Kotwica, K.; Gospodarczyk, P: Konstruktion von Microtunnelingmaschinen mit aktivierten Disken WISSENSPORTAL baumaschine.de 3(2004)

Konstruktion von Microtunnelingmaschinen mit aktivierten Disken bis DN 2500 Tunnelvortrieb im Hartgestein Dr.-Ing. Krzysztof Kotwica, Dr.-Ing. Piotr Gospodarczyk TU Berg- und Hüttenakademie Kraków http://galaxy.uci.agh.edu.pl/~kmg/

In dem Beitrag wird eine neue Konstruktionslösung eines Schneidkopfes mit aktivierten Schneiddisken für den Tunnelvortrieb im Hartgestein vorgestellt. Der Prototyp dieses Schneidkopfes wurde am Lehrstuhl für Bergbau-, Aufbereitungs- und Transportmaschinen der TU Berg- und Hüttenakademie Kraków in Zusammenarbeit mit der Firma REMAG Katowice entwickelt und konstruiert. Es werden die Ergebnisse der Feldversuche präsentiert, die auf dem REMAGVersuchsgelände durchgeführt wurden. Darüber hinaus werden Anwendungsmöglichkeiten des Schneidkopfes in einer modularen Microtunnelingmaschine für Hartgestein dargestellt. Anhand von Modellen und Schemata werden der Bau, die Wirkungsweise und die verwendeten Grundannahmen der neuen Konstruktion besprochen.

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Einführung

Beim Auffahren von Strecken im Untertagebau sowie bei der Herstellung von Tunneln und Mikrotunneln für Kommunikationszwecke treten immer häufiger Probleme mit der mechanischen Gewinnung von hartem und sehr hartem Gestein auf. Die Anwendung der traditionellen Technologien und Werkzeuge ist in vielen Fällen schwierig oder gar unmöglich. Es werden also Gewinnungsmethoden eingeführt, die auf statischem Quetschen des Gesteins mit Hilfe von Diskenwerkzeugen und auf dynamischer Einwirkung auf das Gestein mit schweren hydraulischen Hämmern basieren. Die Wirksamkeit der Gewinnung von kompaktem Felsgestein mit Diskenwerkzeugen wurde bei der Nutzung der Tunnelvortriebsmaschinen vom Typ TBM bewiesen. Die hohen Maschinengewichte und die extremen Vorschubkräfte sowie die Ausmaße dieser Maschinen lassen einen breiten Einsatz nicht zu. Die Vorteile der Diskenwerkzeuge und die Wirksamkeit der Gewinnung von Hartgestein durch Aufreißen einerseits, jedoch die Nachteile der schweren hydraulischen Hämmer andererseits, die deren breitere Anwendung in Streckenvortriebs- oder Gewinnungsmaschinen verhindern, waren Grund für die Entwicklung anderer Methoden dynamischer Gewinnung mit Hilfe von aktivierten Diskenwerkzeugen. Im Folgenden werden die Ergebnisse der Forschungsarbeiten zu diesem Problem vorgestellt, die am Lehrstuhl für Bergbau-, Aufbereitungs- und Transportmaschinen der Berg- und Hüttenakademie Krakow durchgeführt wurden. Es wird auch ein Vorschlag zum Einsatz dieser Methode in einer neuen Microtunneling-Maschinenkonstruktion dargestellt.

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Ergebnisse von Untersuchungen an Schneidköpfen mit Diskenwerkzeugen

Basierend auf der Analyse verschiedener Konstruktionslösungen mit Anwendung der Diskenwerkzeuge wurde am Lehrstuhl für Bergbau-, Aufbereitungs- und Transportmaschinen ein Modell eines hydraulischen Schneidkopfes mit einem aktivierten Diskenwerkzeug entwickelt. Als die günstig1

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ste Variante wurde ein Kopf mit einem Generator im Innern des Diskenwerkzeuges gewählt. Das Schema dieser Lösung zeigt Bild 1. Nach der Herstellung des Prototyps und nach den positiven Untersuchungen am Prüfstand wurde der Kopf als Gewinnungskopf an der Teilschnittmaschine AM-50 installiert. Die Installationsarbeiten wurden in Zusammenarbeit mit dem Reparaturbetrieb REMAG in Katowice durchgeführt.

