppelt ist an dessen Eingängen dem Istwert Z des Bohrfortschritts des Bohrwerkzeuges für dessen eine Umdrehung und den Kosten C„ eines Bohrwerkzeuges entsprechende Signale ankommen. An einem der Eingänge des Zwischendivisors 33 trifft ein durch den Divisor 34 errechneter Wert des Verhältnisses — der Kosten Ca des Bohrwerkzeuges und des Bohrfortschritts Z dieses Werkzeuges je eine Umdrehung und am anderen Eingang der Wert der Lebensdauer k des Bohrwerkzeuges entweder in Form einer durch einen Funktionswandler 35 für die Achsbelastung P errechneten Funktion Rp von dieser Belastung P oder in Form eines vorgegebenen Festwertes «„,ein.

Der zweite Eingang des Summators 32 ist über einen 2-i Zwischendivisor 36 mit dem Ausgang eines Summators 37 verbunden, an dessen einem Eingang ein den VcrschleiUkosten cLx Bohrmaschine und den Pcrsonalkosten entsprechendes Signal C» ankommt.

Auf den zweiten Eingang des Summators 37 ist ein Multiplikationsglied 38 geschaltet dessen Eingängen den Kosten einer kWh elektrische Energie und dem Wert der durch die Bohrmaschine aufgenommenen Leistung entsprechende Signale Ce bzw. N zugeführt werden. Am zweiten Eingang des Zwischendivisors 36 kommt vom Geber 7 für die Bohrgeschwindigkeit Vein dem Istwert der Bohrgeschwindigkeit Ventsprechendes Signal an. Der Ausgang des Summators 32 ist an einen Extremwertregler 39 angeschlossen. Der Ausgang des Summators 32 ist auch mit einem Anzeiger 40 versehen, der einen Istwert der Bohrselbstkosten Cangibt.

Der Aufbau der Recheneinheit für die Bohrselbstkosten nach der Schaltung in F i g. 5 gibt die Möglichkeit, bei Bedarf zur Steuerung der Bohrbetriebsparameter beispielsweise auf die Ausgaben für das Bohrwerkzeug oder auf andere Kostenarten bezogene Partialkriterien der Selbstkosten auszunutzen.

Bei der Arbeit der Recheneinheit für die Bohrselbstkosien nach den Istwerten von der Bohrgeschwindigkeit V. der Achsbclastung P. dem Bohrfortschritt Z des Bohrwerkzeuges je eine Umdrehung entsprechenden Signalen, die vom Bohrgeschwindigkeitsgeber 7, Achsbelastungsgebcr 9 des Bohrwerkzeuges der Recheneinheit 13 für den Istwert Z des Bohrfortschritts des Bohrwerkzeuges kommen, sowie nach den an den Eingängen der Recheneinheit für die Selbstkosten C eingegebenen Signalen, die den Kosten C_u des Bohrwerkzeuges, den Kosten Cu einer Kilowattstunde der durch die Bohrmaschine verbrauchten elektrischen Energie, den Ver- !.ehleißkosten C\ der Bohrmaschine 1 und den Personalbo kosten, dem Wert der durch die Bohrmaschine 1 aufgenommenen Leistung N entsprechen, erfolgt eine laufende Berechnung des Istwertes der den Arbeitsbedingungen der Bohrmaschine 1 entsprechenden Bohrselbstkosten C. Der berechnete Istwert der Bohrselbstkosten C b5 wird am Eingang des Extremwertreglers 39 zugeführt der eine Änderung der Drehzahl ω des Bohrwerkzeuge: oder der Achsbelastung P dieses Werkzeuges so langt vornimmt, bis die Selbstkosten C einen den Eigenschaf

ten des auszubohrenden Gesteines entsprechenden Extremwert erreicht haben. Bei Änderung der Eigenschaften des auszubohrenden Gesteines ändert sich der Wert der berechneten Selbstkosten C, und der Extremwertregler 39 sucht nach einem neuen Extremwert der Selbstkosten C, wobei er andere den Optimafwerten entsprechende Werte für die Drehzahl ω und die Achsbelastung P beim Bohren eines Gesteines mit neuen Eigenschaften einstellt. Die Arbeit des Systems der automatischen Steuerung mit dem Extremwertregler 39 gibt die Möglichkeit, eine Vorabstimmung dieses Systems zu eliminieren.

