ВЫСОКОТОЧНАЯ СЕНСОРНАЯ ТЕХНИКА ДЛЯ УСТАНОВЛЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ ВЫЕМОЧНОГО ИНСТРУМЕНТА БУРОВОЙ ТОННЕЛЕПРОХОДЧЕСКОЙ МАШИНЫ Российский патент 2019 года по МПК E21D9/00 

Изобретение относится к выемочному инструменту, системе для установления механической нагрузки выемочного инструмента, буровой головке и буровой тоннелепроходческой машине.

Буровая тоннелепроходческая машина - это машина, которая применяется для строительства тоннелей. Конструктивными деталями буровой тоннелепроходческой машины являются забойная щитовая крепь с подающими и крепежными устройствами, устройства для установки опор возведения крепи, устройства для отгрузки материалов, блок снабжения (электрический ток, сжатый воздух, вентиляция, вода) и транспортные устройства для отбойного материала, опорных средств и материалов крепи. Фронтальная буровая головка буровой тоннелепроходческой машины оснащена выемочными инструментами для разрыхления горной породы.

В случае с буровой тоннелепроходческой машиной в качестве основы для точного управления деталями или компонентами важно знать механическую нагрузку, которая действует на закрепленные на буровой головке выемочные инструменты. Это требуется во многих случаях в грязной среде, под влиянием сильных механических нагрузок и поэтому в жестких условиях.

Документ DE 20 2012 103 593 U1 этого же заявителя Горный университет Леобен раскрывает выемочный инструмент для буровой головки буровой тоннелепроходческой машины для выемки горной породы, причем выемочный инструмент является монтируемым на буровой головке устройством закрепления режущего ролика для размещения и установки режущего ролика, который является сменным размещаемым или установленным для выемки горной породы на устройстве закрепления режущего ролика, и имеет сенсорную систему для обнаружения механической нагрузки выемочного инструмента, прежде всего режущего ролика, причем сенсорная система предусмотрена на и/или в и/или как часть устройства закрепления режущего ролика. Хотя этот выемочный инструмент является удобным для пользователя и мощным, в определенных условиях эксплуатации относительно точности определения он еще может оставлять возможность для улучшений.

Другой уровень техники в данной области раскрыт в DE 100 30 099 С2.

Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить высокоточную сенсорную технику для установления механической нагрузки, которая действует на закрепленные на буровой головке выемочные инструменты.

Эта задача решена предметами с признаками согласно независимым пунктам формулы изобретения. Дополнительные примеры осуществления показаны в зависимых пунктах формулы изобретения.

Согласно одному примеру осуществления настоящего изобретения создан выемочный инструмент для буровой головки буровой тоннелепроходческой машины для выемки горной породы, причем выемочный инструмент имеет выполненное с возможностью монтажа на буровой головке устройство закрепления режущего ролика (прежде всего, с крепежной опорой) для размещения и установки режущего ролика, который является, прежде всего, сменным - устанавливаемым или установлен для выемки горной породы в устройстве закрепления режущего ролика (причем режущий ролик предпочтительно приводится в действие не активно, а просто скатывается по породе), и сенсорное устройство (которое может иметь по меньшей мере один чувствительный к нагрузке элемент, соединительное средство для передачи сенсорных сигналов на анализирующее устройство, и т.п.) для установления механической нагрузки выемочного инструмента, прежде всего режущего ролика, причем сенсорное устройство выполнено как, по меньшей мере, частично установленное в устройстве закрепления режущего ролика и/или на режущем ролике гильза по меньшей мере с одним установленным на ней чувствительным к нагрузке элементом.

Согласно другому примеру осуществления настоящего изобретения создана система для установления механической нагрузки выемочного инструмента (прежде всего режущего ролика) буровой головки буровой тоннелепроходческой машины для выемки горной породы, причем система имеет выемочный инструмент с описанными выше признаками, и причем система имеет анализирующее устройство (например, процессор), которое выполнено для того, чтобы на основе сенсорных сигналов по меньшей мере одного чувствительного к нагрузке элемента, устанавливать информацию (например, величину и/или направление одного или нескольких действующих силовых компонентов), которая является показательной для механической нагрузки, которая действует на режущий ролик выемочного инструмента.

Согласно еще одному примеру осуществления настоящего изобретения предложена буровая головка для буровой тоннелепроходческой машины для выемки горной породы, причем буровая головка имеет выполненный с возможностью вращательного и поступательного перемещения относительно горной породы (например, цилиндрический) бур с несколькими (прежде всего, фронтальными или со стороны горной породы) держателями для выемочного инструмента для закрепления выемочных инструментов, и несколько выемочных инструментов с вышеописанными признаками, которые выполнены с возможностью закрепления или закреплены с возможностью замены в нескольких держателях выемочного инструмента.

Согласно еще одному другому примеру осуществления настоящего изобретения, создана буровая тоннелепроходческая машина для выемки горной породы, которая имеет буровую головку с описанными выше признаками.

Согласно примерному варианту осуществления измерение силы при проходке тоннеля, точнее говоря, во время эксплуатации буровой головки буровой тоннелепроходческой машины с помощью выемочных инструментов с режущими роликами, может производиться чрезвычайно точным образом за счет того, что один или несколько чувствительных к нагрузке элементов (например, тензорезисторов) интегрируются в полой гильзе, которая может быть смонтирована в любом месте выемочного инструмента в соответствующем отверстии под гильзу в устройстве закрепления режущего ролика и/или в режущем ролике. Притом, что открытое предпочтительно с обеих сторон и поэтому доступное полое тело используется в качестве базы для размещения чувствительных к нагрузке элементов, не только положение измерения нагрузки в выемочном инструменте является свободно выбираемым (требуется лишь выполнить в желательном месте отверстие под гильзу, в которое принимается сенсорная гильза), но и к тому же может быть благоприятно использована эластичность тонкостенного тела полой гильзы, чтобы прямо революционизировать чувствительность измерения по сравнению с обычными подходами.

