DE3023729C2 - Vorrichtung zum Messen der Schneidkraft an Schneiden von Erdbewegungsmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen der Schneidkraft an Schneiden von Erdbewegungsma > schinen, insbesondere an den Schaufelradschneiden von Schaufelradbaggern.

Für die Dimensionierung der Antriebe von Erdbewegungsmaschinen sowie deren Graborgane ist es von Wichtigkeit, die an den Schneiden auftretenden Kräfte 7.U kennen. Dies trifft in besonderem Maße für Schaufelradbagger zu, deren Einsatz in der Regel nur in verhältnismäßig weichen Böden der unteren Bodenklasse wie Sand, Kies, Lehm, Lös_: Ton und Braunkohle üblich ist. Wegen der wirtschaftlichen Vorteile des kontinuierlichen Abbäüens mit einem Sehaufelradbagger besteht der Wunsch, auch härtere Böden wie leichten Kalkstein, leichten Sandstein, verfestigte Tonschichten, Steinkohle, Bauxid usw. mit Hilfe eines Schaufelradbaggers zu gewinnen.

Um Fehlplanungen und Fehlinvestitionen zu vermeiden, ist es notwendig, die Schneidbarkeit des Bodens zu beurteilen und die zu verarbeitenden Kräfte am Schaufelrad zu messen. Dabei interessiert inshcsondere die Tangentialkraft, da diese das Getriebemoment für den Schaufelradantrieb; die Antriebsleistung sowie die Dimensionierung des Stahltragwerkes bestimmt. Bei der Berechnung wird üblicherweise von einer spezifischen Schnittkraft- ausgegangen, welche in- N/cm gemessen wird. Diese spezifische Schnittkraft bezieht die gesamte; an mehreren im Eingriff befindlichen Schaufeln gleichzeitig auftretende Umfangs'traft auf die einzelnen im »Eingriff mit dem Boden stehenden Schnittkanten.

Eine zuverlässige und' bei allen Herstellern und Verwendern-von Schaufelradbaggern anerkannte Methode zur versuchsmSßigen Bestimmung der notwendigen Schnittkräfte aus der Untersuchung von Bodenproben existiert nicht. Einen gewissen Einheitswert zur Beurteilung der Gewinnbarkeit liefert die Druckfestigkeitsprobe eines Bodens oder Gesteins. Zu diesem Zweck wird eine zylindrische Probe zwischen zwei ebenen Flächen zusammengedrückt und die Kraft beim Versagen der Probe gemessen. Diese Kraft wird dann auf die Grundfläche des Zylinders bezogen. Eine unmittelbare Verbindung zwischen den so gewonnenen Druckfestigkeitswerten und den zu erwartenden Schnittkräften besteht nicht Aus dem Druckfestigkeitsversuch gewinnt man nur grobe Anhaltswerte.

Eine andere gelegentlich angewandte Methode, die den Schnittvorgang beim Eindringen einer Baggerschaufel bzw. eines Baggerzahnes besser nachahmt, ist ein Keileindringtest. Bei dieser Methode wird ein Keil mit einer bestimmten Kraft F in eine Probe mit definierter Abmessung eingedrückt und die Kraft gemessen, die in dem Moment auftritt wenn das Material aufplatzt. Die Aufzeichnung eines Kraftverlaufs über der Zeit ist bei dieser Methode nicht möglich, ferner ist es von Nachteil, daß die Schnittkraft nur über einen sehr schmalen Bereich gemessen wird.

Es ist auch gelegentlich versucht worden, normale Hydraulik- oder Seilbagger, wie sie überall z. B. für Bauarbeiten verfügbar sind, zur Messung von Schnittkräften einzusetzen und diese Meßwerte dann bei der Dimensionierung eines Schaufelradbaggers zu verwenden. Die Erfassung der Kräfte sollte dabei über die Messung der Hydraulikdrücke oder Seilkräfte erfolgen. Es stellt sich aber heraus, daß diese Versuche durch Massenkräfte und Reibung stark beeinträchtigt werden. Es war zeitraubend und umständlich, die jeweilige Lage der Auslegerteile zueinander zu erfassen — Angaben, die man zur Um>*echung der Kräfte benötigt. Weiterhin war kaum feststellbar, auf welche jeweilige Schneidenbreite der zeitlich schwankende Meßwert bezogen werden sollte.

