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Die
Erfindung betrifft einen Impulsgenerator zur Erzeugung mechanischer
Schwingungen in festen Körpern, insbesondere einen Impulsgenerator zur
Erzeugung von impulsartigen P- oder S-Wellen in der Erdkruste oder
in Bauwerken, wie z. B. einen Schwingungsgenerator für
seismische Erkundungen. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein
Verfahren zur Erzeugung mechanischer Schwingungen, insbesondere
unter Anwendung des genannten Impulsgenerators. Die Erfindung ist
für Anwendungen z. B. bei der Untersuchung oder Erkundung
von festem Gestein oder Erdboden oder bei der Untersuchung von Bauwerken
vorgesehen.
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Zur
Erzeugung seismischer Wellen in der Erdkruste für Forschungs-
und Erkundungsaufgaben sind verschiedene Techniken bekannt. Übersichten werden
z. B. in
DE 23 34 996 und
von
Miller et al. in "Geophysics" (Bd. 57, Nr. 5, S. 693 ff) gegeben.
Spezielle Techniken umfassen die Erzeugung impulshaltiger Anregungen
durch Implosionen (
DE 22 02 289 ), eine
hydraulische Schwingungserzeugung (
DE
19 50 91 22 ) und seismische Gasexplosionen (
DE 19 53 924 ). Ein genereller Nachteil
der herkömmlichen Techniken besteht in der beschränkten
Einstellbarkeit und Reproduzierbarkeit der Impulsparameter. Sind
jedoch insbesondere der zeitliche Verlauf und die Energie der erzeugten
seismischen Schwingungen nur ungenau oder gar nicht bekannt, so
wird auch die Genauigkeit der Auswertung von Schwingungsmessungen
eingeschränkt.
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Ein
generelles Problem bei der Impulserzeugung durch bewegte Massen
besteht darin, dass nach dem Aufschlag einer bewegten Masse auf
einen festen Körper ein Rückimpuls auf den Impuls geber
ausgeübt wird. Dadurch kommt es zu Nachschlägen,
welche die Impulsanregung und damit auch die Auswertung der seismischen
Messung verfälschen. Um diesem Problem zu begegnen, wird
in
DE 32 24 624 ein
Impulsgeber mit bewegter Masse beschrieben, der eine hydraulische
Bremse mit einer Fangvorrichtung für die Masse aufweist.
Dieser Impulsgenerator zeichnet sich jedoch durch einen komplizierten
Aufbau aus, so dass eine Anwendung in der Praxis, insbesondere der
untertägige Einsatz, erschwert ist.
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In
EP 1 085 347 A2 wird
zur Lösung der genannten Probleme vorgeschlagen, einen
Impulsgenerator zur Erzeugung seismischer Schwingungen bereitzustellen,
bei dem eine Schlagmasse mit einem Antriebskolben betätigt
wird, der in einem mit Druckgas beaufschlagten Druckzylinder bewegt
wird. Die Schlagmasse ist über eine Kolbenstange mit dem Antriebskolben
verbunden. Vorteilhafterweise können durch die Einstellung
des Druckzylinders (insbesondere Arbeitsdruck, Verschiebeweg des
Antriebskolbens) die Schwingungsparameter der mit der Schlagmasse
erzeugten Schwingung genau und reproduzierbar eingestellt werden.
Von Nachteil ist jedoch, dass die Kolbenstange von einem Zylinderraum
des Druckzylinders in ein Führungsrohr, in dem sich die
Schlagmasse bewegt, durch eine Dichtung geführt werden
muss. Durch die Dichtung und Schlankheit der benötigten
Kolbenstange wird die Robustheit und Zuverlässigkeit der
herkömmlichen Vorrichtung beschränkt. Von Nachteil
kann ferner sein, dass durch die Kombination des Führungsrohrs mit
dem Druckzylinder eine Baulänge resultiert, die für
praktische Anwendungen, zum Beispiel im Tunnelbau, kritisch ist.
Dieses Problem wird noch durch den Platzbedarf einer Sperreinrichtung
verschärft, die zwischen dem Führungsrohr und
dem Druckzylinder angeordnet ist.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Vorrichtung zur Erzeugung
mechanischer Schwingungen anzugeben, mit der Nachteile herkömmlicher
Techniken vermindert oder ausgeschlossen werden und die sich insbesondere
durch eine vereinfachte, robuste und kompakte Bauform der bewegten
Teile auszeichnet und durch eine verringerte Gesamtlänge
mit dem untertägigen Einsatz, insbesondere an Tunnelbohrmaschinen
mit geringen Bohrdurchmessern, kompatibel ist. Die Vorrichtung soll
insbesondere dazu geeignet sein, in festen Körpern reproduzierbare
Impulssignale in frei wählbarer Richtung zu erzeugen. Die
Aufgabe der Erfindung ist es des Weiteren, ein verbessertes Verfahren
zur Erzeugung mechanischer Schwingungen anzugeben, mit dem Nachteile
herkömmlicher Techniken vermindert oder ausgeschlossen
werden.
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Diese
Aufgaben werden durch einen Impulsgenerator und ein Verfahren mit
den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen und Anwendungen der Erfindung
ergeben sich auch aus den abhängigen Ansprüchen.
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Gemäß einem
ersten Aspekt basiert die Erfindung auf der allgemeinen technischen
Lehre, einen Impulsgenerator (oder: Schwingungsgenerator) mit einer
seismischen Masse, umfassend eine Schlagmasse und einen Antriebskolben,
und mit einem Druckzylinder zur Bewegung des Antriebskolbens so
weiterzubilden, dass der Druckzylinder ein doppelt wirkender Pneumatikzylinder
ist. Der Antriebskolben im Druckzylinder kann beidseitig mit einem
Druckgas beaufschlagt werden. Gemäß einem weiteren
wesentlichen Merkmal der Erfindung umfasst der Druckzylinder einen
ersten Bereich, in dem der Antriebskolben beweglich und eine Verriegelungseinrichtung
angeordnet ist, und einen zweiten Bereich, in dem die Schlagmasse
beweglich ist. Der im Druckzylinder bewegliche Kolben trennt diese
Bereiche in unterschiedliche Druckräume, die entsprechend
als erster und zweiter Druckraum bezeichnet werden. Der erste Druckraum
ist auf einer rückwärtigen Seite des Antriebskolbens
gebildet, während der zweite Druckraum auf der entgegengesetzten,
vorderen Seite des Antriebskolbens gebildet ist.
