Verfahren und Maschine zum Bohren von Stollen, Tunnels, Kanälen, Schächten und dergleichen. Bekanntlich werden beim Bohren von Stollen, Tunnels und ähnlichen Hohlräumen durch Zerkleinern des Gebirgs- bzw. Erd- materials, wie Gestein, Erz und Kohle, die Bohrwerkzeuge, zum Beispiel unter Umstän den mit Hartmetallbestückung ausgestattete Schneidstähle, Schneidmesser und Meissel, in Richtung der Stollenachse an die Stollen stirnwand bzw. -brust angepresst, während diese Bohrwerkzeuge eine Umlaufbewegung um eine parallel zur Stollenachse liegende Achse ausführen.
Hierbei sind die Messer meist auf radialen, als Messerträger ausge bildeten speichenartigen Armen befestigt. In einem andern Fall sind die Messer an der Stirnseite von achsparallel umlaufenden Schei ben, sogenannten Messerköpfen, angeordnet, die selbst wieder planetenartig um die Stol- lenaehse kreisen.
Die erstgenannte Vorrichtung hat den Nachteil, dass in den äussern Radialzonen zu wenig Messer arbeiten, weshalb die aussen liegenden Messer oftmals gewechselt werden müssen, wodurch sieh grosse Verlustzeiten er geben. Da bei der zweiten Ausführung der Vorsehub infolge des auf die stirnseitig lie genden llessersehneiden ausgeübten Gest.ein- druekes verhältnismässig sehr klein ist, arbei ten die Messerschneiden mehr kratzend als sehneidend, und es kommt. dadurch zu einer unerwünscht übermässigen Zerkleinerung des Gesteins.
Nachdem die Messerschneiden stän- dig in Eingriff stehen, ist der Messerver schleiss auch bei dieser Ausführung sehr gross.
Der Hauptnachteil aller bisher bekannt gewordenen Bohreinrichtungen ist jedoch das axiale Anpressen der Messer an die Stollen brust, das bei der in Frage kommenden grossen Anzahl arbeitender Messer in Ver bindung mit dem besonders bei Gestein nöti gen grossen Anpressdruck derart grosse Kräfte verlangt, dass sie durch das Maschineneigen gewicht nicht abgestützt werden können. Man hat sich deshalb damit beholfen, dass dieser grosse Anpressdruck durch Abstützen an den Wänden des Stollens abgefangen wurde. Eine solche Massnahme erfordert aber ein sehr schweres, langes und zweiteiliges Maschinen gestell.
Dessen rückwärtiger Teil müsste durch schwere hydraulische Druckkolben an den Stollenwänden festgespreizt werden, wobei dann der vordere Gestellteil ebenfalls m:t grossen hydraulischen Druckkolben vorwärts gegen die Stollenbrust gepresst wurde. Vor jedem folgenden Arbeitsschritt musste der rückwärtige Teil erst wieder vorgezogen wer den, was am Vorderteil eine komplizierte Spreizeinrichtung erforderlich machte.
Eine derartige Maschine ist nicht nur sehr verwickelt, schwer und kostspielig, sondern besitzt auch grosse Nachteile beim Bohr betrieb, weshalb sie sich in der Praxis nicht einführen konnte. Beispielsweise kann sie keinen Stollen anfahren, wenn nicht vorerst mit andern bisher bekannten Bohrmethoden ein Stollenstück in der beträchtlichen Länge der Maschine ausgearbeitet wird. Wegen ihrer grossen Länge kann sie von einem Haupt stollen gewöhnlicher Breite aus keinen Quer stollen anfahren. Schliesslich besitzt sie unter anderem auch die bereits erwähnten Nach teile der unrichtigen Messerzahlen in den einzelnen Arbeitszonen.
Diese Summe von Mängeln ist die Ursache, dass sich die vor erwähnten Bohreinrichtungen in keiner Weise durchsetzen konnten.
Alle diese Nachteile werden durch das erfindungsgemässe Verfahren vermieden, wel ches darin besteht, dass man wenigstens einem Bohrkopf mit radial vom Umfang abstehen den Messern neben einer Rotation um die Bohrkopfachse eine Umlaufbewegung um die Längsachse des Stollens und eine Vorschub bewegnng in Richtung dieser Achse erteilt, wobei die Schneiden der Messer am Bohrkopf derart angeordnet sind, dass die vom Gestein auf den Bohrkopf ausgeübte Reaktionskraft im wesentlichen in einer zur Bohrkopfachse senkrechten Ebene liegt.
Die Stollenbohrmaschine zur Durchfüh rung dieses Verfahrens ist gemäss der Er findung in der Weise ausgeführt, dass die Schneiden am Umfang der rotierenden Bohr köpfe angeordnet sind und die Achsen die ser Bohrköpfe zur Maschinenhauptachse un ter einem spitzen Winkel geneigt sind.
Die Bohrköpfe sind dabei vorteilhaft der art mit Sehneidmessern besetzt, dass deren Hauptschneiden ausserhalb des Messerkopf umfanges liegen. Sie führen daher die haupt sächliche Zerspanungsarbeit nicht wie bis her an der Bohrkopfstirnseite, sondern ähn lich wie bei Walzenfräsern am Umfang der Messerköpfe aus. Im Gegensatz zu den früheren Ausführungen ist also bei der er findungsgemässen Maschine gleichzeitig nur etwa die Hälfte der Schneiden eines Bohr kopfumfanges im Eingriff. Die Bohrköpfe vollführen dabei neben ihrer Eigenrotation noch eine Bewegung um die Maschinenhaupt achse, die zumeist mit der Stollenachse zu sammenfällt, und schliessen mit der Stollen- hauptachse einen spitzen Winkel ein.
Die Drehriehtung der Bohrköpfe um die Haupt achse kann zum Beispiel entgegengesetzt der Rotation der Bohrköpfe um die eigene Achse sein, wodurch sich eine ähnliche Wirkung wie beim Gleichlauffräsen mit einem Walzen fräser ergibt, und die Messerkräfte und Schnittdrücke ein selbsttätiges Anpressen der Bohrköpfe an das anzubohrende Material in der Arbeitsrichtung bewirken.