Согласно примерному варианту осуществления создан модульный измерительный блок в форме гильзы, которая предназначена для установления внешних режущих сил инструментов для разрыхления породы. Гильза может быть позиционирована прямо в окружении инструмента с силовым, сплошным и/или геометрическим замыканием. Такая конфигурация имеет то преимущество, что является возможным прямое соотнесение измерительного сигнала с внешними нагрузками. За счет комбинированного расположения нескольких таких сенсорных систем из гильз и чувствительного(-ых) к нагрузке элемента(-ов) является возможным измерение разных сил и направлений в почти любых положениях. Опыты с выполненным в форме гильзы (вместо формы стержня) и оптимально направленным и размещенным в нескольких стратегических положениях сенсором показывают великолепные характеристики относительно линейности (примерно на 3-5% лучше), гистерезиса (очень малый) и характеристик смещения.

Далее описываются дополнительные примерные варианты осуществления выемочного инструмента, системы, буровой головки и буровой тоннелепроходческой машины.

Согласно одному примеру осуществления устройство закрепления режущего ролика может иметь зажимное устройство режущего ролика и по меньшей мере один крепежный элемент для закрепления режущего ролика на зажимном устройстве режущего ролика на буровой головке, причем по меньшей мере один чувствительный к нагрузке элемент сенсорной системы предусмотрен (прежде всего, функционально и пространственно) обособлено по меньшей мере от одного крепежного элемента. При том, что позиционирование чувствительных к нагрузке элементов сенсорной системы выемочного инструмента отсоединяется от крепежных элементов, таких как винты или болты, достигается независимость измерения нагрузки от заданных положений крепежных элементов. Опыты показали, что за счет целевого выбора положения сенсорной гильзы или же также ориентации сенсорной гильзы относительно режущего ролика может быть достигнуто значительное повышение чувствительности.

Естественно, крепежные элементы должны иметь высокую механическую стабильность и прочность, и тем самым массивную форму, чтобы они могли выполнять свою крепежную функцию. Напротив, сенсорная гильза, которая при необходимости (например, при износе) может быть заменена, может быть сознательно выполнена как тонкостенное тело, которое само (например, в форме отклонения или деформации) следует внешним нагрузкам, которые возникают на буровой головке буровой тоннелепроходческой машины.

Согласно одному примеру осуществления по меньшей мере, часть гильзы может быть выполнена в виде (прежде всего, безрезьбового) полого цилиндра (например, в виде отрезка трубы), кроме того, прежде всего, в виде полого круглого цилиндра. Например, такой полый цилиндр может иметь аксиальное сквозное отверстие, причем тогда является возможным монтаж чувствительных к нагрузке элементов на имеющей большую поверхность внутренней стенке. Такой монтаж датчиков является не только простым с точки зрения техники монтажа, но и защищает сенсоры во время работы от разрушения, без того, чтобы при этом нужно было идти на компромисс относительно точности определения. Согласно альтернативному архитектуре сквозного отверстия варианту также является возможным по существу в полом круговом цилиндрическом корпусе гильзы с одной стороны или с обеих сторон выполнить аксиальные глухие отверстия, которое или которые ведут к плоским монтажным поверхностям внутри сенсорной гильзы, на которых чувствительный к нагрузке элемент или чувствительные к нагрузке элементы тогда являются устанавливаемыми с незначительными монтажными затратами. При круговой цилиндрической внешней боковой поверхности сенсорной гильзы является возможным введение сенсорной гильзы в круглое (просверленное) отверстие в желаемом месте измерения выемочного инструмента.

Согласно одному примеру осуществления по меньшей мере один из чувствительных к нагрузке элементов может быть установлен на внутренней поверхности стенки гильзы. Внутренняя стенка сенсорной гильзы является подходящим местом для монтажа датчиков, например, посредством приклеивания или запрессовки в канавку стенки. На внутренней стороне сенсорной гильзы чувствительные к нагрузке элементы защищены от повреждения, прежде всего при вбивании или вворачивании в установочное отверстие для гильзы в выемочном инструменте, при этом не утрачивая точность измерения в процессе бурения. Целевое размещение чувствительных к нагрузке элементов в определенных аксиальных и/или радиальных положениях внутренней стенки таким образом также допускает восприятие зависящей от направления нагрузочной информации.

Согласно одному примеру осуществления несколько чувствительных к нагрузке элементов могут быть установлены с радиальным угловым смещением относительно друг друга на внутренней поверхности стенки гильзы. Размещение нескольких чувствительных к нагрузке элементов с угловым смещением относительно друг друга по периметру внутренней стенки сенсорной гильзы позволяет осуществлять определение зависящей от направления силовой информации. Такая геометрия является особенно благоприятной для полномостовой схемы, которая может обеспечивать независимость результатов измерения от температуры (если, например, включенные в полный мост чувствительные к нагрузке элементы находятся на одной и той же температуре). Кроме того, размер типичных сенсорных гильз (например, длина от 10 мм до 100 мм, прежде всего, от 20 мм до 60 мм, диаметр от 3 мм до 30 мм, прежде всего от 6 мм до 20 мм) является достаточным, чтобы расположить несколько чувствительных к нагрузке элементов в форме прецизионных и стойких к ошибкам тензорезисторов с угловым смещением относительно друг друга. Альтернативно или дополнительно, также возможным является аксиальное расположение нескольких чувствительных к нагрузке элементов на внутренней стенке сенсорной гильзы.

Согласно одному примеру осуществления стенка гильзы может быть выполнена настолько тонкой (например, толщиной не более 2 мм, прежде всего не более 1 мм), что стенка гильзы является упруго деформируемой под влиянием механической нагрузки при бурении под воздействием на чувствительный к нагрузке элемент. Сенсорная гильза может иметь, например, металл, такой как высококачественная сталь, толщиной от 0,05 мм до 2 мм, прежде всего от 0,1 мм до 0,2 мм. Таким образом, тонкостенная сенсорная гильза сама в качестве сенсорного компонента взаимодействовать с чувствительным к нагрузке элементом или чувствительными к нагрузке элементами, так как и сенсорная гильза под нагрузкой при бурении буровой тоннелепроходческой машины упруго деформируется и в определенной мере перемещается, что, в свою очередь, передается на чувствительные к нагрузке элементы. Тогда сенсорная гильза является не только носителем для чувствительных к нагрузке элементов, но и сама сенсорным компонентом. Именно из этого получается особенно высокая чувствительность выемочного инструмента согласно изобретению.

