JP6077548B2 - 粉砕または穿孔によって物質を切削する装置、およびその方法 - Google Patents

Description

本発明は、粉砕および／または穿孔によって物質を掘削するための装置、特に、岩石、コンクリート、鉱物または石炭を取り除くための装置に関し、装置は、ドラム軸の周りを回転できるようにドラムキャリアに取り付けられた工具ドラムであって、その中に、工具ドラムから突き出る端部に掘削工具を支持する複数の工具シャフトが回転式に駆動できるように取り付けられ、少なくとも２つの工具シャフトを共通の歯車駆動装置によって駆動可能であり、共通の歯車駆動装置は、駆動シャフトに回転固定式に配置された出力駆動歯車と、出力駆動歯車と相互作用する共通駆動要素とを有し、駆動要素および工具ドラムが互いに回転可能である、工具ドラムを有し、掘削されるべき物質に対してドラムキャリアを移動するための移動装置を有し、および工具キャリアと物質との間の相対移動の速度、および工具ドラムの回転速度を変えることができる制御装置を有する。本発明はまた、ドラムキャリアに取り付けられかつドラム軸の周りを回転可能である工具ドラムを有する装置によって、粉砕および／または穿孔することによって物質を切削する方法、特に岩石、鉱物または石炭を取り除く方法に関し、工具ドラムの中には、共通の歯車駆動装置の駆動要素によって回転式に駆動される複数の工具シャフトが取り付けられ、工具シャフトは工具ドラムから突き出る端部において切削工具を支持し、工具シャフトは第１の回転速度で回転し、工具ドラムは第２の回転速度で回転し、工具キャリアは切削されるべき物質に対して移動装置によって移動され、工具キャリアと物質との間の相対移動の速度、および工具ドラムおよび／または工具シャフトの回転速度は制御装置によって変化される。

上記の方法を実行可能な一般的な型の装置は、例えば（特許文献１）およびまた（特許文献２）から知られている。一般的な型の装置を使用することによって、コンクリートなどの通常は切削が難しい物質でさえ高い粉砕速度で取り除くことができるが、同じく鉄鉱石等などの他の硬い物質も高い粉砕速度で取り除くことができる。工具ドラムの回転速度、変速比、取り除かれるべき物質、および使用される工具の材料など、選択される機械パラメータに応じて、異なる取出し速度および装置の異なる耐用年数が明示される。運転中の観察により以下のことが分かっている。すなわち、一部の運転状態では、他の運転パラメータが選択される場合、より高い取出し速度をより少ない摩耗で達成可能であること、および、同時に、装置および／または工具に損傷が生じる恐れのある危険な運転パラメータが存在することである。

欧州特許第１ ８４１ ９４９ Ｂ１号明細書 国際公開第２００８／０２５５５５ Ａ１号パンフレット

本発明の目的は、対応する危険な運転点が発生しないか、または回避され、および／または装置を最適な運転パラメータで利用できるように装置を改良すること、およびまた、この目的のために、対応する装置をどのように運転すべきかに関する方法を特定することである。

この目的を達成するために、本発明は、装置に、装置の並進振動を計測するための少なくとも１つの計測センサおよび／または工具ドラムの回転振動を測定するための少なくとも１つの計測センサを割り当て、制御装置が、測定された振動の振動分析において振動スペクトルを測定可能である少なくとも１つの振動分析モジュールを含み、および、分析モジュールによって測定された振動に応じて回転速度および／または相対速度を制御できるまたは制御する少なくとも１つの制御器モジュールを含むことを提案する。出願人が実行した調査によって以下のことが分かっている。すなわち、各工具と取り除かれるべき物質との間の相互作用、および装置の機械的構造から、具体的には回転する工具ドラムおよびこの回転に重ねられる切削工具および工具シャフトの運動の重なりからもたらされる動力学の両方を考慮する必要がある。これら要因に基づいて適切な測定および制御概念を構築することを可能にするために、装置の自然並進振動および／または工具ドラムの回転振動が、測定によって記録され、適切な振動分析で評価され、振動分析を用いることによっておよび振動スペクトルから、回転速度または相対速度の駆動パラメータが、好ましくは制御器モジュールを介して、または複数の制御器モジュールを介して、導かれる。このため、振動分析モジュールおよび制御器モジュールは特に、制御装置内のソフトウェアルーチンからなり、それを用いて、確立かつ計測された周波数スペクトルが、好ましくはリアルタイムで評価され、その結果、上記の機械パラメータ、特に回転速度および／または相対速度を介して、装置を改良された運転挙動に調整する。

