DE202012103593U1

DE202012103593U1 - Bedienerfreundliche Sensorik zum Ermitteln einer mechanischen Belastung eines Abbauwerkzeugs einer Tunnelbohrmaschine

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Publication number: DE202012103593U1
Application number: DE202012103593U
Authority: DE
Original assignee: Montanuniversitaet Leoben
Current assignee: Montanuniversitaet Leoben
Priority date: 2012-09-19
Filing date: 2012-09-19
Publication date: 2012-11-15
Anticipated expiration: 2022-09-20

Abstract

Abbauwerkzeug (100) für einen Bohrkopf (150) einer Tunnelbohrmaschine (180) zum Abbauen von Gebirge (102), wobei das Abbauwerkzeug (100) aufweist: einefestigungseinrichtung (104) zum Aufnehmen und Lagern einer rotierfähigen Schneidrolle (106); die Schneidrolle (106), die zum Abbauen von Gebirge (102) rotierfähig in der Schneidrollenbefestigungseinrichtung (104) auswechselbar aufnehmbar oder aufgenommen ist; eine Sensoranordnung (112) zum Detektieren einer mechanischen Belastung des Abbauwerkzeugs (100), insbesondere der Schneidrolle (106), wobei die Sensoranordnung (112) an und/oder in und/oder als Teil der Schneidrollenbefestigungseinrichtung (104) vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Abbauwerkzeug, ein System zum Ermitteln einer mechanischen Belastung eines Abbauwerkzeugs, einen Bohrkopf und eine Tunnelbohrmaschine.
Eine Tunnelbohrmaschine ist eine Maschine, die zum Bau von Tunnels eingesetzt wird. Bauteile einer Tunnelbohrmaschine sind ein Abbauschild mit Vorschub- und Verspanneinrichtungen, Einrichtungen für den Einbau von Stütz- und Ausbaumaßnahmen, Einrichtungen zum Materialabtransport, eine Versorgungseinheit (Strom, Druckluft, Bewetterung, Wasser), und Transporteinrichtungen für Ausbruchsmaterial, Stützmittel und Ausbaumaterialien. Ein frontseitiger Bohrkopf einer Tunnelbohrmaschine ist mit Abbauwerkzeugen zum Lösen eines Gebirges versehen.
Bei einer Tunnelbohrmaschine ist es als Basis für eine präzise Steuerung der Bauteile oder Komponenten wichtig, die mechanische Belastung zu kennen, die auf an einem Bohrkopf gehalterte Abbauwerkzeuge einwirkt. Dies ist in vielen Fällen in schmutziger Umgebung, unter dem Einfluss starker mechanischer Belastungen und somit unter rauen Bedingungen erforderlich.
Unter dem Begriff „Remote Cutter Monitoring" wird unter anderem die Platzierung von Messmitteln zum Ermitteln einer mechanischen Belastung in einer Diske eines Abbauwerkzeugs verstanden. Bisherige Konzepte zum Ermitteln einer mechanischen Belastung in einer Diske hatten den Nachteil, dass sie auf Messmitteln an der Diskenachse basierten. Durch die von den Messmittel ausgehenden Kabel wurde somit der Diskenwechsel stark beeinträchtigt.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine benutzerfreundlich handhabbare Sensorik zum Ermitteln einer mechanischen Belastung bereitzustellen, die auf an einem Bohrkopf gehalterte Abbauwerkzeuge einwirkt.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Weitere Ausführungsbeispiele sind in den abhängigen Ansprüchen gezeigt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein Abbauwerkzeug für einen Bohrkopf einer Tunnelbohrmaschine zum Abbauen von Gebirge geschaffen, wobei das Abbauwerkzeug eine an dem Bohrkopf montierbare Schneidrollenbefestigungseinrichtung (insbesondere mit einem Aufnahmelager) zum Aufnehmen und Lagern einer Schneidrolle, die zum Abbauen von Gebirge n der Schneidrollenbefestigungseinrichtung (insbesondere in dem Aufnahmelager) auswechselbar aufnehmbar oder aufgenommen ist (wobei die Schneidrolle vorzugsweise nicht aktiv angetrieben wird, sondern einfach über das Gestein abgerollt wird), und eine Sensoranordnung (die mindestens ein lastsensitives Element, Verbindungsmittel zum Übertragen von Sensorsignalen an eine Auswerteeinheit, etc. aufweisen kann) zum Detektieren einer mechanischen Belastung des Abbauwerkzeugs, insbesondere der Schneidrolle, aufweist, wobei die Sensoranordnung an und/oder in und/oder als Teil der Schneidrollenbefestigungseinrichtung vorgesehen (insbesondere an und/oder in der Schneidrollenbefestigungseinrichtung positioniert) ist.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein System zum Ermitteln einer mechanischen Belastung eines Abbauwerkzeugs (insbesondere einer Schneidrolle) eines Bohrkopfs einer Tunnelbohrmaschine zum Abbauen von Gebirge geschaffen, wobei das System das Abbauwerkzeug mit den oben beschriebenen Merkmalen aufweist, wobei die Sensoranordnung mindestens ein lastsensitives Elements aufweist, und wobei das System eine Auswerteeinheit (zum Beispiel einen Prozessor) aufweist, die eingerichtet ist, basierend auf Sensorsignalen des mindestens einen lastsensitiven Elements eine Information (zum Beispiel Betrag und/oder Richtung von einer oder mehreren einwirkenden Kraftkomponenten) zu ermitteln, die für die mechanische Belastung indikativ ist, die auf die Schneidrolle des Abbauwerkzeugs einwirkt.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein Bohrkopf für eine Tunnelbohrmaschine zum Abbauen von Gebirge bereitgestellt, wobei der Bohrkopf einen rotatorisch und translatorisch gegenüber einem Gebirge bewegbaren (zum Beispiel zylindrischen) Bohrkörper mit einer Mehrzahl von (insbesondere front- oder gebirgeseitigen) Abbauwerkzeughalterungen zum Haltern von Abbauwerkzeugen, und eine Mehrzahl von Abbauwerkzeugen mit den oben beschriebenen Merkmalen aufweist, die in der Mehrzahl von Abbauwerkzeughalterungen auswechselbar halterbar oder gehaltert sind.
Gemäß noch einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist eine Tunnelbohrmaschine zum Abbauen von Gebirge geschaffen, die einen Bohrkopf mit den oben beschriebenen Merkmalen aufweist.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Messsystem bereitgestellt, das es ermöglicht, Kräfte, welche auf die Abbauwerkzeuge einer Tunnelbohrmaschine (insbesondere auf Schneidrollen) wirken, zu messen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Systemen sind die dafür eingesetzten Sensoren nicht in der Schneidrolle selbst platziert, sondern in der Schneidrollenbefestigungseinrichtung (zum Beispiel einer Schneidrollenhalterung). Das hat den entscheidenden Vorteil, dass der Austausch einer Schneidrolle, welcher – je nach Geologie – bis zu ein Mal täglich und häufiger passiert, nicht beeinträchtigt wird. Somit hält das System den widrigen Bedingungen an einer Tunnelbohrmaschine stand und ist aufgrund seiner einfachen Wartbarkeit sehr bedienerfreundlich.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist also ein Messsystem bereitgestellt, das es ermöglicht, auf Schneidrollen wirkende Kräfte an Tunnelbohrmaschinen zu messen. Dabei bleibt die Schneidrolle unverändert bzw. enthält keine Komponenten der Sensoranordnung. Statt dessen werden die erforderlichen Messmittel in der Schneidrollenbefestigungseinrichtung (insbesondere der Schneidrollenhalterung) derart platziert, dass der Schneidrollenwechsel davon nicht beeinträchtigt wird. Die zum Einsatz kommenden Messmittel sind zum Beispiel Schrauben mit einer Bohrung im Schaft, in welcher eine Dehnmessstreifenvollbrücke als lastsensitives Element platziert ist. Die vorzugsweise vorgespannten Schrauben werden vorteilhaft an Positionen der Schneidrollenbefestigungseinrichtung platziert, die während der Belastung eine ausreichend große Verformung erfahren. Über die Abnahme der Vorspannkraft kann auf die äußeren Kräfte rückgerechnet werden.
Indem das erfindungsgemäße System den Schneidrollenwechsel nicht beeinflusst, wird der Betrieb der Tunnelbohrmaschine durch die Sensorik nicht gestört, andererseits ist das System auch fehlerrobust gegen mechanische Beschädigungen.
Im Weiteren werden zusätzliche exemplarische Ausführungsbeispiele des Abbauwerkzeugs, des Systems, des Bohrkopfs und der Tunnelbohrmaschine beschrieben.
