DE2822501A1 - Gesteinsschneidewerkzeug - Google Patents

Description

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The Secretary of Jtate for Transport in Her Britannic Majesty's Government of the United Kingdom of Great Dritain and Horthern Ireland, 2 Marsham Street London 3VcIP 3EE, England

Gesteinsschneidewerkzeu^

Die Erfindung betrifft ein Gesteinsschneidewerkzeug nach dem Oberbegriff des Iiauptanspruchs.

Ein besonderes Anwendungsgebiet der Erfindung sind Tunnelvortriebsmascninen, jedoch kann das erfindungsgeiriäße Iverkzeuj;: gleichermaßen zum Schachtbohren, sur Herstellung von Bohrlöchern und auf dem Gebiet des Bergbaus

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und des Gesteirisausbruches im allgemeinen Anwendung finden.

Die Erfindung besieht sich auf ein Gesteinsschneidewerkzeug der Bauart mit Schneidscheiben. Bei einer Schneidscheibe handelt es sich um eine drehbare Scheibe, die an inrarti umfang eine Schneidkante trägt, die im allgemeinen durch einen im Querschnitt V-föricigen Ring gebildet ist. ^eispielsweise beim Tunnelvortrieb ist eine Vielzahl derartiger Gesteinsschneidewerkzeuge an dem umlaufenden Vortriebskopf einer Tunne!vortriebsmaschine angeordnet, wobei die Drehachsen der verschiedenen Gesteinsschneidewerkzeuge im allgemeinen radial mit Bezug auf die Umlaufachse des Vortriebskopfes verlaufen. Beim Tunnelvortrieb wird auf den Vortriebskopf eine Schubkraft ausgeübt, welche die Jchneidkanten der Gesteineschneidewerkzeuge gegen das abzutragende Gestein preßt, während die Werkzeuge durch aie Drehbewegung des Vortriebskopfes um die Vortriebskopfachse umlaufen, so daß die Schneidkanten der Schneidscheiben auf kreisförmigen Bahnen auf dem Gestein abrollen und dieses dadurch abtragen.

Derartige Anordnungen, bei welchen jedes Gesteinsschneidewerkzeug eine einzige Schneidscheibe aufweist, werden schon seit vielen Jahren für den Gesteinsabbau benützt.

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Neuerdings sind jedoch Doppelscheiben-Gesteinsschneidewerkzeuge in Gebrauch gekommen, d.h. ".verkzeuge, die jeweils zv/ei parallel angeordnete Schneids eheiben aufweisen. £s hat sich gezeigt, daß durch Verwendung derartiger Werkzeuge bei gleichen Vortriebsmaschinen höhere Abb auleistunken als bei "Werkzeugen mit jeweils nur einer einzigen Schneidscheibe erzielbar sind.

Bisher lehnt sich die Konstruktion von Doppels eheiben-Gesteinsschneidewerkzeugen eng an diejenige der herkömmlichen üinscheibenwerkzeuge an, und die Schneidscheibe!! sind auf einer Welle angeordnet, die an ihren beiden linden mittels eines Haltejoches bzw. einer rialtegabel gehaltert ist,-mit dem bzw» der das Werkzeug am Vortriebskopf einer Tunnelbohrmaschine, einer Schachtbohrmaschine oder dergl, befestigbar ist. Mit dieser Konstruktion lassen sich sehr kräftige und robuste Werkzeuge herstellen, und es war die bisher in den einschlägigen Fachkreisen herrschende Meinung, daß diese Konstruktionsart im Hinblick auf die Größe der auf die Werkzeuge beim Gesteinsabbau wirkenden Kräfte unbedingt erforderlich sei. Beispielsweise betragen die mittleren Radialkräfte, denen die Schneidscheiben durch den Vorwärtsschub moderner Tunnelvortriebsmaschinen ausgesetzt sind, im Bereich von bis zu 20 Mp. Intermettierende oder stoßartige Belastungen können dieses Maß leicht um einen Faktor von 1,5 oder mehr erhöhen.

