WO2009077102A2 - Impulsgenerator, insbesondere zur anregung seismischer wellen - Google Patents

Impulsgenerator, insbesondere zur anregung seismischer wellen Download PDF

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WO2009077102A2
WO2009077102A2 PCT/EP2008/010400 EP2008010400W WO2009077102A2 WO 2009077102 A2 WO2009077102 A2 WO 2009077102A2 EP 2008010400 W EP2008010400 W EP 2008010400W WO 2009077102 A2 WO2009077102 A2 WO 2009077102A2
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pressure
pulse generator
cylinder
pressure chamber
drive piston
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French (fr)
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Silvio Mielitz
Peter Otto
Markus Well
Andreas Jurczyk
Rüdiger Giese
Stéfan LÜTH
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Geoforschungszentrum Potsdam
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V1/00—Seismology; Seismic or acoustic prospecting or detecting
    • G01V1/02—Generating seismic energy
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V1/00—Seismology; Seismic or acoustic prospecting or detecting
    • G01V1/02—Generating seismic energy
    • G01V1/143—Generating seismic energy using mechanical driving means, e.g. motor driven shaft
    • G01V1/147—Generating seismic energy using mechanical driving means, e.g. motor driven shaft using impact of dropping masses

Definitions

  • Pulse generator in particular for exciting seismic waves
  • the invention relates to a pulse generator for generating mechanical vibrations in solid bodies, in particular a pulse generator for generating pulse-like P or S waves in the earth's crust or in structures such.
  • B a vibration generator for seismic explorations.
  • the invention also relates to a method for generating mechanical vibrations, in particular using said pulse generator.
  • the invention is for applications z. For example, in the investigation or exploration of solid rock or soil or in the study of buildings provided.
  • a general problem in the generation of pulses by moving masses is that after the impact of a moving mass on a solid body, a return pulse on the pulse is exercised. As a result, it comes to lookups, which distort the impulse excitation and thus the evaluation of the seismic measurement.
  • DE 32 24 624 describes a pulse generator with a moving mass, which has a hydraulic brake with a safety catch for the mass.
  • this pulse generator is characterized by a complicated structure, so that an application in practice, in particular the underground use, is difficult.
  • EP 1 085 347 A2 in order to solve the problems mentioned, it is proposed to provide a pulse generator for generating seismic oscillations in which a striking mass is actuated by a drive piston which is moved in a pressure cylinder subjected to compressed gas.
  • Blowing mass is connected to the drive piston via a piston rod.
  • the pressure cylinder in particular working pressure, displacement of the drive piston
  • the vibration parameters of the vibration generated by the impact mass can be set accurately and reproducibly.
  • the disadvantage is that the piston rod must be guided by a cylinder space of the pressure cylinder in a guide tube in which the impact mass moves through a seal.
  • the seal and slimness of the required piston rod limits the robustness and reliability of the conventional device.
  • a further disadvantage may be that the combination of the guide tube with the impression cylinder results in a length which is critical for practical applications, for example in tunneling. This problem is exacerbated by the space requirement of a locking device which is arranged between the guide tube and the impression cylinder.
  • a generator of seismic signals in which a drive mass is excited to a mechanical oscillation.
  • a piston part of the drive mass is located in a pressure cylinder, while the remaining parts of the drive mass protrude from the pressure cylinder.
  • the pressure cylinder is charged with hydraulic oil.
  • the object of the invention is to provide an improved device for generating mechanical vibrations, which reduces or eliminates the disadvantages of conventional techniques and which is characterized in particular by a simplified, robust and compact design of the moving parts and by a reduced overall length with the daily use, especially on tunnel boring machines with small bore diameters.
  • the device should in particular be suitable for producing reproducible pulse signals in freely selectable directions in solid bodies.
  • the object of the invention is furthermore to specify an improved method for generating mechanical vibrations, with which disadvantages of conventional techniques are reduced or eliminated.
  • the invention is based on the general technical teaching comprising a pulse generator (or vibration generator) with a seismic mass a striking mass and a drive piston, and with a pressure cylinder for moving the drive piston so educate, that the pressure cylinder is a double-acting pneumatic cylinder.
  • the drive piston in the pressure cylinder can be acted upon on both sides with a pressurized gas.
  • the impression cylinder comprises a first region in which the drive piston is movable and a locking device is arranged, and a second region in which the impact mass is movable.
  • the movable piston in the printing cylinder separates these areas in different pressure chambers, which are referred to as first and second pressure chamber accordingly.
  • the first pressure chamber is formed on a rear side of the drive piston, while the second pressure chamber is formed on the opposite, front side of the drive piston.
  • a division of the piston chamber wherein the entire impact mass is arranged to be movable within the second pressure chamber of the piston.
  • the system is pressure tight, d. H. the piston chamber is pressure-tight encapsulated.
  • the entire seismic mass is completely arranged in the pressure cylinder and movable in this.
  • Blowing mass has the particular advantage that the medium has a high compressibility. Furthermore, the use of a compressed gas in the construction according to the invention causes a substantial increase in the reproducibility of the signals.
  • the pulse generator is equipped with a support area with a percussion head, which can be placed on a solid body and on which the seismic mass impinges in a striking position.
  • the provision of the seismic mass with the impact mass and the drive piston, which are movable in the pressure chambers of the printing cylinder, provides several advantages. First, by subjecting the second pressure space to a gas pressure, rebound of the impact mass can be avoided, so that the waveform of the seismic wave can be adjusted with increased accuracy and reproducibility. With the piston geometry according to the invention, an active counter-reaction to the troublesome look-up is made possible. In contrast, conventional measures to reduce the lookup are passive and not adapted to current conditions.
  • the construction of the pulse generator can be considerably simplified since, in contrast to the device described in EP 1 085 347 A2, no guide tube is required for the impact mass.
  • the pulse generator according to the invention can be formed with a more compact design than the conventional pulse generator.
  • the pulse generator according to the invention can be adapted more easily to the limited space available in underground mining, in particular in tunnel construction.
  • An important advantage of the invention is to produce a percussion pulse in a manner known per se with a linearly moving mass, the disadvantages of this method with regard to the adjustment of the signal shape due to the rebound of the mass, the change of the signal due to any impermissible changes in the signal Underground and the limited choice of the direction of the pulse or their reproducibility can be prevented by a pneumatically pre-stressed with a defined force support area.
  • the first pressure chamber and the second pressure chamber are directly connected to each other, that is, the connected pressure chambers are free of pressure differences at their connection. Between the pressure chambers no separating seal is required.
  • a robust and compact design of the pulse generator can be achieved.
  • the striking mass and the drive piston form the guidance of the seismic mass in the pressure cylinder. It is sufficient if the striking mass and the drive piston form the only guide. Other guides, especially in the area between the impact mass and the drive piston are not required. Thus, the compactness of the pulse generator and the energy conversion efficiency can be further improved.
  • the pressure cylinder used in the invention is a double-acting pneumatic cylinder
  • at least two pressure gas openings are provided, which are arranged along the axial length of the pressure cylinder on opposite sides of the drive piston.
  • a first compressed gas opening is connected to the first pressure chamber and a second compressed gas opening is connected to the second pressure chamber.
  • the first compressed gas opening is preferably at one end of the first pressure chamber, which is opposite to the second pressure chamber, or at a third adjacent to this end of the first pressure chamber third th pressure space arranged.
  • the second compressed gas opening is preferably arranged at one end of the second pressure chamber, which adjoins the first pressure chamber.
  • the first pressure chamber in each position of the drive piston can be acted upon by an operating pressure on both sides thereof. Furthermore, by acting on the second pressure chamber through the second compressed gas opening with compressed gas, effectively both the rebound of the impact mass and a backward movement of the drive piston can be effected.
  • the pulse generator is equipped with a locking device which is provided for fixing the drive piston in the pressure cylinder.
  • the locking device is in contrast to the conventional device according to EP 1 085 347 A2 arranged on one side of the drive piston, which is opposite to the impact mass.
  • the locking device is arranged on the side of the drive piston, which is acted upon for forward movement from the starting position to the impact position with compressed gas.
  • the locking device replaces the clamping device provided in the conventional device according to EP 1 085 347 A2 between the striking mass and the piston. This has an advantageous effect on the compactness of the pulse generator and a trouble-free movement of the seismic mass (increased efficiency of energy conversion).
  • the locking device preferably cooperates with a triggering device, which is provided at the rear end of the first pressure chamber.
  • the triggering device is designed so that the seismic mass can be held in a stable locked state with the locking device, in particular while in the first pressure raum the operating pressure of the pulse generator is constructed, and the seismic mass can be released from the locked state, in particular when the forward movement of the seismic mass has been triggered to generate the mechanical vibration.
  • the locking device comprises a pin which extends axially from the drive piston in the first pressure chamber and carries a locking ring.
  • the locking ring forms a projection that surrounds the pin azimuthally over its entire circumference. The locking ring advantageously allows a cooperation with the triggering device regardless of a possible rotation of the drive piston.
  • the pulse generator is equipped with a pneumatic control device which comprises at least one electrically operable directional control valve and is adapted to pressurize at least one of the pressure chambers of the pressure cylinder with compressed gas.
  • the pneumatic control device advantageously allows a precise adjustment of the energy of the compressed gas in the first pressure chamber and the movement sequence of the seismic mass.
  • the pneumatic control device has a main directional valve, with which only the first or second pressure chamber or both the first and the second pressure chamber can be connected to at least one compressed gas source.
  • the entire operation of the pulse generator from the loading of the first pressure chamber on the forward movement of the seismic mass to the backward movement of the drive piston are controlled.
  • Reversing directional control valve which can be applied to the second pressure chamber with compressed gas or atmospheric pressure, the control of the pulse generator is simplified and the efficiency of the energy conversion in the generation of the seismic vibration is improved.
  • the reversing directional control valve is preferably connected to the at least one compressed gas source via a pressure-reducing directional control valve so that a reduced gas pressure for the rearward movement of the drive piston can be set in the second pressure chamber.
  • the triggering device can also be actuated with the pneumatic control device.
  • the pneumatic control device has a triggering directional valve, which is connected to a triggering cylinder of the triggering device. Upon actuation of the tripping
  • the release cylinder can be acted upon with compressed gas from the at least one compressed gas source to release the seismic mass from the locked state to the free state.
  • the pulse generator according to the invention can be easily attached to an auxiliary device with which the pulse generator can be pressed against the solid body in which the seismic oscillation is to be generated.