Unter einer Schneidrolle wird im Rahmen dieser Anmeldung insbesondere ein rotierbarer Körper verstanden, der zum schneidenden Entfernen von Gestein ausgebildet ist. Bevorzugt ist die Schneidrolle eine Diske, die auch als Rollenmeißel bezeichnet werden kann. Der äußere Ring einer Diske kann als Schneidring bezeichnet werden. Eine Diske wird nicht aktiv angetrieben, sondern sie rollt an der Ortsbrust ab. Ein anderes exemplarisches Ausführungsbeispiel einer Schneidrolle ist eine Warzenmeißel, die ein rotierfähiger Körper mit warzenartigen Überständen ist, und die zum Beispiel zum Abtragen von sehr hartem Gestein eingesetzt wird (zum Beispiel zum Platinabbau).
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Schneidrollenbefestigungseinrichtung eine Schneidrollenaufnahme und mindestens ein Befestigungselement zum Befestigen der Schneidrolle an der Schneidrollenaufnahme und/oder zum Befestigen der Schneidrollenaufnahme an dem Bohrkopf aufweisen, wobei mindestens ein lastsensitives Element der Sensoranordnung als Teil des mindestens einen Befestigungselements (zum Beispiel darin zumindest teilweise integriert) ausgebildet ist. Das lastsensitive Element, welches die eigentliche Komponente ist, die auf mechanische Belastungen, welche auf die Schneidrolle einwirken, empfindlich ist, kann somit in einem Befestigungselement des Abbauwerkzeugs untergebracht sein. Ein solches Befestigungselement kann zum Beispiel eine Schraube, ein Bolzen, ein Nagel oder dergleichen sein. Die Befestigungselemente können so ausgewählt werden, dass sie beim Diskenwechsel unverändert bleiben. Wenn die mit Messmitteln ausgestatteten Schrauben oder sonstigen Befestigungsmittel nicht getauscht werden müssen, ist eine Beeinträchtigung des Diskenwechsels vermieden. Dadurch stört die Sensorik bei einem Auswechseln der Schneidrolle nicht.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Abbauwerkzeug eine Mehrzahl von Befestigungselementen, mit jeweils einem oder mehreren lastsensitiven Elementen, zum Befestigen der Schneidrolle an der Schneidrollenaufnahme und/oder an dem Bohrkopf und/oder zum Befestigen der Schneidrollenaufnahme an dem Bohrkopf aufweisen, wobei alle Befestigungselemente zueinander parallel verlaufend montiert sein können. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel können zum Beispiel vier Befestigungsschrauben zueinander parallel festgezogen werden, um die Schneidrollenbefestigungseinrichtung mit der Schneidrolle bzw. mit dem Bohrkopf zu befestigen. Ein paralleles Ausrichten aller Befestigungselemente ist eine einfache Lösung, die dennoch ausreichende Freiheitsgrade bereitstellt, um unterschiedliche Kraftkomponenten zu messen, die auf die Schneidrolle einwirken.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Abbauwerkzeug eine Mehrzahl von Befestigungselementen, mit jeweils einem oder mehreren lastsensitiven Elementen, zum Befestigen der Schneidrolle an der Schneidrollenbefestigungseinrichtung und/oder an dem Bohrkopf und/oder zum Befestigen der Schneidrollenbefestigungseinrichtung an dem Bohrkopf aufweisen, wobei die Befestigungselemente entlang unterschiedlicher, insbesondere entlang zueinander senkrechter, Erstreckungsrichtungen verlaufend montiert sein können. Gemäß dieser alternativen Ausgestaltung können zum Beispiel zwei Befestigungsschrauben mit ihrem Schaft entlang einer ersten Richtung und zwei andere Befestigungsschrauben mit ihrem Schaft entlang einer dazu orthogonalen zweiten Richtung ausgerichtet sein. Durch das Variieren der Ausrichtung des Befestigungselements und somit des zugehörigen lastsensitiven Elements kann das System richtungsabhängig die einwirkenden Lasten abfühlen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das mindestens eine Befestigungselement als mindestens eine Befestigungsschraube ausgebildet sein. Eine Schraube ist als langgestrecktes Element mit einem Außengewinde an einem Schraubenschaft für das Integrieren des lastsensitiven Elements darin besonders geeignet. Das gegen Schädigung empfindliche lastsensitive Element ist daher geschützt in dem Schraubenschaft untergebracht und dennoch sensitiv auf mechanische Einwirkungen. Alternativ oder ergänzend zu einer Befestigungsschraube kann mindestens ein Befestigungsbolzen und/oder mindestens ein Befestigungsniet vorgesehen sein.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das mindestens eine Befestigungselement als mindestens eine Beilagscheibe für eine Befestigungsschraube oder dergleichen ausgebildet sein. Eine Beilagscheibe, die zwischen Befestigungsschraube und Schneidrollenbefestigungseinrichtung angeordnet werden kann und somit direkt an der Schneidrollenbefestigungseinrichtung anliegen kann, ist eine geeignete Komponente, in die das lastsensitive Element integriert werden kann. Wenngleich das Integrieren des lastsensitiven Elements in eine Befestigungsschraube Messergebnisse einer besonders hohen Genauigkeit liefert, kann für andere Anwendungen die besonders einfache Integration des lastsensitiven Elements in die Beilagscheibe bevorzugt sein.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das mindestens eine Befestigungselement eine Bohrung in einem Befestigungsschaft (der zum Beispiel eine kreiszylindrische Geometrie haben kann) haben, in welcher Bohrung das lastsensitive Element untergebracht ist. Gemäß dieser Ausgestaltung kann in einem Schaft der Befestigungsschraube ein Sackloch gebildet werden, in welches das lastsensitive Element, d.h. das eigentliche sensoraktive Element (wie ein Dehnmessstreifen), eingeführt werden kann. Dann braucht bloß noch aus dem Befestigungsschaft ein elektrisch leitfähiges Kabel hinein bzw. heraus geführt werden, um die Sensorsignale nach außen hin zu übertragen. Für den Benutzer erscheint nach außen hin die Befestigungsschraube wie eine herkömmliche Schraube mit Kabelzuführung, doch bleibt die Handhabung eines solchen Befestigungselements mit eingepasstem Sensor einfach.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Sensoranordnung mindestens ein lastsensitives Element aufweisen, das als Dehnmessstreifen ausgebildet ist. Ein Dehnmessstreifen ist eine Messeinrichtung zur Erfassung von dehnenden Verformungen, die schon bei geringen Verformungen ihren elektrischen Widerstand ändert und somit als Dehnungssensor eingesetzt werden kann. Zum Beispiel kann ein Dehnmessstreifen in den Schaft eines Befestigungselements oder direkt an oder in die Abbauwerkzeugschneidebefestigungshalterung geklebt oder anderweitig daran fixiert werden, so dass er sich unter Belastung im Betrieb des Abbauwerkzeugs verformen kann. Diese Verformung oder Dehnung führt dann zur Veränderung des Widerstands des Dehnmessstreifens. Ein entsprechendes elektrisches Signal kann als Sensorsignal erfasst und ausgewertet werden. Ein Dehnmessstreifen ist ein kostengünstiges lastsensitives Element, das für die Anforderungen in einem Bohrkopf besonders gut geeignet ist, da es mit den dort herrschenden rauen Bedingungen kompatibel ist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Sensoranordnung mindestens ein lastsensitives Element aufweisen, das mit einer vorgegebenen mechanischen Vorspannung an und/oder in der Schneidrollenbefestigungseinrichtung montiert ist. Wenn das lastsensitive Element unter Vorspannung montiert wird, kann eine auf die Schneidrolle einwirkende mechanische Last durch Messung der Änderung der Vorspannung detektiert werden, was mit besonders hoher Genauigkeit möglich ist. Zum Beispiel kann ein Dehnmessstreifen mit einer mechanischen Vorspannung an bzw. in der Schneidrollenbefestigungseinrichtung montiert werden, und dann ermittelt werden, wie sich diese Vorspannung unter dem Einfluss einer mechanischen Belastung auf die Schneidrolle verändert.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Schneidrolle so in (zum Beispiel einem Aufnahmelager) der Schneidrollenbefestigungseinrichtung aufnehmbar oder aufgenommen sein, dass die Schneidrolle von der Sensoranordnung unabhängig auswechselbar ist. Anders ausgedrückt ist dann ein Auswechseln der verschleissanfälligen Schneidrolle möglich, ohne dass dabei die Sensoranordnung stört oder anzupassen ist. Diese Ausführungsform hat den großen Vorteil, dass das häufige Wechseln von Schneidrollen an Bohrköpfen von Tunnelbohrmaschinen, zum Beispiel einmal täglich, keinen Einfluss auf die Sensorik zum Erfassen der mechanischen Belastung der Schneidrolle hat. Denn im Gegensatz zu herkömmlichen Ansätzen wird mit dem Auswechseln der Schneidrolle kein Auswechseln oder Umkonfigurieren der Sensoranordnung erforderlich, vielmehr verbleibt die Sensoranordnung in ihrer bisherigen Konfiguration, ohne dass diese durch den Auswechselprozess der Schneidrolle gestört wird.