１つの可能な構造によれば、装置は、工具シャフトの歯車駆動装置から分離したドラム駆動装置を有する工具ドラムを有することができ、装置のこの構造において、回転速度比は、追加の制御パラメータとして、制御装置によって変えることができる。しかしながら、装置はまた、工具ドラムおよび工具シャフトが連結されかつ共通の回転駆動装置を有する構造を有することも可能で、その結果、工具ドラムが太陽歯車を形成し、工具シャフトが関連する遊星を形成する。工具ドラム回転速度と工具シャフト回転速度の間に固定回転速度比を有する装置の場合、この周波数比が装置特有の固定変数を形成する。固定変数は次の運転挙動のために工場で任意選択的に設定できるが、連続運転の間変化することはできない。

振動分析モジュールは特にＦＦＴアルゴリズムを使用することができる。あるいは、振動分析モジュールは、例えば周波数および時間の適切な像をウェーブレットを介して比較的速い変換で常に分析できるので、ウェーブレット変換を使用することができる。

装置の有利な改良によれば、移動装置は回転アームを含むことができ、回転アームの回転速度は制御パラメータとして変えることができる。あるいは、移動装置は、円筒ピン歯車またはラック、およびそれと噛み合う少なくとも１つの歯車を含むことができ、歯車の回転速度は制御パラメータとして変えることができる。

ドラム駆動装置および／または歯車駆動装置は、連続制御可能な駆動装置を好ましくは含む。

基本振動または励起周波数に加えて、通例、振動スペクトルはまた、励起周波数の高調波および励起周波数の低調波振動を呈するまたは含む。有利な制御概念によれば、回転速度および／または相対速度は、高調波が基本振動に対して確定された関係を有するように制御可能である、または制御される。これに関して、振動分析によって、回転振動が一般的に並進振動より１０倍大きいことが分かっている。装置の動力学の適切な調整により、振動分析で測定された高調波は、次に高調波の特定の周波数または階級だけが発生するように制御可能である。しかしながら、取出し効果を増大するために、さらなる高調波が増大した効果を有するように制御を実行することもできる。別の制御概念によれば、低調波振動が振動分析および振動スペクトルから測定可能であるか測定され、または回転速度および／または相対速度が、低調波振動が基本振動に対して特定の所望値に達するように制御可能であるか制御される。さらに別の代替制御概念によれば、非線形低調波振動が振動分析から測定可能であるか測定され、制御装置は制御モジュールを割り当てられ、それを用いて、移動装置の速度または物質貫通深さを、低調波振動が所望値に達するように制御可能である。各制御概念は、強度が最高可能取出し処理能力、またはより低い摩耗破壊ひいては長い耐用年数を達成するどうかに依存することもできる。装置を安定した振動挙動に調整する一方で高調波および／または低調波を考慮することによって、取出しプロセスの効率を大幅に増大させることができ、とりわけ装置の非線形運転挙動を最適化できる。何故なら、この非線形運転挙動の結果、破壊性能を低減させる装置の増大した負荷が発生し得ることがまさにあるためである。機械制御パラメータ、特に回転速度および供給速度は、および適切であれば切削深さも、設定時間に従って特に変えることができる。

