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Die Erfindung betrifft eine Bohrantriebsanordnung für den Tiefbau, mit einem Bohrantriebsschlitten, welcher verschiebbar entlang eines Mastes eines Bohrgerätes für den Tiefbau gelagert ist, wobei an dem Bohrantriebsschlitten zum drehenden Antreiben eines Bohrwerkzeuges zum Bohren in einem Boden mindestens ein Drehantrieb angeordnet ist, welcher als Elektromotor ausgebildet ist, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben einer Bohrantriebsanordnung für den Tiefbau mit einem Bohrantriebsschlitten, welcher verschiebbar entlang eines Mastes eines Bohrgerätes für den Tiefbau gelagert ist, wobei an dem Bohrantriebsschlitten zum drehenden Antreiben eines Bohrwerkzeuges zum Bohren von Boden mindestens ein Drehantrieb angeordnet ist, welcher als Elektromotor ausgebildet ist, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 12.
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Rein elektrisch angetriebene Tiefbaumaschinen sind seit längerem bekannt und werden insbesondere an Arbeitsorten eingesetzt, an denen Lärm, Erschütterung und Abgase unerwünscht sind. Diese belastenden Faktoren können beispielsweise bei mit Verbrennungsmotor betriebenen Tiefbaumaschinen auftreten. Aufgrund des hohen Energiebedarfs derartiger elektrisch betriebener Tiefbaumaschinen weisen diese häufig eine Zuführeinrichtung zum Zuführen elektrischer Energie von einer externen Stromquelle auf, insbesondere von einem elektrischen Stromnetz. Hierfür ist das Vorsehen einer entsprechenden elektrischen Leitung erforderlich.
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Weiterhin sind elektrisch betriebene Tiefbaumaschinen regelmäßig auch mit einer wiederaufladbaren Batterieeinheit versehen, welche insbesondere dazu dient, die mobile Tiefbaumaschine bei einem Bewegen oder Verfahren, bei welchem häufig eine Trennung der elektrischen Leitungsverbindung erfolgt, mit ausreichend elektrischer Energie zu versorgen.
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Für einen effizienten Betrieb der Tiefbaumaschine ist eine bedarfsgerechte Verteilung der Energie an der Tiefbaumaschine von wesentlicher Bedeutung. Aus der
EP 4 245 923 B1 geht eine elektrisch betriebene Tiefbaumaschine mit einer Bohrantriebsanordnung und mit einem Zwischenkreis zur bedarfsgerechten Verteilung von elektrischer Energie hervor. Der Zwischenkreis ist als elektrischer Leiter ausgebildet, an dem Verbrauchseinheiten, insbesondere eine Batterieeinheit und ein Elektromotor, angeschlossen sind. Hierdurch wird beim Betrieb der Tiefbaumaschine elektrische Energie in effizienter Weise an die Bohrantriebsanordnung, insbesondere an einen Elektromotor, geleitet. Aus dem Zwischenkreis kann elektrische Energie über eine Invertereinheit einem Elektromotor zugeführt werden, wobei die Invertereinheit ausgebildet ist, in einem Rekuperationsmodus des Elektromotors Energie an den Zwischenkreis zurückzuführen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Bohrantriebsanordnung für den Tiefbau und ein Verfahren zum Betreiben hierfür anzugeben, mit welchen ein besonders wirtschaftlicher und effizienter Betrieb der Bohrantriebsanordnung ermöglicht wird.
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Die Aufgabe wird zum einen durch eine Bohrantriebsanordnung für den Tiefbau mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und zum anderen durch ein Verfahren zum Betreiben einer Bohrantriebsanordnung für den Tiefbau mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst. Bevorzugte Ausführungen sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die erfindungsgemäße Bohrantriebsanordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinheit zum Ansteuern des mindestens einen Elektromotors mit einem Bohrbetriebsmodus zum Bohren des Bohrwerkzeuges in den Boden unter Abtrag von Bodenmaterial und einem Lösebetriebsmodus zum Lösen von Bodenmaterial von dem Bohrwerkzeug ausgebildet ist, wobei in dem Lösebetriebsmodus automatisch Strom und/oder Spannung zur elektrischen Energieversorgung des mindestens einen Elektromotors so gesteuert ist, dass das Bohrwerkzeug wiederholend eine Dreh-Stopp-Bewegung mit oder ohne Drehrichtungsumkehr ausführt.