In der Zeichnung, an Hand derer das erfindungsgemässe Verfahren beispielsweise näher erläutert wird, sind Ausführungsbei spiele der erfindungsgemässen Masehine dar gestellt.
Es zeigen schematisch: Fig. 1 im hintern Teil einen Längsschnitt entsprechend der Linie I-I der Fig. 2, im vordern Teil einen Vertikalschnitt durch die Achse, Fig.2 die Rüekansieht und Fig. 3 die Vorderansicht einer Stollenbohr maschine mit zwei Bohrköpfen. Alle drei Figuren zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel.
Fig.4 und 5 zeigen die Abwicklung der Bahn einer Bohrkopfachse während einer Drehsehilddrehung und die Lage der Bohr köpfe zur Maschinenhauptaehse, Fig.6 und 7 in der untern Hälfte die Abfuhr des zerkleinerten Tunnelmaterials in Seiten- und Rüekenansicht, überdies Fig.7 noch ein zweites Ausführungsbei spiel einer Stollenbohzanaschine, bei dem die Bohrköpfe mit. den Getrieben und Motoren zu geschlossenen Aggregaten vereinigt sind, Fig. 8 eine dritte Ausführungsform einer Stollenbohrmasehine in Ansieht mit. einer lotrechten Tragraupe, weiter Fig. 9 und 10 eine geänderte :
lusfiiiirungs- art der Schuttabfuhr einer 'Stollenbohr- maschine in 'Seiten- und Vorderansicht, Fig.11 und 12 eine besondere Sehneid messerbefestigung in Ansicht und im Schnitt entlang der Linie c-d, welche für alle Ausführungsbeispiele verwendbar ist, Fig.13 und 1.1 eine zweckmässige Aus bildung der Schneidmesser in Draufsicht und im Schnitt entlang der Linie a-b, welche bei allen Ausführungsbeispielen anwendbar ist, Fig. 15 bis 17 die Ausbildung des Bohr kopfgetriebes im Bohrkopf in Ansieht und im Schnitt, die für alle Ausführungsbeispiele geeignet ist, Fig.
18 eine hydraulische Einrichtung teil weise im Schnitt für die gleichmässige Be lastung der das Drehschild antreibenden Schneckengetriebe, welche bei allen Ausfüh rungsarten verwendbar ist, und Fig. 19 eine vollautomatische Regeleinrich tung der Stollenbohrmaschine, ebenfalls für alle Ausführungsarten geeignet.
Das Gestell der Maschine nach dem ersten Ausfübrungsbeispiel besteht aus einer Art Schildscheibe 3, die mit einer feststehenden rohrförmigen Achse 4 verbunden ist; auf letzterer ist ein drehbar gelagertes Drehschild vorgesehen, das zweckmässig trommelartig ausgebildet ist. Dieses trägt die Bohrkopf gehäuse 80, welche die Zaihnradübersetzun- gen enthalten, und gegebenenfalls die Brems messer 12. Das Drehschild 5 wird über den Zahnkranz 17, das Ritzel 18 und das Schnek- kengetriebe 19 vom Motor 22 aus über ein stufenloses Getriebe 24 angetrieben.
Der Antrieb der Bohrköpfe 1 erfolgt hier über das zentrale Getriebe 10 und das Vor gelege 11 durch einen oder mehrere am Ge stell gelagerte Motoren 9, wobei infolge der unter einem spitzen Winkel zur Hauptachse z in geordneten Bohrkopfwelle das auf letzterer sitzende Zahnrad mit einer Schrägverzahnung versehen ist. Die Zahnradachse kann aber auch parallel zur Hauptachse der Maschine verlaufen, in welchem Falle das Zahnrad Ge radverzahnung besitzt und in der vom Zahn rad zum Bohrkopf führenden Welle ein Ge lenk eingebaut ist. Die Messer stehen radial ans den Mantelflächen der Bohrköpfe 1 her aus und ihre Schneiden sind so angeordnet, dass die vom Gestein auf den Bohrkopf aus geübte Reaktionskraft im wesentlichen in einer zur Bohrkopfachse senkrechten Ebene liegt.
Die Innenzone des Stollens wird durch eine zentrale Kernbohreinrichtung 30 mit dem Schaftrohr 32 herausgeschnitten, wo durch sich der Gesteinskern 31 ergibt. Die Kernbohreinrichtung 30 kann auch einen voll kommen unabhängigen Antrieb haben und durch eine entsprechende Vorschubeinrich tung das Sondieren der anzubohrenden Ge steinsmassen gestatten.
Das Gestell ruht bei diesem Ausführungs beispiel auf etwa unter 45 geneigten Rau pentragkästen 2, in welchen je ein komplettes Raupenfahrwerk 6 mit seinem Antrieb ge führt ist. Die Raupen des Fahrwerkes sind mit Hilfe der Exzenter 7 und der Gabel und Regelgestänge 8 z\veckmässig unabhängig von einander in der Höhe verstellbar im Gestell angeordnet. Diese unabhängige Höhenein- stelli.ing der Raupen ermöglicht eine Lenkung der Maschine und ein Bohren von schwach gekrümmten Stollen.
Durch zum Beispiel Ver ringern des Abstandes einer der beiden Fahr raupen von der Längsachse der Maschine er hält diese eine zu dieser Raupe geneigte Lage, wodurch auch die Bohrrichtung und Vor schubbewegung der Bohrmaschine in diese Richtung gelenkt wird. Die Raupenglieder können mit Abflachungen 14 (Fig.2) ver sehen sein, um ein Fahren auf ebenem Boden zu ermöglichen. In besonderen Fällen kann noch eine dritte verstellbare Raupe an einem lotrecht nach oben ragenden Arm vorteilhaft sein.
Der Antrieb des Fahrwerkes ist während des Bohrbetriebes mit dem Drehschildantrieb gekoppelt und besitzt, einen in der Zeichnung nicht dargestellten abschaltbaren Schnellgang für beide Fahrtrichtungen.
