DE2503340B2

DE2503340B2 - Verfahren und Vorrichtung zur Antriebssteuerung von Bohrköpfen, insbesondere für Großlochbohrmaschinen

Info

Publication number: DE2503340B2
Application number: DE2503340A
Authority: DE
Inventors: Wilfried Dr.-Ing. Sackmann
Original assignee: Wirth Maschinen und Bohrgeraete Fabrik GmbH
Current assignee: Mhwirth GmbH
Priority date: 1975-01-28
Filing date: 1975-01-28
Publication date: 1978-09-21
Also published as: DE2503340A1; US4079795A; ZA76398B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Antriebssteuerung von Bohrköpfen, auf denen planetenartig um die Streckenachse rotierende Roilenbohrer angebracht sind, insbesondere von Bohrköpfen zum Bohren von Großbohrlöchern, wobei die Arbeitsparameter (Vorschubkraft bzw. -geschwindigkeit und Bahngeschwindigkeit der Bohrwerkzeuge) zumindest in mittelbarer Abhängigkeit von den auf den Bohrkopf wirkenden, von der Gesteinsfestigkeit und -beschaffenheit abhängigen Kräften gesteuert werden.

Bohrverfahren mit mehreren gleichzeitig arbeitenden Werkzeugen werden zur Herstellung von Bohrungen verschiedener Art angewendet so beispielsweise von vertikalen oder schrägen Bohrungen im Tiefbau, Brunnenbau, Braunkohlentagebau und anderen Bergbauzweigen, von Senk- oder Schachtbohrungen, ferner und insbesondere auch zum Auffahren von horizontalen oder geneigten Tunneln, Strecken usw., für unterschiedliche Zwecke. Die Durchmesser der Bohrungen können beim Großlochbohren z. B. im Bereich von 600 mm und gegebenenfalls noch darunter bis 5000 mm und darüber liegen. Wesentliche Einflußgrößen bzw. Arbeitsparameter bei solchen Bohrverfahren sind einerseits die Bahngeschwindigkeit der einzelnen Werkzeuge auf ihren Kreisbahnen (entsprechend der Drehzahl eines die Werkzeuge tragenden umlaufenden Körpers) und andererseits die Vorschubkraft bzw. Vorschubgeschwindigkeit, mit der die auf den Kreisbahnen umlaufenden Werkzeuge vorwärtsbewegt bzw. an den Grund der Bohrung oder die Ortsbrust angedrückt werden.

Handelt es sich um ein Bohren in homogenem Gestein oder Gebirge, so sind alle Werkzeuge der gleichen Beanspruchung ausgesetzt Dies kann als optimaler Fall angesehen werden. Trotzdem müssen auch dabei die Bahngeschwindigkeit der Werkzeuge und die Vorschubkraft bzw. Vorschubgeschwindigkeit so gewählt werden, daß die Werkzeuge nicht überlastet werden. Es kommt also darauf an, daß bestimmte Werte für diese Größen nicht oder nicht längere Zeit überschritten werden. Dies zu erkennen, ist für den die Arbeit Durchführenden oft sehr schwer.

Besondere Probleme ergeben sich, wenn das zu beohrende Gestein oder Gebirge nicht homogen ist oder nach einer längeren homogenen Strecke' plötzlich inhomogen wird und eine über den Weg der Werkzeuge bei deren Umlauf unterschiedliche Härte hat, Störungen aufweist oder mit harten Einschlüssen versehen ist. Es kann dann geschehen, daß jeweils nur wenige oder gar ein einziges Werkzeug mit solchen Einschlüssen im ansonsten homogenen und weichen Gebirge zum Eingriff kommt. In diesem Fall wird eine größere Zahl mehr oder weniger starker Stöße auf die betreffenden Werkzeuge ausgeübt, ohne daß dies vom Verantwortlichen für den Bohrvorgang wahrgenommen wird, so daß auch keine Abhilfe geschaffen werden kann.

Überbeanspruchungen der Werkzeuge durch zu hohe Kräfte und ganz besonders durch Stöße, die durch Inhomogenitäten des Gebirges oder Einschlüsse bedingt sind, beeinflussen das Verschleißverhalten und die Lebensdauer der Werkzeuge ganz entscheidend. Dies gilt nicht nur für die Schneide des Werkzeugs, sondern weiterhin auch für die Halterung des Werkzeugs bzw. dessen Lagerung, namentlich bei Rollenmeißeln. Eine geringe Lebensdauer oder sogar eine Zerstörung der Werkzeuge bzw. ihrer Lagerungen, wie sie bei ständigen harten Stoßen schnell eintreten kann, hat erhebliche Kosten zur Folge, die sich nicht allein durch den Aufwand für die Neubeschaffung oder die Reparatur und die Montage der Werkzeuge ergeben, sondern die außerdem auch durch die Unterbrechung des Bohrvorgangs und die Stillstandszeiten von teurem Gerät bedingt sind.

Es ist eine Gesteinsfräsmaschine zum Vortrieb unterirdischer Strecken bekannt (DE-OS 15 34 650), die einen durch Gleitschuhe im Tunnel geführten Antriebsschild aufweist, in dem eine mittels Motors drehend antreibbare Fräsertrommel gelagert ist. Letztere trägt zwei Fräseraggregate, jeweils bestehend aus einer am Umfang mit festen Werkzeugen bestückten Messerscheibe, einem Reduktionsgetriebe und einem Antriebsmotor. Beim Arbeiten der Maschine dreht sich die gesamte Fräsertrommel, während außerdem jede Messerscheibe um ihre eigene, exzentrisch zur Trommelachse liegende Achse rotiert, wobei entsprechend den gewählten Drehrichtungen ein Gleichlauf-Fräsen stattfindet. Zur Erzeugung des Vorschubdrucks dient ein Vorschubzylinder, der zwischen einer im Tunnel hydraulisch verspannten Säule und dem Antriebsschild eingebaut ist. Bei dieser Maschine soll die Rotationsgeschwindigkeit der die Fräseraggregate tragenden Fräsertrommel und der in Richtung der Streckenachse wirkende Längsvorschub von Regelimpulsen gesteuert werden, die von der Belastung der Fräserantriebe abgeleitet sind. Hierbei bleibt gänzlich unberücksichtigt, ob und in welchem Umfang die einzelnen Werkzeuge an den Messerscheiben der jeweiligen Beanspruchung standhalten können, denn auftretende Überbeanspruchungen einzelner Werkzeuge sind an der Stromaufnahme des Antriebsmotors für das Fräseraggregat nicht zu erkennen.

In »Glückauf« 104 (1968), Heft 8, S. 309 bis 315, sind Rollenbohrer verschiedener Ausbildung zur Verwendung bei Streckenvortriebsmaschinen für abrasives festes Gestein genannt. Außerdem sind für den Einsatz sogenannte Einringzahnrollen in Betracht gezogen worden, wobei diese ähnlich wie sonst feste Hartmetallschneiden auf Werkzeugträgern angebracht werden sollen, die mit windschiefer Achse angestellt sind und ihrerseits planetenartig um die Streckenachse rotieren, derart, daß sich die Einzahnrollen unter Vorhandensein einer Freifläche auf zykloidischen Bahnen über die Ortsbrust hinweg bewegen. In der Veröffentlichung ist ferner eine Versuchseinrichtung angegeben, mittels , derer an verschiedenen Bohrwerkzeugen Kräfte mit ihren Komponenten mit Hilfe von Dehnungsmeßstreifen elektronisch gemessen werden können. Außer den Kräften am einzelnen Bohrwerkzeug wird noch die gesamte Vorschubkraft, das Drehmoment eines Hydroantriebs für einen Drehtisch und der zurückgelegte Bohrweg gemessen. Dabei handelt es sich um Laboruntersuchungen mit dem Ziel, Daten für die Konstruktion von Maschinen zu gewinnen.

