DE102010006608A1

DE102010006608A1 - Vorrichtung zum Hochdruck-Wasserstrahlschneiden in geschlossenen Kanälen

Info

Publication number: DE102010006608A1
Application number: DE201010006608
Authority: DE
Inventors: Volker Galinsky
Original assignee: Galinsky Volker Dipl-Ing 01640
Current assignee: Galinsky Volker Dipl-Ing 01640
Priority date: 2010-02-01
Filing date: 2010-02-01
Publication date: 2011-08-04
Also published as: DE202010016857U1; WO2011092339A3; WO2011092339A2

Abstract

Die Erfindung betrifft Vorrichtung zum Hochdruck-Wasserstrahlschneiden in geschlossenen Kanälen 41 mit einer Düse 13 zur Erzeugung zumindest eines gerichteten, gebündelten Strahls eines flüssigen Strahlmediums, einer Düsenhalterung 11, einem motorisierten Fahrwagen 1 zum Bewegung der Düsenhalterung 11 durch einen Kanal 41, mit einer Stützvorrichtung 31, mit der der Fahrwagen 1 auch während seiner Fortbewegung in einer Position im Querschnitt des Kanals 41 gehalten wird, mit einer Medienzufuhr 17, zur Versorgung der Düse 13 mit einem unter Hochdruck stehenden Strahlmedium, welche am Fahrwagen 1 montiert ist, und mit einer Steuereinheit. Mittels der Düsenhalterung 11 ist die Düse 13 um eine Schwenkachse 15 mit einem Winkelbereich von 360° schwenkbar und mittels der Steuereinheit sind sowohl dieses Schwenken als auch der Antrieb des Fahrwagens 1 steuerbar, wobei die Steuereinheit mit einer externen Bedieneinheit 9 verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft allgemein eine Vorrichtung zum Schneiden von festen Materialien mittels Hochdruck-Wasserstrahl. Sie betrifft insbesondere eine Vorrichtung, die in geschlossenen Kanälen, auch in nicht für Personen zugänglichen Kanälen, arbeitet und dabei auf den Flächen der umgebenden Wandung Schneidvorgänge ausführt.
Unter dem bekannten Begriff des Hochdruck-Wasserstrahlschneidens oder Wasserstrahlschneidens sind Verfahren und Vorrichtungen bekannt, bei denen ein unter hohem Druck erzeugter Strahl eines flüssigen Mediums, häufig Wasser, mittels einer Düse auf eine zu schneidende Oberfläche gerichtet wird und dort eine lokal begrenzbare abrasive Wirkung hervorruft. Durch entsprechende Düsengestaltung können mit fein fokussierten Strahlen linienförmige Schnitte geführt werden oder durch entsprechende Strahlführung auch komplexe Formen geschnitten werden. Durch Düsen mit mehreren Düsenöffnungen und/oder das Abrastern einer Fläche ist auch ein flächiger, auch schichtweiser Abtrag zu erzielen. Es ist ferner bekannt, dem Wasserstrahl feste Partikel oder Glasbläschen zuzusetzen, um die abrasive Wirkung zu verstärken.
Mit diesem Verfahren sind verschiedenste, auch schwer zu bearbeitende Materialien zu schneiden, wie z. B. Stähle, Polymerstoffe auch mit Faserverstärkung, Keramik, Glas, Stein und andere, so dass sich die Anwendbarkeit des Hochdruck-Wasserstrahlschneidens auf sehr verschiedene Bereiche erstreckt. Eine Anwendung ist das Bearbeiten der Innenflächen von geschlossenen Kanälen mit verschiedensten Querschnitten. Um hier unabhängig vom Kanalquerschnitt an den gewünschten Stellen oder bei einer vollflächigen Bearbeitung umfänglich eine gleichmäßige Bearbeitung, z. B. die gleichmäßige Ablösung einer Beschichtung der Innenfläche, zu erzielen, ist es erforderlich, den Wasserstrahl mit hoher Präzision über die Fläche zu führen. Als geschlossen ist ein Kanal zu verstehen, dessen Wandung vollumfänglich ausgebildet ist, wobei die Form des Querschnitts beliebig sein kann.
