DE19636389B4

DE19636389B4 - Verfahren und Einrichtung zur Lastüberwachung von hydraulischen Schildausbaugestellen für den Untertagebergbau

Info

Publication number: DE19636389B4
Application number: DE19636389A
Authority: DE
Inventors: Willy Watermann; Walter Von Der Linden; Wilfried Weigel
Original assignee: DBT Automation GmbH
Current assignee: Caterpillar Global Mining Europe GmbH
Priority date: 1996-09-07
Filing date: 1996-09-07
Publication date: 2004-03-11
Anticipated expiration: 2016-09-08
Also published as: AU3677597A; GB9719052D0; DE19636389A1; AU725018B2; US6056481A; GB2316973B; GB2316973A; ZA978017B

Abstract

Verfahren zur Lastüberwachung von im Untertageeinsatz befindlichen hydraulischen Schildausbaugestellen in der Ausführung als Lemniskatenschilde mit mindestens zwei zwischen Kappe und Liegendkufe angeordneten hydraulischen Stempeln, wobei den Schildausbaugestellen zur Ausbausteuerung jeweils ein seine Arbeitsfunktionen, wie das Setzen, Rauben und Schreiten steuerndes, mit einer Mikroelektronik ausgestattetes elektronisches Steuergerät zugeordnet ist, und wobei Bauteilen des Schildausbaugestells Sensoren zugeordnet sind, deren Meßsignale dem Steuergerät zugeführt werden, dadur chgekennzeichnet, daß mit der Mikroelektronik des elektronischen Steuergerätes (13) aus den Meßsignalen der Sensoren (14, 15,16, 17, 18) potentiell kritische Lastfälle für die mechanischen Bauteile des Schildausbaugestells ermittelt werden und mit dem Steuergerät (13) durch entsprechende Ansteuerung der Stempel (6, 7) und/oder wenigstens eines Eckzylinders (11) des Schildausbaugestells eliminiert oder unterbunden werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Lastüberwachung von im Untertageeinsatz befindlichen hydraulischen Schildausbaugestellen entsprechend der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art.

Die seit langem mit Erfolg in untertägigen Gewinnungsbetrieben des Steinkohlebergbaus eingesetzten, als sogenannte Lemniskatenschilde ausgebildeten Schildausbaugestelle, die im Regelfall mit zwei oder aber auch mit vier die Kappe unterfangenden hydraulischen Stempeln ausgestattet sind, müssen in ihren Bauteilen, wie vor allem ihrer Kappe, Liegendkufe, den Lenkern und den verschiedenen Gelenken außerordentlich stabil ausgeführt werden, damit sie auch schwierigen Einsatzbedingungen und ungünstigen Belastungsfällen gewachsen sind. Dies führt zu einer schweren und entsprechend kostenaufwendigen Bauweise der Schildausbaugestelle.

Seitens der Bergbaubetreiber besteht aus anwendungstechnischen und wirtschaftlichen Gründen ein erhebliches Interesse an einer Beschränkung: des Gewichts und damit auch der Kosten des Schildausbaus. Je nach vorhandener Infrastruktur der Bergwerke und auch den vorgegebenen Flözmächtigkeiten sind häufig nur Schildausbaugestelle einsatzfähig, deren Gewicht etwa 15t bis 30t nicht überschreitet. Diese Gewichtsbeschränkung führt dazu, daß für die hochbelasteten Bauteile der Schildausbaugestelle hoch feste und entsprechend teure Stahlbleche und Stahlgußteile verwendet werden müssen, was zu beträchtlichen Kostenerhöhungen bei der Herstellung der Schildausbaugestelle führt. Trotz der Verwendung der zur Gewichtsbeschränkung verwendeten hochfesten Materialien kommt es aber im Untertageeinsatz der Schildausbaugestelle nicht selten zu Überlastungen einzelner Bauteile und damit zu hohen Reparaturkosten und einer Verringerung der Lebensdauer der Schildausbaugestelle.

Neuerdings werden zur Reduzierung der Investitions- und Betriebskosten Schildausbaugestelle eingesetzt, deren Mittenabstand bzw. Baubreite anstelle der bisher üblichen Abmessung von 1,5m 1,75m beträgt. Eine weitere Optimierung wäre mit Schildausbaugestellen von noch größerer Baubreite erreichbar, jedoch würden hiermit die vorgenannten Gewichtsbegrenzungen deutlich überschritten.

In der modernen Ausbautechnik wird der Schildausbau bekanntlich mit elektrohydraulischen Steuerungen ausgerüstet, wobei in jedem Schildausbaugestell sich ein mit einem Mikroprozessor ausgestattetes elektronisches Steuergerät befindet. Hierbei werden auch Sensoren zur Erkennung der jeweiligen Stempeldrücke und der Schreitzylinderhübe verwendet, die mit ihren elektrischen Signalleitungen an das Steuergerät angeschlossen werden. Die Sensortechnik dient hier vor allem zur automatischen Steuerung der Bewegungsabläufe und Rückfolgen des Schildausbaus und des Strebförderers und gegebenfolls auch zur Überwachung der Stempeldrücke.