自然並進振動用計測センサは、加速度センサ、特に３軸加速度センサを含むことができる。回転振動を測定するために使用される計測センサは、工具ドラムに割り当てられた直接計測型絶対エンコーダ、特に誘電センサであることができ、または回転ドラムに回転固定式に結合された構成要素に、例えばホールセンサを割り当てることができる。回転振動を測定するための計測センサは、工具シャフトに割り当てられたトルクセンサを含むこともできる。

上記の目的は、計測センサを用いて装置の並進振動を計測し、および／または計測センサを用いて工具ドラムの回転移動を測定し、振動スペクトルが、測定される１つまたは複数の振動の振動分析によって形成または測定され、回転速度および／または相対速度が、分析モジュールを使用することによって測定された振動に応じて制御される方法の観点で達成される。常に振動スペクトルによって測定可能である高調波が基本振動に対して所望値に達するように回転速度および／または相対速度が制御されるように、制御は実行可能である。あるいはまたはさらに、制御は以下のように実行可能である。すなわち、低調波振動が振動分析または振動スペクトルから測定され、およびこれら低調波振動が基本振動に対して所望値に達するように回転速度および／または相対速度は制御され、または、あるいは、低調波振動が振動分析から測定され、および制御装置に制御器モジュールが割り当てられ、それを使用して、移動装置の速度または物質貫通深さは低調波振動が最適化されるように制御される。

本発明のさらなる利点および改良は、図面に概略的に示される例示的実施形態の以下の記載から得ることができる。

側面図で概略的に、円筒ピン歯車に沿って直線的に移動できる本発明による装置を示す。 図１の装置の上面図において概略的に、その内部構造および計測センサの配置を示す。 制御ダイヤグラムを使用して、図１および２による装置の制御可能性を示す。

図１および２は、全体的に参照符号１で指定された装置を、非常に簡略化された形式で、および単に本発明の概念の基本図として概略的に示し、装置は、機械案内部４に加えて、歯車（参照符号６、図３にのみ示される）が噛み合うラック５も有する、装置２を移動させるためのリニアドライブとしてのラックまたは円筒ピン歯車装置（ｌａｎｔｅｒｎ ｇｅａｒ ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ）３に沿って配置されたハウジング２を有する。円筒ピン歯車装置３および歯車６を介して、適切なモータによって駆動されると、装置２は、取り除かれるべき物質、例えば取り除かれるべき鉱石切羽または石炭切羽と平行に様々な速度で移動できるが、同じくコンクリート壁等とも平行に様々な速度で移動できる。物質の取出しは、図２に示される工具シャフト９を介して工具ドラム１０に取り付けられる工具ヘッド８に配置された複数の列として周囲に分散された個別の工具７によって実行される。示される例示的実施形態の工具ドラム１０は、図２に矢印Ｂによって示される装置１の移動方向とここでは平行であるドラム軸Ｔを有する。示される例示的実施形態においてドラム１０の周囲に配置されているのは関連する工具ヘッド８を有する６つの工具シャフト９であり、各工具シャフト９のシャフト軸Ｗは、示される例示的実施形態においてドラム軸Ｔと垂直である。回転可能な工具ドラム１０を装置のハウジング２に支持するために、ハウジング２には、工具ドラム１０の両側にそれぞれ片持ちアーム２Ａ、２Ｂが設けられる。