Dem steht entgegen, dass zum Schutz des Bedieners und der Vorrichtung vor dem mitunter auch aggressiven Medium oder vor abgelösten Fragmenten ein räumlicher Abstand zwischen dem aktuellen Bearbeitungsort und dem Bediener gewünscht ist. Hinzu kommt, dass die Größe mancher Kanäle ein Begehen durch den Bediener nicht zulässt.
Ein wesentlicher Parameter für die gleichmäßige Bearbeitung ist der Abstand zwischen Düse und Oberfläche sowie die Richtung, mit dem der Strahl auf die Oberfläche trifft. Um hier reproduzierbare Verhältnisse innerhalb des Hohlraums zu schaffen, sind Konstruktionen bekannt, mit denen die Düse in einer oder in mehreren Richtungen an der Oberfläche abgestützt und auf diese Weise die zu bearbeitende Oberfläche gleichmäßig mit dem Wasserstrahl abgerastert wird. Die Abstützung der Düse erfolgt dabei meist so, dass sie mittig im Kanalquerschnitt angeordnet ist. Aber auch mit einer solchen Düsenführung ist eine präzise Strahlführung durch den Bediener unablässig.
Eine im Kanal platzierte Düse wird zur abschnittsweisen oder gleichmäßig fortschreitenden Bearbeitung rückwärts durch den Kanal bewegt, so dass sich der Bediener stets in dem nicht oder nicht vollständig bearbeiteten Bereich befindet, in dem keine Gefahr durch herabfallende Teile besteht. Diese Rückwärtsbewegung muss jedoch durch eine entsprechende Medienzuführung insbesondere für Wasser und gegebenenfalls auch für die festen Partikel und Gas unterstützt werden, so dass weder die Bearbeitung noch die Bewegung behindert noch die Medienzuführung beschädigt werden.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zum Hochdruck-Wasserstrahlschneiden anzugeben, mit der Hohlräume, auch unzugängliche Hohlräume, ferngesteuert und mit gleichbleibender Präzision bearbeitet werden können.
Zur Lösung der Aufgabe wird eine Düse, die mittels einer um 360° schwenkbaren Düsenhalterung in verschiedenen Richtungen ausrichtbar ist, auf einem motorisierten Fahrwagen montiert, so dass die Düse durch einen Kanal bewegt werden kann und dabei dessen Innenfläche in allen Bereichen bearbeiten kann. Aufgrund der Bewegung des Fahrwagens entlang der Ausdehnung des Kanals, die sowohl vorwärts, d. h. in die Richtung, in welcher die Düse bezogen auf den Fahrwagen angeordnet ist, als auch rückwärts erfolgen kann, ist das Schwenken der Düse um nur eine Schwenkachse ausreichend, um jeden Bereich der Innenfläche mit dem Strahl zu erreichen. Die Richtung, in der der Fahrwagen sich im Kanal bewegt, soll Fahrtrichtung benannt sein, unabhängig davon, ob diese vorwärts oder rückwärts erfolgt.
Um wie oben dargestellt, jeden Bereich der Innenfläche des Kanals durch ein Schwenken der Düsenhalterung in Verbindung mit den möglichen Bewegungen des Fahrwagens mit dem Hochdruck-Wasserstrahl überstreichen zu können, liegt die Schwenkachse parallel oder mit einem spitzen Winkel geneigt zur Fahrtrichtung, wenn die Düse rechtwinklig auf die Innenfläche ausgerichtet ist oder lediglich mit einem Winkel kleiner 45° davon abweicht.
Mithilfe der Stützvorrichtung wird der Fahrwagen und damit auch die Düse im Kanalquerschnitt gleichbleibend positioniert, so dass auch bei einer Bewegung des Fahrwagens der Abstand zwischen Düse und der zu behandelnden Oberfläche gleichbleibt. Dazu wird der Fahrwagen durch geeignete Führungselemente, die die Bewegung des Fahrwagens nicht behindern, in mehreren Richtungen zur Kanalwandung abgestützt, gewissermaßen verklemmt. Je nach Größe der Vorrichtung und des Kanals kann die Andruckkraft zum Abstützen und der Anschluss der Stützvorrichtung an der Wandung variieren. Letzteres kann z. B. über Gleitlager oder über Rollen erfolgen.
