EP3129593B1 - Hochpräzise sensorik zum ermitteln einer mechanischen belastung eines abbauwerkzeugs einer tunnelbohrmaschine - Google Patents

Hochpräzise sensorik zum ermitteln einer mechanischen belastung eines abbauwerkzeugs einer tunnelbohrmaschine Download PDF

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EP3129593B1
EP3129593B1 EP15713516.1A EP15713516A EP3129593B1 EP 3129593 B1 EP3129593 B1 EP 3129593B1 EP 15713516 A EP15713516 A EP 15713516A EP 3129593 B1 EP3129593 B1 EP 3129593B1
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EP
European Patent Office
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load
sleeve
excavation tool
disc cutter
sensor
Prior art date
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EP3129593A1 (de
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Stefan Barwart
Robert Galler
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Montanuniversitaet Leoben
B+ G Betontechnologie and Materialbewirtschaftung AG
Herrenknecht AG
Original Assignee
Montanuniversitaet Leoben
B+ G Betontechnologie and Materialbewirtschaftung AG
Herrenknecht AG
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Publication date
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    • E21D9/003—Arrangement of measuring or indicating devices for use during driving of tunnels, e.g. for guiding machines
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
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    • E21D9/10—Making by using boring or cutting machines
    • E21D9/1006—Making by using boring or cutting machines with rotary cutting tools
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
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    • E21D9/11—Making by using boring or cutting machines with a rotary drilling-head cutting simultaneously the whole cross-section, i.e. full-face machines
    • E21D9/112—Making by using boring or cutting machines with a rotary drilling-head cutting simultaneously the whole cross-section, i.e. full-face machines by means of one single rotary head or of concentric rotary heads

Definitions

  • the invention relates to a mining tool, a system for determining a mechanical load of a mining tool, a drill head and a tunnel boring machine.
  • a tunnel boring machine is a machine used to build tunnels.
  • Components of a tunnel boring machine are a demounting plate with feeding and bracing devices, equipment for the installation of support and expansion measures, equipment for material removal, a supply unit (electricity, compressed air, ventilation, water), and transport equipment for excavation material, proppant and finishing materials.
  • a front boring head of a tunnel boring machine is provided with mining tools for loosening a mountain.
  • a mining tool for a boring head of a tunnel boring machine comprising a cutter-roll mounting device (in particular, a receiving bearing) for receiving and supporting a cutting roller for excavating mountains in the cutter-roll mounting device (In particular in the receiving warehouse) - in particular interchangeable - is received or recorded (wherein the cutting roller is preferably not actively driven, but is simply rolled over the rock), and a sensor arrangement (the at least one load-sensitive element, connecting means for transmitting sensor signals to a Evaluation unit, etc.) for detecting a mechanical load on the mining tool, in particular the cutting roller, wherein the sensor arrangement as an at least partially in the Schneidrollenbefest Trent and / or at the Cutting roller mounted sleeve is formed with at least one attached thereto load-sensitive element.
  • a cutter-roll mounting device in particular, a receiving bearing
  • a cutting roller for excavating mountains in the cutter-roll mounting device (In particular in the receiving warehouse) - in particular interchangeable - is received or recorded (wherein the cutting roller
  • a system for determining a mechanical load on a mining tool (especially a cutting roll) of a boring head of a tunnel boring machine for mining mountains comprising the excavation tool having the above-described features, and wherein the system is an evaluation unit (eg, a processor) configured to determine, based on sensor signals of the at least one load sensitive element, information (eg, magnitude and / or direction of one or more applied force components) indicative of the mechanical stress that is on the cutting roller of the removal tool acts.
  • an evaluation unit eg, a processor
  • a boring head for a tunnel boring machine for mining mountains having a rotary (e.g., cylindrical) boring body rotatably and translationally movable with a plurality of (particularly front or mountain side) excavation tool holders for supporting mining tools, and a plurality of mining tools having the above-described features, which are in particular replaceably halterbar or supported in the plurality of mining tool holders.
  • a rotary (e.g., cylindrical) boring body rotatably and translationally movable with a plurality of (particularly front or mountain side) excavation tool holders for supporting mining tools, and a plurality of mining tools having the above-described features, which are in particular replaceably halterbar or supported in the plurality of mining tool holders.
  • a tunnel boring machine for mining mountains having a drill bit having the features described above.
  • the force measurement in tunneling more specifically, during a drilling operation of a boring head of a tunnel boring machine by means of cutting tools with cutting rollers, thereby in an extremely precise manner be made, that one or more load-sensitive elements (such as strain gauges) are integrated into a hollow sleeve which can be mounted at any point of the mining tool in a corresponding sleeve hole in the cutting roller mounting device and / or in the cutting roller.
  • load-sensitive elements such as strain gauges
  • a preferably open on both sides and thus accessible hollow body is used as a receptacle base for receiving load-sensitive elements, not only the position of the load measurement in the mining tool is freely selectable (it only needs to be formed at the desired location a sleeve hole into which the sensor sleeve is received ), but the elasticity of a thin-walled hollow sleeve body can also be advantageously used to just revolutionize the sensitivity of the measurement over conventional approaches.
  • a modular measuring unit in the form of a sleeve which is designed to determine external cutting forces of tools for loosening rocks.
  • the sleeve can be force, material and / or positively positioned directly in the environment of the tool.
  • Such a configuration has the advantage that a direct assignment of the measurement signal to the external loads is possible.
  • a measurement of different forces and their directions in almost any position is possible.
  • Experiments using the sleeve-style (instead of stud-style) design and optimized alignment and placement of sensors for multiple strategic positions show great performance in terms of linearity (about 3-5% and better), hysteresis (very small), and offset behavior.
  • the cutting-roll fastening device may have a cutting roll receptacle and at least one fastening element for fastening the cutting roll to the cutting roll receptacle and / or for fastening the cutting roll receptacle to the drill head, wherein the at least one load-sensitive element of the sensor arrangement (in particular functionally and spatially) is separate from the at least one Fastener is provided.
  • At least a part of the sleeve can be designed as a (in particular thread-free) hollow cylinder (for example as a pipe piece), more particularly as a hollow circular cylinder.
  • a hollow cylinder may have an axial through-hole, in which case a mounting is more load-sensitive Elements on the large-scale inner wall is possible.
  • Such a sensor mounting is not only simple in terms of assembly technology, but also protects the sensors from destruction during operation, without having to compromise on the accuracy of detection.
  • the through-hole architecture it is also possible to form axial blind holes on one or both sides of the essentially hollow-cylindrical sleeve body, which or which lead to planned mounting surfaces in the interior of the sensor sleeve, to which the load-sensitive element (s) can then be attached with low assembly costs are.
  • a circular cylindrical outer surface of the sensor sleeve it is possible to introduce the sensor sleeve into a circular (drilling) hole at the desired measuring position of the removal tool.
  • At least one of the at least one load-sensitive element may be attached to an inner surface of a sleeve wall.
  • the inner wall of the sensor sleeve is a suitable location for mounting the sensors, for example by means of gluing or pressing into a wall groove.
  • the load-sensitive elements are protected from damage, in particular during driving or screwing into a sleeve receiving hole in the mining tool, without sacrificing measurement accuracy during the drilling process.
  • the targeted attachment of load-sensitive elements at certain axial and / or radial positions of the inner wall thus also allows the recording direction-dependent load information.
  • a plurality of load-sensitive elements can be attached to one another radially offset in angle from the inner surface of the sleeve wall.
  • the angularly offset attachment of a plurality of load-sensitive elements along a circumference of the inner wall of the sensor sleeve allows the detection of direction-dependent force information.
  • Such a geometry is in particular for a full bridge circuit, which can ensure a temperature independence of the measurement results (for example, if four full-bridge connected load sensitive elements are at the same temperature) is advantageous.
  • typical sensor sleeves for example, length between 10 mm and 100 mm, in particular between 20 mm and 60 mm, diameter between 3 mm and 30 mm, in particular between 6 mm and 20 mm
  • the size of typical sensor sleeves is sufficient to form several load-sensitive elements in the form of precise and fault-tolerant strain gauges arranged angularly offset from each other.
  • an axial arrangement of a plurality of load-sensitive elements on the inner wall of the sensor sleeve is possible.
  • the sleeve wall may be formed so thin-walled (for example, at most 2 mm, in particular at most 1 mm, thick) that the sleeve wall under the influence of mechanical stress during drilling operation under the action on the load-sensitive element is elastically deformable.
  • the sensor sleeve may, for example, comprise a metal such as stainless steel with a thickness of between 0.05 mm and 2 mm, in particular 0.1 mm to 0.2 mm.
  • the thin-walled sensor sleeve itself interact as a sensory component with the one or more load-sensitive elements, as well as the sensor sleeve is elastically deformed under the load during drilling operation of the tunnel boring machine and moved to some extent, which in turn is transmitted to the load-sensitive elements.
