Hubwinde

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Hubwinde, insbesondere eine Kellywinde für Tiefbau-Bohrgeräte, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine derartige Hubwinde umfasst eine drehbar gelagerte Trommel zur Aufnahme eines Seiles, einen Antrieb, durch welchen die Trommel zum Aufund Abwickeln des Seiles drehbar ist, eine Messeinrichtung zur Messung einer Seillast und eine Steuereinheit für den Antrieb, wobei durch die Steuereinheit aufgrund der gemessenen Seillast eine Zugkraft an dem Seil bestimmbar und mit einer vorgebbaren Restzugkraft vergleichbar ist.

[0002] Eine Hubwinde oder Seilwinde geht aus der DE 297 23 821 hervor. Diese Seilwinde ist universell einsetzbar und erlaubt für eine Vielzahl von Anwendungsfälle einen effizienten Betrieb. Insbesondere ist eine Steuereinheit vorgesehen, welche im Zusammenhang mit einer Messeinrichtung eine Zugkraft misst und dafür sorgt, dass eine Restzugkraft an dem Seil beibehalten wird. Denn sollte die Last an dem Seil bei weiterdrehender Trommel aufstehen, würde das Seil nicht mehr unter Spannung stehen und es würde sich dann eine größere Menge Schlappseil bilden. Dieses nicht mehr gespannte Seil kann dazu führen, dass die Seilwindungen nicht mehr, wie vorgesehen, in den Rillen der Seiltrommel liegen, sondern Rillen übersprungen werden, oder die Windungen unkontrolliert übereinander zu liegen kommen. Solch eine unsaubere Spulung auf der Winde führt zu hohem Seilverschleiß.

[0003] Bei der gattungsbildenden Hubwinde wird dies dadurch verhindert, dass bei Unterschreiten der gemessenen Zugkraft unter die vorgegebene Mindest- oder Restzugkraft die Winde gestoppt wird. Hierdurch werden für viele Fälle die Bildung von Schlappseil und die damit verbundenen Nachteile zuverlässig verhindert.

[0004] Für bestimmte Anwendungsfälle, insbesondere bei Verwendung der Winde als Kellywinde für das Dreh-Bohrverfahren, können hierbei Probleme auftreten. Trifft etwa die Last, also beispielsweise eine Kellystange, vor Erreichen der gewünschten Tiefe auf einen festen Widerstand oder auf ein festeres Medium, beispielsweise Wasser in einem Bohrloch, welches einen höheren Widerstand als die Luft des bereits gebohrten Bohrlochs aufweist, kann die Zugkraft an dem Seil die Restzugkraft unterschreiten. Dies führt dann zu einem Abschalten des Antriebes der Winde. Da beispielsweise bei dem Auftreffen auf Wasser die Last wieder weiter absinkt, und damit die momentane Zugkraft des Seiles die Restzugkraft wieder überschreitet, springt der Antrieb der Winde wieder an und wickelt das Seil mit der ursprünglichen Geschwindigkeit ab. Aufgrund der geringeren Absinkgeschwindigkeit der Last, beispielsweise im Wasser des Bohrloches, entsteht jedoch weiter erneut Schlappseil, so dass die Winde abermals gestoppt wird. Es kann sich dadurch ein Schwingungsgrenzzyklus bilden, der ein schnelles und effizientes Absinken der Last beeinträchtigt.

[0005] Aus diesem Grund wird für diesen Anwendungsfall des Bohrens mit Kellystangen häufig eine sogenannte Freifallwinde mit mechanischem Freifall eingesetzt, wobei eine Scheibenkupplung die Windentrommel freigibt oder abbremst. Allerdings ist eine derartige Freifallwinde bezüglich Wartung und Einstellung als auch bezüglich der Komplexität der Bauteile gegenüber einer gattungsbildenden Hubwinde nachteilig.

[0006] Die EP 0 790 356 A1 beschreibt eine Kontrollvorrichtung für ein Bodenbearbeitungsgerät, die unter anderem eine Winde zum Hochziehen und Herablassen des Bodenbearbeitungsgerätes aufweist. Ferner ist eine Eindringkraft-Kontrolleinrichtung vorgesehen, welche die Winde derart steuert, dass eine Eindringkraft des Bodenbearbeitungsgerätes ein vorher bestimmtes Niveau erreicht.

