隧道掘進(jìn)機(jī)是用于建造隧道的機(jī)器。隧道掘進(jìn)機(jī)的部件是具有進(jìn)給和支撐裝置的挖掘盾、用于安裝支撐和擴(kuò)建措施的裝置、用于移走物料的裝置、供給單元(電力、壓縮空氣、通風(fēng)、水)和用于剝除的材料、支撐器件和擴(kuò)建措施的運(yùn)輸裝置。隧道掘進(jìn)機(jī)前側(cè)的鉆頭配設(shè)用于挖掘巖石的挖掘工具。

對(duì)于隧道掘進(jìn)機(jī)，作為精確控制部件或組件的基礎(chǔ)重要的是知道作用于固持在鉆頭上的挖掘工具的機(jī)械載荷。這在環(huán)境較臟、處于強(qiáng)烈的機(jī)械載荷的影響下、所以在惡劣條件下的許多情況中是必需的。

本發(fā)明的申請(qǐng)人萊奧本礦業(yè)大學(xué)(Leoben)在專利文獻(xiàn)DE 20 2012 103 593 U1中公開(kāi)了一種用于隧道掘進(jìn)機(jī)鉆頭的用于挖掘巖石的挖掘工具，其中，挖掘工具具有用于容納和支承切割輪的可以安裝在鉆頭上的切割輪固定裝置，該切割輪為了挖掘巖石而可更換式地能容納在切割輪固定裝置上，該挖掘工具還具有用于檢測(cè)挖掘工具尤其切割輪的機(jī)械載荷的傳感器裝置，其中，該傳感器裝置被規(guī)定在該切割輪固定裝置上和/或其內(nèi)部和/或其一部分。雖然該挖掘工具便于使用和功率強(qiáng)大，但是在確定的運(yùn)行條件下在檢測(cè)準(zhǔn)確度方面還有改進(jìn)的空間。

在專利文獻(xiàn)DE 100 30 099 C2中也公開(kāi)了另外的現(xiàn)有技術(shù)。

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題在于，提供一種用于確定機(jī)械載荷的高精度的傳感裝置，該機(jī)械載荷作用在固持在鉆頭上的挖掘工具上。

上述技術(shù)問(wèn)題通過(guò)具有獨(dú)立權(quán)利要求的特征的技術(shù)方案解決。進(jìn)一步的實(shí)施例在從屬權(quán)利要求中。

按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例提供一種用于挖掘巖石的隧道掘進(jìn)機(jī)的鉆頭的挖掘工具，其中，挖掘工具具有能安裝在鉆頭上的、(尤其借助容納支承件或軸承)容納和支承切割輪的切割輪固定裝置，切割輪為了挖掘巖石(尤其可更換式地)能容納在切割輪固定裝置(尤其在容納支承件)中(其中，切割輪優(yōu)選地不被主動(dòng)式地驅(qū)動(dòng)，而是簡(jiǎn)單地從巖石上滾動(dòng))，挖掘工具還具有用于檢測(cè)挖掘工具尤其切割輪的機(jī)械載荷的傳感器裝置(其可以具有至少一個(gè)對(duì)載荷敏感的元件、用于向評(píng)估單元傳送傳感器信號(hào)的連接器件等等)，其中，傳感器裝置構(gòu)造為至少部分地在切割輪固定裝置內(nèi)和/或在切割輪上安裝的套筒，套筒具有至少一個(gè)安裝在其上的對(duì)載荷敏感的元件。

按照本發(fā)明的另外的實(shí)施例，提供一種用于確定用來(lái)挖掘巖石的隧道掘進(jìn)機(jī)的鉆頭的挖掘工具的(尤其切割輪的)機(jī)械載荷的系統(tǒng)，其中，該系統(tǒng)具有帶有上述特征的挖掘工具，并且其中，系統(tǒng)具有評(píng)估單元(例如處理器)，其被安裝用于以至少一個(gè)對(duì)載荷敏感的元件的傳感器信號(hào)為基礎(chǔ)確定信息(例如一個(gè)或者多個(gè)起作用的分力的大小和/或方向)，該信息對(duì)作用在挖掘工具的切割輪上的機(jī)械載荷是象征性或指示性的。

按照本發(fā)明的進(jìn)一步的實(shí)施例提供一種用于挖掘巖石的隧道掘進(jìn)機(jī)的鉆頭，其中，該鉆頭具有能相對(duì)于巖石轉(zhuǎn)動(dòng)和平動(dòng)地可運(yùn)動(dòng)的(例如筒形的)鉆體，鉆體具有多個(gè)(尤其前側(cè)或者巖石側(cè)的)用于固持挖掘工具的挖掘工具固持件，鉆頭還具有多個(gè)具有上述特征的挖掘工具，挖掘工具能尤其可更換式地被固持或已經(jīng)固持在多個(gè)挖掘工具固持件中。

根據(jù)本發(fā)明的又一種另外的實(shí)施例提供一種用于挖掘巖石的隧道掘進(jìn)機(jī)，其具有帶上述特征的鉆頭。

按照一種示例性的實(shí)施例，在建造隧道時(shí)、更確切地說(shuō)在借助帶有切割輪的挖掘工具的隧道掘進(jìn)機(jī)的鉆頭的穿鉆運(yùn)行期間，力的測(cè)量可以由下述方式以極度精確的方式進(jìn)行，即一個(gè)或者多個(gè)對(duì)載荷敏感的元件(例如電阻應(yīng)變片)集成在空心套筒中，該空心套筒可以被安裝在挖掘工具的任意的位置上的在切割輪固定裝置中和/或在切割輪中的對(duì)應(yīng)的套筒孔中。通過(guò)使優(yōu)選雙側(cè)打開(kāi)的和因此可觸及的空心體被用作用于容納對(duì)載荷敏感的元件的容納基件的方法，不僅能自由選擇(只需要在預(yù)期位置構(gòu)造容納傳感器套筒的套筒孔)在挖掘工具中測(cè)量力的位置，此外還可以有利地使用薄壁式空心套筒體的彈性，以便從根本上改變相對(duì)于傳統(tǒng)方法的測(cè)量的敏感性。

