DE2649049A1

DE2649049A1 - Verfahren zum messen des abstandes zwischen relativ zueinander bewegten teilen, insbesondere im untertagebergbau, und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE2649049A1
Application number: DE19762649049
Authority: DE
Inventors: Thomas Bevan Evans; David Heaton Horrocks; Brian George Davidson Smart
Original assignee: University College
Current assignee: University College
Priority date: 1975-12-20
Filing date: 1976-10-28
Publication date: 1977-06-23
Also published as: FR2335827B3; GB1525720A; AU1895476A; FR2335827A1; AU504634B2; ZA767534B

Description

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UNIVERSITY COLLEGE CARDIIT-Newport Road, Cardiff CF2 ITA, Wales, England

Verfahren zum Messen des Abstandes zwischen relativ zueinander bewegten Teilen, insbesondere im Untertagebergbau, und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen eines Abstandes zwischen relativ zueinander bewegten Teilen einer Vorrichtung, insbesondere im Untertagebergbau. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Die Erfindung läßt sich insbesondere dann einsetzen, wenn der gemessene Abstand an einer entfernten Station erfaßt, angezeigt oder aufgezeichnet werden soll. Das gilt insbesondere für das Erfassen von Bewegungen und Betriebsabläufen im Untertagebergbau, typischerweise bei Hydraulikzylindern und Stempeln. Eine wesentliche Forderung für alle im Untertagebergbau verwendeten Vorrichtungen geht dahin, daß sie sicher und zuverlässig über längere Zeit unter harten und gefährlichen Betriebsbedingungen arbeiten müssen.

Im Rahmen einer Forschungsarbeit, die vom Strata Mechanics Research Group of the Department of Mineral Exploitation of the University College of Cardiff durchgeführt wurde, ergab

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sich, daß die Ultraschalltechnik vorteilhait zur Lösung dieses Problems eingesetzt werden kann, insbesondere auch deswegen, weil sie die Verwendung überraschend niedriger- Spannungen wie 12 Volt oder weniger zuläßt.

Zusammengefaßt basiert die Ultraschallmessung von Abständen auf einem Impulsverfahren, bei dem zum Beispiel kurze reguläre Impulse von Ultraschallwellen erzeugt und durch ein oder mehrere bestimmte Medien geleitet werden. Die Zeit, die diese Impulse benötigen um eine bestimmte Strecke, gewöhnlich einschließlich des Rückwegs, zurückzulegen, ist eine Funktion ihrer Geschwindigkeit und der zugerückgelegten Strecke. Ultraschallwellen können mit einem Wandler erzeugt werden, der mit einem piezoelektrischen oder magnetostriktiven Effekt arbeitet und elektrische Energie in Ultraschallenergie umwandelt. Dieser Effekt ist gewöhnlich umkehrbar (d.h. solche Wandler können sowohl als Sender wie auch als Empfänger verwendet werden und werden dementsprechend als Sende-Empfangs-Geräte bezeichnet), so daß die reflektierte und zurückgekehrte Ultraschallenergie wieder in elektrische Energie umgewandelt werden kann und mit Hilfe einer geeigneten elektrischen Apparatur auf einem Oszillographen oder als digitales oder analoges Signal angezeigt oder aufgezeichnet werden kann, wobei die zurückgelegte Strecke dem Abstand zwischen dem Wandler und einem Bauteil oder Körper, an dem die zurückkehrenden Impulse zum Wandler reflektiert oder zurückgeworfen werden, entspricht.

Aufgabe der Erfindung ist die Messung des Abstandes zwischen zwei relativ zueinander bewegten Bauteilen.

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Diese Aufgabe wird bei dem eingangs angegebenen Verfahren dadurch gelöst, daß Ultrasclial limpuLse in einem üblicherweise in der Vorrichtung wengistens während da: Betriebes vorhandenen Medium gesendet und empfangen werden, das Ultraschallwellen leitet und dafür eine Wegstrecke bildet., die vom relativen Abstand der Teile abhängt.

