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Die Erfindung betrifft eine Spezialtiefbaumaschine, insbesondere Schlitzwandfräse, mit wenigstens einem rotierenden Werkzeug sowie wenigstens einem Werkzeugantrieb, der innerhalb eines Gehäuses der Werkzeugmaschine angeordnet ist und im Bereich seines Wellenaustritts zum angetriebenen Werkzeug wenigstens eine Lagerdichtung zur Abdichtung des Gehäuseinneren gegenüber der Umgebung aufweist.
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Im Spezialtiefbau werden tiefgehende Erdaushübe, bspw. bis zu Tiefen von 100 Metern oder mehr, mittels speziellen Fräs- oder Bohrwerkzeugen ausgeführt. Da die Geometrie der so entstehenden sehr schlanken Baugrube den Einbau einer Schalung zum Abstützen des Erdreichs nicht zulässt, kommt noch während der Aushubarbeiten eine Stützflüssigkeit zum Einsatz, die meist aus Wasser, Tonmineralien und weiteren Zuschlagsstoffen besteht.
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Das in der Stützflüssigkeit versenkte Arbeitsgerät ist dabei in Abhängigkeit der Eindringtiefe und der Flüssigkeitsdichte einer Druckbelastung von außen ausgesetzt, die mit zunehmender Tiefe ansteigt. Wegen des Gehaltes an Wasser und Mineralien, die korrosiv und abrasiv auf mechanische Bauteile des Werkzeugantriebs wirken können, muss das Eindringen von Stützflüssigkeit in den Antrieb stets sicher verhindert werden.
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Häufig eingesetzte Dichtungssysteme sehen meist Gleitringdichtungen vor, die von innen mit einem eigens erzeugten Druck beaufschlagt werden müssen, der idealerweise geringfügig oberhalb des vorherrschenden Außendrucks liegen sollte. Solche Lösungen gehen häufig von einem Antriebsgehäuse einer Schlitzfräse aus, dessen Innenraum mit Getriebeöl befüllt ist und eine Anpassung des Druckniveaus über einen hydraulischen Stellkolben erfolgt.
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Nachteilig an der vorgestellten Lösung ist jedoch, dass das vollständige Antriebsgehäuse mit Öl befüllt sein muss, um mit vertretbarer Systemgröße von Stellkolben, Ausgleichsbehälter oder ähnlichem die Druckänderung im Gehäuse bewerkstelligen zu können. Insbesondere bei Einsatz von Getrieben führt dies zu erheblichen Wirkungsgradverlusten aufgrund hydrodynamischer Vorgänge (sogenanntes Flanschen), einhergehend mit erheblicher thermischer Belastung von Schmierstoffen, Lagerungen und Dichtwerkstoffen.
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Zudem unterliegt dieses System mit Stellkolben aufgrund von Reibungsverlusten der Kolbendichtung einer nicht zu vermeidenden Hysterese, welche insbesondere bei geringen Arbeitstiefen und wechselnder Bewegungsrichtung des Arbeitsgerätes die Genauigkeit der Druckbeaufschlagung beeinträchtigt.
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Eine alternative Lösung ist aus der
EP 1 529 924 A1 bekannt. Hier wird mit einer elektronischen Lösung gearbeitet, die eine sensorbasierte aktive Messung des Druckniveaus, entsprechende Signalverarbeitung und nachfolgende Drucksteuerung mittels elektronischer Steuerung vorschlägt. Sensorbasierte System mit aktiver Druckregelung benötigen jedoch zwingend eine Dämpfungseinrichtung, um Schaltvorgänge auszugleichen und etwaige Regelabweichungen verarbeiten zu können.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, nach einer alternativen Lösung zu suchen, die die oben genannte Problematik zumindest teilweise zu überwinden weiß.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Spezialtiefbaumaschine, insbesondere eine Schlitzwandfräse, gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Spezialtiefbaumaschine sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, die wenigstens eine Lagerdichtung der Spezialtiefbaumaschine aus wenigstens zwei separaten Dichtungselementen aufzubauen. Durch eine erfindungsgemäße Anordnung der separaten Dichtungselemente zueinander ist eine zwischen den Dichtungselementen liegende Dichtkammer ausgebildet, die mit einem definierbaren Druckniveau beaufschlagbar ist. Diese Druckkammer ist drucktechnisch vom restlichen Gehäuseraum getrennt. Das dort vorherrschende Druckniveau wirkt auf zumindest eines der Dichtungselemente derart ein, so dass dessen Dichtungswirkung sichergestellt ist und das Gehäuseinnere bzw. die Dichtkammer nach außen gegenüber dem Umgebungsdruck abgedichtet ist.
