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Die Erfindung betrifft einen Hydraulikzylinder, insbesondere für den Einsatz bei einer Tunnelbohrmaschine vorgesehener Dehner-Zylinder in Form eines einfach wirkenden Differentialzylinders, dessen mit der Stangenseite seines Arbeitskolbens verbundene Kolbenstange sich durch den diese umgebenden stangenseitigen Zylinderraum nach außen erstreckt.
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Tunnelbohrmaschinen, auch Tunnelvortriebsmaschinen genannt, sind Vollschnittmaschinen, die den gesamten zu bauenden Tunnelquerschnitt in einem Arbeitsschritt abbauen. Zu bekannten Tunnelbauprojekten in Deutschland, bei denen Tunnelbohrmaschinen zum Einsatz kamen oder noch im Einsatz sind, gehören beispielsweise die Elbtunnel-Röhre „Trude”, Hamburg, der City-Tunnel Leipzig, der Fildertunnel (auch Bahnprojekt Stuttgart 21), um nur einige der Anzahl der inländischen Projekte zu nennen. Ein maßgebliches Bauteil derartiger Maschinen ist ein Bohrkopf, auch Schild genannt, der einen antreibbaren Schneidkopf aufweist, der mit Abbauwerkzeugen, wie einer Mehrzahl von Rollenmeißeln, bestückt ist. Der Vorschub des Schildes und der weiteren verschiebbaren Komponenten in der Tunnel-Vortriebsrichtung erfolgt mittels einer Hauptpressstation und zumindest einer Zwischenpressstation. Die Hauptpressstation, die sich in einem Startschacht befindet, von dem der Bohrvorgang des Tunnels ausgeht, weist ein Widerlager auf, an dem sich eine Presseneinrichtung abstützt, mittels deren Schalenteile, sog. Tübbings, die je nach Arbeitsfortschritt im Startschacht eingesetzt werden, schrittweise in Arbeits-Vorschubrichtung bewegbar sind. Für den eigentlichen, vom Bohrkopf auszuführenden Abbauvorschub sind in einer Zwischenpressstation, die sich in geringem Abstand hinter dem vorderen Schild befindet, sog. Dehner-Zylinder vorgesehen. Diese sind in Form eines inneren Kranzes aus einzelnen entlang des Umfangsbereichs verteilt angeordneten Zylindern vorgesehen, wobei die Anzahl der Dehner-Zylinder, je nach dem jeweiligen Tunneldurchmesser, 20 Zylinder oder mehr betragen kann. Für die Einstellung der jeweils gewünschten Bohr- oder Tunnelrichtung sind die Dehner-Zylinder getrennt hydraulisch ansteuerbar und erzeugen aufeinanderfolgend beim Ausfahren der Kolbenstangen Vorschubschritte des Bohrkopfes entsprechend der Hublänge der Zylinder. Nach jedem erfolgten Vorschubschritt werden die Dehner-Zylinder eingefahren, und von der Hauptpressstation ausgehend werden die hinter der Zwischenpressstation befindlichen Elemente um den Vorschubschritt durch die Hauptpressstation nachgerückt, wonach ein neues Tübbing im Startschacht eingesetzt wird, um durch neuerliches Ausfahren der Dehner-Zylinder einen nächsten Vorschubschritt auszuführen, usw.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik stellt sich die Erfindung die Aufgabe, einen Hydraulikzylinder zur Verfügung zu stellen, der sich insbesondere bei einem Einsatz als Dehner-Zylinder durch ein besonders günstiges Betriebsverhalten auszeichnet.
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Erfindungsgemäß ist die Aufgabe durch einen Hydraulikzylinder gelöst, der die Merkmale des Patentanspruchs 1 in seiner Gesamtheit aufweist.