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Eine Grundidee der Erfindung besteht darin, eine Bohrantriebsanordnung in verschiedenen Betriebsarten mit einem Elektromotor zu betreiben. Dies wird dadurch erreicht, dass eine Steuereinheit zum gezielten Ansteuern des Elektromotors vorgesehen ist, wobei mit dem Elektromotor verschiedene Betriebszustände der Bohrantriebsanordnung angefahren werden können. Je nach Einsatzart der Bohrantriebsanordnung kann der Elektromotor wahlweise durch die Steuereinheit in einem Bohrbetriebsmodus und in einem Lösebetriebsmodus betrieben werden, wobei der Bohrbetriebsmodus und der Lösebetriebsmodus sich insbesondere hinsichtlich Drehzahl und Drehkraft unterscheiden. Dies ermöglicht einen besonders flexiblen und wirtschaftlichen Einsatz der Bohrantriebsanordnung. Ein Maschinenbediener kann durch einfache Auswahl des gewünschten Modus die Bohrantriebsanordnung sicher und effizient bedienen.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht darin, das Lösen von an der Bohrantriebsanordnung haftendem Bodenmaterial durch eine spezielle Steuerung des Elektromotors zu ermöglichen. Hierzu werden der Strom und/oder die Spannung des Elektromotors so variiert, dass sich die Drehrichtung beziehungsweise die Drehzahl in einem kurzen Zeitintervall ändert. Das heißt, dass der Strom und/oder die Spannung automatisiert so gesteuert werden, dass der Elektromotor eine Dreh-Stopp-Bewegung durchführt, um durch die kurzzeitige Änderung von Drehzahl und Drehmoment Bodenmaterial abzuschütteln. Hierdurch kann nach einem Bohrvorgang anhaftendes Bodenmaterial schnell und vereinfacht von der Bohrantriebsanordnung gelöst werden, was zu einen insgesamt wirtschaftlicheren Bohrbetrieb führt. Die automatisierte Ansteuerung kann insbesondere so erfolgen, dass hohe Lösekräfte ausgeübt werden, welche bei einer manuellen Steuerung des Elektromotors kaum möglich sind.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass mehr als zwei Elektromotoren vorgesehen sind. Besonders bevorzugt ist es, dass an dem Bohrantriebsschlitten mindestens zwei Elektromotoren angeordnet sind, mit welchen über ein Summationsgetriebe gemeinsam eine Antriebswelle, insbesondere eine Antriebshohlwelle, zum Antreiben des Bohrwerkzeuges drehend antreibbar ist. Hierdurch kann die Antriebskraft besonders effizient von der erfindungsgemäßen Bohrantriebsanordnung auf das Bohrwerkzeug übertragen werden. Vorteilhaft ist es, wenn die mindestens zwei Elektromotoren die Antriebskraft über einSummationsgetriebe mit einem Planetengetriebe und gegebenenfalls weiteren Getriebestufen auf eine Hohlwelle übertragen. Dadurch wird eine besonders kompakte Bauform der Bohrantriebsanordnung ermöglicht.
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Die mindestens zwei Elektromotoren können grundsätzlich jeweils synchron oder asynchron betrieben werden. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn beide Elektromotoren synchron betrieben werden.
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Zur bidirektionalen Energieversorgung des Elektromotors kann insbesondere eine Invertereinheit zum Wandeln von Strom und/oder Spannung vorgesehen sein. Vorteilhaft ist es, wenn die mindestens zwei Elektromotoren über mindestens ein Getriebe drehfest miteinander verbunden sind.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass die mindestens zwei Elektromotoren in dem Lösebetriebsmodus durch die Steuereinheit drehmoment-gesteuert sind. Hierdurch können höhere Drehzahländerungsraten, insbesondere höher als 6.000 rpm/S, erreicht werden. Derartig hohe Drehzahländerungsraten eignen sich in besonderer Weise zum Betrieb der Bohrantriebsanordnung im Lösebetriebsmodus. Bevorzugt ist es, wenn die Drehmomentsteuerung der mindestens zwei Elektromotoren in dem Lösebetriebsmodus derart ausgebildet ist, dass die Bohrantriebsanordnung von den mindestens zwei Elektromotoren synchron ansteuerbar ist. Bevorzugt ist es dabei, wenn zu der Drehmomentsteuerung ein Soll-Drehmoment vorgesehen ist, welches einem halben Summendrehmoment des ersten und des zweiten Elektromotors entspricht. Hierdurch kann die erfindungsgemäße Bohrantriebsanordnung besonders effizient betrieben werden.
