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Verfahren und Vorrichtung zur Bodenverdichtung mittels
Rüttelschwingungen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bodenverdichtung mittels Rüttelschwingungen und hat vor allem die Aufgabe, die Verdichtung zu verbessern und zu beschleunigen. Der Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, die Arbeitsweise der Bodenverdichter den Eigenschaften des Bodens besser anzu- passen, als das bei bekannten Bodenverdichtern der Fall ist.
Es sind Verfahren und Vorrichtungen zur Bodenverdichtung bekannt, bei denen die Rüttelfrequenz einstellbar ist, um sie in jedem Punkt auf die Eigenfrequenz des Bodens abstimmen zu können. Es wird dort aber jeder Punkt des Bodens nur mit einer einzigen Frequenz, nämlich der dort vorliegenden Eigenfrequenz des Bodens gerüttelt.
Wesentlich günstigere Verdichtungsergebnisse werden durch das erfindungsgemässe Verfahren in der
Weise erzielt, dass der Boden in jedem Punkt im Dauerbetrieb gleichzeitig oder nacheinander mit verschiedenen Frequenzen gerüttelt wird.
Üblicherweise ist man bestrebt, bei der Verdichtung des Bodens mittels Rüttelschwingungen die Eigenfrequenz des Bodens anzusprechen, d. h. eine Frequenz, bei welcher der Boden als Ganzes Resonanzerscheinungen zeigt. Es ergibt sich aus theoretischen Überlegungen und trifft auch in der Praxis in vielen Fallen zu, dass sich in diesem Falle eine besonders gute Verdichtungswirkung erzielen lässt. Es ist bekannt, zu diesem Zweck die Frequenz der Erregerkraft von Bodenverdichtern in gewissen Grenzen einstellbar zu machen, um sie der Eigenfrequenz des Bodens anpassen zu können.
Es zeigt sich aber. dass es in manchen Fällen nicht nur auf die Eigenfrequenz des Bodens - als homogene Masse betrachtet - ankommt, sondern dass man in vielen Fallen auch die Eigenschaften der Bestandteile des Bodens berücksichtigen muss. Die Eigenfrequenz - in obigem Sinne-eines lockeren Sand-Kiesgemisches, wie es als Frostschutzschicht für eine Betondecke aufgeschüttet wird und die eines federnden Moorbodens sind nicht wesentlich verschieden, obwohl die Böden stark unterschiedliche Verdichtungseigenschaften zeigen.
Es hat sich nun gezeigt, dass sich bei Böden der erstgenannten Art eine wesentlich bessere Verdichtungsleistung erzielen lässt, wenn erfindungsgemäss der Boden einerseits mit Schwingungen erregt wird, deren Frequenz in der Nähe seiner Eigenfrequenz liegt, und anderseits mit einer Frequenz, die wesentlich höher liegt.
Das kann man an folgendem Modell qualitativ veranschaulichen : Man denke sich ein Sand- oder Kieskorn od. dgl., also einen harten oder kristallinischen Körper in einem Kasten von entsprechendem Material eingeschlossen, der von den umgebenden Teilchen gebildet wird. Ein solches System hat ebenfalls eine Eigenfrequenz, die von der-mittleren-Masse der Teilchen, den Elastizitätsmoduln und der Grösse des "Kastens". also dem mittleren Abstand der Teilchen abhängt. Diese"Eigenfrequenz"wird durch die höhere Frequenz des Bodenverdichters angesprochen und erzeugt eine starke Bewegung der einzelnen Teilchen des Bodens, während durch die niedrigere Frequenz ein Zusammenbrechen der Gesamtstruktur des Bodens bewirkt wird.
Durch das Zusammenwirken dieser beiden Frequenzen ergibt sich eine besonders schnelle und wirksame Verdichtung.
Die Erfindung bezieht sich ferner auf einen Bodenverdichter zur Ausübung des Verfahrens. Zu diesem
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Zweck kann ein Bodenverdichter mit einer auf dem Boden aufliegenden, einen Schwingungserreger tragenden Rüttelplatte erfindungsgemäss so ausgebildet sein, dass die Frequenz des Schwingungserregers wenigstens über eine Grössenordnung regelbar ist. Die Eigenfrequenz des Bodens als Gesamtstruktur betrachtet, liegt bei etwa 15 - 20 Hz, die Hochfrequenz zur Anregung der einzelnen Bodenbestandteile liegt bei etwa 150 - 200 Hz. Der Bodenverdichter kann dann zunächst bei einem ersten Übergang mit der niedrigen Frequenz betrieben werden und anschliessend bei einem zweiten Übergang mit der höheren Frequenz.
