DE3624168A1 - Nachgiebige laststuetze - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Laststütze zum Offenhalten untertägiger Hohlräume des Berg- und Tunnelbaus, dessen Oberstempel ein aus einer Matrize und Unterstempel be­ stehendes Nachgiebigkeitselement mittig durchsetzt, wobei der Oberstempel bei Überschreitung einer festlegbaren Last eine axiale Relativbewegung zum Nachgiebigkeitselement unter Beibehaltung der Last durchführt.

Im Berg- und Tunnelbau werden im großen Umfang zum Ausbau untertägiger Grubenräume Stützen, die direkt am Gebirge oder einer Tragkonstruktion anliegen, eingesetzt. Aufgrund des temporären Tragverhaltens des Gebirges werden häufig nachgiebige Stützen eingebaut, die bei Gebirgsbewegungen ein Zusammenschieben unter konstant hoher Last ermöglichen. Eine derartige Laststütze ist z.B. der hydraulische Gruben­ stempel, der die Stützlast über einen Kolben in einen hydro­ statischen Druck wandelt. Bei Überschreitung eines einstell­ baren Druckes öffnet ein Überströmventil, wodurch ein Zu­ sammenschieben unter konstanter Last möglich ist. Durch Leckagen am Hydraulikteil wird die Tragfähigkeit bei geringen Einschubgeschwindigkeiten stark verringert. Zudem schränken der hohe Preis und die große Empfindlichkeit die Anwendungs­ gebiete stark ein.

Im weiteren sind verschiedene Konstruktionen bekannt ge­ worden, die überwiegend Holz oder ähnliches Material zer­ quetschen. Derartige Stützen konnten sich wegen der ungleich­ mäßigen und zudem geringen Lastaufnahme nicht durchsetzen.

Eine als bekannt hinzunehmende Laststütze der eingangs genannten Gattung ist in DE-OS 25 37 735 beschrieben. Der hohe Materialaufwand und die komplizierte Herstellung, ver­ bunden mit hohen Kosten, begrenzen den Einsatz einer der­ artigen Laststütze.

Bei einer Laststütze nach DE-OS 32 36 421 ist die Höhe der Traglast aufgrund des hohen erforderlichen Druckes in der zäh-plastischen Masse stark begrenzt. Zudem ist der Einschubwiderstand von der Einschubgeschwindigkeit abhängig, so dass bei hoher Geschwindigkeit, wie bei Ge­ birgsschlägen, der Stempel überlastet wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine nachgie­ bige Laststütze der eingangs genannten Art auszubilden, die bei hohen Traglasten einerseits grosse Relativbewe­ gungen bei Gebirgsbewegungen unter Beibehaltung oder de­ finierter Zunahme der Einschublast durch Ineinanderschieben der Laststütze zulässt ohne zerstört zu werden, einfach an das Gebirge oder eine Tragkonstruktion festlegbar ist und zudem kostengünstig hergestellt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Merkmale im Kennzeichen des Anspruches 1 gelöst. Weitere vorteil­ hafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprü­ chen.

Bei der erfindungsgemässen Ausgestaltung der nachgiebi­ gen Laststütze werden verschiedene Abschnitte der Matrize derart ausgeführt, dass sie ein radiales Untermaß zum un­ verformten Abschnitt des Oberstempels aufweisen.

Zumindest einer der Abschnitte, im folgenden Führungsab­ schnitt genannt, ist derart konisch verjüngend ausgebildet, daß er den Oberstempel formschlüssig führt. Neben einer spielfreien Zentrierung, die bei hohen Stützlängen vorteil­ haft ist, wird ein Formschluss erzielt, der eine axiale Abstützung ermöglicht. Die axial wirkende Stützlast wird über die Geometrie des konischen Abschnittes in eine Tangentialspannung in den verformbaren Teil des Oberstempels umgesetzt. Bei Überschreitung der Formänderungsfestigkeit des Stempelwerkstoffes, der bevorzugt in Stahl ausgeführt ist, wird der Formschluss durch plastische Verformung des unteren Oberstempelabschnittes aufgehoben und ein Einschieben unter konstanter Last erreicht. Neben der Lastaufnahme wird der Oberstempel im Durchmesser kalibriert, so daß der ver­ formte Teil des Oberstempels einen gleichmäßigen Außen­ durchmesser aufweist.

