DÜSENKOPF EINER HOCHDRUCK-FLÜSSIGKEITSSTRAHLVORRICHTUNG UND EINE HOCHDRUCK-FLÜSSIGKEITSSTRAHLVORRICHTUNG

Abstract

 Die Erfindung betriff einen Düsenkopf (1) mit zwei Strahldüsen (2) zur Erzeugung eines Strahls (3) eines flüssigen Strahlmediums und eine Hochdruck-Flüssigkeitsstrahlvorrichtung mit einem solchen Düsenkopf (1). Um eine Ausrichtung der Strahldüsen (2) am Arbeitsort ermöglichen, werden die Strahldüsen (2) am vorderem Ende separater Flüssigkeitszuleitungen (6) angeordnet und zumindest eine Strahldüse (2) mittels eines Düsenmanipulators zwischen zwei Endpositionen verschiebbar ausgebildet. Die Verschiebung der Strahldüse (2) ist geführt durch eine in einer Düsenhalterung (4) angeordnete Schlitzöffnung (11) und weist eine radial verlaufende Komponente auf.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Düsenkopf einer Hochdruck-Flüssigkeitsstrahlvorrichtung zur Bearbeitung einer Fläche. Ein solcher Düsenkopf umfasst eine Medienzufuhr und zumindest zwei Strahldüsen zur Erzeugung eines nach vorn gerichteten Strahls einer unter Hochdruck stehenden flüssigen Strahlmediums. Der Düsenkopf umfasst weiter eine Düsenhalterung zur Halterung der Strahldüsen und deren Fixierung in einer Arbeitsposition, bezogen auf die Düsenhalterung.

[0002] Die Erfindung betrifft zudem eine Hochdruck-Flüssigkeitsstrahlvorrichtung zum Bearbeiten der Wandungsflächen von offenen oder geschlossenen Kanälen, auch von für Personen nicht zugänglichen Kanälen.

[0003] Sofern nachfolgend von einer zu bearbeitenden Fläche die Rede ist, sind damit Flächen gemeint, die Beschichtungen oder Anhaftungen oder andere zu beseitigende Bestandteile auf der Fläche aufweisen, welche mit der Vorrichtung zu bearbeiten sind.

[0004] Sofern nachfolgend der Begriff "vorn" verwendet wird, bezieht dieser sich auf die von der Düsenöffnung aus betrachtete grundsätzliche Ausrichtung des Strahls auf eine zu bearbeitende Fläche. Vorn ist demnach jener Halbraum ab der Düsenöffnung, in welchem sich das Strahlmedium als Freistrahl zur zu bearbeitenden Fläche hin ausbreitet. Die Bearbeitungsrichtung "nach vorn" bezeichnet die zentrale Achse dieses Halbraums. Bezogen auf eine Hochdruck-Flüssigkeitsstrahlvorrichtung zur Bearbeitung von Kanalwandungen erfolgt diese Begriffsdefinition üblicherweise auch in Bezug auf die Kanalachse und damit auf die möglichen Bewegungsrichtungen der Vorrichtung im Kanal.

[0005] Es sind Hochdruck-Flüssigkeitsstrahlvorrichtungen für eine Vielzahl unterschiedlicher Anwendungen, wie beispielsweise dem Schneiden von Materialen, dem Entfernen von auf Körpern abgeschiedenen Beschichtungen, wie Lacken, oder zum Entfernen von unerwünschten An-/Ablagerungen, Verunreinigungen oder Verschmutzungen, hier allgemein als Anhaftungen bezeichnet, auf Flächen, insbesondere auf Flächen in Kanälen bekannt. Es ist auch bekannt, dass das Medium feste Bestandteile aufweisen kann, um die abrasive Wirkung zu verstärken. Für die verschiedenen Anwendungen und den damit verknüpften Leistungsanforderungen kommen verschiedene Druckbereiche in Betracht, in welchen die Wasserstrahlvorrichtungen betrieben werden.

[0006] Gegenwärtig werden Drücke im Bereich von ca. 80 bar bis ca. 6000 bar verwendet, wobei Druckbereiche über ca. 500 bar auch als Höchstdruck bezeichnet werden. In der Literatur zu Flüssigkeitsstrahlvorrichtungen überschneiden sich die Druckbereiche des Hochdrucks und des Höchstdrucks, wobei die Obergrenze des Hochdrucks, bei den derzeitig üblichen Flüssigkeitsstrahlvorrichtungen bei ca. 700 bar, weit unterhalb der Obergrenze des Höchstdrucks liegt. Der Übergang vom Bereich des Hochdrucks zum Bereich des Höchstdrucks erfolgt vor dem Hintergrund, auch sehr dichte und harte Anhaftungen an den zu bearbeitenden Flächen, beispielsweise an Flächen eines Kanals, zu entfernen und auf Grund dieser gesteigerten Wirkung des Mediums die flächenbezogene Menge des zur Bearbeitung notwendigen Mediums zu reduzieren. Drücke über ca. 3000 bar werden derzeit hauptsächlich für stationäre Vorrichtungen verwendet, da die für mobile Vorrichtungen erforderlichen flexiblen Medienzuleitungen aufgrund des anliegenden Drucks starr werden. Die genannten Grenzen, zumindest die oberen, können sich mit der fortwährenden Entwicklung in Zukunft durchaus auch zu höheren Drücken verschieben. Die nachfolgend verwendete Bezeichnung als Hochdruck-Flüssigkeitsstrahl oder eine entsprechende Vorrichtung schließt die Konfiguration für Höchstdruck-Flüssigkeitsstrahlen ein, auch wenn sich die Flüssigkeitsstrahlvorrichtungen für die beiden Druckbereiche in den Anwendungsfällen und der Konfiguration unterscheiden können.