按照一種示例性的實(shí)施例，提供一種套筒形式的模塊化測(cè)量單元，其被構(gòu)造為用于確定用于剝離巖石的工具的外部剪切力。套筒可以摩擦配合、材料配合和/或形狀配合地直接定位在工具的周圍。這種配置的優(yōu)點(diǎn)在于，可以為外部載荷直接分配測(cè)量信號(hào)。通過(guò)多個(gè)這種由套筒和對(duì)載荷敏感的一個(gè)或者多個(gè)元件組成的傳感器裝置的組合式布置可以在幾乎任意的位置測(cè)量不同的力和其方向。通過(guò)以套筒構(gòu)型(而非銷栓構(gòu)型)設(shè)計(jì)的和為在多個(gè)關(guān)鍵位置應(yīng)用而最優(yōu)化地定向和定位的傳感器的測(cè)試表示在線性(約3％至5％和更好)、遲滯性(非常小)和偏移表現(xiàn)方面的優(yōu)異表現(xiàn)。

下面說(shuō)明挖掘工具、系統(tǒng)、鉆頭和隧道掘進(jìn)機(jī)的額外的示例性的實(shí)施例。

按照一種實(shí)施例，切割輪固定裝置可以具有切割輪容納件和至少一個(gè)固定元件，固定元件用于使切割輪固定在切割輪容納件上和/或用于使切割輪容納件固定在鉆頭上，其中，傳感器裝置的至少一個(gè)對(duì)載荷敏感的元件(尤其在功能和空間上)與至少一個(gè)固定元件分開(kāi)地配設(shè)。通過(guò)使挖掘工具的傳感器裝置的對(duì)載荷敏感的元件的定位與固定元件如螺栓或者銷釘分開(kāi)，實(shí)現(xiàn)與固定元件的預(yù)定位置無(wú)關(guān)的載荷測(cè)量。實(shí)驗(yàn)表明，通過(guò)有針對(duì)性地選擇傳感器套筒的位置和/或傳感器套筒相對(duì)于切割輪的定向可以實(shí)現(xiàn)敏感度的明顯提高。固定元件當(dāng)然必須具有高機(jī)械穩(wěn)定性和穩(wěn)固性，和進(jìn)而具有結(jié)實(shí)的結(jié)構(gòu)，以便能承擔(dān)其固定功能。相反的是，可以根據(jù)需要(例如在磨損時(shí))被更換的傳感器套筒有意地構(gòu)造為薄壁式的物體，其自身(例如以偏轉(zhuǎn)或者變形的形式)隨外部載荷運(yùn)動(dòng)，如在隧道掘進(jìn)機(jī)的鉆頭上出現(xiàn)的那樣。

按照一種實(shí)施例，套筒的至少一部分可以構(gòu)造為(尤其不具有螺紋的)空心筒(例如構(gòu)造為管段)，進(jìn)一步地尤其構(gòu)造為空心的圓筒。例如，這種空心筒可以具有軸向的通孔，其中，對(duì)載荷敏感的元件就可以在大面積的內(nèi)壁上安裝。這樣安裝傳感器不僅在安裝技術(shù)上是簡(jiǎn)單的，而且在運(yùn)行期間也保護(hù)傳感器不受損，而不必在此在探測(cè)準(zhǔn)確度方面做出妥協(xié)。按照一種替代通孔結(jié)構(gòu)的實(shí)施方式，也可以在基本上空心筒形的套筒體中單側(cè)或者雙側(cè)地構(gòu)造軸向的盲孔，該盲孔形成在傳感器套筒內(nèi)部的平的安裝面，然后可以以極低的安裝耗費(fèi)在該安裝面上安裝一個(gè)或者多個(gè)對(duì)載荷敏感的元件。通過(guò)傳感器套筒的圓筒形的外側(cè)面可以實(shí)現(xiàn)傳感器套筒引入在挖掘工具的預(yù)期測(cè)量位置上的圓形的(鉆)孔中。

按照一種實(shí)施例，至少一個(gè)對(duì)載荷敏感的元件中的至少一個(gè)可以安裝在套筒壁的內(nèi)表面上。傳感器套筒的內(nèi)壁是適合例如借助向壁槽中粘接或者壓接安裝傳感器的地方。尤其在敲入或者旋入在挖掘工具中的套筒容納孔時(shí)，在傳感器套筒的內(nèi)壁上對(duì)載荷敏感的元件受到保護(hù)不受損，在此不會(huì)在掘進(jìn)過(guò)程期間影響測(cè)量準(zhǔn)確性。因此，對(duì)載荷敏感的元件在內(nèi)壁的確定的軸向和/或徑向位置上的有針對(duì)性的安裝也使得有可能記錄與方向有關(guān)的載荷信息。

