SWITCHING AND CONTROL DEVICE FOR HYDRAULIC OR PNEUMATIC EQUIPMENTS

Abstract: 1. A switch and control device for implements which can be actuated (hydraulically or pneumatically) by flowing working media, especially for the operation of bolting tongs (1)for the bolting of sucker rods and of casings and production pipes of the drilling industry, wherein a power part (10) connected to the forward flow (11) of the working medium has two connection (13, 14) which are located on the flow-off side and one connection (13) of which is connected to a tank return line and the other to a control part (15) for controlling the opening cross-section of the connection located on the tank side.

Description: Schalt- und Steuereinrichtung für hydraulisch oder pneumatisch betätigbare Arbeitsgeräte Die Erfindung betrifft eine Schalt- und Steuereinrichtung für durch strömende Arbeitsmittel - beispielsweise hydraulisch oder pneumatisch-betätigbare Arbeitsgeräte, insbesondere für den Betrieb von Verschraubzan gen zum Verschrauben von Pumpgestänge 9 Futter- und Förderrohren der Bohrindustrie. In der Bohrindustrie werden für das Verschrauben von Pumpgestänge, Futter- und Förderrohren Kraftverschraubzangen eingesetzt. Verschraubzangen werden zum Komplettieren oder Zerlegen von Bohrsträngen und Rohrtouren benötigt. Eine allgemein eingeführte Verschraubzange mit offenem Rotorsystem wird im Deutschen Bundespatent 27 26 472 beschrieben. Sie weist eine Gehäuseöffnung auf, welche zur Aufnahme des Stranges dient. Zangen mit offenem Rotorsystem haben einen sehr grossen Marktanteil erworben, da sie sehr schnell zum Verschrauben angeschwenkt und nachher aus dem Arbeitsfeld weggeschwenkt werden können. Verschraubzangen entwickeln zum Herstellen von Rohrver bindungen sehr hohe Drehmomente. Bei der Kraftabgabe stellen sich Aufbiegekräfte an der Zangenöffnung ein. Zur Entlastung der Gehäusewangen wird eine Verriegelungsklappe installiert. Diese Klappe verstärkt in erster Linie den Zangenkörper und verhindert ein Aufbiegen, was zur Beschädigung oder zum Ausfall des Geräts führt. Die Zangenverstärkung dient nicht nur als Klappe, sondern gleichzeitig als Schutzeinrichtung für die Bedienungsperson durch Sperrung des Zugangs und Eingriffs in das Rotor- und Spannsystem beim Betrieb. Die Klappeneinrichtung hat sich als Versteifungs- und Sicherheitsmassnahme ausgezeichnet bewährt. Es geschieht jedoch häufig, dass Bedienungspersonen wegen vermeintlicher Zeitersparnis die Klappe während des Schraubvorganges geöffnet lassen oder sogar demontieren. Diese Nachlässigkeiten führen zur Gerätebeschädigung, dar überhinaus entsteht zwangsläufig eine Gefahrensituation für beteiligte Personen. Im US-Patent 2 705 614 wird eine Klappenbetätigung beschrieben, welche die Klappe hydraulisch schliesst, sobald das Greifsystem der Zange aktiviert wird, da die Zylinder miteinander verschaltet sind. Diese Art Klappensicherung ist nicht auf andere Verschraubgerätetypen übertragbar. Die Ansteuerung über eine hydraulische Kraft stellt im Augenblick der Betätigung eine Gefährdung für das Personal dar. Eine Sicherungsmöglichkeit zeigt das US-Patent 4 170 907. Ein Pneumatikventil fragt die Stellung der Klappe ab und schaltet bei eingeschwenkter Klappe die zugefUhrte Druckluft auf den Steuerteil eines grossvolumigen Wegeventils, welches dann den Hydraulikfluss durch den Antriebsmotor ermöglicht. Bei geöffneter Klappe ist der Ventilsteuerteil entlüftet und eine Feder