РАБОЧАЯ МАШИНА И СПОСОБ ОБРАБОТКИ ГРУНТА
WORKING MACHINE AND METHOD OF SOIL TREATMENT

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к рабочей машине, в частности к строительной машине, содержащей мачту, вдоль которой посредством регулирующего устройства предусмотрена возможность вертикального перемещения силовой вращающей головки, с помощью которой предусмотрена возможность направления перемещаемым образом телескопической ведущей бурильной колонны, содержащей по меньшей мере две ведущие буровые штанги, при этом предусмотрена внешняя ведущая буровая штанга, выполненная с возможностью опирания на силовую вращающую головку, и внутренняя ведущая буровая штанга, которая содержит тросовую подвеску для троса, с помощью которой предусмотрена возможность вертикального перемещения внутренней ведущей буровой штанги посредством основной тросовой лебедки, причем ведущие буровые штанги на их внешних и/или внутренних сторонах для передачи крутящего момента снабжены проходящими в осевом направлении захватными планками, а также блокировочными углублениями на захватных планках и/или осевых блокировочных элементах, которые для блокировки в осевом направлении ведущих буровых штанг выполнены с возможностью вхождения в блокировочные углубления, или для разблокировки выполнены с возможностью выхода из блокировочных углублений, согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения.
Изобретение также относится к способу обработки грунта рабочей машиной, содержащей мачту, вдоль которой посредством регулирующего устройства перемещают по вертикали силовую вращающую головку, с помощью которой перемещают и направляют телескопическую ведущую бурильную колонну, содержащую по меньшей мере две ведущие буровые штанги, причем предусмотрена внешняя ведущая буровая штанга, опирающаяся на силовую вращающую головку, и внутренняя ведущая буровая штанга, подвешенная на тросе, с помощью которого внутреннюю ведущую буровую штангу перемещают по вертикали посредством основной тросовой лебедки, причем ведущие буровые штанги на их внешних и/или внутренних сторонах для передачи крутящего момента снабжены проходящими в осевом направлении захватными планками, а также блокировочными углублениями на захватных планках и/или осевых блокировочных элементах, которые для блокировки в осевом направлении ведущих буровых штанг вводят в блокировочные углубления, или для разблокировки выводят из блокировочных углублений, согласно ограничительной части пункта 7 формулы изобретения.
Уровень техники
Ведущая бурильная колонна представляет собой телескопическую инструментальную колонну, которая состоит из нескольких трубчатых штанговых элементов и содержит по меньшей мере внешнюю ведущую буровую штангу и внутреннюю ведущую буровую штангу. Внутренняя ведущая буровая штанга и, таким образом, ведущая бурильная колонна в целом подвешена на тросе, при этом ведущая бурильная колонна направляется посредством ведущего бурового направляющего устройства и/или кольцевого привода вращения, также называемого силовой вращающей головкой. Через ведущую бурильную колонну крутящий момент может передаваться от привода вращения к инструменту обработки грунта, в частности к буровому инструменту, который установлен на нижнем конце внутренней ведущей буровой штанги. Посредством соответствующего телескопического выдвижения отдельных ведущих буровых штанговых элементов относительно друг друга могут быть достигнуты большие глубины бурения.
Для передачи крутящего момента отдельные ведущие буровые штанговые элементы на их внешней стороне и на их внутренней стороне содержат проходящие в осевом направлении упорные планки, которые служат для передачи крутящего момента. Кроме того, в конкретных осевых положениях, особенно в начальной и конечной областях, предусмотрены блокировочные углубления или блокировочные элементы, посредством которых ведущие буровые штанговые элементы могут быть заблокированы относительно друг друга в осевом направлении. Таким образом, осевые сжимающие силы также могут быть приложены через буровой привод к ведущей бурильной колонне и, следовательно, к инструменту обработки грунта. Внешняя ведущая буровая штанга может быть также соединена с буровым приводом в осевом направлении.
