CN105723204A - 落重弯沉仪 - Google Patents

Abstract

一种落重弯沉仪(1)。落重弯沉仪包括：加载板(2)，其适于与测试表面接合；力传递装置(5)，其适于将力传递到加载板(2)；缓冲装置(19)；重物(8，9，10)，其适于经由所述缓冲装置(19)撞击所述力传递装置(5)以便经由所述力传递装置将待传递的力提供到所述加载板(2)；引导装置(14，20)，其用于朝向所述力传递装置引导所述重物(8，9，10)；以及提升装置，其用于将所述重物提升到所述力传递装置以上的预定高度。提升装置包括驱动与重物(8，9，10)接合的螺纹轴(17)的电机(15)。

Description

落重弯沉仪

技术领域

本发明涉及落重弯沉仪。

背景技术

落重弯沉仪(FWD)是由土木工程师使用的用于评估路面结构的物理特性的非破坏性测试设备。来自FWD的数据主要地用于估计载荷承受能力，尤其是包括波特兰水泥混凝土(PCC)或沥青混凝土(AC)表面的路面。用途包括公路、机场路面、以及铁路轨道。落重弯沉仪通常地集成在可以通过另一个车辆拖到测试位置处的挂车中，但是也可以集成在车辆自身中。

落重弯沉仪设计为将载荷脉冲给予到路面表面，这模仿了由滚动车轮产生的载荷。通过使大的重物下落在一组橡胶缓冲件上产生该载荷。产生的力通过圆形加载板传送到路面。测压元件或者其它载荷感测传感器安装在加载板的顶部并且测量在路面表面上施加的载荷。诸如地震检波器的一系列偏斜传感器沿着从加载板的中心延伸出的梁线性地安装并且根据在距离施加载荷的几何中心多个距离处的载荷来测量产生的路面表面偏斜。FWD数据可以用于计算刚性相关的参数，例如多层路面结构诸如包括PCC或AC的公路或机场的路面的各层的杨氏模量。

在现有技术FWD中，重物通常沿着竖直的引导杆或柱被液压地升高并且通过束缚机构保持在预定高度处直到执行测量并且通过FWD操作器发出下落命令。束缚机构然后被释放并且重物下落在包括已知直径的圆形加载板的力传递装置上，该加载板在重物下落以前已下降以便与路面表面在期望测量位置处接触。在力传递装置与重物之间设置有减震装置，例如以橡胶块的形式出现的缓冲件，以将理想的半正弦撞击力传递到路面。力传递装置通常包括力感测装置以便测量实际撞击力。由于下落重物质量是巨大的，通常在50与750kg之间，因此通常地通过液压提升机构等将下落重物拾取与提升回到锁定位置。例如通过JP-A-2007-205955和DE-U-9305327已知如上所述的现有技术FWD。在文章“Faldloddetshistorie”，Bohn，AxelO.，Asfalt，4-11页，1989年9月的ISSN0004-4318中也描述了现有技术FWD的实例，描述了从1964年到1989年落重弯沉仪的发展。

这些现有技术FWD的一个主要缺点在于测量周期占用相对长的时间，如果在相同位置处进行连续测量尤其如此。其主要原因是液压提升装置降低以拾取重物、将重物升高到闩锁、以及使重物与液压提升装置脱离接合的过程相对缓慢。此外，在一个位置处的几次重复下落以后，加载板必须升高到输送位置并且固定，并且再次下降在下一个测量位置处。在现有技术中，后者是测试周期长的主要原因。当要沿着待调查的公路进行几千次连续测量时，该过程的累计持续时间降低了整体调查的效率。

发明内容

在此背景下本发明的目的是提供落重弯沉仪，其允许以较短间隔进行连续测量并且由此提高了路面偏转测量的测试速率与总体生产率。

根据本发明的第一方面，通过落重弯沉仪实现了此目的，落重弯沉仪包括适于与测试表面接合的加载板；适于将力传递到加载板的力传递装置；缓冲装置；重物，其适于经由所述缓冲装置撞击所述力传递装置以便提供待经由所述力传递装置传递到所述加载板的力；引导装置，其用于朝向所述力传递装置引导所述重物；以及提升装置，其用于将重物提升到所述力传递装置以上的预定高度，其特征在于所述提升装置包括驱动与重物接合的螺纹轴的电机。

