DRIVING MECHANISM FOR ROTATABLY OPERATING BORING MACHINES

Abstract: 1. An electric drive device for the drill head or a similar part, describing a rotating working movement, of a heading machine for tunnels, galleries or the like, namely a tunnel drilling machine, the rotational speed of the electrical drill head drive (a motor or, in particular, a plurality of electric motors mechanically coupled to the parallel operation) being continuously adjustable, characterized by the following features : the drill head drive comprises at least one three-phase asynchronous motor (5), in order to supply the motor (5) a converter is provided which is associated with the heading machine (1) and has a regulating device and by means of which the drill head drive is to be supplied with current of a variable frequency, the converter is constructed with a highly protective system in accordance with the conditions of use, an intermediate circuit choke (20) provided for the converting operation is spatially separated per se from a switch cabinet (17) containing the converter, a heat exchanger (18) constructed as a water/air cooler is provided for drawing heat away from at least part of the device, a change-over device (21) is provided, by means of which the drill head drive (5) can be changed over from converter operation to direct mains supply and vice versa.

Description: Drehantrieb für tlortriebsmasckinen Die Erfindung bezieht si.ch auf eine elektrische Arbei.tsein- richtung für den Bohrkopf oder einen ähnlichen, eine drehende Arbeitsbawagung ausführenden Teil einer Vortriebsmaschi.ne für Tunnel, Strecken od.dgl., namentlich Tunnelbohrinaschine, wobei die Drehzahl des elektrischen Bohrkopf-Antriebs (ein Motor oder insbesondere mehrere mechanisch zum Parallelbetrieb gekuppelte Elektromotoren) stufenlos einste.llbar ist. In ihrer Drehzahl stufenlos regulierbare. Antriebe für Tunnelbohrmaschinen od. dgl. sind erwünscht oder erforderlich, um u.a. eine optimale Anpassung an die Gebirgseigenschaften sowie einen schonenden, vibrationsarmen Bohrbetrieb zu ermöglichen. Diese Forderung konnte bisher praktisch nur durch einen hydrostatischen Antrieb verwirklicht werden. Stufenlos regelb.are hydrostatische Antriebe benötigen viel Platz für die Antriebsaggregate und haben einen niedrigen Gesamtwirkungsgrad. Dem an sich denkbaren Einsatz von Gleichstrom-Kollektor- motoren stehen erhebli.che Schwierigkeiten entgegen, so z.B. ihre Baugrösse und die Empfindlichkeft gegen Stauh. Polumschaltbare Drehstrommotoren sind zwar robust, gestatten aber nur die Einstellung weniger Drehzahlen. in Stufen, so dass eine kontinuierliche Regelung nicht möglich ist. Aufgabe der Erfindung ist es, einen stufenlos einstellbaren oder geregelten elektrischen Drehantrieb für Vortriebsmaschi- nen zu schaffen, der sich unter den beschränkten Platzver- hältnissen gut unterbringen lässt und sich durch günstige Be triebseigenschaften auszeichnet. Dabei strebt die Erfindung auch eine vorteilhafte Ausbildung eines solchen Antriebs im einzelnen an. Mit der Gesamtaufgabe zusammenhängende weitere Probleme, mit denen sich die Erfindung befasst, ergeben sich aus der jeweiligen Erläuterung der aufgezeigten Lösung. Die Erfindung sieht vor, dass der Bohrkopf-AntriCh wenigstens einen DreSstrom-Asynchron-Motor enthält, zu dessen Versorgung ein der Vortriebsmaschine zugeordneter Umrichter mit Regel einrichtung vorgesehen ist, mittels dessen der Bohrkopf Antrieb mit Strom von veränderbarer Frequenz zu speisen ist und der in einer den Einsatzbedingungen entsprechenden hohen Schutzart ausgeführt ist. Damit ist eine sehr günstige Lösung für den stufenlosen Antrieb bei einer Vortriebsmaschine gefunden. Unter Verwendung robuster, verschleissfreier und wartungsarmer Motoren ist ein betriebssicherer und wirtschaftlicher Antrieb geschaffen. Wegen des guten Gesamtwirkungsgrades ist die zur Verfügung zu stellende Versorgungsleistung geringer als in anderen Fällen. Im Vergleich zu dem System bei einem hydrostatischen Antrieb werden stoss freie Anlaufvorgänge