Vorzugsweise wird die Laufzeit der gesende Lan Impulse a Ls Maß für die Entfernung zwischen den beiden Teilen bestimmt. Der Empfang der Ultraschallimpulse kann in herkömmlicher Weise anschließend an die Reflektion der Impulse an einem der Bauteile erfolgen.

Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit zwei relativ zueinander beweglichen Teilen und einem Ultra,schallwellen übertragenden Medium, das eine Wegstrecke für Ultraschallimpulse bildet, deren Länge vom Abstand der beiden Teile abhängt, die gekennzeichnet ist durch Ultraschallsender und -empfänger zum Senden und Empfangen von Ultraschallimpulsen aus der Wegstrecke und durch eine Einrichtung zum Anzeigen der Laufzeit eines Impulses zwischen Sendung und Empfang bzw. nach Durchlauf der Wegstrecke als Maß für den Abstand der beiden Teile.

Der Ultraschallempfänger sollte so angeordnet sein, daß er die Impulse empfängt, nachdem sie von einem der beiden Teile reflektiert worden sind. Vorzugsweise wird ein Ultraschall-Sende-Empfangs-Gerät verwendet, das an einem der beiden Teile befestigt ist und sowohl sendet als auch empfängt.

Zweckmäßig weist die Vorrichtung einen BehäLter für eine Flüssigkeitssäule zur Übertragung des Ultraschalls auf, die wenigstens an einem der beiden Teile endet.

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Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung sind druckmittelbetriebene, insbesondere hydraulische Zylinder als Teil von untertägigen Einrichtungen (z.B. des selbstschreitenden Ausbaus), bei denen sich das Druckmedium innerhalb der Zylinder befindet und als Hydraulikflüssigkeit zum Betrieb dient. Ein Ultraschallwandler wird vorzugsweise an einem Ende des Zylinders angeordnet (3? kann aber auch am Kolben angeordnet werden) und hat den Zweck, Ultraschallimpulse in die Hydraulikflüssigkeit abzugeben. Die Impulse werden dann vorzugsweise vom Kolben zum Wandler reflektiert, obgleich sie auch vom Zylinder zu einem am Kolben befestigten Wandler reflektiert werden können- Es sind auch gesonderte Wandler möglich, die einerseits am Zylinder und andererseits am Kolben befestigt sind. Derartige Anordnungen erfassen die relative Bewegung zwischen Zylinder und Kolben und bilden ein Maß für die Ausfahrstrecke bzw. die Einzugsstrecke.

Um eine möglichst wirksame Kopplung zwischen einem festen Körper und einem Ultraschallwandler zu ermöglichen, sollte eine geeignete Flüssigkeit verwendet werden, um Luftblasen zu vermeiden und eine Veränderung, insbesondere Verschlechterung der Übertragungseigenschaften zu verhindern. Es hat sich gezeigt, daß eine typische Öl/Wasser-Mischung, die auch als Hydraulikflüssigkeit zum Betrieb von Hydraulikzylindern und dergleichen verwendet wird, sich dafür eignet und obgleich nachgewiesen wurde, daß ein außerhalb des Zylinders angeordnetes Sende-Empfangs-Gerät ebenfalls arbeitet, soll vorzugsweise ein Sende-Empfangs-Gerät innerhalb einer Bohrung eines Zylinderendes angeordnet werden.

