WO2014122102A2 - Tunnelbohrmaschinen-schneidrolle, tunnelbohrmaschine und bohrverfahren - Google Patents

Tunnelbohrmaschinen-schneidrolle, tunnelbohrmaschine und bohrverfahren Download PDF

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WO2014122102A2
WO2014122102A2 PCT/EP2014/052078 EP2014052078W WO2014122102A2 WO 2014122102 A2 WO2014122102 A2 WO 2014122102A2 EP 2014052078 W EP2014052078 W EP 2014052078W WO 2014122102 A2 WO2014122102 A2 WO 2014122102A2
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WO
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Prior art keywords
cutting roller
cutting
measuring
bolt
boring machine
Prior art date
Application number
PCT/EP2014/052078
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Werner Hensgens
Hermann SCHEERES
Original Assignee
Aker Wirth Gmbh
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Filing date
Publication date
Application filed by Aker Wirth Gmbh filed Critical Aker Wirth Gmbh
Publication of WO2014122102A2 publication Critical patent/WO2014122102A2/de

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Classifications

    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH DRILLING; MINING
    • E21D—SHAFTS; TUNNELS; GALLERIES; LARGE UNDERGROUND CHAMBERS
    • E21D9/00—Tunnels or galleries, with or without linings; Methods or apparatus for making thereof; Layout of tunnels or galleries
    • E21D9/10—Making by using boring or cutting machines
    • E21D9/1006—Making by using boring or cutting machines with rotary cutting tools
    • E21D9/104—Cutting tool fixtures

Definitions

  • Tunnel boring machine cutter Tunnel boring machine cutter, tunnel boring machine and drilling process
  • the invention relates to a cutting roller of a tunnel boring machine with a bolt and a pivot bearing, a tunnel boring machine and a drilling method.
  • Tunnel boring machines whose drill heads or working heads are equipped with cutting rollers which loosen or remove the rock.
  • Tunnel boring machines are also known, which can produce cross-sections of non-circular contour by means of a special cutting unit. By adapting the profiles to the later use of the tunnel, they can be created more efficiently.
  • several cutting arms are provided, which can be dynamically adjusted by hydraulic drives. The cut is realized by means of cutting rollers, which are pressed against the mountain by the cutting arms.
  • DE 40 154 62 A1 shows such a tunnel boring machine and a cutting roller. Since there is little knowledge about the cutting force curve depending on the cut and rock parameters, there is a need to measure these cutting forces.
  • the invention has set itself the task of creating a tunnel boring machine cutting roll, with the aid of which measurement data, in particular with regard to the cutting forces, can be determined in a particularly simple and reliable manner. This object is achieved by the reproduced in claim 1 cutter.
  • the invention has also taken on the task of creating a tunnel boring machine with such a cutting roller and a drilling method with such a cutting roller.
  • the tunnel boring machine cutting roller according to the invention has a bolt with a pivot bearing.
  • the bolt preferably forms the axis of the remaining cutting roller.
  • the rest of the cutting roller is thus preferably rotatably mounted on the bolt, with a pivot bearing.
  • the bolt preferably has a central cylindrical area. This area is preferably arranged in the interior of the remaining measuring cutting roller.
  • the bolt is in turn preferably at both ends, which preferably protrude from the rest of the cutting roller, stored, particularly preferably rotationally fixed.
  • the bolt may include at its ends enlarged and / or non-cylindrical portions, which may also be referred to as roller mounts.
  • the cutting roller is designed as a measuring cutting roller by a measuring device is integrated in the cutting roller, for measuring in particular the cutting forces.
  • a measuring device is integrated into the cutting roller, in the context of this document, it is meant in particular that the measuring device is arranged completely in or on the remaining cutting roller. This ensures that retrofitting a tunnel boring machine with little effort is possible. Also, in case of a possible defect of the measuring device, the measuring cutting roller can be quickly replaced by a functional measuring cutting role, without long downtime of the tunnel boring machine.
  • tunnel boring machine refers to any machine for propelling routes, tunnels or the like, in particular also a machine in which the rock is removed by means of the undercutting technique.
  • the measuring device measures the cutting forces in two coordinate directions, which are preferably aligned perpendicular to each other and to the longitudinal axis of the bolt.
  • means are provided which determines the amount and direction of the cutting force.
  • the measuring device performs other measurements besides or instead of the measurements of the cutting forces, such as measuring the speed of rotation of the cutting roll and the temperature. In one embodiment, therefore, the measuring device measures, in addition to or instead of the cutting forces, the rotational speed of the measuring cutting roller and / or the temperature.
  • All the required components of the data acquisition, and more preferably all required components of the forwarding of the data, and most preferably also the required energy supply, are integrated into the measuring cutting roller. This creates a prerequisite for retrofitting existing tunnel boring machines with the least possible effort, in particular the smallest possible modification of the existing tunnel boring machine, with a possibility for measuring, in particular, the cutting forces.