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Schneidrolle von der Sensoranordnung frei sein. Gemäß dieser Ausgestaltung ist keinerlei Komponente der Sensoranordnung in oder unmittelbar an der Schneidrolle vorgesehen, d.h. es besteht kein direkter mechanischer Berührkontakt zwischen Komponenten der Sensoranordnung und der Schneidrolle. Wird die Schneidrolle also aus Verschleißgründen ausgewechselt, so bleibt das Sensorsystem davon unberührt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Schneidrolle eine feste Achse, ein darauf montiertes Lager sowie einen am Lager montierten Rollengrundkörper mit Schneidring mit einer umfänglichen Schneidkante (mit der bei Rotation der Scheibe Gebirge geschnitten bzw. abgetragen werden kann) aufweisen. Anders ausgedrückt kann die Schneidrolle als eine Art Modul aufgebaut sein, das nach Verschleiß als Ganzes ausgewechselt werden kann. Kernstück der Schneidrolle ist ein Schneidring, der eine umfängliche Schneidkante aufweist, mit der das abzutragende Gebirge gelöst werden kann. Die Schneidringbreite kann zum Beispiel 13 mm bis 19 mm betragen. Rotiert dieser Schneidring, so wird die umfängliche Schneidkante gleichmäßig abgenutzt. Das Lager, auf dem der Rollengrundkörper und der Schneidring montiert sind sowie die Achse ist ebenfalls Teil der modulartigen Schneidrolle. Diese Einheit aus Achse, Lager, Rollengrundkörper und Schneidring kann an der Schneidrollenbefestigungseinrichtung auswechselbar montiert werden. Hat sich also die Schneidrolle abgenutzt, insbesondere deren Schneidkante das Verschleißmaß erreicht, so wird das gesamte Modul ausgewechselt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Abbauwerkzeug als Wedge-Lock-Abbauwerkzeug oder als Steckachsen-Abbauwerkzeug ausgebildet sein. Dem Fachmann ist bekannt, dass diese beiden Arten von Abbauwerkzeugen bei Tunnelbohrmaschinen häufig zum Einsatz kommen. Ein Beispiel für ein Steckachsen-Abbauwerkzeug (auch „conical saddle system“ genannt) ist in 2 gezeigt. Steckachsen-Abbauwerkzeuge werden zum Beispiel von der Firma Aker Wirth eingesetzt. Ein Beispiel für ein Wedge-Lock-Abbauwerkzeug ist in 26 bis 28 gezeigt. Wedge-Lock-Abbauwerkzeuge werden zum Beispiel von der Firma Herrenknecht oder der Firma Robbins eingesetzt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Sensoranordnung vier, insbesondere genau vier, lastsensitive Elemente aufweisen, wobei die Auswerteeinheit eingerichtet ist, basierend auf Sensorsignalen der vier lastsensitiven Elemente eine Information zu ermitteln, die für eine Anpresskraft, eine Seitenkraft und eine Rollkraft indikativ ist, die auf die Schneidrolle einwirken (2B veranschaulicht diese Kräfte am Beispiel einer Diske als Schneidrolle). Eine solche Ausgestaltung hat den Vorteil, dass die vier lastsensitiven Elemente teilweise redundante Sensorinformationen erfassen, die für die drei Messgrößen Anpresskraft, Seitenkraft und Rollkraft nicht nur indikativ ist, sondern deren Ermittlung sogar überbestimmt ermöglicht. Dadurch kann, was unter den rauen Bedingungen einer Tunnelbohrmaschine von besonderem Vorteil ist, eine hohe Präzision der Messdaten erreicht werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das mindestens eine lastsensitive Element mit einer vorgegebenen mechanischen Vorspannung an und/oder in der Schneidrollenbefestigungseinrichtung montiert sein, wobei die Auswerteeinheit eingerichtet ist, basierend auf einer aus der mechanischen Belastung des Abbauwerkzeugs resultierenden Veränderung der Vorspannung eine für die mechanische Belastung der Schneidrolle indikative Information zu ermitteln. Gemäß dieser Ausgestaltung kann eine hohe Messgenauigkeit dadurch erreicht werden, dass anstelle einer absoluten Messgröße deren Veränderungen gegenüber einer Vorspannung ermittelt werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das System mindestens ein weiteres Abbauwerkzeug mit den oben beschriebenen Merkmalen aufweisen, wobei dessen Sensoranordnung mindestens ein weiteres lastsensitives Element aufweist, und wobei die Auswerteeinheit eingerichtet ist, basierend auf Sensorsignalen des mindestens einen weiteren lastsensitiven Elements eine Information zu ermitteln, die für die mechanische Belastung indikativ ist, die auf die Schneidrolle des mindestens einen weiteren Abbauwerkzeugs einwirkt. Gemäß dieser Ausgestaltung ist es möglich, dass eine einzige Auswerteeinheit, zum Beispiel ein einziger Prozessor, die Sensorsignale mehrerer Sensoranordnungen unterschiedlicher Abbauwerkzeuge verarbeitet und auswertet. Zum Beispiel kann eine einzige Auswerteeinheit Sensoranordnungen von 50 bis 100 unterschiedlichen Abbauwerkzeugen eines Bohrkopfs einer Tunnelbohrmaschine auswerten.
Im Folgenden werden exemplarische Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung mit Verweis auf die folgenden Abbildungen detailliert beschrieben.
1 zeigt eine Tunnelbohrmaschine mit einem Bohrkopf mit einer Vielzahl von Abbauwerkzeugen gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
2A zeigt eine Explosionsdarstellung eines Steckachsen-Abbauwerkzeugs („conical saddle system“) gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
2B veranschaulicht die verschiedenen, auf das Steckachsen-Abbauwerkzeug gemäß 2A einwirkenden Kräfte.
3 zeigt vorgespannte Befestigungsbolzen (a) als Feder ohne Spannung und (b) als Feder mit Spannung, wobei (c) ferner Simulationsergebnisse (Spannung nach von Mises) gezeigt sind.
4 zeigt Spannungen nach von Mises in einer Schnittansicht des Simulationsmodells
5 zeigt eine σ33-Spannungsverteilung unter dem Schraubenköpfen an einer Unterseite des Gehäuses.
6 zeigt die Verteilung der Verschiebungen in der Steckachse (a) nach dem Anlegen der Belastung und (b) nach dem Vorspannen der Bolzen (in mm).
7 zeigt (a) Messbeilagscheiben und (b) die Installation von Messbolzen.
8 ist eine schematische Darstellung der Rückberechnung von Kräften aus Bolzenkräften.
9 zeigt die Anwendung von Dehnmessstreifen und drucksensitiven Folien („prescale film“).
10 zeigt einen experimentellen Aufbau zum Messen mechanischer Belastungen, die auf ein Abbauwerkzeug einwirken.
11 zeigt die Definition von Schneidkräften und Messpositionen.
12 zeigt Schneidkräfte, die während eines Linearschneidversuchs (a) im Zeitraum und (b) im Frequenzraum aufgenommen worden sind.
13 zeigt einen 0°-Messaufbau mit einer flachen Aufspannvorrichtung
14 zeigt einen 11°-Messaufbau mit geneigter Aufspannvorrichtung
15 zeigt Resultate für den Belastungsfall von 0°.
16 zeigt Ergebnisse für den Belastungsfall von 11°R.
17 zeigt Ergebnisse für den Belastungsfall von 11°S.
18 zeigt Ergebnisse für den Belastungsfall von 11°RS.
19 zeigt vergrößerte Ergebnisse für eine Belastung bei 10 Hz.
20 zeigt Ergebnisse (a) für drucksensitiven Folien verglichen mit (b) σ33 der Simulation.
21 zeigt den Zusammenhang zwischen Deformation und Kraft der Messstruktur während des Labortests.
22 zeigt Ergebnisse der drucksensitiven Folien von der Rückseite der Einsatzschalen.
23 zeigt die Aktivierung von Scherwiderständen in dem Bolzen.
24 zeigt die angelegte Last im Labor (Belastungsfall 11°S).
25 zeigt eine vergrößerte Verformung des Gehäuses mit unterschiedlichen Rahmenbedingungen, (a) in situ und (b) im Laboraufbau.
26 zeigt eine Gesamtansicht einer Diske und einer Wedge-Lock-Halterung eines Abbauwerkzeugs gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
27 ist eine 26 entsprechende Darstellung der Wedge-Lock-Halterung mit vier Messschrauben an vier Positionen zum Ermitteln von drei äußeren Kräften, wobei ein Kanal als Redundanz vorgesehen ist.
28 zeigt eine Schnittdarstellung des Wedge-Lock-Abbauwerkzeugs gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Gleiche oder ähnliche Komponenten in unterschiedlichen Abbildungen sind mit gleichen Bezugsziffern versehen.
Zunächst werden einige Vorüberlegungen zur vorliegenden Erfindung betreffend Schneidkraftmessung an Disken einer Tunnelbohrmaschine beschrieben, basierend auf denen exemplarische Ausführungsbeispiele der Erfindung aufgefunden wurden.