Erfindungsgemäß wird insbesondere bei sehr hohen Traglasten unterhalb des oberen Führungsabschnittes ein zusätzlicher Zerspanungsabschnitt angeordnet, dessen Innenseite mit Schneid­ kanten versehen ist, die in die Oberfläche des Oberstempels eingreifen. Bei einer Relativbewegung z.B. bei Konvergenzen erfolgt eine zerspanende Abtragung eines Teiles der Stempel­ oberfläche unter Beibehaltung der Lastaufnahme. Der größte Teil der im Abspanprozeß zu leistenden Verformungsarbeit wird in ausgezeichneten Ebenen des abgetrennten Materials verbraucht, so daß bei außerordentlich kleinen Querschnitten eine hohe Traglastaufnahme vorhanden ist. Die Einflußgrößen der Zerspanungskraft und somit erzielten Traglast der Last­ stütze sind neben dem Werkstoff und dessen spezifischer Schnittkraft der Zerspanungsquerschnitt, der sich aus der Ausbildung des Zerspanungsabschnittes und der Außendurch­ messer des Oberstempels ergibt.

Gemäß einer erfindungsgemäßen Weiterbildung wird die Matrize derart ausgebildet, daß dem konischen Führungsabschnitt ein Ringraum angeordnet ist, an dessen Unterseite sich der Zer­ spanungsabschnitt befindet. Bei einer derartigen Ausgestaltung wird der Oberstempel im Führungsabschnitt zunächst kalibriert, so daß im folgenden Zerspanungsabschnitt ein gleichmäßiger Außendurchmesser gegeben ist und folglich eine konstante Last­ aufnahme erzielt wird.

Walzübliche Durchmessertoleranzen üben bei der beschriebenen Ausbildung keinen Einfluß auf den Zerspanungsquerschnitt aus, so daß der Einsatz warmgewalzter Hohlstäbe ohne mechanische Nachbearbeitung möglich ist. Hierdurch wird die Wirtschaft­ lichkeit einer derartigen Laststütze weiter erhöht.

Die Schneidkanten der Zerspanungssegmente werden vorteilhaft so ausgebildet, daß sie nur in einen Teil des Stempelumfanges eingreifen. Eine derartige Ausbildung wird beispielsweise durch schräge oder achsparallele Nuten am Bohrungsrand des Zerspanungsabschnittes erzielt. Durch die beschriebene Aus­ gestaltung der Zerspanungssegmente wird die radiale Anpreß­ kraft im Verhältnis zu der Zerspanungskraft verringert, wodurch ein guter Eingriff der Schneidkanten in den Stempel gewähr­ leistet ist. Zudem spielen Toleranzen oder Oberflächenfehler wie Walzriefen keine Rolle, die sonst zu einer ungleichmäßigen Lastaufnahme führen.

In einer erfindungsgemäßen Weiterbildung wird der Zerspanungs­ abschnitt aus mehreren Zerspanungssegmenten in Form eines ge­ teilten Ringes, der außen konisch ist, gebildet. Die einzelnen Zerspanungssegmente werden in einem entsprechend konisch aus­ geführten Bohrungsabschnitt der Matrize radial gehalten, während die axiale Abstützung über eine Distanzscheibe erfolgt.