  • the components of the data forwarding preferably include a telemetry system which transmits the measurement results to a receiver unit.
  • the telemetry system is preferably of modular design and more preferably comprises amplifier modules, and more preferably a multiplexer and most preferably a transmitter unit.
  • the telemetry system preferably transmits the Data by radio to a receiver unit, which is further preferably connected to a control and data acquisition of the tunnel boring machine.
  • the telemetry system is mounted in the hollow drilled pin of the cutting roller.
  • the telemetry system is mounted together with the power supply, for example a battery or a rechargeable battery, in the hollow-bored pin of the cutting roller.
  • the telemetry system and more preferably also the power supply, be designed to be interchangeable.
  • a data acquisition, a wireless data transmission and a power supply are integrated into the cutting roller, in particular for measuring the cutting forces.
  • the measuring device comprises at least one strain gauge.
  • the cutting roller thus preferably has at least one strain gauge at a suitable location, and preferably a device for voltage measurement, and more preferably a device for converting the measured voltages into forces and very particularly preferably a telemetry device for transmitting the data to the rest of the tunnel boring machine, in particular for cutting arm control of the tunnel boring machine.
  • the cutting roller also has a device for measuring and transmitting further measured variables, such as temperature.
  • the measuring device - and in the embodiment with strain gauges of the at least one strain gauge - arranged so that not the bending-induced deformation, but the transverse force-induced deformation of the bolt is detected.
  • the transverse force-induced deformation of the central, cylindrical region of the bolt is detected. Because the measurement of the lateral force is largely independent of the clamping condition of the bolt.
  • a groove is arranged in the longitudinal direction of the bolt viewed in front of the pivot bearing and a further groove preferably behind the pivot bearing.
  • the strain gauges are preferably arranged on the groove base.
  • the grating of the strain gauges preferably extends obliquely to the longitudinal extension of the groove, so that a transverse force-induced displacement of the cross sections of the bolt over the width of the groove leads to a change in length of at least one strain gauge.
  • four strain gauges are preferably arranged and more preferably connected to a full bridge. They are more preferably located at the 12 o'clock, three o'clock, six o'clock and nine o'clock positions of the bolt.
  • the bolt has flanks for axial fixation of the pivot bearing and friction-reducing means are provided between the pivot bearing and these flanks. This ensures that the entire lateral force or almost the entire lateral force is passed over the bolt.
  • the friction-reducing means preferably comprise shear-soft intermediate rings.
  • the biasing force of the pivot bearing is thus transmitted in this embodiment, via shear-soft intermediate rings on the flanks of the bolt.
  • the friction-reducing means prevent or reduce the transmission of an undefined transverse force component via friction to the pivot bearing flanks, in particular rolling bearing flanks, which would then no longer act on the measuring device.
  • the measuring cutting roller is preferably designed such that it can absorb the same forces as a standard cutting roller.
  • the invention also relates to a tunnel boring machine with a cutting roller according to one of claims 1 to 9.
  • the tunnel boring machine preferably has two measuring cutting rollers.
  • the tunnel boring machine comprises cutting arms on which the cutting rollers are arranged and a cutting arm control.
  • the measuring cutting rollers preferably have a telemetry system which transmits the measurement results to the cutting arm control.
  • the telemetry system transmits all measurement results and there is no physical line performing this function.
  • the transmission of the measurement results in this embodiment is thus completely wireless.
  • the tunnel boring machine has a measuring device for measuring the cutting forces acting in the axial direction of the cutting roller.
  • This measuring device for measuring the axial forces preferably comprises strain gauges.
  • At least one conventional cutting roller is replaced by a measuring cutting roller according to one of claims 1 to 9.
  • two conventional cutting rollers are replaced by one measuring cutting roller according to any one of claims 1 to 9.
  • the transverse forces on the pin of the measuring cutting roller are preferably measured.
  • it is measured during a cutting process.
  • the cutting rollers are preferably equipped at a suitable point with strain gauges, the measured voltages are preferably converted into forces and more preferably transmitted by telemetry, preferably for cutting arm control of the tunnel boring machine. Other signals, such as temperature, can also be transmitted if required.
  • the telemetry components will preferably connect to the power supply, such as a battery or accumulator, in which hollow drilled bolts of the cutting roller are mounted, preferably interchangeable.
  • the radial forces on the cutting roller are preferably measured via strain gauges, which are preferably arranged in two grooves of the bolt, preferably one each before and behind the pivot bearing.
  • the axial forces ie the cutting roller in the axial direction of the measurement measured on these forces, more preferably by Deh voltage measuring strips, which are preferably arranged on the roller holder.
