DE3744029C2 - Antrieb und Steuerung des Antriebs einer Teilschnittmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf den Antrieb und die Steuerung des Antriebs einer Teilschnittmaschine entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus dem Prospekt "Salzgitter Teilschnittmaschinen Baureihe STM" der Salzgitter Maschinen und Anlagen Aktiengesellschaft sind Teilschnittmaschinen bekannt, die im wesentlichen aus einem hydraulischen Raupen­ fahrwerk, einem Maschinenrahmen, einem Schrämaus­ leger, einem Schrämkopf, einer Abfördereinrichtung und einer Hydraulikanlage bestehen. Innerhalb des ho­ rizontal und vertikal schwenkbaren Schrämauslegers befindet sich ein dem Antrieb des Schrämkopfes dienen­ der Elektromotor, der unter Zwischenanordnung einer Kupplung und einem im Schrämkopf untergebrachten Getriebe mit dessen meißelbestückten Kopfschalen in Verbindung steht. Die Hydraulikanlage, deren den Sy­ stemdruck lieferndes Pumpenaggregat ebenfalls durch einen Elektromotor angetrieben wird, dient unter ande­ rem der Übertragung der für die Schwenkbewegungen des Schrämauslegers benötigten hydraulischen An­ triebsenergie.

Die von dem Schrämantrieb, nämlich dem Elektro­ motor benötigte Antriebsenergie hängt von der gefor­ derten Schnittleistung, d. h. von dem Anpreßdruck so­ wie der Schneidgeschwindigkeit ab und unterliegt in Abhängigkeit von den jeweiligen Gebirgsverhältnissen starken Schwankungen. Um eine Überlastung des Schrämantriebs zu vermeiden, wird demzufolge ent­ sprechend den jeweils angetroffenen Gebirgsverhält­ nissen die Schwenkgeschwindigkeit reduziert, indem so­ wohl der Arbeitsdruck als auch der dem Schwenkan­ trieb zugeführte Förderstrom an Hydraulikmedium re­ duziert werden. Entsprechend der zur Regelung von Druck und Fördermenge eingesetzten Techniken erge­ ben sich jedoch spezifische Nachteile. So führt eine Re­ gelung eines Förderstroms durch Drosselung zu Wär­ meentwicklung und damit zu einem Energieverlust. Werden hingegen die den Arbeitsdruck der Hydraulik­ anlage liefernden Pumpen bezüglich des entwickelten Drucks und/oder ihrer Fördermengen im Bedarfsfall re­ duziert, wird die im Rahmen der Hydraulikanlage insge­ samt installierte Leistung nur unvollständig ausgenutzt. Die Folge ist ein verschlechterter Gesamtwirkungsgrad der Teilschnittmaschine.

Aus der DE 28 42 963 A1 ist eine gattungsgleiche Teilschnittmaschine, dort bezeichnet mit Vortriebsmaschine, bekannt, die einen Elektromotor für den Abtrieb des Lösewerk­ zeugs (Schneidtrommel bzw. Schrämkopf) aufweist und Hydraulikzylinder bzw. Hy­ draulikmotore für den Vortrieb. Die Hydraulikzylinder dienen der vertikalen und horizontalen Verschwenkung des die Lösetrommel tragenden Auslegerarms, die Hydraulikmotoren zum Antrieb des Fahrwerkes. Die Steuerung ist hierbei so ausgebildet, daß die Menge pro Zeiteinheit des die Hydraulikzylinder und/oder Hydrau­ likmotoren beaufschlagenden Mediums in Abhängigkeit von der Leistungsaufnahme des das Lösewerkzeug antreibenden Elektromotors geregelt ist, wobei die Leistungsauf­ nahme eine in etwa reziproke Bemessungsgröße ist. Erreicht werden soll hiermit eine optimale Ausnutzung des Schneidmotors dahingehend, daß bei weichem Abbaumaterial der Vorschub der Vortriebsmaschine gesteigert wird.