Durch unterschiedlich starke Distanzscheiben wird aufgrund der Konizität der Aufnahmebohrung ein unterschiedlicher radialer Eingriff der Zerspanungskanten der Segmente in den Oberstempel ermöglicht. Bei einer derartigen Ausgestal­ tung des Zerspanungsabschnittes kann die Nachgiebigkeits­ last durch einfaches Auswechseln der Distanzscheibe an die untertägigen Bedingungen angepaßt werden.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung liegt in der einfachen Teleskopierbarkeit der Laststütze. Bei der vorstehend beschriebenen Ausführung des Zerspanungsab­ schnittes können die Zerspanungssegmente, die verschiebbar angeordnet sind, über eine Schraubenfeder oder ein Teller­ federpaket, die in dem Ringraum oberhalb der Zerspanungs­ segmente angeordnet sind, in den konischen Abschnitt der Matrize gedrückt werden. Durch diese Ausbildung ist die Stützlänge im Bereich des Nachgiebigkeitsweges variabel, so daß die Enden der Laststütze durch einfaches Ausfahren des Oberstempels aus der Matrize leicht an das Gebirge oder eine Tragkonstruktion festgelegt werden können. Der Oberstempel ist vor dem Einbau ganz in den Unterstempel eingefahren. Nach Festlegung des Unterstempels an das Ge­ birge oder eine Tragkonstruktion wird der Oberstempel von Hand oder durch hydraulische bzw. pneumatische Beaufschlagung des Unterstempels ausgefahren, wobei die Zerspanungssegmente entgegen der Federkraft in den größeren Bereich des Bohrungs­ abschnittes verschoben werden, wodurch ein leichtes Ausfahren des Oberstempels möglich ist. Nach dem Stempelsetzen drückt die Feder die Zerspanungssegmente in den engeren Bohrungs­ abschnitt zurück, wodurch die Schneidkanten der Zerspanungs­ segmente wieder zum Anliegen an den Oberstempel kommen. Bei einer Relativbewegung werden die Zerspanungssegmente wieder ganz in den konischen Bohrungsabschnitt gepreßt, wodurch die Laststütze die gesamte Traglast besitzt. Neben der oben be­ schriebenen Ausführung, bei der die Zerspanungssegmente in der Matrize angeordnet sind, ist es erfindungsgemäß genauso möglich, den Zerspanungsabschnitt unterhalb des Oberstempels auf einem konischen Zapfen anzuordnen, daß die Zerspanungs­ kanten in den Unterstempel eingreifen.

Bei der gegenständlichen Laststütze kann neben einer Über­ tragung der eigentlichen Stützlast auch die Aufnahme von Querkräften gefordert werden. Durch die Trennung in mindestens zwei Führungsabschnitte wird eine Übertragung von Querkräften, die ein Biegemoment ergeben, ermöglicht. Bei sehr hohen Biege­ momenten ist es erfindungsgemäß von Vorteil, im Oberstempel ein Führungsrohr anzuordnen, das an einem Ende über einen Hohlzylinder die Querkraft aufnimmt und diese wieder auf das andere Stempelende stoffschlüssig überträgt. Neben Hohl­ profilen, wie Rohren oder auch Rechteckrohren, lassen sich erfindungsgemäß auch andere Profile, wie I- oder U-Profile bei entsprechender Ausbildung der Matrize einsetzen.

Erfindungsgemäß ist es darüber hinaus vorteilhaft, durch ent­ sprechende Anordnung des Hohlzylinders im Oberstempel eine definierte wegabhängige Zunahme der Einschublast zu erreichen. Der Hohlzylinder bewirkt durch Erhöhung der Formänderungs­ arbeit eine wegabhängige Zunahme der Lastaufnahme, wodurch eine hohe Ausnutzung der Werkstoffestigkeit der Laststütze unter Berücksichtigung von Quer- und Knickkräften erzielt wird.