  • FIG. 1 shows a perspective view of a tool arm of a tunnel boring machine with a measuring cutting roller
  • FIG. a sectional perspective view of a not all components containing measuring cutting roller
  • a perspective sectional view of a measuring cutting role and of individual components a perspective view of a part of a bolt of a Messschneidrolle
  • FIG. 5 shows at the top a perspective view of a push-soft intermediate ring, top left a representation as in FIG. 4 on a smaller scale, top right a perspective view of another part of the pin of a measuring cutting roller, bottom left a perspective view of the complete pin of a measuring cutting roll thereon arranged Schub soft intermediate ring, right below a representation as the bottom left, but from a different angle;
  • FIG. 6 shows a perspective cross-sectional view of a bolt of a measuring cutting roller
  • Fig. 7 is a perspective view of a part of an embodiment of a tunnel boring machine
  • Fig. 8 is a side view of the working head of the tunnel boring machine shown in Fig. 7;
  • FIG. 9 shows a frontal view of the working head of FIG. 8.
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of a measuring cutting roller 100 according to the invention on a tool arm 14.
  • the figure shows that the bolt 1 of the measuring cutting roller 100 is on both sides, ie also on the free end of the tool arm 14, is supported.
  • Fig. 5 shows that the bolt 1 has a central, cylindrical portion 1 b and at both ends thereof enlarged and partially non-cylindrical sections 1 a, 1 a ' .
  • FIG. 2 and 3 show the concept of the measuring cutting roller 100.
  • This has a bolt 1 also shown in Figure 6, which is partially hollow drilled.
  • components are provided in the cavity created thereby
  • the telemetry system is on a carrier
  • FIG. 2 also shows the pivot bearing 2 of the measuring cutting roller, and introduced into the bolt 1 radial grooves 5, 5 ' .
  • the measuring device 3 comprises components for data acquisition 3a, which comprise strain gauges 4 in the exemplary embodiment shown. These are connected twice to form a strain gauge full bridge and arranged in the radial grooves 5, 5 ' .
  • the strain gauges are arranged on the groove base.
  • the grating of the strain gauges runs obliquely to the longitudinal extent of the groove, so that a transverse force-induced displacement of the cross sections of the bolt over the width of the groove leads to a change in length of the strain gauges.
  • four strain gauges are arranged and connected to a full bridge. They are located at the 12 o'clock, three o'clock, six o'clock and nine o'clock position of the bolt.
  • each shear-soft intermediate ring 8 can deform in the radial direction.
  • the telemetry electronics in the embodiment shown consists of three measuring amplifier modules, as well as a multiplexer and the transmitter unit.
  • FIG. 4 shows the basic measuring principle of the radial force measurement on the bolt 1.
  • the axial force of the cutting roller 100 is also measured by strain gauges. Their arrangement takes place on the roll receptacle 1 a. They are not shown in the figures.
  • the telemetry components are mounted on a carrier 10 in the hollow-drilled bolt 1 (see Fig. 3). It is intended to realize the telemetry electronics interchangeable.
  • the supply via a battery (or a battery 1 1 a), which is pushed from the front through an opening in the bolt 1. This is closed with a screw or a hydraulic plug 16. A running time of about ten hours after activation is desired.
  • the electrical components are mounted vibration-proof.
  • the design assumes maximum accelerations of up to 50 g.
  • the transmitter antenna which is designed as a cable antenna 17 is laid in a channel on the top of a roll receptacle 1 a and covered with potting compound and thus protected against falling rocks.
  • the receiver is placed in the control room of the tunnel boring machine.
  • the optimal antenna position of the receiver is determined experimentally.
  • the antenna can be guided close to the working head 15.
  • the detection and transmission rate of all three channels is 1 kHz.
  • the signals are recorded synchronously to all other signals of the working head control via corresponding EtherCAT IO modules.
  • Receiver and IO modules are mounted in a control cabinet of the tunnel boring machine, which has only 24 V supply and an EtherCat interface.
  • FIGS. 7 to 9 show an exemplary embodiment of a tunnel boring machine according to the invention with measuring cutting rollers according to the invention.
  • the working head 15 is merely indicated in FIG. 7 and shown in more detail in FIGS. 8 and 9.
  • Two measuring cutting rollers 100 are preferably provided simultaneously on a tunnel boring machine. 8 and 9 show the working head 15 of a conceivable embodiment in which all cutting rollers are designed as measuring cutting rollers 100.

Abstract

Schneidrolle einer Tunnelbohrmaschine mit einem Bolzen (1) und mit einem Drehlager (2), wobei die Schneidrolle als Messschneidrolle (100) ausgebildet ist, indem in die Schneidrolle insbesondere eine Datenerfassung, drahtlose Übertragung und Energieversorgung integriert ist, zur Messung insbesondere der Schneidkräfte.

Description

Tunnelbohrmaschinen-Schneidrolle, Tunnelbohrmaschine und Bohrverfahren
Die Erfindung betrifft eine Schneidrolle einer Tunnelbohrmaschine mit einem Bolzen und mit einem Drehlager, eine Tunnelbohrmaschine und ein Bohrverfahren.