Согласно одному примеру осуществления по меньшей мере один по меньшей мере из одного чувствительного к нагрузке элемента может быть установлен на, прежде всего плоской, пластинке гильзы, которая расположена в выполненном в виде полого цилиндра отрезке гильзы и установлена на выполненном в виде полого цилиндра участке. Согласно этому варианту может быть предусмотрена выполненная монолитно со стенкой сенсорной гильзы или запрессованная в ней отдельная пластинка, которая служит для размещения одного или нескольких чувствительных к нагрузке элементов. Например, пластинка может быть расположена в таком месте полой цилиндрической стенки так, что она расположена в середине между противолежащими друг другу аксиальными концами сенсорной гильзы. На этой пластинке могут быть смонтированы чувствительные к нагрузке элементы, так что они установлены, хотя и как защитные внутри сенсорной гильзы, но, тем не менее, являются высокочувствительными к нагрузкам при бурении буровой тоннелепроходческой машины. Эксперименты показали, что такое расположение чувствительных к нагрузке элементов приводит не только к незначительному гистерезису и чрезвычайно высокой чувствительности, но и к долговечности снабженной чувствительными к нагрузке элементами системы «сенсорная гильза -пластинка». Пластинка может быть по периметру непрерывно присоединена прямо к полой цилиндрической стенке сенсорной гильзы или же граничить с ней, чтобы сделать возможным беспрепятственный ввод силы в направлении одного или нескольких чувствительных к нагрузке элементов на пластинке. Согласно одному примеру осуществления несколько чувствительных к нагрузке элементов могут быть установлены на пластинке радиально с угловым смещением относительно друг друга. Например, четыре чувствительных к нагрузке элемента могут быть смонтированы на пластинке на расстоянии в каждом случае в 90° относительно друг друга, так что их линии схода образуют крест. Альтернативно или дополнительно, например, за счет предусмотрения нескольких пластинок внутри сенсорной гильзы, могут быть установлены чувствительные к нагрузке элементы и в аксиально различных положениях, чтобы дополнительно улучшить местное разрешение воспринятых данных нагрузки.

Согласно одному примеру осуществления пластинка может быть выполнена как мембрана. При выполнении пластинки в виде способной к колебаниям или подвижной мембраны, которая при бурении следует колебаниям вследствие воздействия внешних нагрузок, восприимчивость сенсорной системы особенно высока.

Согласно одному примеру осуществления два чувствительных к нагрузке элемента могут быть установлены на внутренней поверхности стенки гильзы радиально с угловым смещением относительно друг друга и еще два чувствительных к нагрузке элемента могут быть предусмотрены обособлено от внутренней поверхности. При такой конфигурации, которая, например, показана на фиг. 2, два установленных на внутренней поверхности чувствительных к нагрузке элемента, прежде всего, могут производить измерение силы, а оба других чувствительных к нагрузке элемента (которые могут быть, например, установлены обособлено внутри гильзы) могут быть предусмотрены для компенсации температуры на пути мостовой схемы.

Согласно другому, особо предпочтительному варианту осуществления четыре чувствительных к нагрузке элемента могут быть установлены, прежде всего, на плоской пластинке гильзы с радиальным распределением вокруг оси гильзы, причем пластинка расположена в выполненном в виде полого цилиндра отрезке гильзы и установлена на выполненном в виде полого цилиндра участке. Согласно такому выполнению, которое показано, например, на фиг. 3, все четыре чувствительных к нагрузке элемента полномостовой схемы смонтированы на пластинке (предпочтительно на общей основной поверхности пластинки, кроме того, предпочтительно по существу в х-образном или крестообразном рисунке), причем два из чувствительных к нагрузке элементов ориентированы вдоль первого направления, а оба других чувствительных к нагрузке элемента ориентированы вдоль предпочтительно ортогонального ему второго направления. Такая конфигурация показывает особенно хорошие свойства относительно точности обнаружения, линейности, гистерезисной характеристики и механической прочности.

Согласно одному примеру осуществления четыре чувствительных к нагрузке элемента могут быть установлены на внутренней поверхности стенки гильзы радиально с угловым смещением относительно друг друга. Такой пример осуществления показан на фиг. 4 и делает возможным также стойкое к ошибкам измерение действующих сил путем симметричного размещения чувствительных к нагрузке элементов на внутренней стенке сенсорной гильзы. Получающееся в результате экранирование чувствительных к нагрузке элементов по отношению к окружению является особенно благоприятным в жестких и суровых условиях бурения.

Согласно одному примеру осуществления выемочный инструмент может иметь по меньшей мере одну другую, по меньшей мере, частично установленную в устройстве закрепления режущего ролика и/или на режущем ролике гильзу по меньшей мере с одним установленным на ней чувствительным к нагрузке элементом, причем гильза и другая гильза могут быть расположены в разных положениях выемочного инструмента и под углом, прежде всего ортогонально, относительно друг друга. То есть, благоприятным образом, является возможным, предусматривать на выемочном инструменте несколько сенсорных гильз, которые могут выдавать комплементарную или же самодополняющуюся или повышающую точность обнаружения информацию. Прежде всего, размещение двух сенсорных гильз под углом друг к другу, предпочтительно ортогональное размещение (то есть, расположение осей гильз под углом 90° друг к другу) не только дает комплементарную информацию, но и позволяет регистрировать различные силовые компоненты, как например, силу качения, нормальную силу и осевую силу устройства режущего ролика.

Согласно одному примеру осуществления гильза может быть расположена в блоке крепления режущего ролика устройства для закрепления режущего ролика. Такой блок крепления режущего ролика служит для установки режущего ролика в выемочном инструменте и может, в свою очередь, сам быть выполнен для монтажа в буровой головке. Такой блок крепления режущего ролика дает возможность выполнять одно или несколько отверстий для размещения гильз для размещения одной или нескольких сенсорных гильз. Кроме того, блок крепления режущего ролика при замене быстроизнашивающегося режущего ролика может непрерывно оставаться смонтированным на буровой головке, так что не требуется трудоемкого демонтажа и повторного монтажа сенсорных кабелей только при замене режущего ролика.

В соответствии с изобретением гильза расположена на опоре режущего ролика, прежде всего С-образной детали, устройства закрепления режущего ролика. С-образная деталь крепления режущего ролика - это опорная деталь, которая в поперечном сечении по существу имеет форму «С». Такая С-образная деталь расположена особенно близко к самому режущему ролику и поэтому, как показали моделирования методом конечных элементов, особенно чувствительна к воздействующим нагрузкам или же, дает особенно точные сенсорные данные для высокочувствительного определения воздействующих на выемочный инструмент сил во время бурения.