schiebt die Ventilspindel in Ausgangsstellung und sperrt den Zufluss von Hydrauliköl zum Motor. Von Nachteil hierbei ist, dass diese Sicherungsart den Zufluss von Fremdenergie, in diesem Falle von Druckluft, benötigt. Sicherheitsbestimmungen verlangen, dass ein Kraftschraubgerät jederzeit von einer unbeteiligten Person kraftlos geschaltet werden kann. Das Gerät darf auch nicht ohne erneute Arbeitsfreigabe betätigt werden können. Bei Anwendung dieser Bestimmung sind zwei Steuerungsarten bekannt: Der Zulauf für das Arbeitsgerät wird durch ein grossvolumiges Wegeventil hindurch, welches sich auf der Arbeitsplattform befindet, zum Verschraubgerät geführt. Um den Kraftfluss zu unterbrechen, muss das Ventil von Hand umgeschaltet werden, so dass der Zulauf direkt mit dem Rücklauf des Aggregats verbunden wird. Diese Einrichtung ist als Vorschaltgerät für das Arbeitsgerät Zange zu betrachten. Der Anschluss unterbleibt häufig, da dieses Gerät das Mitführen von Zusatzschläuchen fUr das vorschaltbare Ventil bedingt. Die gross dimensionierten Schläuche werden bei den beengten Platzverhältnissen auf einer Arbeitsbühne hinderlich und stören den Arbeitsablauf. Bei der zweiten Steuerungsart wird im Aggregat ein Hebelventil durch pneumatische Beaufschlagung eines Zylinders auf Durchgang geschaltet. Hierbei fliesst das Hydrauliköl zum Arbeitsgerät. Bei Umsteuerung des Zylinders wird der Ölstrom direkt zum Tank zurückgeführt. Die Umsteuerung in die Abschaltstellung ist durch einen Federrückzug am Hebel bei gleichzeitiger Entlastung des Pneumatikzylinders möglich. Hydraulische Verschraubgeräte sind üblicherweise mit einer Druckbegrenzungseinrichtung ausgerüstet, welche als direktgesteuerte Einbaupatrone für die Einlasssektion einer Ventileinheit ausgebildet ist. Diese Ventile erhalten im Normalfall einen Einstellwert, welcher dem maximalen Arbeitsdruck entspricht. Nur durch Benutzung von grossen Werkzeugen ist eine Druckverstellung möglich und am Einsatzort schwer durchzuführen. Die Anpassung der Zangenschraubkraft an die vom Rohrmaterial vorgegebenen Werte erreicht man durch Verstellung der Druckbegrenzung am entfernt stehenden Hydrau likaggregat. Die technische Weiterentwicklung liess Verschraubeinheiten entstehen, die nicht mit einem Verbraucher, normalerweise einem Hydraulikmotor, auskommen. Diese Einheiten erreicht man durch den Anbau von Konterzangen, Liftzylindern, Verfahreinheiten und ähnlichem, welche allgemein hydraulisch betrieben werden Die Zuschaltung von Sektionen in die Handhebel-Ventil-steuerung ermöglicht den Betrieb von Zusatzfunktionen mit Hilfe der Hydraulik des Verschraubgerätes. Jeder Funktion muss durch ein zusätzliches Druckbegrenzungsventil ein maxi- mal zulässiger Druck zugeordnet werden. Die Vielzahl der Betätigungen lässt komplizeierte Rohrführungen entstehen, deren Durchlassweiten dem zufliessenden Ölstrom nicht entsprechen und somit fliesst ein Grossteil des Hydrauliköles durch Aufstauen des Flusses über das Haupt-Druckbegrenzungsventil unter Erzeugung von Wärme in den Rücklauf. Für diese Wärmebelastung sind die vorhandenen Aggregate nicht ausgelegt, da beim Betrieb einzelner Funktionen immer der Hauptteil des Ölflusses am Haupt-Druckbegrenzungsventil entspannt wird, dessen Einstellung dem des höchsten Verbrauchers ent- spricht. Der Erfindung iegt die Aufgabe zugrunde, Abhilfe zu schaffen und eine vereinfachte Sicherheits- und Steuereinrichtung der eingangs genannten Art so auszubilden, dass