Eine weitere Erhöhung der Tragfähigkeit wird dadurch er­ reicht, daß der Oberstempel mit einem durch Reaktionsharz oder Zement gebundenen Beton gefüllt wird. Beton besitzt im Verhältnis zu den Werkstoffkosten eine sehr hohe Druck­ festigkeit. Durch den Oberstempel der den Betonkern umgibt ist quasi eine Schubbewehrung vorhanden, die aufgrund der triaxialen Einspannung Druckspannungen zuläßt, die oberhalb der eigentlichen Würfelfestigkeit liegen.

Um den Oberstempel vor einer Korrosion durch Luftfeuchte oder Grubenwässer zu schützen, kann dieser mit einer Be­ schichtung versehen werden. Besonders vorteilhaft haben sich metallische Beschichtungen durch Kupfer, Cadmium oder Zink herausgestellt, die neben einem Korrosionsschutz gute Gleiteigenschaften gewährleisten. Zudem wird eine Passungskorrosion zwischen dem Oberstempel und den Führungsabschnitten vermieden, da durch eine derartige metallische Beschichtung eine Trennschicht vorhanden ist, die bei den vorliegenden Pressungen in den Führungs­ abschnitten ähnlich wie ein Festschmierstoff wirkt. Besonders Cadmium zeigt neben den erwähnten Eigenschaften daß der Reibwert einerseits sehr gering ist und zudem noch fast unabhängig von Oberflächenzuständen ist. Die Gleiteigenschaften können noch dadurch verbessert werden, daß die Führungsabschnitte der Matrize nitriert oder carbonitriert werden.

Um den Schneidkanten die erforderliche Festigkeit zu verleihen, werden diese gehärtet. Eine derartige Härtung erfolgt vorteilhaft über den gesamten Querschnitt des Zerspanungsabschnittes, so daß der gehärtete Ring an vor der Härtung angebrachten Sollbruchstellen, wie Bohrungen einfach in die einzelnen Zerspanungssegmente geteilt werden kann. Neben der Erhöhung der Festigkeit wird der Verschleißwiderstand vergrößert, wodurch lange Nachgiebig­ keitswege möglich sind.

Neben den Zerspanungsabschnitten werden vorteilhaft auch die Führungsabschnitte der Matrize gehärtet. Eine Härtung ist durch Induktions- bzw. Flammhärten oder auch durch Carbonitrien möglich. Neben einer Verbesserung der Führungs­ eigenschaften wird die Kernfestigkeit vergrößert, so daß Material eingespart werden kann.

Bei Grubenräumen die nur vorübergehend abgestützt werden müssen wie z.B. Abbaustrecken oder Aufhauen ist es häufig kostenmäßig von Vorteil, die erfindungsgemäßen Laststützen wiederzuverwenden. Um ein einfaches Rauben der unter hoher Last stehenden Stützen zu ermöglichen, kann der Ringraum der Matrize über die beschriebene Querbohrung mit einem Hochdruckfluid beaufschlagt werden. Durch den hydrosta­ tischen Druck des Fluides wird der Oberstempel im Bereich der Führungsabschnitte durch plastische Verformung im Durchmesser reduziert, wodurch sowohl der Formschluß als auch der radiale Eingriff der Zerspanungskanten aufge­ hoben wird und bei stark verringerter Traglast ein einfaches Rauben der Laststütze möglich ist.

Eine Transportsicherung der erfindungsgemäßen Laststütze kann durch einen federnden Ring erzielt werden, der in eine am Oberstempelende eingebrachte Nut eingelegt wird. Bei der Montage wird der Ring durch die sich verjüngenden Führungs­ abschnitte in den Nutgrund gedrückt. Nach dem Zusammenfügen der Laststütze ist ein Ausziehen des Oberstempels aus der Matrize nicht mehr möglich, da der Ring sich vor den unteren Führungsabschnitt anlegt.

Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen vertikalen Längsschnitt der gesamten Laststütze nach der Erfindung,

Fig. 2 einen vergrösserten Längsschnitt des Mittel­ teiles der Laststütze,

Fig. 3 einen horizontalen Längsschnitt durch die Darstellung der Fig. 2 gemäss der Linie I-I.