Bei einer Tunnelbohrmaschine für den Einsatz im Hartgestein wird der Bohrkopf zum Beispiel mit ca. 70 Abbauwerkzeugen (insbesondere mit Disken) bestückt, wird von Elektromotoren gedreht und wird gleichzeitig mit Vorschubzylindern gegen das Gebirge gepresst.
Die Kräfte, welche auf die Disken wirken, liegen nominal bei rund 250kN, die Spitzen beim ca. drei- bis vierfachen Wert. Wünschenswert ist ein Messtechniksystem, das es erlaubt, diese Kräfte kontinuierlich über längere Zeiträume zu messen.
Disken werden – je nach Gebirge – bis zu einmal täglich getauscht. Messmittel, die in der Diske platziert sind, behindern daher den Baubetrieb bzw. bieten nicht die notwendige Robustheit, um ausreichend lange funktionsfähig zu bleiben.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Messsystem bereitgestellt, das deshalb die Diske unverändert belässt und auf Messmitteln in den Auflagerbereichen aufbaut.
Die Konstruktion von Diske, Diskenaufhängung und Gehäuse ist aufgrund der hohen Belastungen von entscheidender Bedeutung. Dabei gibt es insbesondere zwei Systeme, nämlich das Steckachsensystem (auch „conical saddle system“ genannt, zum Beispiel eingesetzt von Aker Wirth). Das Wedge-Lock System wird von Herrenknecht und Robbins eingesetzt.
Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäß entwickelten Messmethodik beruht auf dem Einsatz von mit Dehnmessstreifen instrumentieren vorgespannten Schrauben. Über die Messung der Abnahme der Vorspannkraft an voneinander unabhängigen Punkten kann auf die äußere Belastung (insbesondere Anpresskraft, Seitenkraft, Rollkraft) rückgerechnet werden. Die Systematik kann als triaxiale Kraftmesszelle angesehen werden, bei der ein Festkörper mit Dehnmessstreifen bestückt wird und die Ausgabewerte der Dehnmessstreifen über eine Übertragungsmatrix in Kraftwerte umgerechnet werden.
Ein wichtiger Vorteil von exemplarischen Ausführungsbeispielen der Erfindung ist die Robustheit, der zweckmäßig einfache Einsatz (ein Kleben von Dehnmessstreifen auf einem fertigen Bohrkopf wäre äußerst unpraktisch) und vor allem aber die Platzierung der Messmittel im Auflagerbereich.
Der Einsatz solcher Messschrauben im Sinne einer triaxialen Kraftmesszelle ist sowohl für das Steckachsensystem als auch für das Wedge-Lock-System möglich.
1 zeigt eine Tunnelbohrmaschine 180 zum Abbauen eines Gebirges 102, in das bereits ein Bohrloch 182 eingebracht worden ist. Das Bohren erfolgt derart, dass das Bohrloch 182 gemäß 1 nach rechts hin sukzessive erweitert wird. Dem Fachmann ist bekannt, dass eine Tunnelbohrmaschine 180 eine Vielzahl von Komponenten aufweist. Aus Gründen der Anschaulichkeit ist in 1 aber lediglich ein Bohrkopf 150 mit einer Vielzahl von (zum Beispiel 50 bis 100) Abbauwerkzeugen 100 gezeigt. Genauer ausgedrückt, weist der Bohrkopf 150 einen rotatorisch und translatorisch gegenüber dem Gebirge 102 bewegbaren Bohrkörper 152 auf, an dessen vorderseitiger oder gebirgeseitiger Stirnseite eine Vielzahl von Abbauwerkzeughalterungen oder -aufnahmen 154 angebracht sind. Diese sind über die kreisförmige Stirnfläche des Bohrkörpers 152 hinweg verteilt, was in der Querschnittsansicht von 1 nur teilweise zu erkennen ist. Jede der Abbauwerkzeughalterungen 154 ist zum Haltern eines jeweiligen Abbauwerkzeugs 100 eingerichtet. Anders ausgedrückt kann ein Abbauwerkzeug 100 in jeder der Abbauwerkzeughalterungen 154 montiert werden.
Jedes der Abbauwerkzeuge 100 weist eine an dem Bohrkopf 150 montierbare Diskenbefestigungseinrichtung 104 mit einem Aufnahmelager zum Aufnehmen und Lagern einer rotierfähigen Diske 106 auf, die ebenfalls Teil des Abbauwerkzeugs 100 ist.
Jede Diskenbefestigungseinrichtung 104 hat eine Diskenaufnahme 194, die als eine Art Topf ausgestaltet sein kann, der speziell dafür konfiguriert ist, eine Diske 106 als auswechselbares Modul aufzunehmen.
Befestigungsschrauben 110 bilden weitere Komponenten der Diskenbefestigungseinrichtung 104.
Wenn eine Diske 106 an einer jeweiligen Diskenbefestigungseinrichtung 104 montiert ist, kann eine umfängliche Schneidkante 124 der jeweiligen Diske 106 im rotierendem Zustand zum Abbauen des Gebirges 102 an Letzteres angreifen. Die Diske 106 ist in dem Aufnahmelager der Diskenbefestigungseinrichtung 104, bzw. genauer gesagt in der Diskenaufnahme 194, auswechselbar aufgenommen.
Jedes Abbauwerkzeug 100 enthält eine Sensoranordnung 112 zum Detektieren einer mechanischen Belastung des zugehörigen Abbauwerkzeugs 100, präziser ausgedrückt der Diske 106. Dieser mechanischen Belastung ist die Diske 106 während des Abbauens des Gebirges 102 durch die Diske 106 ausgesetzt.
Erfindungsgemäß ist die Sensoranordnung 112 nicht als Teil der Diske 106 vorgesehen, sondern ist als Teil der Diskenbefestigungseinrichtung 104 ausgebildet, nämlich im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Teil der Befestigungsschrauben 110 der Diskenbefestigungseinrichtung 104. Dies bringt den Vorteil mit sich, dass beim häufigen Auswechseln der Diske 106 die Sensoranordnung 112 nicht mit erneuert oder neu konfiguriert werden muss, weil diese nicht Teil der auszuwechselnden Diske 106 ist. Die vorliegende Erfindung beruht auf der überraschenden Erkenntnis, dass ein Anordnen der Sensoranordnung 112 als Teil der Diskenbefestigungseinrichtung 104 vollkommen ausreichend ist, um bedeutsame Informationen über die mechanische Belastung der Diske 106 zu ermitteln. Damit erfolgt erfindungsgemäß überraschenderweise ein quasi indirektes Quantifizieren der mechanischen Belastung, welcher die Diske 106 ausgesetzt ist, nicht durch Abfühlen der mechanischen Belastung an der Diske 106 selbst, sondern durch indirektes Abfühlen der mechanischen Belastung der Diske 106 an der Diskenbefestigungseinrichtung 104, welche die Diske 106 aufnimmt.
Jedes der Abbauwerkzeuge 100 weist mehrere Befestigungsschrauben 110 auf, mit denen die Diske 106 und die Diskeaufnahme 194 an den Bohrkopf 150 befestigt sind. Somit kann das Installieren der Sensorik allein durch Befestigen des Abbauwerkzeugs 100 an dem Bohrkopf 150 bewerkstelligt werden.
In einer Detaildarstellung 186 in 1 ist ein Querschnitt einer der Befestigungsschrauben 110 gezeigt. Die Befestigungsschraube 110 hat in ihrem Befestigungsschaft 114 eine zylindrische Bohrung 118. In dieser Bohrung 118 ist ein Vollbrücken-Dehnmessstreifen 108 als lastsensitives Element integriert. Mittels eines Verbindungskabels 188 kann ein elektrisches Sensorsignal von dem Vollbrücken-Dehnmessstreifen 108 an eine Auswerteeinheit 128 übermittelt werden.
Die Auswerteeinheit 128, die Teil eines Prozessors oder einer Steuerung der Tunnelbohrmaschine 180 sein kann, nimmt die Sensordaten auf, die der Vollbrücken-Dehnmessstreifen 108 misst und ermittelt daraus die mechanische Belastung, welche auf die zugehörige Diske 106 einwirkt. Der Vollbrücken-Dehnmessstreifen 108 ist bereits im lastfreien Zustand der Diske 106 mit einer definierten mechanischen Vorspannung versehen und mit einer solchen in der Befestigungsschraube 110 montiert, so dass die Auswerteeinheit 128 die mechanische Belastung, welche auf die Diske 106 einwirkt, anhand einer Quantifizierung einer Veränderung dieser Vorspannung erfassen kann.
Muss die Diske 106 nach einer gewissen Betriebszeit repariert, erneuert oder gewartet werden, so kann der Ausbauvorgang der Diske 106 erfolgen, ohne dass Komponenten der Sensoranordnung 112 und der Diske 106 davon beeinflusst werden. Stattdessen ist es ausreichend, das Modul der Diske 106 vollständig zu ersetzen. Dies sorgt für eine benutzerfreundliche Bedienbarkeit der Anordnung.