  • the sensor sleeve is then not just a carrier for the load-sensitive elements, but even sensor component. This is precisely the reason for the particularly high sensitivity of the mining tool according to the invention.
  • At least one of the at least one load-sensitive element may be attached to a particular flat plate of the sleeve, which in a hollow cylindrical Section of the sleeve is arranged and attached to the hollow cylindrical portion.
  • a separate plate formed in one piece with the wall of the sensor sleeve or pressed into it can be provided, which serves to receive one or more load-sensitive elements.
  • the wafer may be disposed at a location of a hollow cylindrical wall such that it is centrally located between opposed axial ends of the sensor sleeve.
  • the load-sensitive elements can be mounted so that they are protective while mounted inside the sensor sleeve, but still highly sensitive to stress during drilling operation of a tunnel boring machine.
  • the plate may be circumferentially connected directly to the hollow cylindrical wall of the sensor sleeve or adjacent thereto, in order to allow an unimpeded introduction of force towards one or more load-sensitive elements on the plate.
  • a plurality of load-sensitive elements can be attached to one another at an angle to one another radially offset from the wafer.
  • load-sensitive elements at a distance of 90 ° to each other may be mounted on the wafer, so that their alignment lines form a cross.
  • load-sensitive elements may also be attached to axially different positions in order to further refine the spatial resolution of the recorded load data.
  • the plate may be formed as a membrane.
  • the sensitivity of the sensor arrangement is particularly high.
  • two load-sensitive elements can be mounted radially offset relative to one another on an inner surface of a sleeve wall and two further load-sensitive elements can be provided separately from the inner surface.
  • the two load sensitive elements mounted on the inner wall may primarily measure force, whereas the other two load sensitive elements (which may be loosely mounted inside the sleeve, for example) may be provided for temperature compensation by means of a bridge circuit.
  • four load-sensitive elements may be mounted radially on a particular flat plate of the sleeve about a sleeve axis, wherein the plate is disposed in a hollow cylindrical portion of the sleeve and attached to the hollow cylindrical portion.
  • all four load sensitive elements of a full bridge circuit are mounted on the wafer (preferably on a common major surface of the wafer, more preferably in substantially x or cross pattern), with two of the load sensitive elements along a first direction and the other two load sensitive elements are aligned along a preferably orthogonal second direction.
  • Such a configuration shows particularly good properties with regard to detection accuracy, linearity, hysteresis behavior and mechanical robustness.
  • four load-sensitive elements can be radially offset in relation to each other on an inner surface of a Sleeve wall be attached.
  • Such an embodiment is in FIG. 4 and also enables a fault-proof measurement of forces acting by a symmetrical attachment of the load-sensitive elements on the inner wall of the sensor sleeve.
  • the resulting shielding of the load-sensitive elements from the environment is particularly advantageous under the harsh and harsh conditions of the drilling operation.
  • the removal tool can have at least one further sleeve mounted at least partially in the cutting roll attachment device and / or on the cutting roll and having at least one load-sensitive element attached thereto, the sleeve and the further sleeve being angularly, in particular orthogonal, at different positions of the removal tool , can be arranged.
  • the mutually angular, preferably orthogonal attachment of two sensor sleeves to each other (that is, the arrangement of the sleeve axes with a 90 ° angle to each other) not only provides complementary information, but also allows the detection of different force components, such as rolling force, normal force and axial force of the cutting roller assembly ,
  • the sleeve may be disposed in a cutter roll support block of the cutter roll attachment device.
  • a cutter roll support block serves to support the cutting roll in the mining tool and in turn may itself be configured for mounting in the drill head.
  • Such a cutter roll support block provides the ability to form one or more sleeve receiving holes for receiving one or more sensor sleeves.
  • a can Cutting roller holder block when replacing the rapidly-wearing cutting role continuously remain mounted on the drill head, so that no costly disassembly and reassembly of sensor cables when just replacing the cutting roller is necessary.
  • the sleeve can be arranged on a cutting roller bearing, in particular a C-piece, of the cutting roller fastening device.
  • the C-piece of the cutter roll holder is a bearing piece having a substantially C-shape in cross section.
  • Such a C-piece is located particularly close to the cutting roll itself and therefore, as finite element simulations have shown, is particularly sensitive to acting loads or provides very precise sensor data for highly sensitive determination of forces on the mining tool during drilling operation.
  • the sleeve may be arranged as part of a cutting roll axis.
  • the sleeve-like geometry of the sensor sleeve is predestined to be inserted into an axial bore of the cutting roller itself, in order to be able to detect highly accurate force data at this position.
  • the sleeve can be easily removed or pushed out of the sleeve axis and inserted into a new cutting roller.
  • the reassembly of the sensor sleeve when replacing a cutting roller is possible with simple means.
  • the sensor sleeve at a different location of the cutting roller, for example in a borehole in a solid section of a cutting ring of the cutting roller.
  • the removal tool can have at least one sensor line for guiding sensor signals, wherein the at least one sensor line is located starting from the sensor extends at least one load-sensitive element at least partially through a lumen of the sleeve therethrough.
  • the sleeve-like configuration of the sensor arrangement with an access opening or two access openings makes it possible, with little effort, to lead cable inlets and outlets to the load-sensitive elements in the sensor sleeve and at the same time protect them mechanically from the environment. This represents a significant advantage of the solution according to the invention, since it guarantees a reliable provision of electrical signals from the load-sensitive elements in the harsh conditions, as they prevail during operation of a tunnel boring machine, even in long-term operation.
  • wireless communication of the load-sensitive element or elements with an evaluation or control device is possible, for example by inserting transponders such as RFID tags.
  • a cutting roller is understood in particular to mean a rotatable body which is designed to cut off rock in a cutting manner.
  • the cutting roller is a disk, which may also be referred to as a roller chisel.
  • the outer ring of a disk can be called a cutting ring.
  • a disk is not actively driven, but rolls off at the face.
  • Another exemplary embodiment of a cutting roller is a wart bit, which is a rotatable body with wart-like projections and which is used, for example, to remove very hard rock (for example for platinum mining).
  • the at least one load-sensitive element may be formed as strain gauges.
  • a strain gauge is a measuring device for the detection of elongating deformations that changes their electrical resistance even at low deformations and thus are used as a strain sensor can.
  • a strain gauge may be glued or otherwise fixed to the sleeve so that it may deform under load during operation of the disassembly tool. This deformation or elongation then leads to a change in the resistance of the strain gauge. A corresponding electrical signal can be detected and evaluated as a sensor signal.
  • a strain gauge is a low cost, load sensitive element that is particularly well suited to the requirements of a wellhead, as it is compatible with the harsh conditions prevailing there.
  • An alternative to the implementation of strain gauges as load-sensitive elements can be used as a load-sensitive element and a piezoelectric sensor.
  • the removal tool can be designed as a wedge-lock removal tool or as a thru-axle removal tool. It is well known to those skilled in the art that these two types of mining tools are commonly used in tunnel boring machines.
  • An example of a thru-axle removal tool is also called a "conical saddle system”.
  • Thru-axle removal tools are used, for example, by Aker Wirth.
  • Wedge-lock removal tools are used, for example, by Schuknecht or Robbins.
  • a cavity may remain in the sleeve interior between the sleeve and the at least one load-sensitive element attached thereto.
  • the hollow volume of the cavity may be at least 10%, more preferably at least 30%, more preferably at least 50% of the total volume of the sensor sleeve (ie, void volume plus solid volume).
  • the sleeve may be welded or soldered into a bore in the cutter roll fastener or cutting roll or otherwise formed inseparable or even integral with the cutter roll fastener or cutter.
  • the sensor arrangement may have four, in particular exactly four, load-sensitive elements, wherein the evaluation unit may be set up to determine information based on sensor signals of the four load-sensitive elements which is indicative of a contact force, a lateral force and a rolling force act on the cutting roller.
  • the four load-sensitive elements detect partially redundant sensor information, which is not only indicative of the three measured values contact force, lateral force and rolling force, but also enables their determination to be excessively determined.
  • a high degree of precision of the measured data can be achieved, which is of particular advantage under the harsh conditions of a tunnel boring machine.
  • FIG. 1 shows a tunnel boring machine 180 for mining a mountain 102, into which a borehole 182 has already been introduced. The drilling is performed in such a way that the borehole 182 according to FIG FIG. 1 is gradually extended to the right. It is known to those skilled in the art that a tunnel boring machine 180 has a plurality of components. For the sake of clarity, is in FIG. 1 but only a drill bit 150 having a plurality of (for example, 50 to 100) mining tools 100 is shown.
  • the drill head 150 has a drilling body 152, which is rotatable and translatable with respect to the mountain 102 by means of a drive device 184, on whose front-side or mountain-side end face a plurality of removal tool holders or receptacles 154 are mounted. These are distributed over the circular end face of the drill body 152, which is in the cross-sectional view of FIG. 1 only partially visible.