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Heuere Untersucnuncen zeigen jedoch, daß das günstigste Verhältnis von Mascninenleistungsaufnahme zu Vortriebsgeschwindigkeit (oder in anderen Worten aer r.iinimale spezifiscne Energiebedarf für den Gesteinsaboau) bei einer typischen modernen Tunnelvortriebsmaschine, die rr.it ochneidscheibenwerkzeugen (Einscheiben- oder Doppelscheioenwerkzeugen) ausgerüstet ist, bei einer gegebenen VortrieDSkopfdrehzahl bei einem Leisturi^sverbrauch auftritt, der beträchtlicn niedriger als die tatsäcnlicn in der Praxis typischer;-.^reise angewendete uetriebsleistungsaufnahrne ist und dementsprechend auch niedrigere iverkzeugbelastungeri beaeutet. Wenn die Gcnneidscheiben bisner mittleren i-iadialbelastungen im Lereich von. 2'ü Mp ausgesetzt sind, kann diese Belastung bei Betrieb mit dem minimalen spezifischen üchneidenergieverbraucn auf beispielsweise 8 Mp reduziert v/erden. Diese Tatsache eröffnet die HöglicnKeit, auch andere Werkzeug-Konstruktionsformen anzuwenden, die man bisher als festigkeitsmäßig unzureichend betrachtet haben würde₀

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gesteinsschneidewerkzeug der eingangs genannten Art kompakter als bei bekannten Konstruktionen auszubilden.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs angegebene Anordnung gelöst, _80985Q/07₁₀

Durch die erfindungsgemäße Art der Verbindung des Trägerkörpers mit dem Gestell läßt sich die bisher übliche und für die bekannten Konstruktionen charakteristische Befestigung des Gestells an beiden Enden des Trägerkörpers vermeiden, so daß bei gleichem Schneidscheibendurchr.tesser und gleichern Schneids cheibenabstand das erfindungs gemäße Werkzeug, in Richtung der Schneids"cheibenachse gernessen, wesentlich kürzer als die bekannten Konstruktionen und demzufolge auch wesentlich leichter als diese ausgebildet werden kann. Die Verringerung des Platzbedarfs des erfindungsgemäßen Werkzeugs ist besonders insofern vorteilhaft, da hierdurch an einem gegebenen Vortriebskopf eine größere Anzahl von Werkzeugen als bei den bekannten Werkzeugkonstruktionen angeordnet werden kann, was bei gleienen übrigen Parametern höhere Gesteinsabbauleistungeri ergibt. Zusätzlich oder alternativ dazu ist aufgrund des verringerten Platzbedarfs des erfindungsgemäßen Werkzeugs mehr Raum am Vortriebskopf für die Zugänglichkeit der Werkzeuge und für die Beseitigung des abgetragenen Gesteinsmaterials verfügbar, und die Vortriebskopfkonstruktion läßt sich vereinfachen. Insbesondere,,wird die Verwendung von kreuzförmigen Vortriebsköpfen mit nur vier radialen Schneidwerkzeuganordnungen möglich, während bisher konische Vortriebsköpfe mit an acht oder noch mehr Winkelpositionen angeordneten Schneidwerkzeugen erforderlich waren.

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CeiwilP: einer bevorzugten Ausfünrungsform der Erfindung 3 in a. axe beiden Schneiascneiben des Werkzeugs unaijiii-'n^i^ voneinander drehbar auf dein Trägerkörper gelagert, sei nerköiiimlicnen Joppelseheibenwerkzeugen sind aia Leiuen Schneidscueioen starr miteinander verbunden, jo aiif. sie nur gemeinsam miteinander drehbar sind. Wenn beide Scnneidscheiben den gleichen Durchmesser haben, iblnrt uiec jedocn unvermeidlich dazu, daß mindestens eine ■der beiden -enneidscheiben ständig schleift, da die beiden -cnneiuscheicen in der Praxis mit geringfügig unterocniedlicnen; Radialabütand von der Vortriebskopfdrehachse angeordnet aind» Dadurch ist der Verschleiß bei den bekannte:; Doppeiseheibenwerkzeugen entsprechend hoch. Es ist zwar begannt, dieseia Problem dadurch zu begegnen, daß ran die beiden 3chneidscheiben des Doppelscheibenwerk- ^eugs mit unterschiedlichen Durchmessern herstellt, jedoch ist es sehr schwierig, den Durchmesserunterschied so genau Herzustellen, daß kein Scnleifen mehr auftritt, und außerdem werden durch diese Maßnahme natürlich die Herstellungskosten des Werkzeugs gesteigert und die Austauschbarkeit der Schneidscneiben herabgesetzt. Indem die beiden üchneidseiieiben des Werkzeugs jedoch gemäß der Erfindung unabhängig voneinander drehbar gelagert werden, wird ein bcnleifen der Schneidscheiben aufgrund von Drehzahlunterochieden vollständig ausgeschaltet und es können beide ocnneidseheiben den gleichen Durchmesser haben. Dadurch

