DE19954236C2 - Einrichtung zum Erfassen und Kompensieren von Schwingungen von Teilschnittschrämmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Er­ fassen und Kompensieren von Schwingungen von Teil­ schnittschrämmaschinen mit einem um wenigstens eine Achse schwenkbaren Auslegerarm, an welchem Schräm­ werkzeuge rotierbar gelagert sind, wobei der Auslegerarm mit einem hydraulischen Stellantrieb verbunden ist, welcher mit Fluid beaufschlagbar ist, wobei Fluid in Abhängigkeit von Meßwerten von Sensoren dem Stellantrieb zugeführt wird.

In der WO 98/25007 wurde bereits eine Einrichtung zum Dämpfen von Schwingungen von Teilschnittschrämmaschi­ nen vorgeschlagen, bei welcher Sensoren vorgesehen wa­ ren, welche Erschütterungen, Beschleunigung, Belastung und/oder Position des Schrämarmes erfassen. Die Meßwerte haben in der Folge über eine Steuereinrichtung eine entspre­ chende Kompensation des von hydraulischen Zylinderkol­ benaggregaten gebildeten Stellantriebes ausgelöst, wobei eine Steuereinrichtung vorgesehen war, mit welcher über eine hydraulische Schaltung derjenige Stellantrieb zur Kom­ pensation der registrierten Ausweichbewegung des Ausle­ gerarmes beaufschlagt werden konnte, dessen Stellung wäh­ rend des Vorschubes der Schrämwerkzeuge im wesentlichen konstant gehalten ist. Insgesamt wurde mit einer derartigen Kompensation eine Versteifung erzielt, wobei kurzfristigen Ausweichbewegungen durch einen entsprechenden Fluid­ druck begegnet werden konnte.

Zur Versteifung der Gesamtkonstruktion kann prinzipiell entweder eine entsprechende Dimensionierung zur Verrin­ gerung der elastischen Verformbarkeit des Auslegerarmes oder aber eine entsprechende. Vergrößerung der Kolbenag­ gregate angewandt werden, wodurch sich die Elastizität im hydraulischen Stellantrieb verkleinern läßt. Derartige Di­ mensionsänderungen zur Erhöhung der Steifigkeit erlauben es aber nicht ohne weiteres Schneidköpfe bei unterschiedli­ chem Gestein und insbesondere bei härterem Gestein opti­ mal einsetzen zu können. Bei Teilschnittschrämmaschinen mit einem allseitig schwenkbaren Auslegerarm wird die Schneidleistung in erster Linie während des horizontalen Schnittes des Schrämkopfes erzielt, wobei je nach Härte des Materials stark unterschiedliche passive Schneidkräfte auf den Schrämkopf einwirken, sodaß unterschiedliche Schwin­ gungsamplituden entstehen, welche in weiterem zu erhöh­ tem Verschleiß führen. Mit den bisherigen Maßnahmen las­ sen sich derartige Teilschnittschrämmaschinen, bei welchen die Ortsbrust im wesentlichen in horizontalen Schnitten ab­ gebaut wird, nicht ohne weiteres bei härterem Gestein ein­ setzen. Aufgrund der fehlenden Differenzierung zwischen den unterschiedlichen Komponenten, welche in der Folge eine Überlastung bewirken könnten, wird in der Regel ledig­ lich eine Überlastung ausgeschlossen, wodurch allerdings das Arbeiten in entsprechend härterem Gestein nicht mehr möglich ist, da die Reaktionskräfte und die entstehenden Schwingungen vorzeitig als Überlastung identifiziert wer­ den.

Die Erfassung von Erschütterungen, Beschleunigungen und Belastungen des Schrämarmes führt bei den konventio­ nellen Einrichtungen zum Dämpfen von Schwingungen von Teilschnittschrämmaschinen somit nicht dazu den Einsatz­ bereich derartiger Teilschnittschrämmaschinen auf Gestein höherer Härte und Festigkeit zu erweitern.