按照一種實(shí)施例，多個(gè)對(duì)載荷敏感的元件相互徑向角度錯(cuò)移地安裝在套筒壁的內(nèi)表面上。多個(gè)對(duì)載荷敏感的元件沿傳感器套筒的內(nèi)壁的圓周的相互角錯(cuò)移的安裝使得探測(cè)與方向相關(guān)的力的信息成為可能。這種幾何形狀尤其對(duì)于全橋電路是有利的，(例如當(dāng)四個(gè)連接為全橋的、對(duì)載荷敏感的元件處于相同溫度時(shí))該全橋電路可以確保測(cè)量結(jié)果不受溫度影響。此外，一般傳感器套筒的尺寸(例如長(zhǎng)度在10mm和100mm之間、尤其在20mm和60mm之間，直徑在3mm和30mm之間、尤其在6mm和20mm之間)足夠使多個(gè)對(duì)載荷敏感的元件以精確和不易出錯(cuò)的電阻應(yīng)變片的形式相互角度錯(cuò)移地布置。備選地或者作為補(bǔ)充地，多個(gè)對(duì)載荷敏感的元件也可以軸向地布置在傳感器套筒的內(nèi)壁上。

按照一種實(shí)施例，套筒壁可以構(gòu)造為薄壁式的(例如最多2mm厚、尤其最多1mm厚)，以便套筒壁在挖掘運(yùn)行的情況中處于機(jī)械載荷的影響下在對(duì)對(duì)載荷敏感的元件的作用下能彈性地變形。傳感器套筒可以具有金屬，例如帶有厚度為0.05mm至2mm、尤其0.1mm至0.2mm之間的不銹鋼。因此，薄壁式的傳感器套筒自身可以作為感應(yīng)組件與一個(gè)或者多個(gè)對(duì)載荷敏感的元件共同作用，因?yàn)樵谑艿剿淼谰蜻M(jìn)機(jī)的挖掘運(yùn)行中的載荷時(shí)傳感器套筒也能彈性地變形并且在一定程度內(nèi)運(yùn)動(dòng)，這又傳遞給對(duì)載荷敏感的元件。因此，傳感器套筒就不只是用于對(duì)載荷敏感的元件的支承，其自身也是傳感器組件。正是由此得到按照本發(fā)明的挖掘工具的特別高的敏感度。

按照一種實(shí)施例，至少一個(gè)對(duì)載荷敏感的元件的至少其中一個(gè)可以安裝在套筒的尤其平坦的板件上，該板件布置在套筒的空心筒式的部段中和安裝在空心筒式的部段上。按照這種設(shè)計(jì)方案可以設(shè)有與傳感器套筒的壁一體式構(gòu)造的或者壓裝在傳感器套筒中的分開(kāi)的板件，該板件用于容納一個(gè)或者多個(gè)對(duì)載荷敏感的元件。例如，板件可以布置在空心筒式的壁的這樣的位置上，使得板件被在傳感器套筒的相互對(duì)置的軸向的端部之間居中地布置。在該板件上可以安裝對(duì)載荷敏感的元件，以便該元件雖然在傳感器套筒的內(nèi)部受到保護(hù)，但是還對(duì)在隧道掘進(jìn)機(jī)的挖掘運(yùn)行時(shí)的載荷有高敏感度地安裝。試驗(yàn)已經(jīng)表明，對(duì)載荷敏感的元件的這種布置不僅導(dǎo)致極小的遲滯性和非常高的敏感度，而且也導(dǎo)致配設(shè)了對(duì)載荷敏感的元件的傳感器套筒板件裝置的長(zhǎng)使用壽命。該板件可以在整個(gè)圓周上直接連接或者鄰接在傳感器套筒的空心筒式的壁上，以便實(shí)現(xiàn)向在該板件上的一個(gè)或者多個(gè)對(duì)載荷敏感的元件的力傳導(dǎo)不受阻礙。

按照一種實(shí)施例，多個(gè)對(duì)載荷敏感的元件可以相互徑向角錯(cuò)移地安裝在板件上。例如四個(gè)對(duì)載荷敏感的元件可以分別以90°的間距安裝在板件上，從而它們的連線構(gòu)成十字形。備選地或者作為補(bǔ)充地，例如通過(guò)規(guī)定在傳感器套筒內(nèi)部的多個(gè)板件可以在軸向上不同的位置上也安裝對(duì)載荷敏感的元件，以便進(jìn)一步提高所記錄的載荷數(shù)據(jù)的局部分辨率。

按照一種實(shí)施例，板件可以構(gòu)造為膜件。對(duì)于板件為可振動(dòng)或者可運(yùn)動(dòng)的膜件的設(shè)計(jì)方案，膜件隨著在挖掘運(yùn)行時(shí)由于外部載荷沖擊引起的振動(dòng)而振動(dòng)，該傳感器裝置的敏感度是特別高的。

按照一種實(shí)施例，兩個(gè)對(duì)載荷敏感的元件可以相互徑向角錯(cuò)移地安裝在套筒壁的內(nèi)表面上，兩個(gè)另外的對(duì)載荷敏感的元件可以與內(nèi)表面分開(kāi)地配設(shè)。對(duì)于這種例如附圖2所示的配置，兩個(gè)安裝在內(nèi)壁上的對(duì)載荷敏感的元件主要進(jìn)行力測(cè)量，相反地其他兩個(gè)對(duì)載荷敏感的(例如可以非緊固式地安裝在套筒的內(nèi)部的)元件可以被規(guī)定以電橋電路的方式用于溫度平衡。