Über solche Untersuchungen an Bohrwerkzeugen ist weiterhin in dem Buch von W. Rutschmann, »Mechanischer Tunnelvortrieb im Festgestein«, VDI-Verlag GmbH., Düsseldorf 1974, S. 31 bis 35, 58 bis 62 und 109, berichtet. Dabei ist in Verbindung mit dem ^r> Antrieb des Bohrkopfes einer Vortriebsmaschine gesagt, daß eine stufenlose Drehzahlregulierung u. a. die Möglichkeit einer optimalen Kombination von Drehzahl und Vorschubkraft hinsichtlich kleineren Bohrwerkzeugverschleißes biete.

ίο In »Glückauf« 99 (1963), Heft 24, S. 1331 und 1332, wird über ein Forschungsvorhaben mit einer Streckenvortriebsmaschine berichtet, deren Bohrkopf mit Rollenbohrern ausgerüstet ist Dabei wird gesagt, daß die Bohreigenschaften der Rollenbohrer, um bestmög-

r> lieh zu bohren, bei zunehmender Gesteinsfestigkeit einen höheren Andruck mit einer geringeren Drehzahl erfordern, und daß deshalb eine große Vorschubkraft und ein hohes Drehmoment gegeben sein muß.

Bei bekannten Vortriebsmaschinen derjenigen Art,

?(i bei der ein sich um die Längsachse des Maschinengestells drehender Werkzeugträger rotierende Messerköpfe mit geneigten Drehachsen trägt und die Messerköpfe mit radial nach außen weisenden und in tangentialer Richtung wirkenden Messern besetzt sind (DE-PS 10 02 775), besteht infolge der besonderen Kräfteverhältnisse das Problem des Mitdrehmoments, das mit den Gesteins- und Schnittverhältnissen stark schwanken kann. Zum Ausgleich des Mitdrehmoments sind Bremsmesser erforderlich, die gemeinsam mittels einer Regeleinrichtung in Abhängigkeit vom Mitdrehmoment hydraulisch verstellt werden, und zwar über die Belastung von zum Antrieb des Drehschildes der Maschine dienenden Schnecken. Wird das Mitdrehmoment so groß, daß es auch von den Bremsmessern nicht

J5 mehr abgefangen werden kann, so bewirkt die Belastung der Schnecken mit Hilfe eines Servomotors eine derartige Beeinflussung eines Getriebes für den Drehschildantrieb, daß die Spantiefen der Schneidmesser und damit das Mitdrehmoment kleiner werden.

Ähnlich soll bei einem übermäßigen Anstieg des Drehmoments an den Messerköpfen durch an den Messerkopfantrieben angebaute elektrische Drehmomentschalter ein Steuerkolben betätigt und dadurch eine Verringerung der Spantiefe ausgelöst werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, bestehende Schwierigkeiten und Unzulänglichkeiten zu überwinden und ein günstiges Arbeiten mit Bohrköpfen der eingangs genannten Art zu ermöglichen, ohne daß die Einstellung oder Steuerung wichtiger Parameter für das Bohrverfahren entsprechend der Gesteinsfestigkeit und -beschaffenheit wie bisher von Hand durchgeführt werden muß, wobei zugleich aber auch übermäßige Beanspruchungen der Bohrwerkzeuge möglichst sicher vermieden werden sollen, um die Lebensdauer der Werkzeuge und ihrer Halterung oder Lagerung zu erhöhen. Mit der Erfindung soll weiterhin eine vorteilhafte Vorrichtung zur Antriebssteuerung von Bohrköpfen der genannten Art geschaffen werden.

Zur Lösung der Aufgabe sieht die Erfindung als Verfahren zur Antriebssteuerung von Bohrköpfen dei angegebenen Gattung vor, daß wenigstens bei einigen der Bohrwerkzeuge in an sich bekannter Weise deren Beanspruchung repräsentierende Kräfte und/oder zeitliche Änderungen solcher Kräfte ermittelt werden, daß

b5 diese Werte automatisch laufend mit einem vorgegebenen Grenzwert verglichen werden und daß bei Überschreitung dieser Grenzwerte wenigstens einer der Arbeitsparameter automatisch in seiner Größe

verändert wird.

Bei diesem Verfahren hängt der Bohrvorgang nicht mehr davon ab, in welcher Weise es dem jeweiligen Maschinenführer gelingt, nach seinem Ermessen die Parameter des Bohrvorgangs zu wählen und sie den sich ■; ändernden Verhältnissen anzupassen, sondern es ist unter Berücksichtigung von Unterschieden in der Belastung der einzelnen Bohrwerkzeuge eine automatische Regelung der Arbeitsoperation in vorteilhafter Weise ermöglicht worden. Damit ist das an der Durchführung des Bohrvorgangs beteiligte Personal entlastet, und es werden von ihm nur noch wenige oder überhaupt keine kurzfristigen Entscheidungen hinsichtlich einer unmittelbaren Einflußnahme auf den Ablauf der Vorgänge verlangt. Vielmehr findet nun beim Einsatz eines Bohrkopfes der genannten Art eine automatische Anpassung an die jeweiligen Gegebenheiten und die Art des zu bohrenden Gesteins oder Gebirges statt, und zwar unter Vermeidung übermäßiger Werkzeugbeanspruchungen, was zugleich eine Erhöhung der Lebensdauer der Werkzeuge und ihrer Lagerungen bedeutet. Wird der vorgegebene Grenzwert für die Beanspruchungskraft oder deren zeitliche Änderung überschritten, so kann sogleich eine Neueinstellung des oder der Arbeitsparameter in dem Sinne erfolgen, daß die betreffenden Werte unter dem Grenzwert gehalten werden. Bisher konnte der Maschinenführer eine Überbelastung einzelner Werkzeuge nicht erkennen, so daß er auch nicht in der Lage war, darauf entsprechend zu reagieren. Die angeführten Vorteile können nicht hoch genug eingeschätzt werden, zumal es sich bei Bohrarbeiten mit solchen Bohrköpfen meist um sehr schwierige Operationen handelt, bei denen die Effizienz angesichts der hohen Investitionen und die Vermeidung von kostspieligen Stillstandszeiten infolge Werkzeugbruchs eine große bzw. ausschlaggebende Rolle spielt.

Als repräsentativ für die Werkzeugbeanspruchung und als maßgebend für die Lebensdauer des Werkzeugs und seiner Halterung oder Lagerung ist nicht nur die Resultierende aus allen auf das Werkzeug wirkenden Kräften anzusehen. Weil z. B. bei einem Rollenmeißel die durch den Andruck an das Gebirge hervorgerufene Kraft in Andruckrichtung bzw. in Richtung radial zur Rollenachse eine in ihrer Höhe dominierende Kraft ist, genügt es in vielen Fällen, diese Kraft oder auch eine in der Größe nicht unwesentliche Komponente derselben bzw. eine von der Andruckkraft maßgebend beeinflußte Kraft auch von abweichender Richtung zu ermitteln und für die Einstellung bzw. Änderung der Arbeitsparameter des Bohrvorgangs auszuwerten. Welche Kraft oder Kraftkomponente für die Ermittlung herangezogen wird, kann sich nach der Art der Werkzeuge, nach der jeweiligen Geometrie und Form eines die Werkzeuge tragenden Elements, z. B. eines Bohrkopfes, und nach den gegebenen Möglichkeiten für die Erfassung der Kräfte richten. Deshalb bestehen für die Wahl der zu berücksichtigenden Kraft keine sehr engen Beschränkungen. Diese Kraft sollte lediglich hinreichend groß und reproduzierbar sein. Außer der Andruckkraft oder einer Komponente derselben kann als repräsentative Kraft für die Werkzeugbeanspruchung insbesondere auch eine Umfangs- oder Querkraft bzw. eine den Rollwiderstand eines drehbar gelagerten Werkzeugs verkörpernde oder von diesem abhängige Kraft in Betracht kommen. Dies kann bei bestimmten Arten von Stoßbeanspruchungen und dann zweckmäßig sein, wenn die Werkzeuge oder ihre Lagerungen gegenüber solchen Kräften besonders empfindlich sind.