Aus der AT 377 056 B ist es weiters bereits bekanntge­ worden, Erschütterungssensoren als Meßgröße für die Werkzeugbelastung anzuordnen, um den beim Abbau von hartem Material je nach Vortriebsgeschwindigkeit und Rota­ tionsgeschwindigkeit der Schrämköpfe auftretenden hohen stoßartigen Belastungen Rechnung zu tragen. Bei dieser be­ kannten Einrichtung wurden die von den Erschütterungssen­ soren ermittelten Meßwerte für die Werkzeugbelastung in der Folge zur Verringerung der Schwenkgeschwindigkeit und/oder der Rotationsgeschwindigkeit der Werkzeuge zur Verringerung der Werkzeugbelastung eingesetzt und ausge­ wertet. Derartige Erschütterungssensoren geben naturgemäß keine gezielte Auskunft über die spezielle Art der Auslö­ sung der Erschütterung, sodaß auch hier eine vorzeitige Rücknahme von Schwenkgeschwindigkeit und/oder Rotati­ onsgeschwindigkeit und damit eine Verminderung der Schneidleistung in Kauf genommen wird.

Aus der DE 34 27 962 A1 ist schließlich bereits eine Ein­ richtung bekanntgeworden, mit welcher die Auslegerarm­ stellvorrichtung für Gewinnungs- und Vortriebsmaschinen hydraulisch verspannt werden konnte. Auch dieser Ausbil­ dung liegt die Überlegung zugrunde, daß Teilschnittschräm­ maschinen, insbesondere Walzenschrämmaschinen, beim Anfahren in harte Mineralschichten besonders starken Er­ schütterungen unterworfen sind. Diese Erschütterungen und Vibrationen werden über die in das Material eingreifenden Schrämwerkzeuge auf den Auslegerarm übertragen, wobei derartige Erschütterungen aufgrund der Elastizität der Druckzylinder des Stellantriebes für den Auslegerarm zu Schwingungen des Schrämarmes Anlaß geben können. Wenn bei derartigen Schwingungen Resonanzen im System auftreten, können derartige Vibrationen zerstörende Wir­ kung haben. Durch Erhöhung des Druckes in den Stellzylin­ dern soll nun eine hydraulische Verspannung bewirkt wer­ den, wodurch aber dem Problem der Elastizität der Druck­ zylinder nicht in vollständiger Weise Rechnung getragen werden kann.