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Die
Bereitstellung der seismischen Masse mit der Schlagmasse und dem
Antriebskolben, die in den Druckräumen des Druckzylinders
beweglich sind, liefert mehrere Vorteile. Erstens kann durch die Beaufschlagung
des zweiten Druckraums mit einem Gasdruck ein Rückprall
der Schlagmasse vermieden werden, so dass die Signalform der seismischen Welle
mit erhöhter Genauigkeit und Reproduzierbarkeit eingestellt
werden kann. Des Weiteren kann der Aufbau des Impulsgenerators erheblich
vereinfacht werden, da im Unterschied zu der in
EP 1 085 347 A2 beschriebenen
Vorrichtung kein Führungsrohr für die Schlagmasse
erforderlich ist. Somit kann der erfindungsgemäße
Impulsgenerator mit einer kompakteren Bauform gebildet werden als
der herkömmliche Impulsgenerator. Der erfindungsgemäße
Impulsgenerator kann insbesondere leichter an die beengten Platzverhältnisse
im Untertagebau, insbesondere beim Tunnelbau angepasst werden.
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Ein
wichtiger Vorteil der Erfindung besteht darin, auf an sich bekannte
Art mit einer linear bewegten Masse einen Schlagimpuls zu erzeugen,
wobei die Nachteile dieser Methode in Bezug auf die Einstellung
der Signalform durch den Rückprall der Masse, die Veränderung
des Signals durch etwaige unzulässige Veränderungen
im Untergrund und die eingeschränkte Wahl der Impulsrichtung
bzw. deren Reproduzierbarkeit durch einen mit einer definierten Kraft
pneumatisch vorgespannten Auflagebereich verhindert wird.
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Vorzugsweise
sind der erste Druckraum und der zweite Druckraum unmittelbar miteinander
verbunden, das heißt die verbun denen Druckräume
sind an ihrer Verbindung frei von Druckunterschieden. Zwischen den
Druckräumen ist keine trennende Dichtung erforderlich.
Insbesondere durch die Integration von Schlagmasse und Antriebseinheit
werden eine robuste und kompakte Bauform des Impulsgenerators erreicht.
Des Weiteren werden Reibungsverluste, die bei dem herkömmlichen
Impulsgenerator zwischen der Kolbenstange und einer Dichtung des
Druckzylinders auftreten können, erfindungsgemäß vermieden.
Somit kann eine erhöhte Effizienz der Energieumwandlung
von der im Druckzylinder gespeicherten Energie des Druckgases in
die Schlagenergie der bewegten Schlagmasse erreicht werden.
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Gemäß einem
weiteren vorteilhaften Merkmal bilden die Schlagmasse und der Antriebskolben die
Führung der seismischen Masse im Druckzylinder. Es ist
ausreichend, wenn die Schlagmasse und der Antriebskolben die einzige
Führung bilden. Weitere Führungen, insbesondere
in dem Bereich zwischen der Schlagmasse und dem Antriebskolben sind
nicht erforderlich. Somit können die Kompaktheit des Impulsgenerators
und die Effizienz der Energieumwandlung weiter verbessert werden.
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Da
der erfindungsgemäß verwendete Druckzylinder ein
doppelt wirkender pneumatischer Zylinder ist, sind mindestens zwei
Druckgasöffnungen vorgesehen, die entlang der axialen Länge
des Druckzylinders auf entgegengesetzten Seiten des Antriebskolbens
angeordnet sind. Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform
der Erfindung, bei der eine erste Druckgasöffnung mit dem
ersten Druckraum und eine zweite Druckgasöffnung mit dem zweiten
Druckraum verbunden ist. Die erste Druckgasöffnung ist
vorzugsweise an einem Ende des ersten Druckraums, welches dem zweiten
Druckraum entgegengesetzt ist, oder an einem an dieses Ende des
ersten Druckraums angrenzenden dritten Druckraum angeordnet. Die
zweite Druckgasöffnung ist vorzugsweise an einem Ende des
zweiten Druckraumes angeordnet, das an den ersten Druckraum angrenzt.
Somit kann vorteilhafterweise der erste Druckraum in jeder Position
des Antriebskolbens auf beiden Seiten von diesem mit einem Betriebsdruck beaufschlagt
werden. Des Weiteren kann durch eine Beaufschlagung des zweiten
Druckraums durch die zweite Druckgasöffnung mit Druckgas
effektiv sowohl der Rückprall der Schlagmasse als auch
eine Rückwärtsbewegung des Antriebskolbens bewirkt
werden.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist
der Impulsgenerator mit einer Verriegelungseinrichtung ausgestattet,
die zur Fixierung des Antriebskolbens im Druckzylinder vorgesehen
ist. Die Verriegelungseinrichtung ist im Unterschied zur herkömmlichen
Vorrichtung gemäß
EP 1 085 347 A2 an einer Seite des Antriebskolbens
angeordnet, die zu der Schlagmasse entgegengesetzt ist. Die Verriegelungseinrichtung
ist an der Seite des Antriebskolbens angeordnet, die zur Vorwärtsbewegung
von der Ausgangsposition in die Schlagposition mit Druckgas beaufschlagt
wird. Die Verriegelungseinrichtung ersetzt die bei der herkömmlichen
Vorrichtung gemäß
EP 1 085 347 A2 vorgesehene Klemmeinrichtung
zwischen der Schlagmasse und dem Kolben. Dies wirkt sich vorteilhaft
auf die Kompaktheit des Impulsgenerators und eine störungsfreie Bewegung
der seismischen Masse (erhöhte Effizienz der Energieumwandlung)
aus.