  • the pulse generator for generating and / or setting a biasing force is equipped with a biasing means, with which the pulse generator with the desired biasing force can be pressed onto the solid body.
  • the pretensioner preferably has at least one pneumatic biasing cylinder, which is fixedly connected to an outer wall of the pressure cylinder of the pulse generator. It may for example be provided a single biasing cylinder, which is fixed on one side on the printing cylinder (serial coupling).
  • a plurality of biasing cylinders may be provided, which are attached to the printing cylinder, in particular to a telescopically displaceable part of the printing cylinder (parallel coupling).
  • the serial coupling has the advantage that a relatively large displacement of the biasing device can be realized without the working stroke of the seismic mass is dependent on the displacement of the biasing device.
  • the parallel coupling has the advantage that acceleration forces in the triggering of the seismic mass only insignificantly affect the biasing force of the pulse generator.
  • the pneumatic control device is also designed to control the pretensioning device.
  • the pneumatic control device has a biasing directional control valve, which is connected to the at least one biasing cylinder of the biasing device. Upon actuation of the Vorspann- directional valve, the at least one biasing cylinder can be pressurized with compressed gas to adjust the desired biasing force.
  • the above-mentioned object is achieved by the general technical teaching to provide a method for generating mechanical vibrations in a solid body with the pulse generator according to the invention according to the above-mentioned first aspect.
  • the method for generating mechanical vibrations is characterized in particular by the following steps. First, the pulse generator is placed on the body at a predetermined position. For this purpose, the pulse generator with the contact area is placed on a surface of the body.
  • An important advantage of the invention is that due to the compact design of the pulse generator, this can be placed on the surface so that the longitudinal direction of the pulse generator forms an arbitrary angle with the surface normal of the body. The direction of the mechanical vibrations in the body can therefore be selected more easily than was possible with the conventional pulse generator.
  • the pulse generator can advantageously be pressed with an adjustable biasing force to the body. This allows precise adjustment of vibration parameters of the mechanical vibrations in the body.
  • the first pressure chamber is pressurized with compressed gas from the compressed gas source until a certain operating pressure is reached on the side facing away from the seismic mass side of the drive piston. This is followed by the release of the seismic mass, so that it moves into the impact position.
  • Pressure cylinder has the advantage that after releasing the seismic mass on its front side, the drive piston can be subjected to a pressure in order to reduce a rebound of the seismic mass and / or to prevent the seismic mass from rebounding. drive piston to move backwards to the starting position. There is provided a pressure build-up in the second pressure chamber of the pressure cylinder to form the pressure for the backward movement. The pressure buildup in the second pressure chamber preferably takes place with a predetermined delay time after the release of the seismic mass.
  • the pressure build-up in the printing cylinder in particular the timing of the admission of the pressure chambers with operating pressure, with the pneumatic control device is controlled.
  • the operation of the pulse generator according to the invention is considerably simplified when both pressure chambers of the pressure cylinder are pressurized with compressed gas from a single source of pressurized gas.
  • the pulse generator according to the invention is designed in particular for generating pulse-like vibrations in hard substrates or in structures (in particular large structures such as bridges, dams or the like).
  • the device according to the invention preferably forms a vibration generator for generating seismic oscillations in rock-like rocks in deeper layers of the earth's crust for research and reconnaissance purposes, in particular in mountain tunneling or in constructed tunnels, such as, for example. Eg bowl elements, tubbings.
  • FIG. 1 shows a sectional view of a first embodiment of the pulse generator according to the invention
  • Figure 2 is a sectional view of another embodiment of the pulse generator according to the invention
  • FIG. 3 shows an enlarged sectional view with details of a locking device of the invention
  • Figure 4 a schematic illustration of the pneumatic
  • FIG. 5 is a timing diagram of the operation of the pneumatic control device according to FIG. 4.
  • Figure 6 a schematic illustration of a tunnel boring machine, which is equipped with the pulse generator according to the invention.
  • FIG. 1 illustrates a first embodiment of the inventive pulse generator 100, which is characterized in particular by a pressure cylinder 20 with a rigid cylinder wall and a pretensioning device 60 with a serial coupling.
  • Figure 2 illustrates a modified embodiment, in particular by a pressure cylinder 20, whose length is telescopically variable, and a biasing means 60 with parallel coupling distinguishes. Both embodiments have in common that the pressure cylinder 20 is double-acting, that is, can be acted upon on both sides of the drive piston with compressed gas.
  • the pulse generator 100 comprises the seismic mass 10 with the drive piston 11 and the impact mass 12, the pressure cylinder 20 with the first pressure space 21 and the second pressure space 22, the support area 30 with which the pulse generator 100 can be placed on rock 70, Locking device 40, which is adapted to fix the seismic mass 10 in a starting position, and the biasing means 60, with which the support portion 30 can be pressed onto the rock 70 with a predetermined biasing force.
  • the seismic mass 10 is movable in the pressure cylinder 20 between a starting position A (shown in dashed lines in FIG. 1) and an impact position B (illustrated in FIG. 1).
  • the pulse generator 100 extends in a longitudinal direction which is equal to the axial direction of the impression cylinder.
  • the end having the support portion 30 is referred to as the front side (front end) of the pulse generator 100, while the opposite end is referred to as the back side (rear end) of the pulse generator 100.
  • the individual pressure chambers 21, 22 are not separated by seals or guides.
  • the printing cylinder 20 may be equipped on the back with a third pressure chamber 26 which is connected to the first pressure chamber 21 and for receiving parts of the triggering device. provided for (see below). By varying this pressure chamber, the impact energy is variable.
  • the wall of the pressure cylinder 20 forms a stop surface 27 for the stop 114 located on the drive piston 11. In the starting position A, the drive piston 11 with the stop 114 lies against the stop surface 27 of the first pressure chamber 21.
  • the first pressure chamber 21 can be pressurized or vented via a first compressed gas opening 23 with compressed gas.
  • the first compressed gas opening 23 is provided at the third pressure chamber 26.
  • the first compressed gas opening can be provided directly on the rear side of the drive piston 11, in particular at the rear end of the first pressure chamber 21.
  • the second pressure chamber 22 is equipped with a second compressed gas opening 24, through which the second pressure chamber 22 can be acted upon or vented in the region between the drive piston 11 in position B and the support area 30 with a compressed gas.
  • the pulse generator 100 for example, the following dimensions are given.
  • the mass of the seismic mass 10 is about 16 kg.
  • the axial length of the printing cylinder 20 is about 75 cm.
  • the inner diameter of the printing cylinder 20 is about 10 cm.
  • the printing cylinder 20 is designed for a total stroke of about 16 cm at a working stroke of about 15 cm.
  • the individual pressure chambers 21, 22 (and possibly 26) of the printing cylinder 20 as assemblies of the same or different materials (for example, aluminum, aluminum alloy, steel, stainless steel) constructed and gas-tight interconnected.
  • the pressure chambers can be made in one piece with a continuous tube, which is closed at its ends by the locking device 40 and the support portion 30 gas-tight.
  • the drive piston 11 and the jacket of the space 21 consist of non-magnetic materials.
  • the piston position can be determined by arranged outside of the pressure cylinder 20 magnetic switch, it being possible to use at least partially in the switching range of the cylinder wall non-magnetic material.
  • the seismic mass 10 comprises the drive piston 11 and the impact mass 12, which are connected via a connecting piece 13.
  • the drive piston 11 has a guide ring 111 and piston seals 112. Inside the drive piston 11 is a magnetic ring 113, which is provided for detecting the position of the drive piston 11 and / or for switching purposes.
  • the striking mass 12 has roller bearings 121, which are the front part of the seismic mass in the second
  • a striking surface 122 is provided, which consists for example of hardened steel.
  • the end face 34 of the impact head 31 is attached to the seal 32.
  • a flange 123 is provided, on which the connecting piece 13 is screwed.
  • the connecting piece 13 comprises a component extending in the axial direction of the pulse generator 100 through the first and second pressure chambers 21, 22, on which the drive piston 11 is secured at a distance from the striking mass 12 and at its rear end a pin 42 with a locking ring 43, which are part of the locking device 40 (see below).
  • the connecting piece 13 is made of steel, for example.
  • the support region 30 comprises a in the end face 34 with seals 32, 33 mounted impact head 31, wherein with the Seals 32, 33 of the second pressure chamber 22 is closed gas-tight at the front of the pulse generator 10.
  • the impact head 31 is made of hardened steel, for example. Upon impact of the seismic mass 10 on the impact head 31, there is an impulse transmission with an oscillation excitation in the rock 70. The excited P-waves propagate in the rock 70 in the longitudinal direction of the pulse generator 10.
  • the locking device 40 comprises a triggering device 41, which is provided on the rear side of the printing cylinder 20, and the combination of pin 42 and locking ring 43 at the rear end of the connecting piece 13.
  • the triggering device 41 which is illustrated enlarged in FIG Release cylinder 44 with a cylinder plunger 453 and a release lever 45 which is mounted pivotably about an axis 451 in the locking device 40.
  • the release lever 45 has at one end a locking roller 452 which is supported on the lever 45 via an axis 451.
  • the trigger lever 45 is connected at the other end with a coil spring 454, which is arranged in the third pressure chamber 26.
  • the locking device 40 is illustrated with a separate end piece 46, a push-out thread 47 and a rotation lock 48. These components are used for disassembly of the thrust bearing 25, for example, during wear.
  • the seismic mass 10 is retracted in the pressure cylinder 20 and fixed to the locking device 40.
  • the loading of the first pressure chamber 21 is carried out with compressed gas.
  • the pin 42 at the rear end of the connecting piece 13 is arranged in this state in a thrust bearing 25 of the printing cylinder 20.
  • the release lever 45 is tilted so as to fix the lock ring 43.
  • the release cylinder 44 is actuated.
  • the cylinder plunger 453 pivots against the force of the coil spring 454 the release lever 45, so that the locking ring 13 is released.
  • the seismic mass 10 moves under the action of the pressurized gas in the first pressure chamber 21 accelerated until the impact surface 122 at the end of the impact mass 12 strikes the impact head 31.
  • the operating pressure and the working pressure are in such a relationship to each other that at the moment of impact of the impact surface 122 on the impact head 31 on the drive piston no or only small gas pressure forces act.
  • the pretensioner 60 includes a biasing cylinder 61 fixedly connected to the impression cylinder 20.
  • the pretensioner 60 is attached to a machine, such as a tunnel boring machine, or other device, such as a tripod or vehicle, depending on the application of the pulse generator 100, as is known in conventional vibration generating apparatus.