Beim Bohren von in den Eigenschaften stark wechselnden Gesteinen wird die Suche nach den Optimalwerten von coo, Pq, der Drehzahl ω und der Achsbelastung P mit Hilfe des Extremwertreglers 39 ununterbrochen geführt Das automatische Steuersystem gestattet es, die Optimalwerte ωο, Po eines jeden der Parameter en und P sowohl getrennt als auch gleichzeitig zu suchen, was die Schnellwirkung des Steuersystems vergrößert und die Regelungsgenauigkeit zusätzlich steigert.

Zu diesem Zweck ist der Extremwertregler 39 (F i g. 6) mit seinem Eingang an den Ausgang der gemäß F i g. 2 oder 5 ausgeführten Recheneinheit für das Qualitätskriterium und mit dem Ausgang über einen Umschalter 41 mit einem der Eingänge des Vergleichselements 4 für den Sollwert von — der spezifischen Bohrbarkeit des auszubohrenden Gesteines und für den Istwert des Produktes roPder Drehzahl ω und der Achsbelastung Pdes Bohrwerkzeuges gekoppelt, falls die Achsbeiastur-g P geregelt wird. Bei der Regelung der Drehzahl ei> wird der Extremwertregler 39 über einen Umschalter 42 (Fig. 7) mit seinem Ausgang an einen der Eingänge des Vergleichselements 5 für den Istwert Z des Bohrfortschritts des Bohrwerkzeuges und für den Sollwert Zo des Bohrfortschritts angeschlossen.

Falls der Extremwertregler 39 über den Umschalter

41 an einen der Eingänge des Vergleichselements 4 für den Istwert des Produkts ωΡ von der Drehzahl eo des Bohrwerkzeuges und der Achsbelastung P und für den

Sollwert von -ψ- der spezifischen Bohrbarkeit des auszubohrenden Gesteins angeschlossen ist, wird bei der Suche durch diesen Regler 39 nach einem Extremwert des von der Bedienungsperson gewählten Qualitätskriteriums, der Bohrselbstkosten C. des Verhältnisses

—r. der Vorschubleistung PVdes Bohrwerkzeuges zur

Bohrleistung coMfür das Gestein oder des Verhältnisses der Achsbelastung Pzum Drehmoment M. multipliziert mit dem htwert Zo des Bohrfortschritts des Bohrwerkzeuges, der Wert von -ψ· der spezifischen Bohrbarkeit

M)

des Gesteins und gleichzeitig damit die Achsbelastung P und die Drehzahl <ydes Bohrwerkzeuges geregelt. Bei einem Wert des Qualitätskriteriums gleich dem Extremwert nehmen das Verhältnis -z~- , die Drehzahl ω und

M)

die Achsbelastung P optimale Werte für die Bohrverhältnisse des betreffenden Gesteins an.

Falls der Extremwertregler 39 über den Umschalter

42 an einen der Eingänge des Vergleichselements 5 für den Istwert Zdes Bohrfortschritts des Bohrwerkzeuges je eine Umdrehung und für den Sollwert Za des Bohrfortschritts angeschlossen ist, wird bei der Suche durch diesen Regler nach einem Extremwert des von der Bedienungsperson gewählten Qualitätskriteriums der Wert Z des vorgegebenen Bohrfortschritts des Bohrwerkzeuges für eine Umdrehung und gleichzeitig damit die Drehzahl ω und die Achsbelastung P des Bohrwerkzeuges geregelt. Bei einem Wert des Qualitätskriteriums gleich dem Extremwert nehmen der Bohrfortschritt Z₀, die Achsbelastung P und die Drehzahl ω des Bohrwerkzeuges optimale Werte für die Bohrverhältnisse des betreffenden Gesteins an.

Ist der Extremwertregler 39 auf den Eingang des Reglers 2 für die Achsbelastung P oder des Reglers 3 für die Drehzahl ω des Bohrwerkzeuges direkt geschaltet, erfolgt eine getrennte Regelung der Achsbelastung P bzw. der Drehzahl ω bei einem Festwert des anderen Parameters ω bzw. P.