Bild 1:

Schneidkopf mit dem Generator innerhalb der Schneiddiske

Das Bild 2 zeigt den Prototyp der Maschine (die als RDA-1 bezeichnet wird) mit einem aktivierten Diskenwerkzeug.

Bild 2:

Prototyp der Maschine RDA-1 2

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Zur Prüfung der Wirksamkeit der Gewinnungsmaschine wurden Feldversuche am künstlichen Felsblock vorgenommen. Die allgemeine Beurteilung der Gesteinsgewinnbarkeit war positiv, das im Prototyp angewendete Handvorschubsystem sowie die Konstruktion des Diskenwerkzeuges selbst sicherten aber nicht die Möglichkeit, eine zeitstabile längere Gewinnungsphase zu erreichen. Das ist erkennbar auf den registrierten Verläufen der Amplitudenwerte, der Kräfte an der Scheiddiskenspitze und der Diskenenergie (siehe Bild 3). Es gibt Zeitabschnitte, wo der Diskenkontakt zur Gesteinsoberfläche abgerissen ist oder an den Stoß mit zu großer Kraft angedrückt worden ist. Das hatte die Verminderung der Amplitude mit gleichzeitiger deutlicher Steigerung der Kraft- und Gewinnungsenergiewerte zur Folge. Die Gewinnungsmethode mit Hilfe von aktivierten Diskenwerkzeugen kann demnach erfolgreich für Hartgestein eingesetzt werden. In einer industriellen Maschine sollte aber eine andere Konstruktionslösung des Diskenwerkzeuges und des automatischen Vorschubsystems angewendet werden. Die Beobachtung des Gewinnungsprozesses zeigte, dass eine Lageänderung des Antriebsgerätes vom Diskenwerkzeug vorteilhafter ist.

Bild 3:

Verlaufsbeispiele der Messgrößen über der Zeit X – Schwingungsweite, Fd – Kraft an der Schneiddiskenspitze, E - Energie 3

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Es wurde ein neuer Entwurf vorgeschlagen, den Bild 4 darstellt. Der Kopf besteht aus zwei Hauptteilen, und zwar aus einem festem Teil, der den äußeren Körper des Werkzeuges bildet und einem ausfahrbaren Teil, in dessen Hülle der hydraulische Hammer „Rammer S 23 R“ angebracht ist. Vorn wird an diesen Teil drehbar ein Diskenelement mit schräg angebrachter Gewinnungsdiske befestigt. Der hydraulische Hammer schlägt von innen auf den Diskenkranz. Für die neue Lösung wurde auch das Steuer- und Speisesystem entwickelt, das Unzulänglichkeiten des alten Kopfes eliminierte und ein entsprechendes Andrücken des Werkzeuges an den zu gewinnenden Stoß gewährleistet.

Bild 4:

Neue Konstruktionslösung des Gewinnungskopfes mit aktivierter Schneiddiske 1 – Körper des Gewinnungskopfes, 2 – Außenhülle des hydraulischen Hammers, 3 – Vorschubzylinder, 4 – hydraulischer Hammer, 5 – Schlagbär, 6 – Gewinnungsdiske, 7 – Schneiddiskenhalterung 8 – Kettengetriebe zum Drehen der Schneiddiske, 9 – Hydromotor zur Schneidkopfdrehung