  • the serial coupling of the pretensioning cylinder 61 shown in FIG. 1 permits a displacement of, for example, 20 cm. Alternatively, depending on the application, larger displacement paths can be realized, for example in the range above 50 cm.
  • the pneumatic control of the pressure cylinder 20, the release cylinder 44 ( Figure 3) and the biasing cylinder 61 is carried out with a pneumatic control device 50, which will be explained below with reference to Figure 4.
  • FIG. 2 shows a modified embodiment of the pulse generator 100 according to the invention with the seismic mass 10, the pressure cylinder 20, the support area 30, the locking mechanism. Gating device 40 and the biasing means 60.
  • the components 10, 30 and 40 are constructed as described above with reference to Figures 1 and 3.
  • the pretensioner 60 in the embodiment shown in FIG. 2 comprises a plurality, preferably at least three, biasing cylinders 61 mounted on the outside of the front end of the rear cylinder part 201 and adapted to apply the biasing force to the front cylinder part 202.
  • This parallel coupling of the biasing device 60 a displacement of about 25 mm is realized. Although this causes a slight change in the displacement path of the seismic mass 10.
  • this embodiment has the advantage that acceleration forces in the triggering of the seismic mass 10 only insignificantly affect the biasing force of the impact head 31.
  • the locking device 40 Upon reaching a predetermined, set pressure, the locking device 40 opens, so that this energy is converted into kinetic energy of the seismic mass 10. After the impact surface 122 of the seismic mass 10 strikes the impact head 31, air flows in via the second pressure gas opening 24 and prevents the seismic mass 10 from looking up. At the same time, the seismic mass 10 is returned to the starting position.
  • FIG. 4 illustrates a preferred embodiment of the pneumatic control device 50 used according to the invention, which is set up to pressurize at least the pressure chambers 21, 22 and 26 of the schematically illustrated pressure cylinder 20, but preferably also the release cylinder 44 and the at least one biasing cylinder 61.
  • the pneumatic control device 50 preferably has an input 51 for connection to a compressed gas source 80 (for example a compressor).
  • a compressed gas source 80 for example a compressor
  • the entire pulse generator 100 according to the invention can be operated with a single compressed gas source 80.
  • a plurality of compressed gas sources may be provided, for example, to pressurize at least one of said cylinders separately from the others with compressed gas.
  • the pneumatic control device 50 has a main directional valve 513, with the compressed gas from the compressed gas source 80 is selectively supplied to the pressure chambers 21, 26 and / or the pressure chamber 22 of the pressure cylinder 20. Furthermore, the pneumatic control device 50 has a reversing directional control valve 514, with which the second pressure chamber 22 can be vented in the open state (exposure to atmospheric ambient pressure) or pressurized gas can be applied in the closed state of the second pressure chamber 22. To adjust the pressure in the second pressure chamber 22, a pressure reducing valve 515 is arranged between the main directional control valve 513 and the second pressure chamber 22.
  • the pneumatic control device 50 further has a triggering directional control valve 511, which is arranged between the input 51 and the triggering cylinder 44 of the triggering device 41. Finally, a biasing directional control valve 512 is provided between the input 51 and the biasing cylinders 61.
  • the aforementioned directional control valves 511, 512, 513 and 514 are electrically controllable valves, for example 2/5-way pneumatic valves (eg of the type 0820038153, manufacturer Bosch).
  • the pneumatic control device 50 is connected to a control circuit (not shown), such. B. a control computer, equipped with which the function of the control device 50 is controlled and adjusted.
  • the pneumatic control device 50 is preferably operated as explained below with reference to FIGS. 4 and 5.
  • To generate mechanical vibrations of the pressure chamber 21 (possibly with 26) in the starting position A (see Figure 1) is pressurized gas.
  • the size of the pressure space 21, 26 can be controlled by a solenoid operated by the piston 11 540, which is disposed outside of the pressure cylinder 20.
  • This energy is in shape Compressed air via the input 51 and the main directional control valve 513 the pressure chamber 21, 26, respectively.
  • the control of the compressed gas is effected by a pressure switch 530, which actuates the release cylinder 44 upon reaching the set pressure with the aid of the trip-way valve 511, so that the actuation energy is defined and reproducible.
  • the main directional control valve 513 further has the task of reversing with a defined time delay and supplying compressed gas to the second pressure chamber 22, which serves both to avoid the refilling and to return the seismic masses 10 to the starting position A.
  • lower pressure gas is used, which is provided by means of the pressure reducing valve 515.
  • the reversing directional control valve 514 is used to ensure a defined pressure in the pressure chamber 22 in the starting position A and to close it at the time of reversal of the main directional control valve 513 at the same time.
  • the biasing cylinders are shown by way of example by the reference numerals 61, 62, 63.
  • the biasing directional control valve 512 which is also supplied via the Eingtein 51 with compressed gas, actuates the biasing cylinder 61, 62, 63. To form the biasing force, the biasing cylinder 61, 62, 63 act on the feed with compressed gas.
  • a pressure switch 520 is used to set the desired preload. By reversing the biasing-directional control valve 512, the pressure of the compressed gas source 80 is used to retreat the displacement cylinder and relaxes the contact pressure via lines 591.
  • valves 511 to 514 each have two switching positions, wherein in the rest position, ie transport, assembly, storage or readiness of the pulse generator gate 100 is given a dominant valve position.
  • the different switching positions are represented by “a” and "b”. If the readiness is established, ie the signal prepared, the pulse generator 100 is pressed against the rock 70.
  • the reversing directional control valve 514 switches from cylinder venting "b” to compressed air supply line "a” and makes it possible to push the drive piston in the pressure cylinder 20 into the starting position A.
  • the compressed gas is conducted to the reversing directional control valve 514 and thereby the drive piston is moved to the starting position A.
  • the trigger-way valve 511 unlocks the release cylinder 44, wherein the release lever 45 is raised with the roller 452, so that the lock ring 43 can pass better.
  • the time to reach the standby state is limited and controlled by the control circuit of the controller.
  • the main directional control valve 513 is reversed with a signal of the control circuit.
  • the pressure chamber 21, 26 is pressurized with compressed gas.
  • the pressure switch 530 detects the set value, the triggering device 41 is actuated with the trip-way valve 511.
  • the reversing directional control valve 514 switches over. With a delay time tl and the main directional control valve 513 is reversed, so that the pressure chamber 22 is pressurized gas, which prevents a lookup of the seismic mass 10 and leads back to its starting position A, which is reached again after a time t2.
  • the reversing directional control valve 514 is toggled to materially control the return cycle.
  • FIG. 6 schematically illustrates a tunnel boring machine (TBM) 200, with which the pulse generator 100 according to the invention is preferably used.
  • the tunnel boring machine 200 drills in rock 70 (rock).
  • a carrier part 210 of the tunnel boring machine 200 is supported with lateral supports 220 relative to the rock 70.
  • at least one pulse generator may be disposed on the bit 230 or on one of the lateral supports 220 or other suitable locations.

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Abstract

Ein Impulsgenerator (100), der zur Erzeugung mechanischer Schwingungen in einem festen Körper (70) eingerichtet ist, umfasst eine seismische Masse (10), die zwischen einer Ausgangsposition (A) und einer Schlagposition (B) beweglich ist und einen Antriebskolben (11) und eine Schlagmasse (12) umfasst, einen Druckzylinder (20), der zum Antrieb des Antriebskolbens (11) eingerichtet ist, und einen Auflagebereich (30), der auf den festen Körper (70) aufsetzbar ist, wobei der Druckzylinder (20) auf beiden Seiten des Antriebskolbens (11) mit einem Druckgas beaufschlagbar ist, und der Druckzylinder (20) einen ersten Druckraum (21), der durch eine Seite des Antriebskolbens (11) begrenzt ist, und einen zweiten Druckraum (22) umfasst, der durch die andere Seite des Antriebskolbens (11) begrenzt ist und in dem die Schlagmasse (12) beweglich ist. Es werden auch eine mit dem Impulsgenerator ausgestattete Tunnelbohrmaschine und ein Verfahren zur Erzeugung mechanischer Schwingungen in einem festen Körper (70) beschrieben.

Description

Impulsgenerator, insbesondere zur Anregung seismischer Wellen
Die Erfindung betrifft einen Impulsgenerator zur Erzeugung mechanischer Schwingungen in festen Körpern, insbesondere einen Impulsgenerator zur Erzeugung von impulsartigen P- oder S-Wellen in der Erdkruste oder in Bauwerken, wie z. B. einen Schwingungsgenerator für seismische Erkundungen. Die Erfin- düng betrifft des Weiteren ein Verfahren zur Erzeugung mechanischer Schwingungen, insbesondere unter Anwendung des genannten Impulsgenerators. Die Erfindung ist für Anwendungen z. B. bei der Untersuchung oder Erkundung von festem Gestein oder Erdboden oder bei der Untersuchung von Bauwerken vorge- sehen.
Zur Erzeugung seismischer Wellen in der Erdkruste für For- schungs- und Erkundungsaufgaben sind verschiedene Techniken bekannt. Übersichten werden z. B. in DE 23 34 996 und von Miller et al. in "Geophysics" (Bd. 57, Nr. 5, S. 693 ff) gegeben. Spezielle Techniken umfassen die Erzeugung impulshal- tiger Anregungen durch Implosionen (DE 22 02 289), eine hydraulische Schwingungserzeugung (DE 19 50 91 22) und seismische Gasexplosionen (DE 19 53 924) . Ein genereller Nachteil der herkömmlichen Techniken besteht in der beschränkten Einstellbarkeit und Reproduzierbarkeit der Impulsparameter. Sind jedoch insbesondere der zeitliche Verlauf und die Energie der erzeugten seismischen Schwingungen nur ungenau oder gar nicht bekannt, so wird auch die Genauigkeit der Auswertung von Schwingungsmessungen eingeschränkt.
Ein generelles Problem bei der Impulserzeugung durch bewegte Massen besteht darin, dass nach dem Aufschlag einer bewegten Masse auf einen festen Körper ein Rückimpuls auf den Impuls- geber ausgeübt wird. Dadurch kommt es zu Nachschlägen, welche die Impulsanregung und damit auch die Auswertung der seismischen Messung verfälschen. Um diesem Problem zu begegnen, wird in DE 32 24 624 ein Impulsgeber mit bewegter Masse be- schrieben, der eine hydraulische Bremse mit einer Fangvorrichtung für die Masse aufweist. Dieser Impulsgenerator zeichnet sich jedoch durch einen komplizierten Aufbau aus, so dass eine Anwendung in der Praxis, insbesondere der untertä- gige Einsatz, erschwert ist.
