CN106414898B - 检测隧道掘进机的挖掘工具的机械载荷的高精度传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于挖掘岩石(102)的、隧道掘进机(180)的钻头(150)的挖掘工具(100)，其中，所述挖掘工具(100)具有用于容纳和支承能转动的切割轮(106)的可以安装在钻头(150)上的切割轮固定装置(104)，为了挖掘岩石(102)能转动地尤其可更换式地容纳在切割轮固定装置(104)中的切割轮(106)和用于检测所述挖掘工具(100)尤其所述切割轮(106)的机械载荷的传感器装置(112)，其中，所述传感器装置(112)构造为至少部分地在所述切割轮固定装置(104)内和/或在所述切割轮(106)上安装的套筒(177)，所述套筒(177)具有至少一个安装在其上的对载荷敏感的元件(108)。

Description

检测隧道掘进机的挖掘工具的机械载荷的高精度传感器
技术领域
本发明涉及一种挖掘工具，一种用于检测挖掘工具的机械载荷的系统，一种钻头和一种隧道掘进机。
背景技术
隧道掘进机是用于建造隧道的机器。隧道掘进机的部件是具有进给和支撑装置的挖掘盾、用于安装支撑和扩建措施的装置、用于移走物料的装置、供给单元(电力、压缩空气、通风、水)和用于剥除的材料、支撑器件和扩建措施的运输装置。隧道掘进机前侧的钻头配设用于挖掘岩石的挖掘工具。
对于隧道掘进机，作为精确控制部件或组件的基础重要的是知道作用于固持在钻头上的挖掘工具的机械载荷。这在环境较脏、处于强烈的机械载荷的影响下、所以在恶劣条件下的许多情况中是必需的。
本发明的申请人莱奥本矿业大学(Leoben)在专利文献DE 202012 103 593 U1中公开了一种用于隧道掘进机钻头的用于挖掘岩石的挖掘工具，其中，挖掘工具具有用于容纳和支承切割轮的可以安装在钻头上的切割轮固定装置，该切割轮为了挖掘岩石而可更换式地能容纳在切割轮固定装置上，该挖掘工具还具有用于检测挖掘工具尤其切割轮的机械载荷的传感器装置，其中，该传感器装置被规定在该切割轮固定装置上和/或其内部和/或其一部分。虽然该挖掘工具便于使用和功率强大，但是在确定的运行条件下在检测准确度方面还有改进的空间。
在专利文献DE 100 30 099 C2中也公开了另外的现有技术。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种用于确定机械载荷的高精度的传感装置，该机械载荷作用在固持在钻头上的挖掘工具上。
按照本发明的一个实施例提供一种用于挖掘岩石的隧道掘进机的钻头的挖掘工具，其中，挖掘工具具有能安装在钻头上的、(尤其借助容纳支承件或轴承)容纳和支承切割轮的切割轮固定装置，切割轮为了挖掘岩石(尤其可更换式地)能容纳在切割轮固定装置(尤其在容纳支承件)中(其中，切割轮优选地不被主动式地驱动，而是简单地从岩石上滚动)，挖掘工具还具有用于检测挖掘工具尤其切割轮的机械载荷的传感器装置(其可以具有至少一个对载荷敏感的元件、用于向评估单元传送传感器信号的连接器件等等)，其中，传感器装置构造为至少部分地在切割轮固定装置内和/或在切割轮上安装的套筒，套筒具有至少一个安装在其上的对载荷敏感的元件。
按照本发明的另外的实施例，提供一种用于确定用来挖掘岩石的隧道掘进机的钻头的挖掘工具的(尤其切割轮的)机械载荷的系统，其中，该系统具有带有上述特征的挖掘工具，并且其中，系统具有评估单元(例如处理器)，其被安装用于以至少一个对载荷敏感的元件的传感器信号为基础确定信息(例如一个或者多个起作用的分力的大小和/或方向)，该信息对作用在挖掘工具的切割轮上的机械载荷是象征性或指示性的。
按照本发明的进一步的实施例提供一种用于挖掘岩石的隧道掘进机的钻头，其中，该钻头具有能相对于岩石转动和平动地可运动的(例如筒形的)钻体，钻体具有多个(尤其前侧或者岩石侧的)用于固持挖掘工具的挖掘工具固持件，钻头还具有多个具有上述特征的挖掘工具，挖掘工具能尤其可更换式地被固持或已经固持在多个挖掘工具固持件中。
根据本发明的又一种另外的实施例提供一种用于挖掘岩石的隧道掘进机，其具有带上述特征的钻头。