Wie ohne weiteres erkennbar, ist diese Steuerung sehr indirekt, was sich insbesondere bei gemischt hartem und weichem Abbaumaterial nachteilig auswirkt. Auch bedeutet eine solche Konzeption, daß der Elektromotor für das Lösewerkzeug auf die Material­ leistung ausgelegt werden muß und deshalb verhältnismäßig groß baut. Da dieser Mo­ tor im Auslegerarm untergebracht werden muß, kommt es hier zu Gewichtsproblemen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, den Antrieb und die Steuerung des Antriebes einer Teilschnittmaschine der eingangs bezeichneten Gattung dahingehend zu verbessern, daß bei großer Schneidleistung ein möglichst hoher Gesamtwirkungsgrad erreichbar ist, die Wirkung der Steuerung auf die Schneidleistung verbessert wird bei gleichzeitiger Gewichtsentlastung des Auslegerarms.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Kennzeichens des Anspruchs 1.

In Abkehrung von dem eingangs geschilderten Stand der Technik, dessen Wesensmerkmal in der Installie­ rung von voneinander unabhängigen Antriebssystemen für den Schrämkopf einerseits und die Schwenkbewe­ gungen andererseits liegt, wobei im Bedarfsfall die für die Schwenkbewegung installierte Antriebsleistung re­ duziert wird, wird nunmehr erfindungsgemäß die über das maschineneigene Hydrauliksystem aufgebrachte bzw. übertragene Antriebsenergie auf den Schräman­ trieb und den Schwenkantrieb verteilt. Dies hat zur Fol­ ge, daß die im Bereich des Hydrauliksystems installierte Leistung stets maximal ausgenutzt wird, so daß sich im Bedarfsfall zwar eine verringerte Schwenkgeschwindig­ keit ergibt, wobei jedoch im Bereich des Schrämkopfes eine erhöhte Antriebsleistung zur Verfügung steht und demzufolge eine gegenüber dem Stand der Technik er­ höhte Schneidleistung erbracht wird. Indem auf diese Weise die durch die Hydraulikanlage aufgebrachte hy­ draulische Leistung in einem Bereich optimalen Wir­ kungsgrades gehalten werden kann und Drosselungen sowie Förderstromänderungen vermieden werden und lediglich die aufgebrachte Antriebsenergie auf unter­ schiedliche Verbraucher nach Maßgabe der jeweiligen Gebirgsverhältnisse verteilt wird, ergibt sich eine Teil­ schnittmaschine von hohem energetischem Wirkungs­ grad.

Der Kern der Erfindung besteht also aus der Zusammenfassung eines Elektro- und eines Hydraulikmotors im Sinne einer Leistungsergänzung, wobei der Hydraulikmotor, wie an sich bekannt, steuerbar sein muß. Die Steuerung erfolgt jedoch in Abhängigkeit der Leistungsaufnahme des Elektromotors unter Rückwirkung auf die Antriebsenergie für den Schwenkantrieb. Wesentlich ist hierbei, daß in einer ersten Betriebsphase, bei wel­ cher die Antriebsenergie für den Schrämantrieb aus­ schließlich durch den Elektromotor aufgebracht wird, der Hydromotor ohne Funktion ist, d. h. ohne Leistungs­ abgabe und damit "leer" mitläuft. Es können sämtliche Hydromotoren hierbei eingesetzt werden, die diese Voraussetzungen erfüllen. Lediglich im Bedarfsfall, nämlich wenn die Schwenkgeschwindigkeit sich reduziert, findet eine Ansteuerung des Hydromotors statt, und zwar dahingehend, daß sich dessen Abtriebsleistung zu derjenigen des Elektromotors addiert, so daß eine erhöhte Leistung für den Schrämantrieb zur Verfügung steht.

Der Elektromotor für den Schrämantrieb kann bei dieser Ausgestaltung leichter als üblich ausgebildet sein, was insgesamt zur besseren Gewichtsverteilung führt, wobei Hydraulikmotoren, wie allgemein bekannt, ohnehin klein und damit leicht bauen.