In EP 1 085 347 A2 wird zur Lösung der genannten Probleme vorgeschlagen, einen Impulsgenerator zur Erzeugung seismischer Schwingungen bereitzustellen, bei dem eine Schlagmasse mit einem Antriebskolben betätigt wird, der in einem mit Druckgas beaufschlagten Druckzylinder bewegt wird. Die
Schlagmasse ist über eine Kolbenstange mit dem Antriebskolben verbunden. Vorteilhafterweise können durch die Einstellung des Druckzylinders (insbesondere Arbeitsdruck, Verschiebeweg des Antriebskolbens) die Schwingungsparameter der mit der Schlagmasse erzeugten Schwingung genau und reproduzierbar eingestellt werden. Von Nachteil ist jedoch, dass die Kolbenstange von einem Zylinderraum des Druckzylinders in ein Führungsrohr, in dem sich die Schlagmasse bewegt, durch eine Dichtung geführt werden muss. Durch die Dichtung und Schlank- heit der benötigten Kolbenstange wird die Robustheit und Zuverlässigkeit der herkömmlichen Vorrichtung beschränkt. Von Nachteil kann ferner sein, dass durch die Kombination des Führungsrohrs mit dem Druckzylinder eine Baulänge resultiert, die für praktische Anwendungen, zum Beispiel im Tunnelbau, kritisch ist. Dieses Problem wird noch durch den Platzbedarf einer Sperreinrichtung verschärft, die zwischen dem Führungsrohr und dem Druckzylinder angeordnet ist. Aus GB 1 579 841 ist ein Generator seismischer Signale bekannt, bei dem eine Antriebsmasse zu einer mechanischen Schwingung angeregt wird. Ein Kolbenteil der Antriebsmasse befindet sich in einem Druckzylinder, während die übrigen Teile der Antriebsmasse aus dem Druckzylinder herausragen. Der Druckzylinder wird mit hydraulischem Öl beaufschlagt. Nachteile des Generators gemäß GB 1 579 841 bestehen in seiner komplizierten und großen Bauform und dem Auftreten von Rückschlägen bei einer seismischen Anregung von festem Mate- rial.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Vorrichtung zur Erzeugung mechanischer Schwingungen anzugeben, mit der Nachteile herkömmlicher Techniken vermindert oder ausge- schlössen werden und die sich insbesondere durch eine vereinfachte, robuste und kompakte Bauform der bewegten Teile auszeichnet und durch eine verringerte Gesamtlänge mit dem un- tertägigen Einsatz, insbesondere an Tunnelbohrmaschinen mit geringen Bohrdurchmessern, kompatibel ist. Die Vorrichtung soll insbesondere dazu geeignet sein, in festen Körpern reproduzierbare Impulssignale in frei wählbarer Richtung zu erzeugen. Die Aufgabe der Erfindung ist es des Weiteren, ein verbessertes Verfahren zur Erzeugung mechanischer Schwingungen anzugeben, mit dem Nachteile herkömmlicher Techniken ver- mindert oder ausgeschlossen werden.
Diese Aufgaben werden durch einen Impulsgenerator und ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Anwendungen der Er- findung ergeben sich auch aus den abhängigen Ansprüchen.
Gemäß einem ersten Aspekt basiert die Erfindung auf der allgemeinen technischen Lehre, einen Impulsgenerator (oder: Schwingungsgenerator) mit einer seismischen Masse, umfassend eine Schlagmasse und einen Antriebskolben, und mit einem Druckzylinder zur Bewegung des Antriebskolbens so weiterzubilden, dass der Druckzylinder ein doppelt wirkender Pneumatikzylinder ist. Der Antriebskolben im Druckzylinder kann beidseitig mit einem Druckgas beaufschlagt werden. Gemäß einem weiteren wesentlichen Merkmal der Erfindung umfasst der Druckzylinder einen ersten Bereich, in dem der Antriebskolben beweglich und eine Verriegelungseinrichtung angeordnet ist, und einen zweiten Bereich, in dem die Schlagmasse beweglich ist. Der im Druckzylinder bewegliche Kolben trennt diese Bereiche in unterschiedliche Druckräume, die entsprechend als erster und zweiter Druckraum bezeichnet werden. Der erste Druckraum ist auf einer rückwärtigen Seite des Antriebskolbens gebildet, während der zweite Druckraum auf der entgegen- gesetzten, vorderen Seite des Antriebskolbens gebildet ist.
Erfindungsgemäß ist eine Zweiteilung des Kolbenraumes vorgesehen, wobei die gesamte Schlagmasse innerhalb des zweiten Druckraums des Kolbens beweglich angeordnet ist. Das System ist druckdicht, d. h. der Kolbenraum ist druckdicht gekapselt. Vorteilhafterweise ist die gesamte seismische Masse vollständig im Druckzylinder angeordnet und in diesem beweglich.
Die Verwendung eines Druckgases als Medium zum Antrieb der
Schlagmasse hat den besonderen Vorteil, dass das Medium eine hohe Kompressibilität aufweist. Weiter bewirkt die Nutzung eines Druckgases in der erfindungsgemäßen Konstruktion eine substanzielle Erhöhung der Reproduzierbarkeit der Signale.
Der Impulsgenerator ist mit einem Auflagebereich mit einem Schlagkopf ausgestattet, der auf einen festen Körper aufsetzbar ist und auf den die seismische Masse in einer Schlagposition aufprallt. Die Bereitstellung der seismischen Masse mit der Schlagmasse und dem Antriebskolben, die in den Druckräumen des Druckzylinders beweglich sind, liefert mehrere Vorteile. Erstens kann durch die Beaufschlagung des zweiten Druckraums mit einem Gasdruck ein Rückprall der Schlagmasse vermieden werden, so dass die Signalform der seismischen Welle mit erhöhter Genauigkeit und Reproduzierbarkeit eingestellt werden kann. Mit der erfindungsgemäßen Kolbengeometrie wird eine aktive Gegen- reaktion auf das störende Nachschlagen ermöglicht. Dazu im Gegensatz sind herkömmliche Maßnahmen zur Verringerung des Nachschlagens passiv und nicht den aktuellen Bedingungen an- gepasst steuerbar.
Des Weiteren kann der Aufbau des Impulsgenerators erheblich vereinfacht werden, da im Unterschied zu der in EP 1 085 347 A2 beschriebenen Vorrichtung kein Führungsrohr für die Schlagmasse erforderlich ist. Somit kann der erfindungsgemäße Impulsgenerator mit einer kompakteren Bauform gebildet werden als der herkömmliche Impulsgenerator. Der erfindungsgemäße Impulsgenerator kann insbesondere leichter an die beengten Platzverhältnisse im Untertagebau, insbesondere beim Tunnelbau angepasst werden.
Ein wichtiger Vorteil der Erfindung besteht darin, auf an sich bekannte Art mit einer linear bewegten Masse einen Schlagimpuls zu erzeugen, wobei die Nachteile dieser Methode in Bezug auf die Einstellung der Signalform durch den Rückprall der Masse, die Veränderung des Signals durch etwaige unzulässige Veränderungen im Untergrund und die eingeschränkte Wahl der Impulsrichtung bzw. deren Reproduzierbarkeit durch einen mit einer definierten Kraft pneumatisch vorgespannten Auflagebereich verhindert werden. Vorzugsweise sind der erste Druckraum und der zweite Druckraum unmittelbar miteinander verbunden, das heißt die verbundenen Druckräume sind an ihrer Verbindung frei von Druckunterschieden. Zwischen den Druckräumen ist keine trennende Dichtung erforderlich. Insbesondere durch die Integration von Schlagmasse und Antriebseinheit werden eine robuste und kompakte Bauform des Impulsgenerators erreicht. Des Weiteren werden Reibungsverluste, die bei dem herkömmlichen Impulsgenerator zwischen der Kolbenstange und einer Dichtung des Druckzylinders auftreten können, erfindungsgemäß vermieden. Somit kann eine erhöhte Effizienz der Energieumwandlung von der im Druckzylinder gespeicherten Energie des Druckgases in die Schlagenergie der bewegten Schlagmasse erreicht werden.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Merkmal bilden die Schlagmasse und der Antriebskolben die Führung der seismischen Masse im Druckzylinder. Es ist ausreichend, wenn die Schlagmasse und der Antriebskolben die einzige Führung bilden. Weitere Führungen, insbesondere in dem Bereich zwischen der Schlag- masse und dem Antriebskolben sind nicht erforderlich. Somit können die Kompaktheit des Impulsgenerators und die Effizienz der Energieumwandlung weiter verbessert werden.
Da der erfindungsgemäß verwendete Druckzylinder ein doppelt wirkender pneumatischer Zylinder ist, sind mindestens zwei Druckgasöffnungen vorgesehen, die entlang der axialen Länge des Druckzylinders auf entgegengesetzten Seiten des Antriebskolbens angeordnet sind. Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform der Erfindung, bei der eine erste Druckgasöffnung mit dem ersten Druckraum und eine zweite Druckgasöffnung mit dem zweiten Druckraum verbunden ist. Die erste Druckgasöffnung ist vorzugsweise an einem Ende des ersten Druckraums, welches dem zweiten Druckraum entgegengesetzt ist, oder an einem an dieses Ende des ersten Druckraums angrenzenden drit- ten Druckraum angeordnet. Die zweite Druckgasöffnung ist vorzugsweise an einem Ende des zweiten Druckraumes angeordnet, das an den ersten Druckraum angrenzt. Somit kann vorteilhafterweise der erste Druckraum in jeder Position des Antriebs- kolbens auf beiden Seiten von diesem mit einem Betriebsdruck beaufschlagt werden. Des Weiteren kann durch eine Beaufschlagung des zweiten Druckraums durch die zweite Druckgasöffnung mit Druckgas effektiv sowohl der Rückprall der Schlagmasse als auch eine Rückwärtsbewegung des Antriebskolbens bewirkt werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Impulsgenerator mit einer Verriegelungseinrichtung ausgestattet, die zur Fixierung des Antriebskolbens im Druckzylinder vorgesehen ist. Die Verriegelungseinrichtung ist im Unterschied zur herkömmlichen Vorrichtung gemäß EP 1 085 347 A2 an einer Seite des Antriebskolbens angeordnet, die zu der Schlagmasse entgegengesetzt ist. Die Verriegelungseinrichtung ist an der Seite des Antriebskolbens angeordnet, die zur Vorwärtsbewegung von der Ausgangsposition in die Schlagposition mit Druckgas beaufschlagt wird. Die Verriegelungseinrichtung ersetzt die bei der herkömmlichen Vorrichtung gemäß EP 1 085 347 A2 vorgesehene Klemmeinrichtung zwischen der Schlagmasse und dem Kolben. Dies wirkt sich vorteilhaft auf die Kompaktheit des Impulsgenerators und eine störungsfreie Bewegung der seismischen Masse (erhöhte Effizienz der Energieumwandlung) aus.