Aus der DE 34 10 273 C1 ist es bekannt, mit einer Steuereinrichtung für hydraulische Schildausbaugestelle den Aufbau und Verlauf des Druckes im hydraulischen, den Arbeitszylinder bildenden Stempel kontinuierlich zu überwachen. Hierzu ist dem Stempel eine Druckmeßeinrichtung zugeordnet, die als Ausgangssignal digitale Druckmeßsignale liefert, die mittels eines Mikroprozessors der Steuereinrichtung gespeichert und verarbeitet werden können. Die Steuereinrichtung führt die Arbeitsfunktionen des Schildausbaugestells wie Setzen oder Rauben des Schildes, die über gespeicherte Abläufen gesteuert werden, druckabhängig nur dann aus, wenn sich der am Stempel ermittelte Druckverlauf innerhalb eines für die jeweilige Arbeitsfunktion vorgegebenen Druckwertes 233 oder Druckintervalls einstellt. Die DE 34 10 273 C1 betrifft insbesondere einen Drucksensor, dessen Signale digital vorliegen und unmittelbar mit der Steuereinrichtung ausgewertet werden können. Die Überwachung des Druckes wird vor allem dazu verwendet, Arbeitsfunktionen wie Rauben oder Setzen des Schildes dann nicht vorzunehmen, wenn die aus Sicherheitsgründen zu beachtenden geologischen und betriebsbedingten Voraussetzungen wie ausreichender Setzdruck in der Hochdruckleitung momentan nicht erfüllt sind. Außerdem sollen bestimmte Arbeitsvorgänge in Abhängigkeit von gegebenen Drücken differenziert geregelt werden können, ohne daß die DE 34 10 273 C1 Abgaben enthält, wann oder wie dies durchzuführen ist.

Es hat in der Vergangenheit nicht an Versuchen gefehlt, den Schildausbau leichter zu bauen und so auszuführen, daß seine hochbelasteten Bauteile vor einer Überlastung und Beschädigung geschützt werden. Mit der DE 31 41 040 C1 ist vorgeschlagen worden, den oder die vorderen Lenker des Lemniskatengetriebes als hydraulischen Lenker in Gestalt eines Hydraulikzylinders auszubilden, wodurch im Einsatz des Schildausbaugestells die Lenkerkräfte konstant gehalten bzw. gegen Überlastung geschützt werden sollen. Dieser Lösungsweg hat sich allerdings in der Praxis nicht durchgesetzt, und zwar vor allem wegen der damit verbundenen höheren Kosten sowie des Umstandes, daß die Kraftbegrenzung im hydraulischen Lenker aufgrund der Begrenzung seines Zylinderdurchmessers auf einen zu geringen Wert erfolgen mußte.

Weitere Lösungsvorschläge zur Herabsetzung des Gewichts der Schildausbaugestelle sind in der Zeitschrift "Glückauf" 1982, S. 927 bis 933 angegeben. Auch hier wird die Verwendung hydraulischer Lenker zur Begrenzung der bankparallelen äußeren Kräfte vorgeschlagen. Außerdem soll eine Gewichtsverminderung dadurch erreicht werden, daß bei geneigt stehenden Stempeln die Stempeldrücke in Abhängigkeit vom Stempelwinkel gesteuert werden, um auf diese Weise die Schildausbaukraft über den Höhenverstellbereich konstant zu halten oder belastungsmäßige Spitzenwerte, die sich bei senkrechtstehenden Stempeln ergeben, abzuschneiden bzw. zu unterdrücken.

Aufgabe der Erfindung ist es vor allem, ein Verfahren und eine Einrichtung zur Lastüberwachung von hydraulischen Schildausbaugestellen anzugeben, mit dem bzw. der vor allem in den kritischen Lastfällen Überbeanspruchungen der Schildausbaugestelle bzw. ihrer Bauteile ohne übermäßigen Bauaufwand zuverlässig vermieden werden, so daß die Schildausbaugestelle mit deutlich vermindertem Gewicht und entsprechend kostengünstiger gebaut werden können.

Zu den vorgenannten kritischen Lastfällen im Einsatz der Schildausbaugestelle gehört vor allem deren unsymmetrische bzw. einseitige Belastung im Setzzustand, wie sie sich beispielsweise bei Hangendausbrüchen, Hangendabsetzungen oder sonstigen Unregelmäßigkeiten des Hangenden ergeben und bei denen die stempelunterstützte Kappe nur im Bereich ihrer einen außen- bzw. Seitenkante in Hangendanlage steht, während sie an der anderen Außen- bzw. Seitenkante hohl liegt, also keine Anlage am Hangenden findet. Ein weiterer kritischer Lastfall, der zu Überlastungen führen kann und der im Bergbau als "Spitzentanz" bezeichnet wird, ist dann gegeben, wenn das Schildausbaugestell durch die Hangendauflast auf der gegen den Abbaustoß vorkragenden Kappe so gekippt wird, daß sich seine Liegendkufe mit dem Heck, also dem versatzseitigen Ende vom Liegenden abhebt und folglich das Schildausbaugestell nur mit dem abbaustoßseitigen Liegendkufenende eine Auflage auf dem Liegenden findet. Diese nur bei- spielsweise angegebenen kritischen Lastfälle, die zu hohen Beanspruchungen und zu Beschädigungen der Bauteile des Schildausbaus führen, können im laufenden Betrieb insbesondere dann, wenn der Schildausbau im Streb mit einer elektrohydraulischen Ausbausteuerung ausgerüstet ist, nicht sicher erfaßt werden. Es ist daher erforderlich, den kritischen Lastfällen dadurch Rechnung zu tragen, daß die Schildausbaugestelle konstruktiv sehr kräftig ausgelegt werden müssen, was jedoch zu erhöhten Schildgewichten und entsprechend hohen Kosten führt.

Die vorgenannte Aufgabe wird hinsichtlich des verfahrensmäßigen Aspektes dadurch gelöst, daß mit Hilfe der Mikroelektronik des elektronischen Steu- ergerätes aus den Meßignalen der Sensoren potentiell kritische Last- fälle für die Mechanischen Banteile des Schildausbaugestells ermittelt werden und mit dem Steuergerät durch entsprechend Ansteuerung der Stempel und/oder wenigstens eines Eckzylinders des Schildausbaugestells eliminiert oder unterbunden werden.