In der nicht vorveröffentlichten DE 38 23 762 A1 ist zwar ein Antrieb für die Abbau­ werkzeuge einer Teilschnittmaschine beschrieben worden, der neben einem Elektro­ motor als Hauptantriebsmotor noch einen zusätzlichen Hydraulikmotor aufweist, je­ doch werden diese Antriebsmotore nur alternativ eingesetzt, um den Drehzahlbereich des Schrämkopfes zu vergrößern. Der Elektromotor ist für eine vorgegebene Drehzahl ausgelegt, der kleinere Hydraulikmotor ist für eine niedrigere Drehzahl bestimmt und darüber hinaus noch regelbar ausgebildet. Beide Motore sind im Gegensatz zu der erfindungsgemäßen Anordnung mit der Abtriebswelle getrennt kuppelbar, eine Lei­ stungsergänzung ist hier nicht vorgesehen.

Die nähere Ausgestaltung der Regelungseinrichtung entsprechend dem Anspruch 2 kann grundsätzlich belie­ big erfolgen. Wesentlich ist, daß als Meßgrößen die Lei­ stungsaufnahme des Elektromotors und/oder der ent­ wickelte Arbeitsdruck fungieren und daß als Stellgrö­ ßen sämtliche Funktionsgrößen verwendbar sind, über welche die Antriebsenergie des Schwenkantriebs und des Hydromotors des Schrämantriebs beeinflußbar sind.

Die Merkmale des Anspruchs 3 bringen den Vorteil mit sich, daß das Pumpenaggregat der Hydraulikanlage bei konstanter Leistung und damit optimalem Wir­ kungsgrad betreibbar ist, so daß die hier gelieferte hy­ draulische Leistung lediglich in Abhängigkeit von den angetroffenen Gebirgsverhältnissen auf unterschiedli­ che Verbraucher verteilt wird.

Die Ausgestaltung des Hydromotors 18 gemäß An­ spruch 4 als Hydromotor mit variierbarem Schluckvolu­ men bietet konstruktiv und steuerungstechnisch einfach zu handhabende Möglichkeiten einer stufenlosen, aus­ gehend von einem völligen Freilauf bis zu der ge­ wünschten Leistungsabgabe erfolgenden Steuerung der durch diesen abgegebenen Antriebsenergie.

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf das in den Zeichnungen dargestellte Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 eine Teilschnittmaschine in einem Tunnel in einer Seitenansicht,

Fig. 2 eine Draufsicht gemäß Pfeil II auf die Teilschnitt­ maschine gemäß Fig. 1,

Fig. 3 ein Schaltschema der Antriebe des Schrämauslegers und des Schrämwerkzeugs.

Mit 1 ist in den Fig. 1 und 2 eine Teilschnittmaschine in ihrer Gesamtheit bezeichnet, welche im wesentlichen aus einem den Maschinenrahmen nebst elektrischen und hydrau­ lischen Antriebs- und Steuerungseinrichtungen tragenden Raupenfahrwerk 2 und einem gegenüber dem Maschinenrahmen sowohl um eine Vertikal- als auch um eine Horizontalachse schwenkbaren Ausleger 3 besteht. Der Ausleger 3 trägt an seinem vorderen Ende einen Schrämkopf 4, der um eine sich quer zur Längsachse des Auslegers 3 erstreckende Achse 5 drehbar ist. Innerhalb des Schrämkopfes ist ein Getriebe untergebracht, welches die mechanische Verbindung zwischen den meißelbestückten Kopfschalen einerseits und einem im Innenraum des Auslegers untergebrachten Elektromotor ande­ rerseits darstellt. Mit 6 ist ein Ladetisch bezeichnet, der in nicht näher dargestellter Weise mit einer Abförderein­ richtung 7, beispielsweise einem Kettenförderer zusammen­ wirkt. Der Ladetisch dient der Aufnahme des beim Betrieb der Teilschnittmaschine mittels der Kopfschalen von der Ortsbrust abgetragenen Materials sowie dessen Überführung auf die Abfördereinrichtung 7.