按照一種另外的、尤其優(yōu)選的實(shí)施例，四個(gè)對(duì)載荷敏感的元件可以在套筒的尤其是平的板件上繞套筒軸線徑向分布地安裝，其中，板件布置在套筒的空心筒式的部段中和安裝在空心筒式的部段上。按照例如在附圖3中所示的這種配置，全橋電路的所有四個(gè)對(duì)載荷敏感的元件都安裝在板件上(優(yōu)選在板件的共同的主面上、進(jìn)一步優(yōu)選以基本x形或者十字形的樣式)，其中，對(duì)載荷敏感的元件的其中兩個(gè)沿第一方向并且另外兩個(gè)對(duì)載荷敏感的元件沿著優(yōu)選與第一方向正交的第二方向定向。這種配置在檢測(cè)準(zhǔn)確度、線性、遲滯性表現(xiàn)和機(jī)械可靠性方面表現(xiàn)出尤其好的特性。

按照一種實(shí)施例，四個(gè)對(duì)載荷敏感的元件可以相互徑向角錯(cuò)移地安裝在套筒壁的內(nèi)表面上。附圖4示出這種實(shí)施例，并且其通過(guò)對(duì)載荷敏感的元件在傳感器套筒的內(nèi)壁上的對(duì)稱安裝同樣實(shí)現(xiàn)不易出錯(cuò)地測(cè)量作用力。所形成的對(duì)載荷敏感的元件相對(duì)于環(huán)境的屏蔽在挖掘運(yùn)行的惡劣艱苦條件下尤其有利。

按照一種實(shí)施例，挖掘工具具有至少一個(gè)另外的至少部段式地安裝在切割輪固定裝置中和/或在切割輪上的另外的套筒，該另外的套筒具有至少一個(gè)安裝在另外的套筒上的對(duì)載荷敏感的元件，其中，套筒和另外的套筒可以在挖掘工具的不同的位置上相互成角度地、尤其正交地布置。有利的是也可以在挖掘工具上配設(shè)多個(gè)傳感器套筒，這些傳感器套筒可以提供補(bǔ)足的或者作為補(bǔ)充的或者提升探測(cè)精確度的信息。尤其兩個(gè)傳感器套筒相互成角度、優(yōu)選相互正交的(就是說(shuō)套筒軸線以相互成90°角度的)布置不僅提供補(bǔ)足的信息，而且也使不同的分力、例如切割輪裝置的卷力、法向力和軸向力的檢測(cè)成為可能。

按照一種實(shí)施例，套筒可以布置在切割輪固定裝置的切割輪固持器中。這種切割輪固持器用于在挖掘工具中支承切割輪，并且可以又構(gòu)造得自身用于安裝在鉆頭中。這種切割輪固持器提供的可能性在于，能構(gòu)造一個(gè)或者多個(gè)用于容納一個(gè)或者多個(gè)傳感器套筒的套筒容納孔。此外，在很快就被磨損的切割輪被換下時(shí)，切割輪固持器可以繼續(xù)保持安裝在鉆頭上，使得在僅僅換下切割輪時(shí)不需要耗費(fèi)地拆卸和再次安裝傳感器線纜。

按照一種實(shí)施例，套筒可以布置在切割輪固定裝置的切割輪支承件、尤其C形件上。切割輪固持裝置的C形件是一種在橫截面中具有基本C形的支承件。這種C形件布置得離切割輪自身很近，因此對(duì)起作用的載荷特別敏感或者提供特別精確的傳感器數(shù)據(jù)用于高靈敏度確定在挖掘運(yùn)行期間作用在挖掘工具上的力，正如有限元模擬所示的那樣。

按照一種實(shí)施例，套筒可以作為切割輪軸的一部分布置。傳感器套筒的套筒式的形狀決定了其被裝入切割輪的軸孔中，以便能在此位置上檢測(cè)最準(zhǔn)確的力數(shù)據(jù)。在切割輪拆下時(shí)，套筒可以簡(jiǎn)單地從套筒軸取出或者移出并裝入新的切割輪中。由此可以在(由于磨損而)換下切割輪時(shí)用簡(jiǎn)單的器件再次安裝傳感器套筒。

備選地或者作為補(bǔ)充地，傳感器套筒也可以實(shí)施在切割輪的其他位置上，例如在切割輪的切割環(huán)的實(shí)心部段中的鉆孔中。

按照一種實(shí)施例，挖掘工具可以具有至少一個(gè)傳感器線纜用于引導(dǎo)傳感器信號(hào)，其中，該至少一個(gè)傳感器線纜從至少一個(gè)對(duì)載荷敏感的元件出發(fā)至少部段式地穿過(guò)套筒的內(nèi)腔延伸。具有一個(gè)接入開(kāi)口或者兩個(gè)接入開(kāi)口的傳感器裝置的套筒式設(shè)計(jì)方案能夠?qū)崿F(xiàn)以極低的耗費(fèi)引導(dǎo)至在傳感器套筒中的對(duì)載荷敏感的元件的導(dǎo)入和導(dǎo)出線纜并且同時(shí)保護(hù)其不受環(huán)境的機(jī)械式影響。這體現(xiàn)了按照本發(fā)明的解決方案的顯著的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)樵谙袼淼谰蜻M(jìn)機(jī)運(yùn)行期間的惡劣條件下也能在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行中保證可靠提供載荷敏感的元件的電信號(hào)。

作為線纜連接的信號(hào)和/或能源引導(dǎo)的備選，也可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)或者多個(gè)對(duì)載荷敏感的元件與分析或者控制裝置的無(wú)線通信，例如借助使用應(yīng)答器，例如RFID標(biāo)簽。