Die vorliegende Erfindung geht aus von einem Stand der Technik nach dem Buch von Ludwig Rasper »Der Schaufelradbagger als Gewinnungsgerät«, 1973,1. Auflage, Seiten 81 bis 97. Auf Seite 88, zweiter Absatz, linke Spalte wird zwar beschrieben, daß es vorbekannt war, mit Hilfe einer Druckmeßdose, die Umfangskraft infolge der an der Schaufel auttretenden Schwenkbewegungen zu erfassen; doch ist diese Methode nicht geeignet, die tatsächlich an der Schneide auftretenden, den Verschleiß bewirkenden Kräfte zu erfassen, weil hier auch Massen-und Reibungskräfte, sowie resultierende Kräfte aus Seitenkräften gemessen werden.

Demgemäß liegt der Anmeldung die Aufgabe zugrunde, aine Vorrichtung zum Messen der Schneidkraft an Schneiden von Erdbewegungsmaschinen zu schaffen, die bei einfachem Aufbau und leicht transportabler Ausführung eine genauere Bestimmung der

Schneidkraft vor Ort ermöglicht.

Zur Lösung der Aufgabe wird eine Vorrichtung mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen.' .

Mit dieser Vorrichtung jwird es ermöglicht, eine genaue Bestimmung der tangential wirkenden Druckkräfte mit geringem Bauaufwand vorzunehmen, wobei der Gedanke der Erfindung darin besteht, ein Meßglied zu schaffen, das unter Ausschaltung aller Störeinflüsse nur die Kräfte erfaßt, die für den hier entscheidenden Zweck benötigt werden. Der Kraftfluß durch die Schneidkraft wird dabei in einer solchen Richtung durch die Meßschneide gelenkt, d?ß andere Kräfte als die, die in Tangentialrichtung wirken, bedeutungslos werden und als Meßwert nicht erfaßt werden.

In einer günstigen Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die Meßschneide als einen Teil der Schneide des Graborganes nachbildendes massives Bauteil ausgebildet ist, das in Wirkrichtung der Schneidkräfte hinter der keilförmigen Schneidkante quer zu den Schneidkräften bis auf zwei beidseitig verbleibende Stege, an deren Seiten Dehnungsmeßstreifen befestigt sind, ausgespart ist, wobei die Längsachsen der Stege in Wirkrichtung der Tangentialkräfte verlaufen. Alle an der Schneide auftretenden Kräfte werden infolge des erzwungenen Kraftflusses ausschließlich durch die Stege geleitet, wobei bei entsprechender Anordnung der Dehnungsmeßstreifen an den Stegen nur die Kräfte erfaßt werden, die in Längsrichtung der Stege wirken.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die parallel zur Schneidkante verlaufenden, gegenüberliegenden Innenflächen der Aussparungen durch eine Koppelstange miteinander verbunden sind, deren Enden jeweils in der Nähe eines der Stege befestigt sind und die im wesentlichen parallel zu den Innenflächen verläuft. Diese Koppelstange stabilisiert das Meßglied gegenüber Kräften· die in Schneidenlängsrichtung angreifen und gestattet somit, die Stege so dünn wie möglich auszuführen, um exakte Meßwerte über die Dehnungsmeßstreifen zu erhalten. Die Koppelstange ist in bezug auf quer zu ihr wirkende Kräfte sehr weich und übernimmt lediglich die Kräfte in ihrer Längsrichtung.