Bei dieser Verfahrensweise wird also die elektrohydraulische Steuerung des Schildausbaus mit dem die Elektroniksteuerung aufweisenden baueigenen Steuergerät in Verbindung mit den verschiedenen Sensoren im laufenden Betrieb zur Belastungsüberwachung des Schildausbaugestells verwendet, wobei die kritischen Lastfälle sicher erfaßt und durch entsprechende Steuerung insbesondere der Hydraulikstempel bzw. ihrer Setzdrücke eliminiert werden können, bevor es zu Überlastungen und Bauteilbeschädigungen am Schildausbau kommen kann. Mit Hilfe der ohnehin im Schildausbau vorhandenen elektrohydraulischen Steuerung und zusätzlicher Sensoren kann demgemäß der Schildausbau im Einsatz ständig in Bezug auf die kritischen Belastungsfälle überwacht und mit Hilfe entsprechender Algorithmen über die elektrohydraulische Steuerung so gesteuert werden, daß schädliche Beanspruchungen sofort erkannt und über die Ansteuerung der Schildausbaugestelle beseitigt werden. Hiermit wird es möglich, die hohen Schildgewichte und die hierdurch bedingten Fertigungskosten erheblich zu reduzieren und auch auf die Verwendung von teuren hochfesten Stahlsorten zu verzichten. Die Gewichtsverminderung der Schildausbaugestelle gestattet es auch, Schildausbaugestelle mit größeren Breitenabmessungen, vorzugsweise von 2m, herzustellen, ohne daß vorgegebene Gewichtsgrenzen überschritten werden. Zugleich wird die Lebensdauer der Schildausbaugestelle erheblich erhöht. Da für die Lastüberwachung der Schildausbaugestelle die ohnehin an diesen für die Schildsteuerung angeordneten elektronischen Steuergeräte verwendet werden, die bei dem erfindungsgemäßen Verfah ren mit einer die Meßsignale der Sensoren verarbeitenden Mikroelektronik ausgestattet werden, ergeben sich zugleich erhebliche Bau- und Kostenvorteile.

Die vorgenannte Aufgabe wird auch durch die in Anspruch 5 angegebene Einrichtung gelöst. Erfindungsgemäß ist bei dieser wenigstens einem mechanischen Bauteil des Schildausbaugestells ein die mechanische Beanspruchung dieses Bauteils messender Spannungssensor, ein als Winkelgeber ausgebildeter Sensor und/oder ein als Weggeber ausgebildeter Sensor zugeordnet, wobei mit der zur Lastüberwachung und Laststeuerung dienenden Mikroelektronik des Steuergerätes die Meßsignale der Sensoren bezüglich potentiell kritischer Lastfälle für die mechanischen Bauteile des Schildausbaugestells auswertbar sind und zur Eliminierung oder Unterbindung der potentiell kritischen Lastfälle die hydraulischen Stempel und/oder ein hydraulischer Eckzylinder des Schildausbaugestells im Sinne einer Lastbegrenzung ansteuerbar ist.

Es versteht sich, daß für das erfindungsgemäße Verfahren und bei der erfindungsgemäßen Einrichtung die verschiedenen Überwachungssensoren so ausgeführt und am Schildausbaugestell bzw. dessen Bauteilen vorgesehen werden, daß im Betriebseinsatz eine sichere Erfassung der kritischen Lastfälle erreichbar ist. Im Einsatz der Schildausbaugestelle besonders hochbelastete Bauteile sind vor allem das Bruchschildgelenk, in dem der Bruchschild mit der Hangendkappe verbunden ist, sowie die Lenker bzw. deren Anschlußgelenke am Bruchschild und an der Liegendschwelle. Vorzugsweise werden diesen-Bauteilen Spannungsmeßsensoren zugeordnet, die aus mechanischen Spannungsmeßeinrichtungen, zum Beispiel Dehnungsmeßstreifen-Anordnungen bestehen können und die im Einsatz des Schildausbaugestells die an diesen Bauteilen aufgrund der Belastungen auftretenden mechanischen Spannungen ermitteln, wobei die jeweiligen Spannungsmeßwerte als elektrische Signale dem elektronischen Steuergerät des Schildausbaugestells zur Verarbeitung zugeführt werden, dessen aus einem Mikroprozessor bestehende Elektronikeinheit die ermittelten und zugeführten Istwerte mit vorgegebenen, maximal zulässigen Grenzwerten vergleicht und bei Erreichung des Grenzwertes Steuersignale liefert, die zum Beispiel zu einer Herabsetzung der hydraulischen Setzdrücke in den Stempeln führen, wodurch erreicht wird, daß die genannten Bauteile gegenüber Belastung und Beschädigung geschützt werden. Mit Hilfe von den Stempeln zugeordneten Drucksensoren, welche die jeweiligen hydraulischen Stempeldrücke dem Steuergerät anzeigen, ist demgemäß eine laufende Lastüberwachung der genannten Bauteile und eine Lastbegrenzung derselben erreichbar.