[0007] Aus der JP 05-321287 geht ein weiteres Bodenbearbeitungsgerät hervor, welches von einer Windentrommel gehalten wird. Dabei ist eine Kontrolleinrichtung vorgesehen, die den Betriebsmodus ändert, wenn die Last an der Spitze des Bodenbearbeitungsgerätes einen Grenzwert überschritten hat.

[0008] Die EP 0 518 297 A1 offenbart ein Tiefbohrgerät und ein Verfahren zur Steuerung der Vortriebsgeschwindigkeit eines Bohrwerkzeuges des Tiefbohrgerätes. Nach der EP 0 518 297 A1 kann eine Steuerung vorgesehen sein, welche die Vortriebsgeschwindigkeit einer Fräse verringert, wenn die Zugkraft am Tragseil der Fräse abnimmt.

[0009] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Hubwinde zu verbessern und ein Verfahren zum Betrieb einer Hubwinde bereitzustellen, mit welchen in einem besonders weiten Anwendungsbereich ein effizienter Windenbetrieb ermöglicht wird.

[0010] Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Hubwinde mit den Merkmalen des Anspruches 1 sowie durch ein Verfahren zum Betrieb einer Hubwinde gemäß Anspruch 5 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

[0011] Bei der erfindungsgemäßen Hubwinde ist vorgesehen, dass die Steuereinheit und die Messeinrichtung zur kontinuierlichen Bestimmung der momentanen Zugkraft an dem Seil ausgebildet sind und dass bei Unterschreiten der Zugkraft unter die Restzugkraft die Leistung des Antriebes durch die Steuereinheit herabsetzbar und anpassbar ist, wobei durch eine Regelung die Zugkraft über der Restzugkraft gehalten wird.

[0012] Im Gegensatz zum Stand der Technik wird bei einem Unterschreiten der Restzugkraft bei der erfindungsgemäßen Winde die Leistung des Antriebes vorteilhafterweise nicht gestoppt, sondern nur auf einen geringen Wert herabgesetzt. Hierdurch vermindert sich die Absinkgeschwindigkeit der Last, wobei sich die Seilspannung erhöht und wieder über den Schwellwert der Restzugkraft steigen kann. Vorzugsweise kann dann auch wieder eine Erhöhung der Leistung des Antriebes erfolgen, so dass eine nahezu optimale Absinkgeschwindigkeit eingeregelt werden kann. Es wird also eine einfache Schwarz-Weiß-Regelung, die beim Unterschreiten der Windenrestzugkraft den Windenantrieb komplett abschaltet, vermieden. Die Gefahr des Entstehens eines nachteiligen Schwingungsgrenzzyklus mit einem ständigen An- und Abschalten des Windenantriebes wird weitestgehend reduziert und praktisch ausgeschlossen.

[0013] Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hubwinde besteht darin, dass der Antrieb als ein hydraulischer Antrieb ausgebildet ist. Im Gegensatz zu einem Elektromotor ist ein hydraulischer Antrieb relativ steif, d.h. er kann mit einer sehr geringen Verzögerung Leistungsänderungen und damit Geschwindigkeitsänderungen des Seiles entsprechend der Vorgaben der Steuereinheit ausführen. Dies ist für eine schnelle Einregelung nahe dem optimalen Arbeitspunkt und der optimalen Absinkgeschwindigkeit besonders vorteilhaft.

[0014] Hierbei ist von besonderem Vorteil, dass die Steuereinheit zusammen mit dem hydraulischen Antrieb eine elektrohydraulische Regelung bildet. Dabei kann die Steuereinheit ein elektrisches Ventil oder einen sehr kleinen elektrischen Stellmotor steuern, durch welchen wiederum der Hydraulikantrieb, etwa im Rahmen einer hydraulischen Drehmomentverstärkung gesteuert wird.

[0015] Für eine besonders einfache und zugleich genaue Messung der Seillast ist es bevorzugt, dass die Messeinrichtung an einer Umlenkrolle oder im Bereich der Trommel angeordnet ist. Eine Messung der Seillast im Bereich der Trommel kann etwa durch eine Drehmomentabstützung erfolgen, welche beispielsweise im Zusammenhang mit dem gattungsbildenden Stand der Technik beschrieben und bekannt ist.

[0016] Die Steuereinheit weist vorzugsweise einen Datenspeicher zum Speichern zumindest wesentlicher Daten des vorherigen Hubzyklus, etwa Hublänge und Umkehrpunkte, sowie einen Prozessor zur Auswertung und Beeinflussung des nächsten Hubzyklus auf Grundlage der Daten auf.