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Die
Verriegelungseinrichtung wirkt vorzugsweise mit einer Auslöseeinrichtung
zusammen, die am rückseitigen Ende des ersten Druckraums
vorgesehen ist. Die Auslöseeinrichtung ist so ausgebildet, dass
die seismische Masse mit der Verriegelungseinrichtung in einem stabilen
verriegelten Zustand gehalten werden kann, insbesondere während
im ersten Druckraum der Betriebsdruck des Impulsgenerators aufgebaut
wird, und die seismische Masse aus dem verriegelten Zustand freige geben
werden kann, insbesondere wenn die Vorwärtsbewegung der
seismischen Masse zur Erzeugung der mechanischen Schwingung ausgelöst
worden ist.
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Vorzugsweise
umfasst die Verriegelungseinrichtung einen Zapfen, der sich vom
Antriebskolben axial in den ersten Druckraum erstreckt und einen Sperrring
trägt. Der Sperrring bildet einen Vorsprung, der den Zapfen
auf seinem gesamten Umfang azimutal umgibt. Der Sperrring ermöglicht
vorteilhafterweise eine Zusammenwirkung mit der Auslöseeinrichtung
unabhängig von einer eventuellen Verdrehung des Antriebskolbens.
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Wenn
der Zapfen der Verriegelungseinrichtung im verriegelten Zustand,
das heißt in der Ausgangsposition des Antriebskolbens,
in einem Axiallager des Druckzylinders fixierbar ist, so ergeben
sich Vorteile für die Halterung und Ausrichtung der seismischen
Masse im Druckzylinder.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist
der Impulsgenerator mit einer pneumatischen Steuereinrichtung ausgestattet,
die mindestens ein elektrisch betätigbares Wegeventil umfasst
und dazu eingerichtet ist, mindestens einen der Druckräume
des Druckzylinders mit Druckgas zu beaufschlagen. Die pneumatische Steuereinrichtung
ermöglicht vorteilhafterweise eine genaue Einstellung der
Energie des Druckgases im ersten Druckraum und des Bewegungsablaufs
der seismischen Masse. Vorzugsweise weist die pneumatische Steuereinrichtung
ein Haupt-Wegeventil auf, mit dem ausschließlich der erste
oder zweite Druckraum oder sowohl der erste als auch der zweite Druckraum
mit mindestens einer Druckgasquelle verbunden werden kann. Vorteilhafterweise
kann mit der Steuerung des Haupt-Wegeventils der gesamte Betrieb
des Impulsgenerators vom Laden des ersten Druckraums über
die Vorwärtsbewegung der seismischen Masse bis zur Rückwärtsbewegung
des Antriebskolbens kontrolliert werden.
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Wenn
die pneumatische Steuereinrichtung des Weiteren ein Umsteuer-Wegeventil
aufweist, über das der zweite Druckraum mit Druckgas oder
atmosphärischem Umgebungsdruck beaufschlagt werden kann,
wird die Steuerung des Impulsgenerators vereinfacht und die Effizienz
der Energieumwandlung bei der Erzeugung der seismischen Schwingung
verbessert. Vorzugsweise ist das Umsteuer-Wegeventil über
ein Druckreduzier-Wegeventil mit der mindestens einen Druckgasquelle
verbunden, so dass im zweiten Druckraum ein verminderter Gasdruck
für die Rückwärtsbewegung des Antriebskolbens
eingestellt werden kann.
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Vorteilhafterweise
kann mit der pneumatischen Steuereinrichtung auch die Auslöseeinrichtung
betätigt werden. Hierzu weist die pneumatische Steuereinrichtung
ein Auslöse-Wegeventil auf, das mit einem Auslösezylinder
der Auslöseeinrichtung verbunden ist. Bei Betätigung
des Auslöse-Wegeventils kann der Auslösezylinder
mit Druckgas aus der mindestens einen Druckgasquelle beaufschlagt werden,
um die seismische Masse vom verriegelten Zustand in den freien Zustand
freizugeben.
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Der
erfindungsgemäße Impulsgenerator kann insbesondere
wegen seiner kompakten Bauform einfach an einem Zusatzgerät
befestigt werden, mit dem der Impulsgenerator gegen den festen Körper,
in dem die seismische Schwingung erzeugt werden soll, angepresst
werden kann. Vorzugsweise ist der Impulsgenerator zur Erzeugung
und/oder Einstellung einer Vorspannkraft mit einer Vorspanneinrichtung
ausgestattet, mit welcher der Impulsgenerator mit der gewünschten
Vorspannkraft auf den festen Körper gepresst werden kann.
Die Vorspanneinrichtung weist vorzugsweise mindestens einen pneumatischen
Vorspannzy linder auf, der mit einer Außenwand des Druckzylinders
des Impulsgenerators fest verbunden ist. Es kann beispielsweise
ein einziger Vorspannzylinder vorgesehen sein, der einseitig am Druckzylinder
befestigt ist (serielle Ankopplung). Alternativ können
mehrere Vorspannzylinder vorgesehen sein, die an dem Druckzylinder,
insbesondere an einem teleskopartig verschiebbaren Teil des Druckzylinders
befestigt sind (parallele Ankopplung). Die serielle Ankopplung hat
den Vorteil, dass ein relativ großer Verschiebeweg der
Vorspanneinrichtung realisiert werden kann, ohne dass der Arbeitshub
der seismischen Masse vom Verschiebeweg der Vorspanneinrichtung
abhängig ist. Die parallele Ankopplung hingegen hat den
Vorteil, dass sich Beschleunigungskräfte bei der Auslösung
der seismischen Masse nur unwesentlich auf die Vorspannkraft des
Impulsgenerators auswirken.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist
die pneumatische Steuereinrichtung auch dazu eingerichtet, die Vorspanneinrichtung
zu steuern. Hierzu weist die pneumatische Steuereinrichtung ein
Vorspann-Wegeventil auf, das mit dem mindestens einen Vorspannzylinder der
Vorspanneinrichtung verbunden ist. Bei Betätigung des Vorspann-Wegeventils
kann der mindestens eine Vorspannzylinder mit Druckgas beaufschlagt
werden, um die gewünschte Vorspannkraft einzustellen.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der Erfindung wird die oben genannte Aufgabe durch
die allgemeine technische Lehre gelöst, ein Verfahren zur
Erzeugung mechanischer Schwingungen in einem festen Körper
mit dem erfindungsgemäßen Impulsgenerator gemäß dem
oben genannten ersten Aspekt bereitzustellen. Das Verfahren zur
Erzeugung mechanischer Schwingungen zeichnet sich insbesondere durch
die folgenden Schritte aus.