Weiterhin empfiehlt es sich, den oder die Winkelgeber als Sensor zur Messung der jeweiligen Winkelstellung der vorderen (abbaustoßseitigen) Lenker gegenüber dem Bruchschild vorzusehen. Mit Hilfe dieser Winkelsensoren, für die gebräuchliche Winkelgeber verwendet werden können, werden dem elektronischen Steuergerät die jeweiligen Ist-Winkelmeßsignale zugeführt. Die Überwachungs- und Steuerelektronik des Steuergerätes ist damit in der Lage, Unterschiede in der Winkelstellung der beiden vorderen, im Parallelabstand zueinander an-geordneten Lenker festzustellen, die auf Lastunsymmetrien im Schildausbaugestell zurückzuführen sind, wie sie zum Beispiel bei einseitiger Kappenbelastung des Schildausbaugestells auftreten können. Zweckmäßig werden weitere Sensoren vorgesehen, welche die jeweiligen Ausfahrlängen der hydraulischen Stempel des Schildausbaugestells erfassen und als Istwerte dem Steuergerät zuführen. Damit können im Betriebseinsatz Unterschiede in der jeweils ausgefahrenen Länge der links- und rechtsseitigen Stempel des Schildausbaugestells von der Überwachungs- und Steuerelektronik erfaßt werden, die kennzeichnend für einen potentiellen kritischen Lastfall sind, vor allem den Lastfall der einseitigen Kappenbelastung. In allen Fällen werden die Meßwerte der verschiedenen Sensoren als elektrische Signale der im Schildausbaugestell vorhandenen, von einem Mikroprozessor gebildeten Überwachungs- und Steuerelektronik zugeführt, die nach vorgegebenen Algorithmen, zum Beispiel einem Istwert-Grenzwertvergleich, arbeitet und elektrische Steuerfunktionen ausführt, um ungünstige Lastfälle und daraus resultierende unzulässig hohe Beanspruchungen in den Bauteilen des Schildausbaugestells zu eliminieren. Beispielsweise würde die Erkennung von unterschiedlichen Spannungen im Bruchschildgelenk rechts und links desselben und/oder von unterschiedlichen Winkelstellungen zwischen Bruchschild und den Lenkern rechts und links bei gleichzeitigem unterschiedlichen Druckanstieg in den Stempeln rechts und links und/oder unterschiedlicher ausgefahrener Länge der Stempel rechts und links der Lastfall einer "einseitigen Belastung" vorliegen. Dieser von der Überwachungs- und Steuerelektronik erkannte Lastfall bewirkt einen Steuerbefehl, der zum Beispiel zum Entlasten des am längsten ausgefahrenen und/oder des im Druckanstieg beim vorausgegangenen Setzvorgang zurückhängenden Stempels führt mit der Folge, daß die einseitige Belastung des Schildausbaugestells aufgehoben wird, bevor die Stempelkraft infolge von Strebkonvergenz von der ursprünglichen Setzkraft auf die höhere Einstellkraft ansteigt.

Mit Hilfe der vorstehend beschriebenen Sensortechnik lassen sich demgemäß alle im Betriebseinsatz möglichen kritischen Lastfälle erfassen und die Schildausbaugestelle unter Verwendung der elektronischen Steuergeräte so steuern, daß Überlastungen der mechanischen Bauteile der Schildausbaugestelle zuverlässig vermieden werden. Dies gilt auch für den Lastfall "Heckanhebung der Liegendkufe" (Spitzentanz). In diesem Lastfall kann über das elektronische Steuergerät der üblicherweise am Schildausbaugestell zwischen Kappe und Bruchschild angeordnete hydraulische Eckzylinder bzw. das Eckzylinderpaar durch hydraulische Druckbeaufschlagung in Einschubrichtung so vom Steuergerät angesteuert werden, daß das Schildausbaugestell auch mit dem Heck seiner Liegendkufe zuverlässig auf dem Liegenden verbleibt.

Weitere Gestaltungsmerkmale der Erfindung und der erfindungsgemäßen Einrichtung ergeben sich aus den einzelnen Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung des in der Zeichnung gezeigten Ausführungsbeispiels. Es zeigen:

1 in schematischer Vereinfachung und in Seitenansicht ein an sich bekanntes Schildausbaugestell;

2 das Schildausbaugestell nach 1 in einer Ansicht vom Abbau- bzw. Kohlenstoß her in Richtung des Pfeiles II der 1;

3 in einem einfachen Blockschaltbild eine erfindungsgemäße Lastüberwachung für das Schildausbaugestell.

Das in den 1 und 2 in schematischer Vereinfachung gezeigte Schildausbaugestell für den Einsatz in untertägigen Gewinnungsbetrieben, insbesondere in Strebbetrieben für die Kohlegewinnung, ist, wie bekannt, als Lemniskatenschild ausgebildet und besteht in seinen Hauptteilen aus einer Liegendkufe 1, einer das Hangende unterfangenden Kappe 2, die zum Abbau- bzw. Kohlestoß hin vorkragt, einem den Strebraum gegenüber dem Versatzraum abschirmenden Bruchschild 3, Lenkern 4 und 5, die mit dem Bruchschild 3 ein Lemniskatengetriebe bilden, und zwei hydraulischen Stempeln 6 und 7, die sich, wie üblich, in Fußgelenken auf der Liegendkufe abstützen und deren Stempelköpfe in Kopfgelenken mit der Kappe 2 verbunden sind. Der Bruchschild 3 ist in einem Bruchschildgelenk 8 am versatzseitigen Ende der Kappe 2 angeschlossen. Im Abstand unterhalb des Bruchschildgelenks 8 sind die Lenker 4 und 5 jeweils in Anschlußgelenken 9 am Bruchschild 3 angeschlossen. Mit ihren anderen Enden sind die Lenker 4 und 5 über Anschlußgelenke 10 hinter den Stempeln 6 und 7 mit der Liegendkufe 1 oder einer Anschlußkonsole derselben gelenkig verbunden. Die Gelenke 8, 9 und 10 bestehen üblicherweise aus kräftigen Bolzengelenken. Zwischen dem Bruchschild 3 und der Kappe 2 ist ein hydraulischer Eckzylinder 11 angeordnet, der mit seinem Zylinderteil am Bruchschild 3 und mit seinem Kolbenstangenkopf an der .Kappe 2 gelenkig angeschlossen ist. Die beiden hydraulischen Stempel 6 und 7 sind parallel nebeneinander angeordnet. Das Schildausbaugestell ist demgemäß als Zweistempelschild ausgeführt.