[0007] Für die Bearbeitung und damit die Konzeptionierung der Vorrichtung ist neben den Druckangaben insbesondere die Flüssigkeitsmenge pro Zeiteinheit von Interesse, die durch eine, gegebenenfalls auch mehr als eine Pumpe der Vorrichtung bereitgestellt wird. Für das hier betrachtete Höchstdruckwasserstrahlverfahren mit den oben angeführten Druckbereichen sind Flüssigkeitsmengen von 8 bis 40 l/min üblich, wobei es für die verschiedenen Mengenbereiche unterschiedliche Konfigurationen von Pumpenparametern gibt. Sofern sich, wie in Bezug auf die obere Druckgrenze dargelegt, die zur Verfügung stehende Technik der Pumpen verbessert, können sich auch bezüglich der für das Verfahren und die Vorrichtung verwendbaren Flüssigkeitsmenge die Grenzen und die dafür verfügbaren Pumpen verschieben.

[0008] Für die beiden genannten Druckbereiche sind Vorrichtungen, beispielsweise aus DE 20 2010 016 857 U1 und DE 20 2014 000 026 U1, sowie Verfahren bekannt, bei denen ein Medium mittels einer Arbeitsmaschine auf einen bestimmten Druck gebracht und mittels flexiblen Schläuchen oder anderen Medienführungen, wie beispielsweise Rohren, zu einer Düse geleitet wird. Das unter Druck stehende Medium tritt anschließend als Freistrahl aus einer Öffnung der Düse aus. Durch Positionierung der Düse kann dieser Freistrahl auf die zu bearbeitenden Fläche gerichtet werden, wo der Strahl beim Auftreffen wiederum eine lokal begrenzte abrasive Wirkung hervorruft. Für eine großflächige oder vollumfängliche Bearbeitung werden häufig auch mehrere Düsen gleichzeitig eingesetzt, wobei diese einen gemeinsamen Strahl bilden können oder in verschiedene Richtungen strahlen. Ferner sind auch Düsen mit mehreren Öffnungen bekannt.

[0009] Abhängig von der Düsenform kann der Strahl gebündelt oder fächerförmig ausgebildet sein. Während ein gebündelter Strahl eine im Wesentlichen kreisförmige Querschnittsform aufweist, zeichnet sich ein fächerförmiger Strahl dadurch aus, dass das Medium beim Austritt aus der Öffnung in Form eines Fächers aufgespreizt wird, so dass es ellipsen- oder linienförmig auf der zu bearbeitenden Fläche auftrifft. Es sind ferner Düsen bekannt, bei denen der Strahl in Form der Mantelfläche eines Kegels austritt. Für eine effektive und/oder gezielte Bearbeitung der Kanaloberfläche ist es häufig erforderlich, den Winkel, mit welchem eine Düse auf die zu bearbeitende Fläche gerichtet ist, zu variieren. Für einzelne Düsen sind Düsenkopfe bekannt, die schwenkbar sind. Umfassen diese aber mehrere Düsen, sind nur alle gemeinsam zu schwenken, wodurch sich für einige Düsen nicht der gewünschte oder kein optimaler Winkel ergibt. Änderungen der Winkelausrichtung der einzelnen Düsen sind nicht oder nur durch Umbauten am Düsenkopf außerhalb des Kanals möglich.

[0010] Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Düsenkopf für eine Hochdruck-Flüssigkeitsstrahlvorrichtung mit zwei oder mehr Strahldüsen und eine solche Vorrichtung anzugeben, welche eine Ausrichtung der Düse am Arbeitsort ermöglicht, bei Erhalt oder Verbesserung der Anwendbarkeit für die benannten Anwendungsgebiete.

[0011] Zur Lösung der Aufgabe wird ein Düsenkopf vorgeschlagen, dessen Strahldüsen gemeinsam oder separat in unterschiedliche Richtungen ausgelenkt werden können, wobei die Auslenkung jeweils eine radiale Komponente aufweist. Damit kann für die Strahlen jeder Strahldüse ein geänderter Anstellwinkel zur zu bearbeitenden Fläche eingestellt werden, ohne den gesamten Düsenkopf zu schwenken. Daraus ergeben sich unter anderem variablere Bearbeitungs- und Anpassungsmöglichkeiten des Strahls an sich und dessen Auftreffwinkels auf die zu bearbeitende Fläche an die vor Ort aufgefundenen Gegebenheiten. Eine solche Anpassung kann vor Ort erfolgen und wird üblicherweise durch eine Kamera mit Beleuchtung am Düsenkopf oder anderen Bauteilen der Bearbeitungsvorrichtung unterstützt.

[0012] Weiter gestattet der Düsenkopf mit mehreren Strahldüsen eine Variation des Strahldurchmessers eines vollumfänglichen Strahls bei gleichzeitiger Variation des Auftreffwinkels, so dass die Strahlleistung nicht oder nur gering vermindert wird. Optional kann der Düsenkopf neben den Strahldüsen auch eine beispielsweise zentrale Hauptdüse umfassen, die in Abhängigkeit von Art und Umfang der Bearbeitung gleichzeitig oder alternativ zu den Strahldüsen eingesetzt wird und in der bekannten Weise nur mit dem Düsenkopf gemeinsam bewegt werden kann. Für die Düsen können verschiedene der bekannten Düsenformen Verwendung finden, je nach Anforderungen der zu auszuführenden Bearbeitung. Auch die Rotation des Düsenkopfes, wie aus dem Stand der Technik bekannt ist mit dem hier im Detail beschriebenen Düsenkopf möglich.

[0013] Zur Realisierung der Auslenkung der einzelnen Strahldüsen ist die Medienzufuhr des Düsenkopfes derart ausgebildet, dass jede Strahldüse eine separate Flüssigkeitszuleitung aufweist, an deren vorderem Ende die Strahldüse angeordnet ist. Als Flüssigkeitszuleitung in diesem Sinn soll nur jene Leitung benannt sein, welche ab einem Verteiler, beispielsweise einem Druckverteiler, nur noch einer einzelnen Strahldüse zugeordnet werden kann.

[0014] Mittels Schlitzöffnungen in der Düsenhalterung, eine für jede Strahldüse, kann jede Strahldüse, die alle durch jeweils eine Schlitzöffnung ragen, für sich zwischen einer ersten und einer zweiten Endposition geführt werden. Zur Einstellung des Anstellwinkels der Strahldüse, bezogen auf die nach vorn orientierte Bearbeitungsrichtung gemäß obiger Definition, haben die Schlitzöffnungen jeweils eine radial verlaufende Komponente. Das heißt, dass die Schlitzöffnungen nicht lediglich als Kreissegment um die Achse Bearbeitungsrichtung verlaufen, sondern die Abstände der beiden Endpositionen eines vorderen Endes einer Flüssigkeitszuleitung zur Achse voneinander abweichen.