Die Diske 106 weist eine Achse 120 auf, auf welcher ein Lager und darauf ein Rollengrundkörper 122 mit Schneidring 124 befestigt ist, welcher über das Gestein abrollen kann. Der Rollengrundkörper 122 hat eine umfängliche Schneidkante in Form von Schneidring 124, die im rotierenden Zustand das Gebirge 102 schneidet, bohrt oder abträgt. Ein Lager 126 der Diske 106 ist zum Aufnehmen der Achse 120 konfiguriert. Der gesamte Bohrkopf 150 wird (zum Beispiel mittels eines Elektromotors 184) angetrieben, die Diske 106 selbst folgt dieser Bewegung, sie rollt also nur ab.
Die Auswerteeinheit 128 ist eingerichtet, aus den Sensorsignalen der lastsensitiven Elemente, d.h. der Dehnmessstreifen 108 in den Befestigungsschrauben 110, die auf die Diske 106 des Abbauwerkzeugs 100 einwirkende mechanische Belastung zu ermitteln. Dies können eine Anpresskraft, eine Seitenkraft und eine Rollkraft sein. Wie in 1 gezeigt, kann die Auswerteeinheit 128 alle Abbauwerkzeuge 100 des Bohrkopfs 150 simultan bedienen bzw. deren Sensorsignale auswerten.
2A zeigt eine Explosionsdarstellung eines Steckachsen-Abbauwerkzeugs 100 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem dieselben Bezugszeichen verwendet sind wie in 1.
2B veranschaulicht die verschiedenen, auf das Steckachsen-Abbauwerkzeug 100 gemäß 2A einwirkenden Kräfte, wenn eine Rotation 170 und eine Diskenachse 180 herum erfolgt. Die Auswertung der Sensorsignale erlaubt eine Bestimmung einer Anpresskraft 190, einer Seitenkraft 192 und einer Rollkraft 194, die auf die Diske 106 einwirken.
Im Weiteren werden Schneidkraftmessungen an Tunnelbohrmaschinen und ein dazugehöriges Sensordesign beschrieben.
Die auf ein Abbauwerkzeug (insbesondere Schneidrollen) einer Tunnelbohrmaschine einwirkende Kraft wird üblicherweise mittels Dividierens des gesamten Axialdrucks durch die Anzahl von Abbauwerkzeugen oder Disken abgeleitet, was eine durchschnittliche Belastung von 250 kN für eine typische 17“-Diske liefert. Allerdings haben Schneidversuche im Labor gezeigt, dass die Belastung einer Diske stark oszilliert und dabei Spitzen erreichen kann, die ein Mehrfaches der durchschnittlichen Kräfte betragen. Die Kenntnis der wahren Kräfte, die auf eine Diske einwirken, ist von großer Wichtigkeit, um detailliertere Einsicht in Bereiche wie den Verschleiß einer Diske, Sprödigkeitsbrüche von Schneidringen, Ermüdung und den Mechanismus des Gesteinsbruches in unterschiedlichen geologischen Formationen zu erhalten.
Folglich ist die Entwicklung eines Messsystems zum Ermitteln der dreidimensionalen Belastungssituation einer Diske in Echtzeit Gegenstand von exemplarischen Ausführungsbeispielen der Erfindung. Eine Untersuchung des Deformationszustandes eines Abbauwerkzeuges (insbesondere einer Diske) und ihrer Diskenbefestigungseinrichtung (insbesondere des zugehörigen Gehäuses) wurde mittels der Finite-Elemente-Methode durchgeführt. Nachfolgend wird ein Messsystem beschrieben, das nicht durch den Austausch von Disken beeinflusst wird, indem besonders geeignete Unterbringungsorte für Sensoren in der Diskenbefestigungseinrichtung (zum Beispiel einem „cutter saddle“) ermittelt wurden. Labortests bestätigten die Verwendbarkeit der entwickelten Messsysteme für Tunnelbohrmaschinen.
Im Weiteren wird ein Simulationsmodell gemäß der Finite-Elemente-Untersuchung beschrieben.
Die heutzutage am Weitesten verbreiteten Abbauwerkzeuge, die in Backloading-Systemen eingesetzt werden, sind Wedge-Lock- und Steckachsensysteme („conical saddle system“). Im Weiteren wird die numerische Simulation eines Steckachsensystems unter Verwendung der Software Abaqus CAE 6.10 beschrieben.
Das Ziel der Finite-Elemente-Simulation war es, realistische Deformationen der Diske und seines Gehäuses (auch Diskenbefestigungseinrichtung genannt) zu berechnen, um geeignete Positionen für die Anordnung von Sensoren zu ermitteln. Daher wurden alle für die Tragfähigkeit relevanten Teile in adäquatem Detail modelliert, wohingegen Teile, wie zum Beispiel Dichtungen, vernachlässigt wurden. Da der Fokus der Simulation die Untersuchung des Auflagerbereiches (des Sitzes) ist, wurden Schneidring, Rollengrundkörper und Lager als ein Teil modelliert. (siehe 2A, Teil (a)). Es wechselwirkt mit der Diskenachse gemäß einer „Hartkontakt“-Randbedingung. Dies bedeutet, dass wechselwirkende Teile in Normalrichtung nicht ineinander eindringen können, wohingegen ihre relative Bewegung in seitlicher Richtung mittels Coulomb-Reibung mit einem zugeordneten Reibungskoeffizienten (0,1 in allen Fällen) gesteuert wird. Die konische Unterseite der Diskenachse (siehe 2A, Teil (b)) wurde an der Oberseite von vier konischen Einsätzen (siehe 2A, Teile (c)) angeordnet, welche mit dem Gehäuse (siehe 2A, Teil (d)) an ihrer Rück- und Unterseite wechselwirken. Alle Wechselwirkungszonen wurden wieder als „Hartkontakt“ definiert. Alle Teile werden mittels eines M16-Bolzens (siehe 2A, Teil (e)) und eines M24-Bolzens (siehe 2A, Teil (f)) an jedem der vier Auflagerpunkte zusammengehalten.
Das Materialgesetz wurde als linear elastisch mit einem Elastizitätsmodul von 210 GPa gewählt. Die Lager in einer Hartgesteinsdiske sind stark vorgespannt, was zu einer näherungsweise linearen Spannungs-Dehnungsbeziehung führt. Daher ist der Fehler, der von einem vereinfachten Modellieren der Lager ausgeht, sehr gering.
Normal- und Seitenkräfte wurden an einen starren Abschnitt an der Oberseite der Diske gemäß 11 angelegt, was näherungsweise den Eindringbereich einer Diske abbildet. Mit dieser Technik konnten extreme Spitzen aufgrund von Punktbelastungen vermieden werden. Rollkräfte wurden auf eine solche Weise angelegt, dass die Resultierende durch das Zentrum der Diske geht, da die Rotation der Diske in dem Modell nicht blockiert wurde. Aufgrund der Geometrie der Struktur erzeugt diese Lastanlegung ein Moment, das ähnlich zu der Anwendung von Rollkräften auf die Oberseite des Schneiderings ist, allerdings kleiner.
Alle Teile wurden strukturiert mit 8-knotigen Hexaeder-Elementen mit reduzierter Integration vernetzt. Um die Verwendung von Tetraeder-Elementen zu vermeiden, war ein umfangreiches Partitionieren aller Teile erforderlich.
Viele Techniken, die zum Modellieren der Vorspannung von Bolzen oder Schrauben verwendet werden, sind nicht in der Lage, die Veränderungen der Vorspannung aufgrund externer Belastungen zu berechnen. Da dieser Parameter in der Simulation gesucht war, wurde große Sorgfalt darauf gerichtet, die Bolzen oder Schrauben präzise zu modellieren. Dies wurde unter Verwendung von Federelementen erreicht, die mit zwei Referenzpunkten in dem Bereich des Schraubenkopfs und des Gewindes verbunden wurden. Die Referenzpunkte wurden mit allen Knoten innerhalb des Schraubenkopfbereichs und mit allen Knoten verbunden, die mit dem Gewinde wechselwirken würden.
Zu Beginn der Simulation wurden die Teile ineinander geschoben(siehe 3a). Nachfolgend wurde der obere Teil angehoben, bis Kontakt ausgebildet wurde (siehe 3b).
Nach dem Anlegen von externen Belastungen wurde die Veränderung der Vorspannung ΔF dann ermittelt, indem die Differenz der Verschiebungen der Referenzpunkte in vertikaler Richtung Δu3 multipliziert mit der Steifigkeit der Bolzen k, d.h. ΔF = Δu3 k, berechnet wurde. Eine Darstellung der Federn in der Simulation kann 3c entnommen werden.
Die Ergebnisse zeigen, dass das Steckachsensystem eine sehr gute Lastverteilung sicherstellt. 4 zeigt Spannungen nach von Mises in der Diske, den Einsätzen und dem Gehäuse. Es ist zu sehen, dass die Einsätze die am stärksten belasteten Teile darstellen. Allerdings können sie nitriert werden und können ausgetauscht werden, falls sie abgenutzt sind, daher ist das Gehäuse vor groben Schäden gut geschützt.