Stattdessen kann das Schildausbaugestell aber auch mehr als zwei hydraulische Stempel aufweisen, zum Beispiel vier Stempel, deren beide Stempelpaare in Schreitrichtung S des Schildausbaugestells im Abstand hintereinander zwischen der Liegendkufe 1 und der Hangendkappe 2 angeordnet sind, wie dies ebenfalls allgemein bekannt ist. Die Liegendkufe 1 kann aus einer einteiligen Liegendschwelle oder aber auch aus einer zweiteiligen Liegendschwelle bestehen, wie dies ebenfalls bekannt ist. Die mit dem Bruchschild 3 das Lemniskatengetriebe bildenden Lenker 4 und 5 können aus Einzellenkern bestehen oder aber vorzugsweise aus Lenkerpaaren, wie dies aus 2 für die beiden vorderen (abbaustoßsei tigen) Lenker 4 erkennbar ist. Anstelle nur eines einzigen Eckzylinders 11 kann, wie bekannt, aber auch ein Eckzylinderpaar vorgesehen sein. In hydraulisches Schreitwerk 18 ist angedeutet, über welches das Schildausbaugestell mit einem nichtgezeigten rückbaren Strebförderer gekoppelt ist, so daß es in Abbaurichtung S schreiten kann.

Alle vorgenannten Ausgestaltungsmerkmale und Gestaltungsmöglichkeiten sind im Schildausbau allgemein bekannt und bedürfen daher keiner näheren Erläuterung. In 2 ist die Baubreite des Schildausbaugestells ein gezeichnet, die im allgemeinen 1,5m beträgt, im bevorzugten Ausführungsbeispiel aber vorzugsweise mindestens 1,75m und vorteilhafterweise 2m beträgt.

Die Steuerung des Schildausbaus, die von einer Reihe dicht nebeneinander angeordneter Schildausbaugestelle gebildet wird, erfolgt, wie ebenfalls bekannt, mit Hilfe einer elektrohydraulischen Ausbausteuerung, wobei jedem Schildausbaugestell ein elektronisches Steuergerät zugeordnet ist, mit dessen Hilfe die Stempel und alle weiteren hydraulischen Arbeitszylinder des zugeordneten Schildausbaugestells durch Befehlsgabe im Sinne eines Setzens und Raubens der Stempel und des Schreitens der Schildausbaugestelle gesteuert werden. In 1 ist das baueigene Steuergerät 13 angedeutet, hier beispielsweise angebaut an der Unterseite der Kappe 2.

Das elektronische Steuergerät 13, welches die den Stempeln und den sonstigen Arbeitszylindern des Schildausbaugestells zugeordneten elektrischen Magnetventile betätigt und zu diesem Zweck mit einer Mikroelektronik ausgeführt ist, dient erfindungsgemäß zugleich zur Lastüberwachung des Schildausbaugestells im untertägigen Betriebseinsatz. Es weist zu diesem Zweck eine entsprechende Überwachungs- und Steuerelektronik auf.

Zur Lastüberwachung ist das Schildausbaugestell mit einer Reihe von den einzelnen Bauteilen desselben zugeordneten Sensoren versehen. Diese sind in den 1 und 2 lediglich angedeutet, ohne daß hierdurch ihre Lageanordnung bestimmt ist. Mindestens ein Sensor 14 ist am Bruchschildgelenk 8 angeordnet, und zwar zweckmäßig an dem Gelenkbolzen des Bruchschildgelenks 8. Weist das Bruchschildgelenk 8 in Querrichtung des Schildausbaugestells, also in Richtung seiner Baubreite 8 zwei auf gemeinsamer Fluchtlinie im Abstand zueinander angeordnete Gelenkbolzen auf, die die Gelenkverbindung zwischen Kappe 2 und Bruchschild 3 herstellen, so wird zweckmäßig jedem dieser beiden Einzelgelenke jeweils ein Sensor 14 zugeordnet. Für den oder die Spannungsmeßsensoren 14 werden zweckmäßig mechanische Spannungsmeßeinrichtungen verwendet, die an dem das Bruchschildgelenk bildenden Gelenkbolzen oder den beiden Gelenkbolzen angeordnet sind, aber auch an den von dem oder den Gelenkbolzen durchgriffenen Gelenkaugen der Kappe oder des Bruchschildes angeordnet sein können. Mit Hilfe des oder der Spannungsmeßsensoren 14 wird beim Setzen oder im Setzzustand des Schildausbaugestells die Belastung bzw. die mechanische Spannung am Bruchschildgelenk gemessen.

Weiterhin weist das Schildausbaugestell für jeden der beiden auf dessen rechten und linken Seite befindlichen vorderen Lenker 4 einen Sensor 15 in Gestalt eines Winkelgebers auf, mit dessen Hilfe die durch den Winkel α angegebene Winkellage der Lenker 4 in Bezug auf den Bruchschild 3 abgegriffen wird, so daß sich Abweichungen in der Winkellage zwischen den beiden Lenkern 4 feststellen lassen.

Jedem der beiden in Quer- bzw. Breitenrichtung des Ausbaugestells nebeneinander angeordneten hydraulischen Stempel 6 und 7 ist ein Sensor 16 zugeordnet, der aus einem die jeweilige Ausfahrlänge des betreffenden Stempels ermittelnden Weggeber besteht. Abweichungen in der Ausfahrlänge der Stempel 6 und 7 können auf diese Weise festgestellt werden. Weist das Schildausbaugestell vier in Rechteckanordnung zueinander stehende Stempel auf, so kann jedem Einzelstempel oder aber auch jedem Stempelpaar, das von zwei seitlich nebeneinander stehenden Stempeln 6 und 7 gebildet wird, ein Sensor 16 zugeordnet werden. Als Weggeber arbeitende Sensoren zur Bestimmung der Ausfahrlängen hydraulischer Zylinder sind ebenfalls bekannt, zum beispiel in der Ausführung als Ultraschall-Meßwertaufnehmer.

Schließlich weist das Schildausbaugestell, wie bekannt, Drucksensoren 17 auf, welche die hydraulischen Setzdrücke in den Stempeln 6 und 7 messen. Auch hier ist jedem der beiden seitlich nebeneinander angeordneten Stempeln 6 und 7 ein Drucksensor 17 zugeordnet.