Aus Fig. 2 ist ferner zu ersehen, dass zur Übertragung der grossen auftretenden - An triebskräfte für das Drehschild 5 zwei Schnek- kengetriebe 19 vorgesehen sind. Es können aber auch mehrere Schneckengetriebe verwen cletwerden.
Bei der angewandten Arbeitsweise ent steht, wie im untern Teil der Fig.3 darge stellt, als Summe aller tangentialer Schnitt kräfte S und radialer Reaktionskräfte R der am Schneidvorgang beteiligten Schneiden eine resultierende Kraft sP. Die resultierende Summenkraft aller, am Schneidvorgang betei ligten Messerschneiden sucht das Drehschild in seinem Drehsinn zu bewegen, erzeugt also ein Mitdrehmoment.
Da dieses Mitdrehmoment sehr stark mit den Gesteins- und Schnittver hältnissen schwanken kann, sind hier zu sei nem Ausgleich verstellbare Bremsmesser oder auch Bremsbacken 12 vorgesehen, welche am Drehschild 5 oder auf den Bohrkopfgehäusen 80 gelagert sind. Um ein Durchgehen der Maschine noch vor dem Wirksamwerden der Bremsmesser zu verhindern, wird der An trieb des Drehschildes 5 mit Hilfe der Schneckengetriebe 19 selbsthemmend gemacht.
Die durch die geringe Schrägstellung der Bohrköpfe zur Maschinenhauptachse auf tretende Reaktionskraftkomponente in Rich tung der Maschinenhauptachse wird vorn Raupenfahrwerk aufgenommen.
In Fig.4 und 5 ist schematisch für alle Ausführungsbeispiele, auch für jene, welche in der Folge noch beschrieben werden, die Lage der Bohrköpfe zur Maschinenhaupt achse x-x dargestellt. Die Strecken A-B, die in der Zeichnung kürzer dargestellt sind, als es der tatsächlichen Abwieklungsstrecke nach Fig.1 entspricht, stellen die Abwick lungen der Bahn eines Bohrkopfmittelpunk tes während einer Drehsehildumdrehung dar.
Es ist dies zufolge der Rotation des Mittel punktes des Bohrkopfes um die Hauptachse x-x und gleichzeitigen Fortschreitens in Richtung dieser Achse eine abgewickelte Schraubenlinie mit dem Steigungswinkel und der Ganghöhe s, welche dem Vorschub der ganzen Bohrmaschine auf den Raupen während einer Umdrehung des Drehschildes entspricht, Wenn keine Hinterschneidung des Tunnelmaterials erreicht werden soll, ist die Ganghöhe s etwa der Messerbreite b multipli ziert mit der Anzahl der denselben radialen Abstand von der Maschinenhauptachse auf weisenden Bohrköpfe gleich.
Zur Steigerung der Bohrleistung kann im geeigneten Gebirgsmaterial der Maschinenvor schub während einer Drehschildumdrehung, zum Beispiel bei zwei Bohrköpfen, grösser als zweimal b gewählt sein, so dass die Bohrköpfe mit einer so grossen Schraubenganghöhe hin terschneiden, dass das Material entsprechend der Breite c absplittert oder abbröckelt, wie Fig.5 zeigt.
Durch die planetenartige Bewegung der Bohrköpfe um die Hauptachse x-x der Ma schine kommt nur ein Teil, ungefähr die Hälfte der radial vom Umfang der Bohr köpfe abstehenden Messer, gleichzeitig zur Schneidwirkung.
Es sind nun, um ein Freischneiden der Stirnflanken 200 (Fig. 4, 5 und 13) der Schneidmesser zu erreichen, bzw. um ein An liegen der senkrecht zur Bohrkopfachse ver laufenden Stirnfläche der Bohrköpfe an der Tunnelbrust zu vermeiden, die Stirnflächen so angeordnet, dass sie mit den Tangenten an die Bohrkopfmittelpunktsbahn einen Winkel # einschliessen (Fig. 4 und 5).
Weil die Bohrköpfe nahezu senkrecht zur Tunnelachse sich bewegen und die Messer in dieser Richtung wirken, ergeben sieh in Rich tung der Tunnelachse keine grossen Kräfte, weshalb das dargestellte Bohrsystem fast kei nen frontalen Anpressdruek benötigt.
Für Stollen mit grossem Durchmesser wer den gemäss dem zweiten Ausführungsbeispiel ausserhalb der Innenbohrköpfe 1 auf einem grösseren Radius eine Anzahl weiterer Bohr köpfe 90 angeordnet, wie Fig. ö zeigt. Hierbei sind bei diesem Ausführungsbeispiel die Achsen der Bohrköpfe 90 nicht parallel zur Masehinenhauptaehse, sondern geneigt. ange ordnet.
Weiterhin wird in Fig. 6 als zweites Aus- führungsbeispiel die Vereinigung der Bohr köpfe 90 mit den Bohrkopfgetrieben 80 und Motoren 9 zu geschlossenen Aggregaten ge zeigt, welche auf dem Drehschild angeordnet werden.
Zur .Schuttabfuhr weist die Maschine naeli Fig.6 und<B>7</B> eine Anzahl Fördersehneeken 41 auf. Diese Schneeken sind auf einer ent sprechend geformten Schaufel -I0 mit hier nicht dargestellten Leitblechen angeordnet und schieben den Bohrschutt auf ein dahinter liegendes Förderband 42. Wie weiter aus Fig.6 zu ersehen ist, wird bei dieser Aus- führung statt mit dem zentralen Bohrkern 30 (Fig.l) mit kleinen Messerköpfen 33 vorge schnitten, wodurch wie bei der ersten Aus führung ein zentraler Gesteinkern 31 stehen bleibt.
Fig. 8 zeigt als drittes Ausführungsbeispiel der Bohrmaschine eine geänderte Ausbildung des Fahrwerkes. Es besteht aus einem ein zigen lotrechten Tragarm mit Raupe 15, auf welchen sich das Gestell abstützt. Die An ordnung von zwei weiteren seitlichen Stütz raupen, Stützrollen oder Stützkufen 16 kann fallweise vorteilhaft sein.