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Zunächst
wird der Impulsgenerator auf dem Körper an einer vorbestimmten
Position angeordnet. Hierzu wird der Impulsgenerator mit dem Auflagebereich
auf einer Oberfläche des Körpers aufgesetzt. Ein
wichtiger Vorteil der Erfindung besteht darin, dass aufgrund der
kompakten Bauform des Impulsgenerators dieser auf der Oberfläche
so aufgesetzt werden kann, dass die Längsrichtung des Impulsgenerators einen
frei wählbaren Winkel mit der Oberflächennormalen
des Körpers bildet. Die Richtung der mechanischen Schwingungen
im Körper kann daher leichter ausgewählt werden,
als dies mit dem herkömmlichen Impulsgenerator möglich
war.
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Anschließend
folgt ein Vorspannen des Auflagebereiches relativ zum Körper,
vorzugsweise indem die Vorspanneinrichtung des erfindungsgemäßen
Impulsgenerators betätigt wird. Der Impulsgenerator kann
vorteilhafterweise mit einer einstellbaren Vorspannkraft an den
Körper gepresst werden. Dies ermöglicht eine genaue
Einstellung von Schwingungsparametern der mechanischen Schwingungen im
Körper. Danach erfolgen der Rückzug und das Verriegeln
der seismischen Masse in der Rückzugsposition sowie der
Druckaufbau im ersten Druckraum des Druckzylinders. Der erste Druckraum
wird mit Druckgas aus der Druckgasquelle beaufschlagt, bis ein bestimmter
Betriebsdruck auf der von der seismischen Masse abgewandten Seite
des Antriebskolbens erreicht ist. Anschließend erfolgt
die Freigabe der seismischen Masse, so dass sich diese in die Schlagposition
bewegt.
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Die
erfindungsgemäße Verwendung eines doppelt wirkenden
Druckzylinders bietet den Vorteil, dass der Antriebskolben nach
der Freigabe der seismischen Masse auf seiner Vorderseite mit einem Druck
beaufschlagt werden kann, um einen Rückprall der seismischen
Masse zu vermindern und/oder um den Antriebskolben rückwärts
in die Ausgangsposition zu bewegen. Es ist ein Druckaufbau im zweiten Druckraum
des Druckzylinders vorgesehen, um den Druck für die Rückwärtsbewegung
zu bilden. Vorzugsweise erfolgt der Druckaufbau im zweiten Druckraum
mit einer vorbestimmten Verzögerungszeit nach der Freigabe
der seismischen Masse.
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Besonders
bevorzugt wird der Druckaufbau im Druckzylinder, insbesondere der
zeitliche Ablauf der Beaufschlagung der Druckräume mit
Betriebsdruck, mit der pneumatischen Steuereinrichtung gesteuert.
Vorteilhafterweise wird der Betrieb des erfindungsgemäßen
Impulsgenerators erheblich vereinfacht, wenn beide Druckräume
des Druckzylinders mit Druckgas aus einer einzigen Druckgasquelle
beaufschlagt werden.
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Der
erfindungsgemäße Impulsgenerator ist insbesondere
zur Erzeugung impulsartiger Schwingungen in harten Untergründen
oder in Bauwerken (insbesondere Großbauwerke wie Brücken,
Staumauern oder dergleichen) ausgelegt. Die erfindungsgemäße
Vorrichtung bildet vorzugsweise einen Schwingungsgenerator zur Erzeugung
seismischer Schwingungen in felsartigen Gesteinen in tiefer liegenden
Schichten der Erdkruste für Forschungs- und Erkundungszwecke,
insbesondere beim Gebirgstunnelbau oder bei ausgebauten Tunnelwänden,
wie z. B. Schalenelementen, Tübbingen.
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Weitere
Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden unter
Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
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1:
eine Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Impulsgenerators;
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2:
eine Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Impulsgenerators;
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3:
eine vergrößerte Schnittansicht mit Einzelheiten
einer Verriegelungseinrichtung des erfindungsgemäßen
Impulsgenerators;
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4:
eine schematische Illustration der pneumatischen Steuereinrichtung
des erfindungsgemäßen Impulsgenerators;
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5:
ein Zeitschema des Betriebs der pneumatischen Steuereinrichtung
gemäß 4; und
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6:
eine schematische Illustration einer Tunnelbohrmaschine, die mit
dem erfindungsgemäßen Impulsgenerator ausgerüstet
ist.
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Die
Erfindung wird im Folgenden unter Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen
des Impulsgenerators beschrieben, die für seismische Erkundungen
und/oder Untersuchungen eingerichtet sind. Es wird betont, dass
der erfindungsgemäße Impulsgenerator analog zur
Erzeugung mechanischer Schwingungen für andere Anwendungen,
zum Beispiel in der Bautechnik anwendbar ist. Einzelheiten pneumatischer
Zylinder, der zugehörigen Druckleitungen und Ventile sind
dem Fachmann an sich bekannt, so dass sie hier nicht beschrieben
werden.
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1 illustriert
eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Impulsgenerators 100, die sich insbesondere durch einen
Druckzylinder 20 mit einer starren Zylinderwand und einer
Vorspanneinrichtung 60 mit einer seriellen Ankopplung auszeichnet. 2 illustriert
eine abgewandelte Ausführungsform, die sich insbesondere
durch einen Druckzylinder 20, dessen Länge teleskopartig
veränderlich ist, und eine Vorspanneinrichtung 60 mit
paralleler Ankopplung auszeichnet.
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Beiden
Ausführungsformen ist gemeinsam, dass der Druckzylinder 20 doppelt
wirkend ist, das heißt beidseitig des Antriebskolbens mit
Druckgas beaufschlagt werden kann.