Schließlich sind auch die vorderen und hinteren Lenker 4 und 5 und/oder deren Anschlußgelenke 9 oder 10 mit Sensoren 18 versehen, welche die mechanischen Belastungen dieser Lenker im Setzzustand des Schildausbaugestells erfassen. Auch diese Spannungssensoren 18 können aus mechanischen Spannungsmeßeinrichtungen bestehen.

Die elektrischen Meßwertsignale aller vorgenannter Sensoren 14 bis 18 werden über elektrische Leitungsverbindungen dem Ausbau-Steuergerät 13 zugeführt, das mit einer die Meßwerte erfassenden und verarbeitenden Überwachungs- und Steuerelektronik ausgestattet ist, die von dem ohnehin vorhandenen Mikroprozessor des Steuergerätes 13 gebildet sein kann.

In 3 ist diese Anordnung in einem vereinfachten Schaltbild mit den an den Eingang des Steuergerätes 13 angeschlossenen elektrischen Signalleitungen der verschiedenen Sensoren 14 bis 18 -gezeigt. Angedeutet ist hier auch ein dem elektrischen Steuergerät 13 zugeordneter Ventilblock 19, in dem die elektrisch schaltbaren Magnetventile für die Steuerung der einzelnen Arbeitszylinder des Schildausbaugestells zusammengefaßt sind, wobei die Magnetventile über die Elektroniksteuerung des Steuergeräts 13 angesteuert und betätigt werden. Angedeutet sind weiterhin die Stempel 6 und 7 sowie der Eckzylinder 11; die mit ihren hydraulischen Druckräumen über hydraulische Leitungsverbindungen 20 und 21 an den Ventilblock 19 angeschlossen sind, so daß die Drücke in den Zylinderräumen der Stempel 6 und 7 und gegebenenfalls des Eckzylinders 11 vom Steuergerät 13 gesteuert beeinflußt werden können.

Das beschriebene Lastüberwachungs- und Steuersystem kann zum Beispiel wie folgt arbeiten:
Tritt beim Setzen des Schildausbaugestells oder in dessen Setzzustand ein Lastfall ein, bei dem sich eine Überlastung des Bruchschildgelenks 8 und/oder der Lenker 4, 5 einstellen kann, so wird von dem Steuergerät 13, welches die entsprechenden Spannungsmeßsignale von den Sensoren 14 und/oder den Sensoren 18 zugeführt erhält, der Stempelsetzdruck in den Stempel 6 und 7 vermindert, so daß Beschädigungen dieser Bauteile durch Überlastung nicht auftreten können. Hierbei können die dem Steuergerät 13 zugeführten Spannungsmeßwerte der betreffenden Spannungsmeßsensoren von der Elektronik im Steuergerät als Istwerte mit vorgegebenen, den Höchstbelastungen der genannten Bauteile entsprechenden Grenzwerten verglichen werden, so daß bei Erreichen dieser Grenzwerte von der Überwachungs- und Steuerelektronik des Steuergerätes 13 ein elektrisches Ausgangssignal bewirkt wird, welches über die betreffenden Magnetventile im Magnetblock 19 und die hydraulischen Leitungsverbindungen 20 die hydraulischen Drücke in den Druckräumen der Stempel 6 und 7 auf einen Wert herabsetzt bzw. hält, der nicht höher liegt als der vorgegebene Grenzwert.

Ein kritischer Lastfall ist bei Lastunsymmetrien am Schildausbaugestell und hier vor allem bei einseitiger Kappenbelastung des Schildausbaugestells gegeben. In 2 ist angedeutet, daß das Hangende 22 im Unterstützun sbereich des Schildausbaugestells eine Unregelmäßigkeit, zum beispiel einen Ausbruch 23 aufweist, so daß die Kappe 2 beim Setzen des Schildausbaugestells nicht auf voller Breite in Hangendanlage gelangen kann, sondern nur auf einer Teilbreite, hier im Bereich der rechten Kappenseite, wo sich der oder die Stempel 6 befinden. Der oder die auf der anderen (linken) Kappenseite befindliche Stempel 7 stützt die Kappe 7 dort, wo sie aufgrund des Ausbruchs 23 freiliegt. Aufgrund dieser Unsymmetrie bzw. der einseitigen Belastung können sich beim Setzen des Schildausbaugestells,das heißt beim Ausfahren der Stempel 6 und 7 Zwangskräfte einstellen, die zu Überlastungen und Beschädigungen der mechanischen Bauteile des Schildausbaugestells, insbesondere des Bruchschildgelenks 8 und/oder der Lenker oder ihrer Anschlußgelenke führen. Mit Hilfe der die mechanischen Spannungen der belasteten Bauteile erfassenden Sen soren 14 und/oder 18 können sich am Bruchschildgelenk 8 auf dessen rechten und linken Seite unterschiedliche Spannungen und/oder am Lenkersystem unterschiedliche Winkel α zwischen Bruchschild 3 und den rechts und links liegenden Lenkern 4, 5 bei gleichzeitigem unterschiedlichem Druckanstieg in den rechts und links liegenden Stempeln 6 und 7 und/oder unterschiedliche Ausfahrlängen der rechts und links angeordneten Stempel 6 und 7 ergeben, was auf die einseitige Belastung zurückzuführen ist. Diese Belastungsunterschiede zwischen den rechten und linken Bauteilen des Schildausbaugestells werden dem Steuergerät 13 über die verschiedenen genannten Sensoren gemeldet und im Steuergerät zum Beispiel uber den genannten Istwert-Grenzwertvergleich ausgewertet mit der Folge, daß das Steuergerät bzw. dessen Überwachungs- und Steuerelektronik an ihrem Ausgang einen elektrischen Steuerbefehl liefert, der zur Steuerung der hydraulischen Stempel 6 und/oder 7 im Sinne eines Überlastungsschutzes führt. Dieser Steuerbefehl kann eine Entlastung desjenigen Stempels oder derjenigen Stempel herbeiführen, die beim Setzvorgang weiter ausgefahren sind als der oder die anderen Stempel. Dies ist bei der in 2 gezeigten Anordnung der unter dem freiliegenden Teil der Kappe 2 stehende Stempel 7, der somit durch den ausgangsseitigen Steuerbefehl vom hydraulischen Setzdruck entlastet bzw. in seinem Setzdruck begrenzt wird. Auch kann der vom Steuergerät abgegebene Steuerbefehl eine Stempelsteuerung dahingehend durchführen, daß der beim Setzvorgang freistehende Stempel 7 gegenüber dem rechten Stempel 6 in seinem hydraulischen Setzdruck entlastet wird. Durch diese Steuerungsmaßnahmen, einzeln oder in Kombination, wird die vorgenannte einseitige Belastung des Schildausbaugestells aufgehoben, bevor die Stempelkräfte insbesondere unter der nachfolgenden Hangendauflastung des Schildausbaugestells so stark ansteigen, daß Überlastungen der Bauteile des Schildausbaugestells eintreten können.