ermöglicht und es wird weniger Platz für di.e Versorgungseinheit benötigt. Das gesamte Aggregat ist sauber, so dass auch keine nachteiligen Umweltbeeinflussungen auftreten, wie sonst etwa durch Leckage usw. Gegenüber den bei einem hydraulischen System benötigten Schlauchleitungen mit..hoher.Literleistung ergibt sich bei dem erfindungsgemässen Antrieb eine wesentlich einfachere Montage der flexiblen Motorleistungskabel. Auch der Geräuschpegel kann im Vergleich zu.den von hochtourigen Motoren angetriebenen Pumpen bei hydrostatischen Systemen niedriger gehalten werden. Der Umrichter, der insbesondere spritzwassergeschützt und staubdicht ausgeführt wird Cz.B. Schutzart IP 65), ist vor teilhaft ein sog. Zwischenkreis-Umrichter :t mit geprägtem Strom. Hierbei handelt es sich um eine ausgereifte und betri.ebssichere Technijc. In einem solchen Umrichter wird eine Gleichspannung in eine Wechsel spannung von gewünschter Frequenz und Höhe umgeformt. Eine für den Umrichtebetrieb vorgesehene Zwischenkreisdrossel wird vorteilhaft räumlich für sich getrennt von einem den Umrichter enthaltenden Schaltschrank angeordnet. Letzterer wird dadurch von der in der Zwischenkreisdrossel entstehenden Wärme freigehalten. In weiterer Ausgestaltung ist zur Abfuhr von Wärme von wenigstens einem Teil der Einrichtung ein Wärmetauscher vorge- sehen. Hierdurch lässt sich trotz vollständiger Kapselung des einen oder anderen Aggregats eine wirksame Kühlung erzielen. Der WÅarmetauscher ist zweckmässig als Wasser/Luft-Kühler ausgebildet. Luft, die innerhalb de.s Aggregats umgewälzt wird, wird dabei durch das kältere Wasser abgekühlt. Das Wasser kann in einem geschlos.senen Kreislauf fliessen und dabei gekühlt werden..Falls am Einsatzort Wasser zur Verfügung steht, kann solches auch. angesaugt und nach dem Durchgang durch den B5Åarmetauscher wieder abgelassen werden. Der Bohrkopf-Antrieb bzw. die Motoren desselben können mit einer direktwirkenden Wasserkühlung versehen versehen sein, wenn eine Selbstkühlung bei kleinen Drehzahlen nicht ausreicht. Gemäss einem weiteren Merkmal. der Erfindung ist der Bohrkopfantrieb vom Umrickterbetrieb auf unmittelbaren Netzbetrieb und umgekehrt umschaltbar. Falls in der Regelelektronik, an Umrichterbauteilen oder. sonst eine Störung. auftritt, kann dann der Betrieb der Maschine dadurch aufrechterhalten werden, dass die Motoren unmittelbar vom Netz her versorgt werden. Wenn die Motoren des Bohrkopf-Antriebs als poluinschalt- bare Drehstrom-Kurzschlussläufermotoren ausgebildet sind, wie es die Erfindung insbesondere vorsieht, kann dann sogar noch mit verschiedenen Drehzahlen gearbeitet werden, wodurch sich die Verfügbarkeit der Anlage erhöht. Weist der Bohrkopf-Antrieb mehrere Motoren auf, wie es zweckmässig ist, so werden diese parallel arbeitenden Motoren vorzugsweise von einem gemeinsamen Umrichter in Sammelschienenspeisung versorgt. Die Motoren können in üblicher Weise mechanisch untereinander gekuppelt sein. Es ergibt sich dabei eine problemlose Lastverteilung der Antriebe untereinander. Es fällt jedoch auch in den Rahmen der Erfindung, bei mehreren Motoren jeden derselben einzeln zu versorgen. Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Erläuterung eines Ausführungsbeispieles, aus der zugehörigen Zeichnung und aus den Ansprüchen. Es zeigen: Fig. 1 eine Tunnelbohrinaschine mit elektrischem Bohrkopf-Antrieb und Fig. 2 eine Einrichtung zur Versorgung der Motoren der Tunnelbohrniaschine nach Fig. 1. Die in Fig. 1 gezeigte Tunnelbohrmaschine 1 weist einen Maschinenkörper 2 auf, auch Innenkelly genannt, an dessen vorderem Ende ein mit Schneidrollen 4 od.dgl. bestückter Bohrkopf 3 drehbar gelagert ist. Dieser wird von vier parallel arbeitenden Drehstrom-Asynchron-Motoren 5, insbesondere polumschaltbaren Motoren, über ein mechanisches Getriebe 6 und eine von diesem ausgehende, im Inneren des Maschinenkörpers 2 verlaufende Welle, die in Fig. 2 bei der Ziffer 7 angedeutet ist, angetrieben. Die Motoren 5 sind mit einer direktwirkenden Wasserkühlung ausgestattet. In Fig. 2 sind die