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Die in der Baugrube und insbesondere innerhalb einer Flüssigkeit versenkte Spezialtiefbaumaschine ist in Abhängigkeit der Eindringtiefe und der Flüssigkeitsdichte einer Druckbelastung von außen ausgesetzt, die mit zunehmender Tiefe ansteigt. Diese Druckbelastung wird nachfolgend der Einfachheit halber als Umgebungsdruck bezeichnet. Das Druckniveau in der Dichtkammer muss nun durch eine Druckausgleichsvorrichtung so eingestellt werden, dass dieses gleich oder höher dem Umgebungsdruck ist, denn nur so kann eine zufriedenstellende Dichtungswirkung des wenigstens einen Dichtungselementes sichergestellt werden.
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Bei der Spezialtiefbaumaschine handelt es sich insbesondere um eine Schlitzwandfräse mit ein oder mehreren Fräsrädern als Werkzeug, die über wenigstens einen, in einem Gehäuse untergebrachten Fräsantrieb in Rotation versetzt werden. Im Bereich der aus dem Gehäuse austretenden Antriebswelle ist die entsprechende Lagerdichtung mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung vorgesehen.
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Anders als im Stand der Technik muss dazu nicht mehr für ein entsprechendes Druckniveau im gesamten Gehäuseraum gesorgt werden, sondern es genügt ein Druckaufbau in einer gesonderten, vergleichsweise kleinvolumigen Dichtkammer. Dies erlaubt nicht nur eine schnellere Reaktion auf Änderungen des Aussendruckes, sondern vermeidet eine negative Beeinflussung des Werkzeugantriebs. Anders als im Stand der Technik verlangt muss der Werkzeugantrieb bzw. Fräsantrieb nicht mehr mit einer überschüssigen Menge an Getriebeöl betrieben werden, sondern es kann stattdessen auf die für den regulären Betrieb benötigte Ölmenge zurückgegriffen werden. Dadurch kann der Wirkungsgrad als auch die Schmiermittelstandzeit optimiert werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die Dichtkammer durch ein äußeres Dichtungselement gegenüber der Umgebung abgedichtet, wobei das äußere Dichtungselement vorzugsweise eine ausreichende Materialbeständigkeit gegenüber einer beim Spezialtiefbau die Spezialtiefbaumaschine umgebenden Substanz, insbesondere Flüssigkeit aufweist. Handelt es sich bei der Spezialtiefbaumaschine um eine Schlitzwandfräse, so ist das äussere Dichtungselement ausreichend resistent gegenüber einer in den Schlitz eingefüllten Stützflüssigkeit, die meist aus Wasser, Tonmineralien und weiteren Zuschlagsstoffen besteht. Insbesondere ist ein solches Dichtungselement in der Lage, den abrasiven und korrosiven Eigenschaften der umgebenden Stützflüssigkeit zu widerstehen. Hierzu benötigt es jedoch den erforderlichen Druck aus der Dichtkammer. Bevorzugt handelt es sich bei dem äusseren Dichtungselement um eine Gleitringdichtung.
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Als inneres Dichtungselement, d.h. das Dichtungselement, das die Dichtkammer gegenüber dem Werkzeugantrieb bzw. einem Getrieberaum abdichtet, kann ein deutlich weniger materialbeständiges Dichtungselement zum Einsatz kommen, da dieses nicht mit den vorgenannten Verschmutzungen der Stützflüssigkeit in Kontakt kommt, sondern lediglich mit dem verwendeten Druckmedium innerhalb der Dichtkammer einerseits bzw. etwaiger, innerhalb des Werkzeugantriebs/Getrieberaums befindlicher Substanzen, insbesondere dem Getriebeöl. Diese gewonnene Flexibilität bei der Auswahl des passenden Dichtungsmaterials bringt den Vorteil mit sich, dass hier auf ein druckunbeständiges Material zurückgegriffen werden kann, dessen Dichtungswirkung jedoch druckunabhängig vorliegt. Geeignet ist beispielsweise eine Elastomerdichtung.