Es kann aber beispielsweise auch ein Bodenverdichter verwendet werden, der zwei in Fortbewegung hintereinander auf dem Boden aufliegende Rüttelplatte aufweist, von denen die eine mit einer Frequenz erregt wird, die etwa der Eigenfrequenz des Bodens entspricht, die andere mit einer Frequenz die wesentlich, vorzugsweise etwa um einen Faktor 10, höher ist als die der ersteren Rüttelplatte. Es kann schliesslich ein Bodenverdichter verwendet werden, bei dem eine Rüttelplatte zwei Schwingungserreger trägt, von denen der eine mit einer niedrigen, etwa der Eigenfrequenz des Bodens entsprechenden Frequenz, der andere mit einer wesentlich höheren Frequenz arbeitet.
Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nun im folgenden an Hand der Zeichnungen beschrieben :
Fig. 1 zeigt schematisch eine Vorrichtung zur Ausübung dieses Verfahrens.
Zwei Bodenverdichter 1 und 2 besitzen je eine Bodenplatte 3, 3', auf der eine Auflast 4, 4' über Fe-
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bar. Die Fortbewegung (in Pfeilrichtung) erfolgt in bekannter Weise durch eine waagrechte Transport- komponente der Unwuchtkräfte.
Der Rüttler 6 arbeitet mit einer sehr niedrigen Frequenz (15 Hz), der Rüttler 6'mit einer etwa zehnfach höheren. Dadurch wird mit dem ersten Bodenverdichter 1 die Eigenfrequenz der gesamten Bodenstruktur angesprochen, mit dem zweiten 2 eine starke Bewegung der einzelnen Bodenbestandteile bewirkt. Das geschilderte Aggregat kann bei genügend langsamer Fortbewegung eine einwandfreie Verdichtung in einem Übergang ergeben.
Die Bodenverdichter 1, 2 können auch einzeln benutzt werden. Insbesondere kann ein solcher Bodenverdichter 1 bei einem ersten Übergang mit der niedrigen Frequenz und bei einem zweiten Übergang mit der hohen Frequenz arbeiten.
Andere Anwendungsfälle der Erfindung zeigen Fig. 2 und 3.
Es ergibt sich nämlich, dass zur Erzielung einer optimalen Verdichtung eines Bodens mittels eines vibrierenden Bodenverdichters üblichen Aufbaues stets - ziemlich unabhängig von der speziellen Art des Bodenverdichters - eine bestimmte Zeit, im folgenden als "optimale Rüttelzeit" bezeichnet, erforderlich ist. Innerhalb dieser Zeit erfolgt mit den üblichen Bodenverdichtem eine Verdichtung auf ungefähr 90% der absolut möglichen Verdichtung. Dies stellt die Grenze der Verdichtung dar, die sich mit wirtschaftlich tragbarem Aufwand erreichen lässt.
Wirkt der Bodenverdichter kürzere Zeit auf den Boden ein, so ist die Verdichtung noch ungenügend, wirkt er länger in unveränderter Weise, so kann eine Entmischung und Wiederauflockerung des Materials erfolgen. Diese"optimale Rüttelzeit"beträgt in der Regel - bei vollkommen kohäsionslosen Böden - 10 Sekunden. Bei schwach bindigem Bodenmaterial wird sie meist noch länger sein. Danach richtet sich die optimale Fortbewegungsgeschwindigkeit des Flächenrüttlers. Wenn die Rüttelplatte 1 m lang ist, so ergibt sich eine Geschwindigkeit von lm/10sec= 0, 36 km/h, wenn die Verdichtung mit einem Übergang erreicht werden soll. Bei grösserer Fortbewegungsgeschwindigkeit sind mehrere Übergänge erforderlich.
Diese Verhältnisse lassen sich weder durch eine Erhöhung der Erregerkraft noch durch Erhöhung der Auflast wesentlich ändern. Die Erregerkraft, z. B. die durch Unwuchten erzeugte Zentrifugalkraft, hat auf den Verdichtungsgrad nur einen sehr geringen Einfluss. Eine Erhöhung der Erregerkraft bringt im wesentlichen nur eine Erhöhung der Tiefenwirkung. Bei einer Erregerkraft von 2 000 kp ergibt sich bei bekannten Bodenverdichtern eine Tiefenwirkung von etwa 50 cm, bei einer Erregerkraft von 5 000 kp eine Tiefenwirkung von 80 cm und bei einer Erregerkraft von 20 000 kp eine Tiefenwirkung von 120 cm.