[0015] Die mittels des Schlitzverlaufs führbare Auslenkung der Strahldüse ist für zumindest eine der Strahldüsen mittels einer solchen Ausführung deren Flüssigkeitszuleitung realisiert, bei welcher das vordere Ende der Flüssigkeitszuleitung mittels eines Düsenmanipulators zwischen der Ruheposition der Strahldüse und deren Endposition verschiebbar ist.

[0016] Der Begriff verschiebbar schließt geeignete Gestaltungen der Flüssigkeitszuleitungen der Strahldüsen ein, bei welchen zumindest das vordere Ende und mit diesem die daran befestigte Strahldüse mittels des Düsenmanipulators in dem Bewegungsbereich, den die Schlitzöffnungen zulassen, beweglich ist. Dabei ist es unerheblich, inwieweit die weitere Flüssigkeitszuleitung mit bewegt wird.

[0017] Folglich kann die Flüssigkeitszuleitung steif ausgeführt sein und in ihrer gesamten Länge bewegt oder von einem definierten, zum vorderen Ende beabstandeten Punkt ab geknickt und geschwenkt werden. Beispielsweise kann die Flüssigkeitszuleitung rohrförmig ausgebildet sein und die Verschiebbarkeit des vorderen Endes mittels eines flüssigkeitsführendes Drehgelenks oder einer hydraulischen Drehdurchführung realisiert sein. Derartige Drehgelenke und Drehdurchführungen sind bekannte Bauteile, bei denen zu den jeweiligen Freiheitsgraden in der Bewegung eine Passage für eine Flüssigkeit durch das Bauteil bereitgestellt wird.

[0018] Während beim Drehgelenk bekanntermaßen eine Drehung mit der Änderung des Winkels kombiniert wird und zahlreiche Anstellwinkel im vorderen Halbraum oder zumindest einem sinnvollen Ausschnitt davon eingestellt werden können, lässt die Drehdurchführung nur eine Drehung der beiden mittels der Drehdurchführung miteinander verbundenen Leitungen zu. Für die Verschiebbarkeit ihres vorderen Endes weist eine solche Rohrleitung zwischen Drehdurchführung und vorderem Ende zusätzlich einen Rohrversatz oder Rohrwinkel, wodurch mit der Drehung mit der geeigneten Position des Versatzes oder des Winkels auch stets eine radiale Komponente der Verschiebung erzeugbar ist.

[0019] Alternativ kann die Flüssigkeitszuleitung auch schlauchförmig und zumindest abschnittsweise flexibel ausgebildet sein, so dass auch bei fixem hinterem Ende das vordere Ende der Bewegung des Düsenmanipulators folgen kann.

[0020] Der Düsenmanipulator kann durch verschiedenste Bauteile gebildet sein, die geeignet sind, zumindest das vordere Ende der Flüssigkeitszuleitung zu bewegen und dabei in den zur Verfügung stehenden Bauraum passen und unter den häufig sehr aggressiven Einsatzbedingungen zuverlässig funktionieren. Solche Bauteile, hier als Positionierungsmittel bezeichnet, können beispielsweise ein zwischen den Flüssigkeitszuleitungen angeordneten Exzenter, eine zwischen den Flüssigkeitszuleitungen angeordnete Nockenwelle, einen Stellmotor, zumindest ein Hydraulik- oder Pneumatikzylinder oder zumindest ein Presskissen sein, welches mit einem unter Druck stehendem gasförmigen oder flüssigem Medium füllbar ist.

[0021] Eine zwischen den Flüssigkeitszuleitungen angeordnete Nockenwelle verschiebt mittels der Nocken bei einer Drehung eine oder mehrere Flüssigkeitszuleitungen nach außen, von der Welle weg. Durch das Design der Nockenwelle sind die beiden Endpositionen an sich und die möglichen Verschiebungen der einzelnen Flüssigkeitszuleitungen zwischen deren erster und der zweiter Endposition definiert. Die für die Bearbeitung einer Fläche einzustellende Position kann damit entweder laufend variieren oder durch Stillstand der Nockenwelle eine bestimmte Position fixiert werden.

[0022] Vergleichbar der Nockenwelle kann auch ein auf einer Welle angeordneter Exzenter die Verschiebung einer oder mehrerer Flüssigkeitszuleitungen bewirken, wobei jedoch die Variabilität der Bewegung geringer ist.

[0023] Eine hohe Variabilität und Präzision der Verschiebung des vorderen Endes ist mit einem Stellmotor oder mehreren davon zu erzielen, da mit diesem gezielt einzelne Positionen anfahrbar sind.

[0024] In einer weiteren Alternative werden ein Hydraulik- oder Pneumatikzylinder oder mehrere davon verwendet, um die Verschiebung eines oder mehrerer Strahldüsen zu realisieren, wobei die hydraulisch oder pneumatisch im Zylinder initierte Bewegung des Kolbens für die Lageregelung einer Strahldüse genutzt wird. Über geeignete Stellmittel kann die Kraftübertragung vom Kolben auf eine Flüssigkeitszuleitung erfolgen.

[0025] Alternativ sind auch ein Presskissen oder mehrere davon verwendbar, um das vorderen Ende der Flüssigkeitszuleitungen aus einer ersten Endposition in die zweite zu verschieben. Zu diesem Zweck wechselt der Zustand des Presskissens zwischen ungefüllt und gefüllt. Bei einem zwischen den Flüssigkeitszuleitungen angeordneten Presskissen werden die Zuleitungen infolge des Füllens und der damit verbundenen Volumenzunahme aus ihrer ersten Position in die zweite Position presst. Die zweite, radial betrachtet äußere Position wird dabei durch die Volumenzunahme des Presskissens in Verbindung mit der Form der Schlitzöffnungen bestimmt. Alternativ kann das Presskissen auch außen angeordnet sein und die Flüssigkeitszuleitungen umschließen. In diesem Fall wird der soeben beschriebene Bewegungsablauf der Strahldüsen jedoch durch den Übergang vom gefüllten zum ungefüllten Kissen bewirkt. In bestimmten Anwendungsfällen kann der Bewegungsablauf auch in umgekehrter Richtung erfolgen, von außen nach innen, was ebenfalls durch beide Typen von Presskissen realisierbar ist. Auch eine Kombination von beiden Presskissen ist, beispielsweise um eine präzisere Positionierung und Fixierung der Strahldüsen zu gewährleisten.