5 zeigt die σ33-Verteilung an der Unterseite des Gehäuses nach dem Anlegen von Normal- und Seitenkräften. Bei näherer Beobachtung konnten leichte Unterschiede in der Spannungsverteilung zwischen den M16-Schraubenköpfen beobachtet werden. Dieselben Unterschiede wurden für die M24-Bolzen beobachtet, wenn die Skala angepasst wird. Dies zeigt, dass die Verwendung der Bolzen als Messinstrumente eine gute Wahl ist.
Im Weiteren wird ein Messsystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben, das Messbolzen und Messbeilagscheiben einsetzt.
Das Ziel war es, ein robustes Messsystem zum Messen von Schneidkräften in Echtzeit bereitzustellen, das den rauen Umgebungsbedingungen bei Tunnelbohrmaschinen standhält und die Störungen auf ein Minimum reduziert, die durch den Konstruktionsprozess verursacht werden. Basierend auf den beobachteten Deformationen der Finite-Elemente-Simulation wurden unterschiedliche Positionen für das Anordnen von Sensoren theoretisch untersucht. Schließlich wurde das geeignetste Design ausgewählt und ein Aufbau für einen Labortest unter Verwendung realistischer Belastungsbedingungen definiert. Alle Sensoren wurden auf eine solche Weise in der Steckachse angeordnet, dass ein Austausch der Disken davon nicht beeinflusst wird.
6 zeigt die Verteilung der Auslenkungen oder Verschiebungen nach dem Anlegen von Last (a) und einen Schritt zuvor, d.h. nach dem Vorspannen der Bolzen (b). Die Deformation zeigt einen geneigten Kraftfluss an. Es wurden unterschiedliche Positionen zum Anordnen von Dehnmessstreifen theoretisch untersucht. Es wurde erkannt, dass die Anwendung von Dehnmessstreifen an einem der inneren Ränder des Gehäuses möglich ist. Designs, in denen Dehnmessstreifen in Öffnungen im Inneren des Sattels angeordnet wurden, erwiesen sich als noch erheblich besser. Somit ist es gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung möglich, ein lastsensitives Element in einer Öffnung der Abbauwerkzeugbefestigungseinrichtung (insbesondere in einer Öffnung der Diskeaufnahme der Abbauwerkzeugbefestigungseinrichtung) anzuordnen.
Wie oben ausgeführt, zeigte die Simulation, dass die Reaktion der Bolzen eine Veränderung der Seitenkräfte korrekt wiedergeben würde (siehe 5). Die Messung von Bolzenkräften ist daher ausreichend und vorteilhaft. Während die M24-Bolzen sehr regelmäßig gewechselt werden, zum Beispiel täglich, werden die M16-Bolzen, welche die Einsätze in Position halten, seltener ausgetauscht (zum Beispiel alle zwei Monate). Folglich ist das Ausrüsten dieser Bolzen mit Sensoren sehr benutzerfreundlich.
Zwei unterschiedliche Typen von Sensoren wurden experimentell untersucht. Zunächst wurden Messbeilagscheiben 700 unter den Schraubenköpfen 702 platziert (7a). Die Messbeilagscheiben 700 wurden mit einem integrierten Vollbrücken-Dehnmessstreifen 108 (nicht gezeigt in 7a) ausgestattet, der auf eine solche Weise kalibriert wurde, dass er die Bolzenkraft misst. Als Zweites wurden Messbolzen 110 mit einem Vollbrücken-Dehnmessstreifen 108 in dem Bolzenschaft 114 ausgestattet (7b). Die Spannung wird wieder kalibriert, um eine Korrelation zu der Bolzenkraft herzustellen.
Die Rückberechnung von Kräften mittels Messens der vertikalen Verkürzung oder Verlängerung der Bolzen 110 ist in 8 dargestellt. 8 zeigt, dass Kräfte-Normalkraft (F_N), Rollkraft (F_R) und Seitenkraft (F_S) – mittels Betrachtens der Translation und der Rotation der dargestellten Ebene identifiziert werden können. Aus mathematischer Sicht können drei Messpunkte verwendet werden, um drei Kraftkomponenten zu berechnen. Der vierte Punkt erlaubt eine Fehlerquantifizierung und erhöht als redundante Messung somit die Zuverlässigkeit der erhaltenen Daten.
Im Weiteren werden Untersuchungen an Dehnmessstreifen und drucksensitiven Folien („prescaled films“) näher beschrieben.
Zusätzliche Dehnmessstreifen wurden an dem Gehäuse und den Einsätzen angebracht, um mehr Information über die Struktur während des Labortests zu erhalten. Ferner wurden drucksensitive Folien verwendet, um die Flächenpressung zwischen Gehäuse und Einsätzen zu messen (siehe 9). Im belasteten Zustand bewirkt eine chemische Reaktion eine Einfärbung der Folie, welche mit dem anliegendem Oberflächendruck korreliert. Um gute Ergebnisse zu erhalten, ist große Sorgfalt während der Kalibrierung der Folien hinsichtlich Feuchtigkeit, Temperatur und Belastungszeit nötig.
Im Weiteren werden ein Labortest und ein zugehöriger experimenteller Aufbau näher beschrieben.
10 zeigt den experimentellen Aufbau. Alle Tests wurden unter Verwendung einer MTS 815 servohydraulischen Presse mit digitaler Rückkopplungssteuerung durchgeführt. Um in der Lage zu sein, mechanische Belastungen in drei unterschiedlichen Richtungen anzulegen, wurde die Rotation der Diske blockiert, und der Schneidring wurde durch eine sphärische Kappe (a) ersetzt. Das Lasteinleitungselement wurde gestaltet, um in der Lage zu sein, sich in der horizontalen Richtung (b) frei zu bewegen. Dies stellt eine ausreichende Lastverteilung und eine zentrierte Lasteinleitung für alle Belastungsfälle sicher. Darüber wurde eine 1000 kN-Belastungszelle (c) installiert. Das Diskengehäuse war identisch zu einem real Eingesetzten, außer dass es aus praktischen Gründen etwas kleiner in der Höhe war. Es wurde in einer Aufspannvorrichtung (d) platziert, wo es mit vier Bolzen fixiert wurde. Die Anordnung wurde in der folgenden Reihenfolge betrieben: (1) Anschluss von Gehäuse und Einsätzen mit Messbolzen und Beilagscheiben (200 Nm Drehmoment beim Festziehen); (2) Befestigen der Diske mit vier M24-Bolzen (800 Nm Drehmoment beim Befestigen) an dem Gehäuse; (3) Anbringen des Gehäuses an der Aufspannvorrichtung; (4) Verbindung von allen Sensoren mit den Verstärkern, Installieren der Belastungszelle und des Lasteinleitungselements.
Die Messbolzen (vier Vollbrücken-Dehnmessstreifen) wurden an einen HBM-Spider (digitaler Signalverstärker) angeschlossen. Alle anderen Sensoren, nämlich Messbeilagscheiben (vier Vollbrücken-Dehnmessstreifen), zusätzliche Dehnmessstreifen (acht Einzel-Dehnmessstreifen) und zwei Temperaturmessstreifen wurden an einen Verstärker (HBM MGCplus) angeschlossen. Zusätzlich wurde eine analoge Messuhr (f) während des Testens verwendet, um die relativen Bewegungen der Struktur zu beobachten. Die angelegte Last und die Deformation wurden mittels Anschließens der MTS-Hydrauliksteuerung an den MGCplus erhalten. Beide Verstärker wurden dann an einen Laptop angeschlossen, wo die Software Catman AP während des Testens verwendet wurde. Die Nachbearbeitung wurde mit Matlab durchgeführt.
Im Weiteren werden unterschiedliche Belastungsfälle diskutiert. Es wird dabei davon ausgegangen, dass die Belastung von Disken aus drei Hauptkomponenten besteht: Normalkraft (F_N), Rollkraft (F_R) und Seitenkraft (F_S). Ihre Definitionen und die Positionen der Sensoren können 8 und 11 entnommen werden.
12 zeigt die Kräfte, die während Linearschneidversuchen an Imberg-Sandstein mit einer 10“-Diske im Zeitraum (a) gemessen wurden, sowie eine spektrale Analyse derselben Daten, die unter Verwendung eines „diskrete Fouriertransformations“-Algorithmus (b) erhalten wurde.
Der Schneidversuch in 12 wurde mit einer Schneidgeschwindigkeit von ungefähr 1,5 m/s durchgeführt. Er zeigt, dass die Mehrzahl der Spektralenergie unterhalb 10 Hz liegt. Allerdings sind die Belastungsfrequenzen offensichtlich abhängig von der Bohrkopfumdrehungsgeschwindigkeit, die um 3,0 m/s im Kaliberbereich des Bohrkopfs an Tunnelbohrmaschinen liegt. Daher sollten Frequenzen von bis zu ungefähr 20 Hz für die Verwendung von Disken berücksichtigt werden.