Der Schwenkantrieb des Auslegers 3, soweit Bewegungen in einer Horizontal ebene betroffen sind, erfolgt hydraulisch mittels der beidseitig angeordneten Schwenkzylinder 9. Mit 10 ist ein Schwenkteil bezeichnet, an welchem der Ausleger 3 um eine Horizontalachse 11 schwenkbar gelagert ist und welches seinerseits über einen nicht dargestellten Dreh­ kranz mittels der Schwenkzylinder 9 um eine Vertikalachse gegenüber dem Maschinenrahmen drehbar ist. Mit 91 sind zwei weitere, beiderseits des Auslegers 3 angeordnete Schwenk­ zylinder bezeichnet, mittels welcher der Ausleger 3 gegen­ über dem Schwenkteil 10 in einer Vertikalebene verschwenk­ bar ist.

Das in dem Maschinenrahmen untergebrachte Hydrauliksystem besteht im wesentlichen aus einem Elektroantrieb, einem Pumpenaggregat, einem Flüssigkeitstank und diversen Steuer­ einrichtungen und dient der zentralen Versorgung der hy­ draulischen Antriebe des Auslegers 3, des Schwenkteils 10 sowie der Hydromotoren des Raupenfahrwerks 2. Um die beim Vorschub des Schrämkopfes 4 bei dessen Elektroantrieb auf­ tretende Belastung in Grenzen zu halten sind zumindest der Schwenkantrieb des Auslegers und der Antrieb des Schräm­ kopfes regelungstechnisch miteinander verbunden, worauf im folgenden unter Bezugnahme auf die zeichnerische Dar­ stellung gemäß Fig. 3 näher eingegangen werden soll. In letztgenannter Zeichnungsfigur sind Funktionselemente, die mit denjenigen der Fig. 1 und 2 übereinstimmen, auch über­ einstimmend beziffert.

In Fig. 3 ist mit 12 das Pumpenaggregat des Hydraulik­ systems bezeichnet, welches ausgangsseitig den für die hydraulischen Verbraucher der Teilschnittmaschine erfor­ derlichen Betriebsdruck liefert. Das Pumpenaggregat 12 steht mit einem zeichnerisch nicht dargestellten Elektro­ motor in Verbindung.

Dem Pumpenaggregat 12 zugeordnet ist ein vorgesteuertes Druckbegrenzungsventil 13 mit einem der steuerbaren Ent­ lastung dienenden 2-Wege-Ventil 14. Es ist die Druckseite 15 des Pumpenaggregats 12 über das Druckbegrenzungsventil 13 mit einem Flüssigkeitstank 16 verbunden, mit welch letzterem auch der Eingang des Pumpenaggregats 12 in Ver­ bindung steht. Mittels des 2-Wege-Ventils 14 kann über das Druckbegrenzungsventil 13 die Druckseite 15 des Pumpen­ aggregats 12 mit dem Flüssigkeitstank 16 verbunden werden, so daß ein druckloses Anfahren des Pumpenaggregats 12 mög­ lich ist. Auf die Darstellung der an sich bekannten, diesem zugeordneten elektrischen Steuerungseinrichtungen ist je­ doch aus Gründen der zeichnerischen Übersichtlichkeit ver­ zichtet worden.

Die Druckseite 15 des Pumpenaggregats 12 steht einerseits mit einem 4-Wege/3-Stellungen-Proportional-Ventil 17 in Verbindung, welches der Steuerung des Flusses des Hydrau­ likmediums in Richtung auf die Schwenkzylinder 9 dient. Das Proportional-Ventil 17 ist vorzugsweise elektrisch be­ tätigbar, wobei wiederum auf eine Darstellung der zuge­ hörigen elektrischen Steuerungseinrichtungen verzichtet ist. Eine Ausgangsleitung des Proportional-Ventils 17 führt wiederum zu dem Flüssigkeitstank 16. Die Druckseite 15 steht gleichzeitig mit dem Eingang eines Hydromotors 18 in Verbindung, der ausgangsseitig an den Flüssigkeitstank 16 angeschlossen ist. Als Hydromotor 18 kann grundsätzlich jeder Hydromotor eingesetzt werden, der leistungsmäßig steuerbar ist. Der Hydromotor 18 steht mit dem, dem Schräm­ kopf 4 zugeordneten Elektromotor 19 in Verbindung, der seinerseits über eine nur schematisch angedeutete Getriebe- und Kupplungseinheit 20 an den Schrämkopf 4 angeschlossen ist.