[0026] In beiden Fällen kann eine Relativbewegung der Flüssigkeitszuleitung zum Presskissen zugelassen sein, indem das Presskissen im Bereich des Kontakts mit den Flüssigkeitszuleitungen nachgiebig ist oder eine gleitfähige Oberfläche aufweist.

[0027] Es ist offensichtlich, dass der Kraftansatz der genannten Positionierungsmittel in Abhängigkeit von der Gestaltung der Flüssigkeitszuleitung entweder am vorderen Ende oder zwischen dem vorderen Ende und jenem Abschnitt der Flüssigkeitszuleitung erfolgen sollte, welcher gemäß obiger Darlegungen die Verschiebbarkeit des vorderen Endes gestattet. Es ist ebenso offensichtlich, dass der Düsenmanipulator neben dem Positionierungsmittel weitere Komponenten umfasst, zur Bewegung bzw. Aktivierung und Steuerung des Positionierungsmittels. Der Fachmann wird die genannten alternativen Gestaltungen der Düsenhalterungen, der Flüssigkeitszuleitungen, der Positionierungsmittel und des Düsenmanipulators sinnvoll aufeinander abstimmen, um die nach dem Anwendungsfall erforderliche Düsenanordnung und - bewegung zu erzielen.

[0028] Die Verwendung eines außen liegenden Presskissens bietet die Möglichkeit, den Düsenkopf relativ zu benachbarten Wandungen, beispielsweise einen geschlossenen Kanal zu fixieren, indem das Kissen infolge des Füllens auch gegen die Wandungen gepresst wird.

[0029] Alternativ kann der Düsenkopf ein oder mehr Fixierpolster aufweisen, die im Unterschied zu den Presskissen primär der Fixierung des Düsenkopfes gegen benachbarte Wandungen dienen. Solche Fixierpolster werden für Kanalroboter in der DE 20 2014 000 026 U1 beschrieben, auf welche in Bezug auf die Funktion und die Ausgestaltungen eines Fixierpolsters hier Bezug genommen wird. Solche Fixierpolster positionieren einen Düsenkopf oder die gesamte Bearbeitungsvorrichtung auch gegenüber einem durch den Hochdruckstrahl erzeugten hohen Rückstoß und können derart ausgebildet sein, dass bei der Bearbeitung entstehender Abraum ausgespült werden kann.

[0030] Auch die Fixierpolster sind mit einem unter Druck stehendem gasförmigen oder flüssigem Medium füllbar und umfassen die Flüssigkeitszuleitungen. Sofern diese allein der Fixierung des Düsenkopfes dienen, ist eine Krafteinwirkung von einem Fixierkissen auf die Flüssigkeitszuleitungen zu verhindern. Entsprechend einer Ausgestaltung der Erfindung können sie auch in Verbindung mit einem Presskissen eingesetzt werden. In diesem Fall sind zwei Fixierpolster in Bearbeitungsrichtung hintereinander angeordnet und zumindest eines davon ist als Positionierungsmittel des Düsenmanipulators zur Auslenkung des vorderen Endes zumindest einer Flüssigkeitszuleitung ausgebildet, wie oben zum äußeren Presskissen beschrieben.

[0031] Vergleichbar dem Fixierpolster kann auch ein Presskissen segmentweise ausgebildet sein. Damit ist es möglich, Passagen für das Ausspülen des Abraums der Bearbeitung bereitzustellen und/oder die Segmente den einzelnen Flüssigkeitszuleitungen zuzuordnen und damit mit unterschiedlichen Füllgraden die Strahldüsen unterschiedlich zu verschieben.

[0032] Zur Verschiebung der Enden der Flüssigkeitszuleitungen und damit deren Strahldüsen weist in einer alternativen Ausgestaltung der Düsenmanipulator des Düsenkopfes einen Drehmomenterzeuger zur Rotation zumindest der Flüssigkeitszuleitungen mit deren Strahldüsen auf. Der Drehmomenterzeuger ist derart konfiguriert, dass das damit erzeugbare Drehmoment groß genug ist, um mittels der erzeugten Fliehkraft die Strahldüsen von einer zur anderen Endposition zu verschieben. Als Drehmomentenerzeuger kommt bevorzugt eine Antriebsmaschine in Betracht, beispielsweise ein Hydraulik- oder Pneumatikmotor oder ein Elektromotor, da mit diesen die erforderlichen Drehmomente zu erzielen und für die beschriebenen Anwendungen geeignet sind.

[0033] In den genannten Ausgestaltungen der Flüssigkeitszuleitungen und des oder der Positionierungsmittel kann die Verschiebbarkeit auf bestimmte Bewegungsabläufe eingeschränkt sein. Die Schlitzöffnungen in der Düsenhalterung sind darauf abzustimmen.

[0034] Der beschriebene Düsenkopf ist aufgrund seiner Variabilität in der Ausführung und der Bewegung der Strahldüsen für die oben angeführten und weitere Bearbeitungsvorrichtungen einsetzbar, beispielsweise für eine Hochdruck-Flüssigkeitsstrahlvorrichtung zum Bearbeiten von Kanalwandungen von offenen oder geschlossenen Kanälen mittels Hochdruck-Flüssigkeitsstrahlen. Eine solche Strahlvorrichtung umfasst einem Düsenkopf, der am vorderen Ende der Vorrichtung angeordnet ist, zur Erzeugung zumindest eines nach vorn, nachfolgend als Bearbeitungsrichtung bezeichnet, gerichteten Strahls eines flüssigen Strahlmediums, mit einem Fahrwagen zum Bewegen und Positionieren des Düsenkopfs im Kanal und mit einer Medienzufuhr, zur Versorgung des Düsenkopfs mit dem unter Hochdruck stehenden Strahlmedium.