Согласно одному примеру осуществления гильза может быть расположена как часть оси режущего ролика. Гильзообразная геометрия сенсорной гильзы

предназначена для того, чтобы вставляться в осевое отверстие самого режущего ролика, чтобы в этом положении быть в состоянии регистрировать максимально точные данные сил. При замене режущего ролика гильза может быть просто извлечена или же выдвинута из оси гильзы и вставлена в новый режущий ролик. За счет этого простыми средствами также является возможным повторный монтаж сенсорной гильзы при замене режущего ролика (например, вследствие износа).

Альтернативно или дополнительно, также является возможным выполнить сенсорную гильзу в другом месте режущего ролика, например, в просверленном отверстии в массивном отрезке режущего кольца режущего ролика.

Согласно одному примеру осуществления выемочный инструмент может иметь по меньшей мере одну сенсорную линию для проведения сенсорных сигналов, причем по меньшей мере одна сенсорная линия, исходя по меньшей мере из одного чувствительного к нагрузке элемента, по меньшей мере, участками простирается через внутренний канал гильзы. Гильзообразное выполнение сенсорного устройства с одним отверстием доступа или двумя отверстиями доступа делает возможным с малыми затратами проводить в сенсорной гильзе кабельные подводящие и отводящие линии к чувствительным к нагрузке элементам и в то же время механически защищать их от окружающей среды. Это является значительным преимуществом решения согласно изобретению, так как в суровых условиях, имеющихся при работе буровой тоннелепроходческой машины, и при длительной эксплуатации оно гарантирует надежную подачу электрических сигналов от чувствительных к нагрузке элементов.

Альтернативно связанному с кабелем подводу сигналов и/или энергии также возможной является беспроводная коммуникация чувствительного к нагрузке элемента или чувствительных к нагрузке элементов с анализирующим или управляющим устройством, например путем применения транспондеров, например радиометок.

Под режущим роликом в рамках этой заявки подразумевается, прежде всего, вращаемое тело, которое выполнен для режущего удаления породы. Предпочтительно, режущий ролик является диском, который также можно назвать шарошкой. Внешнее кольцо диска можно называть режущим кольцом, Диск не приводится в действие активно, он катится по забою. Другим примерным вариантом выполнения режущего ролика является штыревое долото, которое представляет собой вращаемое тело со штыреобразными выступами, и которое применяется, например, для сноса очень твердой породы (например, для добычи платины).

Согласно одному примеру осуществления по меньшей мере один чувствительный к нагрузке элемент может быть выполнен как тензорезистор. Тензорезистор - это измерительное устройство для регистрации растягивающих деформаций, которое уже при незначительных деформациях изменяет свое электрическое сопротивление и поэтому может применяться в качестве датчика растяжения. Например, тензорезистор может быть вклеен в гильзу или зафиксирован на ней иначе, так что он может деформироваться под нагрузкой при эксплуатации выемочного инструмента. Тогда эта деформация или растяжение приводит к изменению сопротивления тензорезистора. Соответствующий электрический сигнал может быть зарегистрирован и оценен как сенсорный сигнал.

Тензорезистор является недорогим чувствительным к нагрузке элементом, который особенно хорошо подходит для требований в буровой головке, так как он совместим с имеющимися там суровыми условиями. В качестве альтернативы выполнения тензорезистора в качестве чувствительного к нагрузке элемента также может быть использован пьезодатчик.

Согласно одному примеру осуществления выемочный инструмент может быть выполнен как выемочный инструмент с клиновым зажимом или как выемочный инструмент со съемной осью. Специалисту известно, что эти оба вида выемочных инструментов часто применяются в буровых тоннелепроходческих машинах. Пример выемочного инструмента со съемной осью также называется «конической седельной системой». Выемочные инструменты со съемной осью применяются, например, фирмой Aker Wirth. Выемочные инструменты с клиновым зажимом применяются, например, фирмой Herrenknecht или фирмой Robbins.

Согласно одному примеру осуществления между гильзой и по меньшей мере одним установленным на ней чувствительным к нагрузке элементом внутри гильзы может оставаться полое пространство. Например, остающийся свободным после установки чувствительного к нагрузке элемента или чувствительных к нагрузке элементов объем полого пространства может составлять по меньшей мере 10%, прежде всего по меньшей мере 30%, или по меньшей мере 50% общего объема сенсорной гильзы (т.е. полый объем плюс объем твердого тела). За счет сохранения полого пространства внутри гильзы после монтажа по меньшей мере одного чувствительного к нагрузке элемента на гильзе благоприятным образом является возможным некоторое компенсационное движение гильзы и/или чувствительного к нагрузке элемента под воздействием действующих при бурении сил. Кроме того, сохранение полого объема позволяет осуществлять удобное выполнение кабельных соединений и незакрепленное размещение отдельных чувствительных к нагрузке элементов (например, для образования неизменного относительно температуры полного моста) внутри гильзы и тем самым повышает свободу конструирования при конфигурации сенсорного устройства.

Согласно одному примеру осуществления гильза может быть выполнена с устройством закрепления режущего ролика и/или режущим роликом монолитно, прежде всего из одного материала. Например, гильза может быть вварена или впаяна в отверстие в устройстве закрепления режущего ролика или же режущем ролике, или выполнена другим образом неразъемно или даже интегрально с устройством закрепления режущего ролика или же режущим роликом.

Согласно одному примеру осуществления сенсорное устройство может иметь четыре, прежде всего точно четыре, чувствительных к нагрузке элемента, причем анализирующий блок может быть выполнен так, чтобы на основе сенсорных сигналов четырех чувствительных к нагрузке элементов устанавливать информацию, которая является показательной для силы прижима, боковой силы и силы качения, которые действуют на режущий ролик. Такой вариант имеет то преимущество, что четыре чувствительных к нагрузке элемента регистрируют частично избыточную сенсорную информацию, которая для параметров сила прижима, боковая сила и сила качения является не только показательной, но даже делает ее определение сверхопределенно возможным. За счет этого, что в суровых условиях буровой тоннелепроходческой машины является особым преимуществом, может быть достигнута высокая точность данных измерения.

В дальнейшем, примеры осуществления настоящего изобретения детально описываются со ссылкой на следующие иллюстрации.

Фиг. 1 показывает буровую тоннелепроходческую машину с буровой головкой, которая оснащена несколькими выемочными инструментами согласно примерным вариантам осуществления изобретения.