Es sind seit langem Tunnelbohrmaschinen bekannt, deren Bohrköpfe bzw. Ar- beitsköpfe mit Schneidrollen ausgestattet sind, die das Gestein lockern bzw. abtragen. Es sind auch Tunnelbohrmaschinen bekannt, die mithilfe einer speziellen Schneideinheit Querschnitte von nicht kreisförmiger Kontur erzeugen können. Durch die Anpassung der Profile an die spätere Nutzung des Tunnels können diese effizienter erstellt werden. Bei dieser Tunnelbohrmaschine sind mehrere Schneidarme vorgesehen, die über hydraulische Antriebe dynamisch verstellt werden können. Der Schnitt wird über Schneidrollen realisiert, die von den Schneidarmen gegen den Berg gedrückt werden. Beispielsweise zeigt die DE 40 154 62 A1 eine derartige Tunnelbohrmaschine und eine Schneidrolle. Da es bisher nur geringe Kenntnisse über den Schnittkraftverlauf abhängig von den Schnitt- und Gesteinsparametern gibt, besteht ein Bedarf, diese Schneidkräfte zu messen. Um einen Schnittkraftverlauf an einem Abbauwerkzeug (Schneidrolle) erfassen zu können, muss die Messung während eines Schneideprozesses erfolgen. Die Erfindung hat es sich zur Aufgabe gemacht, eine Tunnelbohrmaschinen- Schneidrolle zu schaffen, mit deren Hilfe auf besonders einfache und zuverlässige Art und Weise Messdaten, insbesondere bezüglich der Schneidkräfte, ermittelt werden können. Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 wiedergegebene Schneidrolle gelöst.
Die Erfindung hat es sich auch zur Aufgabe gemacht, eine Tunnelbohrmaschine mit einer derartigen Schneidrolle und ein Bohrverfahren mit einer derartigen Schneidrolle zu schaffen. Diese Aufgaben werden durch die in Anspruch 10 wiedergegebene Tunnelbohrmaschine und das in Anspruch 1 1 wiedergegebene Bohrverfahren gelöst.
Die erfindungsgemäße Tunnelbohrmaschinen-Schneidrolle weist einen Bolzen mit einem Drehlager auf. Der Bolzen bildet bevorzugt die Achse der übrigen Schneidrolle. Die übrige Schneidrolle ist also bevorzugt an dem Bolzen, mit einem Drehlager, drehbar gelagert. Der Bolzen weist bevorzugt einen mittleren, zylindrischen Bereich auf. Dieser Bereich ist bevorzugt im Inneren der übrigen Messschneidrolle angeordnet. Der Bolzen ist seinerseits bevorzugt an beiden seiner Enden, die bevorzugt aus der übrigen Schneidrolle herausragen, gelagert, besonders bevorzugt drehfest. Der Bolzen kann an seinen Enden vergrößerte und/oder nichtzylindrische Abschnitte umfassen, die auch als Rollenaufnahmen bezeichnet werden können. Die Schneidrolle ist als Messschneidrolle ausgebildet, indem in die Schneidrolle eine Messvorrichtung integriert ist, zur Messung insbesondere der Schneidkräfte.
Mit der Formulierung, dass in die Schneidrolle eine Messvorrichtung integriert ist, ist im Rahmen dieser Druckschrift insbesondere gemeint, dass die Messvorrichtung vollständig in oder an der übrigen Schneidrolle angeordnet ist. Hierdurch wird erreicht, dass ein Nachrüsten einer Tunnelbohrmaschine mit geringem Aufwand möglich ist. Auch kann bei einem möglichen Defekt der Messvorrichtung die Messschneidrolle schnell durch eine funktionsfähige Messschneidrolle ersetzt werden, ohne lange Stillstandszeiten der Tunnelbohrmaschine. Mit dem Begriff „Tunnelbohrmaschine" wird im Rahmen dieser Druckschrift jede Maschine zum Vortreiben von Strecken, Tunneln oder dergleichen bezeichnet, insbesondere also auch eine Maschine, bei der Gestein mithilfe der Hinterschneid- technik abgetragen wird.
Bevorzugt misst die Messvorrichtung die Schneidkräfte in zwei Koordinatenrichtungen, die bevorzugt senkrecht zueinander und zur Längsachse des Bolzens ausgerichtet sind. Vorzugsweise ist eine Einrichtung vorgesehen, die den Betrag und die Richtung der Schneidkraft bestimmt. Indem bevorzugt nicht nur die Kräfte in Andruckrichtung, sondern auch senkrecht hierzu (und zu der Drehachse der Schneidrolle) erfasst werden, kann auch ein Rückschluss auf ein Blockieren einer Schneidrolle möglich sein.
In einer Ausführungsform führt die Messvorrichtung neben oder anstelle der Messungen der Schneidkräfte andere Messungen durch, wie beispielsweise Messung der Drehzahl der Schneidrolle und der Temperatur. Die Messvorrichtung misst in einer Ausführungsform also neben oder anstelle der Schneidkräfte die Drehzahl der Messschneidrolle und/oder die Temperatur.