Eine andere Art der Schuttabfuhr zeigen die Fig.9 und 10. Ein Förderrad 91 schiebt mittels entsprechend ausgebildeter Schaufeln 9 2 das abgebaute Material, ähnlich einer viel- gängigen Förderschnecke nach rückwärts und an der feststehenden Schildscheibe 95 so lange in die Höhe, bis es durch die Ausneh- mung 94 dieser Scheibe 95 auf das Förder band 42 rutschen kann. Das Förderrad 91 kann dabei am Drehteil selbst befestigt sein oder als selbständiges Rad mit grösserer Dreh zahl als dieser umlaufen. Die Zwischen sehaufeln 96 bezwecken eine vollständigere Füllung der Förderzellen.
Für backendes bzw. feuchtes Material ist eine um die Achse 97 drehbare, federbelastete Kratzschwinge 88 vorgesehen, welche bei der Drehung des Förderrades 91 durch ihr Ge wicht selbsttätig das an den Förderschaufeln haftende Material wenigstens teilweise auf das Förderband 42 zieht.
Für die Leistungsfähigkeit des Bohrver fahrens ist eine für alle Ausführungsbeispiele geeignete, rasch lösbare Schneidmesserbefesti gung, zum Beispiel nach den Fig.11 und 12, von besonderem Vorteil. Das mit der Hart metallauflage 61 versehene Schneidmesser 60 hat einen konvergierenden Schaft 160 mit trapezförmigem Querschnitt. Dieser Schaft passt in eine entsprechende Ausfräsung des Messerkopfes 1. Durch einen schräg abge flachten Zylinder 62 wird das Messer in Form einer Reibungssicherung gegen Herausfallen verankert. Dieser Zylinder wird durch die Innenseehskantschraube 63 angepresst.
Um zu erreichen, dass die Messerschneiden auch nach dem Nachschleifen auf dem glei- ehen Messerkopfhalbmesser liegen, wird nach jedem Nachschliff eine entsprechend stär kere Platte 64 an der Messerschaftflanke, zum Beispiel mittels einer Schwalbenschwanzver bindung, befestigt.
Beim Hinterschneiden des Tunnelmate rials kann eine Steigerung der Bohrleistung erzielt werden, wenn die in Fig.13 und 14 dargestellten Messer 60 am Bohrkopf 100 vorgesehen sind. Die Messer 60 weisen eine Hartmetallschneide 61 auf, und die Messer schneiden und -schneidflächen erhalten solche Richtungen, dass der Abbröckelungsvorgang weitgehend gefördert wird. Die zur Bohr kopfachse geneigten Hartmetallschneiden 61 üben auf die Stollenwand den Gesteindrücken entsprechende senkrecht zur Stollenwand ge richtete Drücke aus, wobei deren zur Bohr- kopfa.chse parallele Komponenten auf das hinterfräste Material drücken und dieses aus brechen.
Die Messeroberflächen können auch gekrümmt ausgeführt werden, um den Vor gang in grösserem Umfange zu beherrschen bzw. einregeln zu können. .Schliesslich ist es auch noch möglich, neben den Schneidmessern zusätzlich Druckeisen oder Räumeisen mit pflugscharartigen oder in sonstiger Art ge krümmten Formen anzuordnen, um die ge wünschten Brechvorgänge zu unterstützen.
Um das Getriebe für die sehr grossen Bohrkopfantriebskräfte überhaupt in dem ver fügbaren Raum unterbringen zu können, wird die erste Übersetzung nach Fig. 1.5 bis 17 als Umlaufgetriebe ausgebildet. Zwischen dem Innenzahnkranz 81 des im Drehschild<B>5</B> fest gelagerten Bohrkopfgehäuses 80 und dem Antriebsritzel 83 laufen drei bis vier Planeten- bzw. Zwischenräder 82 und verteilen so die Antriebskraft auf entsprechend viele Zähne. Die Zwischenräder 82 sind in dem entspre chend ausgebildeten Bohrkopf 1 bzw. 100 in der Umfangsrichtung federnd gelagert.
Sie laufen auf Buchsen 84, welche sieh nach F'ig.17 mit ihrer etwas Balligen Ausnehmung auf nur in tangentialer Richtung nachgiebi gen Blattfedernpaketen <B>85</B> abstützen. Damit wird sowohl ein gleichmässiges Tragen über die gesamte Zahnbreite als auch die ungefähr gleiche Belastung sämtlicher Zwischenräder 82 bei geringen Anforderungen an die Her stellungsgenauigkeit selbsttätig erreicht.
In Fig. 18 ist die bei allen Ausführungs beispielen anwendbare ölhydraulische Steue rung der Schneckengetriebe 19 dargestellt, welche bei der Anordnung von mindestens zwei Schneckengetrieben vorteilhaft ist, um eine einseitige Belastung derselben zu vermei den. Die Axialbelastung der längsbeweglichen Schnecke 25 wird über den Kolben 26 auf das in den Druckräumen 28 und 29 befind liche Öl übertragen, wobei die gleichsinnigen Räume aller Sehneckenaggregate miteinander in Verbindung stehen.
Um bei den stark schwankenden Belastun gen, die vom Maschinenführer nicht bemerkt werden können, die Maschine nicht zu über lasten, bzw. Brüche einzelner Maschinenteile, zum Beispiel der Messer, zu vermeiden und ausserdem den grösstmöglichen Vortrieb bei gegebener Schnittgeschwindigkeit zu errei chen, wird eine vollautomatische Regelein richtung angegeben, die in Fig.19 schema tisch dargestellt ist.
Der Drehschildantrieb erfolgt über den Zahnkranz 17 und die Schneckenaggregate 19 von einem Getriebe 35 aus, von welchem hier auch das Fahrwerk ö angetrieben wird. Zwischen diesem Getriebe 35 und dem An triebsmotor 22 liegt ein stufenloses Getriebe 24, welches durch den Öldruck-Servomotor 36 in Abhängigkeit von der Belastung der Schnecken 25, also vom Mitdrehmoment, öl- hydraulisch verstellt werden kann.