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Eine zweckmäßige Weiterbildung der erfindungsgemäßen Bohrantriebsanordnung besteht darin, dass die mindestens zwei Elektromotoren im Bohrbetriebsmodus durch die Steuereinheit drehzahl-gesteuert sind und insbesondere in einem Master-Slave-Betrieb ansteuerbar sind. Vorteilhaft ist es, wenn die mindestens zwei Elektromotoren derart miteinander synchronisierbar sind, dass sie mit gleichem Drehmoment die Bohrantriebsanordnung antreiben. Alternativ oder ergänzend dazu ist es vorteilhaft, wenn in einem Master-Slave-Betrieb ein erster Elektromotor, insbesondere mit einer zusätzlichen Steuereinheit, drehzahlgesteuert ist und ein zweiter Elektromotor drehmoment-gesteuert ist. Hierdurch können flexibel verschiedene Antriebsarten der Bohrantriebsanordnung realisiert werden.
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In bestimmten Fällen, etwa bei Bedarf von höheren Drehmomenten oder beschränktem Bauraum nur für kleinere Motore, können auch drei, vier oder mehr Elektromotore angeordnet werden.
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Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass in dem Lösebetriebsmodus für die Dreh-Stopp-Bewegung ein Drehwinkel, eine Drehrichtungsumkehr, eine Anzahl von Dreh-Stopp-Schritten und/oder eine Zykluszeit vorgebbar sind. Hierdurch können abhängig von den jeweiligen Gegebenheiten, etwa der Bodenart, diese Parameter individuell eingestellt und so ein besonders effizientes Lösen von Boden von dem Bohrwerkzeug im Lösebetriebsmodus erzielt werden. Insbesondere kann so die Ablösedauer beziehungsweise die für ein weitgehend vollständiges Lösen des Bodenmaterials benötigte Zeitdauer gering gehalten werden, was die Wirtschaftlichkeit des Bohrvorgangs deutlich erhöht. Ebenso können in dem Lösebetriebsmodus auch die zeitliche Änderung beziehungsweise der zeitliche Verlauf von Drehzahl und/oder Drehmoment als Soll-Wert vorgebbar sein. Vorteilhaft ist es, wenn die genannten vorgebbaren Lösebetriebsparameter in der Steuereinheit speicherbar und je nach Bedarf und Anforderung, beispielsweise abhängig von der Bodenbeschaffenheit, anpassbar sind. Zur Eingabe kann eine geeignete Eingabeeinrichtung, etwa eine Tastatur oder ein Touch-Screen, für einen Bediener vorgesehen sein. Werden einzelne Parameter eingegeben oder verändert, kann die Steuereinheit in dem gewählten Betriebsmodus die weiteren Parameter automatisch anpassen, um einen effizienten Betrieb des mindestens einen Elektromotors sicherzustellen.
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Eine besonders zweckmäßige Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass in dem Bohrbetriebsmodus eine Drehzahl von einem Maschinenbediener und/oder von der Steuereinheit vorgebbar ist. Hierdurch kann der Bohrbetrieb flexibel und individuell an Gegebenheiten wie beispielsweise Bodenbeschaffenheit und/oder Bohrtiefe angepasst werden. Ebenso wird die Steuerung der Bohrantriebsanordnung vereinfacht. Zweckmäßig ist es, wenn zur Eingabe der Drehzahl von einem Maschinenbediener eine Eingabeeinrichtung, insbesondere eine mobile Recheneinheit, vorgesehen ist. Grundsätzlich kann die mobile Recheneinheit dabei zur Weiterleitung von Steuerbefehlen an die Steuereinheit vorgesehen sein. Vorteilhaft ist es, wenn die Steuereinheit als Recheneinheit zur Verarbeitung von Eingabedaten, insbesondere Soll-Werten im Bohr- und/oder Lösebetriebsmodus, ausgebildet ist.
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Allgemein kann der mindestens eine Elektromotor beliebig ausgebildet sein. Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung besteht jedoch darin, dass der mindestens eine Elektromotor von der Steuereinheit zum Betreiben des Elektromotors in einem Rekuperationsmodus zum Rückgewinnen von elektrischer Energie in einem Rekuperationsmodus ansteuerbar ist. Mit anderen Worten kann der Elektromotor von der Steuereinheit aus einem Antriebsmodus in einen Rekuperationsmodus und aus einem Rekuperationsmodus in einen Antriebsmodus versetzt werden. Vorteilhaft ist es, wenn die Steuereinheit ausgebildet ist, abhängig von Drehzahl und/oder Drehmoment des Drehantriebs den Elektromotor in einem Rekuperationsmodus zu betreiben. Hierdurch kann die Bohrantriebsanordnung flexibel auf sich ändernde Betriebszustände des Bohrgerätes angepasst werden.