In 1 ist ein anderer Lastfall angedeutet, bei dem das Hangende 22 im Unterstützungsbereich des Schildausbaugestells einen solchen Ausbruch 23 aufweist, daß beim Setzen des Schildausbaugestells und Ausfahren seiner Stempel 6 und 7 die Kappe 2 nur auf ihrem vorderen, zum Abbaustoß hin vorkragenden Endbe reich in Hangendanlage gelangt. Unter der Hangendauflast kann es zu einem Kippen des Ausbaugestells in der Weise kommen, daß es mit dem Heckteil seiner Liegendkufe sich vom Liegenden abhebt, so daß die Liegendkufe 1 nur an seinem vorderen, abbaustoßseitigen Kufenende 1' eine Auflage auf dem Liegenden findet. Auch dieser kritische Lastfall wird von den Sensoren erfaßt und dem Steuergerät 13 gemeldet, dessen Überwachungs- und Steuerelektronik dann den Lastfall verhindernde Steuermaßnahmen durchführt. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, daß der Eckzylinder 11 von dem Steuergerät 13 gesteuert in Einschubrichtung vom hydraulischen Druck beaufschlagt wird. Stattdessen oder zusätzlich können auch die hydraulischen Stempel 6 und 7 in ihren hydraulischen Setzdrücken so gesteuert werden, daß sich eine stabile Lage des Schildausbaugestells beim Setzen und im Setzzustand ergibt.

Bei dem vorstehend angegebenen kritischen Lastfall "Spitzentanz" kann die Überwachungssteuerung mit Vorteil so durchgeführt werden, daß bei Überschreiten einer zulässigen mechanischen Beanspruchung (Spannung) die vorzugsweise am Lenkersystem und/oder an der Liegendkufe durch Spannungssensoren gemessen wird, die Stempel 6 und 7 nicht weitergesetzt werden und/oder der bzw, die Eckzylinder durch Ansteuerung soweit eingefahren werden, bis eine im zulässigen Bereich liegende Spannungsreduzierung am Steuergerät festgestellt wird. Der andere kritische Lastfall "einseitige Last" kann, wie oben beschrieben, dagegen dadurch erfaßt werden, daß mit Hilfe der Sensoren 14 die Spannungen im Bruchschildgelenk 8 gemessen werden. Bei einseitig erhöhter Spannung im Bruchschildgelenk wird dann der diese erhöhte Spannung verursachende freistehende Stempel 7 in 2 beim Setzvorgang des Schildausbaugestells nicht mehr weitergesetzt, so daß gefährliche Spannungswerte nicht auftreten können. Andererseits kann aber auch so vorgegangen werden, daß bei Überschreitung eines durch die Winkelgeber 15 erfaßten zulässigen Winkels der verursachende Stempel, im Beispiel der Stempel 7, nicht weitergesetzt wird, so daß auch mit dieser Maßnahme bauteilgefährdende Überlastungen vermieden werden. Schließlich kann die Laststeuerung in diesem Lastfall auch so erfolgen, daß bei einseitig zu weit ausgefahrenem Stempel, nämlich der freistehende Stempel 7, dieser durch entsprechende Ansteuerung nicht weitergesetzt bzw. ausgefahren wird. Auch können die vorgenannten Laststeuerungen für den Fall der einseitigen Last in Kombination durchgeführt werden.

Mit der beschriebenen Einrichtung gelingt es, mit Hilfe der Sensortechnik und unter Verwendung der Überwachungs- und Steuerelektronik des Steuergerätes 13 für unterschiedliche Lastfälle belastungs- und spannungsreduzierende Maßnahmen durchzuführen, so daß Überlastungen der einzelnen mechanischen Bauteile des Schildausbaugestells zuverlässig ausgeschlossen werden, wobei aber die horizontale Steifigkeit des Schildausbaugestells nicht vermindert zu werden braucht. Mit Hilfe der im Schildausbau ohnehin vorhandenen elektrohydraulischen Steuerung und unter Zusatz von geeigneten Sensoren, die den Schildausbau ständig in Bezug auf kritische Spannungsüberhöhungen überwachen und mit Hilfe der Steuerelektronik so steuern, daß solche schädlichen Spannungen sofort erkannt und eliminiert werden, ist die Voraussetzung dafür geschaffen, daß die Schildausbaugestelle nicht in ihrer Stabilität und damit in ihrem Gewicht überdimensioniert werden müssen, sondern vielmehr leichter und kostengünstiger gebaut werden können, was wiederum die Möglichkeit eröffnet, die Baubreite der Schildausbaugestelle ohne Überschreitung der vorgegebenen Gewichtsgrenzen zu erhöhen, vorzugsweise auf etwa 2m. Zugleich wird mit der Erfindung aufgrund der Begrenzung der maximal auftretenden inneren Kräfte im, Schildausbau dessen Lebensdauer erhöht. Es versteht sich, daß die Erfindung auf die im beschriebenen Ausführungsbeispiel angegebene Lastüberwachung und Laststeuerung des Schildausbaugestells nicht beschränkt ist und daß insbesondere für die kritischen Lastfälle "einseitige Belastung" und "Spitzentanz" auch mit abweichender Anordnung der verschiedenen Sensoren gearbeitet werden kann. Wesentlich für den Lastfall "einseitige Belastung" ist vor allem, daß die hiermit verbundene Lastunsymmetrie mit Hilfe der Sensoren ermittelt wird und die Meßwerte von der Mikroelektronik des Steuergerätes so ausgewertet werden, daß durch entsprechende Ansteuerung der hydraulischen Druckräume der Stempel mechanische Überbeanspru chungen der Bauteile des Schildausbaugestells zuverlässig vermieden werden.