Da eine Diske eine sehr steife Struktur ist, liegen relevante Resonanzfrequenzen weit oberhalb von 20 Hz. Daher sind echte dynamische Effekte für die Kalibrierung nicht relevant. Im Labor wurden Lasten mit Frequenzen von 10 Hz und zwei Mal bis zu 20 Hz angelegt. Die mittlere Normalkraft der Diske ist ungefähr 250 kN. Wie am besten anhand 12 erkannt werden kann, liegen Spitzen bei einem Mehrfachen von diesem Wert. Daher wurden Tests mit Normalkräften von bis zu 990 kN durchgeführt. Zwei unterschiedliche Aufspannvorrichtungen, eine flache (13) und eine mit einer Neigung von 11° (14), wurden verwendet. Die flache Aufspannvorrichtung wurde zum Erhalten einer Belastungssituation einer reinen Normalkraft (0°) verwendet. Die geneigte Aufspannvorrichtung wurde zum Simulieren von drei unterschiedlichen Belastungsfallen abhängig von der relativen Position des Diskengehäuses innerhalb der Aufspannvorrichtung verwendet. Dies führte zu einem Belastungsfall mit einer Kombination von Normal- und Rollkraft (11°R), einem mit einer Kombination von Normal- und Seitenkraft (11°S) und einem mit einer Kombination von allen drei Kraftkomponenten (11°RS).
15 zeigt einen Vergleich der angelegten Last und der Verringerung der Vorspannung in den Messbeilagscheiben und Bolzen für den Belastungsfall von 0°. Alle Sensoren folgen dem Belastungspfad ausreichend, allerdings sind die Ergebnisse der Messbolzen bei weitem am Besten. Messbeilagscheiben sind sehr empfindlich bezüglich exzentrischer Belastung. Wie 6 entnommen werden kann, ist der Kraftfluss in der Steckachse nicht vertikal, was das Signal der Beilagscheiben beeinflussen könnte.
16 zeigt ein Ergebnis eines Belastungsfalls 11°R, d.h. bei einer Kombination von F_N und F_R. Bolzen 1 und 4 sollten dieselben Werte haben, aber in der Richtung von F_R gibt es einen sehr kleinen Abstand zwischen den Messbolzen (vergleiche 7b).
17 zeigt ein Ergebnis eines Belastungsfalls 11°S, d.h. eine Kombination von F_Nund F_S. Wie erwartet, zeigen Bolzen 1 und 2 einen signifikant stärkeren Verlust von Vorspannung als Bolzen 3 und 4.
18 zeigt ein Ergebnis des Belastungsfalls 11°RS, d.h. bei einer Kombination von F_N, F_R und F_S. Es zeigt eine geneigte Ebene, wie diese durch die Kombination der einzelnen Bilder in 8 zu erwarten wäre. Wieder ist das Signal von Bolzen 1 etwas gestört.
Einige Tests wurden mit Frequenzen von bis zu 20 Hz durchgeführt. Diese zeigen, dass die Qualität der Ergebnisse nicht schlechter wurde. Allerdings wurden die meisten Tests mit Frequenzen von bis zu 10 Hz durchgeführt, um eine Schädigung der hydraulischen Presse zu verhindern (19).
Die drucksensitiven Folien werden mit dem Belastungsfall von 0° mit einer Belastung von 400 kN verwendet (20). Verglichen mit den Vorspannungen der Bolzen, die ungefähr 240 kN + 70 kN = 310 kN in jeden der Stützen des Gehäuses waren, ist eine zusätzliche Belastung von 100 kN (400 kN/4 Stützen gleich 100 kN pro Stütze) nicht viel. Obwohl die Verringerung der Vorspannung in den Bolzen bei allen Stützen ungefähr dieselbe ist, variieren die Oberflächendrücke signifikant. Dies ist deshalb so, da ein bestimmtes Moment, das mit einem Drehmomentschlüssel aufgebracht wird, immer zu unterschiedlichen Vorspannungen führt. Daher sind alle Stützen unterschiedlich belastet. Dieser Effekt kann durch Verwendung von Schraubenpaste reduziert werden.
Die Folien reichen von 50 bis 130 MPa. Sowohl die Resultate der Folien als auch die numerische Simulation zeigen einen ähnlichen Spannungsgradienten von der Innenseite hin zur Außenseite, daher wurde das allgemeine Verhalten befriedigend wiedergegeben. Allerdings scheinen die mittleren Spannungsniveaus während des Labortests höher zu sein. Dies könnte aus den M24-Bolzenkräften resultieren. Wie bereits zuvor angesprochen, führt das Befestigen mit einem bestimmten Drehmoment immer zu unterschiedlichen Kraftniveaus.
21 zeigt den Zusammenhang zwischen Deformation und Kraft der Messstruktur während des Labortests.
Die Montage von Schneidrolle, Einsätzen und Gehäuse erlaubt immer bestimmte Toleranzen, die erforderlich sind, um Herstellungstoleranzen auszugleichen, für die praktische Installation und den Diskenwechsel. 22 zeigt die Ergebnisse der drucksensitiven Folien von der Rückseite der Einsätze für vertikale Belastungen. Obwohl die Folien nur Spannungen im Bereich von 50 bis 130 MPa aufnehmen, kann die ungleiche Spannungsverteilung aufgrund asymmetrischer Montage gut erkannt werden.
Ein bestimmtes Drehmoment, das zum Festziehen verwendet wird und das mehrere Male angewendet wird, wird zu unterschiedlichen Bolzenkräften führen. Daher wird jedes der vier Auflager experimentell eine unterschiedliche Flächenpressung spüren und auch unterschiedliche strukturelle Steifigkeit, was den Kraftfluss beeinflussen kann. Es wurde versucht, diesen Effekt in der numerischen Simulation aufzunehmen, und er wurde als vernachlässigbar erkannt, aber er könnte eine geringfügige Quelle von Nichtlinearitäten sein.
Oben wurden die Sensorausgaben während der Belastung dargestellt. Es wurde erkannt, dass im Belastungsfall 11°S und 11°RS es die Bolzen sind, die aufgrund der Neigung der Schneide weniger belastet waren, die Signale aussendeten, die eine ziemlich gestörte Charakteristik aufwiesen, verglichen mit den direkten und präzisen Reaktionen anderer Bolzen.
23 zeigt auftretende Kräfte während des Montierens der Diske. Die Einsatzschale hat eine Neigung von ungefähr 30°. Da der Reibungskoeffizient sehr niedrig ist (ungefähr 0,1 bis 0,15), ist die Scherkraft parallel zu der Oberfläche des Einsatzes größer als die rückstellende Kraft und bewirkt ein Zurückgleiten der Diske bis der Bolzenschaft in Kontakt mit dem Bohrloch ist.
Das System erreicht ein Gleichgewicht und ist fähig, Seitenkräfte zu berücksichtigen, selbst ohne den Scherwiderstand der Bolzen, sobald eine der gegenüberliegenden Schrauben festgezogen wird. Wie zuvor gezeigt, ist nach der Montage zumindest ein Bolzen in Kontakt mit dem Bohrloch. Ferner ist die Struktur nicht starr, daher werden Deformationen auftreten bis ein Gleichgewicht in der seitlichen Richtung erreicht ist. Daher kann die gestörte Charakteristik des Sensorsignals in bestimmten Lastzuständen als eine Störung des Kraftflusses erklärt werden, die aus einem engen Kontakt zwischen Bolzen und Bohrloch resultiert. 24 stellt die angelegte Last in Belastungsfall 11°S dar, wo die gestörten Signale beobachtet wurden.
Es wurde beobachtet, dass die Qualität der Sensorsignale über die Belastungszeit steigt. Dies kann durch das Ausgleichen von Oberflächenrauigkeiten und Imperfektionen in der Montage erklärt werden. Als ein Ergebnis dieser Einstellung lockern sich manchmal Schrauben. Diese Gefahr kann vermieden werden, indem die Bolzen nach einer bestimmten Belastungszeit, zum Beispiel einem Hub der Tunnelbohrmaschine, wieder festgezogen werden. Es wurde erkannt, dass die Qualität der Ergebnisse und daher der Kraftfluss im Allgemeinen signifikant steigt, wenn die Bolzen wieder befestigt oder nachgezogen werden.
25 zeigt eine stark vergrößerte Ansicht der Deformation des Diskengehäuses abhängig von seinen Randbedingungen: (a) stellt die Situation an einem Bohrkopf dar, (b) stellt den Laboraufbau dar. Es kann gesehen werden, dass die Deformationscharakteristik leicht anders ist. Daher können die Labortests verwendet werden, um die Machbarkeit des entwickelten Messsystems zu bestätigen, aber nicht für eine vollständige Kalibrierung.