Mithilfe der Fixierung des Fahrwagens und damit auch die Düsenhalterung in einer gewünschten Position im Querschnitt des Kanals ist auch ein ferngesteuerter Betrieb des Fahrwagens ohne manuellen Eingriff vor Ort möglich. Der ferngesteuerte Betrieb der Schneidvorrichtung wird durch eine geeignete Steuereinheit realisiert, die mit einer externen Bedieneinheit über Leitungen oder über Funk verbunden ist.
Die Steuereinheit steuert insbesondere den Antrieb, kann aber auch weitere Funktionen realisieren, die eine Anpassung an die lokalen Gegebenheiten vor Ort notwendig machen. Eine weitere Aufgabe der Steuereinheit ist die Steuerung des Schwenkens der Düsenhalterung, um die erforderlichen Schneidarbeiten auszuführen. Das können sowohl lokal begrenzte Arbeiten sein, wie z. B. das Schneiden einer Öffnung in die Kanalwandung, als auch großflächige Oberflächenbearbeitungen, wie z. B. das Abtragen einer Schicht. Dementsprechend muss die Düse unterschiedliche Bereiche der Oberfläche mit unterschiedlichen Bewegungsabläufen, die gegebenenfalls auch mit Vor- und Rückwärtsbewegungen des Fahrwagens und unterschiedlichen Geschwindigkeiten des Wagens kombiniert sein können, überstreichen.
Mittels der Steuereinheit können über eine Speichereinheit, in der vollständige Bewegungsabläufe des Fahrwagens und des Schwenkkopfes hinterlegt werden, auch eine automatisierte oder teilautomatisierte Schneidabläufe realisiert werden. Dies wird entsprechend einer Ausgestaltung der Vorrichtung durch eine Kamera unterstützt, die zur Erfassung der Umgebung, z. B. von Verzweigungen im Kanal oder von Hindernissen geeignet ist, so dass entsprechend der aktuelle festgestellten Situation vorprogrammierte Reaktionen der Vorrichtung oder Meldungen an einen Bediener außerhalb des Kanals erfolgen können. Eine Kamera unterstützt aber ebenso die Bedienersteuerung, indem die aufgenommenen Bilder zum Bediener übertragen werden.
Aufgrund der Gestaltung des Fahrwagens mit Stützeinrichtung und der möglichen Fernsteuerung gestattet die erfindungsgemäße Vorrichtung auch die Verwendung in für den Bediener unzugänglichen und sehr kleinen Kanälen. Entsprechend den jeweiligen Bedingungen im Kanal wird der Fahrwagen die geeigneten Antriebsmittels aufweisen, die in den verschiedenen Kanälen zur Fortbewegung des Fahrwagens erforderlich sind, wie z. B. Räder, Walzen, Raupenketten oder anderes.
Um die Medienzufuhr unabhängig von dem gewählten Bewegungsregime des Fahrwagens und der Düsenhalterung und auch bei einem ferngesteuerten Betrieb zu gewährleisten, wird in einer Ausgestaltung der Vorrichtung die Medienzuleitung im Bereich des Fahrwagens starr ausgeführt. Im Unterschied zum Stand der Technik wird diese in der Nähe der Kanalwandung gehalten. Dabei wird ausgenutzt, dass aufgrund der Wölbung der Kanalwandung stets ein Zwischenraum zwischen dem Kanalwagen und der Wandung verbleibt, der für die Medienzufuhr genutzt werden kann.
Eine solche Positionierung wird entsprechend einer Ausgestaltung dadurch realisiert, dass der starre Leitungsabschnitt der Medienzufuhr an der Stützvorrichtung montiert ist. Da diese stets an der Kanalwandung anliegt, ist für diesen Leitungsabschnitt eine definierte Lage zu Kanalwandung eingestellt. Alternativ können auch andere Montageorte am Fahrwagen verwendet werden, die einen ausreichenden Zwischenraum zur Wandung hin gewährleisten. Weist der Fahrwagen zweispurig angeordnete Räder auf, ist z. B. eine Montage zwischen den Spuren am Fahrwagen möglich. Auch hier bestehen von der Fortbewegung des Fahrwagens unabhängige, gleichförmige Verhältnisse wie oben hinsichtlich der Stützvorrichtung beschrieben.