Außer oder statt einer Ermittlung der Größe der Kraft kann sich eine Ermittlung der Einwirkdauer bzw. des zeitlichen Verlaufs der Änderung der Kraft empfehlen. Es läßt sich dann die Steilheit des Kraftanstiegs, die ein Maß für die Härte von auf das Werkzeug wirkenden Schlägen oder Stoßen bei Einschlüssen oder bei inhomogenem Gebirge ist, erfassen und auswerten. Dies ist nicht auf eine bestimmte Kraftrichtung beschränkt, sondern gilt grundsätzlich für verschiedene Kräfte und Kraftrichtungen.

Wird bei dem erläuterten Verfahren die Beanspruchungskraft ermittelt, so wird zweckmäßig bei Überschreiten des gesetzten Grenzwertes für diese Kraft die Vorschubkraft bzw. Vorschubgeschwindigkeit herabgesetzt, um einen Zustand zu erreichen, in dem die Werkzeugbeanspruchung in einem als zulässig angesehenen Bereich bleibt. Statt dessen oder auch zusätzlich dazu kann bei Überschreiten eines Grenzwertes für die Beanspruchungskraft die Bahngeschwindigkeit der Werkzeuge heraufgesetzt werden, um den zulässigen Beanspruchungszustand der Werkzeuge herbeizuführen.

Wird die zeitliche Änderung der Beanspruchungskraft ermittelt und tritt für diese Größe eine Überschreitung des Grenzwertes ein, so wird die Vorschubkraft bzw. Vorschubgeschwindigkeit oder die Bahngeschwindigkeit der Werkzeuge herabgesetzt, während die jeweils andere Größe im wesentlichen konstant gehalten wird. Es ist aber auch hier möglich, bei einer Grenzwertüberschreitung beide Größen gleichzeitig zu ändern.

Eine gleichzeitige Änderung von Vorschub und Bahngeschwindigkeit im entsprechenden Sinn kann ferner dann geschehen, wenn sowohl die Beanspruchungskraft als auch deren zeitliche Änderung ermittelt wird und für beide Grenzwertüberschreitungen eintreten.

Bei Grenzwertüberschreitung wird der betreffende Arbeitsparameter zweckmäßig auf einen vorbestimmten oder insbesondere auch auf einen in Abhängigkeit von der Größe der Grenzwertüberschreitung gewählten Wert gebracht, dem eine geringere als die für zulässig erachtete Werkzeugbeanspruchung entspricht, und es wird dann die Größe dieses Arbeitsparameters wieder im entgegengesetzten Sinn geändert, bis ein vorgegebener oder in Abhängigkeit von einer anderen Größe wählbarer Wert erreicht wird.

In vielen Fällen ist es von Vorteil, für die Änderung des Arbeitsparameters den jeweils höchsten der den Grenzwert überschreitenden Werte zu verwenden.

Die erneute Änderung der Größe des betreffenden Arbeitsparameters nach einer vorausgegangenen, eine Grenzwertüberschreitung berücksichtigenden Änderung desselben läßt sich z. B. in einem bestimmten Zeitabschnitt vornehmen. Es kann zweckmäßig sein, die erneute Änderung um so langsamer durchzuführen, je größer die Anzahl von den Grenzwert überschreitenden Werten in einem gegebenen Zeitraum ist. Die Änderung kann kontinuierlich oder auch schrittweise vorgenommen werden. Bei der Änderung kann insbesondere wenigstens eine Zwischenstufe mit elwa konstant bleibendem Wert der Größe des Arbeitsparameters eingehalten werden. Für die Dauer dieser Zwischenstufe läßt sich eine bestimmte Zeit vorsehen. Insbesondere wird von der Zwischenstufe aus eine anschließende weitere Änderung des Arbeitspararneters erst dann

vorgenommen, wenn seit dem Auftreten der Grenzwertüberschreitung mindestens eine Periode von 2 nla ohne erneute Grenzwertüberschreitung vollendet ist, wobei »2 π« einen vollen Bahnkreis eines Werkzeugs und »a« die Anzahl von auf einer Kreisbahn laufenden ^r> Werkzeugen bedeutet. Sind mehrere konzentrische Kreisbahnen mit auf diesen laufenden Werkzeugen vorhanden, so kann je nach der Anzahl der Werkzeuge auf den einzelnen Bahnen auch die Periode 2 Jt/a für die einzelnen Bahnen unterschiedlich sein. Tritt nur auf ι ο einer der vorhandenen Bahnen eine Grenzwertüberschreitung auf, so ist es möglich, jeweils auch die zugehörige Periode für diese Bahn zu berücksichtigen. Im allgemeinen wird es aber genügen, durchweg für alle Vorgänge nur eine, nämlich die längste Periode zu verwenden.

Der Wert des Arbeitsparameters in der Zwischenstufe kann beispielsweise ein für einen bestimmten Arbeitsvorgang vorgegebener Wert sein. Weiterhin sieht die Erfindung vor, daß der Wert des Arbeitsparameters in der Zwischenstufe in Abhängigkeit von der Größe der Grenzwertüberschreitung gewählt wird.

Ausgehend von der Erkenntnis, daß das zum Bewegen der Werkzeuge auf ihren Kreisbahnen erforderliche Drehmoment zum Schutz der Werkzeuge vor Überbeanspruchungen nicht zu groß werden darf, sieht die Erfindung vor, daß bei Überschreiten eines vorgegebenen Wertes dieses Drehmoments die Vorschubkraft bzw. Vorschubgeschwindigkeit herabgesetzt und/oder die Bahngeschwindigkeit der Werkzeuge jo erhöht wird.

Die Änderung des betreffenden Arbeitsparameters in dem angegebenen Sinn wird dabei zweckmäßig nur um einen solchen Betrag vorgenommen, der das Drehmoment gerade wieder unter den vorgegebenen Maximal- J5 wert bringt. Je nach den Gegebenheiten und dem zu bohrenden Gebirge kann dabei die Änderung des einen oder des anderen Arbeitsparameters Vorrang haben. Es kann z. B. erst die Bahngeschwindigkeit der Werkzeuge bis zu einem bestimmten Maximalwert gesteigert und dann die Vorschubgeschwindigkeit herabgesetzt werden oder umgekehrt erst ein Senken der Vorschubgeschwindigkeit bis zu einem bestimmten Mindestwert erfolgen und dann die Bahngeschwindigkeit heraufgesetzt werden. Darüber hinaus ist es auch möglich, beide Arbeitsparameter gleichzeitig kontinuierlich oder schrittweise zu ändern, bis das Drehmoment unter den Maximalwert gesunken ist.