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Die Dichtkammer kann hermetisch abgedichtet sein, d.h. gegenüber dem Umgebungsdruck und/oder dem Gehäuseraum bzw. Getrieberaum. Vorstellbar ist es ebenso, dass stattdessen zumindest eine Druckentlastung zum Gehäuseraum bzw. Getrieberaum vorgesehen ist. Beispielsweise ist die Dichtkammer über wenigstens eine Drossel zum Gehäuseraum, insbesondere Getrieberaum hin entlastet.
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Für die Realisierung der vorliegenden Erfindung kann grundsätzlich jede Art von Druckausgleichsvorrichtung zum Einsatz kommen, die geeignet ist, das vorliegende Druckniveau innerhalb der Dichtkammer in Abhängigkeit des Umgebungsdrucks einzustellen. Besonders bevorzugt sollte ein solches Druckniveau geringfügig höher als der Umgebungsdruck sein, sodass eine ausreichende Dichtungswirkung der äußeren Dichtung sichergestellt werden kann.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung kommt eine neu konzipierte Druckausgleichsvorrichtung zum Einsatz, die wenigstens eine Pumpe umfasst, deren Druckausgang unmittelbar oder mittelbar mit der Dichtkammer verbunden ist um diese mit dem benötigten Kammerdruck in Abhängigkeit des Umgebungsdrucks zu beaufschlagen. Bspw. kann eine Drossel zwischen Druckseite der Pumpe und Dichtkammer integriert sein.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Saugseite der Pumpe mit dem Gehäuseinneren des Werkzeugantriebs, insbesondere dem Getrieberaum des Fräsantriebs verbunden. Der Druckausgang der Pumpe ist mit der Dichtkammer verbunden. Die Pumpe saugt einen Volumenstrom einer im Getrieberaum befindlichen Substanz, insbesondere Getriebeöl an und pumpt diesen zumindest teilweise in die Dichtkammer.
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Besonders bevorzugt ist es an dieser Stelle, wenn die eingesetzte Pumpe einen konstanten (geringen) Volumenstrom aus dem Getrieberaum ansaugt. Für die Einstellung des Soll-Druckniveaus innerhalb der Dichtkammer kann auf der Druckseite der Pumpe ein Druckbegrenzungsventil installiert sein, dessen Druckeingang mit der Druckseite der Pumpe verbunden ist. Demzufolge wird nur ein Teil des angesaugten Volumenstroms der Pumpe letztendlich zur Dichtkammer gefördert, überschüssiges Fluid wird über das Druckbegrenzungsventil abgeführt.
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Dieser Schaltaufbau ermöglicht eine exakte Einstellung des erzielten Druckniveaus innerhalb der Dichtkammer durch Anpassen des Öffnungsgrades des Druckbegrenzungsventils. Durch gezielte Einstellung des Öffnungsdruckes kann das erzielbare Druckniveau in der Dichtkammer beeinflusst und hinreichend genau eingestellt werden. Eine Änderung des Schluckvolumens der Pumpe ist hierzu nicht nötig.
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Vorzugsweise ist das eingesetzte Druckbegrenzungsventil vorgesteuert, um den Öffnungsdruck und damit das gewünschte Soll-Druckniveau innerhalb der Dichtkammer entsprechend einstellen zu können. Idealerweise steht der Steuerdruckanschluss über ein Steuerdruckvolumen mit einer Membran in Verbindung. Auf die Membran wirken einerseits das Steuerdruckvolumen und andererseits der Umgebungsdruck ein, so dass Änderungen des Umgebungsdruckes automatisch zu einer Anpassung des Öffnungsdruckes des Druckbegrenzungsventils führen. Bspw. führt eine Erhöhung des Umgebungsdrucks zu einer entsprechenden Erhöhung des Steuerdrucks, wodurch letztendlich das Soll-Druckniveau innerhalb der Dichtkammer entsprechend angepasst wird.