Die Erfindung zielt nun darauf ab, eine Einrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit welcher es möglich wäre, Teilschnittschrämmaschinen und insbesondere Teil­ schnittschrämmaschinen, bei welchen der Abbau durch ho­ rizontales Schrämen an der Ortsbrust vorgenommen wird, sicher gegen Überlastung zu schützen und gleichzeitig für den Einsatz in härterem Gestein, als dies bisher üblich war, verwendbar zu machen. Zur Lösung dieser Aufgabe besteht die erfindungsgemäße Ausbildung im wesentlichen darin, daß wenigstens zwei Sensoren angeordnet sind, von wel­ chen wenigstens einer die erschütterungs- bzw. belastungs­ bedingten Abweichungen der Schwenklage des Auslegerar­ mes und wenigstens einer die Biegebeanspruchung des Aus­ legerarmes erfaßt, daß die Meßwerte dieser Sensoren ge­ meinsam einer Steuerschaltung zugeführt sind und daß die von diesen Meßwerten abgeleiteten Steuersignale mit dem Stellantrieb verknüpft sind. Prinzipiell kann bei derartigen Ausbildungen der Auslegerarm um eine oder zwei Achsen schwenkbar sein, wobei die Anordnung von wenigstens zwei Sensoren erfindungsgemäß so erfolgen soll, daß we­ nigstens einer der Sensoren die erschütterungs- bzw. bela­ stungsbedingten Abweichungen der Schwenklage des Aus­ legerarmes und wenigstens einer die Biegebeanspruchung des Auslegerarmes erfassen soll. Die Reaktionskräfte beim Schneidvorgang gelangen nämlich zum einen bedingt durch die Elastizität der hydraulischen Systeme als Vibration im Bereich des Schwenkantriebes und damit als Schwingungs­ amplitude um die Schwenkachse zur Wirkung und zum an­ deren bedingt durch die elastische Verformbarkeit des Schrämauslegers selbst als Biegebeanspruchung des Ausle­ gerarmes zur Wirkung. Dadurch, daß nun wenigstens ein weiterer Sensor die Biegebeanspruchung des Auslegerar­ mes erfaßt, gelingt es nun die Gesamtbelastung des Systems bestehend aus hydraulischen Stellantrieben und durch die elastische Verformbarkeit des Schrämauslegers bedingte Fehlstellung gesondert zu berücksichtigen, wobei ein Lage­ regelkreis geschaffen wird, sodaß durch entsprechende Auswertung der gesonderten Meßsignale Querschneidköpfe nunmehr auch bei härterem Gestern optimal eingesetzt wer­ den können und gleichzeitig ein wirtschaftliches Schneiden gewährleistet ist. Für ein wirtschaftliches Schneiden ist es hiebei in erster Linie erforderlich nach der vertikalen An­ stellung des Schrämkopfes eine vorgegebene Schnittkontur über den gesamten Querschlag beibehalten zu können. Auch hier gilt wiederum, daß bei härterem Material größere Schwingungsamplituden auftreten können und damit die passiven Schneidkräfte erhöht, welche indirekt für den Ver­ schleiß von Schrämwerkzeugen maßgebend sind.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungs­ gemäßen Einrichtung ist die Ausbildung so getroffen, daß wenigstens einer der Sensoren als elektrooptischer Winkel­ aufnehmer, als Winkelkodierer, als Winkelbeschleunigungs­ sensor oder als Accelerometer ausgebildet und im Bereich der Schwenkachse angeordnet ist. Mit derartigen Sensoren können Schwingungen bzw. Änderungen der Vorschubge­ schwindigkeit im Bereich der Schwenkachse des Ausleger­ armes und damit durch die Elastizität der hydraulischen Stellantriebe bedingte Schwingungen sicher erfaßt werden. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung können die Biege­ beanspruchungen, welche auf die elastische Verformbarkeit des Schrämauslegers zurückgeführt werden können, in ein­ facher Weise dadurch erfaßt werden, daß wenigstens einer der Sensoren als Dehnungsmeßstreifenbrücke ausgebildet und am Auslegerarm angeordnet ist.

Bei einer im wesentlichen horizontalen Verschwenkung des Abbauwerkzeuges zum Zwecke des Abbaues bzw. der Gewinnung wird die Anordnung eines weiteren Drehsensors im Bereich dieser im wesentlichen vertikalen Schwenkachse vorgesehen. Bei Walzenschrämmaschinen, bei welchen üb­ licherweise nur in vertikaler Richtung um eine im wesentli­ chen horizontalen Achse verschwenkt wird, kann das Aus­ maß der Schwingungen im Bereich dieser Schwenkachse gesondert erfaßt werden. Mit Vorteil ist die Ausbildung je­ doch so getroffen, daß bei mehrachsig schwenkbaren Ausle­ gerarmen die im Bereich der Schwenkachsen angeordneten Sensoren für jede Schwenkachse gesondert ausgebildet sind. Mit dem Drehsensor im Bereich der vertikalen Schwenkachse können somit zusätzliche Änderungen der Vorschubgeschwindigkeit für die horizontale Verschwen­ kung des Schrämkopfes erfaßt werden und entsprechende Kompensationssteuerimpulse aktiviert werden. Dadurch, daß nun die Vorschubgeschwindigkeit im wesentlichen auch bei härterem Gestein konstant gehalten werden kann, wird die vorgegebene Schneidkinematik für das Gestein nicht verändert und trägt zu einer erheblichen Schneidleistungs­ steigerung bei.