按照一种示例性的实施例，在建造隧道时、更确切地说在借助带有切割轮的挖掘工具的隧道掘进机的钻头的穿钻运行期间，力的测量可以由下述方式以极度精确的方式进行，即一个或者多个对载荷敏感的元件(例如电阻应变片)集成在空心套筒中，该空心套筒可以被安装在挖掘工具的任意的位置上的在切割轮固定装置中和/或在切割轮中的对应的套筒孔中。通过使优选双侧打开的和因此可触及的空心体被用作用于容纳对载荷敏感的元件的容纳基件的方法，不仅能自由选择(只需要在预期位置构造容纳传感器套筒的套筒孔)在挖掘工具中测量力的位置，此外还可以有利地使用薄壁式空心套筒体的弹性，以便从根本上改变相对于传统方法的测量的敏感性。
按照一种示例性的实施例，提供一种套筒形式的模块化测量单元，其被构造为用于确定用于剥离岩石的工具的外部剪切力。套筒可以摩擦配合、材料配合和/或形状配合地直接定位在工具的周围。这种配置的优点在于，可以为外部载荷直接分配测量信号。通过多个这种由套筒和对载荷敏感的一个或者多个元件组成的传感器装置的组合式布置可以在几乎任意的位置测量不同的力和其方向。通过以套筒构型(而非销栓构型)设计的和为在多个关键位置应用而最优化地定向和定位的传感器的测试表示在线性(约3％至5％和更好)、迟滞性(非常小)和偏移表现方面的优异表现。
下面说明挖掘工具、系统、钻头和隧道掘进机的额外的示例性的实施例。
按照一种实施例，切割轮固定装置可以具有切割轮容纳件和至少一个固定元件，固定元件用于使切割轮固定在切割轮容纳件上和/或用于使切割轮容纳件固定在钻头上，其中，传感器装置的至少一个对载荷敏感的元件(尤其在功能和空间上)与至少一个固定元件分开地配设。通过使挖掘工具的传感器装置的对载荷敏感的元件的定位与固定元件如螺栓或者销钉分开，实现与固定元件的预定位置无关的载荷测量。实验表明，通过有针对性地选择传感器套筒的位置和/或传感器套筒相对于切割轮的定向可以实现敏感度的明显提高。固定元件当然必须具有高机械稳定性和稳固性，和进而具有结实的结构，以便能承担其固定功能。相反的是，可以根据需要(例如在磨损时)被更换的传感器套筒有意地构造为薄壁式的物体，其自身(例如以偏转或者变形的形式)随外部载荷运动，如在隧道掘进机的钻头上出现的那样。
按照一种实施例，套筒的至少一部分可以构造为(尤其不具有螺纹的)空心筒(例如构造为管段)，进一步地尤其构造为空心的圆筒。例如，这种空心筒可以具有轴向的通孔，其中，对载荷敏感的元件就可以在大面积的内壁上安装。这样安装传感器不仅在安装技术上是简单的，而且在运行期间也保护传感器不受损，而不必在此在探测准确度方面做出妥协。按照一种替代通孔结构的实施方式，也可以在基本上空心筒形的套筒体中单侧或者双侧地构造轴向的盲孔，该盲孔形成在传感器套筒内部的平的安装面，然后可以以极低的安装耗费在该安装面上安装一个或者多个对载荷敏感的元件。通过传感器套筒的圆筒形的外侧面可以实现传感器套筒引入在挖掘工具的预期测量位置上的圆形的(钻)孔中。
按照一种实施例，至少一个对载荷敏感的元件中的至少一个可以安装在套筒壁的内表面上。传感器套筒的内壁是适合例如借助向壁槽中粘接或者压接安装传感器的地方。尤其在敲入或者旋入在挖掘工具中的套筒容纳孔时，在传感器套筒的内壁上对载荷敏感的元件受到保护不受损，在此不会在掘进过程期间影响测量准确性。因此，对载荷敏感的元件在内壁的确定的轴向和/或径向位置上的有针对性的安装也使得有可能记录与方向有关的载荷信息。
按照一种实施例，多个对载荷敏感的元件相互径向角度错移地安装在套筒壁的内表面上。多个对载荷敏感的元件沿传感器套筒的内壁的圆周的相互角错移的安装使得探测与方向相关的力的信息成为可能。这种几何形状尤其对于全桥电路是有利的，(例如当四个连接为全桥的、对载荷敏感的元件处于相同温度时)该全桥电路可以确保测量结果不受温度影响。此外，一般传感器套筒的尺寸(例如长度在10mm和100mm之间、尤其在20mm和60mm之间，直径在3mm和30mm之间、尤其在6mm和20mm之间)足够使多个对载荷敏感的元件以精确和不易出错的电阻应变片的形式相互角度错移地布置。备选地或者作为补充地，多个对载荷敏感的元件也可以轴向地布置在传感器套筒的内壁上。
按照一种实施例，套筒壁可以构造为薄壁式的(例如最多2mm厚、尤其最多1mm厚)，以便套筒壁在挖掘运行的情况中处于机械载荷的影响下在对对载荷敏感的元件的作用下能弹性地变形。传感器套筒可以具有金属，例如带有厚度为0.05mm至2mm、尤其0.1mm至0.2mm之间的不锈钢。因此，薄壁式的传感器套筒自身可以作为感应组件与一个或者多个对载荷敏感的元件共同作用，因为在受到隧道掘进机的挖掘运行中的载荷时传感器套筒也能弹性地变形并且在一定程度内运动，这又传递给对载荷敏感的元件。因此，传感器套筒就不只是用于对载荷敏感的元件的支承，其自身也是传感器组件。正是由此得到按照本发明的挖掘工具的特别高的敏感度。