Особенно при прерывистой обработке грунта, например, при образовании буровой скважины ковшебуром, ковшебур должен повторяемо перемещаться в буровую скважину и из нее. В зависимости от соответствующей глубины буровой скважины ведущая бурильная колонна соответственно повторяемо телескопически вдвигается и выдвигается. После заполнения ковшебура извлеченным материалом грунта он должен быть извлечен из буровой скважины для опорожнения. Для этого отдельные ведущие буровые штанговые элементы должны быть снова разблокированы и вдвинуты друг в друга. В этом вдвинутом положении ведущая бурильная колонна может быть извлечена из буровой скважины вместе с ковшебуром и повернута в положение опорожнения. После этого для следующей операции бурения буровой инструмент снова перемещают в буровую скважину с новым телескопическим раздвиганием ведущей бурильной колонны.
Телескопическое вдвигание и выдвигание ведущей бурильной колонны требует времени и соответствующих навыков оператора буровой установки. Обычно положения блокировки скрыты, так что оператор буровой установки не может идентифицировать, где расположены блокировочный элемент и блокировочное углубление. Известно, что оператору буровой установки на его операторском мониторе отображается положение отдельных ведущих буровых штанговых элементов относительно друг друга. Однако такие дисплеи очень сложны с точки зрения управления и требуют точной калибровки отдельных приводных компонентов и положений ведущей бурильной колонны перед началом бурения. Кроме того, в управляющее устройство должен быть введен тип используемой ведущей бурильной колонны.
Способ контролирования ведущей бурильной колонны известен из патентного документа DE 1020201950 А1.
Раскрытие сущности изобретения
Задачей изобретения является создание рабочей машины и способа обработки грунта, которые обеспечивают особенно эффективную работу с ведущей бурильной колонной.
Поставленная задача решена, с одной стороны, с помощью рабочей машины, имеющей признаки пункта 1 формулы изобретения, а с другой стороны, способом, имеющим признаки пункта 7 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления изобретения изложены в соответствующих зависимых пунктах формулы изобретения.
Рабочая машина в соответствии с настоящим изобретением отличается тем, что предусмотрено управляющее устройство, выполненное с возможностью автоматической блокировки и/или разблокировки ведущей буровой штанги, при этом посредством первого регистрирующего устройства предусмотрена возможность регистрирования угла поворота по меньшей мере одной ведущей буровой штанги, и/или посредством второго регистрирующего устройства предусмотрена возможность регистрирования изменения силы, крутящего момента или давления в приводной системе, с помощью которой приводятся в действие регулирующее устройство, силовая вращающая головка и/или основная тросовая лебедка, причем управляющее устройство выполнено с возможностью определения блокировки и/или разблокировки ведущей буровой штанги в зависимости от зарегистрированного угла поворота и/или зарегистрированного изменения силы, крутящего момента или давления.
Основная идея изобретения заключается в том, что предусмотрено управляющее устройство, выполненное с возможностью автоматической блокировки и/или разблокировки ведущей буровой штанги. При этом с помощью первого регистрирующего устройства можно определить угол поворота по меньшей мере одной ведущей буровой штанги. Так, блокировочный элемент первой ведущей буровой штанги может быть приложен с некоторым небольшим давлением к захватной планке второй противоположной ведущей буровой штанги. Во время относительного осевого перемещения двух ведущих буровых штанг друг относительно друга угол поворота сначала остается неизменным. Как только во время этого осевого перемещения блокировочный элемент достигает блокировочного углубления, который образует осевую выемку вдоль захватной планки, блокировочный элемент входит в блокировочное углубление. Это резкое изменение угла поворота может быть зарегистрировано первым регистрирующим устройством в качестве индикации того, что произошла блокировка. Изменение угла поворота может быть зарегистрировано непосредственно с помощью соответствующих датчиков угла, например инкрементных датчиков, или косвенным образом с помощью изменения силы, крутящего момента или давления в приводной системе привода вращения, например, как кратковременное падение нагрузки. Приводная система может быть выполнена в виде электрической или предпочтительно в виде гидравлической приводной системы.
В качестве альтернативы или дополнения, в соответствии с еще одним аспектом изобретения посредством второго регистрирующего устройства предусмотрена возможность регистрации изменения силы, крутящего момента или давления в приводной системе, с помощью которой приводятся в действие регулирующее устройство, силовая вращающая головка и/или основная тросовая лебедка. При блокировке блокировочного элемента в блокировочном углублении, две смежные ведущие буровые штанги заблокированы друг относительно друга. Простое осевое перемещение блокировочного элемента больше невозможно, что может быть установлено в виде соответствующего увеличения мощности в приводной системе узла осевого привода. Осевое перемещение двух ведущих буровых штанг относительно друг друга может осуществляться посредством регулирующего устройства, силовой вращающей головки и/или основной тросовой лебедки. В зависимости от того, какой узел привода используется, можно контролировать, например, давление в соответствующей гидравлической системе или во всей системе, и, таким образом, можно определить возможное увеличение давления. То же самое применимо обратным образом к разблокировке.