Bevorzugt sind alle erforderlichen Komponenten der Datenerfassung, sowie weiter bevorzugt alle erforderlichen Komponenten der Weiterleitung der Daten, und ganz besonders bevorzugt auch die erforderliche Energieversorgung, in die Messschneidrolle integriert. Hierdurch wird eine Voraussetzung dafür geschaffen, bestehende Tunnelbohrmaschinen mit möglichst geringem Aufwand, insbesondere möglichst geringer Modifizierung der bestehenden Tunnelbohrmaschine, mit einer Möglichkeit zur Messung insbesondere der Schneidkräfte nachzurüsten.
Bevorzugt umfassen die Komponenten der Datenweiterleitung ein Telemetriesys- tem, das die Messergebnisse an eine Empfängereinheit überträgt. Das Telemet- riesystem ist bevorzugt modular aufgebaut und umfasst weiter bevorzugt Messverstärkermodule, sowie weiter bevorzugt einen Multiplexer und ganz besonders bevorzugt eine Transmittereinheit. Das Telemetriesystem übermittelt bevorzugt die Daten per Funk an eine Empfängereinheit, die weiter bevorzugt mit einer Steuerung und Datenerfassung der Tunnelbohrnnaschine verbunden ist.
Bevorzugt ist das Telemetriesystem in dem hohl gebohrten Bolzen der Schneidrol- le montiert. Vorzugsweise ist das Telemetriesystem zusammen mit der Energieversorgung, beispielsweise einer Batterie oder einem Akkumulator, in dem hohl gebohrten Bolzen der Schneidrolle montiert.
Vorzugsweise ist vorgesehen, das Telemetriesystem und weiter bevorzugt auch die Energieversorgung austauschbar auszuführen.
In einer Ausführungsform ist in die Schneidrolle also eine Datenerfassung, eine drahtlose Datenübertragung und eine Energieversorgung integriert, zur Messung insbesondere der Schneidkräfte.
Bevorzugt umfasst die Messvorrichtung mindestens einen Dehnungsmessstreifen.
Die Schneidrolle weist also bevorzugt an geeigneter Stelle mindestens einen Dehnungsmessstreifen auf, sowie bevorzugt eine Einrichtung zur Spannungsmes- sung, sowie weiter bevorzugt eine Einrichtung zur Umrechnung der gemessenen Spannungen in Kräfte und ganz besonders bevorzugt eine Telemetrieeinrichtung, zur Übertragung der Daten zur übrigen Tunnelbohrmaschine, insbesondere zur Schneidarmsteuerung der Tunnelbohrmaschine. In einer Ausführungsform weist die Schneidrolle auch eine Einrichtung zur Messung und Übertragung weiterer Messgrößen, wie beispielsweise Temperatur auf.
Bevorzugt ist die Messvorrichtung - und in der Ausführungsform mit Dehnungsmessstreifen der mindestens eine Dehnungsmessstreifen - so angeordnet, dass nicht die biegebedingte Verformung, sondern die querkraftbedingte Verformung des Bolzens erfasst wird. Bevorzugt wird die querkraftbedingte Verformung des mittleren, zylindrischen Bereichs des Bolzens erfasst. Denn die Messung der Querkraft ist weitgehend unabhängig von der Einspannbedingung des Bolzens. Bevorzugt ist die Messvorrichtung - und in der Ausführungsform mit Dehnungs- messstreifen der mindestens eine Dehnungsmessstreifen - in mindestens einer, bevorzugt zwei radialen Nuten des Bolzens angeordnet. Vorzugsweise ist eine Nut in Längsrichtung des Bolzens betrachtet vor der Drehlagerung angeordnet und eine weitere Nut bevorzugt hinter der Drehlagerung.
Die Dehnungsmessstreifen sind bevorzugt auf dem Nutgrund angeordnet. Das Gitter der Dehnungsmessstreifen verläuft bevorzugt schräg zur Längserstreckung der Nut, so dass eine querkraftbedingte Verschiebung der Querschnitte des Bol- zens über die Breite der Nut zu einer Längenänderung von mindestens einem Dehnungsmessstreifens führt. In jeder Nut sind bevorzugt vier Dehnungsmessstreifen angeordnet und weiter bevorzugt zu einer Vollbrücke verbunden. Sie sind weiter bevorzugt auf der 12 Uhr, drei Uhr, sechs Uhr und neun Uhr Position des Bolzens angeordnet.
Vorzugsweise weist der Bolzen Flanken auf, zur axialen Fixierung des Drehlagers und es sind reibungsmindernde Mittel zwischen dem Drehlager und diesen Flanken vorgesehen. Hierdurch wird erreicht, dass die gesamte Querkraft oder nahezu die gesamte Querkraft über den Bolzen geleitet wird.