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Bei geeigneter Dimensionierung des Druckbegrenzungsventils und der Pumpe kann erreicht werden, dass das Druckniveau innerhalb der Dichtkammer exakt auf den Umgebungsdruck oder auf eine exakte Differenz zum Umgebungsdruck eingestellt wird. Zur Einstellung einer gewünschten Druckdifferenz kann eine zusätzliche direkte Ansteuerung des Druckbegrenzungsventils mittels Federvorspannung vorgesehen sein. Die Federvorspannung wirkt entgegen dem Steuerdruck auf das Druckbegrenzungsventil, d.h. den Ventilkolben ein, so dass die Federvorspannung die gewünschte Druckdifferenz zwischen dem Druckniveau innerhalb der Dichtkammer und dem Umgebungsdruck definiert. Idealerweise wird ein Druckbegrenzungsventil mit verstellbarer Federvorspannung eingesetzt.
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Der Ausgang des Druckbegrenzungsventils kann beispielsweise unmittelbar mit dem Getrieberaum des Werkzeugantriebes bzw. Fräsantriebs verbunden sein, um das Getriebeöl im Sinne eines geschlossenen Kreislaufes an den Gehäuse- bzw. Getrieberaum zurück zu geben. Diese Vorgehensweise hat den Vorteil, dass ein ständiger Volumenfluss durch das Druckbegrenzungsventil vorliegt, sodass es zu einer ständigen Bewegung des Ventilkolbens kommt und dadurch nachteilige Hystereseeffekt wie im Stand der Technik vermieden werden können.
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Ferner ist es vorstellbar, dass mittels des zurückgespeisten Hydrauliköls solche Komponenten des Werkzeug- bzw. Fräsantriebs geschmiert werden, die im regulären Betrieb nicht oder nicht ausreichend geschmiert werden können.
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Darüber hinaus ermöglicht die Realisierung des vorgeschlagenen Ölkreislaufs des Getriebeöls den Einsatz zusätzlicher Komponenten, wie beispielsweise eines Ölfilters, eines Wärmetauschers oder auch einer sonstigen Analyseeinrichtung zur Überwachung und Auswertung der Öleigenschaften. Mittels des Wärmetauschers kann beispielsweise eine ausreichende Kühlung des Getriebeöls bereitgestellt werden, während der Filter die Reinigung des Getriebeöls im Betrieb gestattet. Die Analyseeinrichtung kann beispielsweise dazu dienen, etwaige Verschmutzungen des Getriebeöls rechtzeitig zu erkennen und dadurch auf eine nachlassende Dichtwirkung der Lagerdichtung schließen zu können. Die vorgenannten Komponenten sind vorzugsweise im Rücklauf vom Druckbegrenzungsventil zum Getrieberaum installiert.
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Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung sollen nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigen:
- 1: ein hydraulisches Schaltbild der erfindungsgemäßen Schlitzwandfräse gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel und
- 2: ein hydraulisches Schaltbild einer gegenüber dem Ausführungsbeispiel der 1 geringfügig modifizierten Ausführung.
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1 zeigt ein hydraulisches Schaltbild für eine erfindungsgemäße Schlitzwandfräse, die ein nicht dargestelltes Gehäuse umfasst, in diesem ein Fräsantrieb untergebracht ist. Der Fräsantrieb umfasst die beiden Fräsradgetriebe 1, die durch einen gemeinsamen Hydraulikmotor 2 angetrieben werden. Aus dem Gehäuse treten mehrere Antriebswellen aus, die über die nachfolgend noch im Detail erläuterten Lagerdichtungen 9, 10 abgedichtet werden müssen.