Im System der automatischen Steuerung sind operative Begrenzungen für die Achsbelastung fund die lYehzahl ω des Bohrwerkzeuges unter der Bedingung eines zulässigen Wertes der Schwingungsgeschwindigkeit y der Konstruktion der Bohrmaschine 1 und ausgehend von organischen Bestimmungen für das Bedienungspersonal vorgesehen. Zu diesem Zweck enthält die Recheneinrichtung 6 eine Begrenzereinheit (F^:-g. 8) für die Drehzahl ω des Bohrwerkzeuges und eine Begrenzereinheit (F i g. 9) für den Wert der Achsbelastung P des Bohrwerkzeuges. Die Begrenzereinheit für die Drehzahl ω des Bohrwerkzeuges ist in Form eines Vergleichselements 43 für den istwert der Schwingungsgeschwindigkeit y und für einen mit Hilfe eines Einstellers 44 vorgegebenen Wert y_nm der Schwingungsgeschwinjo digkeit ausgeführt. Der Ausgang des Vergleichselements 43 ist über ein Sperrglied 45 an den Regler 3 für die Drehzahl ω des Bohrwerkzeuges gekoppelt. Bei der Entstehung wahrend der Arbeit der Bohrmaschine I einer Schwingungsgeschwindigkeit ;· oberhalb ihres durch den Einsteller 44 eingestellten Wertes /,„„ tritt am Ausgang des Vergleichselements 43 für den Ist- und den Einstellwert ν bzw. y„,., der Schwingungsgeschwindigkeit ein Signal Ay_n auf, das über das Sperrglied 45 am Eingang des Reglers 3 für die Drehzahl <o eintrifft und die Drehzahl wdes Bohrwerkzeuges herabsetzt.

Die Begren/.creinheil für die Achsbelastung P des Bohrwerkzeuges ist in Gestalt eines Vergleichselements 46 für den Istwert der Schwingungsgeschwindigkeit γ und für einen mit Hilfe eines Einstellers 47 vorgegebenen Wert y„_n ausgeführt. Der Ausgang des Vergleichselcments 46 ist über ein Sperrglied 48 an den Regler 3 für die Achsbelastung P des Bohrwerkzeuges angeschlossen.

Bei der Entstehung während der Arbeit der Bohrmaschine ί einer Schwingungsgeschwindigkeit y oberhalb des durch den Einsteilcr 47 eingestellten Wertes y„_r tritt am Ausgang des Vcrgleichselemcnts 46 für den 1st- und den Sollwert y bzw. ;>„,, der Schwingungsgeschwindigkeit ein Signal Ay₁, auf, das über das Sperrglied 48 am Eingang des Reglers 2 für die Achsbelastung P des Bohrwerkzeuges ankommt.

Das automatische Steuersystem der Drehbohrmaschine gestattet es, das Bohrverfahren automatisch oder manuell fernzusteuern sowie laufend eine aussagefähige bo Information über den Zustand und das Verhalten der Bohrmaschine beim Bohren zu erhalten.

Die für das Funktionieren des automatischen Steuersystems benötigte Information wird operativ und laufend während der Arbeit der Bohrmaschine errechnet und unverzüglich zur Regelung der Betriebsparameter nach einem von der Bedienungsperson vor Beginn der Bohrung gewählten Quulität.skritcrium aus einem Satz von im iiutoniatischen Steuersystem zur Verfügung ste-

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henden Kriterien ausgewertet.

Das System bedarf keiner vorherigen Zusammenfassung der information zur Aufstellung von Regelungsprogrammen oder statischen statistischen Modellen, es bedarf keiner Einführung von die Bohrparameter und -eigenschaften miteinander verbindenden Funktionsabhängigkeiten. Wenn es aber eine eingespeicherte Apriori-Information gibt, kann sie im System ausgewertet werden. Die genannten Besonderheiten vereinfachen den Umgang mit dem System und dessen Abstimmung vorder Arbeit

Im Steuerungssystem wird ein Minimum von an den Eingängen eingegebenen Koeffizienten darstellenden Daten gewährleistet, die im elektrischen Maßstab die Kosten einer Einheit des Bohrwerkzeuges, elektrische Energiekosten. Verschleißkosten der Bohrmaschine und Personalkosten und Lebensdauer des Bohrwerkzeuges bestimmen. Bei Bedarf kann die Menge von in da* Steuersystem eiistrigebenen Daten vergrößert werden.