示される例示的実施形態では、各工具シャフト９は、工具ドラム１０の内側において、工具ヘッド８の反対側に位置付けられた端部で出力駆動歯車１１に接続され、出力駆動歯車１１は、全ての工具シャフト９の共通駆動要素としての別の歯車１２と噛み合う。歯車１２は、駆動要素として、ベアリング１３を用いた回転可能な取付けのために工具ドラム１０に対して回転可能であり、および示される例示的実施形態の駆動歯車１２は、駆動装置１７によって歯付きベルト１４を介して駆動することができ、歯付きベルト１４は例えば歯車ハブ１５の入力部に固定された第１ベルトプーリ１６と係合する。さらに、工具ドラム１０はまた、図１に示されるように、第２の歯車２０および図２では隠れているが駆動装置１７の後ろに配置されたドラム駆動装置２１を介して駆動可能であり、そのため、別のベルトプーリ２２が第２歯車ハブ２３の入力側に固定されている。２つの歯車ハブ１５および２３は、互いに独立して、駆動装置１７を介して工具シャフト９を、および駆動装置２１を介して工具ドラム１０を、それぞれ駆動するために、他の歯車箱モジュールを含むこともできる。本装置の基本構造は、例えば、本出願人による国際特許出願（特許文献２）にも記載されており、その開示内容に対する参照がさらになされる。本発明から逸脱することなく、装置の、またはドラムの内部構造は、工具シャフトがドラム軸に対して斜めに突き出るようなものであってもよく、および／またはドラム軸に平行ではなく、（特許文献２）に記載されるように、全装置の移動をドラム軸に対して直角に行ってもよいので、その点でその開示に対してこれに関連して参照がさらになされる。

装置１の改良された動作挙動を得るために、および装置１の適切な駆動方法を実行できるように、例示的実施形態ではいずれの場合においても、装置１の並進振動を計測するための計測センサ３０が、支持アーム２Ａ、２Ｂに配置され、計測センサ３０は好ましくは３次元加速度センサからなる。工具シャフト９の歯車駆動装置（１４、１５、１６、１７）には、例えばベルトプーリ１６の絶対回転速度用の計測センサ３１が割り当てられ、工具ドラム１０の歯車駆動装置（２０、２１、２２、２３）には、ベルトプーリ２２の回転速度用の絶対エンコーダとして計測センサ３２が割り当てられる。工具シャフト９用のベルトプーリ１６にはさらに、計測センサ３２、例えばホールセンサが割り当てられ、および／または歯付きベルトプーリ２２には、別の計測センサ３４、例えばもう一度ホールセンサが割り当てられ、工具シャフト９の歯付きベルトプーリ１６の回転振動は計測センサ３１、３３を介して測定可能であり、および工具ドラム１０の回転振動は計測センサ３２、３４を介して測定可能である。ホールセンサの代わりに、誘導センサおよび他のセンサを使用して回転振動を測定することもできる。

次に図３を参照する。図３において、概略図を使用することによって図１および２による装置の制御概念を説明する。概略図において、図１および２に一致する計測センサまたは構成要素が示されている場合、概略図３において図１および２と同じ参照符号が使用される。これは、例えば、ラック５、それと噛み合う関連駆動歯車６、工具ドラム１０、関連歯車箱１５、２３、およびモータ１７、２０にも当てはまる。

装置を駆動するために、装置には、制御装置として機械制御システム５０が割り当てられ、機械制御システム５０に対して、例えば、工具ドラム１０用の回転速度および回転振動センサ３２、３４によって計測された値がフィードバックされる。同じことが計測センサ３１、３３からの計測値にもあてはまる。センサシステム３２、３４および３１、３３によって測定された回転振動は、振動分析モジュール５１に送られ、振動分析モジュール５１は好ましくは機械制御システム内のソフトウェアを使用して実行され、そしてそこで古典的なＦＦＴ周波数分析またはウェーブレット変換などの適切な周波数分析法を用いて、各振動スペクトルが測定され、基本振動、高調波、低調波振動、期間倍加、振動増幅等に関して評価される。振動分析モジュール５１は、装置の自然並進振動を計測する計測センサ３０からの計測値も供給され、ここでもまた適切なソフトウェアルーチンから好ましくは構成できる適切な制御モジュール５２を介して、制御パラメータおよび駆動パラメータが、自然並進振動および回転振動の振動測定値を用いて決定された特性値から、機械制御システム５０において決定される。例えば励振周波数ｆを有する基本振動などの測定された振動を使用することによって、励起周波数ｆの整数倍（ゆえに２ｆ、３ｆ．．．）を有する高調波を使用して、および／または、例えば励起周波数の周波数ｆ／２、ｆ／３、ｆ／４．．．を有する低調波振動を使用することによって（これらは振動スペクトルを使用することによって振動分析モジュール５１によって、および前記モジュールの下流に接続された制御器５２によって測定される）、例えば制御器または周波数変換器５３を介して、機械制御システム５０は、工具ドラム１０の駆動装置２０の駆動回転速度を、および／または制御器５４を介して、取り除かれるべき物質に対する装置１全体の相対速度を、制御器５４を介して変化される駆動歯車６のモータ６０の駆動パラメータによって制御する。ここで、駆動歯車６の絶対駆動回転速度は、別の計測センサ６１を用いてもう一度測定可能であり、機械制御システム５０に制御変数としてフィードバックすることができる。