按照一种实施例，至少一个对载荷敏感的元件的至少其中一个可以安装在套筒的尤其平坦的板件上，该板件布置在套筒的空心筒式的部段中和安装在空心筒式的部段上。按照这种设计方案可以设有与传感器套筒的壁一体式构造的或者压装在传感器套筒中的分开的板件，该板件用于容纳一个或者多个对载荷敏感的元件。例如，板件可以布置在空心筒式的壁的这样的位置上，使得板件被在传感器套筒的相互对置的轴向的端部之间居中地布置。在该板件上可以安装对载荷敏感的元件，以便该元件虽然在传感器套筒的内部受到保护，但是还对在隧道掘进机的挖掘运行时的载荷有高敏感度地安装。试验已经表明，对载荷敏感的元件的这种布置不仅导致极小的迟滞性和非常高的敏感度，而且也导致配设了对载荷敏感的元件的传感器套筒板件装置的长使用寿命。该板件可以在整个圆周上直接连接或者邻接在传感器套筒的空心筒式的壁上，以便实现向在该板件上的一个或者多个对载荷敏感的元件的力传导不受阻碍。
按照一种实施例，多个对载荷敏感的元件可以相互径向角错移地安装在板件上。例如四个对载荷敏感的元件可以分别以90°的间距安装在板件上，从而它们的连线构成十字形。备选地或者作为补充地，例如通过规定在传感器套筒内部的多个板件可以在轴向上不同的位置上也安装对载荷敏感的元件，以便进一步提高所记录的载荷数据的局部分辨率。
按照一种实施例，板件可以构造为膜件。对于板件为可振动或者可运动的膜件的设计方案，膜件随着在挖掘运行时由于外部载荷冲击引起的振动而振动，该传感器装置的敏感度是特别高的。
按照一种实施例，两个对载荷敏感的元件可以相互径向角错移地安装在套筒壁的内表面上，两个另外的对载荷敏感的元件可以与内表面分开地配设。对于这种例如附图2所示的配置，两个安装在内壁上的对载荷敏感的元件主要进行力测量，相反地其他两个对载荷敏感的(例如可以非紧固式地安装在套筒的内部的)元件可以被规定以电桥电路的方式用于温度平衡。
按照一种另外的、尤其优选的实施例，四个对载荷敏感的元件可以在套筒的尤其是平的板件上绕套筒轴线径向分布地安装，其中，板件布置在套筒的空心筒式的部段中和安装在空心筒式的部段上。按照例如在附图3中所示的这种配置，全桥电路的所有四个对载荷敏感的元件都安装在板件上(优选在板件的共同的主面上、进一步优选以基本x形或者十字形的样式)，其中，对载荷敏感的元件的其中两个沿第一方向并且另外两个对载荷敏感的元件沿着优选与第一方向正交的第二方向定向。这种配置在检测准确度、线性、迟滞性表现和机械可靠性方面表现出尤其好的特性。
按照一种实施例，四个对载荷敏感的元件可以相互径向角错移地安装在套筒壁的内表面上。附图4示出这种实施例，并且其通过对载荷敏感的元件在传感器套筒的内壁上的对称安装同样实现不易出错地测量作用力。所形成的对载荷敏感的元件相对于环境的屏蔽在挖掘运行的恶劣艰苦条件下尤其有利。
按照一种实施例，挖掘工具具有至少一个另外的至少部段式地安装在切割轮固定装置中和/或在切割轮上的另外的套筒，该另外的套筒具有至少一个安装在另外的套筒上的对载荷敏感的元件，其中，套筒和另外的套筒可以在挖掘工具的不同的位置上相互成角度地、尤其正交地布置。有利的是也可以在挖掘工具上配设多个传感器套筒，这些传感器套筒可以提供补足的或者作为补充的或者提升探测精确度的信息。尤其两个传感器套筒相互成角度、优选相互正交的(就是说套筒轴线以相互成90°角度的)布置不仅提供补足的信息，而且也使不同的分力、例如切割轮装置的卷力、法向力和轴向力的检测成为可能。
按照一种实施例，套筒可以布置在切割轮固定装置的切割轮固持器中。这种切割轮固持器用于在挖掘工具中支承切割轮，并且可以又构造得自身用于安装在钻头中。这种切割轮固持器提供的可能性在于，能构造一个或者多个用于容纳一个或者多个传感器套筒的套筒容纳孔。此外，在很快就被磨损的切割轮被换下时，切割轮固持器可以继续保持安装在钻头上，使得在仅仅换下切割轮时不需要耗费地拆卸和再次安装传感器线缆。
按照一种实施例，套筒可以布置在切割轮固定装置的切割轮支承件、尤其C形件上。切割轮固持装置的C形件是一种在横截面中具有基本C形的支承件。这种C形件布置得离切割轮自身很近，因此对起作用的载荷特别敏感或者提供特别精确的传感器数据用于高灵敏度确定在挖掘运行期间作用在挖掘工具上的力，正如有限元模拟所示的那样。