在本發(fā)明中，切割輪尤其指的是構(gòu)造用于切割式去除巖石的、可以轉(zhuǎn)動(dòng)的物體。優(yōu)選地，切割輪是盤(pán)形件，其也可以被稱為滾輪鉆頭(Rollenmeiβel)。盤(pán)形件的外部環(huán)可以被稱為切割環(huán)。盤(pán)形件并非被主動(dòng)式地驅(qū)動(dòng)，而是在工作面上滾動(dòng)。切割輪的一種另外示例性的實(shí)施例是牙輪鉆頭(Warzenmeiβel),牙輪鉆頭是具有凸點(diǎn)狀突出部的能轉(zhuǎn)動(dòng)的物體，其例如用于剝離非常硬的巖石(例如用于白金礦)。

按照一種實(shí)施例，至少一個(gè)對(duì)載荷敏感的元件可以構(gòu)造為電阻應(yīng)變片。電阻應(yīng)變片是用于檢測(cè)伸展膨脹變形的測(cè)量裝置，在變形很小時(shí)其電阻就發(fā)生改變并且因此被用作膨脹傳感器。電阻應(yīng)變片例如可以粘在套筒中或者用別的方法固定在其上，使得在挖掘工具運(yùn)行中的載荷下電阻應(yīng)變片可以變形。這種變形或者膨脹然后就導(dǎo)致電阻應(yīng)變片的電阻改變。相應(yīng)的電信號(hào)可以作為傳感器信號(hào)被檢測(cè)和分析。電阻應(yīng)變片是低成本的對(duì)載荷敏感的元件，這非常好地適應(yīng)了鉆頭中的要求，因?yàn)槠渑c那里嚴(yán)苛的條件相適應(yīng)。作為把電阻應(yīng)變片實(shí)施為對(duì)載荷敏感的元件的備選，也可以使用壓電傳感器作為對(duì)載荷敏感的元件。

按照一種實(shí)施例，挖掘工具可以構(gòu)造為楔鎖式挖掘工具(Wedge-Lock-Abbauwerkzeug)或半軸式挖掘工具(Steckachsen-Abbauwekzeug)。本領(lǐng)域技術(shù)人員已知這兩種類型的挖掘工具經(jīng)常用于隧道掘進(jìn)機(jī)中。半軸式挖掘工具的一種示例也被稱作“錐形鞍系統(tǒng)(conical saddle system)”。例如Aker Wirth公司使用半軸式挖掘工具。例如Herrenknecht公司或Robbins公司使用楔鎖式挖掘工具。

按照一種實(shí)施例，在套筒和在套筒內(nèi)部的至少一個(gè)安裝在套筒上的對(duì)載荷敏感的元件之間可以保留空腔。例如，在實(shí)施一個(gè)或者多個(gè)對(duì)載荷敏感的元件之后，空腔的未被占用的空腔體積可以是傳感器套筒總體積(即空心體積加固體體積)的至少10％，尤其至少30％，進(jìn)一步尤其至少50％。通過(guò)在將至少一個(gè)對(duì)載荷敏感的元件安裝在套筒上之后在套筒內(nèi)部保留空腔，可以在挖掘運(yùn)行中起作用的力的影響下有利地實(shí)現(xiàn)套筒和/或?qū)d荷敏感的元件的一定的補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)。此外，保留空心體積使得線纜連接可以方便實(shí)施和單個(gè)的對(duì)載荷敏感的元件可以(例如用于構(gòu)造溫度不變的全橋電路)在套筒內(nèi)部不受束縛地安裝，并且因此在配置傳感器裝置時(shí)提高設(shè)計(jì)自由度。

按照一種實(shí)施例，套筒可以與切割輪固定裝置和/或切割輪一體式地、尤其同一材料地構(gòu)造。例如，套筒可以焊接或者釬焊在切割輪固定裝置和/或切割輪中的鉆孔中，或者套筒可以其他方式不可分地或者甚至與切割輪固定裝置和/或切割輪集成地構(gòu)造。

按照一種實(shí)施例，傳感器裝置可以具有四個(gè)、尤其正好四個(gè)對(duì)載荷敏感的元件，其中，可以安裝分析單元，分析單元以四個(gè)對(duì)載荷敏感的元件的傳感器信號(hào)為基礎(chǔ)確定指示作用在切割輪上的壓緊力、側(cè)向力和滾動(dòng)力的信息。這種設(shè)計(jì)方案具有的優(yōu)點(diǎn)在于，四個(gè)對(duì)載荷敏感的元件檢測(cè)部分冗余的傳感器信息，其不僅說(shuō)明三個(gè)測(cè)量參數(shù)壓緊力、側(cè)向力和滾動(dòng)力，而且與其確定一致。在隧道掘進(jìn)機(jī)的惡劣條件下特別有利的是以此可以達(dá)到測(cè)量數(shù)據(jù)的高精度。

下面參照附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的示例性實(shí)施例。

在附圖中：

圖1示出具有鉆頭的隧道掘進(jìn)機(jī)，鉆頭裝配有多個(gè)按照本發(fā)明示例性實(shí)施例的挖掘工具。

圖2至圖4分別示出傳感器套筒的立體視圖、相應(yīng)的電橋電路的電路圖、傳感器套筒的俯視圖，或者說(shuō)在按照本發(fā)明示例性實(shí)施例的挖掘工具的傳感器裝置的傳感器套筒上的傳感器板件的俯視圖。

