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Die Erfindung betrifft Arbeitsköpfe für Vorrichtungen
nach den Oberbegriffen der Ansprüche
1 und 5.
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Aus dem Prospekt "Gegenwart und Zukunft" der
Firma Wirth Maschinen- und Bohrgeräte-Fabrik GmbH, Erkelenz ist
eine Tunnelbohrmaschine bekannt, welche mit einem einen kreisrunden
Arbeitsquerschnitt aufweisenden Bohrkopf ausgestattet ist. Der Bohrkopf
ist mit einer Vielzahl von die Ortsbrust in konzentrischen Spuren überstreichenden
Schneidrollen bestückt,
welche nach dem konventionellen Verfahren arbeiten, bei dem das
zu lösende
Gestein im wesentlichen auf Druck beansprucht wird. Während die
den äußeren Bereich
der Ortsbrust überstreichenden
Schneidrollen als sogenannte "Runddisken", die kreisrunde Schneiden
aufweisen, ausgebildet sind, dienen im voreilenden Zentralbereich
der Tunnelbohrung sogenannte "War zendisken", die über den
Umfang der Schneide verteilte Radialvorsprünge aufweisen, dem Lösen des
Gesteins.
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Bei einer anderen, aus der
DE 40 15 462 A1 bekannten
Streckenvortriebsmaschine sind an einem drehbaren Arbeitskopf radial
schwenkbare Werkzeugarme vorgesehen, welche an ihren freien Enden jeweils
eine nach dem Hinterschneidprinzip, bei dem das zu lösende Gestein
im wesentlichen auf Zug beansprucht wird, arbeitende Schneidrolle
aufweisen. Mit einem Werkzeugarm wird ein Zentralbereich der Ortsbrust
radial von außen
nach innen, mit den anderen Werkzeugarmen der den Zentralbereich
der Ortsbrust umgebende Außenbereich
von innen nach außen
abgearbeitet. Hierzu werden die Werkzeugarme während der Drehung des Arbeitskopfes
radial verschwenkt, so daß die
Schneidwerkzeuge die Ortsbrust in im wesentlichen spiralförmigen Spuren überstreichen.
Sämtliche
bei dieser Vorrichtung vorgesehenen Schneidwerkzeuge sind als Runddisken
ausgebildet, d.h. sie weisen eine kreisrunde Schneide auf.
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Aus der
DE 18 05 335 B2 ist ein
Rollenmeißel
für Gesteinsbohrungen
bekannt, welcher zwei einander zugeordnete Schneidelemente umfaßt, die in
einer Spur arbeiten. Die voreilende Rolle ist mit Umfangserhebungen
versehen, so daß sie
auf das Gestein eine pulsierende Kraft ausübt.
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Aus der
US-PS 3 385 385 ist eine
Schneidrolle mit einer Mehrzahl von über den Rollenkörper radial überstehenden
Schneiden bekannt, von denen jede zweite mit radial überstehenden
Einsätzen
bestückt
ist.
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Die
DE 40 15 492 A1 offenbart eine Vollschnitt-Vortriebsrriaschine
für den
Streckenund Tunnelvortrieb, welche an Schneidarmen vorgesehene, nach
dem Hinterschneidprinzip arbeitende Schneidrollen umfaßt. Die
Vorrichtung weist einen relativ zum Bohrkopf teleskopierbaren Vorbohrer
mit einem in Radialrichtung spreizbaren Spreizkopf auf.
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Schließlich ist aus der
DE 42 05 158 C2 eine Schneidwalze
für nach
dem Schwenkwalzen-Vortriebssystem arbeitende Teilschnittmaschinen
bekannt, bei der es je nach Gesteinsfestigkeit und sonstiger Beschaffenheit
es vorteilhaft sein kann, unterschiedliche Rollenbohrwerkzeuge einzusetzen.
Die Rollenbohrwerkzeuge sind hierbei nach dem Hinterschneidprinzip
arbeitend ausgebildet und an der seitlichen Kante und an der ebenen
Fläche
der Schneidwalze verteilt angeordnet.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung,
Arbeitsköpfe
für sowohl
solche, nach dem konventionellen Verfahren, als auch solche, nach
dem Hinterschneidprinzip arbeitende Streckenvortriebsmaschinen derart weiterzuentwickeln,
daß insbesondere
beim Vortreiben von Strekken im Hartgestein bei gleicher Vortriebsieistung
der Verschleiß der
Schneidwerkzeuge verringert bzw. die Vortriebsleistung erhöht ist.