[0017] Hinsichtlich des Verfahrens ist nach der Erfindung vorgesehen, dass die Steuereinheit bei einem Unterschreiten der momentanen Zugkraft unter die Restzugkraft die Leistung des Antriebes vermindert und anpasst und die Leistung des Antriebes anhand der momentan ermittelten Zugkraft durch die Steuereinheit geregelt wird.

[0018] Mit diesem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb einer Winde werden die vorstehend beschriebenen Vorteile erreicht.

[0019] Ein besonders effizienter Betrieb hinsichtlich der Absenkgeschwindigkeit wird nach der Erfindung dadurch erzielt, dass durch die Messeinrichtung die Seillast kontinuierlich gemessen wird und dass die Steuereinheit kontinuierlich die momentane Zugkraft des Seiles bestimmt und mit der vorgegebenen Restzugkraft vergleicht.

[0020] Nach der Erfindung ist ferner vorgesehen, dass zum Abstoppen des Seiles bei einem unteren Hubpunkt bei jedem Hubzyklus ein Tiefen-Umkehrpunkt in der Steuereinheit gespeichert wird und dass beim folgenden Hubzyklus vor Erreichen des vorausgehend gespeicherten Tiefen-Umkehrpunktes die Leistung des Antriebes durch die Steuereinheit vermindert wird. Dies ist insbesondere beim sogenannten Bohren mit Kellystangen vorteilhaft, um ein schnelleres und zugleich schonenderes Abstoppen der Seillast zu erreichen. Zunächst wird bei jedem Hubzyklus durch Messung und Auswertung des Seilabspulweges durch eine geeignete Längenmesseinrichtung der jeweilige Umkehrpunkt gespeichert, an welchem eine Abwärtsbewegung in eine Aufwärtsbewegung oder umgekehrt gewechselt wird. Dieser Umkehrpunkt wird entsprechend der abgespulten Länge in einer entsprechenden Speichereinheit in der Steuereinheit vermerkt. Da beim Kellybohren im nachfolgenden Bohrzyklus die folgende Kellystange im Wesentlichen bei der gleichen oder einer definiert geänderten Höhe angesetzt werden muss, kann entsprechend einem vorgegebenen Programm in der Steuereinheit eine schonende und zugleich schnelle Abbremsbewegung der Seilgeschwindigkeit vor dem Umkehrpunkt eingeleitet werden.

[0021] In vergleichbarer Weise ist es bevorzugt, dass zum Abstoppen des Seiles an einem oberen Hubpunkt vor dessen Erreichen die Leistung des Antriebes durch die Steuereinheit vermindert wird. Insgesamt wird durch die Erfindung eine sozusagen "intelligente" Hubwinde erreicht, bei welcher die Steuereinheit unter Berücksichtigung des momentanen und des vorausgegangenen Betriebsablaufes die jeweils nahezu optimale Absenkgeschwindigkeit des Seiles einstellen kann.

[0022] Die Erfindung wird weiter anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles erläutert, welches schematisch in den Zeichnungen gezeigt ist. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1

eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Seilwinde und

Fig. 2

eine Querschnittsansicht gemäß dem Schnitt A-A von Figur 1.

[0023] In den Figuren 1 und 2 ist eine erfindungsgemäße Seilwinde 10 veranschaulicht. Eine Trommel 12 ist über Trommellager 14a, 14b drehbar um eine Mittenachse 18 an einem Gestell 13 mit zwei Gestellträgern 13a, 13b gelagert. Die Trommel 12 ist zur Aufnahme eines Seiles 11 ausgebildet, welches ein- oder mehrlagig auf die Trommel 12 aufgewickelt werden kann.

[0024] Zum rotierenden Antreiben der Trommel 12 und somit zum Auf- oder Abwickeln des Seiles 11 ist ein Antrieb 16 vorgesehen. Dieser kann ein Motor oder eine Kombination aus einem Motor und einem Getriebe sein. Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Trommel 12 als eine Hohltrommel ausgebildet, in deren Hohl- oder Innenraum der Antrieb 16 mit seiner Antriebswelle 17 koaxial zur Mittenachse 18 angeordnet ist. Die Drehmomentübertragung zwischen dem Antrieb 16 und der Trommel 12 erfolgt über eine Drehverbindung, welche eine Keilnutverbindung sein kann.