圖5示出剖切按照本發(fā)明示例性實(shí)施例的挖掘工具的橫截面，尤其示出結(jié)合用于使切割輪固定在按照本發(fā)明的示例性實(shí)施例的挖掘工具的切割輪固定裝置上的固定元件的按照本發(fā)明的傳感器套筒的合適的位置。

圖6示出在按照本發(fā)明的示例性實(shí)施例的挖掘工具上的不同位置上的傳感器套筒的敏感度方面的有限元分析結(jié)果。

圖7示出按照本發(fā)明的示例性實(shí)施例的挖掘工具的立體視圖，其中，兩個(gè)傳感器套筒相互正交地布置并且布置在切割輪固定裝置的C形件中。

圖8示出按照本發(fā)明的示例性實(shí)施例的挖掘工具的分解視圖，尤其示出兩個(gè)傳感器套筒的安裝位置和安裝方向。

圖9示出圖表，其示出用于在圖2至圖4所示按照本發(fā)明的示例性實(shí)施例的傳感器套筒的實(shí)施例的表現(xiàn)的線性以及遲滯性和敏感度的分析。

圖10示出圖表，其示出按照本發(fā)明的傳感器套筒相對(duì)于在固定元件中集成的傳感器裝置的顯著改善的檢測(cè)敏感度。

圖11示出按照本發(fā)明的示例性實(shí)施例的挖掘工具的切割輪，其具有安裝在切割輪軸上的、按照本發(fā)明的示例性實(shí)施例的傳感器套筒。

圖12示出安裝在切割輪固定裝置中的切割輪和在挖掘運(yùn)行期間作用在其上的三個(gè)分力的示意圖。

在不同附圖中相同或者相似的組件配設(shè)相同的附圖標(biāo)記。

圖1示出用于挖掘巖石102的隧道掘進(jìn)機(jī)180，在巖石中已有鉆孔182。挖掘進(jìn)行的方式是鉆孔182按照?qǐng)D1向右逐漸推進(jìn)。本領(lǐng)域技術(shù)人員已知隧道掘進(jìn)機(jī)180具有大量組件。但是為了表示清楚，在圖1中僅示出具有大量(例如50個(gè)至100個(gè))挖掘工具100的鉆頭150。確切地說(shuō)，鉆頭150具有借助驅(qū)動(dòng)裝置184能相對(duì)于巖石102轉(zhuǎn)動(dòng)和平動(dòng)式運(yùn)動(dòng)的鉆體152，在其前側(cè)或者巖石側(cè)上安裝有大量挖掘工具固持件或者挖掘工具容納件154。挖掘工具固持件或者挖掘工具容納件154在鉆體152的圓形的端面上分布，這在圖1的橫截面視圖中僅能看到部分。每個(gè)挖掘工具固持件154都安裝用于固持各挖掘工具100。換句話說(shuō)，挖掘工具100可以安裝在每個(gè)挖掘工具固持件154中。

每個(gè)挖掘工具100具有可以安裝在鉆頭150上的盤(pán)形件固定裝置104，盤(pán)形件固定裝置104具有用于容納和支承能轉(zhuǎn)動(dòng)的盤(pán)形件106的容納支承件，盤(pán)形件106同樣是挖掘工具100的一部分。

每個(gè)盤(pán)形件固定裝置104具有盤(pán)形件容納部194，盤(pán)形件容納部194可以構(gòu)造為器皿的形式，其被配置專門(mén)用于容納作為可更換模塊的盤(pán)形件106。固定螺栓110構(gòu)成盤(pán)形件固定裝置104的另外的部件。所以每個(gè)挖掘工具100具有多個(gè)固定螺栓110，通過(guò)固定螺栓使盤(pán)形件106連同支承件或軸承126和盤(pán)形件容納部194固定在鉆頭150上。盤(pán)形件106具有軸120、盤(pán)體122、配備圓周式切割邊的切割環(huán)124和支承件126。

當(dāng)盤(pán)形件106安裝在各盤(pán)形件固定裝置104上時(shí)，各盤(pán)形件106的圓周式的切割邊124在轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)中可以為了剝離巖石102而接觸在巖石上。盤(pán)形件106可更換式地被容納在盤(pán)形件固定裝置104的容納支承件中，或者確切地說(shuō)在盤(pán)形件容納部194中。

每個(gè)挖掘工具100具有傳感器裝置112用于探測(cè)對(duì)應(yīng)的挖掘工具100、精確地說(shuō)是盤(pán)形件106的機(jī)械載荷。在通過(guò)盤(pán)形件106挖掘巖石102期間盤(pán)形件106承受這種機(jī)械載荷。按照?qǐng)D1所示實(shí)施例，傳感器裝置112構(gòu)造為在盤(pán)形件固定裝置104中(和在備選的實(shí)施例中，備選地或者補(bǔ)充地在盤(pán)形件106上)安裝的套筒177，套筒177具有安裝在其上的、以電阻應(yīng)變片形式的對(duì)載荷敏感的元件108。也即在套筒177中集成電阻應(yīng)變片作為對(duì)載荷敏感的元件108。借助連接線纜或者傳感器線纜171可以將電氣傳感器信號(hào)從對(duì)載荷敏感的元件108向分析單元128傳送。在圖2至圖4中示出按照?qǐng)D1的傳感器裝置112的示例性設(shè)計(jì)方案。

分析單元128可以是隧道掘進(jìn)機(jī)180的控制裝置或者處理器的一部分，其記錄由對(duì)載荷敏感的元件108測(cè)到的傳感器數(shù)據(jù)，由此確定作用在對(duì)應(yīng)的盤(pán)形件106上的機(jī)械載荷。