Um die Steifigkeit des Gehäuses an unterschiedlichen Diskenpositionen zu berücksichtigen und eine ausreichende Genauigkeit sicherzustellen, können die Sensorsignale für jede individuelle Position kalibriert werden. Zusammenfassend ist zu sagen, dass ein Messsystem zum Überwachen von Schneidkräften an einer Diske einer Tunnelbohrmaschine bereitgestellt wurde. Hierbei werden die Sensoren innerhalb der Steckachse untergebracht. Dies ermöglicht es, eine Tunnelbohrmaschine kontinuierlich zu verwenden, ohne den Diskenwechsel zu stören. Die aufgenommenen Daten erlauben ein geologisches Mapping der Ortsbrust, zum Beispiel ein Detektieren von unterschiedlichen Gesteinsarten, und erlauben, unerwünschte Kraftspitzen und beschädigte Disken zu identifizieren. Auch kann das System helfen, den Betrieb einer Tunnelbohrmaschine zu verbessern.
26 zeigt eine Gesamtansicht einer Diske 106 und einer Wedge-Lock-Halterung 104 eines Abbauwerkzeugs 2600 gemäß einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung. Es sind die entsprechenden Bezugszeichen verwendet wie in 1 und 2A. 27 ist eine Darstellung der Wedge-Lock-Halterung 104 mit vier Messschrauben 110 an vier Positionen zum Ermitteln von drei äußeren Kräften, wobei ein Kanal als Redundanz vorgesehen ist. 28 zeigt eine Schnittdarstellung des Wedge-Lock-Abbauwerkzeugs 2600.
Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass „aufweisend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.

Claims

Abbauwerkzeug (100) für einen Bohrkopf (150) einer Tunnelbohrmaschine (180) zum Abbauen von Gebirge (102), wobei das Abbauwerkzeug (100) aufweist: eine an dem Bohrkopf (150) montierbare Schneidrollenbefestigungseinrichtung (104) zum Aufnehmen und Lagern einer rotierfähigen Schneidrolle (106); die Schneidrolle (106), die zum Abbauen von Gebirge (102) rotierfähig in der Schneidrollenbefestigungseinrichtung (104) auswechselbar aufnehmbar oder aufgenommen ist; eine Sensoranordnung (112) zum Detektieren einer mechanischen Belastung des Abbauwerkzeugs (100), insbesondere der Schneidrolle (106), wobei die Sensoranordnung (112) an und/oder in und/oder als Teil der Schneidrollenbefestigungseinrichtung (104) vorgesehen ist.
Abbauwerkzeug (100) gemäß Anspruch 1, wobei die Schneidrollenbefestigungseinrichtung (104) eine Schneidrollenaufnahme (194) und mindestens ein Befestigungselement (110) zum Befestigen der Schneidrolle (106) an der Schneidrollenaufnahme (194) und/oder zum Befestigen der Schneidrollenaufnahme (194) an dem Bohrkopf (150) aufweist, wobei mindestens ein lastsensitives Element (108) der Sensoranordnung (112) als Teil des mindestens einen Befestigungselements (110) ausgebildet ist.
Abbauwerkzeug (100) gemäß Anspruch 2, aufweisend eine Mehrzahl von Befestigungselementen (110), mit jeweils mindestens einem lastsensitiven Element (108), zum Befestigen der Schneidrolle (106) an der Schneidrollenaufnahme (194) und/oder zum Befestigen der Schneidrollenaufnahme (194) an dem Bohrkopf (150), wobei alle Befestigungselemente (110) zueinander parallel verlaufend montierbar sind.
Abbauwerkzeug (100) gemäß Anspruch 2, aufweisend eine Mehrzahl von Befestigungselementen (110), mit jeweils mindestens einem lastsensitiven Element (108), zum Befestigen der Schneidrolle (106) an der Schneidrollenaufnahme (194) und/oder zum Befestigen der Schneidrollenaufnahme (194) an dem Bohrkopf (150), wobei die Befestigungselemente (110) entlang unterschiedlicher, insbesondere entlang zueinander senkrechter, Erstreckungsrichtungen verlaufend montierbar sind.
Abbauwerkzeug (100) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei das mindestens eine Befestigungselement (110) als mindestens eine Befestigungsschraube, als mindestens ein Befestigungsbolzen oder als mindestens ein Befestigungsniet ausgebildet ist.
Abbauwerkzeug (100) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei das mindestens eine Befestigungselement (110) als mindestens eine Beilagscheibe (700) für eine Befestigungsschraube ausgebildet ist.
Abbauwerkzeug (100) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei das mindestens eine Befestigungselement (110) eine Bohrung (118) in einem Befestigungsschaft (114) hat, in welcher Bohrung (118) das lastsensitive Element (108) integriert ist.
Abbauwerkzeug (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Sensoranordnung (112) mindestens ein lastsensitives Element (108) aufweist, das als Dehnmessstreifen, insbesondere als Vollbrücke-Dehnmessstreifen, ausgebildet ist.
Abbauwerkzeug (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Sensoranordnung (112) mindestens ein lastsensitives Element (108) aufweist, das mit einer vorgegebenen mechanischen Vorspannung an und/oder in und/oder als Teil der Schneidrollenbefestigungseinrichtung (104) vorgesehen ist.
Abbauwerkzeug (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Schneidrolle (106) von der Sensoranordnung (112) unabhängig auswechselbar in der Schneidrollenbefestigungseinrichtung (104) aufnehmbar oder aufgenommen ist.
Abbauwerkzeug (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Schneidrolle (106) von der Sensoranordnung (112) frei ist.
Abbauwerkzeug (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Schneidrolle (106) eine Achse (120), einen Schneidring (124) mit einer umfänglichen Schneidkante und ein Lager (126) aufweist.
Abbauwerkzeug (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, ausgebildet als Wedge-Lock-Abbauwerkzeug (2600) oder als Steckachsen-Abbauwerkzeug (200).
Abbauwerkzeug (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Schneidrolle als Diske (106) oder als Warzenmeißel ausgebildet ist.
System zum Ermitteln einer mechanischen Belastung eines Abbauwerkzeugs (100), insbesondere einer Schneidrolle (106) eines Abbauwerkzeugs (100), eines Bohrkopfs (150) einer Tunnelbohrmaschine (180) zum Abbauen von Gebirge (102), wobei das System aufweist: das Abbauwerkzeug (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Sensoranordnung (112) mindestens ein lastsensitives Element (108) aufweist; eine Auswerteeinheit (128), die eingerichtet ist, basierend auf Sensorsignalen des mindestens einen lastsensitiven Elements (108) eine Information zu ermitteln, die für die mechanische Belastung indikativ ist, die auf das Abbauwerkzeug (100), insbesondere auf die Schneidrolle (106) des Abbauwerkzeugs (100), einwirkt.
System gemäß Anspruch 15, wobei die Sensoranordnung (112) vier, insbesondere genau vier, lastsensitive Elemente (108) aufweist; wobei die Auswerteeinheit (128) eingerichtet ist, basierend auf Sensorsignalen der vier lastsensitiven Elemente (108) eine Information zu ermitteln, die für eine Anpresskraft (F_N), eine Seitenkraft (F_S) und eine Rollkraft (F_R) indikativ ist, die auf die Schneidrolle (106) einwirken.
System gemäß Anspruch 15 oder 16, wobei das mindestens eine lastsensitive Element (108) mit einer vorgegebenen mechanischen Vorspannung an und/oder in und/oder als Teil der Schneidrollenbefestigungseinrichtung (104) vorgesehen ist; und wobei die Auswerteeinheit (128) eingerichtet ist, basierend auf einer aus der mechanischen Belastung des Abbauwerkzeugs (100) resultierenden Veränderung der Vorspannung eine für die mechanische Belastung der Schneidrolle (106) indikative Information zu ermitteln.
System gemäß einem der Ansprüche 15 bis 17, aufweisend mindestens ein weiteres Abbauwerkzeug (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei dessen Sensoranordnung (112) mindestens ein weiteres lastsensitives Element (108) aufweist; wobei die Auswerteeinheit (128) eingerichtet ist, basierend auf Sensorsignalen des mindestens einen weiteren lastsensitiven Elements (108) eine Information zu ermitteln, die für die mechanische Belastung indikativ ist, die auf das mindestens eine weitere Abbauwerkzeug (100), insbesondere auf die Schneidrolle (106) des mindestens einen weiteren Abbauwerkzeugs (100), einwirkt.
Bohrkopf (150) für eine Tunnelbohrmaschine (180) zum Abbauen von Gebirge (102), wobei der Bohrkopf (150) aufweist: einen rotatorisch und translatorisch gegenüber einem Gebirge (102) bewegbaren Bohrkörper (152) mit einer Mehrzahl von Abbauwerkzeughalterungen (154) zum Haltern von Abbauwerkzeugen (100); eine Mehrzahl von Abbauwerkzeugen (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, die in der Mehrzahl von Abbauwerkzeughalterungen (154) auswechselbar halterbar oder gehaltert sind.
Tunnelbohrmaschine (180) zum Abbauen von Gebirge (102), aufweisend einen Bohrkopf (150) gemäß Anspruch 19.