Die Verriegelungseinrichtung wirkt vorzugsweise mit einer Auslöseeinrichtung zusammen, die am rückseitigen Ende des ersten Druckraums vorgesehen ist. Die Auslöseeinrichtung ist so ausgebildet, dass die seismische Masse mit der Verriegelungseinrichtung in einem stabilen verriegelten Zustand gehalten werden kann, insbesondere während im ersten Druck- räum der Betriebsdruck des Impulsgenerators aufgebaut wird, und die seismische Masse aus dem verriegelten Zustand freigegeben werden kann, insbesondere wenn die Vorwärtsbewegung der seismischen Masse zur Erzeugung der mechanischen Schwingung ausgelöst worden ist.
Vorzugsweise umfasst die Verriegelungseinrichtung einen Zapfen, der sich vom Antriebskolben axial in den ersten Druckraum erstreckt und einen Sperrring trägt. Der Sperrring bil- det einen Vorsprung, der den Zapfen auf seinem gesamten Umfang azimutal umgibt. Der Sperrring ermöglicht vorteilhafterweise eine Zusammenwirkung mit der Auslöseeinrichtung unabhängig von einer eventuellen Verdrehung des Antriebskolbens.
Wenn der Zapfen der Verriegelungseinrichtung im verriegelten Zustand, das heißt in der Ausgangsposition des Antriebskolbens, in einem Axiallager des Druckzylinders fixierbar ist, so ergeben sich Vorteile für die Halterung und Ausrichtung der seismischen Masse im Druckzylinder.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Impulsgenerator mit einer pneumatischen Steuereinrichtung ausgestattet, die mindestens ein elektrisch betätigbares Wegeventil umfasst und dazu eingerichtet ist, min- destens einen der Druckräume des Druckzylinders mit Druckgas zu beaufschlagen. Die pneumatische Steuereinrichtung ermöglicht vorteilhafterweise eine genaue Einstellung der Energie des Druckgases im ersten Druckraum und des Bewegungsablaufs der seismischen Masse. Vorzugsweise weist die pneumatische Steuereinrichtung ein Haupt-Wegeventil auf, mit dem ausschließlich der erste oder zweite Druckraum oder sowohl der erste als auch der zweite Druckraum mit mindestens einer Druckgasquelle verbunden werden kann. Vorteilhafterweise kann mit der Steuerung des Haupt-Wegeventils der gesamte Betrieb des Impulsgenerators vom Laden des ersten Druckraums über die Vorwärtsbewegung der seismischen Masse bis zur Rückwärtsbewegung des Antriebskolbens kontrolliert werden.
Wenn die pneumatische Steuereinrichtung des Weiteren ein
Umsteuer-Wegeventil aufweist, über das der zweite Druckraum mit Druckgas oder atmosphärischem Umgebungsdruck beaufschlagt werden kann, wird die Steuerung des Impulsgenerators vereinfacht und die Effizienz der Energieumwandlung bei der Erzeu- gung der seismischen Schwingung verbessert. Vorzugsweise ist das Umsteuer-Wegeventil über ein Druckreduzier-Wegeventil mit der mindestens einen Druckgasquelle verbunden, so dass im zweiten Druckraum ein verminderter Gasdruck für die Rückwärtsbewegung des Antriebskolbens eingestellt werden kann.
Vorteilhafterweise kann mit der pneumatischen Steuereinrichtung auch die Auslöseeinrichtung betätigt werden. Hierzu weist die pneumatische Steuereinrichtung ein Auslöse- Wegeventil auf, das mit einem Auslösezylinder der Auslöseein- richtung verbunden ist. Bei Betätigung des Auslöse-
Wegeventils kann der Auslösezylinder mit Druckgas aus der mindestens einen Druckgasquelle beaufschlagt werden, um die seismische Masse vom verriegelten Zustand in den freien Zustand freizugeben.
Der erfindungsgemäße Impulsgenerator kann insbesondere wegen seiner kompakten Bauform einfach an einem Zusatzgerät befestigt werden, mit dem der Impulsgenerator gegen den festen Körper, in dem die seismische Schwingung erzeugt werden soll, angepresst werden kann. Vorzugsweise ist der Impulsgenerator zur Erzeugung und/oder Einstellung einer Vorspannkraft mit einer Vorspanneinrichtung ausgestattet, mit welcher der Impulsgenerator mit der gewünschten Vorspannkraft auf den festen Körper gepresst werden kann. Die Vorspanneinrichtung weist vorzugsweise mindestens einen pneumatischen Vorspannzylinder auf, der mit einer Außenwand des Druckzylinders des Impulsgenerators fest verbunden ist. Es kann beispielsweise ein einziger Vorspannzylinder vorgesehen sein, der einseitig am Druckzylinder befestigt ist (serielle Ankopplung) . Alternativ können mehrere Vorspannzylinder vorgesehen sein, die an dem Druckzylinder, insbesondere an einem teleskopartig verschiebbaren Teil des Druckzylinders befestigt sind (parallele Ankopplung) . Die serielle Ankopplung hat den Vorteil, dass ein relativ großer Verschiebeweg der Vorspanneinrichtung realisiert werden kann, ohne dass der Arbeitshub der seismischen Masse vom Verschiebeweg der Vorspanneinrichtung abhängig ist. Die parallele Ankopplung hingegen hat den Vorteil, dass sich Beschleunigungskräfte bei der Auslösung der seismischen Masse nur unwesentlich auf die Vorspannkraft des Impulsgenerators auswirken.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die pneumatische Steuereinrichtung auch dazu einge- richtet, die Vorspanneinrichtung zu steuern. Hierzu weist die pneumatische Steuereinrichtung ein Vorspann-Wegeventil auf, das mit dem mindestens einen Vorspannzylinder der Vorspanneinrichtung verbunden ist. Bei Betätigung des Vorspann- Wegeventils kann der mindestens eine Vorspannzylinder mit Druckgas beaufschlagt werden, um die gewünschte Vorspannkraft einzustellen.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die oben genannte Aufgabe durch die allgemeine technische Lehre gelöst, ein Verfahren zur Erzeugung mechanischer Schwingungen in einem festen Körper mit dem erfindungsgemäßen Impulsgenerator gemäß dem oben genannten ersten Aspekt bereitzustellen. Das Verfahren zur Erzeugung mechanischer Schwingungen zeichnet sich insbesondere durch die folgenden Schritte aus. Zunächst wird der Impulsgenerator auf dem Körper an einer vorbestimmten Position angeordnet. Hierzu wird der Impulsgenerator mit dem Auflagebereich auf einer Oberfläche des Kör- pers aufgesetzt. Ein wichtiger Vorteil der Erfindung besteht darin, dass aufgrund der kompakten Bauform des Impulsgenerators dieser auf der Oberfläche so aufgesetzt werden kann, dass die Längsrichtung des Impulsgenerators einen frei wählbaren Winkel mit der Oberflächennormalen des Körpers bildet. Die Richtung der mechanischen Schwingungen im Körper kann daher leichter ausgewählt werden, als dies mit dem herkömmlichen Impulsgenerator möglich war.
Anschließend folgt ein Vorspannen des Auflagebereiches rela- tiv zum Körper, vorzugsweise indem die Vorspanneinrichtung des erfindungsgemäßen Impulsgenerators betätigt wird. Der Impulsgenerator kann vorteilhafterweise mit einer einstellbaren Vorspannkraft an den Körper gepresst werden. Dies ermöglicht eine genaue Einstellung von Schwingungsparametern der mecha- nischen Schwingungen im Körper. Danach erfolgen der Rückzug und das Verriegeln der seismischen Masse in der Rückzugsposition sowie der Druckaufbau im ersten Druckraum des Druckzylinders. Der erste Druckraum wird mit Druckgas aus der Druckgasquelle beaufschlagt, bis ein bestimmter Betriebsdruck auf der von der seismischen Masse abgewandten Seite des Antriebskolbens erreicht ist. Anschließend erfolgt die Freigabe der seismischen Masse, so dass sich diese in die Schlagposition bewegt.
Die erfindungsgemäße Verwendung eines doppelt wirkenden
Druckzylinders bietet den Vorteil, dass der Antriebskolben nach der Freigabe der seismischen Masse auf seiner Vorderseite mit einem Druck beaufschlagt werden kann, um einen Rückprall der seismischen Masse zu vermindern und/oder um den An- triebskolben rückwärts in die Ausgangsposition zu bewegen. Es ist ein Druckaufbau im zweiten Druckraum des Druckzylinders vorgesehen, um den Druck für die Rückwärtsbewegung zu bilden. Vorzugsweise erfolgt der Druckaufbau im zweiten Druckraum mit einer vorbestimmten Verzögerungszeit nach der Freigabe der seismischen Masse.
Besonders bevorzugt wird der Druckaufbau im Druckzylinder, insbesondere der zeitliche Ablauf der Beaufschlagung der Druckräume mit Betriebsdruck, mit der pneumatischen Steuereinrichtung gesteuert. Vorteilhafterweise wird der Betrieb des erfindungsgemäßen Impulsgenerators erheblich vereinfacht, wenn beide Druckräume des Druckzylinders mit Druckgas aus einer einzigen Druckgasquelle beaufschlagt werden.
Der erfindungsgemäße Impulsgenerator ist insbesondere zur Erzeugung impulsartiger Schwingungen in harten Untergründen oder in Bauwerken (insbesondere Großbauwerke wie Brücken, Staumauern oder dergleichen) ausgelegt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung bildet vorzugsweise einen Schwingungsgenerator zur Erzeugung seismischer Schwingungen in felsartigen Gesteinen in tiefer liegenden Schichten der Erdkruste für For- schungs- und Erkundungszwecke, insbesondere beim Gebirgstun- nelbau oder bei ausgebauten Tunnelwänden, wie z. B. Schalen- elementen, Tübbingen.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
Figur 1: eine Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Impulsgenerators; Figur 2: eine Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Impulsgenerators;
Figur 3: eine vergrößerte Schnittansicht mit Einzelheiten ei- ner Verriegelungseinrichtung des erfindungsgemäßen
Impulsgenerators;
Figur 4: eine schematische Illustration der pneumatischen
Steuereinrichtung des erfindungsgemäßen Impulsgene- rators;
Figur 5: ein Zeitschema des Betriebs der pneumatischen Steuereinrichtung gemäß Figur 4; und
Figur 6: eine schematische Illustration einer Tunnelbohrmaschine, die mit dem erfindungsgemäßen Impulsgenerator ausgerüstet ist.
Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen des Impulsgenerators beschrieben, die für seismische Erkundungen und/oder Untersuchungen eingerichtet sind. Es wird betont, dass der erfindungsgemäße Impulsgenerator analog zur Erzeugung mechanischer Schwingungen für andere Anwendungen, zum Beispiel in der Bautechnik; anwendbar ist. Einzelheiten pneumatischer Zylinder, der zugehörigen Druckleitungen und Ventile sind dem Fachmann an sich bekannt, so dass sie hier nicht beschrieben werden.
Figur 1 illustriert eine erste Ausführungsform des erfin- dungsgemäßen Impulsgenerators 100, die sich insbesondere durch einen Druckzylinder 20 mit einer starren Zylinderwand und einer Vorspanneinrichtung 60 mit einer seriellen Ankopp- lung auszeichnet. Figur 2 illustriert eine abgewandelte Ausführungsform, die sich insbesondere durch einen Druckzylinder 20, dessen Länge teleskopartig veränderlich ist, und eine Vorspanneinrichtung 60 mit paralleler Ankopplung auszeichnet. Beiden Ausführungsformen ist gemeinsam, dass der Druckzylinder 20 doppelt wirkend ist, das heißt beidseitig des An- triebskolbens mit Druckgas beaufschlagt werden kann.
Gemäß Figur 1 umfasst der Impulsgenerator 100 die seismische Masse 10 mit dem Antriebskolben 11 und der Schlagmasse 12, den Druckzylinder 20 mit dem ersten Druckraum 21 und dem zweiten Druckraum 22, den Auflagebereich 30, mit dem der Impulsgenerator 100 auf Gestein 70 aufsetzbar ist, die Verriegelungseinrichtung 40, die zur Fixierung der seismischen Masse 10 in einer Ausgangsposition eingerichtet ist, und die Vorspanneinrichtung 60, mit welcher der Auflagebereich 30 mit einer vorbestimmten Vorspannkraft auf das Gestein 70 gepresst werden kann. Die seismische Masse 10 ist im Druckzylinder 20 zwischen einer Ausgangsposition A (in Figur 1 gestrichelt gezeigt) und einer Schlagposition B (in Figur 1 illustriert) beweglich. Der Impulsgenerator 100 erstreckt sich in einer Längsrichtung, die gleich der axialen Richtung des Druckzylinders ist. Das Ende mit dem Auflagebereich 30 wird als Vorderseite (vorderseitiges Ende) des Impulsgenerators 100 bezeichnet, während das entgegengesetzte Ende als Rückseite (rückseitiges Ende) des Impulsgenerators 100 bezeichnet wird.
Der erste Druckraum 21, in dem sich der Antriebskolben 11 bewegt, und der zweite Druckraum 22, der von dem ersten Druckraum durch den Antriebskolben 11 getrennt ist und in dem sich die Schlagmasse bewegt, bilden einen gemeinsamen Zylinderraum (Pneumatikzylinder) . Die einzelnen Druckräume 21, 22 sind nicht durch Dichtungen oder Führungen voneinander getrennt. Der Druckzylinder 20 kann an der Rückseite mit einem dritten Druckraum 26 ausgestattet sein, der mit dem ersten Druckraum 21 verbunden und zur Aufnahme von Teilen der Auslöseeinrich- tung vorgesehen ist (siehe unten) . Durch Variation dieses Druckraumes ist die Schlagenergie veränderbar. Die Wand des Druckzylinders 20 bildet am rückseitigen Ende des ersten Druckraumes 21 eine Anschlagfläche 27 für den am Antriebskol- ben 11 befindlichen Anschlag 114. In der Ausgangsposition A liegt der Antriebskolben 11 mit dem Anschlag 114 an der Anschlagfläche 27 des ersten Druckraumes 21.
Der erste Druckraum 21 kann über eine erste Druckgasöffnung 23 mit Druckgas beaufschlagt oder entlüftet werden. Beim dargestellten Beispiel ist die erste Druckgasöffnung 23 an dem dritten Druckraum 26 vorgesehen. Alternativ kann die erste Druckgasöffnung direkt auf der Rückseite des Antriebskolbens 11, insbesondere am rückseitigen Ende des ersten Druckraums 21, vorgesehen sein. Der zweite Druckraum 22 ist mit einer zweiten Druckgasöffnung 24 ausgestattet, durch die der zweite Druckraum 22 im Bereich zwischen dem Antriebskolben 11 in Stellung B und dem Auflagebereich 30 mit einem Druckgas beaufschlagt oder entlüftet werden kann.
Beim Impulsgenerator 100 sind beispielsweise die folgenden Maße gegeben. Die Masse der seismischen Masse 10 beträgt rund 16 kg. Die axiale Länge des Druckzylinders 20 beträgt rund 75 cm. Der Innendurchmesser des Druckzylinders 20 beträgt rund 10 cm. Der Druckzylinder 20 ist für einen Gesamthub von rund 16 cm bei einem Arbeitshub von rund 15 cm ausgelegt. Bei der dargestellten Ausführungsform sind die einzelnen Druckräume 21, 22 (und ggf. 26) des Druckzylinders 20 als Baugruppen aus gleichen oder verschiedenen Materialien (zum Beispiel Alumi- nium, Aluminiumlegierung, Stahl, Edelstahl) aufgebaut und gasdicht miteinander verbunden. Alternativ können die Druckräume einstückig mit einem durchgehenden Rohr hergestellt sein, das an seinen Enden durch die Verriegelungseinrichtung 40 und der Auflagebereich 30 gasdicht verschlossen ist. Vor- zugsweise bestehen der Antriebskolben 11 und der Mantel des Raumes 21 aus unmagnetischen Materialien. In diesem Fall kann die Kolbenposition durch außerhalb des Druckzylinders 20 angeordnete Magnetschalter bestimmt werden, wobei es möglich ist, zumindest teilweise im Schaltbereich der Zylinderwand unmagnetisches Material einzusetzen.
Die seismische Masse 10 umfasst den Antriebskolben 11 und die Schlagmasse 12, die über ein Verbindungsstück 13 verbunden sind. Der Antriebskolben 11 weist einen Führungsring 111 und Kolbendichtungen 112 auf. Im Inneren des Antriebskolbens 11 befindet sich ein Magnetring 113, der für eine Erfassung der Position des Antriebskolbens 11 und/oder für Schaltzwecke vorgesehen ist. Die Schlagmasse 12 weist Rollenlager 121 auf, welche den vorderen Teil der seismischen Masse im zweiten
Druckraum 22 führen. Am vorderen Ende der Schlagmasse 12, das heißt an deren zum Auflagebereich 30 weisenden Ende, ist eine Schlagfläche 122 vorgesehen, die zum Beispiel aus gehärtetem Stahl besteht. In der Stirnfläche 34 ist der Schlagkopf 31 mit der Dichtung 32 befestigt. Am hinteren Ende der Schlagmasse 12 ist ein Flansch 123 vorgesehen, an dem das Verbindungsstück 13 angeschraubt ist.
Das Verbindungsstück 13 umfasst ein sich in axialer Richtung des Impulsgenerators 100 durch die ersten und zweiten Druckräume 21, 22 erstreckendes Bauteil, auf dem mit einem Abstand von der Schlagmasse 12 der Antriebskolben 11 befestigt ist und das an seinem hinteren Ende einen Zapfen 42 mit einem Sperrring 43 aufweist, die Teil der Verriegelungseinrichtung 40 sind (siehe unten) . Das Verbindungsstück 13 besteht zum Beispiel aus Stahl.
Der Auflagebereich 30 umfasst einen in der Stirnfläche 34 mit Dichtungen 32, 33 gelagerten Schlagkopf 31, wobei mit den Dichtungen 32, 33 der zweite Druckraum 22 an der Vorderseite des Impulsgenerators 10 gasdicht verschlossen ist. Der Schlagkopf 31 besteht zum Beispiel aus gehärtetem Stahl. Beim Aufprall der seismischen Masse 10 auf den Schlagkopf 31 er- folgt eine Impulsübertragung mit einer Schwingungsanregung im Gestein 70. Die angeregten P-Wellen breiten sich im Gestein 70 in Längsrichtung des Impulsgenerators 10 aus.
Die Verriegelungseinrichtung 40 umfasst eine Auslöseeinrich- tung 41, die an der Rückseite des Druckzylinders 20 vorgesehen ist, und die Kombination aus Zapfen 42 und Sperrring 43 am hinteren Ende des Verbindungsstücks 13. Die Auslöseeinrichtung 41, die vergrößert in Figur 3 illustriert ist, umfasst einen Auslösezylinder 44 mit einem Zylinderstößel 453 und einen Auslösehebel 45, der um eine Achse 451 verschwenkbar in der Verriegelungseinrichtung 40 angebracht ist. Der Auslösehebel 45 weist an einem Ende eine Verriegelungsrolle 452 auf, die sich über eine Achse 451 auf dem Hebel 45 abstützt. Der Auslösehebel 45 ist am anderen Ende mit einer Spiralfeder 454 verbunden, die im dritten Druckraum 26 angeordnet ist. Die Verriegelungseinrichtung 40 ist mit einem separaten Endstück 46, einem Ausdrückgewinde 47 und einer Verdrehsicherung 48 illustriert. Diese Komponenten dienen der Demontage des Axiallagers 25, zum Beispiel bei Verschleiß.