Das automatische Steuersystem kann ohne Umstc!- lung und ohne vorherige Zusammenfassung der Informationen auf einer beliebigen Lagerstätte arbeiten, denn die benötigte Information wird operativ bei der Durchführung der Bohrarbeiten bestimmt. Es genügt, lediglich einen für die betreffende Lagerstätte passenden Typ des Bohrwerkzeuges zu wählen und an den Eingängen des Systems entsprechende Kostenfaktoren einzugeben. Das System der automatischen Steuerung sorgt für die Arbeit der Bohrmaschine unter minimalem Energieaufwand und minimalen Bohrselbstkosten bei hoher Bohrleistung und Zuverlässigkeit des Bohrwerkzeuges.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
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W₁

Ά

50

Claims

Patentansprüche:

1. Automatisches Steuersystem für eine Drehbohrmaschine, an deren Eingang ein Achsbelastungsregler des Bohrwerkzeuges und an deren anderen Eingang ein Drehzahlregler angeschlossen sind, deren jeder über ein eigenes Vergleichselement mit einem Sollwerteinsteller verbunden ist, und deren Ausgänge jeweils mit einem Bohrgeschwindigkeitsgeber, einem Drehzahlgeber des Bohrwerkzeuges, einem Achsbelastungsgeber des Bohrwerkzeuges, einem Geber für das an das Bohrwerkzeug angelegte Drehmoment und einem Geber für die Schwingungsgeschwindigkeit der Bohrmaschinen-Konstruktion verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Recheneinheit (13) zur Ermittlung des Fortschritts des Bohrwerkzeuges je Umdr-ihung enthält, deren Eingänge jeweils auf den Bohrgeschwindigkcitsgebcr (7) und auf den Drehzahlgeber (8) des Bohrwerkzeuges und deren Ausgang auf ein Element (5) zum Vergleich des Istwerts des Fortschritts des Bohrwerkzeuges je Umdrehung mit dem entsprechenden Sollwert geschaltet sind, der durch eine Recheneinrichtung (6) ermittelt wird, deren Eingänge jeweils an die Geber (7,8, 9, 10) für die Bohrgeschwindigkeit, Drehzahl des Bohrwerkzeuges, Achsbelastung des Bohrwerkzeuges, für das an das Bohrwerkzeug angelegte Drehmoment u.id an den Geber (11) für die Schwingungsgeschwindigkeit sowie an einen Einsteller (12) für weitere Eingangsparameter und deren Ausgänge jeweils an das Vergleichselemrnt (5) für den lst-/Sollwert des Fortschritts des Bohrwerkzeuges je Umdrehung, an den Achsbelastungsregler (2) des Bohr-Werkzeuges, an den Drehzahlregler (3) des Bohrwerkzeuges und an ein Element (4) zum Vergleich des Istwerts der spezifischen Bohrbarkeit des zu bohrenden Gesteins mit dem entsprechenden Sollwert angeschlossen sind.

2. System nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die Recheneinrichtung (6) eine Einheit zum Errechnen eines Bohrbarkeitsparameters enthält, die in Form eines Divisors (20) ausgeführt ist, an dessen Eingänge Multiplikationsglieder (22, 21) angeschlossen sind, deren eines aus dem Wert der + chsbelastung des Bohrwerkzeuges und aus der Bohrgeschwindigkeit ein dein Bohrfortschritt entsprechendes elektrisches Signal und deren anderes aus dem Wert des an das Bohrwerkzeug angelegten Drehmoments und aus der Drehzahl des Bohrwerkzeugs ein der Antriebsleistung für das Gestein entsprechendes elektrisches Signal erzeugen.

3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Recheneinrichtung (6) eine Einstelleinheit für den Wert der Achsbelastung des Bohrwerkzeuges enthält, die einen Einsteller (24) für die Achsbeiastung des Bohrwerkzeuges, der über einen Umschalter (25) mit dem Eingang des Reglers (21) für die Achsbelastung des Bohrwerkzeuges verbunden bo ist. und eine Kompensationseinheit (26) aufweist, deren Ausgang über das Vergleichselement (4) und den Umschalter (25) gleichfalls mit dem Eingang des Reglers (2) verbunden ist.