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Unabhängig vom Bewegungszustand des Fräsradantriebs und aus diesem Grund separat mit Energie über einen konstanten Hydraulikantrieb 12 mit Energie versorgt saugt eine Pumpeneinheit 3 einen geringen konstanten Ölstrom aus dem Getriebeinnenraum 4 an, welcher das Druckbegrenzungsventil 5 durchströmt. Das Druckbegrenzungsventil 5 weist eine verstellbare Federvorspannung sowie einen Steuerdruckanschluss 7 auf. Über die Membran 6 wirkt der Umgebungsdruck direkt auf ein Ölvolumen ein, welches auf den Steuerdruckanschluss 7 des Ventils 5 wirkt.
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Der von der Pumpe 3 erzeugte und mittels des Druckbegrenzungsventils 5 kontrollierte Druck liegt an der ölgefüllten Dichtkammer 8 an, welche durch eine Gleitringdichtung 9 gegen die Umgebung und eine Elastomerdichtung 10 gegen den Innenraum des Getriebes 1 abgedichtet ist.
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Aufgrund des hohen Anteils an Luft am Gesamtvolumen des Getriebeinnenraums herrscht im Getrieberaum 4 abhängig von der Temperatur etwa Atmosphärendruck, unabhängig von der Eindringtiefe des Antriebs in der Stützflüssigkeit. Dem gegenüber kann der Umgebungsdruck in der Stützflüssigkeit mit den üblichen Arbeitstiefen Werte zwischen Atmosphärendruck und ca. 20 - 25 bar annehmen.
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Die Dichtungen 9 und 10 trennen die Gesamt-Dichtungsaufgabe der Lagerdichtung in zwei Teilaufgaben auf, für welche sie jeweils konzipiert sind:
- Dichtung 9 ist in der Lage, den abrasiven und korrosiven Eigenschaften der umgebenden Stützflüssigkeit zu widerstehen, benötigt hierzu jedoch einen Druck in der Dichtkammer 8, welcher möglichst genau eingehalten werden muss und ca. 2 bar über dem Druck der umgebenden Stützflüssigkeit liegt, mit weniger als 1 bar Toleranz.
- Dichtung 10 erträgt den potenziell hohen Differenzdruck zwischen Umgebung und Getriebeinnenraum, ist hierzu jedoch auf Sauberkeit der umgebenden Fluide angewiesen.
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Das Druckbegrenzungsventil 5 beeinflusst den Druck in der Dichtkammer 8, indem es den Federdruck (2bar) zum Umgebungsdruck im Steueranschluss 7 addiert. Zudem wird das Ventil 5 ständig durchströmt und so sein Ventilkolben in Bewegung gehalten, wodurch Druckspitzen vermieden werden und mögliche Hystereseeffekte gering gehalten werden.
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Das umlaufende Öl wird dem Getriebe 1 über die Rücklaufleitung 11 wieder zugeführt. In vorteilhafter Ausführung wird dieses rücklaufende Öl zur Schmierung von Getriebeteilen benutzt, deren Ölbenetzung durch den allgemeinen Betrieb nicht sichergestellt ist.
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In weiterer vorteilhafter Ausführung bzw. in Erweiterung der Funktion können Wärmetauscher, Filter und Einrichtungen zur Ölanalyse in die Leitung 11 integriert werden, um Wärme abzuführen, Getriebeabrieb aus dem Öl abzureinigen sowie ein Nachlassen der Dichtwirkung aufzudecken, insbesondere durch Detektion von Bestandteilen der Stützflüssigkeit im Öl.
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Das vorgelegte System kommt in seiner Grundausführung ohne elektronische Bauteile und ohne weiteren Steuerungsaufwand aus. Die Dichtungswirkung der Lagerdichtung bleibt auch bei Ausfall aller Steuerungssysteme erhalten, so lange das Antriebsaggregat des Gesamtsystems in Betrieb ist.
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In der gegenüber 1 geringfügig modifizierten Ausführung gemäß 2 sind die Dichtkammern 8' nicht hermetisch abgedichtet, sondern stattdessen über Drosseln 13 in den Getrieberaum 4 entlastet. Eine solche Modifikation gestattet eine Wärmeabfuhr aus der Dichtkammer 8' sowie einen Ölaustausch sowie Ölreinigung der Dichtkammer 8'. Der übrige Aufbau der Ausführung aus 2 ist identisch zur 1, weshalb identische Bezugszeichen verwendet wurden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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