Nach der Herstellung der neuen Kopflösung in Zusammenarbeit mit dem Reparaturwerk REMAG Katowice wurde das Werkzeug in der Teilschnittmaschine RO-100K montiert. Man hat noch einmal Feldversuche durchgeführt. Bild 5 zeigt die Maschine während dieser Versuche. Im Laufe der Feldversuche wurde die Gewinnung von Gesteinsblöcken mit unterschiedlichen Parametern simuliert, dadurch konnte der Maschinenführer den Prozess beliebig steuern. Es wurden Möglichkeiten der Drehung und Gewinnung in verschiedenen Stellungen der Maschine geprüft. Bild 6 zeigt das Diskenelement während der Arbeit in einer der Untersuchungsphasen. Die Gewinnung der Gesteinsblöcke mit Anwendung der neuen Konstruktionslösung der aktivierten Schneiddiske brachte entscheidend bessere Ergebnisse als vorher. Die Richtungseinstellung der Diske und deren Verlagerung haben einen geringeren Einfluß auf die Wirksamkeit und die Verläufe der Belastungsänderungen. Es wurden auch keine größeren Verschleißerscheinungen der einzelnen Kopfelemente festgestellt. Zur besseren Ausnutzung der Möglichkeiten des Kopfes sollen jedoch

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Änderungen im System des Vorschubmanipulators hinsichtlich der Ausschwenkung des Kopfes eingeführt werden.

Bild 5:

Teilschnittmaschine RO 100K mit neuer SchneidkopfLösung, vorbereitet für Feldversuche

Bild 6:

Gewinnung mit Quervorschub in der Diskenachsenrichtung

Man kann also schlußfolgern, daß die vorgeschlagene und untersuchte Konstruktionslösung des aktivierten Schneiddiskenwerkzeuges in Gewinnungsmaschinen für Hartgestein angewendet und weiterentwickelt werden kann.

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Anwendung der neuen Konstruktion des Kopfes mit aktivierter Schneiddiske in der Microtunnelingmaschine bis DN 2500

Die Neukonstruktion des Gewinnungskopfes mit aktivierter Schneiddiske kann an dem Tragarm einer Streckenvortriebsmaschine befestigt werden. Da die Maschine bei dieser Lösung kleinere Ausmaße als die vorherigen Konstruktionen hat, kann sie auch an eine Tunnelvortriebsmaschine angepasst werden. Mit der Form des Werkzeuges (Diske) und der originellen Konstruktion lässt sich die Energie des Hammerschlages maximal ausnutzen; in dieser Konstruktionslösung ist der hydraulische Hammer Krafterzeuger der dynamischen Einwirkung auf das Gestein und ermöglicht die Begrenzung von Nachteilen, die bei der Anwendung der klassischen Hämmer auftreten. Bei Berücksichtigung der obigen Feststellung und nach der Analyse der häufigsten Arbeitsbedingungen der Tunnelingmaschinen (bis 2500 mm Durchmesser) kommt man zum Schluss, dass die Gewinnungsmethode mit Hilfe der aktivierten Werkzeuge sehr vorteilhaft ist. Es ist daher zweckmäßig, in diesen Maschinen die unten angeführten Lösungen zu erwägen: 1. Anwendung der aktivierten Meißelelemente am Schneidschild der Maschinen im VortriebsSchildverfahren und dessen Varianten. In diesem Fall wird der Leistungsbedarf der Maschine nicht sehr groß sein, aber man erreicht die Verminderung des Vorschub-Widerstandes bei wenig hartem Gestein und die Verbesserung der Gewinnungsproduktivität durch Eliminieren von Stoß-Profilieren mit dem Arbeitsorgan. 2. Anwendung bei inhomogenem und weichem Gestein mit Hartgesteinseinlagerungen durch einen zusätzlichen Manipulator mit hydraulischem Hammer, der mit einem Gewinnungsmanipulator (z.B. Löffelelement) zusammenarbeitet. 3. Anwendung der neuen Konstruktionslösung des Kopfes mit aktivierten Schneiddisken als selbständiges Gewinnungsorgan für Hartgestein. In den Konzepten der Tunnelvortriebsmaschine bis 2500 mm Durchmesser, die am Lehrstuhl für Bergbau-, Aufbereitungs- und Transportmaschinen AGH parallel ausgearbeitet wurden, hat man die Lösungen 1 und 2 als am günstigsten beurteilt. Die Projekte dieser Maschinen wurden als alternativ angenommen, die in unterschiedlichen bergtechnisch-geologischen Verhältnissen eingesetzt werden können, wie beispielsweise eine Tunnelherstellung in lockerem, wenig und mittelmäßig hartem sowie sehr hartem Gestein. Den Bau und die Arbeitsweise solcher Maschinen stellt das Bild 7 dar, am Beispiel der neuen Schneidkopflösung mit aktiviertem Diskenwerkzeug.