Фиг. 2 - фиг. 4 в каждом случае показывают пространственный вид сенсорной гильзы, соответствующую мостовую схему в качестве электрической схемы замещения и вид сверху на сенсорную гильзу или же сенсорную пластинку на сенсорной гильзе сенсорных устройств выемочных инструментов согласно примерным вариантам осуществления изобретения.

Фиг. 5 показывает поперечное сечение через выемочный инструмент согласно примерному варианту осуществления изобретения и показывает, прежде всего, подходящее положение сенсорной гильзы согласно изобретению в комбинации с крепежными элементами для закрепления режущего ролика на устройстве закрепления режущего ролика выемочного инструмента согласно примерному варианту осуществления изобретения.

Фиг. 6 показывает результат анализа конечных элементов относительно чувствительности сенсорной гильзы в разных положениях на выемочном инструменте согласно примерному варианту осуществления изобретения.

Фиг. 7 показывает пространственный вид выемочного инструмента согласно примерному варианту осуществления изобретения, в котором две сенсорных гильзы расположены ортогонально относительно друг друга и расположены в С-образной детали устройства закрепления режущего ролика.

Фиг. 8 показывает покомпонентный вид выемочного инструмента согласно примерному варианту осуществления изобретения и иллюстрирует, прежде всего, монтажные положения и направления монтажа двух сенсорных гильз.

Фиг. 9 показывает диаграмму, которая показывает анализ линейности поведения, а также гистерезисной характеристики и чувствительности для показанных на фиг. 2-4 примеров осуществления сенсорных гильз согласно примерным вариантам осуществления изобретения.

Фиг. 10 представляет собой диаграмму, которая показывает значительно улучшенную чувствительность определения сенсорных гильз согласно изобретению по сравнению интегрированным в крепежном элементе сенсорным устройством.

Фиг. 11 показывает режущий ролик выемочного инструмента согласно примерному варианту осуществления изобретения со смонтированной на оси режущего ролика сенсорной гильзой согласно примерному варианту осуществления изобретения.

Фиг. 12 показывает схематический вид смонтированного в устройстве закрепления режущего ролика режущего ролика и три действующих на него при бурении силовых компонента.

Одинаковые или сходные компоненты на разных иллюстрациях снабжены одинаковыми ссылочными обозначениями.

Фиг. 1 показывает буровую тоннелепроходческую машину 180 для выемки породы 102, в которой уже проделана буровая скважина 182. Бурение происходит так, что буровая скважина 182 на фиг. 1 последовательно расширяется вправо. Специалисту известно, что буровая тоннелепроходческая машина 180 имеет несколько компонентов. Однако из соображений наглядности на фиг. 1 показана лишь буровая головка 150 с несколькими (например, от 50 до 100) выемочными инструментами. Точнее говоря, буровая головка 150 имеет приводимый с помощью приводного устройства 184 во вращательное и поступательное перемещение относительно породы 102 бур 152, на передней или обращенной к породе торцевой стороне которого установлено несколько держателей или зажимов 154 выемочного инструмента. Они распределены по круговой торцевой поверхности бура 152, что на виде в разрезе фиг. 1 видно лишь частично. Каждый из держателей 154 выемочного инструмента выполнен для удержания соответствующего выемочного инструмента 100. Иначе говоря, выемочный инструмент 100 может быть смонтирован в каждом из держателей 154 выемочного инструмента.

Каждый из выемочных инструментов 100 имеет выполненное с возможностью монтажа на буровой головке 150 устройство 104 закрепления диска с установочной опорой для зажима и установки вращающегося диска 106, который также является частью выемочного инструмента 100.

Каждое устройство 104 закрепления диска имеет дископриемник 194, который может быть выполнен в виде бака, который сконфигурирован специально для того, чтобы принимать диск 106 в качестве сменного модуля. Крепежные винты 110 образуют еще один компонент устройства 104 закрепления диска. В соответствии с этим, каждый из выемочных инструментов 100 имеет несколько крепежных винтов 110, с помощью которых диск 106 вместе с подшипником 126 и дископриемник 194 закреплены на буровой головке 150. Диск 106 имеет ось 120, тело 122 диска, режущее кольцо 124 с периметрической режущей кромкой и подшипник 126.

Когда диск 106 смонтирован на соответствующем устройстве 104 закрепления диска, периметрическая режущая кромка 124 соответствующего диска 106 во вращающемся состоянии для отбоя породы 102 врезаться в нее. Диск 106 с возможностью замены размещен в установочной опоре устройства 104 закрепления диска или же, точнее говоря, в дископриемнике 194.

Каждый выемочный инструмент 100 содержит сенсорное устройство 112 для обнаружения механической нагрузки соответствующего выемочного инструмента 100, точнее говоря диска 106. Этой механической нагрузке диск 106 подвержен во время выемки породы 102 диском 106. Согласно показанному на фиг. 1 примеру осуществления сенсорное устройство 112 выполнено как установленная в устройстве 104 закрепления диска (а в альтернативном примере осуществления, альтернативно или дополнительно, на диске 106) гильза 177 с установленным на ней чувствительным к нагрузке элементом 108 в форме тензорезистора. То есть, в гильзе 177 в качестве чувствительного к нагрузке элемента 108 интегрирован тензорезистор. Посредством соединительного кабеля или же сенсорной линии 171 электрический сенсорный сигнал может передаваться от чувствительного к нагрузке элемента 108 на анализирующее устройство 128. Примерные варианты сенсорного устройства 112 по фиг. 1 показаны на фиг. 2-4.

Анализирующее устройство 128, которое может быть частью процессора или системы управления буровой тоннелепроходческой машины 180, принимает данные сенсора, которые чувствительный к нагрузке элемент 108 измеряет и определяет из них механическую нагрузку, которая действует на соответствующий диск 106.

Фиг. 2 показывает также обозначенную как сенсорная гильза гильзу 177 для выемочного инструмента 100 согласно примерному варианту осуществления изобретения.