Gegenstand der Erfindung ist weiterhin eine Vorrichtung, die einen mehrere Werkzeuge tragenden Bohrkopf, einen Drehantrieb für den Bohrkopf sowie einen Vorschubantrieb für diesen aufweist und die gekennzeichnet ist durch wenigstens einigen der Werkzeuge am Bohrkopf zugeordnete Kraftmeßeinrichtungen, einen diesen gegebenenfalls über Verstärker nachge- ^r>5 schalteten Maximalwert-Rechner sowie eine dessen Meßwert-Signale verarbeitende Operationseinrichtung, mittels derer der Vorschubantrieb und/oder der Drehantrieb des Bohrkopfes über Stellglieder beeinflußbar ist. mi

Mit besonderem Vorteil wird die Vorrichtung so ausgebildet, daß sie ein selbsttätiges Arbeiten ermöglicht.

Weitere zur Erfindung gehörende Merkmale des Verfahrens und der Vorrichtung sind Gegenstand der ts übrigen Patentansprüche. Im folgenden wird die Erfindung anhand des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Vorrichtung zum Großlochbohren in Form einer Tunnelbohrmaschine,

Fig.2 einen Teil eines Bohrkopfes mit Werkzeug, Werkzeughalterung und Meßaufnehmer,

F i g. 3 ein Kräftediagramm an einem Werkzeugkörper,

F i g. 4 eine perspektivische Darstellung der an einem Werkzeug angreifenden Kräfte mit Blick in Richtung des Pfeils A in F i g. 3 in für praktische Fälle zutreffenden Größenverhältnissen,

F i g. 5 eine im Prinzip der F i g. 4 entsprechende, der Deutlichkeit halber in anderer Ansicht und unmaßstäblich gezeichnete Darstellung der Kräfte,

Fig.6 eine Vorrichtung nach der Erfindung in weitgehend schematischer Darstellung und

F i g. 7 ein Diagramm zur Veranschaulichung von Arbeitsparameter-Änderungen.

Die in F i g. 1 gezeigte Tunnelbohrmaschine 1 weist zwei relativ zueinander verschiebbare Teile auf, nämlich eine Stützvorrichtung 2 und einen in dieser geführten Maschinenkörper 3. Die Stützvorrichtung 2 ist mit Hilfe von Stützschilden 4, die durch Hydraulikzylinder 5 radial ausgefahren werden können, an der Ausbruchswandung 6 festsetzbar. Der Maschinenkörper 2 trägt an seinem vorderen Ende einen in bekannter Weise drehbar gelagerten, mit Werkzeugen Wausgerüsteten Bohrkopf B, der über eine in Längsrichtung durch den Maschinenkörper 3 hindurchgehenden Welle 8 von Antriebsmotoren 9, die gegebenenfalls zusammen mit einem Getriebe am hinteren Teil 3ödes Maschinenkörpers angeordnet sind, mit einstellbarer Drehzahl antreibbar ist. Bei den Antriebsmotoren 9 kann es sich beispielsweise um Hydraulikmotoren oder auch um Elektromotoren handeln. Die Mittel zur Lieferung der Energie und zur Drehzahlverstellung solcher und anderer Antriebe sowie deren Anordnung und Unterbringung bei Tunnelbohrmaschinen und anderen Bohrvorrichtungen sind an sich bekannt, so daß hierauf nicht weiter eingegangen zu werden braucht.

Zum Vorschieben des Maschinenkörpers 3 relativ zu der mittels der Stützschilde 4 verspannten Stützvorrichtung 2 während des Bohrvorgangs dienen bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel Hydraulikzylinder 7, die sich zwischen der Stützvorrichtung 2 und dem vorderen Teil 3a des Maschinenkörpers 3 bzw. der daran angeordneten Bohrkopflagerung erstrecken und die von einer nicht dargestellten Quelle aus mit Hydraulikmedium von einstellbarer Menge bzw. einstellbarem Druck beaufschlagt werden, derart, daß der Bohrkopf B mit seinen Werkzeugen W mit wählbarer Vorschubkraft bzw. Vorschubgeschwindigkeit an die Ortsbrust IO angedrückt werden kann. Je nach der Bohrkopfdrehzahl ergibt sich bei konstanter Vorschubgeschwindigkeit eine bestimmte Eindringtiefe (Vorschubweg) je Werkzeug und Umdrehung.

Wie aus F i g. 2 ersichtlich ist, tritt z. B. bei Warzenrollen am einzelnen Werkzeug W, bezogen auf dessen Drehachse 11, jeweils eine statische Radialkraft Fradsiai. und eine Axialkraft F_ax auf. Diese ergeben eine normal zur Mantelfläche des Werkzeugkörpers 12 gerichtete Kraft F_vm die sich in eine Kraft F_v in Vortriebsrichtung, d. h. in Maschinen- und Tunnellängsrichtung, und eine dazu senkrechte Kraft F_q zerlegen läßt.

Durch die Drehung des Bohrkopfes B kommt eine tangential zur Werkzeug-Mantelfläche gerichtete Umfangs- oder Rollkraft F_r hinzu. Dadurch ergibt sich aus der Kraft F₁₇, (F i g. 2, 4 und 5) und der Kraft F_r eine

resultierende Gesamtkraft F_gt-_S. Die sich aus der statischen Radtalkraft F_r3dsm. und der Kraft F_r ergebende Resultierende ist in den F i g. 4 und 5 als dynamische Radialkraft F„ddyn. bezeichnet. Wie F i g. 4 für einen in der Praxis häufigen Fall erkennen läßt, sind hierbei ■> Kräfte Fradstat. bzw. F_v„ bzw. F_rad.d_yn. bzw. F_gcs untereinander annähernd von gleicher Größe und jeweils um ein Vielfaches höher als die Kräfte F_3x bzw. F_n so daß eine von ihnen oder auch eine noch ausreichend große Komponente einer dieser Kräfte als repräsentativ für die Werkzeugbeanspruchung angesehen werden kann.

F i g. 2 läßt zwei Beispiele für die Erfassung einer solchen die Werkzeugbeanspruchung repräsentierenden Kraft erkennen. Der Werkzeugkörper 12, der z. B. eine Warzenrolle, grundsätzlich aber auch eine Disken- oder Zahnrolle sein kann, ist in üblicher Weise drehbar auf einer lediglich durch ihre Mittellinie 11 angedeuteten Achse gelagert, deren Enden von einer Halterung 13 in Form eines sogenannten Sattels aufgenommen sind. Die Halterung 13 ist mit ihrem Flansch 14 an die >o Strinfläche einer fest mit dem Bohrkopf B verbundenen und sich in diesen hinein erstreckenden zylindrischen Büchse 15 angeschraubt und greift mit einem unterhalb des Flansches 14 befindlichen, entsprechend zylindrischen und ringförmigen Ansatz 16 passend in die Hülse ι > 15 ein. Ein im Inneren des Ansatzes 16 liegender vertiefter Wandungsteil 17 der Halterung 13 erfährt beim Arbeiten des Werkzeugs W eine geringe, aber meßbare Verformung, die ein Maß für die Beanspruchungskraft ist und mittels eines Meßaufnehmers 18 in jo Form einer Dehnungsmeßstreifenanordnung od. dgl. mit Anschlußkabel ständig erfaßt werden kann. Eine andere vorteilhafte Möglichkeit der Messung der Beanspruchungskraft besteht darin, daß im Bohrkopf B ein dem Werkzeug W zugeordneter Meßaufnehmer 20, r> z. B. ein induktiver oder piezoelektrischer Aufnehmer, fest installiert ist, so daß er auch bei einem Auswechseln des Werkzeugs Wan seiner Stelle verbleiben kann. Zur Beeinflussung des Meßaufnehmers 20 kann dann z. B. ein von der Wandung 17 der Halterung 13 ausgehender, -to mit seiner Stirnfläche auf den Meßaufnehmer wirkender Ansatz 19 dienen.