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Durch das Betreiben des mindestens einen Elektromotors in einem Rekuperationsmodus kann in vorteilhafter Weise anfallende Energie beim Betrieb der Bohrantriebsanordnung zurückgewonnen werden, insbesondere eine Bremsenergie, welche bei einer Dreh-Stopp-Bewegung mit oder ohne Drehrichtungsumkehr des Bohrwerkzeuges anfällt und in dem mindestens einen Elektromotor im Rekuperationsmodus in eine nutzbare oder speicherbare elektrische Energie umgesetzt wird.
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Besonders bevorzugt ist es dabei, dass ein Zwischenkreis zum bedarfsgerechten Verteilen von elektrischer Energie mit der Bohrantriebsanordnung leitungsverbunden ist, wobei mindestens eine Überschuss-Energieverbrauchseinheit, insbesondere ein Bremschopper, zur Aufnahme von Leistungsspitzen der Bohrantriebsanordnung im Bohr- und/oder Lösebetrieb aus dem Zwischenkreis vorgesehen ist. Der Zwischenkreis kann dabei insbesondere zum Leiten und Verteilen von Gleichstrom ausgebildet sein. Besonders zweckmäßig ist es, wenn der Zwischenkreis mit einer Zuführeinrichtung zum Anschluss des Zwischenkreises an ein lokales Energieverteilungsnetz ausgebildet ist. Die Zuführeinrichtung kann dabei zusätzlich eine Wandlereinrichtung zum Wandeln von Strom und/oder Spannung aufweisen. Vorteilhaft ist es, wenn der mindestens eine Elektromotor eine Invertereinheit zum Zu- und/oder Abführen von elektrischer Energie aus dem Zwischenkreis umfasst, wobei die Invertereinheit zum bidirektionalen Wandeln von Gleichstrom in Wechselstrom ausgebildet ist. Hierdurch kann der mindestens eine Elektromotor besonders effizient mit dem Zwischenkreis verbunden werden. Der Zwischenkreis ist insofern zum Ableiten überschüssiger elektrische Energie von dem mindestens einen Elektromotor zu der mindestens einen Überschuss-Energieverbrauchseinheit ausgebildet, um so beim Auftreten von Überspannungen eine zu große Belastung elektrischer Bauteile zu vermeiden.
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Eine besonders zuverlässige Ausführung der Erfindung wird dadurch erzielt, dass der mindestens einen Überschuss-Energieverbrauchseinheit eine Steuerung zum bedarfsgerechten Zu- und Ableiten von elektrischer Energie zugeordnet ist. Vorteilhaft ist es, wenn das Zu- und Ableiten von elektrischer Energie abhängig von Zustandswerten, insbesondere der Spannung, des Zwischenkreises erfolgt. Hierdurch kann eine Überspannung frühzeitig erkannt und vermieden werden. Auch kann so eine kurzfristig im Zwischenkreis auftretende Überspannung durch die Steuerung besonders schnell ausgeglichen werden. Die Steuerung kann mit der Steuereinheit zum Ansteuern des mindestens einen Elektromotors aber ebenso auch mit einer zusätzlichen Steuereinheit ausgebildet sein. Die Steuerung des mindestens einen Elektromotors sowie der Überschuss-Energieverbrauchseinheit kann grundsätzlich zentral oder dezentral mit mehreren Steuereinheiten ausgeführt sein.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist es besonders vorteilhaft, dass mindestens eine interne aufladbare Batterieeinheit zum Aufnehmen und Speichern von elektrischer Energie und zum Versorgen des mindestens einen Elektromotors mit elektrischer Energie abhängig vom Ladezustand der Batterieeinheit vorgesehen ist. Vorteilhaft ist es, wenn die Batterieeinheit mit dem Zwischenkreis verbunden ist, wobei die Batterieeinheit mit oder ohne Wandlereinheit zum Zu- und/oder Abführen von elektrischer Energie an den Zwischenkreis ausgebildet seien kann. Bevorzugt ist es, dass die Spannungslage des Zwischenkreises der Spannungslage der Batterieeinheit abhängig vom Ladezustand entspricht. Bevorzugt ist es dabei ebenso, dass die Batterieeinheit als Überschuss-Energieverbrauchseinheit zum Ausgleich von Leistungsspitzen ausgebildet ist. Hierdurch kann der Elektromotor flexibel und bedarfsmäßig mit elektrischer Energie versorgt werden. Durch den direkten Anschluss der Batterieeinheit an den Zwischenkreis können zusätzliche Wandlereinheiten eingespart und damit Kosten reduziert werden.