Durch diese Lage der Medienzufuhr und die starre Ausführung zumindest im Bereich des Fahrwagens ist ein ungehindertes Abstützen der Vorrichtung im Kanal mittels der Stützvorrichtung möglich.
In den sich an den starren Abschnitt anschließenden Bereichen kann die Medienzufuhr in Abhängigkeit von den auszuführenden Schwenkbewegungen der Düsenhalterung, dessen Verbindung mit der Medienzufuhr starr oder flexibel sein. Eine starre Verbindung kommt z. B. dann in Betracht, wenn nur kleine Schwenkbereiche zu realisieren sind und/oder die Kopplung der Medienzufuhr an der Düsenhalterung und an der Düse diesen Bewegungen folgen kann, z. B. durch eine drehbare Kopplung. Bei komplexeren Schwenkbewegungen sind flexible Verbindungen von Vorteil. Ähnliches gilt auch für die Verbindung zu einer externen Medienquelle, wobei hier die Medienzufuhr den Bewegungen des Fahrwagens folgen muss. Um Vorwärts- und Rückwärtsbewegungen zu ermöglichen, können z. B. geeignete Kabeltrommeln verwendet werden, die die Zuleitungen koordiniert mit den Bewegungen des Fahrwagens auf- und abrollen.
Um die Vorrichtung an verschiedene Kanaldurchmesser und Kanalquerschnitte anpassbar zu gestalten, ist die Düsenhalterung entsprechend einer Ausgestaltung der Vorrichtung in der Höhe und in der Seitenausrichtung, d. h. in der horizontalen Lage verstellbar ausgeführt. Damit ist es zum einen möglich die Düse im Kanaldurchmesser mit einem gewünschten Abstand zu platzieren, z. B. mittig für einen umfänglichen einheitlichen Abstand zur Wandung bei einer vollständigen Oberflächenbearbeitung. Zum anderen können in Verbindung mit der Fernsteuerung oder Programmierbarkeit der Vorrichtung auch unregelmäßige oder elliptische Formen gleichmäßig oder Abschnitte davon gezielt überstrichen werden, wenn der Abstand aktuell eingestellt wird. Um den jeweils vorhandenen Abstand zu ermitteln und gegebenenfalls zu korrigieren, kann die Steuereinheit auch über einen geeigneten Sensor verfügen oder die Kamera verwendet werden.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigt in
1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung in Seitenansicht und
2 eine Vorrichtung gemäß 1 in Position in einem geschlossenen Kanal mit elliptischem Querschnitt.
1 stellt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hochdruck-Wasserstrahlschneidvorrichtung dar, bei der an einem flachen Fahrwagen 1, der sich auf vier Rädern 3 in Fahrtrichtung 5 fortbewegt, eine Düsenhalterung 11 frontseitig montiert ist.
Die Düsenhalterung 11 hält eine Düse 13 mit mehreren senkrecht zur Fahrtrichtung 5 und damit radial in einem Kanal (in 1 nicht dargestellt) ausgerichteten Düsenöffnungen 14.
Die Düsenhalterung 11 umfasst einen Schwenkarm 15, der an der Vorderfront des Fahrwagens 1 montiert ist. Mittels des Schwenkarms 15 ist die Düse 13 zumindest in einer, im Ausführungsbeispiel in zwei rechtwinklig zur Fahrtrichtung 5 und zueinander liegenden Richtungen beweglich. Diese beiden Bewegungsrichtungen sind wie auch die Fahrtrichtung 5 (rückwärts und vorwärts) durch Pfeile dargestellt.
Die Düse 13 ist darüber hinaus um ihre horizontale, zur Fahrtrichtung 5 parallel liegende Schwenkachse 15, die im Ausführungsbeispiel eine Achse der Düse ist, um 360° schwenkbar. Auch diese mögliche Bewegung der Düse 13 ist durch Pfeile dargestellt. Aufgrund des im Ausführungsbeispiel festen Anschlusses 19 der Medienzufuhr 17 an der Düse 13 werden die 360° von der Düse alternierend überstrichen.