Die Bremsmesserhalter 12 sind als Kolben ausgebildet, die in am Drehschild 5 befestigten Zylindern 136 dicht gleiten und durch Fe dern 37 vom Eingriff zurückgezogen werden. Der Verteiler 38 besitzt einen vom Regel automaten 46 beaufschlagten Hauptkolben 39 und für jedes Bremsmesser einen gesonder ten Öldruekkolben 45. Durch diese Anord nung wird die gleichmässige Anstellung aller Bremsmesser erzwungen, also das Vorprellen einzelner Messer in etwa im Gestein vorhan dene Hohlräume verhindert.
Der Automat 46 besteht im wesentlichen aus dem Steuerkolben 47 mit dem Relais magnetschalter 48 und dem Bremskolben 49. Das Regeldruceköl wird in dem mit einem Luftpolster versehenen Druckbehälter 50 auf gespeichert, welcher von der Pumpe 51 über den Druckregelschalter 52 selbsttätig gefüllt wird. Der Behälter 53 enthält das rück fliessende drucklose Öl. Das Relais 48 wird von den an den Messerkopfantrieben ein gebauten elektrischen Drehmomentschaltern elektrisch oder auch hydraulisch bzw. mecha nisch betätigt.
Die Wirkungsweise dieser Einrichtung ist folgendermassen: Das Regelgetriebe 24, von dem aus der Antrieb des Drehschildes 5 und der Bohrköpfe 1 sowie der Raupen 6 über das Getriebe 35 erfolgt, wird bei Betriebs beginn auf kleinste Vortriebsgeschwindigkeit eingestellt, wodurch das anzubohrende Mate rial, zum Beispiel Gestein, langsam angefah ren wird.
Sobald die Sehneidmesser gefasst haben, wird der Hahn 54 geöffnet und das Drucköl strömt aus dem Behälter 50 über den Steuerkolben 47 in der Richtung der eingezeichneten Pfeile durch den Servomotor 36 und verstellt die Getriebeübersetzung auf grössere Vorsehubgeschwindigkeit. Dadurch wachsen die Spantiefe, der Leistungsver brauch und somit auch das llitdrehmoment. Dieses bewirkt eine Erhöhung des Schnecken druckes und demzufolge ein Ansteigen des Öldruckes in den Zylindern 29 des Trommel antriebes 19 (Fig.2). Wird nun das zulässige Mitdrehmoment überschritten,
so wird das Öl von den Zylindern 29 durch die Leittrog 55 zum Bremskolben 49 gedrückt., wobei das Öl in den ringförmigen Kanal -19a,, der von dem Zylinder und der abgeschrägten Kolbenrand- fläehe gebildet ist, eindringt und den Kolben g <B>-</B> e gen die verstellbare Feder 56 verschiebt.
Die Folge davon ist, dass Drucköl in den Ver teiler 38 strömt und damit die Bremsmesser 12 znr Wirkung bringt. Sinkt infolge der nun entstandenen Bremsung der Druck im Sehneekenzylinder 29 wieder auf das zu- lässige Mass, so geht der Bremskolben durch den Federdruck 56 wieder zurück.
Er lässt Drucköl in den Behälter 53 ab strömen, wobei die Bremsmesser 12 durch den auf sie wirkenden Druck und den Ein fluss der Federn 37 wieder zurückgezogen werden.
Steigt nun der Öldruck in den Zylindern 29 durch ein sehr grosses Mitdrehmoment, das von den Bremsmessern nicht mehr ab gefangen werden kann, noch mehr an, so wird auch der Steuerkolben 47 in gleicher Weise wie der Bremskolben von dem in den Ring kanal 47a eindringenden Öl gegen die ein stellbare Feder 68 gehoben. Auf diese Weise wird der Ölfluss durch den Servomotor 36 und damit seine Drehrichtung umgekehrt. Dadurch werden die Spantiefen der Schneid messer und damit das Mitdrehmoment kleiner. Das gesehieht so lange, bis der Druck in den Zylindern 29 wieder unter den Druck der Feder 68 gefallen ist.
Steigt das Drehmoment an den Messer köpfen, zum Beispiel infolge örtlicher Hart gesteinseinsehlüsse,Messerbruch oder derglei chen, über das zulässige Mass, so schliesst der Sehalter 66 einen Hilfsstromkreis 67, der mittels Solenoid 48 den Steuerkolben 47 v er- sehiebt. Hiermit wird wie vorhin eine Ver ringerung der Spantiefe so lange bewirkt, bis die Überlastung der Maschine behoben ist. Dieser Hilfsstromkreis 67 kann auch zusätz- lieh durch einen Maximalstromgeber des Hauptmotors 9 betätigt werden, so dass dem zufolge auch ein Motorschutz erreicht werden kann.
Das dauernde Pendeln der beiden Steuer kolben 47 und 49 kann durch Federn 56 und 68, deren Diagramme gestuft sind, verhindert werden.
Unter Stollen werden hier nebst den übli chen Stollen auch Tunnels und allgemeine Hlohlräune im Gestein, Kohle, Salz, Mineralen aller Art bzw. in sonstigen Teilen der Erd rinde verstanden, die eine ihre Breite bzw. flöhe übersteigende Länge oder Tiefe aufwei sen. Dazu gehören auch lotrechte oder schräge Schächte, Druckstollen oder dergleichen.
Method and machine for drilling galleries, tunnels, channels, shafts and the like. It is well known that when drilling tunnels, tunnels and similar cavities by crushing rock, ore and coal, the drilling tools, for example cutting steels, cutting knives and chisels equipped with carbide tipping, move in the direction of the tunnel axis pressed against the cleat's front wall or face, while these drilling tools perform a rotary movement around an axis parallel to the cleat axis.
Here, the knives are usually attached to radial, spoke-like arms formed as knife carriers. In another case, the knives are arranged on the face of axially parallel rotating disks, so-called knife heads, which themselves again circle like a planet around the stub neck.