Согласно фиг. 2 гильза 177 выполнена в виде полого кругового цилиндрического тела со сквозным осевым проходным отверстием, причем на внутренней стенке 175 гильзы 177 радиально со смещением на 90° относительно друг друга приклеены два тензорезистора в качестве чувствительных к нагрузке элементов 108. Эти чувствительные к нагрузке элементы 108 служат для размещения сигналов нагрузки во время работы буровой тоннелепроходческой машины 180, если соответствующий выемочный инструмент 100 смонтирован на буровой головке 150. Во время работы буровой тоннелепроходческой машины 180 происходит очень сильный нагрев выемочных инструментов 100, прежде всего, в области дисков 106. Чтобы сделать сенсорное устройство 112 независимым от таких температурных влияний, оба установленных (например, приклеенных) на внутренней стенке 175 гильзы 177 чувствительных к нагрузке элемента 108, которые на фиг. 2 обозначены цифрами «1» и «3», с дополнительными подобными чувствительными к нагрузке элементами 108 (в пространственном представлении фигуры 2 не показаны, но в схеме замещения обозначены как "R2" и "R4" и в виде сверху показаны обособлено от внутренней стенки 175 справа) соединены в мостовую схему. При этом эти другие чувствительные к нагрузке элементы 108 служат для размещения эталонных данных, которые должны делать возможной компенсацию температуры независимо от силы или же независимо от нагрузки.

Фиг. 3 показывает гильзу 177 сенсорного устройства 112 согласно другому примерному варианту осуществления изобретения. Согласно этому варианту внутри полой круговой цилиндрической внутренней стенки 175 предусмотрена мембраноподобная и эластичная плоская пластинка 173 (например, запрессованная или выработанная вместе с полым цилиндром из общей заготовки), на которой со смещением в радиальном направлении в каждом случае на 90° относительно друг друга приблизительно в форме X или крестообразно смонтированы четыре чувствительных к нагрузке элемента 108. Они могут быть также выполнены в виде тензорезисторов. Пластинка 173 может быть выполнена, прежде всего, монолитно и из одного материала с приданным внутренней стенке 175 полым круговым цилиндрическим телом гильзы 177, например, за счет того, что в сплошном цилиндрическом теле (например, из высококачественной стали) с обеих сторон выполняются глухие отверстия, которые в осевом направлении отделены друг от друга пластикой 173. Согласно другому варианту пластинка 173 может быть запрессована внутрь полой круговой цилиндрической гильзы 177 как отдельный компонент. Также и на фиг. 3 четыре чувствительных к нагрузке элемента 108 в целях компенсации температуры могут быть соединены в полномостовую схему. При конфигурации согласно фиг. 3 чувствительные к нагрузке элементы 108 расположены на сенсорно чувствительной и механически стабильной позиции внутри гильзы 177 и тем самым при высокой точности определения надежно защищены от разрушения при монтаже или во время работы буровой тоннелепроходческой машины 180.

На фиг. 4 показана гильза 177, в которой четыре чувствительных к нагрузке элемента 108 все вместе установлены на внутренней стенке 175 полой круговой цилиндрической гильзы 177. И здесь четыре чувствительных к нагрузке элемента 108 комбинированы в мостовую схему. И в этом случае, два из четырех чувствительных к нагрузке элементов 108 служат, собственно говоря, для размещения измерительных сигналов, а другие два чувствительных к нагрузке элемента 108 выполнены для компенсации температуры посредством включения в полномостовую схему.

Фиг. 5 показывает поперечное сечение выемочного инструмента 110 для буровой головки 150 буровой тоннелепроходческой машины 180 согласно примерному варианту осуществления изобретения. Прежде всего, на фиг. 5 показано, что устройство 104 закрепления диска здесь образовано из блока 504 крепления диска для монтажа буровой головки и С-образной детали 500 для размещения и монтажа оси 502 диска диска 106. Кроме того, фиг. 5 показывает крепежный винт 110, который служит для монтажа компонентов один на другом. Примерно параллельно крепежному винту 506 и примерно перпендикулярно оси 502 диска простирается гильза 177 сенсорного устройства 112 выемочного инструмента 100, причем гильза 177 запрессована или ввинчена или вбита в установочное отверстие для гильзы, которое образовано в устройстве 104 закрепления диска. Фиг. 5 показывает, что благодаря массивному выполнению устройства 104 закрепления диска существует высокая мера свободы выбора для конструктора выемочного инструмента, при задании положения и ориентации гильзы 177. Прежде всего, независимость гильзы 177 от крепежного винта 110 повышает эту свободу конструирования. Кроме того, за счет предусмотрения гильзы 177 в виде тонкостенного эластичного элемента является возможным содействие самой гильзы 177 при определении данных нагрузки, так что сама гильза 177 является частью чувствительной к нагрузке системы и тем самым синергически взаимодействует с чувствительными к нагрузке элементами 108 (не показаны на фиг. 5).

Фиг. 6 показывает результат анализа конечных элементов, который был проведен на устройстве 104 закрепления диска выемочного инструмента 100. На фиг. 6 видно, что в определенных областях устройства 104 закрепления диска можно констатировать особенно высокую чувствительность или же пики силы, которые повышают точность измерения, если в этих местах применяется сенсорное устройство 112. Так как согласно изобретению сенсорное устройство 112 может быть предусмотрено и позиционировано независимо от (подлежащего установке в заданных положениях) крепежного элемента 110, за счет этого является достижимой особенно высокая точность зарегистрированной нагрузки.

Фиг. 7 показывает пространственный вид выемочного инструмента 100 в соответствии примерным вариантом осуществления изобретения. В примере осуществления согласно фиг. 7 две ориентированные относительно друг друга по существу ортогонально гильзы 177 сенсорного устройства 112 введены внутрь С-образной детали 500 устройства 104 закрепления диска. При этом оси гильз 177 простираются в каждом случае ортогонально оси вращения диска. Оказалось, что при этой конфигурации могут сниматься особенно чувствительные сенсорные данные. На фиг. 7 также показано положение крепежных винтов 110.

Фиг. 8 показывает еще раз покомпонентный вид показанного на фиг. 7 устройства и, прежде всего, как гильзы 177 могут быть введены в соответственно просверленные установочные отверстия 800 для гильз. Полое пространство гильз 177 допускает не только проведение электрических кабелей для электрического снабжения чувствительных к нагрузке элементов 108 энергией и/или сигналами или же для съема сигналов с чувствительных к нагрузке элементов 108, но и способствует эластичности самой гильзы 177, что является благоприятным для точности сенсорного измерения. Кроме того, открытая с обеих сторон полость гильзы 177 может быть использована для входа инструмента, когда гильза 177 (например, из-за износа) должна быть заменена.