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wird der Verschleiß der Senneidseheiben entsprechend herabgesetzte

Bei dem erfindungsgemäßen Werkzeus liegt ferner der Abstand zwischen den durch die Schneidkanten der beiden Schneidscheiben definierten Ebenen aus nachstehend noch erläuterten Gründen vorzugsweise iu Bereich von 80 mn bis 100 ram.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen raear im einzelnen beschrieben, £s zeigt:

Fig. 1 eine Ansicht eines Gesteinsschneide

werkzeugs nach der Erfindung,

Fig. 2 eine Draufsicht auf das in Fig. 1

gezeigte Werkzeug,

Fig. 3 eine Stirnansicht des in den Fig.

und 2 gezeigten Werkzeugs,

Fig. 4 einen Axialschnitt durch das Werk

zeug längs der Linie A-A in Fig. 2,

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Fi₄... ο eine tyoiscne Kurve eier über der

Vortriebs^escir./indi^xeit aufgetragenen X-uCaixienleistungsaufnanme für e.iiic i.ifc erfindua^s^enaGen werkzeugen ausgestattete xunnelvortriebsii.a'jCiiirie, und

Fig. <j den ;ieeaanismus aer Geuteinsab-

ura_o,ia^, fait i.ilfe von Doppelscnneidocaeiben bei zwei verschiedenen ^caeibenabständen.

ü^.z in o.eii Fi_tJ„ 1 bio 4 dargestellte üesteinsscnneide-ν;υΐ·ι:2οα,_. v;eiau j.;ei ^caneiascheiben 1 auf, die zueinander parallel und uaab.ilui^i^ voneinander drehbar auf eiiiem rohrförmigen l'r^^erKürper 2 (sieae Fi^;. H) angeordnet sind. Der rrJ._er*cöri->er d ist seinerseits an einem Gestell 3 genaltert, mittels dessen das V/erüzeug aiii VortriebsKopf einer TunnelvortrieusmaSGiiixie, einer Scnacntbohrmaschine oder dergl. befesti^uar ist, viosu beispielsweise Schrauben 4 Anwendung finden können, üslü Gestell 3 ist mit einschnitten 3A verseaen, die Zujan^ zu den ochrauben 4 ermöglichen, und an beiden oeiten des Gestells ist längs einer durch den k/erkaeu^schwerpuriiit verlaufenden Achse jeweils eine Gewindebonrung 3^ vorgesehen, in Vielehe ein Augbolzen 5 (siehe Fig. 3) zur erleichterung der handhabung des Werkzeugs eingeschraubt weraen kann,,

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Wie aus Fig. 4 Hervorgeht, :-ie±sc jede ochneidöerieibe einen ringförmigen Scheibenkörper IA auf, auf welchen ein Schneidenring IB mit im wesentlichen V-förmigem Querschnitt aufgeschrumpft ist, der am Scheibenuir-fang eine ,Schneidscheibe IC bildet. Im Gestell 3 sind in: gereich des Umfangs jeder Schneidscheibe 1 Aussparungen 3C (siehe Fig» 3) gebildet, welche die Anwendung eines geeigneten Abziehwerkzeugs zum Abziehen des Schneidenringes IB gestatten, wenn dieser infolge von Verschleiß oder Beschädigung ersetzt werden muß. Jeder Ringkörper IA ist mit hilfe eines Hilfsringes ID auf dem äußeren Lagerlaufring öA montiert, weich letzteres mit üezug auf die von der Schneidkante der betreffenden Schneidseneibe definierten Ebene angeordnet ist. Die inneren Lager lauf ringe 6B der Lageranordnung! sitzen auf dem Trägerkörper 2 zwischen dei;i mittleren Teil aes Gestells 3 und Seitenplatten 7, die ara Trägerkorper 2 befestigt sind. Die Schmierung der Lager kann über verschließbare Schmierbohrungen 8 erfolgen, die in den Ringkörpern IA gebildet sind. Die Lager sind durch Dichtungsringe 9 und 10, die zwischen den Ringkörpern IA und den Seitenplatten 7 sowie zwischen den Ringkörpern IA und dem mittleren Teil des Gestells 3 angeordnet sind, gegen den Verlust von Schmiermittel und gegen das Eindringen fremder Stoffe geschützt.