Um absolute Lageveränderungen des Schrämkopfes zu erfassen, ist in einer bevorzugten Weiterbildung der erfin­ dungsgemäßen Einrichtung ein Beschleunigungssensor bzw. Wegaufnehmer am Rahmen der Teilschnittschrämma­ schine angeordnet. Je nach Beschaffenheit des Bodens wird die Teilschnittschrämmaschine zu Schwingungen angeregt. Bei Überschreiten eines vorgegebenen Schwellwertes der vertikalen Rahmenbewegung werden die Steuersignale in der Auswerteschaltung für die Kompensationssteuerung der Schwenkantriebe für die vertikale Verschwenkung einge­ koppelt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispie­ les näher erläutert.

In der Zeichnung ist eine Teilschnittschrämmaschine schematisch dargestellt, welche mit 1 bezeichnet ist. Die Teilschnittschrämmaschine 1 ist auf einem Raupenfahrwerk 2 verfahrbar. Ein Auslegerarm 3 ist an einem Schwenkwerk 4 um eine im wesentlichen horizontale Achse 5 in Höhen­ richtung verschwenkbar gelagert. Der Schwenkantrieb für diese Verlagerung um die Schwenkachse 5 ist mit 6 bezeich­ net und von einem hydraulischen Zylinderkolbenaggregat gebildet, welches gelenkig am Schrämarm 3 angeschlagen ist. Der Schrämarm 3 trägt rotierbar gelagerte Schrämköpfe 7, welche im Sinne des Doppelpfeiles 8 in Höhenrichtung verschwenkbar sind. Für die Vorschubbewegung wird das Schwenkwerk 4 um eine im wesentlichen vertikale Schwenkachse 9 verschwenkt, wobei der entsprechende Schwenkantrieb zwischen dem Maschinenrahmen 10 und dem Schwenkwerk 4 angeordnet ist. Der Schwenkantrieb selbst kann im Schwenkwerk 4 untergebracht und beispiels­ weise von Zahnstangen gebildet sein, welche mit einem Drehkranz kämmen und hydraulisch beaufschlagt sind.

Am Maschinenrahmen 10 ist eine Ladeeinrichtung 11 an­ gelenkt. Am Hinterende der Maschine ist eine hintere Ab­ stützung 12 schematisch dargestellt. Am Schrämarm 3 ist nun ein Sensor 13 vorgesehen, welcher als Dehnungsmeß­ streifenanordnung ausgebildet ist und die durch die Elastizi­ tät des Auslegerarmes selbst entstehende Verformung bzw. Schwingung erfaßt. Die Meßgrößen können dabei auf Ver­ formungen in Richtung des Doppelpfeiles 8 oder aber quer zum Doppelpfeil 8 bei im wesentlichen horizontaler Ver­ schwenkung des Schrämarmes 3 um die im wesentlichen vertikale Schwenkachse 9 erfassen. Die Signale der Senso­ ren 13 gelangen über eine Signalleitung 14 zu einer Auswer­ teschaltung 15. Die Auswerteschaltung stellt gleichzeitig die Steuerschaltung für die Beaufschlagung der jeweiligen Schwenkantriebe bzw. der Rotationsantriebe dar.

Zusätzlich zu den Signalen der Sensoren 13, die am vor­ deren Ende des Auslegers angeordnet sind, sind nun im Be­ reich der Schwenkachse 5 Sensoren 16 angeordnet, deren Signale über Signalleitungen 17 der Auswerte- und Steuer­ schaltung 15 zugeführt sind. Die Anordnung der Sensoren 16 kann unmittelbar an der Schwenkachse 5 erfolgen, wobei hier Winkelbeschleunigungen bzw. Abweichungen von der Schwenklage um die Achse 5 erfaßt werden.