KüSlkreisläufe schematisch bei der Zif- fer 25 angedeutet. Die Tunnelbohrmaschine 1 enthält ausserdem eine Verspanneinrichtung 8, auch Aussenkelly genannt, di.e zwei. Gruppen von je vier gegen di.e Wandung des aufgefahrenen Tunnels andrückbaren Spannschilden 9 aufweist. Ebenso wie die Verspanneinrichtung können auch hier nicht näher erläuterte andere Teile der Tunnelbohrmaschine in üblicher Weise ausgebildet sein. Ein mit der Maschine durch Zugstangen 10 od.dgl. gekuppelter Nachläufer 11 weist einen Steuerstand 12 und. an diesen anschliessend die in Fig. 2 wiedergegebenen Teile und Aggregate zur Speisung der.Antriebsmotoren 5 auf, wie nachstehend erläutert wird. Wegen der meist.grossen Länge der auf zufahrenden Tunnel oder Strecken ist eine Hochspannungsversorgung oder Mittel spannungsversorgung zweckmässig, z.B. mit 6 kV, 50 Hz. Diese Energie kann von einer nicht dargestellten Station über ein auf einer Trommel aufwi.ckelbares Kabel einem Versorgungstransformator zugeführt werden, der zweckmässig als Drehstrom-Trockentrafo ausgebildet und z.B. für eine Typenleistung von 500 kVA ausgelegt ist, wobei die Niederspannung, die über ein Versorgungskabel 13 einem gekapselten, z.B. in Schutzart IP 54 oder IP 65 ausgeführten Drehstrom Schaltschrank 14 zugeführt wird, z.B. 500 V oder 380 V betragen kann. Im Eingang des Schaltschrankes 14 i.st ein Leistungsschalter 15 für den gesamten nachfolgenden Tei.l der Anlage vorgesehen. Von einem Ausgang des Drehstrom-Schaltschrankes 14 führt ein Kabel 6 zu einem Schaltschrank 17, der in Form und Schutzart ebenfalls den Raum- und Umweltbedingungen de.s Tunnelbaues angepasst ist, namentlich spritzwassergeschützt und staubdicht ausgeführt ist.tz.B. IP 65), und der ei.nen Umrichter sowie elektronische Regelgeräte zur Versorgung und Regelung der Antriebsmotoren 5 enthält. Zum Abführen der wärme ist der Schaltschrank 17 mit einem Wärmetauscher in Form eines Wasser/Luft-Kühlers 18 ausgestattet. Das Wasser wird ständig gekühlt oder als kaltes Frischwasser der Umgebung entnommen und kühlt seinerseits beim Durchfluss durch ein Rohrschlangensystem 19 die Luft, die im Inneren des Schaltschrankes 17 durch einen Ventilator od.dgl. umgewälzt wird. Eine für den Umrichtebetrieb vorgesehene Zwischenkreisdrossel 20 ist als gesonderte Einheit vor dem Schaltschrank 17 aufgestellt und mit diesem durch ein Kabel verbunden. Sie ist vorteilhaft als Giessharzdrossel ausgebildet. Ihre Wärme wird durch Konvektion abgeführt. Die Wirkungsweise des Umrichters zur stufenlosen Drehzahl Verstellung der Drehstrommotoren beruht auf dem Prinzip der Umformung einer Gleichspannung in eine Wechselspannung von gewünschter Frequenz und Höhle. Die Gleichspannung wi.rd ihrerseits im Umrichter des Schrankes 17 aus der vom Schaltschrank 14 zugeführten Wechselspannung erzeugt. Der Umrichter arbei.tet dabei. als Zwischenkreisumrichter mit eingeprägtem Strom. Im Schaltschrank 17 ist ein Schaltfeld 21 vorgesehen, von dem aus Kabel 22 zu den Antriebsmotoren 5 führen, di nach dem Prinzip der Sammelschienenspeisung versorgt werden In das Schaltfeld 21 ist ausserdem noch ein Kabel 23 eingeführt, das unmittelbar von einem zweiten Ausgang des Drehstrom Schaltschrankes 14 herangeführ.t ist. Die im Schaltfeld 21 vorgesehenen Geräte sind so ausgebildet, dass die Antriebsmotoren 5 durch einen Umschaltvorgang wahlweise entweder vom Umrichter im Schaltschrank 17 oder unmittelbar vom Drehstromnetz aus dem Schaltschrank 14 gespeist werden können. Sind die im Schaltfeld 21 vorgesehenen Umschalter auf "Umrichterbetrieb" geschaltet, können die vier Antriebsmotoren 5 mit Befehl "Start" gemeinsam bis auf eine an einem nicht gezeigten Sollwertsteller eingestellte Drehzahl stossfrei hochgefahren werden. An diesem Sollwertsteller ist die Antriebsdrehzahl stufenlos von z.B. 1500 U/min bis 150 U/min einstellbar. Das maximale Drehmoment des Bohrkopfes 3 wird durch eine Strombegrenzung im Umrichter limitiert. Bei Erreichen dieses Drehmoments kann durch ein nicht wiedergegebenes Gerät ein akustisches undZoder optisches Signal