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Fig. 4 zeigt aucn, daß die Befestigung des Trägerkürpers 2 am Gestell 3 an einer Stelle erfolgt, die in der Mitte zwischen den durch die Schneidkanten der baiden ochneidscheiben 1 definierten Ebene liegt. Es ist auen erkennbar, daß die axiale Länge des gesamten Werkzeugs nicnt größer als das Doppelte des gegenseitigen seitlichen Abstands der genannten beiden Ebenen ist. Bei einem Werkzeug der dargestellten Art mit einem Schneidseneibendurcnmesser von 330 mm und einem Schneidkantenauotanä vqü. 90 mm beträgt die axiale Werkzeuglänge bei- -„vielsweise nur 180 mm. Dieses Haß beträgt nur etwa die Hälfte der typischen axialen Gesamtlänge eines gleichwertigen V.'erkzeugs herkömmlicher Bauart und führt natürlich zu einer entsprechenden Verringerung des Werkzeugsgewichts. Die axiale Länge und das Gewicht eines Werkzeugs der beoanriebenen Art können sogar beträchtlich geringer als bei einen Linscheibenwerkzeug herkömmlicher Konstruktion i/dt; gleichem Schneidscneibendurchmesser sein.

Die in den Zeichnungen gezeigte Konstruktion, bei v;eIcher das Gestell 3 aus Gußeisen und die verschiedenen anderen Teile (mit Ausnahme der Dichtungen 9 und 10) aus geeigneten Stählen hergestellt sind, ist im Hinblick auf die iia Gebrauen auftretenden Belastungen beim Einsatz an einer mit dem minimalen spezifischen Energieverbrauch be-

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triebenen Tunnelvortriebsmaschine voll befriedigend, ^i typische Kurve der Mas chirienleistunts aufnahme über der Vortriebsgesehwindigkeit einer modernen Tunne!vortriebsmaschine, die bei einer gegebeneii Vortriebskopfdrehzahl mit, mit ocnneiuscheiben ausgerüsteben werkzeugen arbeitet, ist in Fig. 5 aufgetragen. Der r.iiniraale spezifische linergieverbrauch im ochneidbetrieb tritt bei dem angegebenen Wendepunkt der Kurve auf» Jenseits dieses Punktes steigt das Verhältnis von Leistungsaufnanme zu Vortriebsgescnwindigkeit rapide an. In diesem schnell ansteigenden Kurvenbereich werden Tunnelvortriebsmaschinen bisher üblicherweise betrieben.

Für den Betrieb im Bereich des PunKtes minimaler spezifischer Energie hat sich gezeigt, daß es einen optimalen Abstand zwiscnen den Ebenen der Schneidkanten von Doppelscheibenwerkzeugen gibt, und zwar unabhängig von der Art des abzutragenden Gesteins, wie nachstehend erläutert wird»

Eine einzelne Schneidscheibe trägt das Gestein im allgemeinen in Form einer V-förmigen Hut ab, die bezüglich der Schneidkantenbahn zentriert ist und einen größeren Scheitelwinkel als die Schneidkante der Schneidscheibe hat, wie in Fig» 6A gezeigt ist, wo die einzelnen, von zwei mit großem gegenseitigen Abstand angeordneten Schneidscheiben

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ner^estellten iiuten mit 6ü bezeichnet sind. V/ird der Abstand zwischen den Schneiüscheiben jedoch verringert, so v;ird ein Maß erreicht, bei Vielehen die beiden Schneidscheiben derart miteinander zusammenwirken, daß der zwischen den oenneidkanten der beiden Schneiascheiben liegende Gesteinsstreifen vollständig abgetragen wird, wie in Fig. 6b bei dl angedeutet ist. Es hat sich gezeigt, daß der maximale Schneidkantenabstand der beiden Schneidscheiben, bei welchem diese gegenseitige Zusammenwirkung auftritt, größer als derjenige Abstand ist, der sich einfach von einer Schätzung desjenigen Abstands ergäbe, bei welchem sich die Grenzen der beiden Einzelnuten bü (Fig. 6a) schneiden wurden. Es hat sicn außerdem gezeigt, daß der maximale Schrieidkantenaustand 6 für die genannte Zusammenwirkung in Beziehung zur Eindringtief'e P der Schneidscheiben in das Gestein 3cent unu daß der Quotient S/P mit der Härte des Gesteins zunimmt. Der Wert von S/P beträgt bei Kreide typischerweise 3, bei Sandstein 7 bis 8, bei Kalkstein 10 bis 12 und bei Granit 15 bis 20. Entsprechend der Vortriebsgescnwindigkeit, bei welcher mit der minimalen spezifischen Energieaufnahme gearbeitet wird, gibt es einen kritischen Wert für die Werkzeugeindringtiefe P, die mit der Härte des abzutragenden Gesteins abnimmt. Durch Multiplizieren dieses Wertes von P mit den oben erwähnten Werten des Verhältnises 3/P für die betreffenden Gesteinsarten erhält