圖2示出用于按照本發(fā)明的示例性實(shí)施例的挖掘工具的也被稱為傳感器套筒的套筒177。

按照?qǐng)D2，套筒177被構(gòu)造為具有貫穿的軸向通孔的空心圓筒形物體，其中，在套筒177的內(nèi)壁175上徑向相互以90°錯(cuò)移地粘接有兩個(gè)電阻應(yīng)變片作為對(duì)載荷敏感的元件108。這兩個(gè)對(duì)載荷敏感的元件108用于在對(duì)應(yīng)的挖掘工具100被安裝在鉆頭150上時(shí)記錄在隧道掘進(jìn)機(jī)180運(yùn)行期間的載荷信號(hào)。在隧道掘進(jìn)機(jī)180運(yùn)行時(shí)，挖掘工具100會(huì)強(qiáng)烈變熱，尤其在盤(pán)形件106的區(qū)域中。為了使傳感器裝置112不受這種溫度影響，兩個(gè)在套筒177的內(nèi)壁175上安裝(例如粘接)的對(duì)載荷敏感的元件108(在圖2中以“1”和“3”標(biāo)示)與兩個(gè)另外的同樣的對(duì)載荷敏感的元件108(在圖2中的立體視圖中未示出，但在電路圖中以“R2”和“R4”標(biāo)示并且在俯視圖中在內(nèi)壁175的右側(cè)分開(kāi)地顯示)連接成電橋電路。另外的兩個(gè)對(duì)載荷敏感的元件108在此用于記錄參考數(shù)據(jù)，它們可以與力無(wú)關(guān)或者與載荷無(wú)關(guān)地實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。

圖3示出按照本發(fā)明另外的示例性實(shí)施例的傳感器裝置112的套筒177。按照這種設(shè)計(jì)方案，在空心圓筒形的內(nèi)壁175的內(nèi)部配設(shè)膜式的和彈性的平的板件173(例如被壓裝入或者與空心筒一起由共同的卷材制造)，在板材上沿徑向分別以每90°相互錯(cuò)移地近似X形或者十字形地安裝四個(gè)對(duì)載荷敏感的元件108。這四個(gè)對(duì)載荷敏感的元件108又可以實(shí)施為電阻應(yīng)變片。板件173尤其可以與套筒177的配屬于內(nèi)壁175的空心圓筒形物體一體式地或者材料相同地構(gòu)造，例如方法是在(例如由不銹鋼制成的)實(shí)心圓柱物體中在兩側(cè)構(gòu)造盲孔，該盲孔相互沿軸向通過(guò)板件173分隔。按照另外的設(shè)計(jì)方案，板件173可以作為單獨(dú)的組件被壓裝入空心圓筒形的套筒175的內(nèi)部。按照?qǐng)D3，四個(gè)對(duì)載荷敏感的元件108也可以為了溫度補(bǔ)償?shù)哪康亩B接成電橋電路。對(duì)于按照?qǐng)D3的配置，對(duì)載荷敏感的元件108被布置在套筒177內(nèi)部的對(duì)傳感敏感和對(duì)機(jī)械穩(wěn)定的位置上，因此在較高的檢測(cè)準(zhǔn)確度的情況下可靠保護(hù)對(duì)載荷敏感的元件108在安裝時(shí)或者在隧道掘進(jìn)機(jī)180運(yùn)行期間不被損壞。

按照?qǐng)D4示出有套筒177，其中，四個(gè)對(duì)載荷敏感的元件108全部安裝在空心圓筒形的套筒177的內(nèi)壁175上。四個(gè)對(duì)載荷敏感的元件108在這里也組合成電橋電路。四個(gè)對(duì)載荷敏感的元件108中的兩個(gè)用于真正記錄測(cè)量信號(hào)，相反地其他兩個(gè)對(duì)載荷敏感的元件108被構(gòu)造用于借助電橋電路進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

圖5示出用于按照本發(fā)明的示例性實(shí)施例的隧道掘進(jìn)機(jī)180的鉆頭150的挖掘工具110的橫截面。尤其在圖5中示出，盤(pán)形件固定裝置104在此由用于安裝鉆頭的盤(pán)形件固定器504和用于容納和安裝盤(pán)形件106的盤(pán)形件軸502的C形件構(gòu)成。圖5還示出用于將組件相互組裝的固定螺栓110?；酒叫杏诠潭菟?06和基本垂直于盤(pán)形件軸502地延伸有挖掘工具100的傳感器裝置112的套筒177，其中，套筒177壓裝入或者旋擰入或者沖入套筒容納孔中，該套筒容納孔構(gòu)造在盤(pán)形件固定裝置104中。圖5示出，由于盤(pán)形件固定裝置104的實(shí)心的構(gòu)造，所以為挖掘工具設(shè)計(jì)者提供較高的預(yù)定套筒177的位置和定向的選擇自由。尤其是套筒177與固定螺栓110的相互不關(guān)聯(lián)提高了這種設(shè)計(jì)自由度。此外，通過(guò)規(guī)定套筒177是薄壁式的彈性的元件實(shí)現(xiàn)了套筒177自身在探測(cè)載荷數(shù)據(jù)時(shí)的協(xié)同作用，使得套筒177自身就是對(duì)載荷敏感的系統(tǒng)的一部分，并且因此與(在圖5中未示出的)對(duì)載荷敏感的元件108協(xié)同式共同作用。