[0035] Von einer im Kanal platzierten Hochdruck-Flüssigkeitsstrahlvorrichtung wird zur abschnittsweisen oder gleichmäßig fortschreitenden Bearbeitung der abrasiv wirkende Strahl in Kanalrichtung oder mit einem davon um Grade abweichenden Winkel gerichtet, so dass ein Hindernis oder eine Anhaftung abgetragen wird. Während der Bearbeitung, meist jedoch erst nach Erzielen einer begrenzten Abtragstiefe, wird die Vorrichtung mittels eines Fahrwagens vorwärts durch den Kanal bewegt. Je nach Umfang der Abtragung kann es erforderlich sein, dass die Vorrichtung aus dem Kanal bewegt und die abgetragenen Materialien beseitigt werden. Diese Vorwärts- und Rückwärtsbewegungen müssen durch eine entsprechende Medienzufuhr, beispielsweise 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.

[0036] Neben der effizienten Bearbeitung ist eine weitere Forderung an derartige Vorrichtungen, dass sie so einfach, so klein und so leicht wie es die jeweilige Anwendung gestattet ausgeführt sein soll. Damit können auch sehr kleine Kanäle bearbeitet, die Zuverlässigkeit der Vorrichtung erhöht und die Kosten für die Vorrichtung und die Durchführung der Bearbeitung vermindert werden.

[0037] In einer Ausgestaltung der Hochdruck-Flüssigkeitsstrahlvorrichtung ist am hinteren Ende des Fahrwagens und/oder des Düsenkopfs ein mit einem unter Druck stehendem gasförmigen oder flüssigem Medium füllbares Fixierpolster angeordnet, welches zur Aktivierung durch Druckluft oder eine unter Druck stehende Flüssigkeit aufgeblasen wird und derart ausgebildet ist, dass es im aktivierten Zustand die Position des Fahrwagens und/oder des Düsenkopfs durch Verpressen des Fixierpolsters im Kanal fixiert, ohne den Kanal zu verschließen.

[0038] Wie oben zum Fixierpolster des Düsenkopfes beschrieben, kann mittels dieses Fixierpolsters auch der Fahrwagen fixiert werden, ohne die Abraumbeseitigung zu behindern. Das Fixierpolster wird durch Druckluft (pneumatisch) oder eine unter Druck stehende Flüssigkeit (hydraulisch) aufgeblasen, so dass es sich im Kanal verpresst. Eine offene Passage im Kanal bei aktiviertem Fixierpolster ist in alternativen Ausgestaltungen möglich, indem ein zentraler, d.h. mittiger offener Durchgang ausgebildet ist oder solche Durchgänge zwischen Kanalwandung und Fixierpolster bestehen. Im ersten Fall kann das Fixierpolster auf der Außenmantelfläche eines Hohlzylinders sitzen. Im zweiten Fall kann das Fixierpolster aus mehreren Polstersegmenten gefertigt sein, die zumindest im Bereich der Kanalwandung zueinander beabstandet sind.

[0039] Die Intensität des Verpressens kann an die erforderliche Kraft zur Fixierung der Vorrichtung im Kanal angepasst werden, wobei ein am Düsenkopf angeordnetes und aktiviertes Fixierpolster durchaus auch die Rotation des Düsenkopfes gestatten kann.

[0040] Sofern Fixierpolster sowohl am Düsenkörper als auch am Fahrwagen angeordnet sind, ist eine sehr stabile Positionierung des Fahrwagens im Kanal möglich, was die Vorrichtung auch für Höchstdruck konditioniert. In dieser Ausgestaltung ist es auch möglich, ein Presskissen des Düsenkopfes als Fixierpolster und zur Einstellung der Strahldüsen zu nutzen.

[0041] Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen in

Fig. 1A und 1B

Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Düsenkopfes in Seitenansicht ,

Fig. 2

die Vorderansicht der Düsenköpfe nach Fig. 1A und

Fig. 3

eine Hochdruck-Flüssigkeitsstrahlvorrichtung in Seitenansicht der Vorrichtung.

[0042] Der Düsenkopf gemäß Fig. 1A umfasst einen Druckverteiler 8 und mit einem Abstand zu diesem eine Düsenhalterung 4. Von dem Druckverteiler ausgehend verlaufen Flüssigkeitszuleitungen 6 in Richtung Düsenhalterung 4, eine zentrische und vier konzentrisch dazu angeordnete. An den, in Bearbeitungsrichtung 15 betrachtet, vorderen Enden jeder Flüssigkeitszuleitung 6 ist jeweils eine Düse angeordnet. Im Ausführungsbeispiel umfasst der Düsenkopf eine zentrische Rotationsdüse 7 und vier konzentrische Strahldüsen 2.

[0043] Die Stahldüsen 2 ragen durch Schlitzöffnungen 11 (vgl. Fig. 2), welche in der Düsenhalterung 4 ausgebildet sind, und sind in den Schlitzöffnungen 11 beweglich gelagert. Die Rotationsdüse 7 ist fest in der Düsenhalterung 4 montiert. Beide Düsenarten zeugen einen kegelförmig aufgespreizten Strahl 3 des Strahlmediums, der nach vorn (in Bearbeitungsrichtung 15) gerichtet und durch Bewegung der Strahldüsen 2 im Öffnungswinkel variierbar ist.

[0044] Das Strahlmedium ist im Ausführungsbeispiel Wasser unter einem Druck von ca. 10.150 bis 37.500 psi (ca. 70 bis 250 MPa bzw. 700 und 2500 bar) mit einem Abrasivmittel. Je nach Anwendungsfall können auch andere Drücke im für Hochdruck-Flüssigkeitsstrahlen üblichen Druckbereich zur Anwendung kommen. Das Strahlmedium wird in eine Drehdurchführung 12 und von dieser durch den Stator eines Motors 9 und durch den Druckverteiler 8 geführt, in welchen die Flüssigkeitszuleitungen 6 münden. Aufgeteilt auf die einzelnen Flüssigkeitszuleitungen 6 gelangt es bis zu den Strahldüsen 2 zur Ausbildung der von nach vorn, in Richtung der Hindernisse und Anhaftungen 4, gerichteten Strahlen 3 des Strahlmediums. Während die zentrale Rotationsdüse 7 fix in Bezug auf die Düsenhalterung ist, sind die Strahldüsen 2 in dem Umfang, wie es die Schlitzöffnungen 11 zulassen, radial im Abstand zur zentralen Rotationsdüse 7 verschiebbar (gestrichelt dargestellt). Infolge der Rotation des Düsenkopfes 1 und der winkligen Ausrichtung der Strahldüsen 2 überstreichen die Strahlen bei jeder Rotation die Hindernisse und Anhaftungen 4, so dass sie in ihrer gesamten Dicke mit einem Arbeitsgang abgetragen werden können.