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Eine ähnliehe Anordnung wie die oben im Zusammenhang mit
Hydraulikzylindern beschriebene kann auch zum Erfassen der
Ausfahrstrecke bzw. der Einzugsstrecke von hydraulischen
Stempeln des selbstschreitenden Ausbaus oder eines anderen untertägigen Ausbaus verwendet werden.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand eines in der
Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels er]äutert;
es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Hydraulikzylinder mit einem außen angebrachten Ultraschall-Sende-Empfangs-Gerät,

Fig. 2 ein typisches Bild auf einem Oszillographen,

der an die Anordnung nach Fig.l angeschlossen ist,

Fig. 3 einen Schnitt durch einen Hydraulikzylinder, in dessen Wandung ein Ultraschallwandler angeordnet ist und

Fig. '+ ein Blockschaltbild einer Einrichtung zum Betrieb des Sende-Empfangs-Gerätes und zur Darstellung
der Signale.

In Fig. 1 ist ein Hydraulikzylinder mit einem Zylinder 10, einem Kolben 11 und einer Kolbenstange 12 dargestellt, die sich durch eine flüssigkeitsdichte Stopfbuchse an einem
Ende des Zylinders erstreckt. Am anderen geschlossenen Ende IH des Zylinders 10 ist außen ein piezoelektrischer Quarz
als Ultraschall-Sende-Empfangs-Gerät 13 angeordnet. Alternativ könnte das Gerät aucli am anderen Ende des Zylinders angeordnet sein, sofern der Hydraulikzylinder doppeltwirkend ist.

Fällen
In einigen/kann auch an jedem Ende des Zylinders ein Gerät angeordnet sein. Ferner kennen die Ultraschallgeräte im

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wesentlichen unmittelbaren Kontakt mit der flydraulikf lüssigkeit

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besitzen, /wenn sie auf der Innenseite des Zylinders oder in einer Wandungsbohrung am Zylinder angeordnet sind.

Außerdem könnte das Ultraschallgerät auch am oder im Kolben angeordnet sein und dabei beide Bewegungen eines doppeltwirkenden Hydraulikzylinders erfassen, wenn es exzentrisch in einer durchgehenden Bohrung des Kolbens angeordnet wäre, obgleich es wahrscheinlicher ist, daß man in einem solchen Fall gesonderte Ultraschallgeräte verwendet. Wenn gewünscht, können auch gesonderte Sender und Empfänger entweder am Zylinderende oder am Kolben oder an beiden angeordnet werden. Elektrische Leitungen zu einem Wandler oder Sende-Empfangs-Gerät am Kolben werden zweckmäßig durch eine hohle Kolbenstange geführt.

Das Ultraschallgerät 13 ist über Leitungen 15 mit einem Oszillographen-Schaltkreis bekannter Art verbunden. Es könnte aber auch dazu verwendet werden, um eine Impulsfolge oder einen Zähler mit digitalem Ausgang zu steuern oder das Wachsen oder Abnehmen elektrischer Parameter mit analogem Ausgang zu steuern.

Ein Ultraschallimpuls, der vom Ultraschallgerät 13 in die Flüssigkeitssäule im Zylinder 10 ausgesandt wird,

wird vom Kolben reflektiert und vom Gerät 13 wieder aufgenommen. Da der Impuls in einem gegebenen Medium (hier die Hydraulikflüssigkeit) sich mit konstanter Geschwindigkeit fortpflanzt, ist der Abstand zwischen dem Ultraschallgerät und dem Kolben proportional zur Laufzeit des Impu¹ :es zwischen Sendung und Empfang. Diese Laufzeit kann in herkömmlicher Weise gemessen und elektronisch maßstabsgerecht wiedergegeben werden, z.B. auf einem Oszillographen, wie das in