按照一种实施例，套筒可以作为切割轮轴的一部分布置。传感器套筒的套筒式的形状决定了其被装入切割轮的轴孔中，以便能在此位置上检测最准确的力数据。在切割轮拆下时，套筒可以简单地从套筒轴取出或者移出并装入新的切割轮中。由此可以在(由于磨损而)换下切割轮时用简单的器件再次安装传感器套筒。
备选地或者作为补充地，传感器套筒也可以实施在切割轮的其他位置上，例如在切割轮的切割环的实心部段中的钻孔中。
按照一种实施例，挖掘工具可以具有至少一个传感器线缆用于引导传感器信号，其中，该至少一个传感器线缆从至少一个对载荷敏感的元件出发至少部段式地穿过套筒的内腔延伸。具有一个接入开口或者两个接入开口的传感器装置的套筒式设计方案能够实现以极低的耗费引导至在传感器套筒中的对载荷敏感的元件的导入和导出线缆并且同时保护其不受环境的机械式影响。这体现了按照本发明的解决方案的显著的优点，因为在像隧道掘进机运行期间的恶劣条件下也能在长时间运行中保证可靠提供载荷敏感的元件的电信号。
作为线缆连接的信号和/或能源引导的备选，也可以实现一个或者多个对载荷敏感的元件与分析或者控制装置的无线通信，例如借助使用应答器，例如RFID标签。
在本发明中，切割轮尤其指的是构造用于切割式去除岩石的、可以转动的物体。优选地，切割轮是盘形件，其也可以被称为滚轮钻头(Rollenmeiβel)。盘形件的外部环可以被称为切割环。盘形件并非被主动式地驱动，而是在工作面上滚动。切割轮的一种另外示例性的实施例是牙轮钻头(Warzenmeiβel),牙轮钻头是具有凸点状突出部的能转动的物体，其例如用于剥离非常硬的岩石(例如用于白金矿)。
按照一种实施例，至少一个对载荷敏感的元件可以构造为电阻应变片。电阻应变片是用于检测伸展膨胀变形的测量装置，在变形很小时其电阻就发生改变并且因此被用作膨胀传感器。电阻应变片例如可以粘在套筒中或者用别的方法固定在其上，使得在挖掘工具运行中的载荷下电阻应变片可以变形。这种变形或者膨胀然后就导致电阻应变片的电阻改变。相应的电信号可以作为传感器信号被检测和分析。电阻应变片是低成本的对载荷敏感的元件，这非常好地适应了钻头中的要求，因为其与那里严苛的条件相适应。作为把电阻应变片实施为对载荷敏感的元件的备选，也可以使用压电传感器作为对载荷敏感的元件。
按照一种实施例，挖掘工具可以构造为楔锁式挖掘工具(Wedge-Lock-Abbauwerkzeug)或半轴式挖掘工具(Steckachsen-Abbauwekzeug)。本领域技术人员已知这两种类型的挖掘工具经常用于隧道掘进机中。半轴式挖掘工具的一种示例也被称作“锥形鞍系统(conical saddle system)”。例如Aker Wirth公司使用半轴式挖掘工具。例如Herrenknecht公司或Robbins公司使用楔锁式挖掘工具。
按照一种实施例，在套筒和在套筒内部的至少一个安装在套筒上的对载荷敏感的元件之间可以保留空腔。例如，在实施一个或者多个对载荷敏感的元件之后，空腔的未被占用的空腔体积可以是传感器套筒总体积(即空心体积加固体体积)的至少10％，尤其至少30％，进一步尤其至少50％。通过在将至少一个对载荷敏感的元件安装在套筒上之后在套筒内部保留空腔，可以在挖掘运行中起作用的力的影响下有利地实现套筒和/或对载荷敏感的元件的一定的补偿运动。此外，保留空心体积使得线缆连接可以方便实施和单个的对载荷敏感的元件可以(例如用于构造温度不变的全桥电路)在套筒内部不受束缚地安装，并且因此在配置传感器装置时提高设计自由度。
按照一种实施例，套筒可以与切割轮固定装置和/或切割轮一体式地、尤其同一材料地构造。例如，套筒可以焊接或者钎焊在切割轮固定装置和/或切割轮中的钻孔中，或者套筒可以其他方式不可分地或者甚至与切割轮固定装置和/或切割轮集成地构造。
按照一种实施例，传感器装置可以具有四个、尤其正好四个对载荷敏感的元件，其中，可以安装分析单元，分析单元以四个对载荷敏感的元件的传感器信号为基础确定指示作用在切割轮上的压紧力、侧向力和滚动力的信息。这种设计方案具有的优点在于，四个对载荷敏感的元件检测部分冗余的传感器信息，其不仅说明三个测量参数压紧力、侧向力和滚动力，而且与其确定一致。在隧道掘进机的恶劣条件下特别有利的是以此可以达到测量数据的高精度。
附图说明
下面参照附图详细说明本发明的示例性实施例。
在附图中：
图1示出具有钻头的隧道掘进机，钻头装配有多个按照本发明示例性实施例的挖掘工具。