Vorzugsweise sind die Dehnungsmeßstreifen auf der Mittellinie der Stegaußen- und -innenseite angebracht

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist bei einem Schaufelrad in der Zeichnung schematisch dargestellt und nachfolgend im einzelnen beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 die Schaufel eines Schaufelradbaggers mit einer Meßschneide,

F i g. 2 die Meßschneide in Draufsicht,

F i g. 3 die Meßschneide in Seitenansicht,

F i g. 4,5 und 6 die Verteilung der Schnittkraft an der Meßschneide.

In Fig. 1 ist die Schaufel 1 eines Schaufelrades mit einer festen Schneide 2 bestückt. In diese feste Schneide ist eine Meßschneide 3 eingesetzt, die hinsichtlich ihrer geometrischen Abmessungen denen der festen Schneide entspricht

Die Meßschneide 3 ist in Fig.2 in der Draufsicht dargestellt. Die eigentliche Schneidkante 4 ist unter einem Winkel <x gegenüber der Horizontalen keilförmig nach beiden Seiten geneigt (vergleiche F i g. 3). Unmittelbar im Bereich hinler der Schneidkante 4 ist eine Aussparung 5 in der Meßsrhneide vorgesehen, die durch einen parallel zur Schneidkante 4 verlaufenden Schlitz gebildet wird, der nahezu über die gesamte Meßschnei-

denbreite verläuft und lediglich zwei Stege 6 im Bereich der; Meßschneidenseiten beläßt Diese Siege 6 sind möglichst schmal gehalten und an ihren Innen- und Außenseiten im · Bereich der Mittelachsen mit Dehnungsmeßstreifen 7 versehen^

Des weiteren ist die Meßschneide mit Bohrungen 8 zur Befestigung an der Schaufel bzw. den dieser entsprechenden Gerateten" versehen. Es können auch nutförmige Ausnehmungen 9 vorgesehen werden, um die Meßschneide an entsprechend ausgebildeten Stützleisten zu halten.

Die Innenflächen 10 und 11 der Aussparung 5 sind im Bereich der Stege 6 durch eine Koppelstange 12 derart miteinander verbunden, daß die Koppelstange 12 im wesentlichen längs zur Aussparung 5 verläuft und Längskräfte quer zur Meßschneide 3 aufnimmt In Querrichtung ist die Koppelstange 12 sehr weich, so daß Querkräfte nicht oder nur vernachlässigbar gering in die Meßsschneids eingeleitet werden.

In Fig. 4 sind die auf die Schneidkante 4 wirkenden Schneidkräfte 13 dargestellt, wie sie in die'-er gleichmäßigen Verteilung nur in seltenen Fällen auftritt. Auch die in Fig.5 dargestellte Verteilung der Schneidkräfte entspricht kaum den tatsächlichen Gegebenheiten, vielmehr wird der Schneidkraftverlauf unregelmäßig und unsymmetrisch in der Art darstellbar sein, wie in F i g. 6 dargestellt

Die Meßvorrichtung wirkt wie folgt:

Da die Schneidkraft in seltenen Fällen als gleichmäßig verteilte Last angreift und auch der Schnittwinkel « (Fig. 3)starken Schwankungen unterworfen ist,besteht das Interesse, den Einfluß dieses Winkels auszuschalten und nur die Tangentialkraft 5_rzu messen. Die Erfindung benutzt dabei die Erkenntnis, daß die Summe der längs )5 der Schneidkante 4 angreifenden Tangentialkräfte; 13 in den Stegen 6 Druckkräfte hervorruft, die über vier Dehnungsmeßstreifen 7 gemessen werden können, die auf der Mittellinie der Stege 6 angebracht sind. Die Schneidkraftkomponente S, (F i g. 3) ruft in den Stegen 6 Biegemomente hervor, die durch die Dehnungsmeßstreifen nicht erfaßt werden.

Die Stege 6 haben einen hohen schmalen Querschnitt, um unterschiedliche Dehnungen auf der Innen- und Außenseite der Stege 6, die infolge von Durchbiegungen der Schneidkante 4 auftreten können, so gering- wie möglich zu halten. Einer Dehnung auf der Außenseite steht aber stets eine gleichgroße Dehnung auf der Innenseite der Stege 6 gegenüber, so daß dieser Biegeeinfluß kompensiert wird.