[0045] Die Verschiebung der Strahldüsen 2 wird durch ein Positionierungsmittel 13 realisiert, welches im Ausführungsbeispiel durch ein Presskissen gebildet und mittels Druckluft aufblasbar ist. Das Presskissen ist zwischen den Flüssigkeitszuleitungen 6 und benachbart zur Düsenhalterung 4 angeordnet. Die Flüssigkeitszuleitungen 6 sind als Schläuche ausgebildet, die in ihrem mittleren Abschnitt 14 flexibel sind.

[0046] Wird das Presskissen aufgeblasen, vergrößert sich sein Umfang, so dass aufgrund der flexiblen mittleren Abschnitte 14 die vorderen Enden der Flüssigkeitszuleitungen 6 nach außen verschoben werden (gestrichelt dargestellt). ,Bei einer durch die Stärke der Flexibilität der Flüssigkeitszuleitungen 6 ausreichenden Rückstellkraft können die Strahldüsen 2 zwischen ihrer inneren Endposition (durchgezogene Linie) und ihrer äußeren Endposition (gestrichelte Linie) durch den Grad des Aufblasens des Presskissens in jeder Zwischenposition fixiert werden.

[0047] Mittels des Motors 9 kann der gesamte Düsenkopf 1 gedreht werden, wobei die Drehdurchführung 12 der Medienzufuhr die Leitung des Strahlmediums von der fixen Medienzufuhr 5 in den drehbaren Druckverteiler 8 realisiert.

[0048] Fig. 1B stellt eine alternative Ausgestaltung der Flüssigkeitszuleitungen 6 dar. Diese sind im Unterschied zu Fig. 1A rohrförmig ausgebildet und weisen in ihrem mittleren Abschnitt 14 einen Rohrversatz auf, dessen Versatz mit der Schlitzöffnung 11 korreliert. Die rohrförmigen Flüssigkeitszuleitungen 6 sind gegenüber dem Druckverteiler 8 mittels weiterer Drehdurchführungen 17, jeweils eine für jede Flüssigkeitszuleitung 6, drehbar gelagert. Mittels eines geeigneten Positionierungsmittels 13, beispielsweise einem Exzenter, einer Nockenwelle, einem Stellmotor oder einem Hydraulik-oder Pneumatikzylinder mit geeigneten, die radiale und gleichzeitige Drehbewegung zulassenden Stellmitteln, können die Flüssigkeitszuleitungen 6 so verdreht werden, dass die Strahldüsen 2 nach außen verschoben werden.

[0049] Fig. 2 stellt den Düsenkopf 1 gemäß der Fig. 1A in der Ansicht von vorn dar. In dieser Ansicht sind die Schlitzöffnungen 11 mit den darin liegenden Strahldüsen ersichtlich. Während in dieser Ausgestaltung des Düsenkopfes 1 aufgrund der ausschließlich radialen Bewegung der Strahldüsen 2 infolge des Aufblasens des Presskissens die Schlitzöffnungen 11 geradlinig und radial verlaufen, müssen bei anderen Bewegungsabläufen der Strahldüsen 2 die Schlitzöffnungen 11 auf die damit ausgeführte Bewegung abgestimmt werden oder so ausgebildet sein, dass eine ausreichende Bewegungsfreiheit besteht und dennoch die Strahldüsen 2 zumindest in zwei Endpositionen fixierbar sind.

[0050] An der beispielhaft zylindrisch ausgebildeten Düsenhalterung 4 ist eine nach vorn (zum Betrachter) gerichtete Kamera 10 mit Beleuchtung 15 montiert, um die Bearbeitung verfolgen zu können.

[0051] Fig. 3 stellt eine Ausführungsform der Hochdruck-Flüssigkeitsstrahlvorrichtung unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Düsenkopfes 1 dar. Zu Gestaltung und Funktion des Düsenkopfes 1 wird auf die obigen Darlegungen zu den Fig. 1A, 1B und 2 verwiesen, sofern nicht besondere Ausgestaltungen erläutert werden. Insofern sind gleiche Komponenten mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.

[0052] Die Hochdruck-Flüssigkeitsstrahlvorrichtung umfasst einen beispielsweise zylinderförmigen Fahrwagen 31, der sich mittels Stützrädern 38 in Fahrtrichtung 37 in Richtung der Hindernisse und Anhaftungen 34 fortbewegen kann. Die Stützräder 38 halten als Stütz- und Bewegungselemente den Fahrwagen 31 ungefähr mittig im Kanal 40 (Zylinderachse fällt mit der Kanalachse 11 nahezu zusammen), so dass eine Kollisionsgefahr mit Resten der abzutragenen Hindernisse oder Anhaftungen 34 weitestgehend vermieden werden kann und annähernd vollumfänglich ein Abtransport des abgetragenen Materials und Strahlmediums vom Arbeitsbereich möglich ist. Im Fahrwagen 31 ist ein servoelektrischer Antrieb (nicht dargestellt) integriert. Die Darstellung der Stützräder 38 ohne Kontakt zur Kanalwandung ist unter der Maßgabe zu sehen, dass der Schnittführung für die Darstellung der besseren Übersicht wegen nicht geradlinig verläuft. Die Schnittführung in Fig. 3 schneidet die Kanalwandung 40 oben und unten mittig und verläuft im Inneren des Kanals 40 an dessen Mantelfläche entlang bis zum untersten Punkt, so dass die Hochdruck-Flüssigkeitsstrahlvorrichtung vollständig in der Seitenansicht darstellbar ist.