Im Ausgangszustand des Impulsgenerators 100 ist die seismische Masse 10 im Druckzylinder 20 zurückgezogen und an der Verriegelungseinrichtung 40 fixiert. Im Ausgangszustand erfolgt die Beladung des ersten Druckraums 21 mit Druckgas. Der Zapfen 42 am hinteren Ende des Verbindungsstücks 13 ist in diesem Zustand in einem Axiallager 25 des Druckzylinders 20 angeordnet. Unter der Wirkung der Spiralfeder 454, des Innendruckes und der Selbsthaltekraft ist der Auslösehebel 45 so verkippt, dass er den Sperrring 43 fixiert. Nach Erreichen des erforderlichen Betriebsdrucks im ersten Druckraum 21 wird der Auslösezylinder 44 betätigt. Der Zylinderstößel 453 verschwenkt gegen die Kraft der Spiralfeder 454 den Auslösehebel 45, so dass der Sperrring 13 freigegeben wird. Sobald die Freigabe erfolgt ist, bewegt sich die seismische Masse 10 unter der Wirkung des Druckgases im ersten Druckraum 21 beschleunigt, bis die Schlagfläche 122 am Ende der Schlagmasse 12 auf den Schlagkopf 31 trifft. Im ersten und zweiten Druckraum stehen der Betriebsdruck und der Arbeitsdruck in einem derartigen Verhältnis zueinander, dass im Moment des Auftreffens der Schlagfläche 122 auf den Schlagkopf 31 am Antriebskolben keine oder nur geringe Gasdruckkräfte wirken.
Die Vorspanneinrichtung 60 umfasst einen Vorspannzylinder 61, der mit dem Druckzylinder 20 fest verbunden ist. Die Vorspanneinrichtung 60 ist in Abhängigkeit von der Anwendung des Impulsgenerators 100 an einer Maschine, zum Beispiel einer Tunnelbohrmaschine, oder einem weiteren Gerät, wie zum Beispiel einem Stativ oder einem Fahrzeug befestigt, wie dies von herkömmlichen Vorrichtungen zur Schwingungserzeugung bekannt ist. Die in Figur 1 gezeigte serielle Ankopplung des Vorspannzylinders 61 ermöglicht einen Verschiebeweg von zum Beispiel 20 cm. Alternativ sind anwendungsabhängig größere Verschiebewege, zum Beispiel im Bereich über 50 cm realisier- bar.
Die pneumatische Steuerung des Druckzylinders 20, des Auslösezylinders 44 (Figur 3) und des Vorspannzylinders 61 erfolgt mit einer pneumatischen Steuerungseinrichtung 50, die unten unter Bezug auf Figur 4 erläutert wird.
Figur 2 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Impulsgenerators 100 mit der seismischen Masse 10, dem Druckzylinder 20, dem Auflagebereich 30, der Verrie- gelungseinrichtung 40 und der Vorspanneinrichtung 60. Die Komponenten 10, 30 und 40 sind so aufgebaut, wie dies oben unter Bezug auf die Figuren 1 und 3 beschrieben wurde.
Im Unterschied zur Ausführungsform gemäß Figur 1 umfasst gemäß Figur 2 der Druckzylinder 20 zwei Zylinderteile 201, 202, welche jeweils entsprechend die ersten und zweiten Druckräume 21, 22 einschließen. Das vordere Zylinderteil 202 ist mit einer beweglichen radialen Außendichtung 203 versehen und im vorderen Ende des hinteren Zylinderteils 201 verschiebbar angeordnet. Das Gehäuse des Druckzylinders 20 hat bei dieser Ausführungsform einen Teleskopaufbau. Durch eine Verschiebung der Zylinderteile 201, 202 relativ zueinander kann der Impulsgenerator 100 mit dem Schlagkopf 31 auf das Gestein 70 gepresst werden.
Die Vorspanneinrichtung 60 umfasst bei der in Figur 2 gezeigten Ausführungsform mehrere, vorzugsweise mindestens drei Vorspannzylinder 61, die auf der Außenseite des Vorderendes des hinteren Zylinderteils 201 befestigt und dazu eingerichtet sind, die Vorspannkraft auf das vordere Zylinderteil 202 aufzubringen. Mit dieser parallelen Ankopplung der Vorspanneinrichtung 60 wird ein Verschiebeweg von rund 25 mm realisiert. Damit wird zwar eine geringfügige Änderung des Ver- schiebewegs der seismischen Masse 10 bewirkt. Allerdings hat diese Ausführungsform den Vorteil, dass sich Beschleunigungskräfte bei der Auslösung der seismischen Masse 10 nur unwesentlich auf die Vorspannkraft des Schlagkopfes 31 auswirken.
Zur Erzeugung mechanischer Schwingungen wird der Impulsgenerator 100, z. B. gemäß Figur 1 oder 2, durch die Vorspanneinrichtung 60 soweit verschoben, dass der Schlagkopf 31 auf das Gestein 70 mit einer definierten Vorspannkraft aufliegt. In der Ausgangsposition befindet sich die bewegliche seismische Masse 10 in einer Position, in welcher der Anschlag 114 und die Anschlagfläche 27 aufeinander aufliegen. In dieser Position ist der Antriebskolben 11 durch den Sperrring 43, der vom Auslösehebel 45 der Verriegelungseinrichtung 40 blockiert ist, formschlüssig blockiert. Dabei befindet sich der Zapfen 42 im Axiallager 25. Wird über die erste Druckgasöffnung 23 Druckgas, z. B. Pressluft eingebracht, bestimmen der im System vorhandene Zylinderraum und der mit dem Druckgas aufgebaute Druck die im System enthaltene Energie. Beim Erreichen eines vorbestimmten, eingestellten Druckes öffnet die Verriegelungseinrichtung 40, so dass diese Energie in Bewegungsenergie der seismischen Masse 10 umgesetzt wird. Nach dem Aufschlagen der Schlagfläche 122 der seismischen Masse 10 auf den Schlagkopf 31 strömt über die zweite Druckgasöffnung 24 Luft ein und unterbindet das Nachschlagen der seismischen Masse 10. Gleichzeitig wird die seismische Masse 10 in die Ausgangsposition zurückgeführt.
Figur 4 illustriert eine bevorzugte Ausführungsform der er- findungsgemäß verwendeten pneumatischen Steuereinrichtung 50, die zur Beaufschlagung mindestens der Druckräume 21, 22 und 26 des schematisch dargestellten Druckzylinders 20, vorzugsweise jedoch auch des Auslösezylinders 44 und des mindestens einen Vorspannzylinders 61 mit Druckgas eingerichtet ist. Hierzu weist die pneumatische Steuereinrichtung 50 vorzugsweise einen Eingang 51 zur Verbindung mit einer Druckgasquelle 80 (zum Beispiel ein Kompressor) auf. Vorteilhafterweise kann der gesamte Impulsgenerator 100 erfindungsgemäß mit einer einzigen Druckgasquelle 80 betrieben werden. Alternativ können mehrere Druckgasquellen vorgesehen sein, zum Beispiel um mindestens einen der genannten Zylinder von den anderen getrennt mit Druckgas zu beaufschlagen. Die pneumatische Steuereinrichtung 50 weist ein Haupt- Wegeventil 513 auf, mit dem Druckgas von der Druckgasquelle 80 wahlweise zu den Druckräumen 21, 26 und/oder dem Druckraum 22 des Druckzylinders 20 zugeführt wird. Des Weiteren weist die pneumatische Steuereinrichtung 50 ein Umsteuer-Wegeventil 514 auf, mit dem im geöffneten Zustand der zweite Druckraum 22 entlüftet werden kann (Beaufschlagung mit atmosphärischem Umgebungsdruck) oder im geschlossenen Zustand der zweite Druckraum 22 mit Druckgas beaufschlagt werden kann. Zur Ein- Stellung des Druckes im zweiten Druckraum 22 ist zwischen dem Haupt-Wegeventil 513 und dem zweiten Druckraum 22 ein Druckreduzier-Ventil 515 angeordnet.
Die pneumatische Steuereinrichtung 50 weist des Weiteren ein Auslöse-Wegeventil 511 auf, das zwischen dem Eingang 51 und dem Auslösezylinder 44 der Auslöseeinrichtung 41 angeordnet ist. Schließlich ist ein Vorspann-Wegeventil 512 zwischen dem Eingang 51 und den Vorspannzylindern 61 vorgesehen. Die genannten Wegeventile 511, 512, 513 und 514 sind elektrisch an- steuerbare Ventile, zum Beispiel 2/5-Pneumatik-Wegeventile (z. B. vom Typ 0820038153, Hersteller Bosch) . Die pneumatische Steuereinrichtung 50 ist mit einem Steuerkreis (nicht dargestellt), wie z. B. einem Steuerrechner, ausgestattet, mit dem die Funktion der Steuereinrichtung 50 kontrolliert und eingestellt wird.
Die pneumatische Steuereinrichtung 50 wird vorzugsweise so betrieben, wie im Folgenden unter Bezug auf die Figuren 4 und 5 erläutert ist. Zur Erzeugung mechanischer Schwingungen wird der Druckraum 21 (ggf. mit 26) in der Ausgangsposition A (siehe Figur 1) mit Druckgas beaufschlagt. Die Größe des Druckraums 21, 26 kann durch einen vom Kolben 11 betätigten Magnetschalter 540 kontrolliert werden, der außerhalb des Druckzylinders 20 angeordnet ist. Diese Energie wird in Form von Druckluft über den Eingang 51 und das Haupt-Wegeventil 513 dem Druckraum 21, 26 zugeführt. Die Kontrolle des Druckgases erfolgt durch einen Druckschalter 530, der bei Erreichen des eingestellten Druckes mit Hilfe des Auslöse- Wegeventils 511 den Auslösezylinder 44 betätigt, so dass die Betätigungsenergie definiert und reproduzierbar ist. Das Haupt-Wegeventil 513 hat des Weiteren die Aufgabe, mit einer definierten zeitlichen Verzögerung umzusteuern und dem zweiten Druckraum 22 Druckgas zuzuführen, was sowohl zur Vermei- düng des Nachschlagens als auch zur Rückführung der seismischen Massen 10 in die Ausgangsposition A dient. Für diese Funktion wird Druckgas geringeren Druckes verwendet, das mit Hilfe des Druckreduzier-Ventils 515 bereitgestellt wird. Das Umsteuer-Wegeventil 514 wird verwendet, um in der Ausgangspo- sition A einen definierten Druck im Druckraum 22 sicherzustellen und gleichzeitig im Umsteuerzeitpunkt des Haupt- Wegeventils 513 zu schließen.
Die Vorspannzylinder sind beispielhaft mit den Bezugszeichen 61, 62, 63 gezeigt. Das Vorspann-Wegeventil 512, das ebenfalls über den Eingag 51 mit Druckgas versorgt wird, betätigt die Vorspannzylinder 61, 62, 63. Zur Bildung der Vorspannkraft werden die Vorspannzylinder 61, 62, 63 zum Vorschub mit Druckgas beaufschlagt. Zur Einstellung der gewünschten Vor- Spannkraft wird ein Druckschalter 520 verwendet. Durch die Umsteuerung des Vorspann-Wegeventils 512 wird der Druck der Druckgasquelle 80 zum Rückzug der Verschiebezylinder verwendet und der Anpressdruck über Leitungen 591 entspannt.