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Die erfindungsgemäße Bohrantriebsanordnung kann vielfältig eingesetzt werden. Die Erfindung umfasst insbesondere ein Bohrgerät für den Tiefbau, mit einem Trägergerät, welches vorzugsweise mobil mit einem Fahrwerk ausgebildet ist, und einem Mast, welcher an dem Trägergerät angeordnet ist, wobei eine erfindungsgemäße Bohrantriebsanordnung an einem Bohrantriebsschlitten angeordnet ist, welcher insbesondere entlang des Mastes verschiebbar gelagert ist.
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Das Bohrwerkzeug des Bohrgeräts kann vorzugsweise als diskontinuierliches Bohrwerkzeug, etwa eine Bohrschnecke oder ein Kastenbohrer, ausgebildet sein, welches in bestimmten Abständen aus dem Boden zu ziehen und zu entleeren ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinheit zum Ansteuern des mindestens einen Elektromotors mit einem Bohrbetriebsmodus zum Bohren des Bohrwerkzeuges in den Boden und mit einem Lösebetriebsmodus zum Lösen von Bodenmaterial von dem Bohrwerkzeug ausgebildet ist, wobei durch die Steuereinheiten in dem Lösebetriebsmodus automatisch Strom und/oder Spannung zur elektrischen Energieversorgung des mindestens einen Elektromotors derart gesteuert oder geändert werden, dass das Bohrwerkzeug wiederholend eine Dreh-Stopp-Bewegung mit oder ohne Drehrichtungsumkehr ausführt.
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Das Verfahren kann insbesondere mit der zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Bohrantriebsanordnung durchgeführt werden. Dabei können die zuvor beschriebenen Vorteile erzielt werden.
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Eine bevorzugte Verfahrensvariante der Erfindung besteht darin, dass mindestens eine Überschuss-Energieverbrauchseinrichtung vorgesehen ist, wobei die Leistungsabgabe aus der Bohrantriebsanordnung in einem Bohrbetrieb und/oder Lösebetrieb an die Überschuss-Energieverbrauchseinrichtung abhängig von einem erfassten Grenzwert angepasst wird. Der Grenzwert kann elektrische Zustandsdaten, insbesondere Strom und/oder Spannungswerte des Zwischenkreises und/oder des mindestens einen Elektromotors umfassen. Bei Überschreiten des erfassten Grenzwertes kann so überschüssige oder anfallende elektrische Energie an die Überschuss-Energieverbrauchseinrichtung abgeführt werden, wobei die Abführung von elektrischer Energie von der Steuereinheit oder separat gesteuert werden kann. Der Grenzwert kann dabei von einer Messeinrichtung zum Erfassen von elektrischen Zustandsdaten gemessen werden. Hierdurch können Überspannungen aus Abbremsprozessen und damit verbundenen Beschädigungen vermieden werden.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass ein Steueralgorithmus auf bisherige und/oder aktuelle Überlastungszustandsdaten der Bohrantriebsanordnung zum Einhalten mindestens eines Grenzwertes, vorzugsweise mittels maschinellen Lernens, angepasst wird, wobei die Leistungsabführung der Bohrantriebsanordnung mit dem Steueralgorithmus gesteuert wird.
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Der Steueralgorithmus kann dabei in der Steuereinheit zum Ansteuern des mindestens einen Elektromotors oder separat ausgeführt werden. Die Überlastungszustandsdaten der Bohrantriebsanordnung können vorzugsweise Strom oder Spannung umfassen und mit einer Messeinrichtung gemessen werden. Hierdurch wird es ermöglicht, die Leistungsabführung dynamisch und innerhalb kurzer Zeit so anzupassen, dass Leistungsspitzen und Überlastungen der elektrischen Bauteile durch ein Antizipieren der zurückgeführten Leistung vermieden werden. Ebenso wird der Verschleiß betroffener Bauteile reduziert. Insbesondere eine Bremsenergie, welche bei einer Dreh-Stopp-Bewegung mit oder ohne Drehrichtungsumkehr des Bohrwerkzeuges anfällt, kann in dem mindestens einen Elektromotor im Rekuperationsmodus in eine nutzbare oder speicherbare elektrische Energie umgesetzt werden. Diese Leistungsrückgewinnung ermöglicht einen energieeffizienten Lösebetrieb.