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Diesbezüglich sieht die Erfindung gemäß dem Wortlaut des Anspruchs 1 bei einem einfach wirkenden Differentialzylinder vor, dass in dessen Kolbenstange ein innerer Hohlraum gebildet ist, wobei in der Kolbenstange ein Durchgang ausgebildet ist, der den inneren Hohlraum mit dem stangenseitigen Zylinderraum verbindet. Während bei den derzeit üblichen Dehner-Zylindern der stangenseitige Zylinderraum zur Atmosphäre hin belüftet ist, um bei der beim Ausfahren des Kolbens erfolgenden Verkleinerung des Volumens des stangenseitigen Raums den Aufbau eines Gegendrucks zu vermeiden, eröffnet sich bei der Erfindung die Möglichkeit, den stangenseitigen Raum und den inneren Hohlraum der Kolbenstange als in sich geschlossenes System auszubilden, weil durch den inneren Hohlraum ein inneres Puffervolumen in der Kolbenstange zur Verfügung steht, so dass die Druckerhöhung beim Ausfahren in einem zu vernachlässigenden Rahmen bleibt. Im Unterschied zur üblichen Bauweise werden dadurch die Probleme aus der Welt geschafft, die sich bei den zur Atmosphäre atmenden üblichen Dehner-Zylindern ergeben. Obwohl bei den bekannten Zylindern die Verbindung zur Atmosphäre über ein Luftfilter erfolgt, um Störungen und Beschädigungen durch eindringende Schmutzpartikel im Betrieb zu vermeiden, kommt auch bei funktionsfähigem Luftfilter bei der im Tunnel herrschenden Luftfeuchtigkeit von nahezu 100% Feuchtigkeit in den Zylinder, die dann kondensiert und zu Korrosionsproblemen führt. Demgegenüber sieht die Erfindung einen geschlossenen Stangenraum ohne Austausch mit der Umwelt vor. Bei den bekannten Zylindern besteht zudem die Gefahr, dass es bei Verstopfung des Luftfilters zur entsprechenden Erhöhung des Gegendruckes kommt.
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Mit besonderem Vorteil kann die Anordnung so getroffen sein, dass die Kolbenstange ein Rohr aufweist und dass der Durchgang durch eine die Wand des Rohres durchgreifende Bohrung gebildet ist, wobei diese mit Vorteil an dem mit dem Kolben verbundenen Endbereich der Kolbenstange gebildet ist.
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Bei vorteilhaften Ausführungsbeispielen beträgt die vom Arbeitsdruck beaufschlagbare Kolbenfläche zumindest das Dreifache der die Weite des stangenseitigen Zylinderraums definierenden, die Kolbenstange umgebenden Ringfläche. Bei dieser Bauweise ist ein besonders günstiges Volumenverhältnis der beiden Räume realisierbar.
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Bei besonders vorteilhaften Ausführungsbeispielen ist eine Füllöffnung vorgesehen, über die der Hohlraum der Kolbenstange und der stangenseitige Zylinderraum mit einem gasförmigen Medium, insbesondere N2, befüllbar sind. Das Vorhandensein eines inerten inneren Mediums gewährleistet eine besonders hohe Korrosionssicherheit, insbesondere wenn einem derartigen Füllgas ein Korrosionsschutzmittel zugesetzt ist.
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Dabei kann die Anordnung mit besonderem Vorteil so getroffen sein, dass das vom Kolben abgewandte, aus dem Zylinderraum herausgeführte Ende des Rohres der Kolbenstange durch einen Gewindeeinsatz dicht geschlossen ist, in dem der Füllanschluss für das gasförmige Medium ausgebildet ist.
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Als Überdrucksicherung für das abgeschlossene, innere Gassystem kann zwischen stangenseitigem Zylinderraum und der Atmosphäre ein bei vorgegebenem Druck des gasförmigen Mediums öffnendes Rückschlagventil vorgesehen sein. Bei einem Fülldruck des gasförmigen Mediums, der beim Größtwert des aus stangenseitigem Zylinderraum und Innenraum der Kolbenstange gebildeten Gasvolumens etwa 1 bar beträgt, kann das Rückschlagventil beispielsweise auf einen Öffnungsdruck von 5 bar eingestellt sein, einen Druckwert, der im Normalbetrieb nicht erreicht wird, wenn das Volumen des inneren Hohlraums der Kolbenstange zumindest das 2,3-fache des Größtwertes des stangenseitigen Zylinderraums beträgt. Demgemäß ist bevorzugt vorgesehen, dass das Volumen des inneren Hohlraums ein Mehrfaches des Volumens des stangenseitigen Zylinderraums bei der voll eingefahrenen, zurückgeführten Stellung des Kolbens beträgt.
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Bei besonders vorteilhaften Ausführungsbeispielen, bei denen die Kolbenstange aus dem Zylinderraum durch einen endseitigen Ringkörper herausgeführt ist, der einen Anschlag für die ausgefahrene Endstellung des Kolbens bildet, ist das Rückschlagventil mit Vorteil so angeordnet, dass es am inneren Ende des Ringkörpers in den stangenseitigen Zylinderraum einmündet und dass der Kolben an dem dem Anschlag zugewandten Ende eine radiale Verjüngung aufweist. Dadurch ist sichergestellt, dass auch bei der ausgefahrenen Endstellung des Kolbens die Mündungsstelle des Rückschlagventils nicht von der anliegenden Mantelfläche des Kolbens abgedeckt ist.