通过使用与重物接合的螺纹轴，提升机构与下落重物集成，使得能够在重物下落以撞击以后立即将重物向回升高到顶部位置处。特别地，由于提升机构与下落重物集成在一起，为了将其向回提升到顶部位置将其附接到提升机构的单独动作是必要的。此外，螺纹轴的使用允许加载板和力传递装置迅速地且有效地移动到升高的输送位置。

当根据优选实施方式螺纹轴与重物永久接合时这尤其是此种情形。在此情形中，当重物在撞击后由于缓冲装置与整个系统中的其它弹性而弹回时，可以通过适当地控制电机简单地继续返回运动。

根据另一个优选实施方式，螺纹轴与电机永久接合。通过螺纹轴与重物和电机永久接合，无需接合联接件等，并且通过适当地控制电机，返回运动可以简单地直接地继续。尽管这涉及下落重物迫使电机旋转并且用作发电机，经验显示这不阻碍重物的下落，并且仍可以实现充分有力的撞击。将全部三个部分，即电机、螺纹轴与下落重物集成在一个传动系统中极大地简化了落重弯沉仪的构造。

根据另一个优选实施方式，螺纹轴直接地通过电机驱动。现代永磁体电机完全地能够将足够转矩直接地提供到轴上以提升重物，即使螺纹轴具有高的升角。这进一步简化了落重弯沉仪的构造。

在此方面中，根据其它优选实施方式升角如此高使得螺纹轴与重物成非自锁接合。具有高的升角是有利的因为其允许下落重物几乎自由地下落，即具有非常小的阻力，由此提供了足够的撞击力。由此，根据又一个优选实施方式，螺纹轴具有超过40°、优选地超过50°的升角。这允许重物下落而不太多地受到由旋转在此时用作发电机的电机造成的损失的影响。电机已经仔细选择为使得不产生过多的反电动势力，即少于600V以便没有损坏控制电子设备的风险。

根据另一个优选实施方式，螺纹轴与重物之间的接合在丝杠、滚柱丝杠或滚珠丝杠接合中选择。这提供了低摩擦，并且由此甚至较少妨碍了重物的下落。

根据另一个优选实施方式，落重弯沉仪还包括用于电机的电机控制器，所述电机控制器适于控制下落重物的速度。通过使电机控制器适于控制下落重物的速度，变得能够以多种有利方式影响下落重物，与现有技术的简单下落相比尤其允许更多受控的撞击。

根据又一个优选实施方式，落重弯沉仪还包括用于电机的电机控制器，所述电机控制器适于控制下落重物的位置。通过使电机控制器适于控制下落重物的位置变得能够以多种有利方式影响下落重物，与现有技术的简单下落相比尤其允许更多受控的撞击。

根据另一个优选实施方式，落重弯沉仪包括框架以及用于相对于框架固定下落重物的装置。固定下落重物允许使用螺纹轴提升与降低力传递装置，更具体地说通过电机将其下降到与测试表面接合以及将其提升到输送位置处。

附图说明

现在将参照附图更加详细地描述本发明，在附图中：

图1示出了根据本发明的落重弯沉仪的核心部分的示意性立体图；

图2是包括框架的部分的落重弯沉仪的不同实施方式的示意性立体图；

图3示出了图1的落重弯沉仪的示意性立体图；

图4示出了现有技术中的下落与提升顺序的高度对时间的示意图；

图5示出了根据本发明的下落与提升顺序的高度对时间的示意图；以及

图6a-图6f示意性示出了FWD加载板下降到表面上以及重物的随后下落。

具体实施方式

首先参照图1，示出了根据本发明的落重弯沉仪1的核心部分的立体图。为了可移动性，在实际使用中落重弯沉仪1安装在本身已知并且在图6a-图6f中示意性示出的适当的运输工具上,诸如挂车或车辆。此外参照通过引用包含于此的上述文章“Faldloddetshistorie”中的多种描述。

落重弯沉仪1包括适于下落到载荷传送板6上并且撞击载荷传送板6的下落重物8，撞击从载荷传送板6经由力传递装置传送到测试表面30(仅在图6a-图6f中示出)，诸如例如波特兰水泥混凝土或沥青混凝土的路面，力传递装置尤其包括支撑柱5、以及适于与测试表面30接合的加载板2。