示される例示的実施形態のように、工具シャフトの回転速度を、工具ドラム１０の回転速度と別に駆動できる場合、全体制御概念は、さらなる制御器または周波数変換器５５を含み、それはシャフト９の駆動装置１７に割り当てられ、この駆動伝達系の回転振動は、同じく計測センサシステム３１、３３を介して振動分析モジュール５１に供給される。可視化のため、モニタ６５を設置可能であり、および制御器およびモジュールからの個々の値を記録および評価するために、ディスプレイおよび記録装置６６を設置可能である。

これにより適切な装置に対して実行可能な制御器概念および駆動方法は、他の装置または破壊方法に拡大することができる。全体装置は、例えば供給装置７０をさらに有することができ、それにより、例えば装置全体を垂直に回転することができ、または切削深さをさらなる制御パラメータとして調整することができる。

測定および制御システムは、例えば、装置の移動速度用の機械パラメータを用いて、工具シャフトの回転速度を用いて、および工具ドラム１０の回転速度を用いて、装置全体の動力学が、周波数分析において測定される高調波が減少するように調整されるように、プロセスシーケンスを実行することができる。このため、第１の近似に対して、工具ドラム１０と工具シャフト９の間の周波数の比率、および２つの回転速度周波数の１つに対する移動速度の比率を調整することができる。制御器モジュールの１つを介して、全ての非直線性が省略される、および例えばこの目的のため最小化されるように、駆動を次に実行することができ、これは低調波振動が発生しないことを意味し、対応する部分高調波振動の発生は、振動分析を介して、連続する作業運転の間、連続的に測定される。過負荷を回避するために、例えば、切削深さを限界的状況において変化させることもできる。

本発明による装置および方法は、先行する例示的実施形態に制限されない。全体的な装置は、工具ドラムおよび工具シャフトの単一駆動装置とともに作動することもでき、その結果、工具ドラムは太陽歯車の方法で構成され得、工具シャフトは太陽歯車と固定回転速度関係であり得る。しかしながら、破壊方法において、工具ドラムおよび工具を支持する工具シャフトの回転の重なった回転が実行され、この重なった機能によりもたらされる振動を、調整可能な機械変数の駆動パラメータとして使用できることが重要である。

Claims (13)