Die von den Meßaufnehmern der einzelnen Werkzeuge des Bohrkopfes B abgegebenen Signale für die in der weiteren Beschreibung jeweils mit dem Buchstaben P 4~> bezeichnete Beanspruchungskraft können verstärkt und durch eine Schleifringanordnung oder insbesondere einen berührungslos arbeitenden Übertrager vom Bohrkopf B auf den sich nicht drehenden Teil der Vorrichtung, so z. B. auf den Maschinenkörper 3 der 5» Maschine nach F i g. 1, weitergeleitet und dort angezeigt und/oder ausgewertet werden. Eine zur Speisung der Meßaufnehmer und Verstärker sowie gegebenenfalls weiterer im Bohrkopf untergebrachter Einrichtungen kann z. B. unter Ausnutzung der Bohrkopfdrehung » durch einen Generator oder über einen Transformator von dem sich nicht drehenden Teil aus oder durch eine im Bohrkopf untergebrachte Batterie bzw. einen Akkumulator od. dgl. erfolgen. Letzterer kann bei Stillstand der Maschine nachladbar sein. Dies geschieht mi vorteilhaft so, daß der Bohrkopf in einer vorgegebenen Winkelstellung stillsetzbar ist und daß dann über eine insbesondere automatisch herstellbare Steckverbindung zwischen Bohrkopf und Maschinenkörper ein Ladestrom von einer Stromquelle zum Akkumulator geleitet t» wird.

In Fig.6 ist eine Vorrichtung dargestellt, mittels derer eine vorteilhafte selbsttätige Durchführung von Bohrvorgängen bei Vermeidung unerwünschter Werkzeugbeanspruchungen möglich ist. In der Zeichnung sind dabei im Bereich unter dem Buchstaben B die an oder in dem sich drehenden, die Werkzeuge W tragenden Teil (Bohrkopf od. dgl.) angeordneten Elemente und im Bereich unter dem Buchstaben M die an oder in einem sich nicht drehenden Teil (Maschinenkörper, Bedienungsstand, Nachläufer od. dgl.) der Vorrichtung angeordneten Elemente wiedergegeben. Bei der Tunnelbohrmaschine nach F i g. 1 können die letzteren beispielsweise in einem Gehäuse G oder auch im hinteren Teil 3a des Maschinenkörpers untergebracht sein.

An den Werkzeugen Wwerden durch Meßaufnehmer 20, z. B. solche der in F i g. 2 gezeigten oder auch anderer Art, laufend die Beanspruchungskräfte P gemessen. Die von den Meßaufnehmern 20 gelieferten Signale werden in den einzelnen Kanälen durch Verstärker 21 verstärkt und einem Maximalwert-Rechner 22 zugeführt. Dabei werden vorteilhaft sämtliche vorhandenen Kanäle ständig gleichzeitig und kontinuierlich abgefragt oder erfaßt. Es kann aber auch zweckmäßig sein, das Abfragen nach der Multiplex-Methode zu tun und einen Speicher vorzusehen, aus dem die Meßwerte der vorhandenen Kanäle für die Weiterverarbeitung in vorgebbarer Weise abgerufen werden.

Der Maximalwert-Rechner 22 ermittelt laufend die größte Kraft P_max des jeweils am höchsten belasteten Werkzeugs und errechnet bei der gezeigten Ausführung außerdem auch die zeitliche Änderung der Beanspruchungskraft in Form eines den Kraftanstieg bei auftretenden Stoßen usw. beschreibenden Steilheitsmeßwertes ¹T- = P. Über einen Sender 23 wird jeweils

nur der vom Rechner 22 ausgewählte größte Kraftwert P_max und der größte Steilheitswert P_mai an einen Empfänger 24 weitergegeben, von dem aus das Kraftwert-Signal für P_max und das Steilheitswert-Signal für P_max zwei Vergleichern 25 und 35 für diese Größen zugeleitet werden.

Die Datenübertragung vom Sender 23 zum Empfänger 24 geschieht vorteilhaft drahtlos. Dies kann nach dem an sich bekannten Prinzip einer Frequenzmodulation (FM) oder insbesondere auch nach dem Prinzip der Amplitudenmodulation (AM), namentlich in Form des Puls-Code-Verfahrens (PCM) geschehen. Der Maximalwert-Rechner 22 oder ein ihm zugeordnetes Glied enthält dann einen Konverter, in dem analoge Meßwert-Signale in digitale Signale umgewandelt werden. Solche Signale können auch bei kleinen Leistungen störungsunempfindlich übertragen weroen.

Der Vergleicher 25 für die Kraftwerte läßt alle diejenigen Kraftwert-Signale P durch, die einen vorgegebenen Grenzwert P/,_m überschreiten (P > Pn_n,). Die Höhe dieses Grenzwertes Pn_n, ist zweckmäßig im Vergleicher 25 einstellbar. Dabei kann auch ein Sicherheitsfaktor * berücksichtigt werden (0 < χ < 1), derart, daß der am Vergleicher eingestellte Grenzwert Pum etwa kleiner ist als ein an sich als zulässig erachteter Wert.

Entsprechendes gilt für den zweiten Vergleicher 35, d. h., dieser läßt alle Steilheitswert-Signale P durch, die einen vorgegebenen Grenzwert Pn_m überschreiten (P > Pum)· Der Grenzwert P/,_m ist auch hier zweckmäßig einstellbar, gegebenenfalls unter Berücksichtigung eines Sicherheitsfaktors.

Die vom Vergleicher 25 durchgelassenen, den

vorgegebenen Grenzwert Pn_n, überschreitenden Kraftwert-Signale gelangen zu einem Regler 26, der ein ihm nachgeschaltetes Stellglied 27 für die Einstellung bzw. Änderung der Vorschubgeschwindigkeit s beeinflußt. Handelt es sich beim Vorschubantrieb der Bohrvor- ^r> richtung z. B. um Hydraulikzylinder (vgl. Zyliner 7 in Fig. 1), so kann das Stellglied 27 ein bekanntes Gerät zur Verstellung der Drehzahl eines Antriebsmotors für eine Hydraulikmedium zu den Zylindern liefernde Pumpe sein. Entsprechendes gilt für andere Vorschub- in antriebe.

Der Regler 26 bewirkt eine Herabsetzung der Vorschubgeschwindigkeit s, wenn er vom Vergleicher 25 Signale für den Grenzwert Pn_n, überschreitende Kraftwerte P erhält. Für das Verhalten des Reglers 26 ι ■> bestehen dabei verschiedene Möglichkeiten, die durch entsprechende Ausbildung des Reglers mit den im Reglerbau zur Verfügung stehenden Mitteln verwirklicht werden können (z. B. P-Verhalten, D-Verhalten, PID-Verhalten od. dgl.). In einem einfachen Fall kann vorgesehen werden, daß der Regler 26 beim Auftreten einer Grenzwertüberschreitung durch einen Kraftwert die Vorschubgeschwindigkeit s jeweils auf einen fest vorgegebenen Wert S\ herabgesetzt, der einer unterhalb eines gegenüber der aufgetretenen Beanspruchung als zulässig erachteten Wertes P_2Ui liegenden Größe der Beanspruchungskraft P entspricht (P < P_zui), was sich aufgrund von Erfahrungswerten bestimmen läßt oder gegebenenfalls durch Versuche ermittelt werden kann. Das Verhalten des Reglers 26 kann aber auch so sein, sn daß dieser eine umso stärkere Herabsetzung der Vorschubgeschwindigkeit s auslöst, je höher der ihm mitgeteilte Kraftwert P über dem Grenzwert P/,_m oder über einem jeweils in Abhängigkeit von einer unmittelbar voraufgegangenen Beanspruchung ermit- J5 telten, gegenüber dieser als zulässig erachteten Wert P_zui (bzw. χ ■ P₂Ui, wenn ein Sicherheitsfaktor χ vorgesehen wird) liegt.