Oberseitig ist am Fahrwagen eine Stützvorrichtung 31 montiert, die aus einer stabilen und mittels eines Auszugs 35 höhenverstellbaren ebenen Platte besteht, an der seitlich jeweils drei Stützräder 32 montiert sind.
Auf der Oberseite der Platte 33 ist ein starrer Abschnitt 22 der Medienzufuhr 17 in Form von Festverrohrungen montiert. Die Verbindung vom starren Abschnitt 22, der auf die Länge der Platte 33 begrenzt ist, bis zur Düse 13 ist durch einen flexiblen Abschnitt realisiert, der solche Leitungslängen aufweist, dass die Leitungen den Bewegungen der Düse 13 folgen können, diese aber nicht behindern. Am anderen Ende des starren Abschnitts setzt sich die Medienzufuhr 17 ebenfalls mit flexiblen Leitungen fort.
Im Fahrwagen 1 und damit geschützt vor den Einflüssen der Umgebung und des abrasiven Mediums ist eine Steuereinheit (nicht dargestellt) integriert. Mittels dieser Steuereinheit ist der Antrieb des Fahrwagens 1, das Schwenken der Düse 13 und die Bewegungen der Düsenhalterung 11 zur Positionierung der Düse 13 im Kanal ferngesteuert mittels einer Bedieneinheit 9 zu bedienen. Die Signalübertragung zwischen der Steuereinheit und einer Bedieneinheit 9 außerhalb des Kanals erfolgt über Zuleitungen, die gemeinsam mit der Medienzufuhr 17 bis zum Fahrwagen 1 geführt werden. Die Signalübertragung betrifft auch die Bilder einer Kamera 7, die gemeinsam mit einer Beleuchtung nach vorn in Fahrtrichtung 5 gerichtet ist und dem Bediener die Situation vor Ort darstellt.
2 stellt die Hochdruck-Wasserstrahlschneidvorrichtung gemäß 1 innerhalb eines geschlossenen Kanals 41 in Vorderansicht dar. Der Kanal 41 hat einen elliptischen Querschnitt und weist eine innenseitige Beschichtung auf, die als Inliner 42 bezeichnet wird. Mittels der Schneidvorrichtung soll der Inliner 42 von der Kanalwandung entfernt werden.
Zur Gestaltung der Schneidvorrichtung wird auf die Darlegungen zu 1 verwiesen, wobei dieselben Komponenten mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet wurden.
Die Düse 13 der Schneidvorrichtung ist mittels der Düsenhalterung 11 zentral im Kanal 41 positioniert. Um die zu erzielende Wirkung des Wasserstrahls vollumfänglich zu gewährleisten kann entweder die Strahlwirkung auf den größten Abstand zwischen Düse 13 und Inliner 42, demnach den vertikalen Abstand eingestellt werden oder die Düse 13 während deren Schwenken um ihre Schwenkachse 15 derart mittels der Düsenhalterung 11 vertikal und möglicherweise auch bewegt werden, dass der Abstand in jeder Strahlrichtung nahezu gleich bleibt. Sind in der Düse 13 mehrere Düsenöffnungen 14 mit verschiedener Ausrichtung verteilt, dann wird auch für diese Anordnung durch eine solche Düsenbewegung zumindest für eine der Düsenöffnungen der optimale Abstand regelmäßig wiederkehrend eingestellt.
Wie in 2 ersichtlich, ist die Stützvorrichtung 31 soweit noch oben ausgefahren, dass die Stützräder 32 an der oberen Wandung des Kanals mit Inliner 41, 42 anliegen. Auf diese Weise ist die zentrale Position der Düse 13 definiert, auch als Ausgangspunkt für die oben beschriebenen Bewegungen zur zeitlich veränderlichen Einstellung des Abstandes zwischen Düse 13 und Inliner 42. Mittels des Auszuges 35, der soweit ausgefahren wird, bis die Stützräder 32 den Inliner 42 berühren, wird die notwendige Kraft aufgebracht, um die Schneidvorrichtung ausreichend im Kanal zu fixieren. Diese kann durch Federkraft flexibel oder durch eine Arretierung der Platte 33 in einer definierten Höhe fest eingestellt sein.