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Bild 7:

Konstruktionslösung einer Microtunnelingmaschine bis DN 2500 mit dem neuenGewinnungskopf und aktivierter Schneiddiske

Das Gewinnungselement in dieser Version bildet der Kopf mit dem aktivierten Diskenwerkzeug 7. Der Kopf ist an dem Drehsystem 4 befestigt, an dem zwei hydraulische Zylinder 6 angeschlagen sind. Der Kopf bewegt sich nur in einer Ebene. Durch Rotation der Armdrehanlage und der Bewegung des Kopfes wird die Gewinnung im Vollschnitt ermöglicht. Das Haufwerk wird nach der Gewinnung mit dem Bandförderer 5 abtransportiert. Den Fördererantrieb bilden zwei Elektromotore, die sich am Ende des Förderes befinden. Um den erforderlichen Fortschritt zu gewährleisten, wurde ein Verschiebesystem angewendet, das im Endteil der Maschine angebracht wurde. Es besteht aus einem Abstoßring (von dem Tübbingausbau bei losem Gestein) oder einer Verspannpratze 3 (bei hartem Gestein) und dem System von Vorschubhydraulikzylindern 2. Die Anwendung eines solchen Systems sichert die Verschiebung der Maschine. Die Vorschubzylinder sind symmetrisch am Umfang des Abstoßringes befestigt. Das Mantelrohr 1 gewährleistet den Schutz der Maschine auf der ganzen Länge. Der Arbeitszyklus wird durch folgende Schritte beschrieben: Verschiebung des Mantelrohrs gegenüber dem Tübbingausbau mit gleichzeitiger Gewinnung, Lockerung und Zurückziehen der Vorschubzylinder, Anbringen der Tübbingausbauelemente in dem freigeschnittenen Raum. Der Tübbingausbau 8 setzt sich aus 6 Elementen zusammen (5 Mittelteile und 1 Schlußelement). Die einzelnen Elemente besitzen Injektionslöcher, durch die das Dichtungsmedium hinter den Ausbau geführt wird. Zur Ausbaumontage wird die Ausbauanlage 9 verwendet. Die dargestellte Lösung ist für den Tunnelvortrieb im harten und sehr harten Gestein mit Schneidkopf und aktiviertem Diskenwerkzeug bestimmt. Als Alternative wurden andere Varianten von Gewinnungselementen entwickelt (Bild 8).

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Bild 8:

Lösungsvarianten von Gewinnungsorganen für Tunnelvortriebsmaschinen bis DN 2500

Je nach den Eigenschaften des zu gewinnenden Gesteins, für hartes und mittelmäßig hartes Gestein mit axialen Druckfestigkeiten Rc bzw. .D bis 120 MPa wurde eine Konstruktionslösung mit einem Gewinnungskopf einer Teilschnittmaschine (8a) ausgearbeitet, für lose Böden und Gesteine – eine Konstruktionslösung mit einem Baggerlöffel am Ausleger (Abb. 8b), und für Hartgestein mit axialen Druckfestigkeiten Rc bzw. .D über 120 MPa – zwei Lösungen des Kopfes mit statischen Diskenwerkzeugen – einer flachen und einer kegelförmigen Variante (Abb. 8c und 8d). Bei der Lösung mit dem Baggerlöffel am Ausleger wurde zusätzlich ein System von aktivierten Meißeln auf dem Schneidschild angewendet, die den Vorschub-Widerstand reduzieren und die Gewinnungsproduktivität durch Eliminieren von Stoß-Profilieren durch das Gewinnungsorgan verbessern. Der Betreiber der Maschine ist im Stande, nach der Bestimmung der Eigenschaften des zu gewinnenden Gesteins, die entsprechende Variante des Gewinnungsorganes zu wählen. Es ist auch möglich, nach der Feststellung von Änderungen in der Gewinnbarkeit des Gesteins ohne größeren finanzielen Aufwand das Gewinnungselement im Mittelstollen auszutauschen.