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Fig. 2 dargestellt Ist. Beim praktischen Betrieb und bei außen am Zylinder angeordnetem Ultraschallgerät wird zunächst eine erste Reflektion an der Innenseite des Endes 14 des Hydraulikzylinders wegen des Übergangs in die Hydraulikflüssigkeit erzeugt, wobei eine entsprechende Wellenausbildung (nicht dargestellt) auf dem Oszillographen erscheint. Die Laufzeit zwischen der Sendung des Impulses und dieser ersten Reflektion ist klein und konstant, die Amplitude ist ebenfalls klein, so daß diese Reflektion unterdrückt oder ausgeschaltet werden kann. Man kann sie aber auch auf einer graphischen Wiedergabe als Streuung belassen. Eine zwei te Gruppe von am Kolben 11 reflektierten Wellen wird nach einer sehr viel größeren Laufzeit empfangen, die dem doppelten Abstand zwischen Sender und Kolben entspricht. Durch Eichung des Aufzeichnungsgerätes kann der Abstand zwischen dem Ultraschallgerät und dem Kolben berechnet und die Ausfahrlänge des Hydraulikzylinders zu jeder Zeit auf einem Oszillographen wiedergegeben werden. Andererseits kann natürlich auch die Zeitspanne zwischen der ersten und der zweiten Reflektion als Maß für die Ausfahrlänge verwendet werden.

Die oben beschriebene Anordnung eignet sich vorteilhaft insbesondere für Hydraulikzylinder, die als Rückzylinder eines selbstschreitenden Ausbaus im Untertagebergbau und/oder als Rückzylinder eines Förderers eingesetzt sind, wobei eine entfernte Anzeige der Ausfahrlänge der Hydraulikzylinder gewünscht wird.

Obgleich die Betriebsspannungen in Ultraschallanlagen gewöhnlich im Bereich von 100 Volt liegen, hat sich herausgestellt, daß sie wesentlich reduziert werden können und dennoch

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genügend Empfindlichkeit und Genauigkeit der Messung erhalten bleibt. Untersuchungen haben gezeigt, daß bei geeigneter Verstärkung genügend genaue Messungen zum Erfassen der Bewegungen in vielen Anwendungsfällen des Untertagebergbaus durchgeführt werden können mit einer Betriebsspannung von wesentlich unter 30 Volt und, wenigstens in einigen Fällen, mit einer Betriebsspannung von 12 Volt oder weniger.

Neben den insbesondere im Bergbau unverzichtbaren Sicherheitsanforderungen besitzt die beschriebene Vorrichtung wegen fehlender beweglicher Teile auch eine große Zuverlässigkeit. Die Vorrichtung zum Erfassen der Ausfahrlänge von Hydraulikzylindern kann deshalb ein einfaches und kompaktes Einsteckgerät ohne bewegliche Teile sein, das wenig Wartung erfordert.

Einzelheiten einer bevorzugten Ausführungsform eines Wandlers oder Sende-Empfangs-Gerätes zum Einsatz in eine Bohrung sind in Fig. 3 dargestellt. Das Gerät weist einen im wesentlichen zylindrischen Körper 20 auf, der zweckmäßig aus Messing besteht und in einer Bohrung am Ende 2 2 eines Hydraulikzylinders angeordnet sowie darin mit 0-Ringen 24 abgedichtet ist, die in Umfangsnuten 26 am Körper 20 angeordnet sind. Falls gewünscht, kann der Körper 20 ein Außengewinde aufweisen, das in eine Gewindebohrung eingedreht wird und/oder mit einer Kante oder Innenkante der Bohrung zusammenwirkt.

Der Körper 20 weist, ausgehend von der dem Zylinder zugewandten Innenseite, eine konvergierende konische Blindbohrung 28 auf, von deren Grund lediglich ein schräger Kanal für eine elektrische Leitung zur Außenseite führt. Ein piezoelektrischer Quarz 34- ist mit gewünschtem kleinen Abstand vom offenen Ende der

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BÜndbohrung 28 auf einem Pfropfen 36 aus Ultraschallwellen absorbierendem Material angeordnet, das z.B. aus einem gespritzten Kunststoff oder einem Epoxykleber besteht, in den Metallpartikel , typischerweise aus Wolfram, eingebettet sind. Elektrische Leitung/3 2 sind durch den Stopfen 3 6 an beide Seiten des Quarzes 34 herangeführt. Falls gewünscht, kann sich der Stopfen im wesentlichen über die gesamte Tiefe der Blindbohrung 28 erstrecken, vorzugsweise wird jedoch, wie dargestellt, der Quarz 34 mit einer Schutzschicht 38 aus einem für Ultraschallwellen durchlässigen Material, wie z.B. gespritztem Kunststoff oder Epoxyklebstoff, abgedeckt.