Schließlich ist mit 21 eine Regelungseinrichtung bezeich­ net, welche mit dem Elektromotor 19 und dem Hydromotor 18 in Verbindung steht. Diese Verbindung erfolgt über Meß- bzw. Steuerleitungen 22, auf denen durch Pfeile die Rich­ tung des jeweiligen Informationsflusses angedeutet ist. Gemessen wird hierbei die Leistungsaufnahme des Elektro­ motors 19, wobei in dem Fall, in dem diese aufgenommene Leistung einen bestimmten Wert überschreitet mittels der Regelungseinrichtung 21 die Leistungsaufnahme des Hydro­ motors 18 erhöht wird.

Zeichnerisch nicht dargestellt ist eine dem Proportional- Ventil 17 zugeordnete Regelungseinrichtung, durch welche in Abhängigkeit von dem druckseitig bezüglich des Pumpen­ aggregates 12 anstehenden Druckes, welcher im Betrieb der Teilschnittmaschine, insbesondere beim Verschwenken des Auslegers 3 eine bestimmte Festigkeit des zu schrämenden Gebirges anzeigt, das Proportional-Ventil 17 mit dem Ziel einer Verringerung des zu den Schwenkzylindern 9 gelangen­ den Volumenstroms des Hydraulikmediums ausgesteuert wird, so daß die Schwenkgeschwindigkeit dementsprechend reduziert wird.

Da eine sich beispielsweise erhöhende Festigkeit des zu schrämenden Gebirges bei ansonsten unveränderten Betriebs­ bedingungen sich sowohl in einer entsprechenden erhöhten Leistung des Elektromotors 19 als auch in einer Erhöhung des Arbeitsdruckes des Hydrauliksystems bemerkbar macht, können grundsätzlich wahlweise die eine oder die andere Systemgröße, nämlich die Leistungsaufnahme des Motors 19 oder der Arbeitsdruck im Hydrauliksystem als Ausgangsmeß­ größe für eine Steuerung des Proportional-Ventils 17 und des Hydromotors 18 benutzt werden. Der beispielsweise als Axialkolbenmotor mit variablem Schluckvolumen ausgebildete Hydromotor 18 ist mit dem Elektromotor 19 starr gekuppelt und demzufolge in einer ersten Betriebsphase, in welcher die Antriebsenergie für den Schrämantrieb allein durch den Elektromotor 19 aufgebracht wird, hinsichtlich seines Schluckvolumens so eingestellt, daß er "leer" mitläuft, d. h. daß keine Leistungsabgabe stattfindet. Entsprechend der jeweiligen Konstruktion des beispielsweise nach dem Schrägachsenprinzip aufgebauten Axialkolbenmotors 18, bei der in an sich bekannter Weise eine Veränderung des Schluck­ volumens über eine Veränderung des Schwenkwinkels einer Zylindertrommel stattfindet, so daß ein Betätigungsmecha­ nismus für diese letztgenannte Schwenkbewegung vorhanden sein muß, kann die von der Regelungseinrichtung 21 zu dem Hydromotor 18 führende Steuerleitung 22 sowohl eine elek­ trische, eine hydraulische oder eine pneumatische Leitung sein.

Überschreitet somit der Arbeitsdruck im Hydraulikmedium einen bestimmten einstellbaren Wert, welches praktisch gleichbedeutend mit einer Erhöhung der Leistungsaufnahme des Elektromotors 19 ist, so daß eine Reduzierung der Schwenkgeschwindigkeit erforderlich wird, um eine Über­ lastung des Elektromotors 19 zu vermeiden, wird somit bei unveränderter Förderleistung des Pumpenaggregats 12 den Schwenkzylindern 9 eine reduzierte Leistung zugeführt, wobei die dann hier überschüssige Leistung nunmehr dem Schrämantrieb, nämlich dem Hydromotor 18 zugeführt wird, dessen Schluckvolumen entsprechend dem verminderten Volu­ menstrom der Schwenkzylinder 9 erhöht wird.