В зависимости от зарегистрированного угла поворота и/или зарегистрированного изменения мощности управляющее устройство может, таким образом, надежно определять блокировку и/или разблокировку ведущей буровой штанги.
В простейшем случае ведущая бурильная колонна состоит только из двух ведущих буровых штанг, а именно трубчатой внешней ведущей буровой штанги и внутренней ведущей буровой штанги, расположенной в ней с возможностью перемещения. Для достижения больших глубин бурения предпочтительно в соответствии с другим вариантом осуществления изобретения, чтобы ведущая бурильная колонна имела одну или несколько промежуточных ведущих буровых штанг, которые расположены между внешней ведущей буровой штангой и внутренней ведущей буровой штангой. В частности, предпочтительными являются ведущие бурильные колонны с тремя или четырьмя ведущими буровыми штангами.
Рабочая машина в соответствии с настоящим изобретением с ведущей бурильной колонной может использоваться, по существу, для различных операций. В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения особенно целесообразно, чтобы на нижнем конце внутренней ведущей буровой штанги был установлен с возможностью отсоединения буровой инструмент, в частности ковшебур или буровой шнек. Такие буровые инструменты могут быть использованы для прерывистого бурения, в котором ведущая бурильная колонна должна повторяемо выводиться и вводиться.
Другой предпочтительный вариант осуществления изобретения заключается в том, что предусмотрено по меньшей мере одно устройство ввода, с помощью которого могут быть введены тип и/или размер ведущей бурильной колонны, положение регулирующего устройства для силовой вращающей головки, положение троса, и/или тип и/или размер силовой вращающей головки. В простейшем случае ввод может осуществляться через терминал ввода. Альтернативно, положения могут обнаруживаться автоматически с помощью датчиков. Кроме того, можно поместить соответствующие компоненты в определенное исходное положение и калибровать рабочую машину с указанными компонентами. Предпочтительный вариант осуществления изобретения заключается в том, что первое регистрирующее устройство содержит датчик угла поворота для определения угла поворота. Предпочтительно, чтобы датчик угла поворота был встроен в силовую вращающую головку. Однако могут быть предусмотрены любые другие конструкции датчиков, которые пригодны для прямого или косвенного определения угла поворота.
Другой целесообразный вариант осуществления изобретения заключается в том, что второе регистрирующее устройство содержит датчик давления для регистрирования увеличения давления. Датчик давления предпочтительно может быть предусмотрен в линии давления соответствующей гидравлической системы. Предпочтительно датчик давления расположен близко к компоненту, давление которого должно контролироваться для управления блокировкой.
Способ в соответствии с настоящим изобретением отличается тем, что посредством управляющего устройства ведущие буровые штанги блокируют или разблокируют автоматически, причем посредством первого регистрирующего устройства определяют угол поворота по меньшей мере одной ведущей буровой штанги и/или посредством второго регистрирующего устройства определяют изменение силы, крутящего момента или давления в приводной системе, с помощью которой приводят в действие регулирующее устройство, силовую вращающую головку и/или основную тросовую лебедку, причем посредством управляющего устройства в зависимости от зарегистрированного угла поворота и/или зарегистрированного изменения силы, крутящего момента или давления определяют блокировку и/или разблокировку ведущей буровой штанги.
Способ согласно изобретению может быть реализован, в частности, с помощью рабочей машины, раскрытой выше. Соответственно, могут быть достигнуты раскрытые выше преимущества.
Предпочтительный вариант осуществления способа заключается в том, что для блокировки и/или разблокировки инструмент обработки грунта на ведущей бурильной колонне помещают на грунт, в частности, на дно буровой скважины. При этом инструмент обработки грунта и жестко соединенная с ним внутренняя ведущая буровая штанга находятся в известном положении. Предпочтительно, внешняя ведущая буровая штанга или промежуточная ведущая буровая штанга в соответствии с настоящим изобретением может затем перемещаться относительно внутренней ведущей буровой штанги до тех пор, пока не будет осуществлена желаемая блокировка или разблокировка. В принципе, способ согласно изобретению может использоваться для каждого применения, в котором требуется инструмент с ведущей бурильной колонной. В соответствии с вариантом осуществления, особенно предпочтительно, чтобы в грунте образовывали буровую скважину. Образование буровой скважины может быть осуществлено путем выемки материала грунта.