In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Oberstempel (1) unterhalb des möglichen Nachgiebigkeits­ weges von einer Matrize (3) umgeben, die sich auf dem Unter­ stempel (2) abstützt. Die Krafteinleitung erfolgt über ent­ sprechend ausgebildeten Platten, die wie am Oberstempel (1) dargestellt mit entsprechenden Erhebungen versehen sind, um ein Abrutschen von einer Tragkonstruktion zu vermeiden. Durch eine Schrägbelastung hervorgerufene Querkräfte werden von der oberen Platte über einen im Oberstempel (1) ange­ ordneten Hohlzylinder (4) auf das Führungsrohr (5) einge­ leitet. Der Hohlzylinder (4) erhöht zugleich nach entsprech­ endem Einschubweg die Traglastaufnahme.

Aus Fig. 2 sind nähere Einzelheiten der Matrize (3) und der hiermit zusammenwirkenden Komponenten ersichtlich. Der Oberstempel (1) durchsetzt die Matrize (3) mittig. Die Zentrierung erfolgt über die beiden Führungsabschnitte (8 a, b). Der obere Führungsabschnitt (8 a) ist auf einer Teil­ länge konisch verjüngend ausgebildet. Neben einer spielfreien Führung wird der Oberstempel (1) in diesem Bereich im Aussen­ durchmesser kalibriert und ein Einschubwiderstand erreicht.

Der untere Führungsabschnitt (8 b) ist über die Gesamt­ länge konisch ausgebildet, um neben der Führung eine wei­ tere Abstützung zu erzielen. Die Trennung in zwei Führungs­ abschnitte (8 a, b) verhindert ein Verkanten. An der Oberseite der Matrize ist eine Dichtung angeordnet, die ein Eindringen von Feuchtigkeit verhindert und zugleich Fremdkörper von der Stempeloberfläche abstreift. Zwischen den beiden Führungs­ abschnitten (8 a, b) ist ein Zerspanungsabschnitt (9) ange­ ordnet, der den Oberstempel (1) in axialer Richtung abstützt. Der Zerspanungsabschnitt (9) besteht aus einzelnen Zerspa­ nungssegmenten (15). Die Krafteinleitung erfolgt von dem Oberstempel (1) auf die Zerspanungssegmente (15) über an diesen angebrachte Schneidkanten (13), die in den Umfang des Oberstempels (1) hineinreichen. Wird eine konstruktiv festlegbare Kraft überschritten, erfolgt eine Relativbewe­ gung zwischen Oberstempel (1) und den Zerspanungssegmen­ ten (15), wobei die Schneidkanten Material abtragen. Die radiale Abstützung der Zerspanungssegmente (15) erfolgt durch den konischen Bohrungsabschnitt der Matrize (3). Axial stützen sich die Zerspanungssegmente (15) auf eine Distanzscheibe (14) ab. Aufgrund der Konizität des Bohrungs­ abschnittes kann durch unterschiedlich starke Distanz­ scheiben (14) der radiale Eingriff der Schneidkanten (13) in den Oberstempel (1) variiert werden, wodurch die Nach­ giebigkeitslast verändert werden kann. Eine beispielhafte Ausgestaltung der Zerspanungssegmente (15) zeigt Fig. 3. Der Zerspanungsabschnitt (9) besteht aus 6 einzelnen Zer­ spanungssegmenten (15), die durch Teilung eines Ringes an den Bohrungen (17) entstanden sind. An der Innenseite der Zerspanungssegmente (15) greifen jeweils 2 Schneidkanten (13) in den Oberstempel (1) ein. In dem Ringraum (10) ober­ halb des Zerspanungsabschnittes (9) ist eine Schraubenfeder (16) angeordnet, die die Zerspanungssegmente (15) in den konischen Bohrungsabschnitt drückt, damit die Schneidkan­ ten (13) an dem Oberstempel (1) anliegen. Zugleich dient der Ringraum (10) zur Aufnahme des abgetragenen Materials. Über die Bohrung (7) ist der Ringraum (10) mit der Mantel­ fläche der Matrize (8) verbunden, um über die beschriebene Beaufschlagung mit einem Hochdruckfluid ein Rauben zu ver­ einfachen. Am unteren Ende des Oberstempels (1) ist eine Nute (11) vorhanden, in die ein federnder Ring (12) ein­ gelegt ist, der nach der Montage ein Ausziehen des Ober­ stempels (1) aus der Matrize (8) verhindert.