  • Each of the mining tool holders 154 is configured to support a respective mining tool 100.
  • a mining tool 100 may be mounted in each of the mining tool holders 154.
  • Each of the mining tools 100 includes a disc fixture 104 mountable to the wellhead 150 with a receptacle bearing for receiving and supporting a rotatable disk 106, which is also part of the excavation tool 100.
  • Each disc fixture 104 has a disc receptacle 194 that may be configured as a type of pot that is specifically configured to receive a disc 106 as a replaceable module. Fixing screws 110 form a further component of the disc fastening device 104. Consequently, each of the removal tools 100 has a plurality of fastening screws 110 with which the disc 106 together with the bearing 126 and the disc receptacle 194 are fastened to the drill head 150.
  • the disk 106 has an axis 120, a disk body 122, a cutting ring 124 with a circumferential cutting edge, and a bearing 126.
  • a circumferential cutting edge 124 of the respective disk 106 in the rotating state may engage the latter to break down the rock 102.
  • the disk 106 is replaceably received in the receiving storage of the disc attachment device 104, or more precisely in the disc holder 194.
  • Each mining tool 100 includes a sensor assembly 112 for detecting a mechanical load on the associated mining tool 100, more specifically, the disk 106.
  • the disk 106 is exposed to this mechanical stress during disassembly of the rock 102 through the disk 106.
  • the sensor arrangement 112 is shown as being in the disc attachment device 104 (and in an alternative embodiment as an alternative or in addition to the disc 106).
  • mounted sleeve 177 is formed with a load-sensitive element 108 attached thereto in the form of a DehnmessstMails. In the sleeve 177 so a strain gauge is integrated as a load-sensitive element 108.
  • a connecting cable or a sensor line 171 an electrical sensor signal can be transmitted from the load-sensitive element 108 to an evaluation unit 128.
  • Exemplary embodiments of the sensor arrangement 112 according to FIG. 1 are in FIG. 2 to FIG. 4 shown.
  • the evaluation unit 128, which may be part of a processor or a controller of the tunnel boring machine 180, receives the sensor data which measures the load-sensitive element 108 and determines therefrom the mechanical load which acts on the associated disk 106.
  • FIG. 2 shows a sleeve 177, also referred to as a sensor sleeve for a removal tool 100 according to an exemplary embodiment of the invention.
  • the sleeve 177 is formed as a hollow circular cylindrical body with a continuous axial through hole, wherein on an inner wall 175 of the sleeve 177 radially offset by 90 ° to each other two strain gauges are glued as load-sensitive elements 108. These two load sensitive elements 108 serve to receive load signals during operation of the tunnel boring machine 180 when the associated mining tool 100 is mounted to the wellhead 150. During operation of a tunnel boring machine 180 there is a strong heating of the mining tools 100, in particular in the area of the discs 106.
  • load-sensitive Elements 108 that are in FIG. 2 are denoted by "1" and "3” with two other similar load-sensitive elements 108 (in the spatial representation of FIG. 2 not shown, but in that Substitute circuit diagram with "R2" and "R4" designated and drawn in the top right of the inner wall 175 drawn) connected to a bridge circuit.
  • These other two load-sensitive elements 108 serve to receive reference data which are intended to enable temperature compensation independent of load or stress.
  • FIG. 3 shows a sleeve 177 of a sensor assembly 112 according to another exemplary embodiment of the invention.
  • a membrane-like and elastic planar plate 173 is provided inside the hollow circular cylindrical inner wall 175 (for example pressed or worked out together with the hollow cylinder from a common blank) on which four load-sensitive elements 108 are approximately offset by 90 ° in the radial direction X- or cross-shaped are mounted. These can in turn be designed as strain gauges.
  • the plate 173 may in particular be formed integrally with the inner wall 175 associated hollow circular cylindrical body of the sleeve 177, for example by blind holes are formed in a fully cylindrical body (for example made of stainless steel) on both sides, which are separated from each other in the axial direction by the plate 173 are.
  • the plate 173 can be pressed as a separate component in the interior of a hollow cylindrical sleeve 175.
  • the four load-sensitive elements 108 can be interconnected to form a full-bridge circuit for the purpose of temperature compensation.
  • the load-sensitive elements 108 are arranged in sensory sensitive and mechanically stable position inside the sleeve 177 and thus reliably protected against destruction during assembly or during operation of the tunnel boring machine 180 with high detection accuracy.
  • a sleeve 177 is shown, in which four load-sensitive elements 108 are all mounted on the inner wall 175 of the hollow circular cylindrical sleeve 177. Again, the four load-sensitive elements 108 are combined into a bridge circuit. Again, two of the four load-sensitive elements 108 are used for the actual recording of measurement signals, whereas the other two load-sensitive elements 108 are designed for temperature compensation by means of full-bridge connection.
  • FIG. 5 16 shows a cross-section of a mining tool 110 for a drill bit 150 of a tunnel boring machine 180 according to an exemplary embodiment of the invention.
  • the disc fixture 104 is formed here of a bit mounting block 504 for drill bit mounting and a C-piece 500 for receiving and mounting a disc axis 502 of a disc 106.
  • FIG. 5 also shows a mounting screw 110, which serve to assemble the components together.
  • a sleeve 177 of a sensor assembly 112 of the excavating tool 100 Extending approximately parallel to the fastening screw 506 and approximately perpendicular to the disc axis 502 is a sleeve 177 of a sensor assembly 112 of the excavating tool 100, the sleeve 177 being pressed or screwed or hammered into a sleeve receiving hole formed in the disc fastener 104.
  • FIG. 5 shows that due to the massive design of the disc attachment 104 there is a high degree of freedom of choice for a mining tool designer to specify the position and orientation of the sleeve 177. In particular, the independence of the sleeve 177 of the mounting screw 110 increases this design freedom.
  • the sleeve 177 as a thin-walled elastic member, engagement of the sleeve 177 is possible even upon detection of the load data, so that the sleeve 177 itself is part of the load sensitive system and thus synergistic with the load sensitive elements 108 (not shown in FIG. 5 ) cooperates.
  • FIG. 6 shows the result of a finite element analysis performed on a disc attachment 104 of a mining tool 100. Based FIG. 6 It can be seen that in certain areas of the disc fastening device 104, a particularly high sensitivity or force peaks can be ascertained, which increase the measuring accuracy if a sensor arrangement 112 is implemented at these locations. Since, according to the invention, a sensor arrangement 112 can be provided and positioned independently of a fastening element 110 (to be attached at predetermined positions), this makes it possible to achieve a particularly high accuracy of a detected load.
  • FIG. 7 is a perspective view of a mining tool 100 according to an exemplary embodiment of the invention.
  • FIG. 7 In the embodiment according to FIG. 7 two mutually substantially orthogonally oriented sleeves 177 a sensor assembly 112 are inserted into the interior of the C-piece 500 of the disc attachment 104.
  • the axes of the sleeves 177 each extend orthogonal to a disc rotation axis. It has been shown that particularly sensitive sensor data can be recorded with this configuration.
  • the position of the fastening screws 110 is in FIG. 7 shown.
  • FIG. 8 again shows an exploded view of in FIG. 7 in particular, and shows how the sleeves 177 can be inserted into respectively drilled sleeve receiving holes 800.
  • the hollow lumen of the sleeves 177 not only allows electrical cables to be passed through to energize and / or signal the load sensitive elements 108, but also contributes to the resilience of the sleeve 177 itself the accuracy of the sensory measurement is advantageous.
  • the open on both sides hollow lumen the sleeve 177 may be used to engage a tool when the sleeve 177 is to be replaced (for example, by wear).
  • FIG. 9 shows a diagram 900, the sensitivity of in FIG. 2 to FIG. 4 shown sensor assemblies 112 can be removed.
  • the diagram 900 has an abscissa 902 along which a recorded measurement signal is plotted. Along an ordinate 904, a force F acting on the respective load-sensitive element 108 is plotted.
  • a curve 906 corresponds to the sensor arrangement 112 according to FIG. 2
  • a curve 908 corresponds to the sensor arrangement 112 according to FIG FIG. 3
  • a curve 910 corresponds to the sensor array 112 according to FIG FIG. 4 .
  • FIG. 9 shows that, in particular, the sensor arrangement 112 according to FIG. 3 highest sensitivity with low hysteresis and high linearity allows.
  • FIG. 10 shows a plot 1000 which in turn has the abscissas 902 and the ordinate 904.
  • a first set of curves is compared, showing sensor arrangements 112 according to the invention with load-sensitive elements 108 attached to a sleeve 177 (curve 1002 refers to a design corresponding to FIG FIG. 3 whereas curve 1004 corresponds to a design FIG. 4 refers).
  • curve 1002 refers to a design corresponding to FIG. 3
  • curve 1004 corresponds to a design FIG. 4 refers.