The first-mentioned device has the disadvantage that too few knives work in the outer radial zones, which is why the outer knives often have to be changed, which means that there are long lost times. Since, in the second embodiment, the pre-stroke is relatively very small due to the pressure exerted on the frontal indentations, the knife edges work more scratching than seeing, and it comes. thereby to an undesirably excessive crushing of the rock.
Since the knife edges are constantly in contact, the knife wear is also very high in this version.
The main disadvantage of all previously known drilling devices, however, is the axial pressing of the knives against the tunnel chest, which with the large number of working knives in question in connection with the high contact pressure required especially with rock requires such great forces that they are due to the The machine's own weight cannot be supported. It was therefore decided that this large contact pressure was absorbed by supporting it on the walls of the tunnel. However, such a measure requires a very heavy, long and two-part machine frame.
Its rear part would have to be spread tightly to the tunnel walls by heavy hydraulic pressure pistons, with the front frame part then also being pressed forward against the tunnel face with large hydraulic pressure pistons. Before each subsequent work step, the rear part first had to be pulled forward again, which required a complicated spreading device on the front part.
Such a machine is not only very complicated, heavy and expensive, but also has major disadvantages in the drilling operation, which is why it could not be implemented in practice. For example, it cannot move into a tunnel unless, for the time being, other previously known drilling methods are used to work out a piece of tunnel with the considerable length of the machine. Because of its great length, it cannot approach a cross tunnel from a main tunnel of normal width. Finally, among other things, it has the disadvantages already mentioned of the incorrect number of knives in the individual work zones.
This sum of shortcomings is the reason why the aforementioned drilling devices could not prevail in any way.
All these disadvantages are avoided by the method according to the invention, which consists in that at least one drill head with the knives protruding radially from the circumference is given, in addition to a rotation about the drill head axis, a rotary movement around the longitudinal axis of the tunnel and a feed movement in the direction of this axis, wherein the cutting edges of the knives are arranged on the drill head in such a way that the reaction force exerted by the rock on the drill head lies essentially in a plane perpendicular to the drill head axis.
The tunnel drilling machine for the implementation of this method is designed according to the invention in such a way that the cutting edges are arranged on the circumference of the rotating drilling heads and the axes of these drilling heads are inclined to the main machine axis under an acute angle.
The drill heads are advantageously equipped with cutting knives in such a way that their main cutting edges lie outside the circumference of the cutter head. They therefore do the main cutting work not on the face of the drill head, as they did up to now, but on the circumference of the cutter heads in a similar way as with cylindrical milling cutters. In contrast to the earlier versions, only about half of the cutting edge of a drilling head circumference is engaged in the machine according to the invention. In addition to their own rotation, the drilling heads also perform a movement around the main machine axis, which mostly coincides with the tunnel axis, and form an acute angle with the main tunnel axis.
The direction of rotation of the drill heads around the main axis can, for example, be the opposite of the rotation of the drill heads around their own axis, which results in an effect similar to that of down-milling with a cylindrical cutter, and the knife forces and cutting pressures cause the drill heads to automatically press against the material to be drilled cause in the working direction.
In the drawing, on the basis of which the method according to the invention is explained in more detail, for example, exemplary embodiments of the Masehine according to the invention are shown.
There are schematically shown: Fig. 1 in the rear part a longitudinal section along the line I-I of FIG. 2, in the front part a vertical section through the axis, Fig.2 the back view and Fig. 3 the front view of a tunnel drilling machine with two drill heads. All three figures show a first embodiment.
4 and 5 show the development of the path of a drill head axis during a Drehsehild rotation and the position of the drill heads to the machine main axis, Fig. 6 and 7 in the lower half of the removal of the comminuted tunnel material in side and back view, moreover Fig.7 still a second Ausführungsbei play a Stollenbohzanaschine, in which the drill heads with. the gears and motors are combined to form closed units, FIG. 8 shows a third embodiment of a tunnel drilling machine. a vertical caterpillar, further Fig. 9 and 10 a modified one:
Lusfiiiirungs- type of debris removal of a 'tunnel drilling machine in' side and front view, Fig. 11 and 12 a special saw blade attachment in view and in section along the line cd, which can be used for all embodiments, Fig. 13 and 1.1 a useful one From education of the cutting knife in plan view and in section along the line, which is applicable to all embodiments, Fig. 15 to 17 the formation of the drill head gear in the drill head in view and in section, which is suitable for all embodiments, Fig.
18 a hydraulic device partially in section for the even loading of the worm gear driving the rotary shield, which can be used in all types of execution, and Fig. 19 shows a fully automatic control device for the tunnel boring machine, also suitable for all types of execution.
The frame of the machine according to the first embodiment consists of a type of shield plate 3 which is connected to a fixed tubular axis 4; on the latter, a rotatably mounted rotary shield is provided, which is expediently designed like a drum. This carries the drill head housing 80, which contains the gear ratios, and possibly the brake knife 12. The rotary shield 5 is driven via the toothed ring 17, the pinion 18 and the worm gear 19 from the motor 22 via a continuously variable transmission 24.
The drive of the drill heads 1 takes place here via the central gear 10 and the before lay 11 by one or more at Ge alternately mounted motors 9, the gear seated on the latter being provided with helical teeth as a result of the drill head shaft arranged at an acute angle to the main axis z is. The gear axis can also run parallel to the main axis of the machine, in which case the gear Ge has gear teeth and a Ge joint is installed in the shaft leading from the gear to the drill head. The knives protrude radially from the lateral surfaces of the drill heads 1 and their cutting edges are arranged so that the reaction force exerted by the rock on the drill head lies essentially in a plane perpendicular to the drill head axis.
The inner zone of the tunnel is cut out by a central core drilling device 30 with the shaft tube 32, where the rock core 31 results. The core drilling device 30 can also have a fully independent drive and allow the rock masses to be drilled to be probed through a corresponding feed device.