Die Meßwerte der .Dehnungsmeßstreifen 7 an beiden Stegen 6 werden in einem einzigen Ausgangssignal zusammengefaßt und somit addiert. Dabei spielt es kein« R Ais, welche Verteilung die Kräfte 13 längs der Schneidkante 4 hat, ebenfalls ist die Lage der Resultierenden S aus Tangentialkraft St und Vertikalkraft S_v ohne Belang. Es wird stets über die Schneidenlänge gemittelt.

Um den Einfluß eventueller Längskräfte auszuschalten und die Stege 6 so dünn wie möglich ausführen zu können, bedarf es einer Stabilisierung gegenüber Kräften, die in Schneidenlängsrichtung angreifen. Dazu ist die Koppelstange 12 vorgesehen, die in bezug auf die Tangentialkräfte sehr weich ist und lediglich Kräfte in Schneidrichtung übernimmt.

Die Meßschneide 3 kann auf den jeweiligen Träger aufgeschraubt werden, wobei eine auf den Träger aufgeschweißte Schraubleiste, die in die Nut 9 eingreift, verwendbar ist. Über die Bohrungen 8 wird die

Meßschneide 3 mit dem jeweiligen Träger verschraubt. Als Träger kann dabei ein Graborgan eines Baggers (Tieflöffel-, Hochlöffel-, Seil- oder Hydraulikbagger) oder auch ein Schaufelradbagger dienen, es sollen jedoch nur solche Geräte verwendet werden, die eine der Grabbewegung des später zu verwendenden Gerätes entsprechende Kreisbahn für die Bewegung der Versuchseinrichtung erzeugen. Es ist möglich, die MeQschneide allein oder im Verband mit gleichartigen Schneiden anzuordnen.

Hierzu S Blatt Zeichnungen

Claims (5)

; · Patentansprüche: -. ■ · - -.

1. Vorrichtung zum Messen der Schneidkraft an Schneiden von Erdbewegungsmaschinen, insbesondere an den Schaufelradschneiden von Schaufelrad- baggern, dadurch gekennzeichnet,daß an der Erdbewegungsmaschine zum Erfassen der Schneidkraft während der Grabbewegung eine der Schneidengeometrie der Graborgane nachgebildete Meßschneide (3) definierter Abmessungen vorgesehen ist, die nur die am Angriffspunkt der Schneidkante in tangentialer Richtung zur Grabbewegung wirkenden Druckkräfte mittels Meßgliedern erfaßt deren Meßwerte zu einem einzigen Ausgangssignal zusammenfaßbar sind.

Z Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Meßschneide (3) mit Aussparungen (5) im unmittelbar hinter der Schneidkante (4) liegenden Bereich versehen ist und daß Dehnungsmeßst^|ten (7) an den verbleibenden Stegen angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßschneide (3) als einen Teil der Schneide (2) des Graborganes nachbildendes massives Bauteil ausgebildet ist, das in Wirkrichtung der Schneidkräfte hinter der keilförmigen Schneidkante (4) quer zu den Schneidkräften bis auf zwei beidseitig verbleibende Stege (6), an deren Seiten Dehnungsmeßstreifen (7) befestigt sind, ausgespart ist, wobei die Längsachsen der Stege (6) in Wirkriciitung der Tangentialkräfte verlaufen.

4. Vorrichtung rv^:jch Amyruch 3, dadurch gekennzeichnet daß die parallel zur Schneidkante (4) verlaufenden gegenüberliegt· 'den Innenflächen (10, 11) der Aussparung (5) durch eine Koppelstange (12) miteinander verbunden sind, deren Enden jeweils in der Nähe eines der Stege (6) befestigt sind und die im wesentlichen parallel zu den Innenflächen (10, 11) verläuft

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch *o gekennzeichnet, daß die Dehnungsmeßstreifen (7) auf der Mittellinie der Stegaußen- und -Innenseite angebracht sind.