  • measurement data for three conventional sensor arrangements are shown in which load-sensitive elements have been integrated into a fastening element (family of curves 1006).
  • FIG. 11 shows a plan view of a disk 106 of a mining tool 100 according to an exemplary embodiment of the invention.
  • the sleeve 177 is passed through the disk axis (for example pressed in) and therefore absorbs sensor data at a highly sensitive position.
  • two load-sensitive elements 108 are arranged along a circumference of the disc axis 502.
  • FIG. 12 schematically shows a disk 106, which is received on a disc attachment 104.
  • the normal force F N acts on the disk 106, which is also exposed to a rolling force F R , with which the disk 106 rolls around the axis 120 while it removes rocks.
  • a lateral force F S also acts on the disk 106.

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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.
  • DE 20 2012 103 593 U1 derselben Anmelderin Montanuniversität Leoben offenbart ein Abbauwerkzeug für einen Bohrkopf einer Tunnelbohrmaschine zum Abbauen von Gebirge, wobei das Abbauwerkzeug eine an dem Bohrkopf montierbare Schneidrollenbefestigungseinrichtung zum Aufnehmen und Lagern einer Schneidrolle, die zum Abbauen von Gebirge an der Schneidrollenbefestigungseinrichtung auswechselbar aufnehmbar oder aufgenommen ist, und eine Sensoranordnung 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 ist. Wenngleich dieses Abbauwerkzeug benutzerfreundlich und leistungsstark ist, kann es unter bestimmten Betriebsbedingungen hinsichtlich der Detektionsgenauigkeit noch Raum für Verbesserungen lassen.
  • Weiterer gattungsferner Stand der Technik ist in DE 100 30 099 C2 offenbart.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine hochpräzise 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 in der Schneidrollenbefestigungseinrichtung (insbesondere in dem Aufnahmelager) - insbesondere 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 als eine zumindest teilweise in der Schneidrollenbefestigungseinrichtung und/oder an der Schneidrolle angebrachte Hülse mit mindestens einem daran angebrachten lastsensitiven Element ausgebildet 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, 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 insbesondere 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 kann die Kraftmessung beim Tunnelbau, genauer gesagt während eines Bohrbetriebs eines Bohrkopfs einer Tunnelbohrmaschine mittels Abbauwerkzeugen mit Schneidrollen, dadurch in extrem präziser Weise vorgenommen werden, dass ein oder mehrere lastsensitive Elemente (wie zum Beispiel Dehnmessstreifen) in einer Hohlhülse integriert werden, die an einer beliebigen Stelle des Abbauwerkzeugs in einem korrespondierenden Hülsenloch in der Schneidrollenbefestigungseinrichtung und/oder in der Schneidrolle montiert werden kann. Indem ein vorzugsweise beidseitig offener und somit zugänglicher Hohlkörper als Aufnahmebasis zum Aufnehmen lastsensitiver Elemente eingesetzt wird, ist nicht nur die Position der Lastmessung in dem Abbauwerkzeug frei wählbar (es braucht lediglich an der gewünschten Stelle ein Hülsenloch gebildet zu werden, in das die Sensorhülse aufgenommen wird), sondern die Elastizität eines dünnwandigen Hohlhülsenkörpers kann zudem vorteilhaft verwendet werden, um die Empfindlichkeit der Messung gegenüber herkömmlichen Ansätzen gerade zu revolutionieren.
  • Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel ist eine modulare Messeinheit in Form einer Hülse geschaffen, die zur Bestimmung von äußeren Schnittkräften von Werkzeugen zum Lösen von Gestein ausgebildet ist. Die Hülse kann kraft-, stoff- und/oder formschlüssig direkt im Umfeld des Werkzeugs positioniert sein. Eine solche Konfiguration hat den Vorteil, dass eine direkte Zuordnung des Messsignals zu den äußeren Belastungen möglich ist. Durch eine kombinierte Anordnung mehrerer solcher Sensoranordnungen aus Hülsen und lastsensitivem/n Element(en) ist eine Messung unterschiedlicher Kräfte und deren Richtungen an annähernd beliebigen Positionen möglich. Versuche mit dem in Hülsenbauform (anstelle von Bolzenbauform) konstruierten und für die Anwendung an mehreren strategischen Positionen optimiert ausgerichteten und platzierten Sensoren zeigen großartige Performance bezogen auf Linearität (ca. 3-5% und besser), Hysterese (sehr klein) und Offsetverhalten.
  • Im Weiteren werden zusätzliche exemplarische Ausführungsbeispiele des Abbauwerkzeugs, des Systems, des Bohrkopfs und der Tunnelbohrmaschine beschrieben.
  • 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 das mindestens eine lastsensitives Element der Sensoranordnung (insbesondere funktionell und räumlich) getrennt von dem mindestens einen Befestigungselement vorgesehen ist. Indem die Positionierung von lastsensitiven Elementen einer Sensoranordnung eines Abbauwerkzeugs von Befestigungselementen wie Schrauben oder Bolzen losgelöst wird, wird eine Unabhängigkeit der Lastmessung von vorgegebenen Positionen von Befestigungselementen erreicht. Versuche haben gezeigt, dass durch die gezielte Auswahl einer Position der Sensorhülse bzw. auch der Orientierung der Sensorhülse relativ zu der Schneidrolle eine signifikante Erhöhung der Empfindlichkeit erreicht werden kann. Befestigungselemente müssen naturgemäß eine hohe mechanische Stabilität und Robustheit und somit auch eine massive Ausgestaltung haben, um ihre Befestigungsfunktion wahrnehmen zu können. Dagegen kann die Sensorhülse, die bedarfsweise (zum Beispiel bei Verschleiß) ausgetauscht werden kann, bewusst als dünnwandiger Körper ausgebildet werden, der selber (zum Beispiel in Form einer Auslenkung oder Verformung) externen Belastungen folgt, wie sie am Bohrkopf einer Tunnelbohrmaschine auftreten.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann zumindest ein Teil der Hülse als (insbesondere gewindefreier) Hohlzylinder (zum Beispiel als Rohrstück), weiter insbesondere als hohler Kreiszylinder, ausgebildet sein. Zum Beispiel kann ein solcher Hohlzylinder ein axiales Durchgangsloch aufweisen, wobei dann eine Montage lastsensitiver Elemente an der großflächigen Innenwandung möglich ist. Eine solche Sensormontage ist nicht nur montagetechnisch einfach, sondern schützt die Sensoren während des Betriebs auch vor Zerstörung, ohne dass dabei hinsichtlich der Nachweisgenauigkeit Kompromisse eingegangen werden müssen. Gemäß einer zu der Durchgangslocharchitektur alternativen Ausgestaltung ist es auch möglich, in dem im Wesentlichen hohlzylindrischen Hülsenkörper einseitig oder beidseitig axiale Sacklöcher zu bilden, das oder die zu planen Montageflächen im Inneren der Sensorhülse führen, an denen das oder die lastsensitiven Elemente dann mit geringem Montageaufwand anbringbar sind. Mit einer kreiszylindrischen äußeren Mantelfläche der Sensorhülse ist ein Einbringen der Sensorhülse in ein kreisrundes (Bohr-)Loch an der gewünschten Messposition des Abbauwerkzeugs möglich.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann zumindest eines des mindestens einen lastsensitiven Elements an einer Innenfläche einer Hülsenwandung angebracht sein. Die Innenwandung der Sensorhülse ist ein geeigneter Ort zum Montieren der Sensoren, zum Beispiel mittels Anklebens oder Einpressens in eine Wandungsnut. An der Innenwandung der Sensorhülse sind die lastsensitiven Elemente vor einer Beschädigung, insbesondere beim Einschlagen oder Eindrehen in ein Hülsenaufnahmeloch in dem Abbauwerkzeug geschützt, ohne während des Bohrvorgangs hierbei an Messgenauigkeit einzubüßen. Das gezielte Anbringen lastsensitiver Elemente an bestimmten axialen und/oder radialen Positionen der Innenwandung erlaubt somit auch die Aufnahme richtungsabhängiger Belastungsinformation.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann eine Mehrzahl von lastsensitiven Elementen zueinander radial winkelversetzt an der Innenfläche der Hülsenwandung angebracht sein. Das zueinander winkelversetzte Anbringen mehrerer lastsensitiver Elemente entlang eines Umfangs der Innenwandung der Sensorhülse erlaubt die Detektion richtungsabhängiger Kraftinformation. Eine solche Geometrie ist insbesondere für eine Vollbrückenschaltung, die eine Temperaturunabhängigkeit der Messergebnisse gewährleisten kann (wenn zum Beispiel vier zu einer Vollbrücke verschaltete lastsensitive Elemente auf derselben Temperatur befindlich sind), vorteilhaft. Ferner ist die Größe typischer Sensorhülsen (zum Beispiel Länge zwischen 10 mm und 100 mm, insbesondere zwischen 20 mm und 60 mm, Durchmesser zwischen 3 mm und 30 mm, insbesondere zwischen 6 mm und 20 mm) ausreichend, um mehrere lastsensitive Elemente in Form von präzisen und fehlerrobusten Dehnmessstreifen winkelversetzt zueinander anzuordnen. Alternativ oder ergänzend ist auch ein axiales Anordnen mehrerer lastsensitiver Elemente an der Innenwandung der Sensorhülse möglich.