gegeben werden. Nach Überschreitung dieses Drehmoments lässt sich selbsttätig ein Stillsetzen des Antriebs auslösen. Nach Rücknahme desVorschubes der Maschine und Quittieren des Signals kann-der Bohrkopf erne.ut angefahren werden. Weil alle Antriebsmotoren 5 mit ihrem Ritzel über einen Zahnkranz im Getriebe 6 mechanisch mi.teinander verbunden sind, werden die vier.Motoren.5 von dem einen yorgesehenen Umrichter mit der erforderlichen Surninenleistung im Parallelbetrieb versorgt. Die zweite mögliche Betriebsweise der Einri.ch.tung ergibt sich, wenn die im Schaltfeld 21 vorgesehenen Umschalter auf Netzbetrieb" geschaltet.werden. Dann erfolgt die Yersorgung der Motoren 5 unmittelbar vom Drehstromteil im Schaltschrank 14 aus, in dem sich auch die erforderlichen Schütze für diesen Netzbetrieb befinden. Es können dann die Antrieb motoren 5 nacheinander eingeschaltet werden. Handelt es sich bei der vorteilhaften Ausführung um polumschaltbare Motoren, kann di.e gewünschte Drehzahl an einem Wahlschalter 24 am Schaltschrank 14 vorgewählt werden. Das Betriebsdrehmoment wird an einem Instrument angezeigt. Diese Umschaltmöglichkeit kann grundsätzlich von Nutzen sein und ist dann besonders vorteilhaft, wenn im Umrichterteil 17 eine Störung auftritt. Der Bedienungsmann der Maschine ist dann sofort in der Lage, durch Betätigen der Umschalter im Schaltfeld 21 die Versorgung der Antriebsmotoren 5 auf Netzbetrieb umzustellen. Dazu sind keinerlei elektrische Eingriffe erforderlich. Die Maschine ist sogleich wieder betriebsbereit. Alle in der vorstehenden Beschreibung erwähnten bzw. in der Zeichnung dargestellten.Merkmale.sollen, sofern der bekannte Stand der Technik es zulässt,. für sich. allein oder auch. in Kombinationen als unter die Erfindung fallend angesehen werden.

Claims: Patent ans p r u c he 1. Elektrische Antriebseinrichtung für den Bohrkopf oder einen ähnlichen, eine drehende ArSeitsbev.egung ausfüh renden Teil einer Vortriebsmaschine für Tunnel, Strecken odvdgl., namentlich Tunnelbohrmaschine, wobei. die Dreh zahl des elektrischen Bohrkopf-Antriebs (ein Motor oder insbesondere mehrere mechanisch.zum Parallelbetrieb ge kuppelte Elektromotoren) stufenlos einstellbar ist, da durch gekennzeichnet, dass der Bohrkopf-Antrieb wenig stens einen Drehstrom-Asynchron-Motor (5) enthält, zu dessen Versorgung ein der Vortriebsmaschlne (1) zugeord neter Umrichter mit Regeleinrichtung vorgesehen ist, mit- tels dessen der Bohrkopf-Antrieb mit Strom von veränder barer Frequenz zu speisen ist und der in einer den Ein satzbedingungen entsprechenden hohen Schutz art ausge führt ist. 2. Antriebseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich net, dass der Umrichter ein Zwischenkrei's-Umrichter mit eingeprägtem Strom ist. 3. Antriebseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich- net, dass eine für den Umrichtebetrieb vorgesehene. Zwi schenkreisdrossel (20) räumlich für sich getrennt von einem den Umrichter enthaltenden Schaltschrank (17) an geordnet ist. 4. Antriebaeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da durch gekennzeichnet, dass zur Abfuhr von Wärme von wenig stens einem Teil der Einrichtung ein Wärmetauscher (18) vorgesehen ist. 5. Antriebseinrichtung nach Anspruch.4, dadurch gekennzei.ch net, dass der Wärmetauscher (18) als Wasser/Luft-Kühler ausgebildet ist. 6. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche j bis 5, da durch gekennzeichnet, dass der Bohrkopf-Antrieb (5) mit einer direktwirkenden wasserkühlung (25) versehen ist. 7. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, ge kennzeichnet durch eine Umschalteinrichtung (21), mittels derer der Bohrkopf-Antrieb (5) von Umrichterbetrieb auf unmittelbaren Netzbetrieb und umgekehrt schaltbar ist. 8. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der bzw. die Motoren (5) des Bohrkopf-Antriebs polumschaltbare Drehstrom-Kurz schlussläufermotoren sind.

Inventors: SPEELMANS, RUDOLF
Applicants: WIRTH MASCHINEN- UND BOHRGERATE-FABRIK GMBH
Application year: 1982
Main classification: E21D9
IPC codes: E21D9