Eine Steigerung der Erregerkraft findet ausserdem bald ihre Grenze in den gegebenen technischen Möglichkeiten. Eine Erhöhung der Auflast bringt bei Bodenverdichtern, bei denen die Fortbewegung durch eine waagerechte Transportkomponente der Erregerkraft erfolgt, einen wesentlichen Leistungsverlust, da ein mit wachsender Auflast sehr schnell ansteigender Anteil der Motorleistung für den Transport verbraucht wird.
Es ergibt sich nun aus theoretischen Überlegungen und erweist sich auch in der Praxis in vielen Fällen
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als richtig, dass die günstigste Verdichtungswirkung stets in der Nähe der Eigenfrequenz des Bodens auftritt.
Unter Eigenfrequenz des Bodens ist dabei eine Frequenz zu verstehen, bei welcher die Rüttelschwingungen im Boden Resonanzerscheinungen hervorrufen. Es sind Bodenverdichter bekannt, bei denen die Frequenz des Schwingungserregers veränderbar ist, um sie der Eigenfrequenz des Bodens anpassen zu können. In der Praxis hat sich diese Möglichkeit jedoch als fast bedeutungslos erwiesen, weil sich die Eigenfrequenz des Bodens mit wachsender Verdichtung sehr stark ändert. Beim Arbeiten mit einem Plattenrüttler, der sich - wie oben abgeleitet - mit seiner optimalen Fortbewegungsgeschwindigkeit von 0, 36 km/h = 10 cm/sec bewegt, ist unterhalb der Rüttelplatte die Eigenfrequenz des Bodens vollkommen unterschiedlich.
An ihrem vorderen Teil ist der Boden praktisch noch nicht verdichtet, die Eigenfrequenz sehr niedrig, an ihrem hinteren Ende ist der Boden - wie oben dargelegt wurde - auf 90% verdichtet, die Eigenfrequenz wesentlich höher. Das macht nicht nur ein genaues Ansprechen der Eigenfrequenzen unmöglich, so dass die Frequenz nur auf einen mittleren Wert (15-20 Hz) eingestellt werden kann, sondern die unterschiedlichen Schwingungsverhältnisse am Vorder- und Hinterteil des Gerätes können zu unliebsamen Erscheinungen führen, z. B. können Prellschläge und ein"Tanzen"des Gerätes auftreten, wenn im hintersten Teil der Rüttelplatte die Eigenfrequenz des bereits verdichteten Bodens angesprochen wird.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 2 sind drei Bodenverdichteraggregate 11, 12, 13 vorgesehen, die im wesentlichen aus je einer Bodenplatte 14, 15, 16 und einer Auflast 17, 18. 19 bestehen, welche über Federn 20, 21, 22 auf den Bodenplatten abgestützt sind. Die Auflasten 17, 18, 19 werden hauptsachlich von je einem Antriebsmotor gebildet, der über einen Riementrieb 23, 24, 25 einen Pendelrüttler 26, 27, 28 antreibt. Die Pendelrüttler 26, 27, 28 sind Unwuchtrüttler, die in an sich bekannter Weise unten verschwenkbar gelagert und durch einen auf Torsion beanspruchten Schwingmetallring gefesselt sind.
Auf diese an sich bekannte Weise erzeugen die Rüttler gerichtete Schwingungen, welche auf die Bodenplatten 14, 15, 16 übertragen werden. Die Rüttler 26, 27, 28 sind etwas geneigt angeordnet, so dass sie eine waagrechte Transportkomponente der Erregerkraft erzeugen. Die praktisch ruhenden Auflasten 17, 18, 19 der Bodenverdichter 11, 12, 13 sind durch Laschen 29, 30 miteinander verbunden, so dass die drei Bodenverdichter 11, 12 und 13 ein zusammenhängendes Gerät bilden, das von einem Mann bedient werden kann.
Die Antriebe 23, 24 und 25 sind so bemessen, dass der Rüttler 26 mit einer verhältnismässig niedrigen Frequenz arbeitet, der Rüttler 27 mit einer höheren Frequenz und der Rüttler 28 mit einer Frequenz, die noch höher ist als die Frequenz des Rüttlers 27, entsprechend der bei Fortbewegung des Gerätes in Pfeilrichtung von vorn nach hinten zunehmenden Verdichtung des Bodens und der entsprechend ansteigenden Eigenfrequenz. Die Fortbewegungsgeschwindigkeit ist so eingestellt, dass sich bei einem Übergang des Gerätes bereits eine optimale Rüttelzeit ergibt.
Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei welchem zwei Bodenverdichteraggregate 31, 32 hintereinander am Vorderteil eines Raupenfahrzeuges 33 angeordnet sind. Jedes Bodenverdichteraggregat 31, 32 besitzt eineRüttelplatte 34,35, auf welcher sich eine Auflast 36, 37 über Federn 28, 29 abstützt.
Durch Unwuchten 40, 41 werden senkrecht gerichtete Rüttelkräfte erzeugt. Die Auflast"36 ist mittels Laschen 42 gelenkig mit dem Vorderteil des Fahrzeuges und mittels Laschen 43 mit der Auflast 37 des andern Bodenverdichteraggregates verbunden.
Statt jedem der Bodenverdichteraggregate 31, 32 können auch mehrere kleinere, nebeneinander angeordnete Bodenverdichter vorgesehen werden, so dass man die Breite der Anordnung den jeweiligen Erfordernissen entsprechend variieren kann. Der Antrieb der Unwuchten 40, 41 kann durch je einen gesonderten Motor erfolgen, es kann der Antrieb aber auch von einem gemeinsamen, z. B. auf dem Raupenfahrzeug 33 angeordneten Motor her über biegsame Wellen oder sonstige Übertragungsglieder erfolgen.
Die Anordnung ist so getroffen, dass das vordere Bodenverdichteraggregat 32 mit einer niedrigeren Frequenz arbeitet als das hintere 31, ebenfalls entsprechend der mit zunehmender Verdichtung des Bodens sich erhöhenden Eigenfrequenz des Bodens. Statt dessen kann aber der hintere Bodenverdichter 31 auch mit einer wesentlich höheren Frequenz arbeiten (150 - 200 Hz) als der vordere 32, um, wie oben erläutert, Eigenfrequenzen der einzelnen Bodenbestandteile anzusprechen.
Durch den Fremdantrieb der Bodenverdichter 31, 32 mittels des Raupenfahrzeuges 33 kann die erzeugte Unwuchtkraft voll für die Verdichtung ausgenutzt werden. Das ergibt bei gleicher Kraft eine grössere senkrechte Komponente und damit eine grössere Tiefenwirkung oder aber bei gleicher Vertikalkomponente eine geringere Lagerbeanspruchung und damit geringeren Verschleiss. Die bekannten Vorteile der Bodenverdichter mit federnder Auflast bleiben dabei erhalten.
Eine weitere Vorrichtung zur Ausübung des erfindungsgemässen Verfahrens zeigen Fig. 4 und 5.
Mit 51 ist allgemein ein Trägerfahrzeug bezeichnet, das an der einen Seite einen hinteren lenkbaren Radsatz 52 besitzt, an der andern einen Radsatz 53, der aus mehreren, dicht nebeneinander angeordneten
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Rädern besteht, welche eine Andruckwalze bilden und welche gegebenenfalls auch noch in Vibration ver- setzt werden können.
Zwischen den Radsätzen 52, 53 sind an der Unterseite des Trägerfahrzeuges 51 sechs Plattenrüttler
54-59 in zwei in Fortbewegungsrichtung gesehen, nebeneinanderliegenden Reihen zu je drei Rüttlern an- geordnet. Die Plattenrüttler bestehen aus je einer Bodenplatte 60 mit einem Unwuchtrüttler 61, auf welcher über Federn 62 eine Auflast 63 abgestützt ist. Durch eine hydraulische oder mechanische Vorrichtung, die mit dem Bezugszeichen 64 angedeutet ist, sind die Plattenrüttler 57-59 anhebbar, so dass dann eine Rückwärtsbewegung oder ein Transport über die Strasse erfolgen kann.
Die Bodenplatten 60 können auswechselbar sein, so dass ihre Grösse den verschiedenen Bodenverhältnissen angepasst werden kann. Die Frequenz der Rüttler 61 kann variabel sein, insbesondere können die vorderen mit einer niedrigeren Frequenz arbeiten als die hinteren, so dass die Frequenzen der sich mit fortschreitender Verdichtung erhöhenden Eigenfrequenz des Bodens angepasst werden kann. Auch können die Auflasten 63 unterschiedlich, gegebenenfalls sogar während des Betriebes veränderbar sein.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Bodenverdichtung mittels Rüttelschwingungen, dadurch gekennzeichnet, dass der Boden in jedem Punkt im Dauerbetrieb gleichzeitig oder nacheinander mit verschiedenen Frequenzen gerüttelt wird.