Согласно еще одному варианту осуществления изобретения предусмотрено, что буровую скважину заполняют для формирования фундаментного элемента. В простейшем случае фундаментный элемент может быть заполнен с помощью сыпучего материала, например песка или гравия. Предпочтительно, чтобы фундаментный элемент был образован путем заполнения отверждающейся массой, в частности бетонным материалом.
В соответствии с другим вариантом осуществления способа в соответствии с изобретением, предпочтительно, чтобы для блокировки ведущей буровой штанги к ней прикладывали первый крутящий момент, при этом блокировочный элемент прикладывают с небольшим давлением к захватной планке противоположной ведущей буровой штанги, причем две ведущие буровые штанги перемещают в осевом направлении относительно друг друга до тех пор, пока блокировочный элемент не повернется в направлении по окружности в блокировочное углубление и/или не упрется в осевом направлении. Относительное прижатие между блокировочным элементом и захватной планкой осуществляют при начальном небольшом давлении, которое задают управляющим устройством. При этом давление устанавливают таким образом, что две ведущие буровые штанги могут по-прежнему перемещаться в осевом направлении относительно друг друга с относительно малыми силами трения. При прохождении блокировочного элемента через блокировочное углубление блокировочный элемент поворачивается в блокировочное углубление в направлении по окружности. Это блокировка может быть обнаружена как за счет изменения угла поворота между двумя противоположными ведущими буровыми штангами, так и за счет изменения давления в узле осевого привода. Посредством управляющего устройства затем автоматически устанавливается осевое перемещение двух ведущих буровых штанг друг относительно друга. В некоторых случаях может осуществляться дополнительное осевое перемещение, если требуется дополнительная блокировка с другой ведущей буровой штангой.
В соответствии с настоящим изобретением другой вариант способа заключается в том, что осуществляют осевое относительное перемещение ведущей буровой штанги с блокировочным элементом на заданное расстояние. Заданное расстояние может составлять от нескольких десятков сантиметров до нескольких метров. Если при прохождении этого заданного расстояния не устанавливается никакой блокировки, перемещаемая ведущая буровая штанга может быть возвращена посредством управляющего устройства в начальную точку, при этом осевое перемещение осуществляют еще раз на заданное расстояние. Этот процесс может повторяться однократно или многократно. До тех пор, пока не будет осуществлена блокировка, оператору буровой установки может передаваться индикация ошибки или запрос на осуществление блокировки обычным образом.
Краткое описание чертежей
Далее изобретение разъяснено более подробно с помощью предпочтительных вариантов осуществления со ссылками на чертежи, на которых показано:
фиг. 1 - схематичный частичный вид первой рабочей машины согласно изобретению;
фиг. 2 - схематичный частичный вид второй рабочей машины согласно изобретению;
фиг. 3 - схематичный вид с вырезом ведущей бурильной колонны перед разблокировкой; и
фиг. 4 - схематичный вид с вырезом ведущей бурильной колонны, показанной на фиг. 3, после блокировки.
Осуществление изобретения
Рабочая машина 10, показанная на фиг. 1 и 2, содержит в каждом случае, по существу, вертикальную мачту 12, которая имеет головку 14 мачты, показанную только на фиг. 1. Посредством троса 52, приводимого в действие основной тросовой лебедкой 50 и направляемого через отклоняющие ролики 16 на головке 14 мачты, ведущая бурильная колонна 40 подвешена с возможностью вертикального перемещения вдоль мачты 12.
В соответствии с двумя вариантами осуществления изобретения, соответствующими фиг. 1 и 2, ведущая бурильная колонна 40 в каждом случае выполнена с расположенной сверху внешней ведущей буровой штангой 42, с расположенной снизу внутренней ведущей буровой штангой 46 и промежуточной ведущей буровой штангой 44, расположенной между ними. На верхнем конце внутренней ведущей буровой штанги 46 предусмотрена тросовая подвеска 48, на которой выполнен трос 52 для вертикального перемещения внутренней ведущей буровой штанги 46 и дополнительных трубчатых ведущих буровых штанговых элементов.