The frame rests in this embodiment, for example, on approximately 45 inclined Rau pentragkästen 2, in each of which a complete caterpillar 6 with its drive leads ge. The caterpillars of the chassis are arranged vertically adjustable in height independently of each other with the aid of the eccentric 7 and the fork and control rods 8 in the frame. This independent height adjustment of the tracks enables the machine to be steered and slightly curved tunnels to be drilled.
For example, by reducing the distance of one of the two driving caterpillars from the longitudinal axis of the machine, he keeps this one inclined to this caterpillar position, which also steers the drilling direction and forward thrust movement of the drill in this direction. The track links can be seen with flats 14 (Figure 2) ver to enable driving on level ground. In special cases, a third adjustable caterpillar on a vertically upwardly extending arm can be advantageous.
The drive of the chassis is coupled to the rotary shield drive during drilling operation and has an overdrive which can be switched off for both directions of travel, not shown in the drawing.
From FIG. 2 it can also be seen that two worm gears 19 are provided for transmitting the large driving forces that occur for the rotary shield 5. However, several worm gears can also be used.
In the applied working method, as shown in the lower part of FIG. 3, a resulting force sP is the sum of all tangential cutting forces S and radial reaction forces R of the cutting edges involved in the cutting process. The resulting total force of all the knife edges involved in the cutting process tries to move the rotary shield in its direction of rotation, thus generating a co-torque.
Since this torque can fluctuate very strongly with the rock and Schnittver ratios, adjustable brake knives or brake shoes 12 are provided here, which are mounted on the rotary shield 5 or on the drill head housings 80 to be compensation. In order to prevent the machine from going through before the brake knife takes effect, the drive to the rotary shield 5 is made self-locking with the help of worm gear 19.
The reaction force component in the direction of the main machine axis due to the slight inclination of the drill heads to the main machine axis is absorbed by the crawler track.
In Fig. 4 and 5, the position of the drill heads to the machine main axis x-x is shown schematically for all embodiments, including those which will be described below. The routes A-B, which are shown shorter in the drawing than it corresponds to the actual Abwieklungsstrecke according to Fig.1, represent the unwindings of the path of a Bohrkopfmittelpunk tes during a Drehsehildum rotation.
This is due to the rotation of the center point of the drill head around the main axis xx and simultaneous advancement in the direction of this axis a developed helix with the pitch angle and pitch s, which corresponds to the advance of the entire drill on the caterpillars during one revolution of the rotary shield, If no undercut of the tunnel material is to be achieved, the pitch s is approximately equal to the knife width b multiplied by the number of the same radial distance from the main axis of the machine pointing drill heads.
In order to increase the drilling capacity, the machine feed rate during one turn of the rotary shield can be selected to be greater than twice b in suitable rock material, for example with two drill heads, so that the drill heads cut with such a large screw pitch that the material splinters or crumbles according to the width c as Fig.5 shows.
Due to the planetary movement of the drill heads around the main axis x-x of the machine, only a part, approximately half of the knives protruding radially from the circumference of the drill heads, simultaneously have the cutting effect.
There are now to achieve a free cutting of the end flanks 200 (Fig. 4, 5 and 13) of the cutting knife, or in order to avoid the end face of the drill heads running perpendicular to the drill head axis ver on the tunnel face, the end faces are arranged so that they include an angle # with the tangents to the drill head center point path (Fig. 4 and 5).
Because the drill heads move almost perpendicular to the tunnel axis and the knives act in this direction, there are no large forces in the direction of the tunnel axis, which is why the drilling system shown requires almost no frontal pressure.
For studs with a large diameter who, according to the second embodiment, a number of further drilling heads 90 are arranged outside the inner drilling heads 1 on a larger radius, as shown in FIG. In this embodiment, the axes of the drill heads 90 are not parallel to the main axis of the machine, but are inclined. arranged.
Furthermore, as a second exemplary embodiment, FIG. 6 shows the combination of the drill heads 90 with the drill head gears 80 and motors 9 to form closed units which are arranged on the rotary shield.
The machine, as shown in FIGS. 6 and 7, has a number of conveyor tendons 41 for removing debris. These Schneeken are arranged on a correspondingly shaped shovel -I0 with guide plates (not shown here) and push the drilling debris onto a conveyor belt 42 located behind it. As can also be seen from FIG. 6, in this embodiment, instead of the central drill core 30 (Fig.l) pre-cut with small cutter heads 33, whereby a central rock core 31 remains as in the first execution.
Fig. 8 shows as a third embodiment of the drilling machine a modified design of the chassis. It consists of a single vertical support arm with a caterpillar 15 on which the frame is supported. The arrangement of two other lateral support caterpillars, support rollers or support runners 16 can be advantageous in some cases.
9 and 10 show another type of debris removal. A conveyor wheel 91 pushes the excavated material backwards by means of appropriately designed blades 9 2, similar to a multifunctional conveyor screw, and upwards on the stationary shield plate 95 until it passes through the recess 94 of this disk 95 can slide onto the conveyor belt 42. The conveyor wheel 91 can be attached to the rotating part itself or rotate as an independent wheel with a greater speed than this. The purpose of the intermediate blades 96 is to fill the conveyor cells more completely.
For baking or moist material, a spring-loaded scraper rocker 88 rotatable about the axis 97 is provided, which automatically pulls the material adhering to the conveyor blades at least partially onto the conveyor belt 42 due to its weight as the conveyor wheel 91 rotates.
For the performance of the Bohrver process, a quickly releasable cutting knife fastening suitable for all exemplary embodiments, for example according to FIGS. 11 and 12, is of particular advantage. The cutting knife 60 provided with the hard metal coating 61 has a converging shaft 160 with a trapezoidal cross section. This shaft fits into a corresponding milled cutout in the cutter head 1. The cutter is anchored in the form of a friction lock to prevent it from falling out by means of a sloping cylinder 62. This cylinder is pressed on by the hexagon socket screw 63.
In order to ensure that the knife edges lie on the same knife head radius even after regrinding, a correspondingly thicker plate 64 is attached to the knife shank flank, for example by means of a dovetail connection, after each regrinding.