Claims

Verfahren zur Lastüberwachung von im Untertageeinsatz befindlichen hydraulischen Schildausbaugestellen in der Ausführung als Lemniskatenschilde mit mindestens zwei zwischen Kappe und Liegendkufe angeordneten hydraulischen Stempeln, wobei den Schildausbaugestellen zur Ausbausteuerung jeweils ein seine Arbeitsfunktionen, wie das Setzen, Rauben und Schreiten steuerndes, mit einer Mikroelektronik ausgestattetes elektronisches Steuergerät zugeordnet ist, und wobei Bauteilen des Schildausbaugestells Sensoren zugeordnet sind, deren Meßsignale dem Steuergerät zugeführt werden, dadur chgekennzeichnet, daß mit der Mikroelektronik des elektronischen Steuergerätes (13) aus den Meßsignalen der Sensoren (14, 15, 16, 17, 18) potentiell kritische Lastfälle für die mechanischen Bauteile des Schildausbaugestells ermittelt werden und mit dem Steuergerät (13) durch entsprechende Ansteuerung der Stempel (6, 7) und/oder wenigstens eines Eckzylinders (11) des Schildausbaugestells eliminiert oder unterbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für den Lastfall "einseitige Last" die Lastunsymmetrie durch Messung der Spannung am Bruchschildgelenk (8) und/oder durch Messung der abweichenden Winkelstellungen der links- und rechtsseitigen Lenker (4) und/oder durch Messung der Stempelausfahrlängen der links- und rechtsseitigen Stempel (6, 7) ermittelt und durch entsprechende Stempelansteuerung der Überlastschutz bewirkt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für den Lastfall "heckseitiges Abheben der Liegendkufe" die Bauteil-Spannungen, vorzugsweise am Lenkersystem und/oder an der Liegendkufe, gemessen und die Stempel in ihrem Setzzustand entsprechend angesteuert werden und/oder der wenigstens eine Eckzylinder (11) zur Herbeiführung einer Spannungsreduzierung in Einschubrichtung angesteuert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß für die mit der Lastüberwachung versehenen Schildausbaugestelle solche mit einer Baubreite von über 1,75m, vorzugsweise 2m verwendet werden.
Einrichtung zur Lastüberwachung eines im Untertageeinsatz befindlichen, als Lemniskatenschild ausgebildeten, mindestens zwei zwischen Kappe und Liegendkufe angeordnete hydraulische Stempel aufweisenden Schildausbaugestells, dem zur Ausbausteuerung ein seine Arbeitsfunktionen, wie Setzen, Rauben, Schreiten, durch Befehlsgabe steuerndes elektronisches, mit einer Mikroelektronik ausgerüstetes Steuergerät zugeordnet ist, und wobei Bauteilen des Schildausbaugestells Sensoren zugeordnet sind, die über elektrische Signalleitung an das Steuergerät zur Auswertung der Meßsignale der Sensoren angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einem mechanischen Bauteil des Schildausbaugestells ein die mechanische Beanspruchung dieses Bauteils messender Spannungssensor (14, 18), ein als Winkelgeber ausgebildeter Sensor (15) und/oder ein als Weggeber ausgebildeter Sensor (16) zugeordnet ist, wobei mit der zur Lastüberwachung und Laststeuerung dienenden Mikroelektronik des Steuergerätes (13) die Meßsignale der Sensoren (14, 15, 16, 17, 18) bezüglich potentiell kritischer Lastfälle für die mechanischen Bauteile des Schildausbaugestells auswertbar sind und zur Eliminierung oder Unterbindung der potentiell kritischen Lastfälle die hydraulischen Stempel (6, 7) und/oder ein hydraulischer Eckzylinder (11) des Schildausbaugestells im Sinne einer Lastbegrenzung ansteuerbar ist.
Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem Bruchschildgelenk (8) und/oder den Lenkern (4, 5) jeweils die von mechanischen Spannungsmeßeinrichtungen gebildeten, die mechanischen Bean spruchungen dieser Bauteile messenden Spannungssensoren (14, 18) zugeordnet sind, die über die elektrischen Signalleitungen an das Steuergerät (13) angeschlossen sind.
Einrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die als Winkelgeber ausgebildeten Sensoren (15) Winkelunterschiede zwischen den rechtsund linksseitigen Lenkern (4) und dem Bruchschild (3) bei der jeweiligen Stempelausfahrlänge messen und/oder die als Weggeber ausgebildeten Sensoren (16) Unterschiede in der Ausfahrlänge des oder der rechts- und linksseitigen Stempel (6, 7) erfassen.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß den Stempeln (6, 7) Drucksensoren (17) zur Erfassung der Stempelsetzdrücke zugeordnet sind.