加载板2优选地是圆形并且可以如图1中所见可以是分段的。在优选实施方式中，具有四个分段，其中三个分段2a、2b、2c是可见的。明显地，可以使用任何适当数量的分段，包括一个，即单个圆形加载板2。如在图3中最佳看到的，加载板2的分段2a、2b、2c经由间隔件3连接到中间板4，以允许分段2a、2b、2c中的每个都具有小的自由度，以在测试表面30不是完全平面或水平时允许整个加载板2适应测试表面30的不规则性。中间板4优选地相对于支撑柱5也具有一定自由度以便适于测试表面30中的倾斜。

中间板4经由形成支撑柱5的一部分的另外的支撑装置21、22、23连接到载荷传送板6。所述另外的支撑装置还包括力传感器7，诸如测压元件，其适于测量落下的下落重物8撞击在载荷传送板6上的力。

下落重物8包括基板9，多个单独的可移除重物10可以布置在基板9上以便获得用于待执行测试的期望数量的重物。可移除重物10中每个的重量都优选地适于手动操作，并且下落重物8可以由此包括相互堆叠的大量可移除重物10。为了将可移除重物10的叠层固定在基板9的顶部上，还设有固定装置11、12。对于手动操作来说可移除重物10优选地设有搬运把手13。

在基板9下方设有多个弹性缓冲件19以便缓冲撞击并且在撞击中获得适当的正弦半波。弹性缓冲件19优选地是可互换的，允许它们的数量、它们的尺寸、弹性特性等根据下落重物8的给定期望重量以及正弦半波的脉冲宽度改变。

在基板9的两侧设置有例如包括球轴承的直线轴承20，以便允许承载重物10的基板9沿着固定至载荷传送板6的两个竖直柱14的平滑滑动运动，由此当下落重物8下降或提升时引导其上下运动。

如对于提升来说，本发明利用在两个竖直柱14的上端处的水平横梁16上安装的电机15。电机15优选地直接地连接到螺纹轴17。螺纹轴17继而与基板9中的对应装置永久接合。此对应装置适于提供低摩擦，并且可以例如是丝杠、滚柱丝杠或滚珠丝杠接合。低摩擦是重要的，因为螺纹轴17与基板9之间的接合不应该是自锁定的。出于相同的原因，轴17的螺纹18的升角(lead)是较大，例如具有超过40度，优选地超过50度的升角。

具有此大升角与低摩擦允许下落重物8几乎自由落体地下落。明显地，由于需要使电机15转动，将具有摩擦与一些制动作用，但是这通过供给电机15以足够电流以抵消制动作用可以被忽略或补偿。

相反地，螺纹轴17的螺纹18的升角不应大得使电机15可以提供的最大转矩不足以提升下落重物8。

优选地，电机优选的是永磁转矩电机，诸如从ETELS.A.，ZoneIndustrielle，CH–2112瑞士可获得的ETELTMB转矩电机。此电机允许非常高的转矩，其继而允许使用具有非常大升角的轴的直接驱动。此外，此电机提供了对轴17的卓越的位置控制，继而允许非常准确地控制撞击，例如当使用机械手控制器时，机械手控制器通常地提供转矩控制模式与位置控制模式。显而易见地，提供较低转矩的电机15可以与齿轮机构结合使用，但是为了使可移动部分保持到最小并且机构简单，优选的是直接驱动。

通过此驱动布置，执行测量变得更加快速，因为在相同位置处的连续撞击可能得以更加快速连续地进行。

现在转到图4，示出了现有技术落重弯沉仪的下落顺序的图表。为了容易随后与图5进行比较，该顺序以下落重物被提升到并且保持在预定高度h₁开始，下落重物将从预定高度h₁下落，例如对于750kg的下落重物来说40cm。当释放下落重物时其将实际上自由落体地下落，撞击载荷传送板，并且在撞击时刻t_i在高度h₀处压缩弹性缓冲件。主要由于缓冲件的弹性特性，下落重物将弹回并且在时刻t_b1、t_b2等反复地撞击载荷传送板，直到其静止在载荷传送板上。已经静止的下落重物被再次手动地附接到提升装置，并且在t_l处可以再次启动液压提升过程。应该注意的是，图4是示意性的并且在t_b2与t_l之间的持续时间如与涉及从40cm的自由落体的大约0.285秒相比实际上是几秒。