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Nachstehend ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels im Einzelnen erläutert. Es zeigen:
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1 eine stark schematisch vereinfacht und in perspektivischer Schrägansicht gezeichnete Darstellung der Hauptbestandteile einer üblichen Tunnelbohrmaschine, versehen mit Dehner-Zylindern, die einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Hydraulikzylinders entsprechen, und
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2 einen abgebrochen gezeichneten Längsschnitt eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen, als Dehner-Zylinder vorgesehenen Hydraulikzylinders.
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In der lediglich skizzenhaft und stark vereinfacht gezeichneten Darstellung von 1 sind ein Schneideschuh oder Schild mit 1 und ein daran befindlicher, drehbarer, vorderer Schneidkopf mit 3 bezeichnet. Dieser weist an der Vorderseite die bei derartigen Schneidköpfen üblichen Abbauwerkzeuge auf, wie Rollenmeißel und/oder andere Schneid- und Brechwerkzeuge. In dem in 1 gezeigten Strang der Maschinenkomponenten folgt auf Vortriebsrohre 5 und 7, die sich an den Schild 1 anschließen, eine mit 9 bezeichnete Zwischenpressstation. Diese weist, wie bei derartigen Schild-Bohrmaschinen üblich, einen Kranz aus Dehner-Zylindern 11 in Form von Hydraulikzylindern auf, die einen inneren, in Umfangsnähe verlaufenden Kranz aus gleichmäßig verteilten Zylindern bilden, um entsprechend ihres Arbeitshubes das anliegende Vortriebsrohr 7 in Vorschubrichtung zu bewegen. Für das Erreichen eines gewünschten Verlaufs der Vortriebsrichtung des Tunnels sind die Dehner-Zylinder 11 einzeln ansteuerbar.
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Ausgehend von einem in 1 schematisiert angedeuteten Startschacht 13 werden entsprechend den zurückgelegten Vortriebsstrecken Schalenelemente, die die Tunnelauskleidung bilden, sog. Tübbings 15, zum Einsatz gebracht. Hierfür weist eine im Startschacht 13 befindliche Hauptpressstation 17 eine Presseinheit 19 auf, die sich an einem Widerlager 21 abstützt und die bereits eingesetzten Tübbings 15 bei eingefahrenen Dehner-Zylindern 11 der davor befindlichen Zwischenpressstation 9 um die jeweiligen Vortriebsstrecken vorschiebt, bis ein weiteres Tübbing 15, wie mit Richtungspfeil 23 angedeutet, bei eingefahrener Presseinheit 19 eingesetzt werden kann. Mit neuerlichem Ausfahren der Dehner-Zylinder 11 und dem Betrieb des Schneidkopfes 3 setzt sich der Tunnelvortrieb fort.
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Die 2 zeigt im Längsschnitt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Hydraulikzylinders, wie er mit Vorteil als Dehner-Zylinder 11 einer Tunnelbohrmaschine der beschriebenen Art einsetzbar ist. Das kreiszylindrische Zylindergehäuse weist ein Mantelrohr 25 auf, das an einem in 2 rechts gelegenen Ende durch einen angeschweißten Gehäusedeckel 27 geschlossen ist. Bei einer praktischen Ausführungsform und Auslegung auf einen maximalen Hubweg von 700 mm, den der im Mantelrohr 25 geführte Kolben 29 zurücklegt, hat das Gehäuse, einschließlich Mantelrohr 25 und Deckel 27, eine Gesamtlänge von etwa 1650 mm. Die 2 zeigt den Kolben 29 in voll eingefahrener Endstellung, wobei die vom Arbeitsdruck des Hydraulikfluids, beispielsweise mit einem Druck von 500 bar, beaufschlagbare Kolbenfläche 31 am Deckel 27 anliegt, der einen Eingang 33 und einen Ausgang 35 für Zufuhr bzw. Abfuhr des betreffenden Hydrauliköls aufweist.