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Diese Aufgabe wird durch die in den
Ansprüchen
1 und 5 wiedergegebenen Vorrichtungen gelöst.
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Überraschenderweise
hat sich gezeigt, daß – bei vergleichbarer
Vortriebsleistung – der
Verschleiß der
Schneidwerkzeuge reduziert ist, wenn das Gestein von paarweise zusammenwirkenden Schneidwerkzeugen
gelöst
wird, wobei das eine Schneidwerkzeug eine pulsierende Kraft, das
andere eine gleichmäßige Kraft
auf das Gestein ausübt.
Mit pulsierender Kraft ist eine solche Kraft gemeint, bei der das
von der Schneidrolle überstrichene
Gestein mit kurzen Kraftspitzen beaufschlagt wird. Technisch realisierbar
ist diese Krafteinwirkung beispielsweise durch ein hämmerndes
Schneidwerkzeug oder ein Rollenschneidwerkzeug, welches im Bereich
seiner Schneide radiale Fortsätze
aufweist. Die pulsierende Krafteinwirkung führt zu einer relativ weit in
das Gestein eindringenden Rißbildung
in dem Hartgestein, d.h. der Verbund der an der Ortsbrust anstehenden Gesteinsschicht
wird gelockert. Solche Teile der gelockerten Gesteinsschicht, die
nicht sogleich vollständig
von der Ortsbrust abgelöst
worden sind, werden von dem zugeordneten, eine im wesentlichen gleichmäßige Kraft
ausübenden
Schneidwerkzeug abgearbeitet. Die Schneidwerkzeuge können hierzu in
derselben oder in benachbarten Spuren die Ortsbrust überstreichen.
Da die beiden Schneidwerkzeuge unterschiedliche Funktionen haben,
nämlich
einerseits in erster Linie die des Lösens des Gesteins, andererseits
in erster Linie die des "Ausputzens" des vorgelösten Gesteins, und somit beispielsweise
hinsichtlich der Materialwahl und technischen Ausgestaltung im einzelnen
an diese Funktionen angepaßt werden
können,
ist der Verschleiß derselben
gegenüber
den Schneidwerkzeugen bei herkömmlichen Streckenvortriebsmaschinen
erheblich reduziert.
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Da die pulsierende Krafteinwirkung
auch zu einer Rißbildung
in dem Gestein führt,
welche dem Schneidwerkzeug voreilt, ist es möglich, das eine gleichmäßige Kraft
ausübende
Schneidwerkzeug dem letzteren – bezogen
auf die Schneidrichtung – voreilen
oder parallel zu dieser die Ortsbrust überstreichen zu lassen. Es
ist jedoch insbesondere dann, wenn die einander zugeordneten Schneidwerkzeuge
in derselben Spur arbeiten, von Vorteil, wenn gemäß Anspruch
4 das die pulsierende Kraft ausübende
Schneidwerkzeug dem anderen voreilt.
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Vorteilhafterweise sind die Schneidwerkzeuge
als eine radiale Schneide aufweisende Schneiddisken ausgebildet.
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Die die pulsierende Kraft auf das
Gestein ausübenden
Schneidwerkzeuge sind dann vorzugsweise Warzendisken, die an ihrer
Schneide mindestens einen aus dem Umfang vorragenden Radialfortsatz
aufweisen.
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Bevorzugt verwendete Warzendisken
weisen über
den Umfang der Schneide gleichmäßig verteilte
Fortsätze
auf, da durch eine relativ hochfrequente, pulsierende Kraft der
Gesteinsverbund an der Ortsbrust effektiv zerstört wird.
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Die die im wesentlichen gleichmäßige Kraft auf
das Gestein ausübende
Schneiddiske ist vorzugsweise als Runddiske ausgebildet, welche
eine einen im wesentlichen kreisrunden Umfang aufweisende Schneide
umfaßt.
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Veisuche haben gezeigt, daß sich Warzendisken,
deren Schneidkörper
aus Werkzeugstahl besteht, in den radial überstehende Hartmetallstifte
eingesetzt sind, durch ein besonders gutes Verhältnis von Herstellungsaufwand
zu Standzeit auszeichnen. Es hat sich ferner gezeigt, daß Runddisken,
deren Schneidkörper
gesamt aus Werkzeugstahl hergestellt ist, ausreichend verschleißfest sind.