Nach einer erfolgten Herabsetzung der Vorschubgeschwindigkeit i auf beispielsweise einen Wert ii kann die Maschine mit diesem Wert weiterarbeiten, wobei die Werkzeugbeanspruchung in dem für zulässig erachteten Bereich bleibt. Fallen dann die aufgetretenen Störungen weg, die zur Vorschubverminderung geführt haben, wird also z. B. das von den Werkzeugen bearbeitete Gebirge nach vorübergehend aufgetretenen harten Stellen wieder weicher, so ist es erwünscht, die Vorschubgeschwindigkeit zu steigern, um die Leistung der Maschine und der Werkzeuge den neuen Bedingungen anzupassen und entsprechend auszunutzen. Ein solches Heraufsetzen der Vorschubgeschwindigkeit kann durch den Bedienungsmann der Maschine, insbesondere aber durch geeignete Ausbildung der Vorrichtung selbsttätig erfolgen und ist dabei auf verschiedene Weise durchführbar.

Die Vorrichtung kann außer den oder anstelle der vorstehend für die Änderung der Vorschubgeschwindigkeit bzw. der Vorschubkraft in Abhängigkeit vom Überschreiten des Kraftgrenzwertes Pn_n, beschriebenen Elemente entsprechende Elemente für die Änderung ω der Drehzahl in Abhängigkeit von Überschreitungen des Steilheits-Grenzwertes Pu_n, enthalten, wie dies auch in Fig.6 gezeigt ist. Ein Drehzahlregler 36, der ein Stellglied 37 für die Verstellung der Bohrkopfdrehzahl beeinflussen kann, etwa durch Einwirkung auf den oder b5 die Versorgungseinrichtungen für die Antriebsmotoren (vgl. Motoren 9 in Fig. 1), setzt bei Grenzwertüberschreitung von P die Bohrkopfdrehzahl herab. Dabei bestehen grundsätzlich die gleichen Möglichkeiten, wie sie vorstehend in Verbindung mit der Änderung der Vorschubgeschwindigkeit beschrieben worden sind, so daß eine nochmalige Erläuterung mit Bezug auf die Drehzahländerung sich hier erübrigt.

Bei der in F i g. 6 gezeigten Ausführung der Vorrichtung sind an die Vergleicher 25 und 35 zwei Rechner 29 und 39 angeschlossen, die außerdem mit dem Drehzahlstellglied 37 oder einem anderen, in Abhängigkeit von der Bohrkopfdrehzahl arbeitenden Element in Verbindung stehen. Mittels der Rechner 29 und 39 können geeignete Werte für die Vorschubgeschwindigkeit s und Drehzahl π nach Maßgabe der jeweiligen Situation ermittelt und den Reglern 26 und 36 zur Verarbeitung zugeleitet werden.

Anhand der F i g. 7 werden nachstehend Beispiele für das Arbeiten der Vorrichtung nach Fig.6 näher erläutert. Dabei zeigt die obere Hälfte der F i g. 7 die Vorschubgeschwindigkeiten und die untere Hälfte der F i g. 7 die zugehörigen Kräfte jeweils über der Zeit aufgetragen. Es sei angenommen, daß mittels eines Bohrgerätes (vgl. Fig. 1) eine Bohrung in Kalkstein oder einem Gebirge ährlicher Beschaffenheit aufgefahren werden soll. Füi die Werkzeuge am Bohrkopf kann dabei aufgrund von Erfahrungswerten eine bestimmte Beanspruchungskraft Pu_n, als Grenzwert zugelassen werden, die für den durchzuführenden Arbeitsvorgang am Vergleicher 25 eingestellt wird und der eine Grenz-Vorschubgeschwindigkeit Si,_m entspricht. Falls keine Störung (z. B. in Form von Stoßen durch harte Einschlüsse od. dgl.) auftritt, kann diese Vorschubgeschwindigkeit während des Arbeitsvorgangs beibehalten werden.

F i g. 7 zeigt nun einen zum Zeitpunkt t] aufgetretenen Stoß, wie er etwa durch Auftreffen eines Werkzeugs aul einen im weichen Gebirge eingeschlossenen harten Stein bedingt sein kann. Die Beanspruchungskraft F überschreitet dabei den am Vergleicher 25 eingestellten Grenzwert Pu_n, so daß der Regler 26 eine Herabsetzung der Vorschubgeschwindigkeit auf einen Wert Si bewirkt, der einem Kraftwert P\ entspricht, welcher unterhalb eines Wertes χ ■ P_Uui liegt, wobei Pi₂Ui derjenige Kraftwert ist, der bei der eingetretenen Störung für die Werkzeuge noch als zulässig erachtet wird und wobei λ einen z. B. 0,9 betragenden Sicherheitsfaktor darstellt, Der an den Vergleicher 25 angeschlossene Vorschubrechner 29 hat von diesem den bei der Störung aufgetretenen Wert P > Pu_n, erhalten und nach dem ihm eingegebenen gewünschten Programm den Wert s\ errechnet und diesen dem Vorschubregler 26 zugeleitet Das Rechenprogramm bzw. die Regelung kann so sein daß die Senkung der Vorschubgeschwindigkeit um so größer ist, je höher der den Grenzwert übersteigende Kraftwert P bei der aufgetretenen Störung ist. In der oberen Hälfte der F i g. 7 sind die den Werten Px₂Ui bzw x · Pwui entsprechenden Werte der Vorschubgeschwindigkeit mit iizu/bzw. χ · k\_2aibezeichnet.

Nach erfolgter Senkung der Vorschubgeschwindigkeit auf den Wert s\ veranlaßt der Regler 26 wiederum eine Erhöhung der Vorschubgeschwindigkeit, und zwai zunächst auf eine Zwischenstufe mit dem vom Rechnet 29 gelieferten Wert χ ■ S\_2Ui entsprechend der Beanspruchungskraft χ ■ Puui. Die Vorschubgeschwindigkeii wird wenigstens über eine Periode 2 n/a auf diesen" Wert gehalten. Für die Darstellung in F i g. 7 isi angenommen, daß es sich um einen Bohrkopf handelt bei dem auf ein und derselben Kreisbahn zwe Werkzeuge laufen, die einen Winkelabstand von 180°

haben. Das zweite Werkzeug würde somit nach einer vom Zeitpunkt fi an gerechneten Periode von der Größe Ji\ (deren Zeitdauer durch die Bohrkopfdrehzahl bestimmt wird) auf den vom ersten Werkzeug erfaßten Einschluß auftreffen, sofern di( ser noch vorhanden ist. Deshalb wird die genannte Periode abgewartet, ehe eine weitere Steigerung der Vorschubgeschwindigkeit vom Regler 26 bewirkt wird. Die bekannte Anzahl der bei dem eingesetzten Bohrkopf auf einer Kreisbahn laufenden Werkzeuge wird vor Beginn der Arbeit dem Rechner 29 eingegeben. Da diesem vom Drehzahlstellglied 37 außerdem die Bohrkopfdrehung mitgeteilt wird, kann er die gewünschte Wartezeit von einer oder gegebenenfalls auch mehreren Perioden 2 nla bestimmen und den Regler 26 entsprechend beeinflussen. Wiederholt sich die Störung nicht mehr, so kann der Regler 26 die Vorschubgeschwindigkeit dann bis zum ursprünglichen Wert si,_m (entsprechend Pu_m) erhöhen, wie dies der gestrichelte Teil der Kurve in F i g. 7 zeigt

In Fig.7 ist als Beispiel weiterhin der Fall veranschaulicht, daß zu einem Zeitpunkt h bei einer noch unter χ · S!_ZU/ liegenden Vorschubgeschwindigkeit eine zweite Störung auftritt, die eine entsprechende Beanspruchungskraft P hervorruft. Diese ist trotz der herabgesetzten Vorschubgeschwindigkeit verhältnismäßig groß, was z. B. bedeutet, daß sie durch einen noch härteren Einschluß im sonst verhältnismäßig weichen Gebirge bedingt ist. Der Rechner 29, der den entsprechenden Wert vom Vergleicher 25 erhalten hat, kann dies berücksichtigen und veranlaßt den Regler 26, die Vorschubgeschwindigkeit auf einen Wert «2 herabzusetzen, der einer Kraft P2 entspricht, die unterhalb einer für diese zweite Störung als zulässig erachteten Kraft χ ■ Pizui liegt, wobei die letztere auch kleiner ist als die Kraft χ · P\_ZUl· Der zugehörige Wert der Vorschubgeschwindigkeit ist mit χ ■ ^zu/bezeichnet.