图2至图4分别示出传感器套筒的立体视图、相应的电桥电路的电路图、传感器套筒的俯视图，或者说在按照本发明示例性实施例的挖掘工具的传感器装置的传感器套筒上的传感器板件的俯视图。
图5示出剖切按照本发明示例性实施例的挖掘工具的横截面，尤其示出结合用于使切割轮固定在按照本发明的示例性实施例的挖掘工具的切割轮固定装置上的固定元件的按照本发明的传感器套筒的合适的位置。
图6示出在按照本发明的示例性实施例的挖掘工具上的不同位置上的传感器套筒的敏感度方面的有限元分析结果。
图7示出按照本发明的示例性实施例的挖掘工具的立体视图，其中，两个传感器套筒相互正交地布置并且布置在切割轮固定装置的C形件中。
图8示出按照本发明的示例性实施例的挖掘工具的分解视图，尤其示出两个传感器套筒的安装位置和安装方向。
图9示出图表，其示出用于在图2至图4所示按照本发明的示例性实施例的传感器套筒的实施例的表现的线性以及迟滞性和敏感度的分析。
图10示出图表，其示出按照本发明的传感器套筒相对于在固定元件中集成的传感器装置的显著改善的检测敏感度。
图11示出按照本发明的示例性实施例的挖掘工具的切割轮，其具有安装在切割轮轴上的、按照本发明的示例性实施例的传感器套筒。
图12示出安装在切割轮固定装置中的切割轮和在挖掘运行期间作用在其上的三个分力的示意图。
具体实施方式
在不同附图中相同或者相似的组件配设相同的附图标记。
图1示出用于挖掘岩石102的隧道掘进机180，在岩石中已有钻孔182。挖掘进行的方式是钻孔182按照图1向右逐渐推进。本领域技术人员已知隧道掘进机180具有大量组件。但是为了表示清楚，在图1中仅示出具有大量(例如50个至100个)挖掘工具100的钻头150。确切地说，钻头150具有借助驱动装置184能相对于岩石102转动和平动式运动的钻体152，在其前侧或者岩石侧上安装有大量挖掘工具固持件或者挖掘工具容纳件154。挖掘工具固持件或者挖掘工具容纳件154在钻体152的圆形的端面上分布，这在图1的横截面视图中仅能看到部分。每个挖掘工具固持件154都安装用于固持各挖掘工具100。换句话说，挖掘工具100可以安装在每个挖掘工具固持件154中。
每个挖掘工具100具有可以安装在钻头150上的盘形件固定装置104，盘形件固定装置104具有用于容纳和支承能转动的盘形件106的容纳支承件，盘形件106同样是挖掘工具100的一部分。
每个盘形件固定装置104具有盘形件容纳部194，盘形件容纳部194可以构造为器皿的形式，其被配置专门用于容纳作为可更换模块的盘形件106。固定螺栓110构成盘形件固定装置104的另外的部件。所以每个挖掘工具100具有多个固定螺栓110，通过固定螺栓使盘形件106连同支承件或轴承126和盘形件容纳部194固定在钻头150上。盘形件106具有轴120、盘体122、配备圆周式切割边的切割环124和支承件126。
当盘形件106安装在各盘形件固定装置104上时，各盘形件106的圆周式的切割边124在转动状态中可以为了剥离岩石102而接触在岩石上。盘形件106可更换式地被容纳在盘形件固定装置104的容纳支承件中，或者确切地说在盘形件容纳部194中。
每个挖掘工具100具有传感器装置112用于探测对应的挖掘工具100、精确地说是盘形件106的机械载荷。在通过盘形件106挖掘岩石102期间盘形件106承受这种机械载荷。按照图1所示实施例，传感器装置112构造为在盘形件固定装置104中(和在备选的实施例中，备选地或者补充地在盘形件106上)安装的套筒177，套筒177具有安装在其上的、以电阻应变片形式的对载荷敏感的元件108。也即在套筒177中集成电阻应变片作为对载荷敏感的元件108。借助连接线缆或者传感器线缆171可以将电气传感器信号从对载荷敏感的元件108向分析单元128传送。在图2至图4中示出按照图1的传感器装置112的示例性设计方案。
分析单元128可以是隧道掘进机180的控制装置或者处理器的一部分，其记录由对载荷敏感的元件108测到的传感器数据，由此确定作用在对应的盘形件106上的机械载荷。
图2示出用于按照本发明的示例性实施例的挖掘工具的也被称为传感器套筒的套筒177。