Die reibungsmindernden Mittel umfassen bevorzugt schubweiche Zwischenringe. Die Vorspannkraft des Drehlagers wird in dieser Ausführungsform also über schubweiche Zwischenringe auf die Flanken des Bolzens übertragen. Die reibungsmindernden Mittel verhindern oder reduzieren die Übertragung eines unde- finierten Querkraftanteils über Reibung an den Drehlagerflanken, insbesondere Wälzlagerflanken, der dann nicht mehr auf die Messvorrichtung wirken würde.
Die Messschneidrolle ist bevorzugt derart gestaltet, dass sie die gleichen Kräfte wie eine Standardschneidrolle aufnehmen kann.
Die Erfindung betrifft auch eine Tunnelbohrmaschine mit einer Schneidrolle nach einem der Ansprüche 1 bis 9. Bevorzugt weist die Tunnelbohrmaschine zwei Messschneidrollen auf. In einer Ausführungsform umfasst die Tunnelbohrmaschine Schneidarme, an denen die Schneidrollen angeordnet sind und eine Schneidarmsteuerung. Vorzugsweise weisen die Messschneidrollen ein Telemetriesystem auf, das die Messer- gebnisse zur Schneidarmsteuerung überträgt.
Vorzugsweise überträgt das Telemetriesystem alle Messergebnisse und es ist keine gegenständliche Leitung vorhanden, die diese Funktion ausübt. Die Übertragung der Messergebnisse erfolgt in dieser Ausführungsform also vollständig drahtlos.
In einer Ausführungsform weist die Tunnelbohrmaschine eine Messvorrichtung zur Messung der in Achsrichtung der Schneidrolle wirkenden Schneidkräfte auf. Diese Messvorrichtung zur Messung der Axialkräfte umfasst bevorzugt Dehnungsmess- streifen.
Bei dem erfindungsgemäßen Bohrverfahren zum Vortreiben von Strecken, Tunneln oder dergleichen mit einer Tunnelbohrmaschine mit Schneidrollen wird mindestens eine herkömmliche Schneidrolle durch eine Messschneidrolle nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ersetzt. Vorzugsweise werden zwei herkömmliche Schneidrollen durch je eine Messschneidrolle nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ersetzt.
Mittels der Messvorrichtung der Messschneidrolle werden bevorzugt die Querkräfte auf den Bolzen der Messschneidrolle, bevorzugt auf den mittleren, zylindrischen Bereich des Bolzens, gemessen.
Bevorzugt wird während eines Schneidprozesses gemessen.
Die Schneidrollen werden bevorzugt an geeigneter Stelle mit Dehnungsmessstrei- fen bestückt, die gemessenen Spannungen werden bevorzugt in Kräfte umgerechnet und weiter bevorzugt per Telemetrie übertragen, bevorzugt zur Schneidarmsteuerung der Tunnelbohrmaschine. Weitere Signale, wie etwa Temperatur, können bei Bedarf ebenfalls übertragen werden. Die Telemetrie-Komponenten werden bevorzugt zusannnnen mit der Energieversorgung, etwa einer Batterie oder einem Akkumulator, in dem hohl gebohrten Bolzen der Schneidrolle montiert, bevorzugt austauschbar.
Die Radialkräfte an der Schneidrolle werden bevorzugt über Dehnungsmessstreifen, die bevorzugt in zwei Nuten des Bolzens angeordnet sind, vorzugsweise je eine vor und hinter der Drehlagerung, gemessen.
Bevorzugt werden auch die Axialkräfte, also die in Achs-Richtung der Mess schneidrolle auf diese wirkenden Kräfte gemessen, weiter bevorzugt durch Deh nungsmessstreifen, die bevorzugt auf der Rollenaufnahme angeordnet sind.
Die Erfindung soll nun anhand eines in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigen: eine perspektivische Darstellung eines Werkzeugarmes einer Tunnelbohrmaschine mit Messschneidrolle; eine perspektivische Schnittdarstellung einer nicht alle Komponenten enthaltenden Messschneidrolle; eine perspektivische Schnittdarstellung einer Messschneidrolle sowie von Einzelkomponenten; eine perspektivische Darstellung eines Teils eines Bolzens einer Messschneidrolle;
Fig. 5 ganz oben eine perspektivische Darstellung eines schubweichen Zwi- schenrings, links oben eine Darstellung wie in Figur 4 in kleinerem Maßstab, rechts oben eine perspektivische Darstellung eines weiteren Teils des Bolzens einer Messschneidrolle, links unten eine perspektivische Darstellung des kompletten Bolzens einer Messschneidrolle mit darauf angeordnetem schubweichen Zwischenring, rechts unten eine Darstellung wie links unten, jedoch aus einem anderen Blickwinkel;
Fig. 6 eine perspektivische Querschnittsdarstellung eines Bolzens einer Mess- schneidrolle;
Fig. 7 eine perspektivische Darstellung eines Teils eines Ausführungsbeispiels einer Tunnelbohrmaschine; Fig. 8 eine Seitendarstellung des Arbeitskopfes der in Fig. 7 gezeigten Tunnelbohrmaschine;
Fig. 9 eine Frontalansicht des Arbeitskopfes von Fig. 8. Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messschneidrolle 100, an einem Werkzeugarm 14. Die Figur lässt erkennen, dass der Bolzen 1 der Messschneidrolle 100 beidseitig, also auch an dem freien Ende des Werkzeugarmes 14, abgestützt ist. Insbesondere Fig. 5 zeigt, dass der Bolzen 1 einen mittleren, zylindrischen Bereich 1 b aufweist und an beiden seiner Enden vergrößerte und teilweise nichtzylindrische Abschnitte 1 a, 1 a'.