4. System nach Anspruch 2 oder J. dadurch ge- b5 kennzeichnet, daß die Recheneinrichtung (6) eine Einstclleinheit für den Wen der Drehzahl des Bohrwerkzeuges enthüll, in der ein Einsleller (28) für die Drehzahl des Bohrwerkzeuges enthalten ist, der über einen Umschalter (29) mit dem Eingang des Drehzahlreglers (3) des Bohrwerkzeuges verbunden ist, in der ferner eine Kompensationseinheit (30) enthaiten ist, deren Ausgang über das Vergleichselement (5) und den Umschalter (29) mit dem Eingang des Drehzahlreglers (3) verbunden ist.

5. System nach Anspruch 1,3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Recheneinrichtung eine Recheneinheit für die Bohrselbstkosten enthält, die einen Summator (32) umfaßt, dessen Ausgang mit einem Extremwertregler (39) und dessen einer Eingang über einen Zwischendivisor (33) mit dem Ausgang eines anderen Divisors (34) verbunden ist, an dessen Eingängen dem Istwert des Bohrfortschritts des Bohrwerkzeuges für eine Umdrehung desselben und den Kosten eines Bohrwerkzeuges entsprechende Signale zuführbar sind, wobei der andere Eingang des Zwischendivisors (33) an einen Einsteller (35) für die Motorkapazität des Bohrwerkzeuges angeschlossen ist, und der andere Eingang des Summators (32) über einen anderen Zwischendivisor (36) über einen Eingang mit dem Bohrdrehzahlgeber und über den anderen mit dem Ausgang eines anderen Summators (37) verbunden ist, an dessen einem Eingang ein den Amortisationskosten der Bohrmaschine und den Personalkosten entsprechendes Signal angelegt ist und dessen anderer Eingang mit dem Ausgang eines Multiplikationsgliedes (38) verbunden ist, an dessen getrennten Eingängen den Kosten einer Einheit der verbrauchten Elektroenergie bzw. dem Verbrauch der durch die Bohrmaschine aufgenommenen Energie entsprechende Signale angelegt sind.

6. System nach Anspruch 5, für eine Regelung der Drehzahl des Bohrwerkzeuges, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsteller(35)fürdie Motorkapazität des Bohrwerkzeuges in F<rrn eines Potentiometers ausgeführt ist.

7. System nach Anspruch 5, für eine Regelung der Achsbelastung des Bohrwerkzeuges, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsteller (35) für die Motorkapazität in Form eines Funktionswandlers für die Umwandlung des Wertes der Achsbelastung des Bohrwerkzeuges in eine Funktion der Motorkapazitiit abhängig vom Wert dieser Belastung ausgeführt ist.

8. System nach Anspruch 2 oder 5, dadurch gekennzeichet, daß die Recheneinrichtung (6) einen Extremwertregler (39) enthält, dessen Eingang an den Ausgang der Recheneinheit für den Bohrbarkeitsparameter angeschlossen und dessen Ausgang über einen Umschalter (41) mit einem der Eingänge des Vergleichselements (4) für den Istwert der spezifischen Bohrbarkeit des auszubohrenden Gesteins und für den Sollwert oder mit dem Eingang des Achsbelastungsreglers (2) verbunden ist.

9. System nach Anspruch 2 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Recheneinrichtung (6) einen Extremwertregler (39) enthüll, dessen Eingang an den Ausgang der Recheneinheit für den Bohrbarkeitsparameter angeschlossen und dessen Ausgang über einen Umschalter (42) mit einem der Eingänge des Vergleichselements (5) für den Istwert des Bohrfortschritts des Bohrwerkzeuges pro Umdrehung und für den Sollwert oder mit dem Eingang des Drehzahlreglers (3) des Bohrwerkzeuges verbunden ist.

. 10. Systemjiach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Recheneinrichtung (6^ eine Begrenzereinheit für die Drehzahl des Bohrwerkzeuges«nthält, die in Form eines Vergleichselements (43) für einen Vergleich von Istwert der Schwingungsgesehwindigkeit und dem Sollwert ausgeführt ist, dessen Ausgang über ein Sperrglied (45) an den Drehzahlregler (3) des Bohrwerkzeuges angeschlossen ist

11. System nach einem der Ansprüche I bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Recheneinrichtung (6) eine Begrenzereinheit für den Wert der Achsbelastung des Bohrwerkzeuges enthält, die in Form eines Vergleichselements (46) für den Istwert der Schwingungsgesehwindigkeit und für den Sollwert ausgeführt ist, dessen Ausgang über ein Sperrglied (46) an den Achsbelastungsregler (2) angeschlossen ist.