Фиг. 9 показывает диаграмму 900, по которой можно видеть чувствительность показанных на фиг. 2-4 сенсорных устройств 112. Диаграмма 900 имеет абсциссу 902, на которой нанесен принятый измерительный сигнал. На ординате 904 нанесена действующая на соответствующий чувствительный к нагрузке элемент 108 сила F. Кривая 906 соответствует сенсорному устройству 112 согласно фиг. 2, кривая 908 соответствует сенсорному устройству 112 согласно фиг. 3, а кривая 910 соответствует сенсорному устройству 112 согласно фиг. 4. Прежде всего, можно видеть, что при всех формах осуществления гистерезис, то есть, заключенная соответствующими компонентами кривых площадь является особенно малым. Лучше всего гистерезисная характеристика при конфигурации согласно фиг. 3. Кроме того, можно видеть хорошую линейность полученного в ответ на приложенную силу измерительного сигнала, которая является выдающейся, прежде всего, в сенсорных устройствах согласно фиг. 2 и фиг. 3. Наконец, чувствительность измерения очень высока, прежде всего, у сенсорных устройств согласно фиг. 2 и фиг. 3. Фиг. 9 показывает, что, прежде всего, сенсорное устройство 112 согласно фиг. 3 делает возможной самую высокую чувствительность при незначительной гистерезисной характеристике и высокой линейности.

Фиг. 10 показывает диаграмму 1000, которая также имеет абсциссу 902 и ординату 904. Противопоставлено первое семейство кривых, которое показывает сенсорные устройства 112 согласно изобретению с установленными на гильзе 177 чувствительными к нагрузке элементами 108 (кривая 1002 относится к конструкции согласно фиг. 3, а кривая 1004 относится к конструкции согласно фиг. 4). В виде сравнения показаны данные измерений для трех обычных сенсорных устройств, в которых чувствительные к нагрузке элементы интегрированы в крепежный элемент (семейство кривых 1006). Фиг. 10 впечатляюще показывает, что с помощью сенсорных устройств 112 согласно изобретению (кривые 1002, 1004) могут быть достигнуты значительно более высокие чувствительности, чем при интеграции чувствительных к нагрузке элементов в крепежный элемент, например крепежный винт или крепежный болт (семейство 1006 кривых).

Фиг. 11 показывает вид сверху диска 106 выемочного инструмента 100 согласно примерному варианту осуществления изобретения. Согласно показанному на фиг. 11 примеру осуществления гильза 177 проведена через ось диска (например, запрессована) и поэтому воспринимает сенсорные данные в высокочувствительном положении. Согласно показанной формой осуществления два чувствительных к нагрузке элемента 108 расположены вдоль периметра оси 502 диска.

Фиг. 12 схематически показывает диск 106, который установлен на устройстве 104 закрепления диска. При бурении нормальная (перпендикулярная) сила F_N воздействует на диск 106, который, кроме того, подвержен действию силы F_R качения, с которой диск 106 перекатывается вокруг оси 120, в то время как он сносит породу. На диск 106 также действует боковая сила F_S. С помощью сенсорного устройства 112 согласно изобретению является возможной регистрация каждого отдельного силового компонента F_N, F_R и F_S, и при этом с высокой точностью.

Дополнительно, следует указать на то, что «имеющий» не исключает другие элементы или шаги, а «одна» или «один» не исключает несколько. Кроме того, следует указать на то, что признаки или шаги, которые описаны со ссылкой на один из вышеприведенных примеров осуществления, могут быть также использованы в сочетании с другими признаками или шагами других вышеописанных примеров осуществления. Ссылочные обозначения в формуле изобретения не должны рассматриваться как ограничение.

Группа изобретений относится к выемочному инструменту для буровой головки буровой тоннелепроходческой машины. Технический результат – повышение точности сенсорной техники для установления механической нагрузки. Выемочный инструмент для буровой головки буровой тоннелепроходческой машины для выемки горной породы, причем выемочный инструмент имеет: выполненное с возможностью монтажа на буровой головке устройство закрепления режущего ролика для размещения и установки вращающегося режущего ролика, режущий ролик, который для выемки горной породы является размещаемым или установлен с возможностью вращения, прежде всего с возможностью замены, в устройстве закрепления режущего ролика, сенсорное устройство для обнаружения механической нагрузки выемочного инструмента, прежде всего режущего ролика. Причем сенсорное устройство выполнено в виде по меньшей мере частично установленной в устройстве закрепления режущего ролика и/или на режущем ролике гильзы по меньшей мере с одним установленным на нем чувствительным к нагрузке элементом. При этом гильза расположена на опоре режущего ролика, прежде всего С-образной детали, устройства закрепления режущего ролика. 4 н. и 22 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Выемочный инструмент (100) для буровой головки (150) буровой тоннелепроходческой машины (180) для выемки горной породы (102), причем выемочный инструмент (100) имеет:

- выполненное с возможностью монтажа на буровой головке (150) устройство (104) закрепления режущего ролика для размещения и установки вращающегося режущего ролика (106),

- режущий ролик (106), который для выемки горной породы (102) является размещаемым или установлен с возможностью вращения, прежде всего с возможностью замены, в устройстве (104) закрепления режущего ролика,

- сенсорное устройство (112) для обнаружения механической нагрузки выемочного инструмента (100), прежде всего режущего ролика (106), причем сенсорное устройство (112) выполнено в виде по меньшей мере частично установленной в устройстве (104) закрепления режущего ролика и/или на режущем ролике (106) гильзы (177) по меньшей мере с одним установленным на нем чувствительным к нагрузке элементом (108), причем гильза (177) расположена на опоре (500) режущего ролика, прежде всего С-образной детали, устройства (104) закрепления режущего ролика.

2. Выемочный инструмент (100) по п. 1, причем устройство (104) закрепления режущего ролика имеет зажим (194) режущего ролика и по меньшей мере один крепежный элемент (110) для закрепления режущего ролика (106) на зажиме (194) режущего ролика и/или для закрепления зажима (194) режущего ролика на буровой головке (150), причем по меньшей мере один чувствительный к нагрузке элемент (108) сенсорного устройства (112) предусмотрен обособлено по меньшей мере от одного крепежного элемента (110).

3. Выемочный инструмент (100) по п. 1 или 2, причем по меньшей мере часть гильзы (177) выполнена в виде полого цилиндра, прежде всего в виде полого круглого цилиндра.