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Gemäß 1 umfasst
der Impulsgenerator 100 die seismische Masse 10 mit
dem Antriebskolben 11 und der Schlagmasse 12,
den Druckzylinder 20 mit dem ersten Druckraum 21 und
dem zweiten Druckraum 22, den Auflagebereich 30,
mit dem der Impulsgenerator 100 auf Gestein 70 aufsetzbar
ist, die Verriegelungseinrichtung 40, die zur Fixierung der
seismischen Masse 10 in einer Ausgangsposition eingerichtet
ist, und die Vorspanneinrichtung 60, mit welcher der Auflagebereich 30 mit
einer vorbestimmten Vorspannkraft auf das Gestein 70 gepresst
werden kann. Die seismische Masse 10 ist im Druckzylinder 20 zwischen
einer Ausgangsposition A (in 1 gestrichelt
gezeigt) und einer Schlagposition B (in 1 illustriert)
beweglich. Der Impulsgenerator 100 erstreckt sich in einer
Längsrichtung, die gleich der axialen Richtung des Druckzylinders
ist. Das Ende mit dem Auflagebereich 30 wird als Vorderseite (vorderseitiges
Ende) des Impulsgenerators 100 bezeichnet, während
das entgegengesetzte Ende als Rückseite (rückseitiges
Ende) des Impulsgenerators 100 bezeichnet wird.
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Der
erste Druckraum 21, in dem sich der Antriebskolben 11 bewegt,
und der zweite Druckraum 22, der von dem ersten Druckraum
durch den Kolben 11 getrennt ist und in dem sich die Schlagmasse
bewegt, bilden einen gemeinsamen Zylinderraum (Pneumatikzylinder).
Die einzelnen Druckräume 21, 22 sind
nicht durch Dichtungen oder Führungen voneinander getrennt.
Der Druckzylinder 20 kann an der Rückseite mit
einem dritten Druckraum 26 ausgestattet sein, der mit dem
ersten Druckraum 21 verbunden und zur Aufnahme von Teilen
der Auslöseeinrichtung vorgesehen ist (siehe unten). Durch
Variation dieses Druckraumes ist die Schlagenergie veränderbar.
Die Wand des Druckzylinders 20 bildet am rückseitigen Ende
des ersten Druckraumes 21 eine Anschlagfläche 27 für
den am Antriebskolben 11 befindlichen Anschlag 114.
In der Ausgangsposition A liegt der Antriebskolben 11 mit
dem Anschlag 114 an der Anschlagfläche 27 des
ersten Druckraumes 21.
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Der
erste Druckraum 21 kann über eine erste Druckgasöffnung 23 mit
Druckgas beaufschlagt oder entlüftet werden. Beim dargestellten
Beispiel ist die erste Druckgasöffnung 23 an dem
dritten Druckraum 26 vorgesehen. Alternativ kann die erste
Druckgasöffnung direkt auf der Rückseite des Antriebskolbens 11,
insbesondere am rückseitigen Ende des ersten Druckraums 21,
vorgesehen sein. Der zweite Druckraum 22 ist mit einer
zweiten Druckgasöffnung 24 ausgestattet, durch
die der zweite Druckraum 22 im Bereich zwischen dem Antriebskolben 11 in
Stellung B und dem Auflagebereich 30 mit einem Druckgas beaufschlagt
oder entlüftet werden kann.
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Beim
Impulsgenerator 100 sind beispielsweise die folgenden Maße
gegeben. Die Masse der seismischen Masse 10 beträgt
rund 16 kg. Die axiale Länge des Druckzylinders 20 beträgt
rund 75 cm. Der Innendurchmesser des Druckzylinders 20 beträgt rund
10 cm. Der Druckzylinder 20 ist für einen Gesamthub
von rund 16 cm bei einem Arbeitshub von rund 15 cm ausgelegt. Bei
der dargestellten Ausführungsform sind die einzelnen Druckräume 21, 22 (und
ggf. 26) des Druckzylinders 20 als Baugruppen aus
gleichen oder verschiedenen Materialien (zum Beispiel Aluminium,
Aluminiumlegierung, Stahl, Edelstahl) aufgebaut und gasdicht miteinander
verbunden. Alternativ können die Druckräume einstückig
mit einem durchgehenden Rohr hergestellt sein, das an seinen Enden
durch die Verriegelungseinrichtung 40 und die Auflageeinrichtung 30 gasdicht
verschlossen ist. Vorzugsweise bestehen der Antriebskolben 11 und
der Mantel des Raumes 21 aus unmagnetischen Materialien.
In diesem Fall kann die Kolbenposition durch außerhalb
des Druckzylinders 20 angeordnete Magnetschalter bestimmt
werden, wobei es möglich ist, zumindest teilweise im Schaltbereich
der Zylinderwand unmagnetisches Material einzusetzen.
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Die
seismische Masse 10 umfasst den Antriebskolben 11 und
die Schlagmasse 12, die über ein Verbindungsstück 13 verbunden
sind. Der Antriebskolben 11 weist einen Führungsring 111 und
Kolbendichtungen 112 auf. Im Inneren des Antriebskolbens 11 befindet
sich ein Magnetring 113, der für eine Erfassung
der Position des Antriebskolbens 11 und/oder für
Schaltzwecke vorgesehen ist. Die Schlagmasse 12 weist Rollenlager 121 auf,
welche den vorderen Teil der seismischen Masse im zweiten Druckraum 22 führen.
Am vorderen Ende der Schlagmasse 12, das heißt
an deren zum Auflagebereich 30 weisenden Ende, ist eine
Schlagfläche 122 vorgesehen, die zum Beispiel
aus gehärtetem Stahl besteht. In der Stirnfläche 34 ist
der Schlagkopf 31 mit der Dichtung 32 befestigt.
Am hinteren Ende der Schlagmasse 12 ist ein Flansch 122 vorgesehen,
an dem das Verbindungsstück 13 angeschraubt ist.