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Hülsenwandung so dünnwandig ausgebildet sein (zum Beispiel höchstens 2 mm, insbesondere höchstens 1 mm, dick), dass die Hülsenwandung unter dem Einfluss einer mechanischen Belastung beim Bohrbetrieb unter Einwirkung auf das lastsensitive Element elastisch verformbar ist. Die Sensorhülse kann zum Beispiel ein Metall wie Edelstahl mit einer Dicke von zwischen 0,05 mm und 2 mm, insbesondere 0,1 mm bis 0,2 mm, aufweisen. Somit kann die dünnwandige Sensorhülse selbst als sensorische Komponente mit dem oder den lastsensitiven Elementen zusammenwirken, da auch die Sensorhülse unter der Belastung beim Bohrbetrieb der Tunnelbohrmaschine elastisch verformt und in gewissem Umfang bewegt wird, was wiederum auf die lastsensitiven Elemente übertragen wird. Die Sensorhülse ist dann somit nicht bloß Träger für die lastsensitiven Elemente, sondern selbst Sensorkomponente. Gerade daraus resultiert die besonders hohe Empfindlichkeit des erfindungsgemäßen Abbauwerkzeugs.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann zumindest eines des mindestens einen lastsensitiven Elements an einem insbesondere ebenen Plättchen der Hülse angebracht sein, das in einem hohlzylindrischen Abschnitt der Hülse angeordnet und an dem hohlzylindrischen Abschnitt angebracht ist. Gemäß dieser Ausgestaltung kann ein mit der Wandung der Sensorhülse einstückig ausgebildetes oder darin eingepresstes getrenntes Plättchen vorgesehen sein, das zur Aufnahme von einem oder mehreren lastsensitiven Elementen dient. Zum Beispiel kann das Plättchen so an einer solchen Stelle einer hohlzylindrischen Wandung angeordnet sein, dass dieses mittig zwischen einander gegenüberliegenden axialen Enden der Sensorhülse angeordnet ist. Auf diesem Plättchen können die lastsensitiven Elemente montiert werden, so dass diese zwar schützend im Inneren der Sensorhülse, aber dennoch hochempfindlich auf Belastungen beim Bohrbetrieb einer Tunnelbohrmaschine angebracht sind. Experimente haben gezeigt, dass eine derartige Anordnung lastsensitiver Elemente nicht nur zu einer geringen Hysterese und einer extrem hohen Empfindlichkeit führen, sondern auch zu einer Langlebigkeit der mit lastsensitiven Elementen versehenen Sensorhülse-Plättchen-Anordnung. Das Plättchen kann umfänglich durchgehend direkt an die hohlzylindrische Wandung der Sensorhülse angeschlossen sein bzw. daran angrenzen, um eine ungehinderte Krafteinleitung hin zu einem oder mehreren lastsensitiven Elementen an dem Plättchen zu ermöglichen.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann eine Mehrzahl von lastsensitiven Elementen zueinander radial winkelversetzt an dem Plättchen angebracht sein. Zum Beispiel können vier lastsensitive Elemente im Abstand von jeweils 90° zueinander auf dem Plättchen montiert sein, so dass deren Fluchtlinien ein Kreuz bilden. Alternativ oder ergänzend können, zum Beispiel durch das Vorsehen mehrerer Plättchen im Inneren der Sensorhülse, auch an axial unterschiedlichen Positionen lastsensitive Elemente angebracht sein, um die Ortsauflösung der aufgenommenen Lastdaten weiter zu verfeinern.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Plättchen als Membran ausgebildet sein. Bei der Ausgestaltung des Plättchens als schwingfähige oder bewegliche Membran, welche bei dem Bohrbetrieb den Schwingungen infolge der äußeren Lasteinprägung folgt, ist die Empfindlichkeit der Sensoranordnung besonders hoch.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel können zwei lastsensitive Elemente zueinander radial winkelversetzt an einer Innenfläche einer Hülsenwandung angebracht sein und zwei weitere lastsensitive Elemente von der Innenfläche getrennt vorgesehen sein. Bei einer solchen Konfiguration, die zum Beispiel in Figur 2 gezeigt ist, können die zwei an der Innenwandung angebrachten lastsensitiven Elemente in erster Linie die Kraftmessung vornehmen, wohingegen die anderen beiden lastsensitiven Elemente (die zum Beispiel lose im Inneren der Hülse angebracht sein können) zur Temperaturkompensation im Wege einer Brückenschaltung vorgesehen werden können.
  • Gemäß einem anderen, besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel können vier lastsensitive Elemente an einem insbesondere ebenen Plättchen der Hülse um eine Hülsenachse radial verteilt angebracht sein, wobei das Plättchen in einem hohlzylindrischen Abschnitt der Hülse angeordnet und an dem hohlzylindrischen Abschnitt angebracht ist. Gemäß einer solchen Ausgestaltung, die zum Beispiel in Figur 3 gezeigt ist, sind alle vier lastsensitiven Elemente einer Vollbrückenschaltung an dem Plättchen (vorzugsweise an einer gemeinsamen Hauptfläche des Plättchens, weiter vorzugsweise in im Wesentlichen x- oder kreuzförmigem Muster) montiert, wobei zwei der lastsensitiven Elemente entlang einer ersten Richtung und die beiden anderen lastsensitiven Elemente entlang einer dazu vorzugsweise orthogonalen zweiten Richtung ausgerichtet sind. Eine solche Konfiguration zeigt besonders gute Eigenschaften hinsichtlich Nachweisgenauigkeit, Linearität, Hystereseverhalten und mechanischer Robustheit.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel können vier lastsensitive Elemente zueinander radial winkelversetzt an einer Innenfläche einer Hülsenwandung angebracht sein. Ein derartiges Ausführungsbeispiel ist in Figur 4 gezeigt und ermöglicht ebenfalls eine fehlerrobuste Messung wirkender Kräfte durch eine symmetrische Anbringung der lastsensitiven Elemente an der Innenwandung der Sensorhülse. Die resultierende Abschirmung der lastsensitiven Elemente gegenüber der Umgebung ist unter den harschen und rauen Bedingungen des Bohrbetriebs besonders vorteilhaft.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Abbauwerkzeug zumindest eine weitere zumindest teilweise in der Schneidrollenbefestigungseinrichtung und/oder an der Schneidrolle angebrachte weitere Hülse mit mindestens einem daran angebrachten lastsensitiven Element aufweisen, wobei die Hülse und die weitere Hülse an unterschiedlichen Positionen des Abbauwerkzeugs und zueinander winkelig, insbesondere orthogonal, angeordnet sein können. Vorteilhaft ist es also möglich, mehrere Sensorhülsen an dem Abbauwerkzeug vorzusehen, die komplementäre bzw. sich ergänzende oder die Detektionsgenauigkeit erhöhende Informationen liefern können. Insbesondere das zueinander winkelige, vorzugsweise orthogonale Anbringen zweier Sensorhülsen zueinander (das heißt das Anordnen der Hülsenachsen mit einem 90°-Winkel zueinander) liefert nicht nur komplementäre Informationen, sondern erlaubt auch die Erfassung unterschiedlicher Kraftkomponenten, wie zum Beispiel Rollkraft, Normalkraft und Achsenkraft der Schneidrollenanordnung.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Hülse in einem Schneidrollenhalterungsblock der Schneidrollenbefestigungseinrichtung angeordnet sein. Ein solcher Schneidrollenhalterungsblock dient zur Lagerung der Schneidrolle in dem Abbauwerkzeug und kann wiederum selbst zum Montieren in dem Bohrkopf ausgebildet sein. Ein solcher Schneidrollenhalterungsblock bietet die Möglichkeit, ein oder mehrere Hülsenaufnahmelöcher zum Aufnehmen von einer oder mehreren Sensorhülsen auszubilden. Außerdem kann ein Schneidrollenhalterungsblock beim Auswechseln der schnell verschleißenden Schneidrolle durchgehend am Bohrkopf montiert bleiben, so dass keine aufwendige Demontage und Neumontage von Sensorkabeln beim bloßen Austauschen der Schneidrolle nötig ist.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Hülse an einer Schneidrollenlagerung, insbesondere einem C-Stück, der Schneidrollenbefestigungseinrichtung angeordnet sein. Das C-Stück der Schneidrollenhalterung ist ein Lagerstück, der im Querschnitt im Wesentlichen eine C-Form aufweist. Ein solches C-Stück ist besonders nahe der Schneidrolle selbst angeordnet und ist daher, wie Finite-Elemente-Simulationen gezeigt haben, besonders sensitiv auf einwirkende Lasten bzw. liefert besonders präzise Sensordaten zur hochempfindlichen Bestimmung der auf das Abbauwerkzeug einwirkenden Kräfte während des Bohrbetriebs.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Hülse als Teil einer Schneidrollenachse angeordnet sein. Die hülsenartige Geometrie der Sensorhülse ist dazu prädestiniert, in eine Achsbohrung der Schneidrolle selbst eingesetzt zu werden, um an dieser Position höchstgenaue Kraftdaten erfassen zu können. Beim Auswechseln der Schneidrolle kann die Hülse einfach aus der Hülsenachse herausgenommen bzw. herausgeschoben werden und in eine neue Schneidrolle eingesetzt werden. Dadurch ist auch die Neumontage der Sensorhülse beim Austausch einer Schneidrolle (zum Beispiel infolge Verschleiß) mit einfachen Mitteln möglich.