Es steht somit bei verringerter Schwenkgeschwindigkeit eine erhöhte Leistung für den Schrämantrieb zur Verfügung, nämlich die zusammengefaßte Leistung des Elektromotors 19 und des Hydromotors 18.

Von besonderem Vorteil ist jedoch, daß die im Rahmen des Hydrauliksystems der Teilschnittmaschine installierte Leistung auch bei wechselnden Gebirgsverhältnissen voll­ ständig ausgenutzt wird und bei bestimmten, von den je­ weiligen Gebirgsverhältnissen abhängigen Betriebsbedin­ gungen lediglich mit variablen Anteilen auf unterschied­ liche Verbraucher, nämlich den Schwenkantrieb und dem Schrämantrieb verteilt wird.

Im Bedarfsfall, nämlich bei großer Gesteinsfestigkeit des zu schrämenden Gebirges steht somit bei reduzierter Schwenkgeschwindigkeit eine erhöhte Leistung für den Schrämantrieb zur Verfügung, wohingegen bei auftretenden geringeren Gesteinsfestigkeiten die Schwenkgeschwindig­ keit erhöht werden kann, da der Leistungsbedarf für den Schrämantrieb dementsprechend verringert ist.

Die Erfindung ist vorstehend unter Bezugnahme auf die, die Horizontalbewegungen des Auslegers 3 steuernden Schwenk­ zylinder 9 dargestellt worden. Es können in den Schwenk­ antrieb, und zwar ersatzweise für die Schwenkzylinder 9 oder zusätzlich zu diesen erfindungsgemäß auch die Schwenk­ zylinder 9 einbezogen werden.

Claims (4)

1. Antrieb und Steuerung des Antriebs einer Teilschnittmaschine, die ein Fahrwerk, einen, einen Schrämkopf (4) tragenden, horizontal und/oder vertikal schwenkbaren Ausleger (3), wenigstens einen Schwenkantrieb für die Schwenkbewegung des Auslegers (3) sowie einen Schrämantrieb für die Schneidbewegung des Werkzeuges des Schrämkopfes (4) und ein Hydrauliksystem zur Übertragung der Antriebsenergie zumindest für den Schwenkantrieb aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Schrämantrieb aus einem Elektro- (19) und einem leistungsmäßig steuerbaren Hydromotor (18) besteht, welche über ein Getriebe (20) mit dem Werkzeug des Schrämkopfes (4) in Verbindung stehen, wobei die über das Hydrauliksystem übertragene Antriebsenergie nach Maßgabe des anstehenden Arbeitsdruckes und/oder der für den Schrämantrieb benötigten Antriebsenergie auf den Schwenkantrieb und den Schrämantrieb aufteilbar ist.

2. Antrieb und Steuerung des Antriebs einer Teilschnittmaschine nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Regelungseinrichtung (21) zur Bildung von Stellgrößen für die Übertragung von Antriebsenergie auf den Schwenkantrieb sowie den Schrämantrieb in Abhängigkeit von der Leistungsaufnahme des Elektro­ motors (19) und/oder dem Arbeitsdruck im Hydraulik­ system.

3. Antrieb und Steuerung des Antriebs einer Teilschnittmaschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Belastung des Werkzeugs des Schrämkopfes (4) abhängige Aufteilung der Antriebsenergie auf den Schrämantrieb einerseits und den Schwenkantrieb andererseits dahingehend steuerbar ist, daß das den Arbeitsdruck des Hydrauliksystems liefernde Pumpen­ aggregat (12) mit einer im wesentlichen konstanten Leistung betreibbar ist.

4. Antrieb und Steuerung des Antriebs einer Teilschnittmaschine nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Hydromotor (18) ein mit der Welle des Elektromotors (19) starr verbundener Hydraulikmotor ist, dessen Abtriebsleistung in an sich bekannter Weise durch Veränderung des Schluckvolumens variierbar ist und daß der Schwenkantrieb durch wenigstens einen Linear­ antrieb gebildet wird.