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Besonders geeignet zum Vortrieb von
Tunneln im Haitgestein ist die erfindungsgemäße Vorrichtung dann, wenn die
Schneidwerkzeuge derart angeordnet sind, daß sie nach dem Hinterschneidprinzip
arbeiten, da in diesem Falle von den Schneiden lediglich die im
Vergleich zur Druckfestigkeit erheblich geringere Zugfestigkeit
des Gesteins überwunden
werden muß.
Insbesondere bei Anwendung des Hinterschneidprinzips hat es sich
als vorteilhaft erwiesen, die Schneidwerkzeuge eines Paares derart
anzuordnen, daß sie
in einer Spur die Ortsbrust überstreichen.
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Die Schneidwerkzeuge können an
dem Arbeitskopf derart angeordnet sein, daß sie nach dem konventionellen
Verfahren arbeiten.
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Versuche haben gezeigt, daß in diesem
Falle eine besonders hohe Vortriebsleistung bzw. ein besonders niedriger
Verschleiß der
Schneidwerkzeuge erzielt wird, wenn diejenigen eines Paares in der
Art angeordnet sind, daß sie
in benachbarten .spuren die Ortsbrust überstreichen.
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Besonders standfest sind die Warzendisken dann,
wenn sie zwei seitlich beabstandete Schneiden mit jeweils einer
Reihe von Radialfortsätzen
umfassen, da durch den bei dieser Ausgestaltung erheblich massiveren
Basiskörper
der Warzendisken die Kräfte
großflächigei in
die jeweilige Lagerung an dem Bohrkopf ableitbar sind.
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Vorzugsweise ist dann für jede Warzendiske an
dem Bohrkopf mindestens eine Runddiske vorgesehen, deren Spur zwischen
denjenigen der beiden Schneiden einer an dem Bohrkopf vorgesehenen Warzendiske
liegt.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der
Erfindung dargestellt. Es zeigen:
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1 die
Vorderansicht eines erfindungsgemäß bestückten Arbeitskopfes, der nach
dem konventionellen Verfahren arbeitet;
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2 eine
Seitenansicht desselben Bohrkopfes im Schnitt gemäß Schnittlinie
A-A in 1;
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3a – schematisch – sämtliche über den Radius
der Ortsbrust wirkenden Schneidwerkzeuge projeziert auf eine zur
Ortsbrust senkrechten, durch die Drehachse des Arbeitskopfes verlaufende
Ebene;
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3b – ausschnittsweise – eine Warzendiske
in einem Längsschnitt;
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4 – schematisch – den Ausschnitt
IV in 3 zusammen mit den von den verschiedenen Schneidwerkzeugen
auf der Ortsbrust erzeugten Spuren;
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5 – ausschnittsweise – den Arbeitskopf einer
nach dem Hinterschneidprinzip arbeitenden Vorrichtung in einer Seitenansicht;
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6 den
Arbeitskopf gemäß 5 in einer Ansicht von vorn
sowie
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7 und 8 – schematisch – die Wirkungsweise
zweier einander zugeordneter Rundund Warzendisken in einer nach
dem Hinterschneidprinzip arbeitenden Vorrichtung.
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Der in 1 als
Ganzes mit 100 bezeichnete Arbeitskopf dient üblicherweise
zum Ausarbeiten eines kreisförmigen
Querschnitts und ist zu diesem Zweck mit Zentrumsschneidwerkzeugen 1,
mit über seine
Stirnfläche
verteilten Rollenschneidwerkzeugen 2 und mit Kaliberwerkzeugen 3 ausgestattet. Ferner
weist der Arbeitskopf 100 mit umlaufende Schabwerkzeuge 4 auf,
welche dem Abtrennen von an der Ortsbrust befindlichen Weichgestein
dienen. Zum Aufnehmen gelösten
Haufwerks- oder Bergekleins weist der Arbeitskopf 100 weiterhin
mitumlaufende Ladeschaufeln 5 auf.
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Der Arbeitskopf ist über eine
Welle 6 in einem zentralen Maschinenteil 7, welches
sich in bekannter Weise an der Bohrungswandung abstützt, drehbar
gelagert. Dem Antrieb des Arbeitskopfes 100 dient ein hydraulischer
Drehantrieb 8.