按照图2，套筒177被构造为具有贯穿的轴向通孔的空心圆筒形物体，其中，在套筒177的内壁175上径向相互以90°错移地粘接有两个电阻应变片作为对载荷敏感的元件108。这两个对载荷敏感的元件108用于在对应的挖掘工具100被安装在钻头150上时记录在隧道掘进机180运行期间的载荷信号。在隧道掘进机180运行时，挖掘工具100会强烈变热，尤其在盘形件106的区域中。为了使传感器装置112不受这种温度影响，两个在套筒177的内壁175上安装(例如粘接)的对载荷敏感的元件108(在图2中以“1”和“3”标示)与两个另外的同样的对载荷敏感的元件108(在图2中的立体视图中未示出，但在电路图中以“R2”和“R4”标示并且在俯视图中在内壁175的右侧分开地显示)连接成电桥电路。另外的两个对载荷敏感的元件108在此用于记录参考数据，它们可以与力无关或者与载荷无关地实现温度补偿。
图3示出按照本发明另外的示例性实施例的传感器装置112的套筒177。按照这种设计方案，在空心圆筒形的内壁175的内部配设膜式的和弹性的平的板件173(例如被压装入或者与空心筒一起由共同的卷材制造)，在板材上沿径向分别以每90°相互错移地近似X形或者十字形地安装四个对载荷敏感的元件108。这四个对载荷敏感的元件108又可以实施为电阻应变片。板件173尤其可以与套筒177的配属于内壁175的空心圆筒形物体一体式地或者材料相同地构造，例如方法是在(例如由不锈钢制成的)实心圆柱物体中在两侧构造盲孔，该盲孔相互沿轴向通过板件173分隔。按照另外的设计方案，板件173可以作为单独的组件被压装入空心圆筒形的套筒175的内部。按照图3，四个对载荷敏感的元件108也可以为了温度补偿的目的而连接成电桥电路。对于按照图3的配置，对载荷敏感的元件108被布置在套筒177内部的对传感敏感和对机械稳定的位置上，因此在较高的检测准确度的情况下可靠保护对载荷敏感的元件108在安装时或者在隧道掘进机180运行期间不被损坏。
按照图4示出有套筒177，其中，四个对载荷敏感的元件108全部安装在空心圆筒形的套筒177的内壁175上。四个对载荷敏感的元件108在这里也组合成电桥电路。四个对载荷敏感的元件108中的两个用于真正记录测量信号，相反地其他两个对载荷敏感的元件108被构造用于借助电桥电路进行温度补偿。
图5示出用于按照本发明的示例性实施例的隧道掘进机180的钻头150的挖掘工具110的横截面。尤其在图5中示出，盘形件固定装置104在此由用于安装钻头的盘形件固定器504和用于容纳和安装盘形件106的盘形件轴502的C形件构成。图5还示出用于将组件相互组装的固定螺栓110。基本平行于固定螺栓506和基本垂直于盘形件轴502地延伸有挖掘工具100的传感器装置112的套筒177，其中，套筒177压装入或者旋拧入或者冲入套筒容纳孔中，该套筒容纳孔构造在盘形件固定装置104中。图5示出，由于盘形件固定装置104的实心的构造，所以为挖掘工具设计者提供较高的预定套筒177的位置和定向的选择自由。尤其是套筒177与固定螺栓110的相互不关联提高了这种设计自由度。此外，通过规定套筒177是薄壁式的弹性的元件实现了套筒177自身在探测载荷数据时的协同作用，使得套筒177自身就是对载荷敏感的系统的一部分，并且因此与(在图5中未示出的)对载荷敏感的元件108协同式共同作用。
图6示出在挖掘工具100的盘形件固定装置104上进行的有限元分析的结果。根据图6可以看到，在盘形件固定装置104的确定的区域中确定有特别高的敏感度或者力峰值，当在这些位置运行传感器装置112时会提高测量准确度。因为按照本发明可以与(安装在预定位置的)固定元件110无关地配设和定位传感器装置112，以此可以实现检测的载荷的特别高的准确度。
图7示出按照本发明的示例性实施例的挖掘工具100的立体视图。在按照图7的实施例中，传感器装置112的两个相互基本正交地定向的套筒177导入盘形件固定装置104的C形件500的内部中。套筒177的轴线在此分别与盘形件转动轴线正交地延伸。已表明，以这种配置可以记录特别敏感的传感器数据。在图7中还示出固定螺栓110的位置。
图8再次示出在图7中所示的装置的分解视图并且尤其示出，套筒177可以如何导入各个被钻孔的套筒容纳孔800。套筒177的空心空腔不仅可以导引用于以能量和/或信号向对载荷敏感的元件108供应的电缆或者导引用于从对载荷敏感的元件108获取信号的电缆，而且也对套筒177的弹性有贡献，这对于传感测量的准确度是有利的。此外，当套筒177(例如由于磨损)应被换下时，套筒177的两侧开口的空心内腔可以被用于嵌接工具。