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Eine besonders zweckmäßige Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht zusätzlich darin, dass abhängig von der Leistungsrückgewinnung des mindestens einen Elektromotors die Leistungsrückgewinnung von mindestens einer weiteren Leistungsrückgewinnungseinheit angepasst wird. Das heißt, dass beim Überschreiten eines Grenzwertes der Leistungsrückgewinnung des mindestens einen Elektromotors die Leistungsrückgewinnung aus anderen rückspeisefähigen Maschinenfunktionen, insbesondere der Hauptwinde, gesperrt oder begrenzt wird. Hierdurch kann insbesondere eine Überlastung der Überschuss-Energieverbrauchseinrichtung und des Zwischenkreises durch Überspannungen vermieden werden. Vorteilhaft ist es, wenn die Gesamtleistungsrückgewinnungssumme der verschiedenen Leistungsrückgewinnungseinheiten in Echtzeit erfasst wird und bei Überschreiten eines Grenzwertes die Leistungsrückgewinnung bestimmter Leistungsrückgewinnungseinheiten reduziert wird. Das heißt, dass abhängig von der Gesamtleistungsrückgewinnung eines ersten und eines zweiten Elektromotors die Leistungsrückgewinnung des ersten und/oder des zweiten Elektromotors an einen Sollwert angepasst wird.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen weiter erläutert, welche schematisch in den Zeichnungen dargestellt sind. In den Zeichnungen zeigen:
- Fig. 1:
- eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Bohrantriebsanordnung;
- Fig. 2:
- eine schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung nach der Erfindung mit einem Zwischenkreisen und möglichen Komponenten;
- Fig. 3:
- eine schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung nach der Erfindung mit zusätzlichen Batteriewandlereinheiten;
- Fig. 4:
- eine schematische Seitendarstellung des erfindungsgemäßen Bohrantriebsschlittens mit zwei Elektromotoren; und
- Fig. 5:
- eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Bohrantriebsschlittens von hinten mit zwei Elektromotoren.
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Eine erfindungsgemäße Bohrantriebsanordnung 80 mit einem Trägergerät 12 ist in Fig. 1 gezeigt. Das Trägergerät 12 kann vorzugsweise ein Raupenfahrwerk als Unterwagen 14 umfassen, auf welchem ein Oberwagen 16 insbesondere drehbar gelagert sein kann. In einer Bedienkabine des Oberwagens 16 kann sich ein Steuergerät 60 für die Bohrantriebsanordnung 80 befinden. Insbesondere über einen Anlenkmechanismus 18 kann an dem Oberwagen 16 vorzugsweise verstellbar ein Mast 20 gelagert sein, welcher im Betrieb eine im Wesentlichen vertikale Position aufweisen kann.
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Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel kann der Mast 20 vorzugsweise als ein Mäkler 21 mit einer Linearführung 24 an seiner Vorderseite ausgebildet sein. Entlang der Linearführung 24 kann etwa ein Bohrantriebsschlitten 38 mit einem Drehantrieb 36 vertikal verfahrbar gelagert sein. Hierdurch kann das Bohrgerät 10 als eine Tiefbaumaschine ausgeführt werden. In der Zeichnung ist eine obere Position des Drehantriebes 36 sowie eine untere Position mit unterbrochener Linienführung dargestellt.
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Über einen Mastkopf 22 am oberen Ende des Mastes 20 kann ein Seil 40 geführt sein, an dessen einem Ende eine vorzugsweise teleskopierbare Kellystange 32 mit einem beispielhaften Bohrwerkzeug 34 zum Bilden eines Tiefbauwerkzeuges 30 vorgesehen sein kann. Die Kellystange 32 kann durch ein hülsenförmiges Antriebsrad des Drehantriebes 36 am Bohrantriebsschlitten 38 geführt sein, so dass ein Drehmoment von dem Drehantrieb 36 etwa über nicht dargestellte Mitnehmerleisten auf die Kellystange 32 übertragen werden kann. Am unteren Ende der Kellystange 32 kann das Bohrwerkzeuge 34 zum Erstellen eines Bohrloches im Boden angeordnet sein. Das Bohrwerkzeug 34 kann grundsätzlich beliebig ausgebildet sein und insbesondere eine Bohrschnecke oder einen Bohreimer aufweisen.
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Von der Kellystange 32 kann das Seil 40 über Umlenkrollen 26 am Mastkopf 22 entlang des Mastes 20 bis zu einer Seilwinde 46 im Oberwagen 16 geführt sein. Die Seilwinde 46 ist über einen Motor 50 angetrieben, welcher auch in einem Rekuperationsmodus betrieben werden kann. Über die Seilwinde 46 kann mittels des Seiles 40 die Kellystange 32 mit dem Bohrwerkzeuge 34 gehoben und gesenkt werden. Beim Senken kann Lageenergie durch den Motor 50 in elektrische Energie umgewandelt und an einen Zwischenkreis 98 abgegeben werden, welcher nachfolgend näher beschrieben wird.