mit wesentlich einfacheren Mitteln die sicherheitstechnischen Auflagen, wie vor beschrieben, erfüllt werden können. Die erfindungsgemässe Lösung zeichnet sich durch ein mit dem Vorlauf des Arbeitsmittels verbundenes Leistungsteil aus, das mit zwei abströmseitigen An schlüssen ausgerüstet ist, von welchen ein Anschluss mit einem Steuerteil zur Steuerung des Öffnungsquerschnitte des tankseitigen Anschlusses verbunden ist. Besonders vorteilhaft eignet sich ein Leistungsteil mit einem Steuerelement in Form eines kolbenförmigen Ventilkörpers mit gleichgrossen Flächen an beiden vom Druck des Arbeitsmittels beaufschlagbaren Stirnseiten und mit einer in Richtung der Ventilkörperbewegung verlaufenden Bohrung, die an ihrem anströmseitigen Ende eine konische Erweiterung aufweist. Gleichzeitig ist die Anströmseite des Ventilkörpers strömungsgnstig, beispielsweise konisch geformt. Mit dieser so gebildeten kegelstumpf förmigen Mantelfläche liegt der Ventilkörper in Schliessstellung an einem Ventilsitz dichtend an und sperrt dadurch die unmittelbare Verbindung des Vorlaufs mit dem Rücklauf in den Tank des Arbeitsgerätes. Im Gegensatz zu den bekannten Geräten weist die Erfindung nur ein einziges Leistungsteil mit einer grossen Durchlassweite auf. Es kann durch beliebig viele zuschaltbare Steuereinheiten, die in ihren Baumassen klein ausfallen und verschiedenen Funktionen zugeordnet sind, angesteuert werden. Die Steuerung bedarf keiner Fremdenergie, sondern versorgt sich ebenfalls aus dem Zufluss des Arbeitsmittels zum Leistungsteil. Das Steuerteil enthält die Funktionsinformationen für das Leistungsteil. Die Einrichtung ist damit geeignet, gleichzeitig sowohl Sicherheitsfunktionen als auch anwendungstechnische Funktionen über das Leistungsteil in den Arbeitskreislauf einzubringen. Die wichtige Funktion der Klappensicherung kann beispielsweise durch ein kleines Schliessventil abgefragt werden. Das Leistungsteil wird von einem geringen Ölstrom dem Steueröl, durchflossen. Sobald dieses Öl aufgestaut wird, schliesst sich das Leistungsteil und ermöglicht den Zufluss des Arbeitsmittels zu den Verbrauchern. Bei geschlossener Sicherheitsklappe des Arbeitsgerätes wird das entsprechende Steuerventil und anschliessend der Ventilkörper im Leistungsteil in Schliessstellung gebracht, so dass der freie Durchfluss zum Rücklauf am Leistungsteil gesperrt wird. Es kann sich ein Druckanstieg im Verbraucherkreis einstellen. Die Entlastung des Ölflusses durch das Leistungsteil wird erreicht, sobald das Steuerventil geöffnet wird und das aufgestaute Steueröl sich durch den Rück laufanschluss entspannen kann. Bei geöffneter Klappe ist es nicht möglich, einen Verbraucher zu aktivieren, da der Hauptzulauf zum Gerät entlastet und somit kraft- los ist. Somit entsteht ein umfassender Schutz für das Gerät und auch für das Personal. Die Bestimmungen des Gerätesicherheitsgesetzes können in einfacher Weise erfüllt werden, indem parallel zur Klappensicherung der Steuerölstrom über einen dünnen (ca. 20 mm Durchmesser) Schlauch zu einem Sperrventil (z. B. Kugelhahn) geführt wird. Vom'Sperrventil führt ein zweiter Schlauch zurück zum Rücklaufanschluss des Verschraubgerätes. Die Zangenoperation oder die Aktivierung anderer Verbraucher ist nur möglich, wenn das Steueröl an diesem Sperrventil aufgestaut wird. Nur hierdurch ist das Schliessen des Leistungsteiles möglich, welches der Verschraubeinheit Drucköl zufliessen lässt. Permantes Öffnen