图9示出图表900，图表900示出在图2至图4所示传感器装置112的敏感度。图表900具有横坐标902，沿横坐标填入记录到的测量信号。沿纵坐标904记录作用在各个对载荷敏感的元件108上的力F。曲线906对应按照图2的传感器装置112、曲线908对应按照图3的传感器装置112、曲线910对应按照图4的传感器装置112。首先可以看到，所有的实施方式中的迟滞性、即由各分曲线围成的面积都是特别小的。以按照图3的配置的迟滞性表现是最好的。此外能看到作为对所施加的力的反应而得到的测量信号的良好的线性，尤其在按照图2和图3的传感器装置的情况下很突出。最后，该测量的敏感度是很高的，尤其按照图2和图3的传感器装置的情况。图9示出按照图3的传感器装置112实现了在迟滞性表现很小和较高线性的情况下最高的敏感度。
图10示出图表100，图表100也具有横坐标902和纵坐标904。一同示出的是第一曲线集合和按照本发明的、具有在套筒177上安装的对载荷敏感的元件108的传感器装置112(曲线1002以相应于图3的设计为基础，曲线1004以相应于图4的设计为基础)。作为比较，示出用于三种传统的传感器装置的测量数据，其中，对载荷敏感的元件集成在固定元件中(曲线集合1006)。图10清楚地示出，用按照本发明的传感器装置112(曲线1002、1004)可以得到比对载荷敏感的元件集成在固定元件、例如固定螺栓或者固定销(曲线1006)中明显更高的敏感度。
图11示出按照本发明的示例性实施例的挖掘工具100的盘形件106的俯视图。按照在图11中所示的实施例，套筒177(例如被压装)穿过盘形件轴，因此在高敏感度位置记录传感器数据。按照所示实施方式，沿盘形件轴502的圆周布置两个对载荷敏感的元件108。
图12示出容纳在盘形件固定装置104上的盘形件106的示意图。在挖掘运行时，法向力FN作用在盘形件106上，盘形件106还承受滚动力FR，借助其使得盘形件106在挖掘岩石时绕轴线120滚动。侧向力FS也作用在盘形件106上。用按照本发明的传感器装置112可以检测每个单独的分力FN、FR、FS，并且是以最高的精度进行。
作为补充地清楚的是，“具有”不排除其他元件或者步骤，“一个”不排除多个。此外还要清楚，参照上述实施例之一进行说明的特征和步骤也可以与上述其他实施例的特征或者步骤结合使用。在权利要求中的附图标记不应被视为限定。

Claims (27)

1.一种用于挖掘岩石(102)的隧道掘进机(180)的钻头(150)的挖掘工具(100)，其中，所述挖掘工具(100)具有：
用于容纳和支承能转动的切割轮(106)的能够安装在钻头(150)上的切割轮固定装置(104)；
为了挖掘岩石(102)能转动地能够容纳在或已经容纳在切割轮固定装置(104)中的切割轮(106)；
用于检测所述挖掘工具(100)的机械载荷的传感器装置(112)，其中，所述传感器装置(112)构造为套筒(177)，所述套筒(177)至少部分地安置在所述切割轮固定装置(104)内和/或在所述切割轮(106)上，所述套筒(177)具有至少一个安装在所述套筒上的对载荷敏感的元件(108)，其中，所述切割轮固定装置(104)具有切割轮容纳件(194)和至少一个固定元件(110)，所述固定元件(110)用于通过直接连接使所述切割轮(106)固定在所述切割轮容纳件(194)上和/或用于通过直接连接使所述切割轮容纳件(194)固定在钻头(150)上，其中，所述传感器装置(112)的至少一个对载荷敏感的元件(108)与至少一个固定元件(110)分开地配设。
2.按照权利要求1所述的挖掘工具(100)，其中，所述套筒(177)的至少一部分构造为空心筒。
3.按照权利要求1或2所述的挖掘工具(100)，其中，至少一个对载荷敏感的元件(108)中的至少一个能够安装在套筒壁(175)的内表面上。
4.按照权利要求3所述的挖掘工具(100)，其中，多个对载荷敏感的元件(108)相互径向角度错移地安装在套筒壁(175)的内表面上。
5.按照权利要求3所述的挖掘工具(100)，其中，所述套筒壁(175)如此构造为薄壁式的，使得套筒壁(175)在挖掘运行的情况中处于机械载荷的影响下在对对载荷敏感的元件(108)的作用下能变形。
6.按照权利要求1或2所述的挖掘工具(100)，其中，至少一个对载荷敏感的元件(108)的至少其中一个安装在所述套筒(177)的平坦的板件(173)上，所述板件(173)布置在所述套筒(177)的空心筒式的部段中和安装在空心筒式的部段上。
7.按照权利要求6所述的挖掘工具(100)，其中，多个对载荷敏感的元件(108)相互径向角度错移地安装在所述板件(173)上。