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Über einen Stellantrieb 28 mit Winde am Mast 20 kann über ein weiteres Stellseil 29 der Bohrantriebsschlitten 38 mit dem Drehantrieb 36 nach oben gezogen werden. Durch entsprechendes Antreiben des Stellantriebes 28 in die entgegengesetzte Richtung kann der Bohrantriebsschlitten 38 mit dem Drehantrieb 36 auch nach unten abgelassen werden. Der Drehantrieb 36 kann mit mindestens einem Elektromotor 84 gebildet sein, welcher insbesondere eine Bremsenergie, welche bei einer Dreh-Stopp-Bewegung mit oder ohne Drehrichtungsumkehr des Bohrwerkzeuges 34 anfällt, in einem Rekuperationsmodus in eine nutzbare oder speicherbare elektrische Energie umgesetzt werden. Der Stellantrieb 28 kann ebenfalls mit einem nicht dargestellten Elektromotor ausgestattet sein, welcher ebenso wie der Elektromotor 84 in einem Rekuperationsmodus betrieben werden kann. Der Bohrantriebsschlitten 38 mit dem Drehantrieb 36 kann ebenfalls als Teil des Tiefbauwerkzeugs 30 angesehen werden.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist vorzugsweise an einer Umlenkrolle 26 am Mastkopf 22 eine Kraftmesseinrichtung 62 angeordnet. Die Kraftmesseinrichtung 62 kann beispielsweise als ein Kraftmessbolzen ausgebildet sein, durch welchen eine Seilzugkraft am Seil 40 erfasst werden kann. Die Kraftmesseinrichtung 62 steht mit dem Steuergerät 60 am Oberwagen 16 in Verbindung.
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Über das Steuergerät 60 wird der mindestens eine Motor 50 zum Betreiben der Seilwinde 46 und vorzugsweise auch der Elektromotor 84 zum Betreiben des Drehantriebs 36 angesteuert. Das Steuergerät 60 kann insbesondere als eine Steuereinheit 88 ausgebildet sein.
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In Fig. 2 ist schematisch eine Schaltungsanordnung zum Betrieb der erfindungsgemäßen Bohrantriebsanordnung 80 gezeigt. Die Schaltungsanordnung ist dabei zum Zu- und Abführen von elektrischer Energie an einen ersten Elektromotor 84 und an einen zweiten Elektromotor 86 ausgebildet. Der erste Elektromotor 84 kann vorzugsweise zum Zu- und Abführen von mechanischer Energie an eine mechanische Verbrauchseinheit 125, beispielsweise bei einem Brems- oder Absenkvorgang, ausgebildet sein. Ebenso kann vorzugsweise der zweite Elektromotor 86 zum Zu- und Abführen von mechanischer Energie an eine mechanische Verbrauchseinheit 130 ausgebildet sein. Der erste Elektromotor 84 und der zweite Elektromotor 86 können jeweils wahlweise oder phasenweise in einem Rekuperations- oder Antriebsmodus betrieben werden. Zum bedarfsgerechten Zu- oder Abführen von elektrischer Energie aus einem Gleichspannungszwischenkreis 98 kann etwa, wie in Fig. 2 gezeigt, dem ersten Elektromotor 84 eine erste Invertereinheit 91 und/oder dem zweiten Elektromotor 86 eine zweite Invertereinheit 93 zugeordnet sein. Zur unmittelbaren Motorsteuerung kann grundsätzlich eine erste Motorsteuereinheit 90 dem ersten Elektromotor 84 und eine zweite Motorsteuereinheit 92 dem zweiten Elektromotor 86 zugeordnet sein. Die Motorsteuerung kann dabei insbesondere mit einer Steuereinheit als übergeordnetem Steuergerät 88 und der ersten und zweiten Motorsteuereinheit 90, 92 in einem Master-Slave-Betrieb erfolgen. Allgemein kann die Steuereinheit 88 insbesondere auch direkt zum Ansteuern des ersten Elektromotors 84 und/oder des zweiten Elektromotors 86 der erfindungsgemäßen Bohrantriebsanordnung 80 ausgebildet sein.
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Wie in Fig. 2 weiter dargestellt, können mit dem Zwischenkreis 98 zum bedarfsgerechten Verteilen von elektrischer Energie vorzugsweise zusätzliche Verbrauchseinheiten 120, etwa Peripheriegeräte, verbunden sein. Der Zwischenkreis 98 kann vorzugsweise zum Führen einer Gleichspannung bei einer Spannungslage von etwa 400V bis 800V ausgebildet sein. Insbesondere kann der Zwischenkreis zum Führen einer Spannungslage von 750 V ausgebildet sein.