[0053] Der Fahrwagen 31 hält an seinem, in Fahrtrichtung 37 betrachtet, vorderen Ende einen Düsenkopf 1 mit mehreren in Fahrtrichtung 37 nach vorn ausgerichteten Strahldüsen 2. Der Düsenkopf 1 rotiert mittels eines Motors 9, im Ausführungsbeispiel eines Druckluftmotors, der zwischen Fahrwagen 31 und Düsenkopf 1 angeordnet ist, um die Kanalachse 36.

[0054] Als Düsenkopf 1 ist lediglich beispielhaft jener der Fig. 1A dargestellt. Dessen Bearbeitungsrichtung 15 stimmt im Ausführungsbeispiel mit der Fahrtrichtung 37 überein. Zu dessen Aufbau wird auf die obigen Darlegungen verwiesen.

[0055] Am hinteren Ende hält der Düsenkopf 1 ein Fixierpolster 32, welches aus vier Polstersegmenten 33 ausgebildet ist. Das Fixierpolster 32 ist auf einem Hohlzylinder (nicht dargestellt) angeordnet, welcher die Flüssigkeitszuleitungen 6 vollumfänglich umgibt, deren Bewegung zur Anstellung der Strahldüsen 2 aber nicht behindert. Die Polstersegmente 33 pressen gegen die Wandung des Kanals 40 und verschließen den Kanal 40 vollständig.

[0056] Ein weiteres Fixierpolster 32, bestehend aus vier Polstersegmenten 33 ist am vorderen Ende des Düsenkopfes 1 angeordnet, beispielhaft so, dass es die Düsenhalterung 4 umfasst. Auch dieses ist aktiviert, so dass gegen die Kanalwandung 40 pressen und diesen verschließen.

[0057] Alternativ können die Polstersegmente 33 der beiden Fixierpolster 32 auch jeweils einen Abstand zum benachbarten Segment haben, so dass offene Durchgänge zum Kanalabschnitt hinter der Vorrichtung bestehen.

[0058] Die Fixierpolster 32 fixieren somit im dargestellten aktivierten Zustand den Düsenkopf 1 und auch den Fahrwagen 31 in ihren Positionen im Kanal 40. Die Aktivierung der Fixierpolster 32 erfolgt pneumatisch, indem die mittels der Versorgungsleitung 35 bereitgestellte Druckluft die Polstersegmente 33 aufbläst, so dass sie sich fest gegen die Kanalwandung 40 pressen. Die Druckluft wird auch zum Betrieb des Motors 9 verwendet.

[0059] Die Versorgungsleitung 35 ist im Ausführungsbeispiel mittels flexibler Leitungen realisiert, die in den Fahrwagen 31 hinein zu den einzelnen Abnehmern sowie zum Motor 9 und zum Fixierpolster 32 am Düsenkopf 1 geführt wird.

[0060] Die Versorgungsleitung 35 hält neben der Druckluft auch die Stromversorgungsleitung bereit. In der Stromversorgungsleitung integriert sind auch Signalleitungen zur Übertragung der Steuersignale von und zu einer Bedieneinheit (nicht dargestellt) sowie von der Kamera 10 empfangener Bilder. Das Strahlmedium wird mittels einer Medienzufuhr 5 am Fahrwagen vorbei in den Druckverteiler 8.

[0061] Alternativ zum dargestellten Fahrwagen ist der Düsenkopf 1 auch mit anderen Ausführungsformen von Fahrwagen 31 verwendbar oder er ist eigenständig im Kanal 40 zu verwenden und beispielsweise mittels Vortriebsdüsen zu bewegen.

[0062] Lediglich zur Verdeutlichung der funktionellen Zusammenhänge der Komponenten der erfindungsgemäßen Vorrichtungen, einer Hochdruck-Flüssigkeitsstrahlvorrichtung oder eines eigenständig beweglichen Düsenkopfs 1, soll die ausführbare Bearbeitung von Kanalwandungen anhand der Vorrichtung gemäß Fig. 3 kurz dargestellt werden. Mit der oben beschriebenen Vorrichtung können Bearbeitungen von geschlossenen Kanälen 40 mit den folgenden grundlegenden Schritten ausgeführt werden:

• Bewegen der Vorrichtung im Kanal 40 bis zu einem zu beseitigenden Hindernis oder einer zu beseitigenden Anhaftung 4,
• Aktivierung der Fixierpolster 32 zur Fixierung der Vorrichtung in der angefahrenen Position im Kanal 40,
• Erzeugen eines gerichteten, gebündelten Strahls 3 von jeder der Strahldüsen 2 und der Rotationsdüse 7 durch Zufuhr eines flüssigen unter Hochdruck stehenden Strahlmediums mittels einer Medienzufuhr 5 und der Flüssigkeitszuleitungen 6,
• Drehen des Düsenkopfs 1 mittels des Motors 9, derart, dass die Strahlen 3 das Hindernis bzw. die Anhaftung 4 vollumfänglich abtragen,
• nach Beendigung des Abtrags Unterbrechung der Zufuhr des Strahlmediums zu den Düsen und Deaktivierung der Fixierpolsters 32,
• Bewegen der Vorrichtung zum nächsten Arbeitsort und Fortsetzung der Bearbeitung,
• wobei die Steuerung der Rotation des Düsenkopfes 1, des Vortriebs der Vorrichtung, der Steuerung des Strahlmediums und die Aktivierung sowie Deaktivierung der Fixierpolster 32 mittels einer geeigneten Steuereinheit erfolgt (nicht dargestellt).

[0063] Entsprechend verschiedener alternativer Ausgestaltungen der Vorrichtung sind verschiedene Variationen des mit der Vorrichtung ausführbaren Verfahrens möglich.