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Der Kolben 29, der mittels im axialen Abstand voneinander angeordneten Führungsbändern 37 und 39 im Mantelrohr 25 geführt und an diesem mittels einer zwischen den Führungsbändern 37, 39 gelegenen Kompaktdichtung 41 abgedichtet ist, ist auf seiner inneren Stangenseite mit einer Kolbenstange 43 verbunden. Diese ist durch einen kreiszylindrischen Rohrkörper gebildet, der mit dem Kolben 29 mittels einer Verschraubung verbunden ist. Hierfür weist der Kolben 29 als Sitz für die Kolbenstange 43 eine kreiszylindrische Vertiefung auf, an deren Innenwand ein Innengewinde 45 gebildet ist, mit dem das Ende der Kolbenstange 43, das ein Außengewinde 47 aufweist, verschraubt ist. Eine die Wand der Vertiefung des Kolbens 29 durchgreifende Madenschraube 49 bildet eine Sicherung für die Verschraubung.
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Der innere Hohlraum 51 der Kolbenstange 43 ist am vom Kolben 29 abgewandten Ende durch einen eingeschraubten Gewindeeinsatz 53 dicht verschlossen. Bei der in 2 gezeigten, voll eingefahrenen Stellung stehen das Ende der Kolbenstange 43 und der Gewindeeinsatz 53 geringfügig über das Ende des Mantelrohres 25 des Zylindergehäuses vor. Der Gewindeeinsatz 53 weist an der Frontseite eine zentral gelegene Füllöffnung 55 auf, von der aus über einen koaxialen Füllkanal 57 der Hohlraum 51 der Kolbenstange 43 mit einem gasförmigen Medium befüllbar ist. Als Führung für die beim Arbeitshub aus dem Zylindergehäuse ausfahrende Kolbenstange 43 ist in das links gelegene, offene Ende des Mantelrohres 25 ein Ringkörper 58 eingeschraubt, an dessen Innenseite Führungsbänder 59, eine Lippendichtung 61 sowie ein Abstreifer 63 vorgesehen sind, die an der Außenseite der Kolbenstange 43 anliegen. Außenseitig ist am Ringkörper 58 ein Dichtring 65 für die Abdichtung der Verschraubung vorgesehen. Entsprechend der Wandstärke des Ringkörpers 58 und der Wandstärke der Vertiefung im Kolben 29, die den Sitz für die Kolbenstange 43 bildet, ist zwischen der Innenseite des Mantelrohres 25 und der Außenseite der Kolbenstange 43 ein stangenseitiger Zylinderraum 67 gebildet.
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Ausgehend von dem Größtwert des Volumens des stangenseitigen Zylinderraums 67 bei der in 2 gezeigten, voll eingefahrenen Kolbenstellung verringert sich das Volumen des stangenseitigen Zylinderraums 67 bis zum Erreichen der ausgefahrenen Endstellung, bei der der Endrand 69 der Vertiefung des Kolbens 29 an dem einen Endanschlag bildenden Ende 71 des Ringkörpers 58 anliegt. Um bei dem zur Atmosphäre hin vollständig geschlossenen stangenseitigen Zylinderraum 67 die Ausbildung eines der Kolbenbewegung entgegenwirkenden Gegendrucks zu vermeiden, ist bei der Erfindung ein den stangenseitigen Zylinderraum 67 mit dem inneren Hohlraum 51 der Kolbenstange 43 verbindender Durchgang vorgesehen, beim vorliegenden Ausführungsbeispiel in Form einer die Wand der Kolbenstange 43 durchgreifenden Bohrung 73. Damit steht bei der Ausfahrbewegung des Kolbens 29 für den Druckabbau im stangenseitigen Zylinderraum 67 das Volumen des inneren Hohlraums 51 der Kolbenstange 43 als Puffervolumen zur Verfügung, so dass der erfindungsgemäße Zylinder als völlig abgeschlossenes System und nicht als zur Atmosphäre atmendes System betreibbar ist. Damit die Bohrung 73 bei allen Kolbenstellungen einen freien Durchgang zum Puffervolumen im inneren Hohlraum 51 bildet, ist die Bohrung 73 an dem an den Kolben 29 angrenzenden Endbereich der Kolbenstange 43 ausgebildet.