When undercutting the tunnel mate rials, an increase in drilling performance can be achieved if the knives 60 shown in FIGS. 13 and 14 are provided on the drill head 100. The knives 60 have a hard metal cutting edge 61, and the knives and cutting surfaces are given such directions that the crumbling process is largely promoted. The hard metal cutters 61 inclined to the drilling head axis exert pressure on the tunnel wall corresponding to the gesture impressions perpendicular to the tunnel wall, with their components parallel to the drilling head axis pressing on the back-milled material and breaking it off.
The knife surfaces can also be curved in order to be able to control or regulate the process to a greater extent. Finally, it is also possible, in addition to the cutting knives, to also arrange pressure iron or room iron with ploughshare-like or other curved shapes in order to support the desired breaking processes.
In order to be able to accommodate the transmission for the very large drilling head drive forces in the space available, the first translation according to FIG. 1.5 to 17 is designed as an epicyclic transmission. Three to four planetary or intermediate gears 82 run between the inner ring gear 81 of the drill head housing 80 fixedly mounted in the rotary shield 5 and the drive pinion 83 and thus distribute the drive force to a corresponding number of teeth. The intermediate gears 82 are resiliently mounted in the accordingly trained drill head 1 or 100 in the circumferential direction.
They run on bushings 84 which, as shown in FIG. 17, with their somewhat convex recess, are supported on leaf spring assemblies 85 that are only flexible in the tangential direction. In this way, both uniform wear over the entire tooth width and approximately the same load on all intermediate gears 82 with low demands on the manufacturing accuracy are automatically achieved.
In Fig. 18 the applicable oil hydraulic Steue tion of the worm gear 19 is shown in all execution examples, which is advantageous in the arrangement of at least two worm gears in order to avoid a one-sided load of the same. The axial load of the longitudinally movable worm 25 is transmitted via the piston 26 to the oil located in the pressure chambers 28 and 29, with the chambers of all tendon units in the same direction being connected to one another.
In order not to overload the machine with the strongly fluctuating loads that cannot be noticed by the machine operator, or to avoid breakage of individual machine parts, for example the knife, and also to achieve the greatest possible advance at a given cutting speed, a fully automatic control device specified, which is shown schematically in Fig. 19.
The rotary shield drive takes place via the ring gear 17 and the worm units 19 from a gear 35, by which the chassis δ is also driven here. Between this gear 35 and the drive motor 22 is a continuously variable gear 24, which can be adjusted oil-hydraulically by the oil pressure servomotor 36 depending on the load on the worm 25, so the co-torque.
The brake knife holder 12 are designed as pistons which slide tightly in cylinders 136 attached to the rotary shield 5 and are withdrawn from engagement by Fe countries 37. The distributor 38 has a main piston 39 acted upon by the automatic control unit 46 and a separate oil pressure piston 45 for each brake knife. This arrangement enforces the uniform adjustment of all brake knives, thus preventing individual knives from bouncing roughly in the rock.
The machine 46 consists essentially of the control piston 47 with the relay magnetic switch 48 and the brake piston 49. The control pressure oil is stored in the pressure vessel 50 provided with an air cushion, which is automatically filled by the pump 51 via the pressure control switch 52. The container 53 contains the back-flowing pressureless oil. The relay 48 is actuated electrically or hydraulically or mechanically by the electric torque switches built into the cutter head drives.
The mode of operation of this device is as follows: The control gear 24, from which the drive of the rotary shield 5 and the drill heads 1 and the caterpillars 6 takes place via the gear 35, is set to the lowest propulsion speed at the beginning of operation, whereby the mate rial to be drilled, for example Rock, approached slowly.
As soon as the cutting knife has taken hold of, the valve 54 is opened and the pressure oil flows out of the container 50 via the control piston 47 in the direction of the arrows drawn through the servomotor 36 and adjusts the gear ratio to a greater vorehub speed. This increases the depth of cut, the power consumption and thus also the torque. This causes an increase in the screw pressure and consequently an increase in the oil pressure in the cylinders 29 of the drum drive 19 (Figure 2). If the permissible co-torque is now exceeded,
the oil is pressed from the cylinders 29 through the guide trough 55 to the brake piston 49, the oil penetrating into the annular channel -19a ,, which is formed by the cylinder and the beveled piston edge surface, and the piston g <B> - </B> e moves the adjustable spring 56 against.
The consequence of this is that pressure oil flows into the distributor 38 and thus brings the brake knife 12 to effect. If the pressure in the tendon cylinder 29 falls again to the permissible level as a result of the braking that has now occurred, the brake piston goes back again due to the spring pressure 56.
It allows pressure oil to flow into the container 53, the brake knife 12 being withdrawn again by the pressure acting on them and the influence of the springs 37.
If the oil pressure in the cylinders 29 rises even more due to a very high torque that can no longer be caught by the brake knives, the control piston 47 is in the same way as the brake piston of the oil penetrating into the annular channel 47a lifted against an adjustable spring 68. In this way the oil flow through the servomotor 36 and thus its direction of rotation is reversed. As a result, the cutting depths of the cutting blades and thus the co-torque are smaller. This is seen until the pressure in the cylinders 29 has fallen below the pressure of the spring 68 again.
If the torque on the knife heads rises above the permissible level, for example as a result of local hard rock shortfalls, knife breakage or the like, then the holder 66 closes an auxiliary circuit 67 which pushes the control piston 47 by means of a solenoid 48. As before, this reduces the depth of cut until the overloading of the machine has been eliminated. This auxiliary circuit 67 can also be actuated by a maximum current generator of the main motor 9, so that motor protection can also be achieved accordingly.
The constant oscillation of the two control pistons 47 and 49 can be prevented by springs 56 and 68, the diagrams of which are stepped.
In addition to the usual tunnels, tunnels also mean tunnels and general hollow tunnels in rock, coal, salt, minerals of all kinds or in other parts of the earth's bark that have a length or depth exceeding their width or fleas. This also includes vertical or inclined shafts, pressure tunnels or the like.