Die konvergierenden Seitenwandungen der Bohrung 2 8 und die Absorptionseigenschaften des Stopfens 36 reduzieren die Übertragung von Ultraschallenergie von der Rückseite des piezoelektrischen Quarzes 34 und führen zu einem guten Rauschabstand des Signals.

Fig. 4 zeigt eine mögliche Einrichtung zur Bildung eines digitalen Ausgangssignals aus dem Sende-Empfangs-Gerät. Eine Spannungsquelle 40, typischerweise mit 12 Volt oder weniger, versorgt über eine Leitung 42 einen Schwinger oder Schalter 44, der Impulse r ler Frequenzen, die den Eigenfrequenzen des Quarzes 34 entsprechen und sich über eine gewünschte Zeit erstrecken, über eine Leitung 46 an eine Klemme 48 legt, über die der Wandler aktiviert wird. Ein beliebig ausgebildeter Impulsgenerator 50 steuert den Schwinger 44 über eine Zweigleitung 52, die an seinen Ausgang 54 anschließt.

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Die reflektierten und zurückkehrenden Impulse erregen das Sende-Empfangs-Gerät und erzeugen eine entsprechende Folge von Eigenfrequenzsignalen an der Klemme 56, von der sie über die Leitung 58 zu einem abgestimmten Detektorempfänger 60 geleitet werden, der einen Hüllkurvenausgang 6 2 aufweist, welcher zu einer Impulsformschaltung 6M-, gewöhnlich einem Schmitt-Trigger, führt,in dem die Flanken des Hüllkurvensignals schärfer ausgebildet werden, das anschließend über eine Leitung 66 zu einem Differentiator 68 geleitet x«/ird. Der Ausgang 54 des Impulsgenerators !Legt darüberhinaus an einem Differentiator 70 an. Die Differentiatorschaltungen sprechen auf die jeweils vorderen Flanken der eingehenden Impulse an und geben über ihre Ausgänge 72 bzw. 74- Stell·- bzw. Rückstellsignale an einen bistabilen Multivibrator 76 ab, dessen Ausgänge 78 und 80 an der Rückstell- bzw. Zählklemme eines Dualzählers 82 anliegen, der über eine Leitung 84 mit Impulsen einer geeigneten Frequenz von einem anderen Ausgang des Impulsgenerators 50 versorgt wird.

Während des Betriebes veranlaßt die eine Flanke eines die Erregung des Quarzes steuernden Impulses in der Leitung 54, daß der bistable Multivibrator 7 6 gesetzt wird, so daß die Zählklemme des Dualzählers 8 2 Impulse aus der Leitung 84 aufnehmen kann. Beim Empfang eines zurückkehrenden reflektierenden Ultraschallimpulses veranlaßt eine seiner Flanken, daß der bistable Multivibrator 76 ebenso wie der Dualzähler 78 zurückgestellt wird, vorzugsweise unter Verriegelung des Leseregisters 86. Der Inhalt dieses Registers 86 ist repräsentativ für die Zeitspanne zwischen Sendung und Empfang eines bestimmten Ultraschallimpulses und dient als Maß für

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die Ausfahrlänge des Hydraulikzylinders.

Natürlich wird der Detektorempfänger 60 während der Sendung üblicherweise abgeschaltet, wie das durch d'e gestrichelt dargestellte Leitung 90 angedeutet ist.