  • Es ist alternativ oder ergänzend auch möglich, die Sensorhülse an einer anderen Stelle der Schneidrolle zu implementieren, zum Beispiel in einem Bohrloch in einem massiven Abschnitt eines Schneidrings der Schneidrolle.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Abbauwerkzeug zumindest eine Sensorleitung zum Führen von Sensorsignalen aufweisen, wobei die mindestens eine Sensorleitung sich ausgehend von dem mindestens einen lastsensitiven Element zumindest abschnittsweise durch ein Lumen der Hülse hindurch erstreckt. Die hülsenartige Ausgestaltung der Sensoranordnung mit einer Zugangsöffnung oder zwei Zugangsöffnungen ermöglicht es, mit geringem Aufwand Kabelzu- und - ableitungen zu den lastsensitiven Elementen in der Sensorhülse zu führen und diese gleichzeitig mechanisch vor der Umgebung zu schützen. Dies stellt einen signifikanten Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung dar, da es unter den rauen Bedingungen, wie sie während des Betriebs einer Tunnelbohrmaschine herrschen, auch im Langzeitbetrieb eine zuverlässige Bereitstellung elektrischer Signale von den lastsensitiven Elementen garantiert.
  • Alternativ zu einer kabelgebundenen Signal- und/oder Energiezuführung ist auch eine drahtlose Kommunikation des oder der lastsensitiven Elemente mit einer Auswerte- oder Steuereinrichtung möglich, zum Beispiel mittels Einsetzens von Transpondern wie zum Beispiel RFID-Tags.
  • 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 das mindestens eine lastsensitive Element als Dehnmessstreifen ausgebildet sein. 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 die Hülse 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. Eine Alternative zum Implementieren von Dehnmessstreifen als lastsensitive Elemente kann als lastsensitives Element auch ein Piezosensor eingesetzt werden.
  • 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 wird auch "conical saddle system" genannt. Steckachsen-Abbauwerkzeuge werden zum Beispiel von der Firma Aker Wirth eingesetzt. Wedge-Lock-Abbauwerkzeuge werden zum Beispiel von der Firma Herrenknecht oder der Firma Robbins eingesetzt.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann zwischen der Hülse und dem mindestens einen daran angebrachten lastsensitiven Element im Hülseninneren ein Hohlraum verbleiben. Zum Beispiel kann das nach Implementieren des oder der lastsensitiven Elemente freibleibende Hohlvolumen des Hohlraums mindestens 10%, insbesondere mindestens 30%, weiter insbesondere mindestens 50% des Gesamtvolumens des Sensorhülse (d.h. Hohlvolumen plus Festkörpervolumen) sein. Durch das Beibehalten eines Hohlraum im Hülseninneren nach Montage des mindestens einen lastsensitiven Elements an der Hülse ist vorteilhaft eine gewisse Ausgleichsbewegung der Hülse und/oder des lastsensitiven Elements unter Einwirkung von in Bohrbetrieb wirkenden Kräften möglich. Ferner erlaubt das Beibehalten eines Hohlvolumens ein bequemes Implementieren von Kabelverbindungen und ein loses Anbringen einzelner lastsensitiver Elemente (zum Beispiel zum Ausbilden einer temperaturinvarianten Vollbrücke) im Hülseninneren und erhöht somit die Designfreiheit beim Konfigurieren der Sensoranordnung.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Hülse mit der Schneidrollenbefestigungseinrichtung und/oder der Schneidrolle einstückig, insbesondere einstoffig, ausgebildet sein. Zum Beispiel kann die Hülse in eine Bohrung in der Schneidrollenbefestigungseinrichtung bzw. der Schneidrolle eingeschweißt oder eingelötet werden oder die Hülse in anderer Weise untrennbar oder sogar integral mit der Schneidrollenbefestigungseinrichtung bzw. der Schneidrolle ausgebildet werden.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Sensoranordnung vier, insbesondere genau vier, lastsensitive Elemente aufweisen, wobei die Auswerteeinheit eingerichtet sein kann, 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. 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.
  • Im Folgenden werden exemplarische Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung mit Verweis auf die folgenden Abbildungen detailliert beschrieben.
    • Figur 1 zeigt eine Tunnelbohrmaschine mit einem Bohrkopf, der mit einer Mehrzahl von Abbauwerkzeugen gemäß exemplarischen Ausführungsbeispielen der Erfindung bestückt ist.
    • Figur 2 bis Figur 4 zeigen jeweils eine räumliche Ansicht einer Sensorhülse, eine entsprechende Brückenschaltung als elektrisches Ersatzschaltbild und eine Draufsicht der Sensorhülse bzw. eines Sensorplättchens an der Sensorhülse von Sensoranordnungen von Abbauwerkzeugen gemäß exemplarischen Ausführungsbeispielen der Erfindung.
    • Figur 5 zeigt einen Querschnitt durch ein Abbauwerkzeug gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung und zeigt insbesondere eine geeignete Position einer erfindungsgemäßen Sensorhülse in Kombination mit Befestigungselementen zum Befestigen einer Schneidrolle an einer Schneidrollenbefestigungseinrichtung eines Abbauwerkzeugs gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
    • Figur 6 zeigt das Ergebnis einer Finite-Elemente-Analyse hinsichtlich der Sensitivität einer Sensorhülse an unterschiedlicher Positionen an einem Abbauwerkzeug gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
    • Figur 7 zeigt eine räumliche Ansicht eines Abbauwerkzeugs gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei zwei Sensorhülsen zueinander orthogonal angeordnet und in einem C-Stück einer Schneidrollenbefestigungseinrichtung angeordnet sind.
    • Figur 8 zeigt eine Explosionsdarstellung eines Abbauwerkzeugs gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung und veranschaulicht insbesondere Montagepositionen und Montagerichtungen von zwei Sensorhülsen.
    • Figur 9 zeigt ein Diagramm, das für die in Figur 2 bis Figur 4 gezeigten Ausführungsbeispiele von Sensorhülsen gemäß exemplarischen Ausführungsbeispielen der Erfindung eine Analyse der Linearität des Verhaltens sowie des Hystereseverhaltens und der Empfindlichkeit zeigt.
    • Figur 10 ist ein Diagramm, das die signifikant verbesserte Nachweisempfindlichkeit erfindungsgemäßer Sensorhülsen gegenüber einer in einem Befestigungselement integrierten Sensoranordnung zeigt.
    • Figur 11 zeigt eine Schneidrolle eines Abbauwerkzeugs gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung mit an der Schneidrollenachse montierter Sensorhülse gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
    • Figur 12 zeigt eine schematische Ansicht einer in einer Schneidrollenbefestigungseinrichtung montierten Schneidrolle und drei auf diese während des Bohrbetriebs einwirkende Kraftkomponenten.
  • Gleiche oder ähnliche Komponenten in unterschiedlichen Abbildungen sind mit gleichen Bezugsziffern versehen.
  • Figur 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 Figur 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 Figur 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 mittels einer Antriebseinrichtung 184 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 Figur 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 eine weitere Komponenten der Diskenbefestigungseinrichtung 104. Jedes der Abbauwerkzeuge 100 weist demzufolge mehrere der Befestigungsschrauben 110 auf, mit denen die Diske 106 samt Lager 126 und die Diskenaufnahme 194 an den Bohrkopf 150 befestigt sind. Die Diske 106 hat eine Achse 120, einen Diskenkörper 122, einen Schneidring 124 mit einer umfänglichen Schneidkante und ein Lager 126.
  • 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. Gemäß dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Sensoranordnung 112 als in der Diskenbefestigungseinrichtung 104 (und in einem alternativen Ausführungsbeispiel alternativ oder ergänzend an der Diske 106) angebrachte Hülse 177 mit einem daran angebrachten lastsensitiven Element 108 in Form eines Dehnmessstreifens ausgebildet ist. In der Hülse 177 ist also ein Dehnmessstreifen als lastsensitives Element 108 integriert. Mittels eines Verbindungskabels bzw. einer Sensorleitung 171 kann ein elektrisches Sensorsignal von dem lastsensitiven Element 108 an eine Auswerteeinheit 128 übermittelt werden. Exemplare Ausgestaltungen der Sensoranordnung 112 gemäß Figur 1 sind in Figur 2 bis Figur 4 gezeigt.