1. 粉砕および／または穿孔によって物質を掘削するための装置、特に、岩石、コンクリート、鉱物または石炭を取り除くための装置であって、ドラム軸（Ｔ）の周りを回転できるドラムキャリア（２Ａ、２Ｂ）に取り付けられた工具ドラム（１０）であって、その中に、複数の回転式に駆動可能な工具シャフト（９）が取り付けられ、工具シャフト（９）は工具ドラム（１０）から突き出る端部に掘削工具（７）を支持し、工具シャフト（９）の少なくとも２つが、共通の歯車駆動装置によって駆動可能であり、共通の歯車駆動装置が、工具シャフト（９）に回転を固定して配置された出力駆動歯車（１１）と、出力駆動歯車（１１）と相互作用する共通の駆動要素（１２）とを有し、前記駆動要素（１２）および工具ドラム（１０）が互いに回転可能である、工具ドラム（１０）を有し、掘削されるべき物質に対してドラムキャリアを移動するための移動装置（６、７）を有し、および工具キャリア（２）と物質との間の相対移動の速度、および工具ドラム（１０）の回転速度を変えることができる制御装置（５０）を有する装置において、装置に、装置の並進振動を計測するための少なくとも１つの計測センサ（３０）および／または工具ドラム（１０）の回転振動を測定するための少なくとも１つの計測センサ（３２；３４）が割り当てられ、制御装置（５０）が、測定された振動の振動分析において振動スペクトルを測定可能である少なくとも１つの振動分析モジュール（５１）を含み、および分析モジュール（５１）によって測定された振動スペクトルから基本振動、高調波振動、低調波振動を特定して、特定した基本振動、高調波振動、低調波振動に応じて回転速度および相対速度を制御可能であるか制御する少なくとも１つの制御器モジュールを含むことを特徴とする、装置。
2. 工具ドラム（１０）が、工具シャフト（９）の歯車駆動装置（１７）から分離されたドラム駆動装置（２１）を有し、従って回転速度比が、追加制御パラメータとして、制御装置（５１）によって可変であることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 工具ドラムおよび工具シャフトが、共通の回転駆動装置を有することを特徴とする、請求項１に記載の装置。
4. 振動分析モジュール（５１）がＦＦＴアルゴリズムを使用することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置。
5. 振動分析モジュールがウェーブレット変換を使用することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の装置。
6. 移動装置が回転式アームを含み、回転式アームの回転速度が制御パラメータとして可変であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の装置。
7. 移動装置が、円筒ピン歯車（５）またはラック、およびそれと噛み合う少なくとも１つの歯車（６）を含み、歯車の回転速度が制御パラメータとして可変であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の装置。
8. ドラム駆動装置および／または歯車駆動装置が、連続的に制御されることを特徴とする、請求項２および／または請求項１または３〜７のいずれか一項に記載の装置。
9. 並進振動の計測センサ（３０）が、加速度センサ、特に３軸加速度センサを含むことを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の装置。
10. 回転振動を測定するための計測センサ（３２；３４）が、工具ドラムに割り当てられた直接計測型絶対エンコーダ、特に誘導センサ、および／またはホールセンサであることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の装置。
11. 回転振動を測定するための計測センサが、工具シャフトに割り当てられたトルクセンサを含む請求項１〜９のいずれか一項に記載の装置。
12. ドラムキャリア（２）に取り付けられかつドラム軸（Ｔ）の周りを回転する工具ドラム（１０）を有する装置を用いて、粉砕および／または穿孔によって物質を切削する方法、特に岩石、鉱物または石炭を取り除く方法であって、工具ドラムの中に、共通の歯車駆動装置の駆動要素によって回転式に駆動される複数の工具シャフト（９）が取り付けられ、工具シャフト（９）は工具ドラム（１０）から突き出る端部に切削工具（７）を支持し、工具シャフト（９）が第１の回転速度で回転し、工具ドラム（１０）が第２の回転速度で回転し、工具キャリア（２）が、切削されるべき物質に対して移動装置によって移動され、工具キャリアと物質との間の相対移動の速度、および工具ドラムおよび／または工具シャフトの回転速度が、制御装置（５０）を用いて変更される方法において、計測センサ（３０）を用いて、装置の並進振動が計測され、および／または計測センサ（３２；３４）を用いて、工具ドラム（１０）の回転振動が測定され、振動スペクトルが、測定された振動の振動分析により測定され、前記測定された振動スペクトルから基本振動、高調波振動、低調波振動を特定して、特定した基本振動、高調波振動、低調波振動に応じて回転速度および相対速度が、分析モジュールを使用することによって測定された振動に応じて制御されることを特徴とする、方法。
13. 低調波振動が振動分析および／または振動スペクトルから測定され、制御装置に制御モジュールが割り当てられ、制御モジュールを用いて移動装置の速度または物質貫通深さが、低調波振動が減少するように制御されることを特徴とする、請求項１２に記載の方法。

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