[0025] Zur Bestimmung der an dem Seil 11 anliegenden Kraft ist der Antrieb 16 über Antriebslager 19 drehbar innerhalb der Trommel 12 gelagert. Zur Abstützung des Drehmoments bei Drehung der Trommel 12 ist der Antrieb 16 ausschließlich über eine hebelförmige Drehmomentstütze 20 mit dem Gestell 13 fest verbunden.

[0026] An der mit zwei Verbindungsbolzen gelagerten Drehmomentstütze 20 ist eine nicht dargestellte Messeinrichtung vorgesehen, durch welche das abgestützte Drehmoment bestimmbar ist. Der jeweils ermittelte Meßwert kann beispielsweise über eine Leitung 21 an eine nicht dargestellte Rechnereinheit weitergeleitet werden, in welcher entsprechend dem Trommeldurchmesser unter Berücksichtigung der Anzahl der Seillagen auf der Trommel 12, welche den tatsächlichen Trommeldurchmesser erweitern können, eine am Seil 11 anliegende Kraft gemessen wird. Entsprechend dem gemessenen Zugkraftwert erfolgt eine Regelung des Antriebs 16, wobei bei Verminderung des Zugkraftwertes eine Verminderung der Leistung des Antriebes 16 und damit der Abwickelgeschwindigkeit erfolgt.

Ansprüche

1. Hubwinde, insbesondere Kellywinde für Tiefbau-Bohrgeräte, mit

- einer drehbar gelagerten Trommel (12) zur Aufnahme eines Seiles (11),

- einem Antrieb (16), durch welchen die Trommel (12) zum Auf- und Abwickeln des Seiles (11) drehbar ist,

- einer Messeinrichtung zur Messung einer Seillast und

- einer Steuereinheit für den Antrieb (16), wobei durch die Steuereinheit aufgrund der gemessenen Seillast eine momentane Zugkraft an dem Seil (11) kontinuierlich bestimmbar und mit einer vorgebbaren Restzugkraft vergleichbar ist und bei Unterschreiten der Zugkraft unter die Restzugkraft die Leistung des Antriebes (16) entsprechend herabsetzbar und anpassbar ist, wobei durch eine Regelung die Zugkraft über der Restzugkraft gehalten wird,

dadurch gekennzeichnet,

- dass zum Abstoppen des Seiles (11) bei einem unteren Hubpunkt bei jedem Hubzyklus ein Tiefen-Umkehrpunkt in der Steuereinheit speicherbar ist und dass beim folgenden Hubzyklus vor Erreichen des vorausgehend gespeicherten Tiefen-Umkehrpunktes die Leistung des Antriebes (16) durch die Steuereinheit verminderbar ist.

2. Hubwinde nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Antrieb (16) als ein hydraulischer Antrieb ausgebildet ist.

3. Hubwinde nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Steuereinheit zusammen mit dem hydraulischen Antrieb eine elektro-hydraulische Regelung bildet.

4. Hubwinde nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Messeinrichtung an einer Umlenkrolle oder im Bereich der Trommel (12) angeordnet ist.

5. Verfahren zum Betrieb einer Hubwinde (10) gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1,
bei dem die Steuereinheit bei einem Unterschreiten der momentanen Zugkraft unter die Restzugkraft die Leistung des Antriebes (16) vermindert und anpasst, wobei die Leistung des Antriebes (16) anhand der momentan ermittelten Zugkraft durch die Steuereinheit geregelt wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass zum Abstoppen des Seiles (11) bei einem unteren Hubpunkt bei jedem Hubzyklus ein Tiefen-Umkehrpunkt in der Steuereinheit gespeichert wird und dass beim folgenden Hubzyklus vor Erreichen des vorausgehend gespeicherten Tiefen-Umkehrpunktes die Leistung des Antriebes (16) durch die Steuereinheit vermindert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass durch die Messeinrichtung die Seillast kontinuierlich gemessen wird und
dass die Steuereinheit kontinuierlich die momentane Zugkraft des Seiles (11) bestimmt und mit der vorgegebenen Restzugkraft vergleicht.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass zum Abstoppen des Seiles (11) an einem oberen Hubpunkt vor dessen Erreichen die Leistung des Antriebes (16) durch die Steuereinheit vermindert wird.