На своем верхнем конце внешняя ведущая буровая штанга 42 содержит опорный буртик 43, посредством которого внешняя ведущая буровая штанга 42 опирается на силовую вращающую головку 30, то есть кольцеобразный привод вращения. Для гашения ударов демпфирующее устройство 32 с пружинами расположено между силовой вращающей головкой 30 и опорным буртиком 43 в варианте осуществления согласно фиг. 1. Силовая вращающая головка 30 и, таким образом, внешняя ведущая буровая штанга 42 может перемещаться по вертикали вдоль мачты 12 посредством регулирующего устройства 20. В варианте осуществления, показанном на фиг. 1, регулирующее устройство 20 выполнено в виде гидравлического цилиндра. Для передачи крутящего момента от силовой вращающей головки 30 на внешнюю ведущую буровую штангу 42 и, следовательно, на ведущую бурильную колонну 40 в целом на внешней стороне внешней ведущей буровой штанги 42 расположены захватные планки 66, как можно видеть на фиг. 2.
Известным образом соответствующие захватные планки 66 или блокировочные элементы также расположены на других внешних сторонах и внутренних сторонах других ведущих буровых штанговых элементов. На нижней стороне внутренней ведущей буровой штанги 46 предусмотрен штыреобразный соединительный элемент 49, с помощью которого может быть установлен без возможности вращения инструмент 36 обработки грунта. В вариантах осуществления изобретения, показанных на фиг. 1 и 2, инструмент 36 обработки грунта выполнен в виде бурового шнека.
На фиг. 3 и 4 показана упрощенная ведущая бурильная колонна 40 с внешней ведущей буровой штангой 42 и внутренней ведущей буровой штангой 46. Для передачи крутящего момента от внешней ведущей буровой штанги 42 к внутренней ведущей буровой штанге 46 внешняя ведущая буровая штанга 42 содержит на своей внутренней стороне по меньшей мере один блокировочный элемент 62, который опирается в направлении по окружности на проходящую в осевом направлении захватную планку 66 на внешней стороне внутренней ведущей буровой штанги 46.
Для осевой блокировки внешней ведущей буровой штанги 42 и внутренней ведущей буровой штанги 46 блокировочный элемент 62 на внешней ведущей буровой штанге 42 слегка прижимают к захватной планке 66 путем приложения небольшого крутящего момента через силовую вращающую головку 30 с помощью управляющего устройства согласно изобретению. В этом нажатом положении внешняя ведущая буровая штанга 42 и внутренняя ведущая буровая штанга 46 теперь перемещаются в осевом направлении друг относительно друга либо через регулирующее устройство 20, либо через основную тросовую лебедку 50. При достижении положения, показанного на фиг. 4, внешняя ведущая буровая штанга 42 с блокировочным элементом 62, при достижении блокировочного углубления 68, выполненного в виде осевой выемки в захватной планке 66, в показанном варианте осуществления вращается против часовой стрелки в направлении по окружности в блокировочное углубление 68. При этом происходит скручивание между внешней ведущей буровой штангой 42 и внутренней ведущей буровой штангой 46, которое может быть обнаружено с помощью первого регистрирующего устройства, в частности сенсорного устройства, в качестве индикации блокировки.
При дальнейшем осевом перемещении внешней ведущей буровой штанги 42 относительно внутренней ведущей буровой штанги 46 блокировочный элемент 62, выполненный в виде блока, упирается в осевом направлении в осевой упор 69 блокировочного углубления 68. Дальнейшее осевое перемещение внешней ведущей буровой штанги 42 теперь уже невозможно или только с увеличенными силовыми затратами силы, которые могут быть зарегистрированы как увеличение давления в гидравлической системе, с помощью которой приводится в действие осевой приводной механизм. Аналогичным образом, упор блокировочного элемента 62 в направлении по окружности на боковой поверхности блокировочного углубления 68 также может быть определен посредством второго регистрирующего устройства, например датчика давления, в гидравлической системе для привода силовой вращающей головки, как изменение давления. Эти соответствующие изменения давления могут быть определены в качестве дополнительного указания на наличие успешной блокировки ведущей буровой штанги и зарегистрированы управляющим устройством.