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Der Abschluss des stangenseitigen Zylinderraums 67 zur Atmosphäre vermeidet nicht nur die Korrosionsprobleme durch Eintritt von Feuchtigkeit, sondern auch die Gefahr des Eindringens von Schmutzpartikeln, was bei atmenden Zylindern den Einsatz von Luftfiltern erforderlich macht. Als zusätzliche, besondere Sicherung gegen Korrosion kann bei der Erfindung über die Füllöffnung 55 eine Befüllung des Innenraums, also des inneren Hohlraums 51, und über die Bohrung 73 des stangenseitigen Zylinderraums 67, mit einem gasförmigen Medium vorgesehen sein. Insbesondere kann ein inertes Medium, wie N2, mit einem niedrigen Fülldruck von beispielsweise 1 bar vorgesehen sein. Außerdem kann für eine Druckabsicherung des Fülldrucks ein Rückschlagventil 75 vorgesehen sein, das auf einen angepassten Öffnungsdruck eingestellt ist. Wenn bei einem Ausführungsbeispiel, wie es in 2 dargestellt ist, die vom Arbeitsdruck beaufschlagbare Kolbenfläche 31 zumindest das Dreifache der die Weite des stangenseitigen Zylinderraums 67 definierenden, die Kolbenstange 43 umgebenden Ringfläche beträgt, wobei sich bei der vorstehend genannten Zylinderlänge beispielsweise ein Volumen des inneren Hohlraums 51 von etwa 9,5 Litern und ein Größtwert des Volumens des stangenseitigen Zylinderraums 67 von etwa 4,1 Litern realisieren lässt, so dass das Volumenverhältnis mehr als 2,3:1 beträgt, kann das Rückschlagventil 75 bei einem Fülldruck von 1 bar beispielsweise auf einen Öffnungsdruck von 5 bar eingestellt sein. Bei einer Füllung mit einem Inertgas kann die Korrosionssicherheit noch weiter erhöht werden, wenn dem Medium ein Korrosionsschutzmittel zugesetzt ist, wie beispielsweise BRANOrol®. Wie 2 zeigt, befindet sich die Mündungsöffnung des Rückschlagventils 75 unmittelbar am Anschlag 71 des Ringkörpers 58. Um bei am Endanschlag 71 anliegendem Kolben 29 die Abdeckung der Mündungsöffnung des Rückschlagventils 75 zu vermeiden, weist der Kolben 29 außenseitig an dem dem Anschlag 71 zugewandten Ende eine radiale Verjüngung 77 auf.
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Das vorstehend angesprochene Stangenvolumen respektive das für den störungsfreien Betrieb notwendige minimale Gesamtvolumen muss derart groß sein, dass der Druckanstieg für die Funktion des Dehnerzylinders unbedeutend ist. Das Stangenvolumen muss nicht zwangsläufig ein Mehrfaches des Volumens des stangenseitigen Zylinderraums sein. Die Auslegung des minimalen Gesamtvolumens hängt auch noch an dem geplanten p0 bei maximalem Gesamtvolumen. Rein theoretisch könnte man bei einem maximalen Druck von angenommenen 400 bar auf der hydraulischen Seite bis auf 399.9 bar (400 bar) auf der Gasseite gehen. Wenn man die Reibung vernachlässigt, hätte man dann 0.1 bar multipliziert mit der wirksamen Fläche des Zylinders als Kraft für den Vorschub. Theoretisch wäre dann bei 1 bar Vorfüllung nur ein Verhältnis von 1:400, also nur das 0,0025fache minimale Gesamtvolumen notwendig. Bei 10 bar Vorfüllung wäre es 10:400, also nur das 0,025fache minimale Gesamtvolumen. Eine dahingehende Auslegung auf 400 bar ist nicht sinnvoll, da man keine Kraft mehr hätte und der Zylinder auch eine Abnahme als Druckbehälter benötigt. Vom Funktionsprinzip her wäre aber demgemäß alles zwischen 400 bar und 1 bar möglich.
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Bei der hier gewählten Auslegung mit 1 bar Vorfüllung und einem auf 5 bar eingestellten Druckbegrenzungsventil benötigt man also 1:5, also nur das 0,2fache Volumen, wenn das ringseitige Stangenvolumen auf 0 gefahren wird. Erlaubt ein Anwender bei 1 bar Vorfüllung einen Enddruck von 10 bar, benötigt er demgemäß nur das 0,1fache Volumen. Wählt man 10 bar Vorfüllung und erlaubt 15 bar Gegendruck, wird das 1,5fache Volumen benötigt etc.
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Gemäß dem Vorstehenden kommt es eigentlich nur auf das Verhältnis maximales Gesamtvolumen zu minimalem Gesamtvolumen an. Ob dabei das minimale Gesamtvolumen durch einen externen Speicher oder einen Tothub am Zylinder und einem dadurch vergrößerten Ringvolumen realisiert wird, ist für die Funktion des jeweiligen Dehnerzylinders demgemäß unbeachtlich.