Die Fig. 2 und 3 zeigen das Konzept der Messschneidrolle 100. Diese weist einen auch in Figur 6 gezeigten Bolzen 1 auf, der teilweise hohl gebohrt ist. Wie unter anderem Fig. 3 zeigt, sind in dem dadurch geschaffenen Hohlraum Komponenten
9 zur Weiterleitung der Messdaten eingebracht, die im gezeigten Ausführungsbeispiel ein Telemetriesystem umfassen. Das Telemetriesystem ist auf einem Träger
10 angeordnet. Fig. 2 zeigt auch das Drehlager 2 der Messschneidrolle, sowie in den Bolzen 1 eingebrachte Radialnuten 5, 5'.
Fig. 4 zeigt einen Teil des Bolzens 1 . Mit den Koordinatenrichtungen x, y sind die zwei senkrecht zur Bolzenachse A stehenden Koordinatenrichtungen symbolisiert, in denen die Schneidkräfte durch die in die Messschneidrolle integrierte Messvorrichtung 3 gemessen werden. Die Querkraft wird also in zwei Koordinatenrichtungen x, y, bestimmt. Es werden der Betrag und die Richtung der radialen Schnittkraftkomponente ermittelt.
Die Messvorrichtung 3 umfasst Komponenten zur Datenerfassung 3a, die im gezeigten Ausführungsbeispiel Dehnungsmessstreifen 4 umfassen. Diese sind zweimal zu einer Dehnungsmessstreifen-Vollbrücke geschaltet und in den Radialnuten 5, 5' angeordnet.
Wie Fig. 4 zeigt, sind die Dehnungsmessstreifen auf dem Nutgrund angeordnet. Das Gitter der Dehnungsmessstreifen verläuft schräg zur Längserstreckung der Nut, so dass eine querkraftbedingte Verschiebung der Querschnitte des Bolzens über die Breite der Nut zu einer Längenänderung der Dehnungsmessstreifen führt. In jeder Nut sind vier Dehnungsmessstreifen angeordnet und zu einer Vollbrücke verbunden. Sie sind auf der 12 Uhr, drei Uhr, sechs Uhr und neun Uhr Position des Bolzens angeordnet.
Wie insbesondere die Fig. 5 und 6 zeigen, sind zwei dieser schubweicher Zwi- schenringe jeweils zwischen den Flanken 6, 6' des Bolzens 1 und den Flanken der Innenringe 2, 2a' des Drehlagers 2 angeordnet. Jeder schubweiche Zwischenring 8 kann sich in radialer Richtung verformen.
Die Telemetrieelektronik besteht im gezeigten Ausführungsbeispiel aus drei Mess- Verstärkermodulen, sowie einem Multiplexer und der Transmittereinheit.
Fig. 4 zeigt das grundsätzliche Messprinzip der Radialkraftmessung an dem Bolzen 1 . Durch die beiden schubweichen Zwischenringe 8 wird die gesamte oder zumindest nahezu die gesamte Querkraft über den Bolzen 1 geleitet. Die Axialkraft der Schneidrolle 100 wird ebenfalls über Dehnungsmessstreifen gemessen. Deren Anordnung erfolgt an der Rollenaufnahme 1 a. Sie sind in den Figuren nicht gezeigt. Die Telemetriekomponenten werden auf einem Träger 10 in den hohl gebohrten Bolzen 1 montiert (siehe Fig. 3). Es ist vorgesehen, die Telemetrieelektronik austauschbar zu realisieren.
Die Versorgung erfolgt über einen Akku (oder eine Batterie 1 1 a), der von vorne durch eine Öffnung in den Bolzen 1 geschoben wird. Diese wird mit einer Schraube bzw. einem Hydraulikstopfen 16 verschlossen. Eine Laufzeit von etwa zehn Stunden nach Aktivierung wird angestrebt.