Claims

1. Winch, particularly Kelly winch for deep-well drilling tools, having

- a drum (12), mounted in rotary manner, for receiving a cable (11),

- a drive (16) through which the drum (12) can be rotated for winding and unwinding the cable (11),

- a measuring device for measuring a cable load and

- a control unit for the drive (16), said control unit, as a result of the measured cable load, being able to continuously determine an instantaneous tension on the cable (11) and to compare it with a predeterminable residual tension and if the tension drops below the residual tension the power of the drive (16) can be correspondingly reduced and adapted, the tension being kept by a control above the residual tension,

characterized in that

- for stopping the cable (11) at a lower lift point in each lift cycle a depth reversal point can be stored in the control unit and that prior to reaching the depth reversal point stored beforehand during the following lift cycle, the power of the drive (16) can be reduced by the control unit.

2. Winch according to claim 1,
characterized in that
the drive (16) is constructed as a hydraulic drive.

3. Winch according to claim 2,
characterized in that,
together with the hydraulic drive, the control unit forms an electrohydraulic control system.

4. Winch according to one of the claims 1 to 3,
characterized in that
the measuring device is located on a guide pulley or in the vicinity of the drum (12).

5. Method for operating a winch (10) according to the preamble of claim 1, in which, if the instantaneous tension drops below the residual tension, the control unit reduces and adapts the power of the drive (16), the power of the drive (16) being controlled by the control unit on the basis of the instantaneously determined tension,
characterized in that
for stopping the cable (11) at a lower lift point in each lift cycle a depth reversal point is stored in the control unit and that in the following lift cycle before reaching the depth reversal point stored beforehand the power of the drive (16) is reduced by the control unit.

6. Method according to claim 5,
characterized in that
the cable load is continuously measured by the measuring device and
that the control unit continuously determines the instantaneous tension of the cable (11) and compares it with the predetermined residual tension.

7. Method according to one of the claims 5 or 6,
characterized in that
for stopping the cable (11) at an upper lift point prior to the reaching thereof the power of the drive (16) is reduced by the control unit.

Revendications

1. Treuil, en particulier treuil de Kelly pour des engins de forage de génie civil, avec

- un tambour (12) monté rotatif et destiné à recevoir un câble (11),

- un entraînement (16) par lequel le tambour (12) peut être mis en rotation pour enrouler et dérouler le câble (11),

- un dispositif de mesure pour mesurer une charge sur le câble et

- une unité de commande pour l'entraînement (16), une force de traction instantanée sur le câble (11) pouvant être déterminée de manière continue par l'unité de commande à partir de la charge mesurée sur le câble et pouvant être comparée à une force de traction résiduelle prédéterminable et, si la force de traction est inférieure à la force de traction résiduelle, la puissance de l'entraînement (16) pouvant être baissée et adaptée en conséquence, la force de traction étant maintenue supérieure à la force de traction résiduelle par une régulation,

caractérisé

- en ce que pour arrêter le câble (11) en un point bas de levage, un point d'inversion bas peut être enregistré dans l'unité de commande à chaque cycle de levage, et en ce que, lors du cycle de levage suivant, avant d'atteindre le point d'inversion bas précédemment enregistré, la puissance de l'entraînement (16) peut être réduite par l'unité de commande.

2. Treuil selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'entraînement (16) est conformé en entraînement hydraulique.

3. Treuil selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'unité de commande forme avec l'entraînement hydraulique une régulation électro-hydraulique.

4. Treuil selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le dispositif de mesure est placé sur un rouleau de renvoi ou au niveau du tambour (12).

5. Procédé d'exploitation d'un treuil (10) selon le préambule de la revendication 1,
dans lequel, si la force de traction instantanée descend au-dessous de la force de traction résiduelle, l'unité de commande réduit et adapte la puissance de l'entraînement (16), la puissance de l'entraînement (16) étant régulée par l'unité de commande à partir de la force de traction instantanée déterminée,
caractérisé
en ce que, pour arrêter le câble (11) en un point bas de levage, un point d'inversion bas peut être enregistré dans l'unité de commande à chaque cycle de levage, et en ce que, lors du cycle de levage suivant, avant d'atteindre le point d'inversion bas précédemment enregistré, la puissance de l'entraînement (16) est réduite par l'unité de commande.

6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé
en ce que la charge sur le câble est mesurée de manière continue par le dispositif de mesure, et
en ce que l'unité de commande détermine en continu la force de traction instantanée du câble (11) et la compare à la force de traction résiduelle.

7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que, pour arrêter le câble (11) en un point haut de levage, la puissance de l'entraînement (16) est réduite par l'unité de commande avant d'atteindre ce point.

Zeichnung