在图5中,利用本发明的下落在与图4类似的图表中示出。下落重物8从预定高度h₁下落，以实际上自由落体下落，并且在t_i处撞击载荷传送板6。由于此自由落体与现有技术FWD对应，因此下落在图4和图5的时间对高度图中由类似的抛物线表示。然而，与现有技术相比，该自由落体不是完全自由的，因为下落重物8的基板9与螺纹轴17永久接合。当下落时，下落重物8将由此不可避免地旋转电机15，其即使打开供电端子也将趋于制动此下落，即抵制由落下的下落重物8造成的轴旋转。可以通过根据自由落体供给电机以足够电流以转动电机15与螺纹轴17来对此进行补偿。由于准确控制电机定位或转矩的能力，这非常容易地完成。下落重物8在自由落体中的理论位置是容易计算的，并且转换到螺纹轴17的对应位置，以及继而电机15的对应位置。为了实现真正的自由落体，还将明显地可能在下落重物8与电机15之间包括离合机构，但是对于提升目的来说优选地的是具有永久接合。另选地，电机可以设置为提供零转矩。

然而，为了避免电机控制器对撞击的任何影响，电机控制器优选地在撞击以前在预定高度h₂处停用，即在t_i-Δt处，使得电机基本上在撞击处打开供电端子。其中制动未被抵消的此短的时间Δt对于撞击来说可以认为是可忽略的。在任意情形中利用力传感器7测量撞击的实际力。

当撞击时，下落重物8由于尤其是缓冲件19的弹性特性而弹回。由于螺纹轴17与下落重物8的基板9永久接合，因此不必等待直到下落重物8静止在载荷传送板6上来再附接提升装置。替代地，用于将下落重物8提升返回到下落高度h₁仅需要在适当提升时刻t_l处开始电机15的供电，例如在下落重物8的第一弹回过程中。提升自身的持续时间非常短，并且在几秒内在时刻t_n处，下落重物8回到高度h1以便下一次下落。利用现有技术液压提升机构，在可能进行下一次下落以前时间是很长的。

在图2中，根据本发明的落重弯沉仪安装在框架24上。尽管在图2中未示出，框架可以如在图6a-图6f中示意性示出的安装在具有轮子25的运输工具上或者形成运输工具的一体部分，该运输工具诸如为挂车或自驱动车辆。在运输工具24上设有第一固定装置26与第二固定装置27。第一固定装置26包括可以至少部分地在载荷传送板6下方摇摆的臂，以允许通过其自身重量使载荷传送板6固定在其上，并且由此固定在框架上。优选地通过作用在安装了该臂的公共轴29上的电致动器28执行该摇摆运动。如可以通过图2看到的，第一固定装置26优选地包括两个轴28，每个都共用一对臂以便在四个角处支撑载荷传送板6。致动器当然无需是电的而且可以是液压的或者通过其它适当方式驱动。替代简单地支撑载荷传送板8的重量，固定装置26当然还可以以锁定方式与加载板6接合。

第二固定装置27以类似方式适于在下落重物8的基板9下方摇摆。这里同样的，通过使固定了一个或多个臂的轴旋转的电致动器使该臂摇摆。优选地，同样对于第二固定装置来说设有双系统，以便如图6a至图6c中示意性示出的接合与固定下落重物的两侧。同样地，如图6a至图6c中指示的，第二固定装置27可以以锁定方式接合下落重物8而不是仅支撑其重量。

如现在将要说明的，使用第二固定装置27允许使用电机15与螺纹轴17以将带有加载板2的支撑柱5快速地移动到与测试表面30接合，并且当在相同位置完成一系列测量时将支撑柱5快速地移动到固定存储位置中以便传送到下一个测试位置。通常地到下一个位置的传送距离非常短，并且在位置之间传送上节约的任何时间都将极大地有益于对于测试路面的给定延展性必要的全部时间。

现在参照图6a，在下落重物8由第二固定装置27固定的情形示出了落重弯沉仪1。柱5提升离开测试表面30并且加载板与下落重物8的缓冲件19接合。如果电机15适当地通电，其可以将轴保持在固定位置中并且由此承载加载板6与支撑柱5的重量。在此情形中，可能使第一固定装置26脱离接合。当使第一固定装置26脱离接合但是下落重物8仍固定时，支撑柱5与轴17形成移动螺母布置，并且可以由此通过旋转轴向上与向下移动。简单地通过使电机15适当地通电，如图6b和图6c中所示，支撑柱5可以下降为与测试表面30接合。一旦接合测试表面30，支撑柱5就牢固地静止在其上。在此情形中，如图6d中所示，第二固定装置25可以从下落重物脱离接合，此下落重物8现在通过适当通电的电机15保持。当前优选的是机械手控制器。此机械手控制器提供了用于电机的控制的位置模式与转矩模式。在下落重物8的提升与保持过程中，将使用位置模式，而在下落顺序过程中将使用转矩模式。