  • Die Auswerteeinheit 128, die Teil eines Prozessors oder einer Steuerung der Tunnelbohrmaschine 180 sein kann, nimmt die Sensordaten auf, die das lastsensitive Element 108 misst und ermittelt daraus die mechanische Belastung, welche auf die zugehörige Diske 106 einwirkt.
  • Figur 2 zeigt eine auch als Sensorhülse bezeichnete Hülse 177 für ein Abbauwerkzeug 100 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • Gemäß Figur 2 ist die Hülse 177 als hohlkreiszylindrischer Körper mit einem durchgehenden axialen Durchgangsloch ausgebildet, wobei an einer Innenwandung 175 der Hülse 177 radial um 90° zueinander versetzt zwei Dehnmessstreifen als lastsensitive Elemente 108 angeklebt sind. Diese beiden lastsensitiven Elemente 108 dienen zur Aufnahme von Lastsignalen während des Betriebs der Tunnelbohrmaschine 180, wenn das zugehörige Abbauwerkzeug 100 an dem Bohrkopf 150 montiert ist. Beim Betrieb einer Tunnelbohrmaschine kommt 180 es zu einer starken Erwärmung der Abbauwerkzeuge 100, insbesondere im Bereich der Disken 106. Um die Sensoranordnung 112 von derartigen Temperatureinflüssen unabhängig zu machen, sind die beiden an der Innenwandung 175 der Hülse 177 angebrachten (zum Beispiel angeklebten) lastsensitiven Elemente 108, die in Figur 2 mit "1" und "3" bezeichnet sind, mit zwei weiteren gleichartigen lastsensitiven Elementen 108 (in der räumlichen Darstellung von Figur 2 nicht gezeigt, aber in dem Ersatzschaltbild mit "R2" und "R4" bezeichnet und in der Draufsicht rechts von der Innenwandung 175 getrennt gezeichnet) zu einer Brückenschaltung verschaltet. Diese anderen beiden lastsensitiven Elemente 108 dienen dabei der Aufnahme von Referenzdaten, die kraft- bzw. belastungsunabhängig eine Temperaturkompensation ermöglichen sollen.
  • Figur 3 zeigt eine Hülse 177 einer Sensoranordnung 112 gemäß einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gemäß dieser Ausgestaltung ist im Inneren der hohlkreiszylindrischen Innenwandung 175 ein membranartiges und elastisches ebenes Plättchen 173 vorgesehen (zum Beispiel eingepresst oder gemeinsam mit dem Hohlzylinder aus einem gemeinsamen Rohling herausgearbeitet), an dem in radialer Richtung um jeweils 90° zueinander versetzt vier lastsensitive Elemente 108 annähernd X- oder kreuzförmig montiert sind. Diese können wiederum als Dehnmessstreifen ausgeführt sein. Das Plättchen 173 kann insbesondere einstückig und einstoffig mit dem der Innenwandung 175 zugeordneten hohlkreiszylindrischen Körper der Hülse 177 ausgebildet sein, zum Beispiel indem in einem vollzylindrischen Körper (zum Beispiel aus Edelstahl) beidseitig Sacklöcher gebildet werden, die voneinander in axialer Richtung durch das Plättchen 173 getrennt sind. Gemäß einer anderen Ausgestaltung kann das Plättchen 173 als separate Komponente in das Innere einer hohlkreiszylindrischen Hülse 175 eingepresst werden. Auch gemäß Figur 3 können die vier lastsensitiven Elemente 108 zwecks Temperaturkompensation zu einer Vollbrückenschaltung verschaltet werden. Bei der Konfiguration gemäß Figur 3 sind die lastsensitiven Elemente 108 an sensorisch empfindlicher und mechanisch stabiler Position im Inneren der Hülse 177 angeordnet und somit bei hoher Nachweisgenauigkeit sicher vor Zerstörung bei der Montage oder während dem Betrieb der Tunnelbohrmaschine 180 geschützt.
  • Gemäß Figur 4 ist eine Hülse 177 gezeigt, bei der vier lastsensitive Elemente 108 allesamt an der Innenwandung 175 der hohlkreiszylindrischen Hülse 177 angebracht sind. Auch hier sind die vier lastsensitiven Elemente 108 zu einer Brückenschaltung kombiniert. Wiederum dienen zwei der vier lastsensitiven Elemente 108 zur eigentlichen Aufnahme von Messsignalen, wohingegen die anderen beiden lastsensitiven Elemente 108 zur Temperaturkompensation mittels Vollbrückenverschaltung ausgebildet sind.
  • Figur 5 zeigt einen Querschnitt eines Abbauwerkzeugs 110 für einen Bohrkopf 150 einer Tunnelbohrmaschine 180 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung. Insbesondere ist in Figur 5 gezeigt, dass die Diskenbefestigungseinrichtung 104 hier aus einem Diskenbefestigungsblock 504 zum Bohrkopfmontage und einem C-Stück 500 zum Aufnehmen und Montieren einer Diskenachse 502 einer Diske 106 gebildet ist. Figur 5 zeigt zudem eine Befestigungsschraube 110, die der Montage der Komponenten aneinander dienen. In etwa parallel zu der Befestigungsschraube 506 und in etwa senkrecht zu der Diskenachse 502 erstreckt sich eine Hülse 177 einer Sensoranordnung 112 des Abbauwerkzeugs 100, wobei die Hülse 177 in ein Hülsenaufnahmeloch eingepresst oder eingedreht oder eingeschlagen ist, das in der Diskenbefestigungseinrichtung 104 gebildet ist. Figur 5 zeigt, dass aufgrund der massiven Ausbildung der Diskenbefestigungseinrichtung 104 ein hohes Maß an Wahlfreiheit für einen Abbauwerkzeugdesigner besteht, die Position und Orientierung der Hülse 177 vorzugeben. Insbesondere die Unabhängigkeit der Hülse 177 von der Befestigungsschraube 110 erhöht diese Designfreiheit. Ferner ist durch das Vorsehen der Hülse 177 als dünnwandiges elastisches Element eine Mitwirkung der Hülse 177 selbst bei dem Detektieren der Lastdaten möglich, so dass die Hülse 177 selbst Teil des lastsensitiven Systems ist und somit synergistisch mit den lastsensitiven Elementen 108 (nicht gezeigt in Figur 5) zusammenwirkt.
  • Figur 6 zeigt das Ergebnis einer Finite-Elemente-Analyse, die an einer Diskenbefestigungseinrichtung 104 eines Abbauwerkzeugs 100 durchgeführt worden ist. Anhand Figur 6 ist erkennbar, dass in bestimmten Bereichen der Diskenbefestigungseinrichtung 104 eine besonders hohe Empfindlichkeit bzw. Kraftspitzen festzustellen sind, welche die Messgenauigkeit erhöhen, wenn an diesen Stellen eine Sensoranordnung 112 implementiert wird. Da erfindungsgemäß eine Sensoranordnung 112 unabhängig von einem (an vorgegebenen Positionen anzubringenden) Befestigungselement 110 vorgesehen und positioniert werden kann, ist dadurch eine besonders hohe Genauigkeit einer erfassten Last erreichbar.
  • Figur 7 zeigt eine räumliche Ansicht eines Abbauwerkzeugs 100 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 7 sind zwei zueinander im Wesentlichen orthogonal orientierte Hülsen 177 einer Sensoranordnung 112 ins Innere des C-Stücks 500 der Diskenbefestigungseinrichtung 104 eingeführt. Die Achsen der Hülsen 177 erstrecken sich dabei jeweils orthogonal zu einer Diskenrotationsachse. Es hat sich gezeigt, dass mit dieser Konfiguration besonders empfindliche Sensordaten aufgenommen werden können. Auch die Position der Befestigungsschrauben 110 ist in Figur 7 gezeigt.
  • Figur 8 zeigt nochmals eine Explosionsdarstellung der in Figur 7 gezeigten Anordnung und zeigt insbesondere, wie die Hülsen 177 in jeweils gebohrte Hülsenaufnahmelöcher 800 eingeführt werden können. Das hohle Lumen der Hülsen 177 erlaubt nicht nur ein Durchführen von elektrischen Kabeln zum elektrischen Versorgen der lastsensitiven Elemente 108 mit Energie und/oder Signalen bzw. zum Signalabnehmen von den lastsensitiven Elementen 108, sondern trägt auch zur Elastizität der Hülse 177 selbst bei, was für die Genauigkeit der sensorischen Messung vorteilhaft ist. Ferner kann das beidseitig offene hohle Lumen der Hülse 177 zum Eingreifen eines Werkzeugs verwendet werden, wenn die Hülse 177 (zum Beispiel mittels Verschleiß) ausgetauscht werden soll.