4. Выемочный инструмент (100) по одному из пп. 1-3, причем по меньшей мере один по меньшей мере из одного чувствительного к нагрузке элемента (108) установлен на внутренней поверхности стенки (175) гильзы, прежде всего несколько чувствительных к нагрузке элементов (108) установлены на внутренней поверхности стенки (175) гильзы обособлено друг от друга.

5. Выемочный инструмент (100) по п. 4, причем несколько чувствительных к нагрузке элементов (108) установлены на внутренней поверхности стенки (175) гильзы радиально с угловым смещением относительно друг друга.

6. Выемочный инструмент (100) по п. 4 или 5, причем стенка (175) гильзы выполнена настолько тонкой, что стенка (175) гильзы под влиянием механической нагрузки при бурении является упругодеформируемой под воздействием на чувствительный к нагрузке элемент (108).

7. Выемочный инструмент (100) по одному из пп. 1-6, причем по меньшей мере один по меньшей мере из одного чувствительного к нагрузке элемента (108) установлен на прежде всего плоской пластинке (173) гильзы (177), которая расположена в выполненном в виде полого цилиндра участке гильзы (177) и установлена на выполненном в виде полого цилиндра участке.

8. Выемочный инструмент (100) по п. 7, причем несколько чувствительных к нагрузке элементов (108) установлены на пластинке (173) радиально с угловым смещением относительно друг друга.

9. Выемочный инструмент (100) по п. 7 или 8, причем пластинка (173) выполнена в виде мембраны.

10. Выемочный инструмент (100) по одному из пп. 1-3, причем два чувствительных к нагрузке элемента (108) установлены на внутренней поверхности стенки (175) гильзы радиально с угловым смещением относительно друг друга, а два других чувствительных к нагрузке элемента (108) предусмотрены обособлено от внутренней поверхности.

11. Выемочный инструмент (100) по одному из пп. 1-3, причем четыре чувствительных к нагрузке элемента (108) установлены на прежде всего плоской пластинке (173) гильзы (177) с радиальным распределением вокруг оси гильзы, причем пластинка (173) расположена в выполненном в виде полого цилиндра участке гильзы (177) и установлена на выполненном в виде полого цилиндра участке.

12. Выемочный инструмент (100) по одному из пп. 1-3, причем четыре чувствительных к нагрузке элемента (108) установлены на внутренней поверхности стенки (175) гильзы радиально с угловым смещением относительно друг друга.

13. Выемочный инструмент (100) по одному из пп. 1-12, имеющий по меньшей мере одну другую по меньшей мере частично установленную в устройстве (104) закрепления режущего ролика и/или на режущем ролике (106) гильзу (177) по меньшей мере с одним установленным на ней чувствительным к нагрузке элементом (108), причем гильза (177) и другая гильза (177) расположены под углом, прежде всего ортогонально друг другу.

14. Выемочный инструмент (100) по одному из пп. 1-13, причем гильза (177) расположена в блоке крепления режущего ролика устройства (104) закрепления режущего ролика.

15. Выемочный инструмент (100) по одному из пп. 1-13, причем гильза (177) расположена как часть оси (502) режущего ролика.

16. Выемочный инструмент (100) по одному из пп. 1-15, имеющий по меньшей мере одну сенсорную линию (171) для проведения сенсорных сигналов, причем по меньшей мере одна сенсорная линия (171) исходя по меньшей мере из одного чувствительного к нагрузке элемента (108) по меньшей мере участками простирается через полость гильзы (177).

17. Выемочный инструмент (100) по одному из пп. 1-16, причем по меньшей мере один чувствительный к нагрузке элемент (108) выполнен в виде тензорезистора или пьезоэлемента, прежде всего в полномостовой конфигурации.

18. Выемочный инструмент (100) по одному из пп. 1-17, причем режущий ролик (106) имеет ось (120), режущее кольцо (124) с периметрической режущей кромкой и опору (126).

19. Выемочный инструмент (100) по одному из пп. 1-18, выполненный в виде выемочного инструмента (2600) с клиновым зажимом или в виде выемочного инструмента (200) со съемной осью.

20. Выемочный инструмент (100) по одному из пп. 1-19, причем режущий ролик выполнен в виде диска (106) или в виде штыревого долота.

21. Выемочный инструмент (100) по одному из пп. 1-20, причем между гильзой (177) и по меньшей мере одним установленным на ней чувствительным к нагрузке элементом (108) внутри гильзы остается полое пространство.

22. Выемочный инструмент (100) по одному из пп. 1-21, причем гильза (177) выполнена монолитно, прежде всего из одного материала, с устройством (104) закрепления режущего ролика.

23. Система для установления механической нагрузки выемочного инструмента (100), прежде всего режущего ролика (106) выемочного инструмента (100), буровой головки (150) буровой тоннелепроходческой машины (180) для выемки горной породы (102), причем система имеет:

- выемочный инструмент (100) по одному из пп. 1-22,

- анализирующее устройство (128), которое выполнено для того, чтобы на основе сенсорных сигналов по меньшей мере одного чувствительного к нагрузке элемента (108) устанавливать информацию, которая является показательной для механической нагрузки, которая воздействует на выемочный инструмент (100), прежде всего на режущий ролик (106) выемочного инструмента (100).

24. Система по п. 23, причем сенсорное устройство (112) имеет четыре, прежде всего ровно четыре, чувствительных к нагрузке элемента (108), причем анализирующее устройство (128) выполнено для того, чтобы на основе сенсорных сигналов четырех чувствительных к нагрузке элементов (108) устанавливать информацию, которая является показательной для силы (F_N) прижима, боковой силы (F_S) и/или силы (F_R) качения, которая (которые) воздействует (действуют) на режущий ролик.

25. Буровая головка (150) для буровой тоннелепроходческой машины (180) для выемки горной породы (102), причем буровая головка (150) имеет:

- выполненный с возможностью вращательного и поступательного перемещения относительно горной породы (102) бур (152) с несколькими держателями (154) выемочного инструмента для удержания выемочных инструментов (100),

- несколько выемочных инструментов (100) по одному из пп. 1-22, которые выполнены с возможностью закрепления или закреплены, прежде всего с возможностью замены, в нескольких держателях (154) выемочного инструмента.

26. Буровая тоннелепроходческая машина (180) для выемки горной породы (102), имеющая буровую головку (150) по п. 25.