sichert das Gerät vor unbefugter Benutzung. Die Klappensicherung und die Not-Aus-Abschaltung sind einzeln voll wirksam durch eine Parallelschaltung. Das Gerät kann erst dann betrieben werden, wenn beide Kontroll-einrichtungen für den Betrieb geschlossen wurden. Bei der Erweiterung von Verschraubgeräten durch Zuschalten zusätzlicher Verbraucher entstehen Verschraubeinheiten, deren krafterzeugende Elemente auf verschiedenen Druckebenen arbeiten. Sie werden jedoch alle aus dem Versorgungskreislauf der Verschraubzange gespeist. Bei dieser erweiterten Schaltung ist es nicht mehr notwendig, die Absicherung des Hauptkreises gegen Überdruck am Druckbegrenzungsventil des Aggregates vorzunehmen. Beim Erfindungsgegenstand geschieht die Druckbegrenzung des Hydrauliköl-Kreislaufes über denselben Leistungsteil Das Steueröl wird von der Rückseite des Ventilkörpers im Leistungsteil zu einem Druckbegrenzungs-Vorsteuerventil im Steuerteil geführt, welches im entlasteten Zustand geschlossen ist. Bei Druckanstieg über den Einstellwert hinaus öffnet sich ein Ringspalt am Steuerkegel des Vorsteuerventils und ein Teil des Steueröls fliesst zum Rücklaufanschluss. In der Zulauf-Leitung zum Vorsteuer-Druckbegrenzungsventil stellt sich der vorgegebene Druckwert ein, der die Stellung des Ventilkörpers im Leistungsteil entsprechend beeinflusst. Die Presskraft eines Hydraulikzylinders für eine Spannfunktion wird in gleicher Weise stufenlos einstellbar. Hierzu wird wiederum an den Steuerölfluss desselben Leistungsteiles ein weiteres Vorsteuer-Abschaltventil angeschlossen, dessen Ansteuerungsleitung mit der Druckversorgung des Hydraulikzylinders verbunden ist. Bei Erreichen des Sollwertes begrenzt das Leistungsteil den Haupt ölstrom in dieser Höhe. Alle Steuerelemente, die-das Leistungsteil für seine vielfachen Funktionen aussteuern, sind voneinander unabhängig und können sich gru-ndsätzlich nicht gegeneinander beein flussen. Bei gleichzeitiger Betätigung mehrere Arbeitselemente wird immer nur der niedrigste Druckwert im Hauptkreis zugelassen. Bei der Abschaltung durch eine der Sicherheitseinrichtungen ist der Arbeits-Hauptstrom mit dem Rücklauf kurzgeschlossen und die Kraftzuführung zu einem nachgeschalteten Verbraucher verhindert. Die Schutzeinrichtungen wirken somit auf alle zum Arbeitsgerät, bei spielsweise Verschraubeinheit, gehörenden Funktionen und erzeugen einen umfassenden Geräte- und Personenschutz. Sogar ein Defekt, Zerstörung oder Abriss einer Steuerleitung führt zur sofortigen Sicherheitsabschaltung im Leistungsteil, welches eine weitere Benutzung des Gerätes unmöglich machte bis der Defekt beseitigt wird. Die Steuerventile können in Plattenbauweise erstellt und hierdurch in ihrer Anzahl variierbar und dem Umfang der Steuerung anpassbar sein. Der Erfindunsgegenstand ist geeignet, zur Nachrüstung an verschiedenen Geräten angebaut zu werden. Er-ist voll auf pneumatisch betriebene Geräte anwendbar; es sind hierfür lediglich die Einzelteile in Gestalt von Pneumatikelementen anstelle von Hydraulikventilen einzusetzen. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung rein schematisch dargestellt und nachstehend erläutert. Hierin zeigen: Fig. 1 - die Draufsicht auf eine Verschraubzange Fig. 2 - die Stirnansicht der Verschraubzange gem. Fig. 1 Fig. 3 - den Schaltplan eines gebräuchlichen Hydrau likkreislaufs für das Arbeitsgerät gem. Fig. 1 mit dem Leistungsteil und dem Steuer teil Fig. 4 - den Läng-sschnitt durch das Leisungsteil Die Verschraubzange 1 mit dem Gehäuse 2 ist mit einer Sicherheits- und Verriegelungsklappe 3 zum Verschlie ssen der Gehäuseöffnung 4 und zur Entlastung der Gehäusewangen 2. a und 2 b ausgerüstet. An der Innenseite der Verriegelungsklappe 3 ist ein mechanischer Abtastschalter 5 zum Abfragen der Klappenstellung angeordnet. In einem Gehäuseansatz 6 sind die Schaltelemente für die Zangenhydraulik untergebracht. Das Leistungsteil 10 ist über den Anschluss 11 a mit dem Vorlauf 11 für den Antriebsmotor 12 des Arbeitsgerätes im Nebenschluss verbunden (Fig. 3). Vom Leistungsteil 10 führt ein Anschluss 13 unmittelbar in den Tankrücklauf. Ein weiterer Anschluss 14 führt zum Steuerteil 15 mit mehreren Steuereinheiten für verschiedene Funktionen. In dem gezeigten Beispiel enthält das Steuerteil 15 Ventile 16, 17 18, 19 20 zur Motorkraftbegrenzung, zur Spannkraftbegrenzung, zur Druckbegrenzung für das Arbeitsmittel, für die Abfrage einer Sicherheitseinrichtung, beispielsweise der Sicherheitsklappe 3 und zur Not-Ausschaltung des Arbeitsgerätes. Das Leistungsteil 10 des gezeigten Beispiels besteht aus einem Ventilgehäuse 21 in Form einer Einschraubpatrone, in welchem ein kolbenförmiger Ventilkörper 22 bewegbar und in Schliessstellung an einem ringförmigen Ventilsitz 23 anliegt. Der Ventilkörper ist mit einer in seiner Bewegungsrichtung verlaufenden Bohrung 24 versehen. Am anströmseitigen Ende ist die Bohrung mit einer trichterförmigen Erweiterung 24 a ausgeführt. Ausserdem ist in die Bohrung eine Durchflussbegrenzungsdüse 25 zur Kalibrierung eingesetzt. Die Durchflussöffnung für das strömende Arbeitsmittel bei Öffnung des Ventils zum Tankrücklauf 13 ist mit 26 bezeichnet. Ein Begrenzungsanschlag 27 am abströmseitigen Ende der Einbaupatrone 21 dient zur Hubbegrenzung des Ventilkörpers 22. Das Arbeitsmittel fliesst dem Leistungsteil 10 durch die stirnseitige Bohrung der hülsenförmigen Einschraubpatrone 21 zu. Im unteren Teil verjüngt sich die Bohrung absatzartig und bildet eine Umlaufkante 23, welche als Dichtfläche für den Ventilkörper 22 dient. Sobald der Ventilkörper mit seiner Stirnseite diese Dichtkante berührt, ist der Durchfluss des Arbeitsmittels durch die Einschraubpatrone, d. h. durch die abgesetzte Dichtboh rungen 26 zum Rücklaufanschluss 13 gesperrt. Der Zufluss des Arbeitsmittels wird durch die Einschraubdüse 25 genau begrenzt, sie ist auf die Grösse der im Steuerteil 15 angeordneten Steuerelemente 16 bis 20 abgestimmt und beeinflusst die Schaltgeschwindigkeit. Steuerventile 16 bis 20 sind gemeinsam durch den Anschluss 14 Leistungsteil 10 verbunden. Sobald alle Vorsteuerventile geschlossen sind, baut sich über die Steuerdüse hinter dem Ventilkörper 22 ein Druck auf, welcher in geringem Masse über dem des Zulaufs liegt. Diese Kraft bewegt den Ventilkörper entgegen der Anströmrichtung auf die Dichtkante 23 zu.und sperrt anschliessend den Durchfluss. In diesem Moment erhält die Ventilkörperrückseite einen Flächenüberschuss, da die Zulauffläche durch die Berührung des Ventilkörpers mit der Dichtkante verkleinert wird. Der Flächenüberfluss bewirkt eine stabile Schaltstellung des Ventilkörpers in geschl- senem Zustand des Leistungsteiles. Die Schliesskraft für die Schliessbewegung des Ventilkörpers 22 wird durch die Gestaltung des Düsenzuflusses 24 a erreicht. Der trichter bzw. düsenförmige Einlauf steht als direkte Anströmflache in der Mitte des Zulaufstromes, welcher durch die