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Die über die Stirnfläche des
Arbeitskopfes 100 verteilten Rollenschneidwerkzeuge 2 sind
als Runddisken 9, die eine kreisrunde Schneide aufweisen,
und als Warzendis ken 10, welche über den Umfang ihrer Schneiden
verteilt radiale Vorsprünge
aufweisen, ausgebildet.
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Wie insbesondere aus 3b ersichtlich
ist, umfassen die Warzendisken 10 zwei in Längsrichtung
beabstandete, sich von einem Basiskörper 13 radial nach
außen
erstreckende Schneiden 11, 11' auf, welche mit
radial vorstehenden Stiften 12 bestückt sind. Die Basiskörper 13 und
die Schneiden 11, 11' sind aus Werkzeugstahl,
die Stifte 12 aus Hartmetall gefertigt.
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Die Schneiden der auf der Stirnfläche des
Arbeitskopfes angeordneten Rund- und Warzendisken 9, 10 überstreichen
beim Betrieb des Arbeitskopfes die Ortsbrust in konzentrischen Spuren.
Die Rund- und Warzendisken sind derart über die Stirnfläche des
Arbeitskopfes 100 verteilt, daß die Spuren einer Schneide 11, 11' einer
Warzendiske und einer Schneide 14 einer Runddiske jeweils
abwechselnd konzentrisch verlaufen. Da in dem beschriebenen Ausführungsbeispiel
jede Warzendiske 10 zwei Schneiden 11, 11' aufweist,
ist der Arbeitskopf 100 mit etwa doppelt soviel Runddisken 9 wie
Warzendisken 10 bestückt.
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Die Wirkungsweise des Arbeitskopfes 100 ist schematisch
in 4 dargestellt. Die
Schneiden 11, 11' der Warzendisken 10 hinterlassen
an der Ortsbrust Spuren 15, welche aus einer Folge von
einzelnen Eindrücken 16 bestehen,
von denen aus sich rundherum Risse auch in die Tiefe in das Gestein
erstrecken. Durch diese Risse wird der Verbund des an der Ortsbrust
befindlichen Gesteins zwar zerstört, zum
Ablösen
desselben von der Ortsbrust bedarf es aber noch einer weiteren Krafteinwirkung,
die durch die zwischen zwei benachbarten Spuren 15 verlaufende
Schneide 14 einer Runddiske 9 in die Ortsbrust eingeleitet
wird. Wie ebenfalls 4 entnehmbar
ist, erstrecken sich von der durchgehenden Spur 17 aus bevorzugt
quer verlaufende Risse durch das Gestein, was letztlich zu einem
Ablösen
des zwischen zwei Runddisken befindlichen, von der Schneide der
Warzendiske bereits vorgelösten
Gesteins führt.
Den Runddisken 9 kommt daher im wesentlichen die Funktion
eines "Ausputzens" des vorab bereits durch die Warzendisken 10 gelösten Gesteins
zu, sie unterliegen daher einem geringeren Verschleiß.
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Eine weitere, in 5 dargestellte Ausführungsform weist einen Arbeitskopf 200 auf,
der an einem in dieser Figur nicht dargestellten Maschinenteil um
eine Achse M drehbar gelagert ist. An dem Arbeitskopf 200 ist
eine Mehrzahl von Werkzeugarmen 31, 32, 41, 42, 51, 52 vorgesehen,
von denen in 5 lediglich
beispielhaft die beiden mit den Bezugsziffern 32 und 51 versehenen
dargestellt sind. Der Werkzeugarm 51 dient dem Abarbeiten
eines zentralen Bereichs Z, der Werkzeugarm 32 eines äußeren, sich
an den zentralen Bereich Z anschließenden Bereichs A. Die Werkzeugarme 32,51 sind über Werkzeughalter 35, 55 an
dem Arbeitskopf 200 derart gelagert, daß die Werkzeugarme 32, 51 um
zwei Achsen 36, 56 in radialen Ebenen geschwenkt
werden können.
Hierzu dient jeweils eine an einem Ausleger 39, 59 angelenkte
Kolben/Zylindereinheit 30, 50, welche in 5 lediglich durch eine strichpunktierte
Linie angedeutet ist.