在图6d的情形中，通过电机15旋转轴17，下落重物8可以被提升到图6e中示出的下落位置，即如结合图5说明的高度h₁。接着，如图6f中示出并且如上面结合图5说明的，执行下落并且下落重物撞击在加载板6上。当在一个位置处已经进行了适当数量的下落时，可以逆转此过程，即下落重物8定位在图6d中示出的高度处，在该高度处其可以如图6c中所示地固定。再次用作移动螺母，此支撑柱可以从测试表面30提升并且固定在输送位置处。上面全部都可以电控制并且由此使得自身自动化，除了例如推动几个按钮以外无需手动干涉。支撑柱5的下降与提升都可以非常快速地执行，例如在1¹/₂到2秒的范围内，这在现有技术设定时间上大大提高。除了快速连续作出撞击的可能性以外，本发明提供了其它优点。由于具有适当控制的转矩电机除了可以产生高转矩以外还具有非常好的位置，其可以提供不止提升动作。基本地，可以通过受控的加速与减速将下落重物8移动到h₀与h₁之间的任意期望位置并且将其保持在期望位置处。这意味着与现有技术落重弯沉仪不同，根据本发明的落重弯沉仪实际上不限于自由落体。替代自由落体，可以提供比自由落体的加速度更高或更低的向下加速度。

为此的一个使用可以是成形撞击，如果不是如上面建议的刚好在撞击以前使电机控制器停用，那么电机控制器保持接合，良好的位置控制允许电机控制器在撞击过程中控制力。可以由此实现具有期望半正弦撞击力特征但是长持续时间例如高达10秒的撞击。另一个使用可以是移除在撞击中FWD的运输工具在地面上的载荷。如果在上个例子中，在撞击以前，落下的下落重物8加速超过自由落体加速度，惯性将使运输工具提升离开地面，由此允许避免运输工具的重量对测量的影响。

现在已经根据示例性实施方式描述了本发明。然而，技术人员将会认识到在不偏离权利要求的范围的情况下多个其它实施方式与变型以及本发明的应用是可能的。特别地，将会理解的是力传递装置的构造，包括柱5与中间板4或加载板2可以与实例不同。此外，根据撞击的形状与使用的测量方式，技术人员将会认识到使用落重弯沉仪的多种其它方式。

Claims (10)

1.一种落重弯沉仪，其包括：

加载板，其适于与测试表面接合；

力传递装置，其适于将力传递到所述加载板；

缓冲装置；

下落重物，其适于经由所述缓冲装置撞击所述力传递装置以便经由所述力传递装置将待传递的力提供到所述加载板；

引导装置，其用于朝向所述力传递装置引导所述下落重物；以及提升装置，其用于将所述下落重物提升到所述力传递装置上方的预定高度，

其特征在于，

所述提升装置包括驱动与所述下落重物接合的螺纹轴的电机。

2.根据权利要求1所述的落重弯沉仪，其中，所述螺纹轴与所述下落重物永久接合。

3.根据前述权利要求中任一项所述的落重弯沉仪，其中，所述螺纹轴与所述电机永久接合。

4.根据权利要求3所述的落重弯沉仪，其中，所述螺纹轴由所述电机直接驱动。

5.根据前述权利要求中任一项所述的落重弯沉仪，其中，所述螺纹轴与所述下落重物成非自锁接合。

6.根据前述权利要求中任一项所述的落重弯沉仪，其中，所述螺纹轴与所述下落重物之间的所述接合选自丝杠、滚柱丝杠或滚珠丝杠接合。

7.根据权利要求5或6中任一项所述的落重弯沉仪，其中，所述螺纹轴是非自锁接合并且具有超过40度、优选地超过50度的升角。

8.根据前述权利要求中任一项所述的落重弯沉仪，还包括用于所述电机的电机控制器，所述电机控制器适于控制下落中的所述下落重物的速度。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的落重弯沉仪，还包括用于所述电机的电机控制器，所述电机控制器适于控制下落中的所述下落重物的位置。

10.根据前述权利要求中任一项所述的落重弯沉仪，还包括框架与用于相对于所述框架固定所述下落重物的装置。