konische Ausbildung der Ventilkörperanströmseite bei geöffneten Ventilkörper eine sanfte Umlenkung in den Rücklaufringraum 29 ausserhalb des Leistungsteiles erfährt. Das anströmende Arbeitsmittel wird im trichterförmigen Einlauf 24 a der Bohrung 24 auf die Durchflussbegrenzungsdüse 25 konzentriert. Es entsteht ein Staudruck, der sich durch die Bohrung 24 hindurch in den Raum auf der Ventilkörperrückseite fortsetzt und dort den Druck über den anströmseitigen Druck hinaus erhöht. Dadurch erfährt der Ventilkörper in geöffnetem Zustand eine Schliessbewegung, obwohl bis zum Moment des Dichtens die Fläche der Ventilkörperanströmseite ebenso gross ist wie die Fläche auf der Abströmseite und eine Feder für die Rückstellung nicht eingesetzt ist. Die Bewegungskraft für den Ventilkörper passt sich dadurch selbständig den Durchlaufverhältnissen an. Der Einsatz einer zusätzlichen Schliessfeder ist gleichwohl dennoch möglich.

Claims: P A T E N T A N S P R Ü C H E 1. Schalt- und Steuereinrichtung für durch strömende Arbeitsmittel (hydraulisch oder pneumatisch) betä tigbare Arbeitsgeräte, insbesondere für den Betrieb von Verschraubzangen zum Verschrauben von Pumpge stängen, Futter- und Förderrohren der Bohrindustrie, gekennzeichnet durch ein mit dem Vorlauf (1l) des Arbeitsmittels verbundenes Leistungsteil (10) mit zwei abströmseitigen Anschlüssen (13, 14), von wel chen ein Anschluss (13) mit einer Tankrückführlei tung, der andere mit einem Steuerteil (15) zur Steue rung des Öffnungsquerschnittes des tankseitigen An schlusses verbunden ist. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Steuerelement innerhalb des Leistungsteiles (10) ein kolbenförmiger Ventilkörper (22) mit gleich grossen Flächen an beiden Stirnseiten und mit einer in Richtung der Ventilkörperbewegung verlaufenden Boh rung (24) angeordnet ist, welche an ihrem anström seitigen Ende eine konische Erweiterung (24 a) auf weist, weist, und dass die Anströmseite des Ventilkörpers strömungsgünstig geformt ist, mit welcher er in Schliessstellung an einem Ventilsitz (23), anliegt. 3. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 und/oder 2, da durch gekennzeichnet, dass die Kolbenbohrung mit ei ner Durchflussbegrenzungsdüse (25) ausgerüstet ist. 4. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungs teil als Einschraubpatrone (21) für den direkten Einbau in eine Handhebel-Ventilsektion ausgebildet ist. 5. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das dem Lei stungsteil zugeordnete Steuerteil aus mehreren pa rallel zueinander gehaltenen unterschiedlichen Funktionen zugeordneten Steuereinheiten besteht. 6. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerteil ein Not-Ausventil (20) für das Arbeitsgerät (12) enthält. 7. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerteil ein Abfra9eventigl9hn Verbindung mit der Sicherheits einrichtung enthält. 8. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerteil ein Druckbegrenzungsventil (18) für das Arbeitsme dium enthält. g. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerteil ein Ventil zur Spannkraftbegrenzung (17) des Arbeits gerätes enthält. 10. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerteil ein Begrenzungsventil (16) für die Motorkraft ent hält.

Inventors: BOCK, HANS-CHRISTIAN, SCHULZE-BECKINGHAUSEN, JORG, Schulze-Beckinghausen, Jörg
Applicants: WEATHERFORD OIL TOOL GMBH
Application year: 1983
Main classification: E21B19
IPC codes: B23P19, E21B19