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An den der Ortsbrust B zugewandten
Enden 42, 52 sind nach dem Hinterschneidprinzip
arbeitende Rollendisken 45, 54 vorgesehen. Sie
sind in Schneidrollenhaltern 43, 53 gelagert.
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Die Rollendiske 54 ist als
Warzendiske ausgebildet, d.h. ihre Schneide 54' umfaßt über ihren Umfang
herausstehende Stifte 12. Hingegen ist die Rollendiske 54 eine
Runddiske mit einer kreisrunden Schneide 45'.
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Die Ausbildung und Anordnung der
Werkzeugarme und der Rollendisken ist so, daß die Werkzeugarme 32, 51 eine
Anfangsposition für
das Arbeiten einnehmen können,
in dem Werkzeuge 45, 54 sich an einer zwischen
der Achse M und dem Streckenstoß gelegenen
Eingriffsstelle E1,E2 befinden. Diese Anfangspositionen sind in 5 mit ausgezogenen Linien
dargestellt. Aus dieser Anfangsposition werden im Betrieb die Werkzeugarme 32, 51 in
ihre jeweilige Endposition, die in 5 gestrichelt
dargestellt ist, zur Bildung des gewünschten Streckenprofils geschwenkt,
und zwar um die Winkel F1,F2. Wegen der gleichzeitigen Drehung des
Arbeitskopfes 200 um die Achse M überstreichen die Diskenrollen 45,54 die
Ortsbrust in spiralförmigen
Spuren.
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Wie in der in 6 dargestellten Frontansicht erkennbar
ist, umfaßt
der Arbeitskopf 200 tatsächlich sechs Werkzeugarme 31, 32, 41, 42, 51, 52, die
derart angeordnet sind, daß sich
jeweils zwei bezogen auf die Achse M einander gegenüberliegen, d.h.
daß im
Betrieb der eine dem anderen um 180° voreilt. Die so einander zugeordneten
Werkzeugarme 31, 32; 41, 42; 51, 52 sind
derart gesteuert, daß sie
im Betrieb die Ortsbrust D etwa in derselben Spur überstreichen.
Der jeweils voreilende Werkzeugarm – bei dem in 6 dargestellten Ausführungsbeispiel seien dies die
Werkzeugarme 32, 42 und 52 – tragen an
ihren Werkzeughaltern 33', 43', 53' jeweils
eine Warzendiske 45, welche der Zerstörung des Verbundes des an der
Ortsbrust anstehenden Gesteines dient. Die an den Schneidrollenhaltem 33, 43, 53 der Werkzeugarme 31, 41, 51 vorgesehenen
Runddisken 54 verlaufen – wie bereits erwähnt – im wesentlichen
in der von der zugeordneten Warzendiske vorgegebenen Spur. Sie dienen
dem "Ausputzen" des gelockerten Gesteins.
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Die prinzipielle Funktionsweise der
in den 5 und 6 dargestellten, nach dem
bekannten Hinterschneidprinzip arbeitenden Ausführungsform ist den 7 und 8 entnehmbar. Beispielhaft sind hier die
Positionen der von den Werkzeugarmen 31 und 32 getragenen
Disken 45, 54 dargestellt. Insbesondere aus 8 ist die Wirkungsweise
des Hinterschneidprinzips, bei dem durch den spitzen Winkel α zwischen
an der Ortsbrust anliegendem Gestein und der Schneide 45', 54' der
jeweiligen Schneidrolle 45,54 das Gestein im
wesentlichen auf Zug beansprucht wird, erkennbar.
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Der Lagerung des in den 5 und 6 dargestellten Arbeitskopfes in der
Tunnelbohrung dienen ausfahrbare Stützeinrichtungen 20,
von denen in 6 lediglich
im oberen Tunnelbohrungsbereich vorgesehene erkennbar sind. Ferner
ist ein ausfahrbares Schutzdach 21 vorgesehen, welches
die Mannschaft und die Vorrichtung gegen herabfallendes Gestein
schützt.
Dem Abtransport des von der Ortsbrust abgelösten Bohrguts dient eine zentrale Fördereinrichtung.
Das Bohrgut wird mit Hilfe von zwei mit schaufelartigen Elementen
ausgestatteten rotierenden Scheiben 23 der in der Zeichnung
nicht erkennbaren Eintrittsöffnung
der Fördereinrichtung zugeschoben.