Mit dem Zeitpunkt i2 beginnt auch eine neue Periodenfolge it\\, die gegenüber der zur ersten Störung gehörenden Periodenfolge jti entsprechend versetzt ist und nun für die anschließende Erhöhung der Vorschubgeschwindigkeit allein maßgebend ist. Wie F i g. 7 erkennen läßt, wird auf der Zwischenstufe χ ■ S2_ZU/ zunächst die Vollendung einer Periode ttn abgewartet und dann erst bei Ausbleiben der Störung die Vorschubgeschwindigkeit wieder auf den ursprünglichen Wert sn_m erhöht. Wäre die Störung zum Zeitpunkt πιι noch vorhanden, so würde die Regeleinrichtung die Vorschubgeschwindigkeit jeweils für eine weitere Periodendauer π auf dem Wert χ · hzui halten, bis schließlich die Störung nicht mehr vorhanden ist und dann die Vorschubgeschwindigkeit auf den ursprünglichen Wert gebracht werden kann.

Für die Erhöhung der Vorschubgeschwindigkeit i nach vorausgegangener Absenkung können auch mehrere Stufen vorgesehen werden. Während es beim Auftreten einzelner Stöße zweckmäßig sein kann, die Erhöhung der Vorschubgeschwindigkeit schrittweise vorzusehen, kann es bei häufigen Stößen auch vorteilhaft sein, die Vorschubgeschwindigkeit geradlinig oder kontinuierlich zu steigern, jeweils unter Berücksichtigung der für die Gegebenheiten als zulässig erachteten Größe der Beanspruchungskraft. Dies läßt sich durch einen entsprechenden Algorithmus für die Regeleinrichtung verwirklichen.

Vorstehend wurde erläutert, wie bei einer Überschreitung des Kraftgrenzwertes die Vorschubgeschwindigkeit geändert, d. h. gesenkt und hernach wieder erhöht wird. Statt der Geschwindigkeit des Vorschubs kann in entsprechender Weise auch die Vorschubkraft geändert werden, z. B. bei hydraulischen Vorschubantrieben durch Änderung des Drucks des Hydraulikmediums, wenn dies bei dem betreffenden Einsatzfall zweckmäßig erscheint.

Die vorstehenden Darlegungen hinsichtlich der Änderung des Vorschubs bei auftretenden Störungen gelten sinngemäß auch für die Änderung der Bohrkopfdrehzahi mittels des Rechners 39 und des Reglers 36 bei den Grenzwert überschreitenden Steilheitswerten P> Pum. Das Gesagte trifft sinngemäß weiterhin zu, wenn in Abhängigkeit von Grenzwertüberschreitungen bei den Steilheitswerten die Vorschubkraft bzw. Vorschubgeschwindigkeit geändert werden soll oder wenn in Abhängigkeit von Grenzwertüberschreitungen bei den Beanspruchungskräften die Drehzahl geändert werden soll.

Wie aus F i g. 6 ersichtlich ist, weist die Vorrichtung weiterhin noch eine Meß- bzw. Überwachungseinrichtung 41 für das Antriebsdrehmoment des Bohrkopfes B auf. Handelt es sich bei dem Bohrkopfantrieb z. B. um einen Hydraulikmotor, so kann die Überwachungseinrichtung ein Druckwächter sein, der auf einen vorgegebenen, einem bestimmten Drehmoment entsprechenden Maximaldruck anspricht und ein Signal gibt. Dieses wird einem Koordinierungsrechner 42 zugeleitet, der den Vorschubregler 26 und den Drehzahlregler 36 beeinflussen kann, um den Befehl zu geben, die Vorschubgeschwindigkeit s herabzusetzen und/oder die Drehzahl η zu erhöhen, bis das Drehmoment wieder unter den Maximalwert gesunken ist. Der Koordinierungsrechner 42 kann dabei nach bestimmtem Programm arbeiten und entscheiden, ob bei einer gegebenen Situation erst die Vorschubgeschwindigkeit bis zu einem Minimalwert herabgesetzt oder erst die Drehzahl bis zu einem Maximalwert erhöht wird, ehe die andere Größe eine Änderung erfährt, oder ob beide Größen in bestimmtem Ausmaß gleichzeitig geändert werden.

Alle in der vorstehenden Beschreibung erwähnten bzw. in der Zeichnung dargestellten Merkmale sollen, sofern der bekannte Stand der Technik es zuläßt, für sich allein oder auch in Kombinationen als unter die Erfindung fallend angesehen werden.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Antriebssteuerung von Bohrköpfen, auf denen planetenartig um die Streckenachse i rotierende Rollenbohrer angebracht sind, insbesondere von Bohrköpfen zum Bohren von Großbohrlöchern, wobei die Arbeitsparameter (Vorschubkraft bzw. -geschwindigkeit und Bahngeschwindigkeit der Bohrwerkzeuge) zumindest in mittelbarer Abhän- ι ο gigkeit von den auf den Bohrkopf wirkenden, von der Gesteinsfestigkeit und -beschaffenheit abhängigen Kräften gesteuert werden, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens bei einigen der Bohrwerkzeuge (W) in an sich bekannter Weise deren Beanspruchung repräsentierende Kräfte und/oder zeitliche Änderungen solcher Kräfte ermittelt werden, daß diese Werte automatisch laufend mit einem vorgegebenen Grenzwert verglichen werden und daß bei Überschreitung dieser >o Grenzwerte wenigstens einer der Arbeitsparameter automatisch in seiner Größe verändert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweils höchste, den vorgegebenen Grenzwert übersteigende Wert als maßgebender Wert für die Änderung des bzw. der Arbeitsparameter verwendet wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Überschreiten des Grenzwertes für die Kraft die Vorschubkraft bzw. jo Vorschubgeschwindigkeit herabgesetzt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Überschreiten des Grenzwertes für die Kraft die Bahngeschwindigkeit der Werkzeuge heraufgesetzt wird. js

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Überschreiten des Grenzwertes für die zeitliche Änderung der Kraft die Vorschubkraft bzw. Vorschubgeschwindigkeit herabgesetzt wird. 4u