Zwischen der Platte 33 der Stützvorrichtung 31 und der Kanalwandung verbleibt aufgrund der Wölbung der Wandung ausreichend Platz für die Medienzufuhr 17, deren starrer Abschnitt 22 auf der Platte 33 entlang geführt ist. Die sich daran zur Düse hin anschließenden flexiblen Abschnitte der Medienzufuhr 17, 21 sind so angeordnet und so lang gewählt, dass ein Schwenken der Düse 13 um jeweils 180° nach rechts und nach links gewährleistet ist. Die in 2 dargestellte Medienzufuhr 17 umfasst drei separate Leitungen, die in ihrer Anzahl auch von der Darstellung abweichen und/oder alternativ auch in einer Leitungsführung zusammengefasst sein können.
Die dargestellten Leitungen führen das Strahlmedium, im Ausführungsbeispiel Wasser unter einem Druck von ca. 30.000 bis 37.500 psi (ca. 2000 bis 2500 bar), ein Abrasivmittel und die Stromversorgung zur Düse 13 und auch zum Fahrwagen 1. In der Stromversorgungsleitung integriert ist auch eine Signalleitung zur Übertragung der Steuersignale von und zur Bedieneinheit 9 sowie der von der Kamera 7 empfangenen Bilder.
Bezugszeichenliste

1: Fahrwagen
3: Rad
5: Fahrtrichtung
7: Kamera
9: Bedieneinheit
11: Düsenhalterung
13: Düse
14: Düsenöffnung
15: Schwenkachse
17: Medienzufuhr
19: Anschluss
21: flexibler Abschnitt
22: starrer Abschnitt
23: flexible Leitungen
31: Stützvorrichtung
32: Stützräder
33: Platte
35: Auszug
41: Kanal
42: Inliner

Claims

Vorrichtung zum Hochdruck-Wasserstrahlschneiden in geschlossenen Kanälen (41) mit – einer Düse (13) zur Erzeugung zumindest eines gerichteten, gebündelten Strahls eines flüssigen Strahlmediums, – einer Düsenhalterung (11) zum Halten der Düse (13), wobei die Düse (13) mittels der Düsenhalterung (11) um eine Schwenkachse (15) mit einem Winkelbereich von 360° schwenkbar ist, – einem motorisierten Fahrwagen (1) zum Halten der Düsenhalterung (11) und deren Bewegung in Fahrtrichtung (5) durch einen Kanal (41) mit einer Stützvorrichtung (31), mit der der Fahrwagen (1) auch während seiner Fortbewegung in einer Position im Querschnitt des Kanals (41) gehalten wird, – einer Medienzufuhr (17), zur Versorgung der Düse (13) mit einem unter Hochdruck stehenden Strahlmedium, welche am Fahrwagen (1) montiert ist, und – einer Steuereinheit zur Steuerung des Antriebs des Fahrwagens (1) und des Schwenkens der Düsenhalterung (11), wobei die Steuereinheit mit einer externen Bedieneinheit (9) verbunden ist.
Vorrichtung zum Hochdruck-Wasserstrahlschneiden nach Anspruch 1, wobei die Medienzufuhr (17) einen starren Abschnitt (22) umfasst, der so am Fahrwagen (1) montiert ist, dass er in einem Zwischenraum zwischen dem Fahrwagen (1) und einer Kanalwandung verläuft.
Vorrichtung zum Hochdruck-Wasserstrahlschneiden nach Anspruch 2, wobei der starre Abschnitt (22) der Medienzufuhr (17) an der Stützvorrichtung (31) montiert ist.
Vorrichtung zum Hochdruck-Wasserstrahlschneiden nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Düse (13) mittels der Düsenhalterung (11) höhen- und seitenverstellbar ist.
Vorrichtung zum Hochdruck-Wasserstrahlschneiden, wobei die Steuereinheit eine Kamera (7) zur Erfassung der Umgebung des Fahrwagens (11) aufweist.