In Figur 5 ist die elektronische Steuerung der Funktionen der pneumatischen Steuerungseinrichtung 50 schematisch dargestellt. Die Ventile 511 bis 514 besitzen jeweils zwei Schaltstellungen, wobei in der Ruhestellung, d. h. Transport-, Montage-, Lagerungszustand oder Bereitschaft des Impulsgenera- tors 100 eine dominante Ventilposition gegeben ist. Die unterschiedlichen Schaltstellungen sind durch „a" und „b" dargestellt. Wird die Bereitschaft hergestellt, d. h. die Sig- nalgebung vorbereitet, wird der Impulsgenerator 100 an das Gestein 70 angepresst. Hierzu leitet das Vorspann-Wegeventil 512 Druckgas in die Vorspannzylinder 61 bis 63. Gleichzeitig schaltet das Umsteuer-Wegeventil 514 von Zylinderentlüftung „b" auf Druckluftzuleitung „a" und ermöglicht, den Antriebskolben im Druckzylinder 20 in die Ausgangsposition A zu schieben. In der Ruheposition des Haupt-Wegeventils 513 wird das Druckgas zum Umsteuer-Wegeventil 514 geleitet und dadurch der Antriebskolben in die Ausgangsposition A bewegt. Um die Ausgangsposition A leichter zu erreichen, entsperrt das Aus- löse-Wegeventil 511 den Auslösezylinder 44, wobei der Auslö- sehebel 45 mit der Rolle 452 angehoben wird, damit der Sperrring 43 besser passieren kann. Die Zeit zum Erreichen des Bereitschaftszustandes ist begrenzt und wird durch den Steuerkreis der Steuereinrichtung kontrolliert.
Ist der Bereitschaftszustand erreicht, wird mit einem Signal des Steuerkreises das Haupt-Wegeventil 513 umgesteuert. Der Druckraum 21, 26 wird mit Druckgas beaufschlagt. Erfasst der Druckschalter 530 den eingestellten Wert, wird die Auslöseeinrichtung 41 mit dem Auslöse-Wegeventil 511 betätigt. Gleichzeitig schaltet das Umsteuer-Wegeventil 514 um. Mit einer Verzögerungszeit tl wird auch das Haupt-Wegeventil 513 umgesteuert, so dass der Druckraum 22 mit Druckgas beaufschlagt wird, was ein Nachschlagen der seismischen Masse 10 verhindert und dieselbe in ihre Ausgangsposition A zurück- führt, die nach einer Zeit t2 wieder erreicht ist. Während der Rückführung der seismischen Masse 10 in Position A wird das Umsteuer-Wegeventil 514 umgeschaltet, um den Rückführzyklus materialschonend zu steuern. Figur 6 illustriert schematisch eine Tunnelbohrmaschine (TBM) 200, mit welcher der erfindungsgemäße Impulsgenerator 100 bevorzugt angewendet wird. Die Tunnelbohrmaschine 200 bohrt im Gestein 70 (Felsgestein) . Ein Trägerteil 210 der Tunnelbohr- maschine 200 ist mit seitlichen Abstützungen 220 gegenüber dem Gestein 70 abgestützt. In Abhängigkeit von der Art der seismischen Untersuchung, zum Beispiel zur seitlichen Erkundung oder zur Vorauserkundung, kann mindestens ein Impulsgenerator am Bohrkopf 230 oder einer der seitlichen Abstützun- gen 220 oder an anderen geeigneten Positionen angeordnet sein.
Die in der Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können einzeln oder in Kombination für die Umsetzung der Erfindung von Bedeutung sein.

Claims

Ansprüche
1. Impulsgenerator (100), der zur Erzeugung mechanischer Schwingungen in einem festen Körper (70) eingerichtet ist, umfassend:
- eine seismische Masse (10), die zwischen einer Ausgangsposition (A) und einer Schlagposition (B) beweglich ist und ei- nen Antriebskolben (11) und eine Schlagmasse (12) umfasst,
- einen Druckzylinder (20), der zum Antrieb des Antriebskolbens (11) eingerichtet ist, und
- einen Auflagebereich (30) , der auf den festen Körper (70) aufsetzbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass
- der Druckzylinder (20) auf beiden Seiten des Antriebskolbens (11) mit einem Druckgas beaufschlagbar ist, wobei
- der Druckzylinder (20) einen ersten Druckraum (21), der durch eine Seite des Antriebskolbens (11) begrenzt ist, und einen zweiten Druckraum (22) umfasst, der durch die andere Seite des Antriebskolbens (11) begrenzt ist und in dem die Schlagmasse (12) beweglich ist.
2. Impulsgenerator gemäß Anspruch 1, bei dem - der erste Druckraum (21) und der zweite Druckraum (22) einen Zylinderraum bilden und eine Verbindung zwischen dem ersten Druckraum (21) und dem zweiten Druckraum (22) frei von Dichtungen ist.
3. Impulsgenerator gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem
- die Schlagmasse (12) und der Antriebskolben (11) eine Führung der seismischen Masse (10) im Druckzylinder (20) bilden.
4. Impulsgenerator gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem
- der erste Druckraum (21) und der zweite Druckraum (22) über getrennte Druckgasöffnungen (23, 24) jeweils mit Druck beauf- schlagt werden können.
5. Impulsgenerator gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem
- der Antriebskolben (11) auf einer von der Schlagmasse (12) weg weisenden Seite eine Verriegelungseinrichtung (40) aufweist, und
- eine Auslöseeinrichtung (41) vorgesehen ist, mit der die Verriegelungseinrichtung (40) aus einem verriegelten Zustand in einen freien Zustand freigegeben werden kann.
6. Impulsgenerator gemäß Anspruch 5, bei dem
- die Verriegelungseinrichtung (40) einen Zapfen (42) mit einem Sperrring (43) umfasst.
7. Impulsgenerator gemäß Anspruch 6, bei dem
- der Zapfen (42) in der Ausgangsposition (A) in einem Axiallager (25) des Druckzylinders (20) fixierbar ist.
8. Impulsgenerator gemäß einem der vorhergehenden Ansprü- che, die umfasst
- eine pneumatische Steuereinrichtung (50), die konfiguriert ist, mindestens einen der Druckräume (21, 22) mit Druckgas zu beaufschlagen.
9. Impulsgenerator gemäß Anspruch 8, bei dem
- die pneumatische Steuereinrichtung (50) ein Haupt-Wegeventil (513) aufweist, das dazu eingerichtet ist, mindestens einen der beiden Druckräume (21, 22) mit dem Druckgas aus einer Druckgasquelle (80) zu beaufschlagen.
10. Impulsgenerator gemäß Anspruch 8 oder 9, bei dem
- die pneumatische Steuereinrichtung (50) ein Umsteuer- Wegeventil (514) aufweist, das dazu eingerichtet ist, den zweiten Druckraum (22) mit Druckgas oder atmosphärischem Umgebungsdruck zu beaufschlagen.
11. Impulsgenerator gemäß Anspruch 10, bei dem
- das Umsteuer-Wegeventil (514) über ein Druckreduzier-Ventil (515) mit der Druckgasquelle (80) verbunden ist.
12. Impulsgenerator gemäß einem der Ansprüche 8 bis 11, bei dem
- die pneumatische Steuereinrichtung (50) ein Auslöse- Wegeventil (511) aufweist, das dazu eingerichtet ist, einen
Auslösezylinder (44) der Auslöseeinrichtung (41) mit Druckgas zu beaufschlagen.
13. Impulsgenerator gemäß einem der vorhergehenden Ansprü- che, die umfasst
- eine Vorspanneinrichtung (60) mit mindestens einem Vorspann-Zylinder (61, 62, 63), mit dem der Auflagebereich (30) mit einer vorbestimmten Kraft auf den festen Körper (70) anpressbar ist.
14. Impulsgenerator gemäß Anspruch 13, bei dem
- die pneumatische Steuereinrichtung (50) ein Vorspann- Wegeventil (512) aufweist, das dazu eingerichtet ist, den mindestens einen Vorspann-Zylinder (61, 62, 63) der Vorspann- einrichtung (60) mit Druckgas zu beaufschlagen.
15. Tunnelbohrmaschine (200), die mit einem Impulsgenerator (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ausgestattet ist.
16. Verfahren zur Erzeugung mechanischer Schwingungen in einem festen Körper (70) mit einem Impulsgenerator (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, mit den Schritten: - Positionieren des Impulsgenerators (100) , wobei der Auflagebereich (30) auf den Körper (70) an einer vorbestimmten Position aufgesetzt wird,
- Vorspannen des Auflagebereiches (30) relativ zum Körper (70) durch Betätigen der Vorspanneinrichtung (60), - Rückzug und Verriegeln der seismischen Masse (10) in der Ausgangsposition (A) ,
- Druckaufbau im ersten Druckraum (21) des Druckzylinders (20), und
- Freigabe der seismischen Masse (10), so dass sich diese in die Schlagposition (B) bewegt.
17. Verfahren gemäß Anspruch 16, mit dem Schritt
- Druckaufbau im zweiten Druckraum (22) des Druckzylinders (20) mit einer vorbestimmten Verzögerungszeit nach der Frei- gäbe der seismischen Masse (10), so dass sich diese in die Ausgangsposition (A) bewegt.
18. Verfahren gemäß Anspruch 16 oder 17, bei dem
- der Druckaufbau im Druckzylinder (20) mit der pneumatischen Steuereinrichtung (50) gesteuert wird.
19. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 16 bis 18, bei dem
- beide Druckräume (21, 22) des Druckzylinders (20) mit Druckgas aus einer einzigen Druckgasquelle (51) beaufschlagt werden.
20. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 16 bis 19, bei dem
- die Schwingungserzeugung im Gebirgsgestein eines Gebirgs- tunnels erfolgt.
21. Verwendung eines Impulsgenerators (100) oder eines Verfahrens gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche zur seismischen Untersuchung oder Erkundung von Gebirgsgestein, zur Erzeugung von mechanischen Schwingungen in festem Gestein oder in Bauwerken, mit Tübbingen ausgebauten Tunnelwänden oder für Bodenuntersuchungen .
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