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man den Maximalwert von 3 für die maximale Gesteinsabtragung mit rraninialem spezifischen Bnergieaufv/and, und es hat sich geseilt, daß sich hier für alle untersuchten Gesteinsarten etwa der gleiche Wert von 90 mm ergibt.

Bei Verwendung einer Tunnelvortriebsnascnine, die so betrieben wird, daß sie mit den minimalen spezifischen Energieaufwand arbeitet, beträgt deshalb der theoretische optimale Abstand zwischen den Ebenen der Senneidkanten IC bei dem in den Figo 1 bis 4 gezeigten I.'erkzeug etwa 90 mm, obwohl es in der Praxis zur Sicherstellung der Zusaimenwirkung der beiaen ochneiäscneiben auch wünschenswert sein kann, diesen Abstand noch ein wenig, beispielsweise auf 80 ram, zu verringern.

Obwohl sich die obige Beschreibung insbesondere auf die Anwendung des dargestellten Jerkseugs bei einer Tunnelvortriebsmaschine bezient, beschränkt sich das Anwendungsgebiet des erfindungsgemäßen Werkzeugs nicht hierauf»

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Claims (1)

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1. Geateirios c.inoiue./erkseu^. r/dt z'jex parallele Schneidscheioen, die drehbar in eineri 'j:r!;jer.iCrc>er -blagert sind, über veienen die ocniieicu.aiitsn der ...oimsiüscheiben radial ninausrajen, dadurch r-ekennseichn^t, ^.ζ-Λ der Trä„;erkörper (2) an einer av;iocii3ii den Γ/aeneri, die durcii die Schneidkanten (IC) der beiuen ccnneiusc.iei'jen (1) definiert sind, gelegenen Jteile ceineroeits en eiae:.i Gestell ('j) befestigt ist.

2. Gesteinsscnneidev/erkzeu^· nach Anspruch 1, viaaurcn gekennzeicnnet, daß der Trä^erköryer (2) mit ti ^ aviiscien den beiden genannten ebenen am Gestell (3) tiefest Lr.t ist.

3o Gesteinsschneidewerkaeuc nacii Anspruch 1 oder 2, dadurcn gekennzeichnet, daß die beiden genannten ebenen einen gegenseitigen Abstand im bereich von 8u iraTi bis luj rum und vorzugsweise von pü mm aufueisen.

4, Gesteinsschneidevierkzeug nach oinein der Ansprücne bis 3j dadurch gekennzeichnet, daß die beiden ochneidscheiben (1) jeweils unabhängig voneinander drenbur i;a Trägerkürper (2) genaltert sind.

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3. Ge3t3xnsschrieiue?:erkzeu£; nacn einen der Ansprüche οίο k₃ daduren ;_e^si'mzeicanet, daß die ^chneidscheiben (1) üiitfcels V.c-Llzlarern, die jeweils einen an der ocnneidoCiiGibe bef.iL.fciiten Lagerlaufring: (oA) und einen «.on-jfleineiitc'-ren, am Trägertcörper befestigten La^.erlaufrin£. (6-0 aufweisen, auf den· Trä^-erkürper ^ela^ert sind.

6. iTeoteinascrmeiäevierkzeuc; nach Ansprucn 5, dadurcn "je^eiiiiaeiciiaot, aa£· aia iVl!.lzla_t-.er (CA, 6b) jev/eils oyr.netriscu ui'c Lozu^; auf die durcn die ochneidicanto (IC) eier Detreffenden ocnneiaocheioe (1) definierten Ebene angeordnet sind.

7. Je.jteirioSCiiiieidevierKzeur, nach Anspruch ο oder 6, dadurch _c;ei;enrueicnuet, daß axe uäl'Jla^er (öA, 6B) Aejr;elrollenlafer ointi,

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