Die elektrischen Komponenten werden erschütterungsfest montiert. Bei der Aus- legung werden maximale Beschleunigungen von bis zu 50 g angenommen. Die Senderantenne, die als Kabel-Antenne 17 ausgeführt ist, wird in einem Kanal auf der Oberseite einer Rollenaufnahme 1 a verlegt und mit Vergussmasse abgedeckt und somit gegen Steinschlag geschützt. Der Empfänger wird in der Leitwarte der Tunnelbohrmaschine platziert. Die optimale Antennenposition des Empfängers wird experimentell bestimmt. Die Antenne kann bis nahe an den Arbeitskopf 15 geführt werden. Die Erfassungs- und Übertragungsrate aller drei Kanäle beträgt 1 kHz. Über entsprechende EtherCat-IO- Module werden die Signale synchron zu allen weiteren Signalen der Arbeits- kopfsteuerung erfasst. Empfänger und IO-Module werden in einem Schaltschrank der Tunnelbohrmaschine montiert, der lediglich über 24 V Versorgung und eine EtherCat-Schnittstelle verfügt. Er ist somit ohne große Modifikationen von einer zur anderen Tunnelbohrmaschine wieder zu tauschen. Die Fig. 7 bis 9 zeigen ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Tunnelbohrmaschine mit erfindungsgemäßen Messschneidrollen. Der Arbeitskopf 15 ist in Fig. 7 lediglich angedeutet und in Fig. 8 und 9 genauer gezeigt. Es sind bevorzugt zwei Messschneidrollen 100 gleichzeitig an einer Tunnelbohr- maschine vorgesehen. Die Fig. 8 und 9 zeigen den Arbeitskopf 15 eines denkbaren Ausführungsbeispiels, bei dem alle Schneidrollen als Messschneidrollen 100 ausgebildet sind.
Bezugszeichenliste:
100 Messschneidrolle
1 Bolzen
1 a, 1 a' Rollenaufnahmen
1 b mittlerer, zylindrischer Bereich des Bolzens
2 Drehlager
2a, 2a' Innenringe des Drehlagers
3 Messvorrichtung
3a Komponenten der Datenerfassung
4 Dehnungsmessstreifen
5,5' Nut
6,6' Flanken des Bolzens
7 Reibungsmindernde Mittel
8 schubweicher Zwischenring
9 Komponenten zur Weiterleitung der Messdaten
10 Träger des Telemetriesystems
1 1 Energieversorgung
1 1 a Batterie
12 Dichtung
13 Deckel
14 Werkzeugarm
15 Arbeitskopf
16 Batteriefach und Hydraulikstopfen
17 Kabel - Antenne
Bolzenachse
Koordinatenrichtungen

Claims

Patentansprüche:
1 . Tunnelbohrmaschinen-Schneidrolle mit einem Bolzen (1 ) und mit einem Drehlager (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Schneidrolle als Messschneidrolle (100) ausgebildet ist, indem in die Schneidrolle eine Messvorrichtung (3) integriert ist, zur Messung insbesondere der Schneidkräfte.
2. Schneidrolle nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Messvor- richtung (3) neben oder anstelle der Schneidkräfte die Drehzahl der Messschneidrolle (100) und/oder die Temperatur misst.
3. Schneidrolle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in die Messschneidrolle (100) alle erforderlichen Komponenten der Datenerfassung (3a) sowie deren Weiterleitung (9) inklusive der erforderlichen Energieversorgung (1 1 , 1 1 a) integriert sind.
4. Schneidrolle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten der Datenweiterleitung (9) ein Telemetriesystem um- fassen, das die Messergebnisse an eine Empfängereinheit überträgt.
5. Schneidrolle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung (3) mindestens einen Dehnungsmessstreifen (4) umfasst.
6. Schneidrolle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Dehnungsmessstreifen (4) so angeordnet ist, dass er nicht die biegebedingte Verformung, sondern die querkraftbedingte Verformung des Bolzens (1 ) erfasst.
7. Schneidrolle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung (3) zumindest teilweise in mindestens einer, bevorzugt zwei radialen Nuten (5,5') des Bolzens (1 ) angeordnet ist.
8. Schneidrolle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Bolzen (1 ) Flanken (6,6') aufweist, zur axialen Fixierung des Drehlagers (2) und reibungsmindernde Mittel (7) zwischen dem Drehlager (2) und den Flanken (6,6') vorgesehen sind und die reibungsmindernden Mittel (7) einen schubweichen Zwischenring (8) umfassen.
9. Schneidrolle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Messschneidrolle (100) die gleichen Kräfte wie eine Standard- schneidrolle aufnehmen kann.
10. Tunnelbohrmaschine mit einer Schneidrolle nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
1 1 . Bohrverfahren zum Vortreiben von Strecken, Tunneln oder dergleichen, mit einer Tunnelbohrmaschine mit Schneidrollen, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine herkömmliche Schneidrolle durch eine Messschneidrolle (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ersetzt wird.
12. Bohrverfahren nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Messvorrichtung (3) die Querkräfte auf den Bolzen (1 ) gemessen werden.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE4015462A1 (de) 1990-05-14 1991-11-21 Wirth Co Kg Masch Bohr Verfahren und maschine zum vortreiben von strecken, tunneln o. dgl.

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DE4015462A1 (de) 1990-05-14 1991-11-21 Wirth Co Kg Masch Bohr Verfahren und maschine zum vortreiben von strecken, tunneln o. dgl.

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