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Das
Verbindungsstück 13 umfasst ein sich in axialer
Richtung des Impulsgenerators 100 durch die ersten und
zweiten Druckräume 21, 22 erstreckendes
Bauteil, auf dem mit einem Abstand von der Schlagmasse 12 der
Antriebskolben 11 befestigt ist und das an seinem hinteren
Ende einen Zapfen 42 mit einem Sperrring 43 aufweist,
die Teil der Verriegelungseinrichtung 40 sind (siehe unten).
Das Verbindungsstück 13 besteht zum Beispiel aus
Stahl.
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Die
Auflageeinrichtung 30 umfasst einen in der Stirnfläche 34 mit
Dichtungen 32, 33 gelagerten Schlagkopf 31,
wobei mit den Dichtungen 32, 33 der zweite Druckraum 22 an
der Vorderseite des Impulsgenerators 10 gasdicht verschlossen
ist. Der Schlagkopf 31 besteht zum Beispiel aus gehärtetem
Stahl. Beim Aufprall der seismischen Masse 10 auf den Schlagkopf 31 erfolgt
eine Impulsübertragung mit einer Schwingungsanregung im
Gestein 70. Die angeregten P-Wellen breiten sich im Gestein 70 in
Längsrichtung des Impulsgenerators 10 aus.
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Die
Verriegelungseinrichtung 40 umfasst eine Auslöseeinrichtung 41,
die an der Rückseite des Druckzylinders 20 vorgesehen
ist, und die Kombination aus Zapfen 42 und Sperrring 43 am
hinteren Ende des Verbindungsstücks 13. Die Auslöseeinrichtung 41,
die vergrößert in 3 illustriert
ist, umfasst einen Auslösezylinder 44 mit einem
Zylinderstößel 453 und einen Auslösehebel 45,
der um eine Achse 451 verschwenkbar in der Verriegelungseinrichtung 40 angebracht
ist. Der Auslösehebel 45 weist an einem Ende eine
Verriegelungsrolle 452 auf, die sich über eine
Achse 451 auf dem Hebel 45 abstützt.
Der Auslösehebel 45 ist am anderen Ende mit einer
Spiralfeder 454 verbunden, die im dritten Druckraum 26 angeordnet
ist. Die Verriegelungseinrichtung 40 ist mit einem separaten
Endstück 46, einem Ausdrückgewinde 47 und
einer Verdrehsicherung 48 illustriert. Diese Komponenten
dienen der Demontage des Axiallagers 25, zum Beispiel bei
Verschleiß.
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Im
Ausgangszustand des Impulsgenerators 100 ist die seismische
Masse 10 im Druckzylinder 20 zurückgezogen
und an der Verriegelungseinrichtung 40 fixiert. Im Ausgangszustand
erfolgt die Beladung des ersten Druckraums 21 mit Druckgas.
Der Zapfen 42 am hinteren Ende des Verbindungsstücks 13 ist
in diesem Zustand in einem Axiallager 25 des Druckzylinders 20 angeordnet.
Unter der Wirkung der Spiralfeder 454, des Innendruckes
und der Selbsthaltekraft ist der Auslösehebel 45 so
verkippt, dass er den Sperrring 43 fixiert. Nach Erreichen
des erforderlichen Betriebsdrucks im ersten Druckraum 21 wird der
Auslösezylinder 44 betätigt. Der Zylinderstößel 453 ver schwenkt
gegen die Kraft der Spiralfeder 454 den Auslösehebel 45,
so dass der Sperrring 13 freigegeben wird. Sobald die Freigabe
erfolgt ist, bewegt sich die seismische Masse 10 unter
der Wirkung des Druckgases im ersten Druckraum 21 beschleunigt, bis
die Schlagfläche 122 am Ende der Schlagmasse 12 auf
den Schlagkopf 31 trifft. Im ersten und zweiten Druckraum
stehen der Betriebsdruck und der Arbeitsdruck in einem derartigen
Verhältnis zueinander, dass im Moment des Auftreffens der
Schlagfläche 122 auf den Schlagkopf 31 am
Antriebskolben keine oder nur geringe Gasdruckkräfte wirken.
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Die
Vorspanneinrichtung 60 umfasst einen Vorspannzylinder 61,
der mit dem Druckzylinder 20 fest verbunden ist. Die Vorspanneinrichtung 60 ist
in Abhängigkeit von der Anwendung des Impulsgenerators 100 an
einer Maschine, zum Beispiel einer Tunnelbohrmaschine, oder einem
weiteren Gerät, wie zum Beispiel einem Stativ oder einem
Fahrzeug befestigt, wie dies von herkömmlichen Vorrichtungen zur
Schwingungserzeugung bekannt ist. Die in 1 gezeigte
serielle Ankopplung des Vorspannzylinders 61 ermöglicht
einen Verschiebeweg von zum Beispiel 20 cm. Alternativ sind anwendungsabhängig
größere Verschiebewege, zum Beispiel im Bereich über
50 cm realisierbar.
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Die
pneumatische Steuerung des Druckzylinders 20, des Auslösezylinders 44 (3)
und des Vorspannzylinders 61 erfolgt mit einer pneumatischen
Steuerungseinrichtung 50, die unten unter Bezug auf 4 erläutert
wird.
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2 zeigt
eine abgewandelte Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Impulsgenerators 100 mit der seismischen Masse 10,
dem Druckzylinder 20, dem Auflagebereich 30, der
Verriegelungseinrichtung 40 und der Vorspanneinrichtung 60.
Die Komponenten 10, 30 und 40 sind so
aufgebaut, wie dies oben unter Bezug auf die 1 und 3 beschrieben
wurde.
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Im
Unterschied zur Ausführungsform gemäß 1 umfasst
gemäß 2 der Druckzylinder 20 zwei
Zylinderteile 201, 202, welche jeweils entsprechend
die ersten und zweiten Druckräume 21, 22 einschließen.
Das vordere Zylinderteil 202 ist mit einer beweglichen
radialen Außendichtung 203 versehen und im vorderen
Ende des hinteren Zylinderteils 201 verschiebbar angeordnet.