  • Figur 9 zeigt ein Diagramm 900, dem die Empfindlichkeit der in Figur 2 bis Figur 4 gezeigten Sensoranordnungen 112 entnommen werden können. Das Diagramm 900 weist eine Abszisse 902 auf, entlang der ein aufgenommenes Messsignal aufgetragen ist. Entlang einer Ordinate 904 ist eine auf das jeweilige lastsensitive Element 108 einwirkende Kraft F aufgetragen. Eine Kurve 906 korrespondiert zu der Sensoranordnung 112 gemäß Figur 2, eine Kurve 908 korrespondiert zu der Sensoranordnung 112 gemäß Figur 3 und eine Kurve 910 korrespondiert zu der Sensoranordnung 112 gemäß Figur 4. Zunächst ist zu erkennen, dass bei allen Ausführungsformen die Hysterese, das heißt die von den jeweiligen Kurvenkomponenten eingeschlossene Fläche besonders klein ist. Am besten ist das Hystereseverhalten mit der Konfiguration gemäß Figur 3. Ferner ist eine gute Linearität eines in Reaktion auf eine angelegte Kraft erhaltenen Messsignals zu erkennen, die insbesondere bei den Sensoranordnungen gemäß Figur 2 und Figur 3 hervorragend ist. Schließlich ist die Empfindlichkeit der Messung sehr hoch, insbesondere bei den Sensoranordnungen gemäß Figur 2 und Figur 3. Figur 9 zeigt, dass insbesondere die Sensoranordnung 112 gemäß Figur 3 höchste Empfindlichkeit bei geringem Hystereseverhalten und hoher Linearität ermöglicht.
  • Figur 10 zeigt ein Diagramm 1000, das wiederum die Abszissen 902 und die Ordinate 904 hat. Gegenübergestellt ist eine erste Kurvenschar, die erfindungsgemäße Sensoranordnungen 112 mit an einer Hülse 177 angebrachten lastsensitiven Elementen 108 zeigt (Kurve 1002 bezieht sich auf ein Design entsprechend Figur 3, wohingegen sich Kurve 1004 auf ein Design entsprechend Figur 4 bezieht). Vergleichsweise sind Messdaten für drei herkömmliche Sensoranordnungen gezeigt, in der lastsensitive Elemente in ein Befestigungselement integriert worden sind (Kurvenschar 1006). Figur 10 zeigt eindrucksvoll, dass mit den erfindungsgemäßen Sensoranordnungen 112 (Kurven 1002, 1004) erheblich höhere Empfindlichkeiten erreicht werden können als mit einer Integration der lastsensitiven Elemente in ein Befestigungselement, zum Beispiel eine Befestigungsschraube oder einen Befestigungsbolzen (Kurvenschar 1006).
  • Figur 11 zeigt eine Draufsicht einer Diske 106 eines Abbauwerkzeugs 100 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gemäß dem in Figur 11 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Hülse 177 durch die Diskenachse hindurchgeführt (zum Beispiel eingepresst) und nimmt daher an hochsensibler Position Sensordaten auf. Gemäß der gezeigten Ausführungsform sind zwei lastsensitive Elemente 108 entlang eines Umfangs der Diskenachse 502 angeordnet.
  • Figur 12 zeigt schematisch eine Diske 106, die an einer Diskenbefestigungseinrichtung 104 aufgenommen ist. Beim Bohrbetrieb wirkt die Normalkraft FN auf die Diske 106 ein, die darüber hinaus einer Rollkraft FR ausgesetzt ist, mit welcher die Diske 106 um die Achse 120 abrollt, während sie Gestein abträgt. Auch eine Seitenkraft FS wirkt auf die Diske 106 ein. Mit einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung 112 ist das Erfassen jeder einzelnen der Kraftkomponenten FN, FR und FS möglich, und dies mit höchster Präzision.
  • 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 (15)

  1. Abbauwerkzeug für einen Bohrkopf (150) einer Tunnelbohrmaschine (180) zum Abbauen von Gebirge (102), wobei das Abbauwerkzeug (100) eine an dem Bohrkopf (150) montierbare Schneidrollenbefestigungseinrichtung (104) zum Aufnehmen und Lagern einer rotierfähigen Schneidrolle (106), eine Schneidrolle (106), die zum Abbauen von Gebirge (102) rotierfähig in der Schneidrollenbefestigungseinrichtung (104) auswechselbar aufnehmbar oder aufgenommen ist, und eine Sensoranordnung (112) zum Detektieren einer mechanischen Belastung des Abbauwerkzeugs (100) aufweist, wobei die Sensoranordnung (112) als zumindest teilweise in der Schneidrollenbefestigungseinrichtung (104) und/oder an der Schneidrolle (106) angebrachte Hülse (177) mit mindestens einem daran angebrachten lastsensitiven Element (108) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass 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 das mindestens eine lastsensitive Element (108) der Sensoranordnung (112) getrennt von dem mindestens einen Befestigungselement (110) vorgesehen ist.
  2. Abbauwerkzeug gemäß Anspruch 1, wobei zumindest ein Teil der Hülse (177) als Hohlzylinder ausgebildet ist.
  3. Abbauwerkzeug gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei zumindest eines des mindestens einen lastsensitiven Elements (108) an einer Innenfläche einer Hülsenwandung (175) angebracht ist.
  4. Abbauwerkzeug gemäß Anspruch 3, wobei eine Mehrzahl von lastsensitiven Elementen (108) zueinander radial winkelversetzt an der Innenfläche der Hülsenwandung (175) angebracht ist.
  5. Abbauwerkzeug gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei zumindest eines des mindestens einen lastsensitiven Elements (108) an einem Plättchen (173) der Hülse (177) angebracht ist, das in einem hohlzylindrischen Abschnitt der Hülse (177) angeordnet und an dem hohlzylindrischen Abschnitt angebracht ist.
  6. Abbauwerkzeug gemäß Anspruch 5, wobei eine Mehrzahl von lastsensitiven Elementen (108) zueinander radial winkelversetzt an dem Plättchen (173) angebracht ist.
  7. Abbauwerkzeug gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei zwei lastsensitive Elemente (108) zueinander radial winkelversetzt an einer Innenfläche einer Hülsenwandung (175) angebracht sind und zwei weitere lastsensitive Elemente (108) von der Innenfläche getrennt vorgesehen sind.
  8. Abbauwerkzeug gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, aufweisend zumindest eine weitere zumindest teilweise in der Schneidrollenbefestigungseinrichtung (104) und/oder an der Schneidrolle (106) angebrachte weitere Hülse (177) mit mindestens einem daran angebrachten lastsensitiven Element (108), wobei die Hülse (177) und die weitere Hülse (177) zueinander winkelig, insbesondere orthogonal, angeordnet sind.
  9. Abbauwerkzeug gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Hülse (177) in einem Schneidrollenhalterungsblock oder an einer Schneidrollenlagerung (500) der Schneidrollenbefestigungseinrichtung (104) angeordnet ist.
  10. Abbauwerkzeug gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Hülse (177) als Teil einer Schneidrollenachse (502) angeordnet ist.
  11. Abbauwerkzeug gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, aufweisend zumindest eine Sensorleitung (171) zum Führen von Sensorsignalen, wobei die mindestens eine Sensorleitung (171) sich ausgehend von dem mindestens einen lastsensitiven Element (108) zumindest abschnittsweise durch ein Lumen der Hülse (177) hindurch erstreckt.
  12. 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 das Abbauwerkzeug (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 und eine Auswerteeinheit (128) aufweist, 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.
  13. System gemäß Anspruch 12, wobei die Sensoranordnung (112) vier lastsensitive Elemente (108) aufweist, wobei die Auswerteeinheit (128) eingerichtet ist, basierend auf Sensorsignalen von oder der vier lastsensitiven Elemente (108) eine Information zu ermitteln, die für eine Anpresskraft (FN), eine Seitenkraft (FS) und/oder eine Rollkraft (FR) indikativ ist, die auf die Schneidrolle (106) einwirkt oder einwirken.
  14. Bohrkopf für eine Tunnelbohrmaschine (180) zum Abbauen von Gebirge (102), wobei der Bohrkopf (150) einen rotatorisch und translatorisch gegenüber einem Gebirge (102) bewegbaren Bohrkörper (152) mit einer Mehrzahl von Abbauwerkzeughalterungen (154) zum Haltern von Abbauwerkzeugen (100) und eine Mehrzahl von Abbauwerkzeugen (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 aufweist, die in der Mehrzahl von Abbauwerkzeughalterungen (154) halterbar oder gehaltert sind.
  15. Tunnelbohrmaschine zum Abbauen von Gebirge (102), aufweisend einen Bohrkopf (150) gemäß Anspruch 14.
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