Claims (14)

1. Laststütze zur Abstützung vorwiegend Konvergenzen ausgesetzter untertägiger Hohlräume, dessen am Gebirge oder einer Tragkonstruktion festlegbarer Oberstempel im eingebauten Zustand bei Gebirgsbewegungen eine axiale Relativbewegung zur Matrize unter Beibehaltung der Lastaufnahme durchführt, dadurch gekennzeichnet, daß die Laststütze einen Ober­ stempel (1), der eine Matrize (3) mittig durchsetzt, aufweist, wobei die Laststütze durch sich verjüngende Führungsabschnitte (8 a, b), die in der Matrize (3) an­ geordnet sind, radial geführt wird und wobei über den konischen Zerspanungsabschnitt (9), an dessen Bohrungs­ seite Schneidkanten (13) angeordnet sind, die in den Umfang des Oberstempels (1) eingreifen diesen in bezug zu der Matrize (3) axial fixieren.

2. Laststütze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Führungsabschnitt (8 a, b) der Matrize (3) konisch ausgebildet ist, daß der lichte Innendurchmesser geringer ist, als der Außendurchmesser des Oberstempels (1).

3. Laststütze nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zerspanungsabschnitt (9) Schneidkanten (13) aufweist, die in den Oberstempel (1) eingreifen.

4. Laststütze nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zerspanungsabschnitt (9) Schneidkanten (13) aufweist, die in den Unterstempel (2) eingreifen.

5. Laststütze nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schneidkanten (13) durch achsparallele oder schräge Nuten ausgebildet sind.

6. Laststütze nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß der Zerspanungsabschnitt (9) aus mehreren Zerspanungssegmenten (15) besteht, die sich axial auf einer Distanzscheibe (14) abstützen und radial von einem konischen Bohrungsabschnitt (17) der Matrize (3) gehalten werden.

7. Laststütze nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß der Zerspanungsabschnitt (9) aus mehreren Zerspanungssegmenten (15) besteht, die sich auf konischen Zapfen abstützen, der unterhalb des Ober­ stempels (1) angeordnet ist.

8. Laststütze nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb des konischen Bohrungsabschnittes (17) ein ringförmiger Hohlraum (10) angeordnet ist, indem sich eine Feder (16) auf den Zer­ spanungsabschnitt (9) abstützt.

9. Laststütze nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsabschnitte (8 a, b) und die Zerspanungssegmente (15) gehärtet sind.

10. Laststütze nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Oberstempel (1) ein Führungsrohr (5) angeordnet ist, das durch einen Hohl­ zylinder (4) zentriert wird.

11. Laststütze nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (10) über eine Querbohrung (7) mit der Mantelfläche der Matrize (3) verbunden ist.

12. Laststütze nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß der Oberstempel (1) mit einem Oberflächenschutz, insbesondere durch Verkupferung, Vercadmierung oder Verzinkung versehen ist.

13. Laststütze nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß der Oberstempel (1) mit einem Reaktionsharz oder Zement gebundenem Beton gefüllt ist.

14. Laststütze nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ende des Oberstempels (1) mit einer Nute (11) versehen ist, in die ein federn­ der Ring (12) eingelegt ist.