Das Gehäuse des Druckzylinders 20 hat bei dieser
Ausführungsform einen Teleskopaufbau. Durch eine Verschiebung
der Zylinderteile 201, 202 relativ zueinander
kann der Impulsgenerator 100 mit dem Schlagkopf 31 auf
das Gestein 70 gepresst werden.
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Die
Vorspanneinrichtung 60 umfasst bei der in 2 gezeigten
Ausführungsform mehrere, vorzugsweise mindestens drei Vorspannzylinder 61,
die auf der Außenseite des Vorderendes des hinteren Zylinderteils 201 befestigt
und dazu eingerichtet sind, die Vorspannkraft auf das vordere Zylinderteil 202 aufzubringen.
Mit dieser parallelen Ankopplung der Vorspanneinrichtung 60 wird
ein Verschiebeweg von rund 25 mm realisiert. Damit wird zwar eine
geringfügige Änderung des Verschiebewegs der seismischen Masse 10 bewirkt.
Allerdings hat diese Ausführungsform den Vorteil, dass
sich Beschleunigungskräfte bei der Auslösung der
seismischen Masse 10 nur unwesentlich auf die Vorspannkraft
des Schlagkopfes 31 auswirken.
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Zur
Erzeugung mechanischer Schwingungen wird der Impulsgenerator 100,
z. B. gemäß 1 oder 2,
durch die Vorspanneinrichtung 60 soweit verschoben, dass
der Schlagkopf 31 auf das Gestein 70 mit einer
definierten Vorspannkraft aufliegt. In der Ausgangsposition befindet
sich die bewegliche seismische Masse 10 in einer Position,
in welcher der Anschlag 114 und die Anschlagfläche 27 aufeinander aufliegen.
In dieser Position ist der Antriebskolben 11 durch den
Sperrring 43, der vom Auslösehebel 45 der Verriegelungseinrichtung 40 blockiert
ist, formschlüssig blockiert. Dabei befindet sich der Zapfen 42 im Axiallager 25.
Wird über die erste Druckgasöffnung 23 Druckgas,
z. B. Pressluft eingebracht, bestimmen der im System vorhandene
Zylinderraum und der mit dem Druckgas aufgebaute Druck die im System
enthaltene Energie. Beim Erreichen eines vorbestimmten, eingestellten
Druckes öffnet die Verriegelungseinrichtung 40,
so dass diese Energie in Bewegungsenergie der seismischen Masse 10 umgesetzt
wird. Nach dem Aufschlagen der Schlagfläche 122 der seismischen
Masse 10 auf den Schlagkopf 31 strömt über
die zweite Druckgasöffnung 24 Luft ein und unterbindet
das Nachschlagen der seismischen Masse 10. Gleichzeitig
wird die seismische Masse 10 in die Ausgangsposition zurückgeführt.
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4 illustriert
eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäß verwendeten
pneumatischen Steuereinrichtung 50, die zur Beaufschlagung
mindestens der Druckräume 21, 22 und 26 des schematisch
dargestellten Druckzylinders 20, vorzugsweise jedoch auch
des Auslösezylinders 44 und des mindestens einen
Vorspannzylinders 61 mit Druckgas eingerichtet ist. Hierzu
weist die pneumatische Steuereinrichtung 50 vorzugsweise
einen Eingang 51 zur Verbindung mit einer Druckgasquelle 80 (zum
Beispiel ein Kompressor) auf. Vorteilhafterweise kann der gesamte
Impulsgenerator 100 erfindungsgemäß mit
einer einzigen Druckgasquelle 80 betrieben werden. Alternativ
können mehrere Druckgasquellen vorgesehen sein, zum Beispiel
um mindestens einen der genannten Zylinder von den anderen getrennt
mit Druckgas zu beaufschlagen.
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Die
pneumatische Steuereinrichtung 50 weist ein Haupt-Wegeventil 513 auf,
mit dem Druckgas von der Druckgasquelle 80 wahlweise zu
den Druckräumen 21, 26 und/oder dem Druckraum 22 des
Druckzylinders 20 zugeführt wird. Des Weiteren weist
die pneumatische Steuereinrichtung 50 ein Umsteuer-Wegeventil 514 auf,
mit dem im geöffneten Zustand der zweite Druckraum 22 entlüftet
werden kann (Beaufschlagung mit atmosphärischem Umgebungsdruck)
oder im geschlossenen Zustand der zweite Druckraum 22 mit
Druckgas beaufschlagt werden kann. Zur Einstellung des Druckes im
zweiten Druckraum 22 ist zwischen dem Haupt-Wegeventil 513 und
dem zweiten Druckraum 22 ein Druckreduzier-Ventil 515 angeordnet.
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Die
pneumatische Steuereinrichtung 50 weist des Weiteren ein
Auslöse-Wegeventil 511 auf, das zwischen dem Eingang 51 und
dem Auslösezylinder 44 der Auslöseeinrichtung 41 angeordnet
ist. Schließlich ist ein Vorspann-Wegeventil 512 zwischen
dem Eingang 51 und den Vorspannzylindern 61 vorgesehen.
Die genannten Wegeventile 511, 512, 513 und 514 sind
elektrisch ansteuerbare Ventile, zum Beispiel 2/5-Pneumatik-Wegeventile
(z. B. vom Typ 0820038153, Hersteller Bosch). Die pneumatische Steuereinrichtung 50 ist
mit einem Steuerkreis (nicht dargestellt), wie z. B. einem Steuerrechner,
ausgestattet, mit dem die Funktion der Steuereinrichtung 50 kontrolliert
und eingestellt wird.
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Die
pneumatische Steuereinrichtung 50 wird vorzugsweise so
betrieben, wie im Folgenden unter Bezug auf die 4 und 5 erläutert
ist. Zur Erzeugung mechanischer Schwingungen wird der Druckraum 21 (ggf.
mit 26) in der Ausgangsposition A (siehe 1)
mit Druckgas beaufschlagt. Die Größe des Druckraums 21, 26 kann
durch einen vom Kolben 11 betätigten Magnetschalter 540 kontrolliert werden,
der außerhalb des Druckzylinders 20 angeordnet
ist. Diese Energie wird in Form von Druckluft über den
Eingang 51 und das Haupt-Wegeventil 513 dem Druckraum 21, 26 zugeführt.