Mauerspecht GmbH

Düsenkopf einer Hochdruck-Flüssigkeitsstrahlvorrichtung und eine Hochdruck-Flüssigkeitsstrahlvorrichtung

Bezugszeichenliste

[0064] 

1

Düsenkopf

2

Strahldüse

3

Strahl des Strahlmediums

4

Düsenhalterung

5

Medienzufuhr

6

Flüssigkeitszuleitungen

7

Rotationsdüse

8

Druckverteiler

9

Motor

10

Kamera

11

Schlitzöffnung

12

Drehdurchführung der Medienzufuhr

13

Positionierungsmittel

14

mittlerer Abschnitt

15

Bearbeitungsrichtung

16

Beleuchtung

17

Drehdurchführung einer Flüssigkeitszuleitung

31

Fahrwagen

32

Fixierpolster

33

Polstersegment

34

Hindernisse und Anhaftungen

35

Versorgungsleitung

36

Kanalachse

37

Fahrtrichtung, Bearbeitungsrichtung

38

Stützräder

40

Kanal, Kanalwandung

Ansprüche

1. Düsenkopf einer Hochdruck-Flüssigkeitsstrahlvorrichtung mit einer Flüssigkeitszuführung und zumindest zwei Strahldüsen (2) zur Erzeugung zumindest eines nach vorn, nachfolgend als Bearbeitungsrichtung bezeichnet, gerichteten Strahls (3) eines flüssigen Strahlmediums, und mit einer Düsenhalterung (4) zur Halterung der Strahldüsen (2) und deren Fixierung in einer Arbeitsposition, bezogen auf die Düsenhalterung (4), dadurch gekennzeichnet, dass

- die Flüssigkeitszuführung für jede Strahldüse (2) eine separate Flüssigkeitszuleitung (6) aufweist, an deren in Bearbeitungsrichtung (15) vorderem Ende die Strahldüse (2) angeordnet ist,

- die Düsenhalterung (4) für jede der Strahldüsen (2) eine Schlitzöffnung (11) aufweist zur Führung der jeweiligen Strahldüse (2) zwischen einer ersten und einer zweiten Endposition der Strahldüse (2),

- die Schlitzöffnungen (11) eine, bezogen auf die Bearbeitungsrichtung (15), radial verlaufenden Komponente haben,

- die Strahldüsen (2) durch die Schlitzöffnungen (11) ragen und

- das vordere Ende zumindest einer Flüssigkeitszuleitung (6) mittels eines Düsenmanipulators zwischen den beiden Endpositionen verschiebbar ist.

2. Düsenkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Flüssigkeitszuleitung (6) rohrförmig ausgebildet ist und ein flüssigkeitsführendes Drehgelenk oder eine hydraulische Drehdurchführung (17) mit zum vorderen Ende hin angeordnetem Rohrversatz oder Rohrwinkel aufweist.

3. Düsenkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Flüssigkeitszuleitung (6) schlauchförmig und zumindest abschnittsweise flexibel ausgebildet ist.

4. Düsenkopf nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenmanipulator ein Positionierungsmittel (13) zur Auslenkung des vorderen Endes zumindest einer Flüssigkeitszuleitung (6) aus folgender Liste aufweist: einen zwischen den Flüssigkeitszuleitungen (6) angeordneten Exzenter, eine zwischen den Flüssigkeitszuleitungen (6) angeordnete Nockenwelle, einen Stellmotor, zumindest einen Hydraulik-oder Pneumatikzylinder, zumindest ein Presskissen, welches mit einem unter Druck stehendem gasförmigen oder flüssigem Medium füllbar ist und zwischen den Flüssigkeitszuleitungen (6) oder diese umschließend angeordnet ist.

5. Düsenkopf nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenkopf (1) zwei Fixierpolster (32) aufweist, welche mit einem unter Druck stehendem gasförmigen oder flüssigem Medium füllbar sind und die Flüssigkeitszuleitungen (6) umschließend und in Bearbeitungsrichtung (15) hintereinander angeordnet sind, wobei zumindest ein Fixierpolster (32) als Positionierungsmittel (13) des Düsenmanipulators zur Auslenkung des vorderen Endes zumindest einer Flüssigkeitszuleitung (6) ausgebildet ist.

6. Düsenkopf nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenkopf (1) ein Presskissen oder ein Fixierpolster (32) als Positionierungsmittel (13) des Düsenmanipulators aufweist, welches zumindest zwei separat füllbare Segmente aufweist.

7. Düsenkopf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenmanipulator einen Drehmomenterzeuger zur Rotation zumindest der Flüssigkeitszuleitungen (6) mit deren Strahldüsen (2) derart aufweist, dass ein solches Drehmoment erzeugbar ist, dass mittels der erzeugten Fliehkraft die Strahldüsen (2) von einer zur anderen Endposition verschiebbar sind.

8. Düsenkopf nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenkopf (1) eine, bezogen auf die Strahldüsen (2), zentrisch angeordnete Düse umfasst.

9. Düsenkopf nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die freien hinteren Enden der Flüssigkeitszuleitungen (6) in einen Druckverteiler (8) münden.

10. Hochdruck-Flüssigkeitsstrahlvorrichtung zum Bearbeiten von Kanalwandungen (40) von offenen oder geschlossenen Kanälen (40) mittels Hochdruck-Flüssigkeitsstrahlen mit einem Düsenkopf (1), der am vorderen Ende der Vorrichtung angeordnet ist, zur Erzeugung zumindest eines nach vorn, nachfolgend als Bearbeitungsrichtung (15) bezeichnet, gerichteten Strahls (3) eines flüssigen Strahlmediums, mit einem Fahrwagen (31) zum Bewegen und Positionieren des Düsenkopfs (1) im Kanal (40) und mit einer Medienzufuhr (5), zur Versorgung des Düsenkopfs (1) mit dem unter Hochdruck stehenden Strahlmedium, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen Düsenkopf (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche aufweist.

11. Hochdruck-Flüssigkeitsstrahlvorrichtung zum Bearbeiten von Kanalwandungen nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass am hinteren Ende des Fahrwagens (31) und/oder des Düsenkopfs (1) ein mit einem unter Druck stehenden gasförmigen oder flüssigem Medium füllbares Fixierpolster (32) angeordnet ist, welches zur Aktivierung durch Druckluft oder durch eine unter Druck stehende Flüssigkeit aufgeblasen wird und derart ausgebildet ist, dass es im aktivierten Zustand die Position des Fahrwagens (31) und/oder des Düsenkopfs (1) durch Verpressen des Fixierpolsters (32) im Kanal (40) fixiert, ohne den Kanal (40) zu verschließen.

Zeichnung