圖6示出在挖掘工具100的盤(pán)形件固定裝置104上進(jìn)行的有限元分析的結(jié)果。根據(jù)圖6可以看到，在盤(pán)形件固定裝置104的確定的區(qū)域中確定有特別高的敏感度或者力峰值，當(dāng)在這些位置運(yùn)行傳感器裝置112時(shí)會(huì)提高測(cè)量準(zhǔn)確度。因?yàn)榘凑毡景l(fā)明可以與(安裝在預(yù)定位置的)固定元件110無(wú)關(guān)地配設(shè)和定位傳感器裝置112，以此可以實(shí)現(xiàn)檢測(cè)的載荷的特別高的準(zhǔn)確度。

圖7示出按照本發(fā)明的示例性實(shí)施例的挖掘工具100的立體視圖。在按照?qǐng)D7的實(shí)施例中，傳感器裝置112的兩個(gè)相互基本正交地定向的套筒177導(dǎo)入盤(pán)形件固定裝置104的C形件500的內(nèi)部中。套筒177的軸線在此分別與盤(pán)形件轉(zhuǎn)動(dòng)軸線正交地延伸。已表明，以這種配置可以記錄特別敏感的傳感器數(shù)據(jù)。在圖7中還示出固定螺栓110的位置。

圖8再次示出在圖7中所示的裝置的分解視圖并且尤其示出，套筒177可以如何導(dǎo)入各個(gè)被鉆孔的套筒容納孔800。套筒177的空心空腔不僅可以導(dǎo)引用于以能量和/或信號(hào)向?qū)d荷敏感的元件108供應(yīng)的電纜或者導(dǎo)引用于從對(duì)載荷敏感的元件108獲取信號(hào)的電纜，而且也對(duì)套筒177的彈性有貢獻(xiàn)，這對(duì)于傳感測(cè)量的準(zhǔn)確度是有利的。此外，當(dāng)套筒177(例如由于磨損)應(yīng)被換下時(shí)，套筒177的兩側(cè)開(kāi)口的空心內(nèi)腔可以被用于嵌接工具。

圖9示出圖表900，圖表900示出在圖2至圖4所示傳感器裝置112的敏感度。圖表900具有橫坐標(biāo)902，沿橫坐標(biāo)填入記錄到的測(cè)量信號(hào)。沿縱坐標(biāo)904記錄作用在各個(gè)對(duì)載荷敏感的元件108上的力F。曲線906對(duì)應(yīng)按照?qǐng)D2的傳感器裝置112、曲線908對(duì)應(yīng)按照?qǐng)D3的傳感器裝置112、曲線910對(duì)應(yīng)按照?qǐng)D4的傳感器裝置112。首先可以看到，所有的實(shí)施方式中的遲滯性、即由各分曲線圍成的面積都是特別小的。以按照?qǐng)D3的配置的遲滯性表現(xiàn)是最好的。此外能看到作為對(duì)所施加的力的反應(yīng)而得到的測(cè)量信號(hào)的良好的線性，尤其在按照?qǐng)D2和圖3的傳感器裝置的情況下很突出。最后，該測(cè)量的敏感度是很高的，尤其按照?qǐng)D2和圖3的傳感器裝置的情況。圖9示出按照?qǐng)D3的傳感器裝置112實(shí)現(xiàn)了在遲滯性表現(xiàn)很小和較高線性的情況下最高的敏感度。

圖10示出圖表100，圖表100也具有橫坐標(biāo)902和縱坐標(biāo)904。一同示出的是第一曲線集合和按照本發(fā)明的、具有在套筒177上安裝的對(duì)載荷敏感的元件108的傳感器裝置112(曲線1002以相應(yīng)于圖3的設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，曲線1004以相應(yīng)于圖4的設(shè)計(jì)為基礎(chǔ))。作為比較，示出用于三種傳統(tǒng)的傳感器裝置的測(cè)量數(shù)據(jù)，其中，對(duì)載荷敏感的元件集成在固定元件中(曲線集合1006)。圖10清楚地示出，用按照本發(fā)明的傳感器裝置112(曲線1002、1004)可以得到比對(duì)載荷敏感的元件集成在固定元件、例如固定螺栓或者固定銷(曲線1006)中明顯更高的敏感度。

圖11示出按照本發(fā)明的示例性實(shí)施例的挖掘工具100的盤(pán)形件106的俯視圖。按照在圖11中所示的實(shí)施例，套筒177(例如被壓裝)穿過(guò)盤(pán)形件軸，因此在高敏感度位置記錄傳感器數(shù)據(jù)。按照所示實(shí)施方式，沿盤(pán)形件軸502的圓周布置兩個(gè)對(duì)載荷敏感的元件108。

圖12示出容納在盤(pán)形件固定裝置104上的盤(pán)形件106的示意圖。在挖掘運(yùn)行時(shí)，法向力F_N作用在盤(pán)形件106上，盤(pán)形件106還承受滾動(dòng)力F_R，借助其使得盤(pán)形件106在挖掘巖石時(shí)繞軸線120滾動(dòng)。側(cè)向力F_S也作用在盤(pán)形件106上。用按照本發(fā)明的傳感器裝置112可以檢測(cè)每個(gè)單獨(dú)的分力F_N、F_R、F_S，并且是以最高的精度進(jìn)行。

作為補(bǔ)充地清楚的是，“具有”不排除其他元件或者步驟，“一個(gè)”不排除多個(gè)。此外還要清楚，參照上述實(shí)施例之一進(jìn)行說(shuō)明的特征和步驟也可以與上述其他實(shí)施例的特征或者步驟結(jié)合使用。在權(quán)利要求中的附圖標(biāo)記不應(yīng)被視為限定。