Die Kontrolle des Druck gases erfolgt durch einen Druckschalter 530, der
bei Erreichen des eingestellten Druckes mit Hilfe des Auslöse-Wegeventils 511 den
Auslösezylinder 44 betätigt, so dass
die Betätigungsenergie definiert und reproduzierbar ist.
Das Haupt-Wegeventil 513 hat des Weiteren die Aufgabe,
mit einer definierten zeitlichen Verzögerung umzusteuern
und dem zweiten Druckraum 22 Druckgas zuzuführen,
was sowohl zur Vermeidung des Nachschlagens als auch zur Rückführung
der seismischen Massen 10 in die Ausgangsposition A dient.
Für diese Funktion wird Druckgas geringeren Druckes verwendet,
das mit Hilfe des Druckreduzier-Ventils 515 bereitgestellt
wird. Das Umsteuer-Wegeventil 514 wird verwendet, um in
der Ausgangsposition A einen definierten Druck im Druckraum 22 sicherzustellen
und gleichzeitig im Umsteuerzeitpunkt des Haupt-Wegeventils 513 zu schließen.
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Die
Vorspannzylinder sind beispielhaft mit den Bezugszeichen 61, 62, 63 gezeigt.
Das Vorspann-Wegeventil 512, das ebenfalls über
den Eingag 51 mit Druckgas versorgt wird, betätigt
die Vorspannzylinder 61, 62, 63. Zur
Bildung der Vorspannkraft werden die Vorspannzylinder 61, 62, 63 zum Vorschub
mit Druckgas beaufschlagt. Zur Einstellung der gewünschten
Vorspannkraft wird ein Druckschalter 520 verwendet. Durch
die Umsteuerung des Vorspann-Wegeventils 512 wird der Druck
der Druckgasquelle 80 zum Rückzug der Verschiebezylinder verwendet
und der Anpressdruck über Leitungen 591 entspannt.
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In 5 ist
die elektronische Steuerung der Funktionen der pneumatischen Steuerungseinrichtung 50 schematisch
dargestellt. Die Ventile 511 bis 514 besitzen
jeweils zwei Schaltstellungen, wobei in der Ruhestellung, d. h.
Transport-, Montage-, Lagerungszustand oder Bereitschaft des Impulsgenerators 100 eine
dominante Ventilposition gegeben ist. Die unterschiedlichen Schaltstellungen
sind durch „a" und „b" dar gestellt. Wird die Bereitschaft
hergestellt, d. h. die Signalgebung vorbereitet, wird der Impulsgenerator 100 an
das Gestein 70 angepresst. Hierzu leitet das Vorspann-Wegeventil 512 Druckgas
in die Vorspannzylinder 61 bis 63. Gleichzeitig
schaltet das Umsteuer-Wegeventil 514 von Zylinderentlüftung „b" auf
Druckluftzuleitung „a" und ermöglicht, den Antriebskolben
im Druckzylinder 20 in die Ausgangsposition A zu schieben.
In der Ruheposition des Haupt-Wegeventils 513 wird das
Druckgas zum Umsteuer-Wegeventil 514 geleitet und dadurch
der Antriebskolben in die Ausgangsposition A bewegt. Um die Ausgangsposition
A leichter zu erreichen, entsperrt das Auslöse-Wegeventil 511 den
Auslösezylinder 44, wobei der Auslösehebel 45 mit
der Rolle 452 angehoben wird, damit der Sperrring 43 besser
passieren kann. Die Zeit zum Erreichen des Bereitschaftszustandes
ist begrenzt und wird durch den Steuerkreis der Steuereinrichtung
kontrolliert.
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Ist
der Bereitschaftszustand erreicht, wird mit einem Signal des Steuerkreises
das Haupt-Wegeventil 513 umgesteuert. Der Druckraum 21, 26 wird mit
Druckgas beaufschlagt. Erfasst der Druckschalter 530 den
eingestellten Wert, wird die Auslöseeinrichtung 41 mit
dem Auslöse-Wegeventil 511 betätigt. Gleichzeitig
schaltet das Umsteuer-Wegeventil 514 um. Mit einer Verzögerungszeit
t1 wird auch das Haupt-Wegeventil 513 umgesteuert, so dass
der Druckraum 22 mit Druckgas beaufschlagt wird, was ein
Nachschlagen der seismischen Masse 10 verhindert und dieselbe
in ihre Ausgangsposition A zurückführt, die nach
einer Zeit t2 wieder erreicht ist. Während der Rückführung
der seismischen Masse 10 in Position A wird das Umsteuer-Wegeventil 514 umgeschaltet,
um den Rückführzyklus materialschonend zu steuern.
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6 illustriert
schematisch eine Tunnelbohrmaschine (TBM) 200, mit welcher
der erfindungsgemäße Impulsgenerator 100 be vorzugt
angewendet wird. Die Tunnelbohrmaschine 200 bohrt im Gestein 70 (Felsgestein).
Ein Trägerteil 210 der Tunnelbohrmaschine 200 ist
mit seitlichen Abstützungen 220 gegenüber
dem Gestein 70 abgestützt. In Abhängigkeit
von der Art der seismischen Untersuchung, zum Beispiel zur seitlichen
Erkundung oder zur Vorauserkundung, kann mindestens ein Impulsgenerator
am Bohrkopf 230 oder einer der seitlichen Abstützungen 220 oder
an anderen geeigneten Positionen angeordnet sein.
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Die
in der Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen
offenbarten Merkmale der Erfindung können einzeln oder
in Kombination für die Umsetzung der Erfindung von Bedeutung
sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 2334996 [0002]
- - DE 2202289 [0002]
- - DE 19509122 [0002]
- - DE 1953924 [0002]
- - DE 3224624 [0003]
- - EP 1085347 A2 [0004, 0008, 0013, 0013]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - von Miller
et al. in "Geophysics" (Bd. 57, Nr. 5, S. 693 ff) [0002]