Die gleichzeitige Auswertung der Signale der Sensoren 13 und 16 erlaubt es nun die Schwingungsamplituden des Schrämwerkzeuges, welche an der Ortsbrust ausgelöst wer­ den, in zwei unterschiedliche Komponenten zu zerlegen. Die über die Sensoren 16 erfaßte Schwingungsamplitude berücksichtigt hiebei die Elastizität des Schwenkantriebes um die Achse 5, wohingegen die Sensoren 13 die tatsächli­ che Verformung bzw. Biegebeanspruchung des Auslegerar­ mes gesondert berücksichtigen.

Aus den beiden Signalen läßt sich somit eine wesentlich präzisere Auswertung für die Beaufschlagung von Schwenk- und Rotationsantrieben gewinnen, sodaß insge­ samt auch bei härterem Gestein noch wirtschaftlich gearbei­ tet werden kann und eine entsprechende Kompensation vor­ genommen werden kann.

Zusätzlich zum Sensor 16 im Bereich der Schwenkachse 5 kann ein analoger Drehsensor 22 im Bereich der Schwenk­ achse 9 angeordnet werden, dessen Signalleitungen 20 der Auswerte- und Steuerschaltung 15 zugeführt werden, wobei eine derartige Anordnung vorteilhaft ist, da auch hier den Abweichungen des Schwenkwinkels aufgrund der Elastizi­ tät der Antriebshydraulik unabhängig von Verformungen des Schrämarmes 3 selbst gesondert Rechnung getragen und weiters darauf eingewirkt werden kann, daß die Vorschub­ geschwindigkeit konstant gehalten werden kann. Die Vibra­ tionen des Rahmens der Teilschnittschrämmaschinen wer­ den durch den Beschleunigungssensor 23 erfaßt. Ab Errei­ chen eines bestimmten Schwellwertes wird über die Signal­ leitung 24 dies in der Auswerteschaltung miteinbezogen.

Mit 18 und 19 sind die Steuerleitungen zum Schwenkan­ trieb 6 bzw. zum Rotationsantrieb 21 schematisch angedeu­ tet.

Claims (5)

1. Einrichtung zum Erfassen und Kompensieren von Schwingungen von Teilschnittschrämmaschinen mit einem um wenigstens eine Achse schwenkbaren Ausle­ gerarm, an welchem Schrämwerkzeuge rotierbar gela­ gert sind, wobei der Auslegerarm mit einem hydrauli­ schen Stellantrieb verbunden ist, welcher mit Fluid be­ aufschlagbar ist, wobei Fluid in Abhängigkeit von Meßwerten von Sensoren dem Stellantrieb zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Sensoren angeordnet sind, von welchen wenigstens ei­ ner die erschütterungs- bzw. belastungsbedingten Ab­ weichungen der Schwenklage des Auslegerarmes und wenigstens einer die Biegebeanspruchung des Ausle­ gerarmes erfaßt, daß die Meßwerte dieser Sensoren ge­ meinsam einer Steuerschaltung zugeführt sind und daß die von diesen Meßwerten abgeleiteten Steuersignale mit dem Stellantrieb verknüpft sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß wenigstens einer der Sensoren als elek­ trooptischer Winkelaufnehmer, als Drehsensor, als Winkelkodierer, als Winkelbeschleunigungssensor oder als Accelerometer ausgebildet und im Bereich der Schwenkachse angeordnet ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß wenigstens einer der Sensoren als Dehnungsmeßstreifenbrücke ausgebildet ist und am Auslegerarm angeordnet ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß bei mehrachsig schwenkbaren Aus­ legerarmen die im Bereich der Schwenkachsen ange­ ordneten Sensoren für jede Schwenkachse gesondert ausgebildet sind.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß ein Beschleunigungssensor bzw. Wegaufnehmer am Rahmen der Teilschnitt­ schrämmaschine angeordnet ist.