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Weiterhin kann der in Fig. 2 schematisch gezeigte Zwischenkreis 98 mit einer Zuführeinrichtung 104 zum bedarfsgerechten Zu- und Abführen von elektrischer Energie von einer externen Energiequelle 106 ausgebildet sein. Die externe Energiequelle 106 kann dabei insbesondere als lokales Energieverteilungsnetz, insbesondere als Wechselspannungsstromnetz, ausgebildet sein. Vorzugsweise kann die Zuführeinrichtung eine Einspeiseeinrichtung, etwa eine Steckverbindung, aufweisen. Ebenso kann zu der Zuführeinrichtung eine Invertereinheit zum Wandeln von Wechselspannung aus einem lokalen Energieverteilungsnetz in Gleichspannung vorgesehen sein. Zum Steuern des Zu- und Abflusses von elektrischer Energie zu und von dem Zwischenkreis 98 kann der Zuführeinrichtung 104 ein Steuergerät zugeordnet sein.
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Allgemein kann die Steuerung der Spannungslage und insbesondere der Energieverteilung im Zwischenkreis 98 zentral etwa durch die Steuereinheit 88 erfolgen. Ebenso kann die Steuerung der Spannungslage und der Energieverteilung im Zwischenkreis 98 auch dezentral etwa mit einzelnen Steuergeräten der mit dem Zwischenkreis elektrisch verbundenen Komponenten ausgebildet sein. Wie in Fig. 2 schematisch angedeutet, können die einzelnen Steuergeräte der mit dem Zwischenkreis 98 verbundenen elektrischen Komponenten und die Steuereinheit 88 über ein Kommunikationsnetz 134 verbunden sein. Zu den Steuergeräten in diesem Sinne zählen insbesondere auch die erste Motorsteuereinheit 90 und die zweite Motorsteuereinheit 92. Zu diesen Steuergeräten können, wie in Fig. 2 gezeigt, ebenfalls eine erste Batteriesteuereinheit 94 und eine zweite Batteriesteuereinheit 96 gezählt werden, die zur Steuerung einer ersten Batterieeinheit 110 und einer zweiten Batterieeinheit 112 vorgesehen seien können.
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Zu den mit dem Zwischenkreis 98 elektrisch verbundenen Komponenten kann insbesondere auch eine Überschuss-Energieverbrauchseinheit 100 zum Abfedern und Glätten von Leistungsspitzen gezählt werden. Die Überschuss-Energieverbrauchseinheit 100 kann vorzugsweise auch ein eigenes Steuergerät aufweisen, das mit dem Kommunikationsnetz 134 in Verbindung steht. Von den Elektromotoren generierte überschüssige elektrische Energie kann so etwa aus dem Zwischenkreis 98 der Überschuss-Energieverbrauchseinheit 100 und/oder den Batterieeinheiten 110, 112 zugeführt werden.
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Wie aus Fig. 3 hervorgeht, kann insbesondere zu der ersten Batterieeinheit 110 eine erste Wandlereinheit 114 und zu der zweiten Batterieeinheit 112 eine zweite Wandlereinheit 116 zugeordnet sein. Somit kann die Spannungslage in dem Zwischenkreis 98 unabhängig von dem Spannungsniveau, insbesondere dem Ladezustand der ersten Batterieeinheit 110 und/oder dem Spannungsniveau, insbesondere dem Ladezustand der zweiten Batterieeinheit 112, bestimmt sein. Das heißt, dass die elektrisch mit dem Zwischenkreis 98 verbundenen Komponenten unabhängig vom Spannungsniveau der ersten Batterieeinheit 110 und/oder dem Spannungsniveau der zweiten Batterieeinheit 112 betreibbar sind.
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Fig. 4 zeigt eine Seitenansicht und Fig. 5 eine Darstellung von hinten des elektrischen Drehantriebes 36 mit einem ersten Elektromotor 84 und mit einem zweiten Elektromotor 86 an dem Bohrantriebsschlitten 38. Der Drehantrieb 36 kann vorzugsweise mit dem am Mast verfahrbaren Bohrantriebsschlitten 38 verbolzt sein. Der erste Elektromotor 84 und der zweiten Elektromotor 86 können vorzugsweise über ein gemeinsames Summiergetriebe eine Hohlwelle antreiben, wobei die Hohlwelle das Antriebsmoment auf ein hier nicht gezeigtes Bohrwerkzeug überträgt.