8.按照权利要求6所述的挖掘工具(100)，其中，所述板件(173)构造为膜件。
9.按照权利要求1或2所述的挖掘工具(100)，其中，两个对载荷敏感的元件(108)能够相互径向角度错移地安装在套筒壁(175)的内表面上，并且两个另外的对载荷敏感的元件(108)能够与内表面分开地配设。
10.按照权利要求1或2所述的挖掘工具(100)，其中，四个对载荷敏感的元件(108)在所述套筒(177)的平坦的板件(173)上绕套筒轴线径向分布地安装，其中，所述板件(173)布置在所述套筒(177)的空心筒式的部段中和安装在空心筒式的部段上。
11.按照权利要求1或2所述的挖掘工具(100)，其中，四个对载荷敏感的元件(108)相互径向角度错移地安装在套筒壁(175)的内表面上。
12.按照权利要求1或2所述的挖掘工具(100)，其中，所述挖掘工具具有至少一个至少部段式地安装在切割轮固定装置(104)中和/或在切割轮(106)上的另外的套筒(177)，另外的套筒(177)具有至少一个安装在所述另外的套筒(177)上的对载荷敏感的元件(108)，其中，套筒(177)和另外的套筒(177)相互成角度地布置。
13.按照权利要求1或2所述的挖掘工具(100)，其中，所述套筒(177)布置在切割轮固定装置(104)的切割轮固持器中。
14.按照权利要求1或2所述的挖掘工具(100)，其中，所述套筒(177)布置在切割轮固定装置(104)的切割轮支承件(500)上。
15.按照权利要求14所述的挖掘工具(100)，其中，所述套筒(177)布置在切割轮固定装置(104)的C形件上。
16.按照权利要求1或2所述的挖掘工具(100)，其中，所述套筒(177)作为切割轮轴(502)的一部分布置。
17.按照权利要求1或2所述的挖掘工具(100)，其中，所述挖掘工具具有至少一个传感器线缆(171)用于引导传感器信号，其中，所述至少一个传感器线缆(171)从至少一个对载荷敏感的元件(108)出发至少部段式地穿过所述套筒(177)的内腔延伸。
18.按照权利要求1或2所述的挖掘工具(100)，其中，至少一个对载荷敏感的元件(108)构造为电阻应变片或者压电元件。
19.按照权利要求1或2所述的挖掘工具(100)，其中，切割轮(106)具有轴(120)、具有圆周式切割边的切割环(124)和支承件(126)。
20.按照权利要求1或2所述的挖掘工具(100)，挖掘工具构造为楔锁式挖掘工具(2600)或半轴式挖掘工具(200)。
21.按照权利要求1或2所述的挖掘工具(100)，其中，切割轮构造为盘形件或者牙轮钻头。
22.按照权利要求1或2所述的挖掘工具(100)，其中，在所述套筒(177)和在套筒内部的至少一个安装在套筒上的对载荷敏感的元件(108)之间能够保留空腔。
23.按照权利要求1或2所述的挖掘工具(100)，其中，所述套筒(177)与切割轮固定装置(104)和/或切割轮(106)一体式地构造。
24.一种用于确定用于挖掘岩石(102)的隧道掘进机的钻头(150)的挖掘工具(100)的机械载荷的系统，其中，所述系统具有：
按照权利要求1至23之一所述的挖掘工具(100)；
评估单元(128)，其被配置用于以至少一个对载荷敏感的元件(108)的传感器信号为基础确定信息，该信息对作用在挖掘工具(100)上的机械载荷是有象征性的。
25.按照权利要求24所述的系统，
其中，传感器装置(112)具有四个对载荷敏感的元件(108)，
其中，配置分析单元(128)，所述分析单元(128)以四个对载荷敏感的元件(108)的传感器信号为基础确定表示作用在切割轮(106)上的压紧力(FN)、侧向力(FS)和/或滚动力(FR)的信息。
26.一种用于挖掘岩石(102)的隧道掘进机(180)的钻头(150)，其中，所述钻头(150)具有：
能相对于岩石(102)转动和平动地能运动的钻体(152)，所述钻体(152)具有多个用于固持挖掘工具(100)的挖掘工具固持件(154)；
多个按照权利要求1至23之一所述的挖掘工具(100)，所述挖掘工具(100)能被固持或已经固持在多个挖掘工具固持件(154)中。
27.一种用于挖掘岩石(102)的隧道掘进机(180)，其具有按照权利要求26所述的钻头。
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