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei Überschreiten des Grenzwertes für die zeitliche Änderung der Kraft die Bahngeschwindigkeit der Werkzeuge herabgesetzt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei Herabsetzung der Vorschubkraft bzw. Vorschubgeschwindigkeit die Bahngeschwindigkeit der Werkzeuge im wesentlichen konstant gehalten wird bzw. bei Änderung der Bahngeschwindigkeit der Werkzeuge die Vorschubkraft im wesentlichen konstant gehalten wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei Überschreiten des jeweiligen Grenzwertes der betreffende Arbeitsparameter (Vorschubkraft bzw. Vorschubgeschwindigkeit oder Bahngeschwindigkeit der Werkzeuge) auf einen vorbestimmbaren oder einen in Abhängigkeit von der Größe der Grenzwertüberschreitung gewählten Wert gebracht wird, dem eine geringere ω als die für zulässig erachtete Werkzeugbeanspruchung entspricht, und daß hierauf eine weitere Änderung der Größe dieses Arbeitsparameters im entgegengesetzten Sinne vorgenommen wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte weitere Änderung der Größe des Arbeitsparameters kontinuierlich vorgenommen wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei der genannten weiteren Änderung der Größe des Arbeitsparameters wenigstens eine Zwischenstufe mit etwa konstant bleibendem Wert dieser Größe eingehalten wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß von der Zwischenstufe aus eine anschließende Änderung des Arbeitsparameters in dem genannten Sinn erst dann vorgenommen wird, wenn seit dem Auftreten der Grenzwertüberschreitung mindestens eine Periode von InIa ohne erneute Grenzwertüberschreitung vollendet ist, wobei »2 π« einen vollen Bahnkreis eines Werkzeugs und »a« die Anzahl von auf einer Kreisbahn laufenden Werkzeugen bedeutet.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert des Arbeitsparameters in der Zwischenstufe ein vorgegebener Wert ist

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert des Arbeitsparameters in der Zwischenstufe in Abhängigkeit von der Größe einer auftretenden Störung gewählt wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß bei Überschreiten eines vorgegebenen Wertes des zum Bewegen der Werkzeuge auf ihren Kreisbahnen erforderlichen Drehmoments die Vorschubkraft bzw. Vorschubgeschwindigkeit herabgesetzt und/oder die Bahngeschwindigkeit der Werkzeuge erhöht wird.

15. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 14 mit einem mehrere Werkzeuge tragenden Bohrkopf, einem Drehantrieb für den Bohrkopf und einem Vorschubantrieb für diesen, gekennzeichnet durch wenigstens einigen der Werkzeuge (W) am Bohrkopf (B) zugeordnete, an sich bekannte Kraftmeßeinrichtungen (18, 20), einen diesen gegebenenfalls über Verstärker (21) nachgeschalteten Maximalwert-Rechner (22) sowie eine dessen Meßwert-Signale verarbeitende Operationseinrichtung, mittels derer der Vorschubantrieb (7) und/oder der Drehantrieb (9) des Bohrkopfes (B) über Stellglieder (27, 37) beeinflußbar ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Operationseinrichtung wenigstens einen Vergleicher (25; 35) zur Ermittlung und Weitergabe derjenigen von ihm zugeführten Meßwert-Signalen, die einen vorgegebenen Grenzwert (Pum; Pum) übersteigen, sowie eine mit den vom Vergleicher (25; 35) durchgelassenen, den Grenzwert übersteigenden Meßwert-Signalen gespeiste Steuer- oder Regeleinrichtung (26; 36) enthält.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch einen Vorschubregler (26), mittels dessen in Abhängigkeit vom Auftreten von den Grenzwert (Pum) überschreitenden Kraftmeßwerten (P) die Vorschubkraft bzw. Vorschubgeschwindigkeit (s) auf einen Wert (s\) regelbar ist, der einem unterhalb des Kraftgrenzwertes (Pn_n,) liegenden Kraftwert (P\) entspricht.

18. Vorrichtung nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch einen Drehzahlregler, mittels dessen in Abhängigkeit vom Auftreten von den Grenzwert (Pum) überschreitenden Kraftmeßwerten (P) die Bohrkopfdrehzahl (n) auf einen Wert regelbar ist, der einem unterhalb des Kraftgrenzwertes (P/im)

liegenden Kraftwert entspricht.

19. Vorrichtung nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch einen Vorschubregler, mittels dessen in Abhängigkeit vom Auftreten von den Grenzwert (Plan) überschreitenden, die zeitliche Änderung der -, Kraft darstellenden Steilheitsmeiiwerten (P) die Vorschubkraft bzw. Vorschubgeschwindigkeit (s) auf einen Wert regelbar ist, der einem unterhalb des Steilheitsgrenzwertes (Pu_m) liegenden Wert entspricht. Ill

20. Vorrichtung nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch einen Drehzahlregler (36), mittels dessen in Abhängigkeit vom Auftreten von den Grenzwert (Pan) überschreitenden, die zeitliche Änderung der Kraft darstellenden Steilheitsmeßwerten (P) die η Bohrkopfdrehzahl (n) auf einen Wert regelbar ist, der einem unterhalb des Steilheitsgrenzwertes (Pi;_m) liegenden Drehzahlwert ^entspricht.

21. Vorrichtung nach den Ansprüchen 15 und 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Operationseinrichtung wenigstens einen mit dem Vergleicher (25 bzw. 35) und mit einem die Bohrkopfdrehzahl angebenden Element, insbesondere dem Stellglied (37) für die Bohrkopfdrehzahl (n), verbundenen Rechner (29 bzw. 39) enthält, mittels dessen der Steuer- oder Regeleinrichtung (26 bzw. 36) die einzustellenden bzw. einzuregelnden Werte für die Vorschubkraft bzw. Vorschubgeschwindigkeit (s) und/oder Bohrkopfdrehzahl (n^ vorgebbar sind.

22. Vorrichtung nach den Ansprüchen 15 und 16, jo dadurch gekennzeichnet, daß die Operationseinnchtung wenigstens ein Zeitglied zur Berücksichtigung wenigstens einer Periode von 2 nla beim Arbeiten der Steuer- oder Regeleinrichtung enthält, wobei »2 π« den vollen Umlauf eines Werkzeugs (W) auf J5 seiner Kreisbahn und »a« die Anzahl der auf einer Kreisbahn laufenden Werkzeuge (W)bedeutet

23. Vorrichtung nach den Ansprüchen 21 und 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechner (29 bzw. 39) das Zeitglied enthält oder bildet.

24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 23, gekennzeichnet durch eine Meß- bzw. Überwachungseinrichtung (41) für das Antriebsmoment des Bohrkopfes (B) und eine von dieser beeinflußbare Steuer- oder Regeleinrichtung (42), mittels derer bei Oberschreiten eines vorgegebenen Maximalwertes des Antriebsdrehmoments die Vorschubkraft bzw. Vorschubgeschwindigkeit herabsetzbar und/oder die Drehzahl heraufsetzbar ist

25. Vorrichtung nach Anspruch 24, gekennzeichnet durch einen einem Vorschubregler (26) und einem Drehzahlregler (36) vorgeschalteten Koordinierungsrechner (42).

26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche Ϊ5 bis

25, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (23, 24) zur drahtlosen Übertragung von Meßwert-Signalen von Bohrkopf (B) auf einen ihn tragenden Teil (3) der Vorrichtung.

27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis

26, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßaufnehmer t>o (18) für die Kraftmessung an oder in den Werkzeugen (W) oder deren Lagerung bzw. Halterung angeordnet ist

28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßaufnehmer b5 (20) für die Kraftmessung im Bohrkopf (B) angeordnet sind.

29. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis

28, gekennzeichnet durch einen den jeweils größten von gleichzeitig erfaßten Meßwerten ermittelten und liefernden Maximalwert-Rechner (22).

30. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis. 28, gekennzeichnet durch einen den jeweils größten von im Multiplex-Verfahren erfaßten und gespeicherten Meßwerten ermittelnden und liefernden Maximalwert-Rechner (22).