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Schlußfolgerungen

Die neue Konstruktionslösung des Gewinnungskopfes mit aktiviertem Diskenwerkzeug hat erfolgreich Feldversuche bestanden. Sie kann problemlos auf dem Tragarm von Streckenvortriebsmaschinen angebaut werden. Sie kann auch als Gewinnungselement in der ausgearbeiteten Lösung der Tunnelvortriebsmaschine bis 2500 mm Durchmesser im harten und sehr harten Gestein benutzt werden. Der Kopf ist leicht austauschbar gegen Varianten mit Frässchneidkopf oder Baggerlöffel. Diese Konstruktionslösung bildet eine Alternative für Schneidköpfe mit statischen Diskenwerkzeugen, jedoch unter

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folgender Voraussetzung: bei kleiner Gewinnungsleistung soll die Konstruktion dann eingesetzt werden, wenn die Baulängen der im Hartgestein herzustellenden Grubenbaue nicht sehr groß sind.

Quellen [1] Gospodarczyk, K. Kotwica A. Kalukiewicz, A. Klich, K. Krauze, J. Reś, K. Pawlik: “Niekonwencjonalne techniki urabiania skał”. Wydawnictwo “Śląsk”, Katowice, 1998. (in polnischer Sprache). [2] Sprawozdanie z pracy badawczej pt. „Analiza i badania procesu urabiania skał narzędziami aktywnymi dla aplikacji przemysłowej w maszynie urabiającej” realizowanej w ramach projektu badawczego nr 9 T12A 040 19. niepublikowane (in polnischer Sprache).

Das Copyright für die Veröffentlichung liegt beim Verlag Glückauf GmbH, Essen, bei dem der Artikel bereits in den Glückauf Forschungsheften erschienen ist. Sehen Sie dazu auch im Internet unter: www.vge.de Der Beitrag wurde auf dem 55. Berg- und Hüttenmännischen Tag vom 16.-18.06.2004 (Freiberger Forschungsforum) an der TU Bergakademie Freiberg gehalten. www.tu-freiberg.de

Autor Dr.-Ing. Krzysztof Kotwica TU Berg und Hütten Akademie Lehrstuhl für Berg, Aufbereitungs und Transportmaschinen Akademia Górniczo - Hutnicza im. St. Staszica Katedra Maszyn Górniczych, Przeróbczych i Transportowych Al. Mickiewicza 30, Paw. B-2 30-059 Krakow, Polen Tel: Tel./Fax: e-mail: Internet:

++48 12 617 30 71 ++48 12 633 51 62 http://galaxy.uci.agh.edu.pl/~kmg/

Dr.-Ing. Piotr Gospodarczyk TU Berg und Hütten Akademie Lehrstuhl für Berg, Aufbereitungs und Transportmaschinen Akademia Górniczo - Hutnicza im. St. Staszica Katedra Maszyn Górniczych, Przeróbczych i Transportowych Al. Mickiewicza 30, Paw. B-2 30-059 Krakow, Polen Tel: Tel./Fax:

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http://galaxy.uci.agh.edu.pl/~kmg/

Wenn Sie persönlichen Kontakt zu den Autoren aufnehmen möchten, verweisen wir Sie u.a. auf die Konferenz Gewinnungstechnik TUR 2005 vom 20.-23.09.05 in Krynica. Detaillierte Informationen dazu finden Sie auch im Internet unter: http://tur.imir.agh.edu.pl

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