Es wird darauf hingewiesen, daß ein einziger Schwinger mit oder abgestimmt auf die Eigenfrequenz des Ultraschallgerätes zur Weiterleitung des Erregersignals und zur Demodulation im Empfänger 60 verwendet werden kann, und zwar zusammen mit einem Frequenzteiler, so daß alle Impulse erhalten werden, die notwendig sind, um den Demodulator 60 und einen Sendeschaltkreis zu aktivieren sowie um den Zähler und/oder sein Ausgangsregister zu steuern.

Patentansprüche: VII/Bo

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Claims

PATENTANWALT BODE · POSTFACH 6140 · D -4030 RATINGEN 6 - HöSEL · TELEFON 02102-6000? · TELEX 8585166 G 10 - 625 Patentansprüche:

1. Verfahren zum Messen des Abstandes zwischen relativ zueinander bewegten Teilen einer Vorrichtung, insbesondere im

Untertagebergbau, dadurch gekennzeichnet, daß Ultraschallimpulse in einem üblicherweise in der Vorrichtung wenigstens während des Betriebes vorhandenen Medium gesendet und empfangen werden, das Ultraschallwellen leitet und dafür eine Wegstrecke bildet, die vom relativen Abstand der Teile abhängt.

2. Verfahren nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß die Impulse in einer Zylinder-Kolben-Anordnung gesendet und empfangen werden, wobei die Wegstrecke von dem Abstand aiischsi Kolben und Zylinder abhängt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,dadurch gekennzeichnet , daß die Laufzeit des gesendeten Impulse als Maß für den Abstand zwischen den beiden Teilen bestimmt wird.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallimpulse nach der Reflektion an einem der beiden Teile empfangen werden*

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5. VorrichLung zur Durchführung des Verfahrens mit zwei relativ zueinander beweglichen Teilen und einem Ultraschall wellen übertragenden Medium, das eine Wegstrecke für Ultraschallimpulse bildet, deren Länge vom Abstand der beiden Teile abhängt, gekennzeichnet durch Ultraschallsender und -empfänger (13; 3¹O zum Senden und Empfangen von Ultraschallimpulsen aus der Wegstrecke und durch eine Einrichtung zum Anzeigen der Laufzeit eines Impulses zwischen Sendung und Empfang bzw. nach Durchlauf der Wegstrecke als Maß für den Abstand der beiden Teile (lo,ll).

6. Vorrichtung nach Anspruch 5,gekennzeichnet durch eine Zylinder-Kolben-Anordnung (lo,ll),bei der die Wegstrecke durch den Abstand zwischen Kolben (lo)und Zylinder (11) bestimmt ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6,dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger (13) so angeordnet ist, daß er die Impulse nach Reflektion an einem der beiden Teile (Io,11) empfängt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7,dadurch gekennzeichnet , daß ein Ultraschall-Sende-Empfangs-Gerät (13) an einem der beiden Teile (lo,ll) befestigt ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5-8, gekennzeichnet durch einen Behälter für eine Säule aus Ultraschall leitender Flüssigkeit und durch wenigstens eines der beiden Teile (lo,ll).

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10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß der Behälter der Zylinder (lo) eines Hydraulikzylinders ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch lo,dadurch gekenn zeichnet , daß das Ultraschall-Sende-Empfangs-Gerät (13) an einem Ende (14) des Zylinders (lo) angeordnet ist und Impulse sendet, die am Kolben (11) des Hydraulikzylinders reflektiert werden.

12. Vorrichtung nach Anspruch lo, dadurch gekenn zeichnet , daß das Gerät (13) an der' Außenseite des Endes (14) des Zylinders (lo) angeordnet ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5-12, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium eine lösliche Öl/Wasser-Mischung ist, die als Hydraulikflüssigkeit dient.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 - 13, gekennzeichnet durch den Hydraulikzylinder eines Ausbaugestells im Untertagebergbau.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5-14, gekennzeichnet durch einen Stempel für einen Ausbau im Untertagebergbau.

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