CN114295862A - 以夯土设备执行压实过程时提供有关地面压实状态的信息的方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种在使用夯土设备执行压实过程时提供与地面的压实状态相关的信息的方法，其包括以下措施：a)当夯土设备在待压实的地面上运动时，检测振荡滚轮的竖直加速度和水平加速度；b)通过使用在措施a)中检测的竖直加速度和水平加速度得出一个振荡循环的、在地面接触力(Fb)和振荡滚轮偏转(sw)之间的测量关系；c)通过使用考虑至少一个模拟参数的地面模型得出一个振荡循环的、在地面接触力(Fb)和偏转(sw)之间的模拟关系(ZS)；d)比较模拟关系(ZS)与测量关系；e)在模拟关系(ZS)基本上相应于测量关系时，确定为在地面模型中考虑的至少一个模拟参数的预设值基本上代表待压实的地面的相应的地面参数。
Description
技术领域
本发明涉及一种在使用夯土设备执行压实过程时提供与地面的压实状态相关的信息的方法。
背景技术
用于执行压实过程(例如在土方工程中用于压实填充材料或例如在道路建筑中压实沥青材料等)的夯土设备通常包括至少一个振荡滚轮(Vibrationswalze)，振荡滚轮具有能围绕至少一个振荡滚轮的滚轮转动轴线旋转的不平衡组件(Unwuchtanordnung)。为了能够提供关于这种振荡滚轮的运动状态的信息，与这种夯土设备的至少一个振荡滚轮对应地设置加速度检测组件，以便检测振荡滚轮的与待压实的地面基本正交的竖直加速度和振荡滚轮的基本平行于待压实的地面的水平加速度。
通过提供能围绕滚轮转动轴线旋转的不平衡组件，在执行压实过程时，通过压实滚轮或振荡滚轮的重量和在其上施加负载的夯土设备的重量产生的对地面的静态负荷在由夯土设备驶过该地面时被叠加动态的负荷部分，该动态的负荷部分实质上影响在夯土设备驶过地面时产生的对地面的压实。尤其通过这种不平衡组件的旋转可使振荡滚轮运转，使得该振荡滚轮周期性地从待压实的地面上抬起并且相应地周期性地撞击到地面上。
通过检测竖直加速度(即这种振荡滚轮的与待压实的地面基本正交的加速度)和水平加速度(即振荡滚轮的与待压实的地面基本平行的加速度)，可提供关于运动状态以及关于在振荡滚轮与待压实的地面接触期间作用在地面和振荡滚轮之间的地面接触力的信息。该信息可用于在面式覆盖动态压实控制(FDVK)中提供信息，该信息例如与待压实的地面的压实度相关联。基于该信息可确定，待压实的地面是否已经充分压实或者需要夯土设备再一次驶过。此外，该信息可被定位并且出于质量安全的目的可以被存储或记录。
发明内容
本发明的目的是提出一种在使用夯土设备执行压实过程时提供与地面的压实状态相关的信息的方法，借助该方法能提供表示经压实的地面的状态的信息，该信息具有扩展的信息内容和较高的精确度。
根据本发明，该目的通过在使用夯土设备执行压实过程时提供与地面的压实状态相关的信息的方法来实现，其中，夯土设备包括至少一个振荡滚轮，该振荡滚轮具有围绕至少一个振荡滚轮的滚轮转动轴线旋转的不平衡组件，其中，与至少一个振荡滚轮对应地设置加速度检测组件，该加速度检测组件用于检测振荡滚轮的与待压实的地面基本正交的竖直加速度和至少一个振荡滚轮的与待压实的地面基本平行的水平加速度。
根据本发明的方法包括以下措施：
a)当夯土设备在待压实的地面上运动时，检测至少一个振荡滚轮的竖直加速度和水平加速度；
b)通过使用在措施a)中检测的竖直加速度和水平加速度得出关于至少一个振荡循环的、在地面接触力和振荡滚轮偏转之间的测量关系；
c)通过使用考虑至少一个模拟参数的地面模型得出关于至少一个振荡循环的、在地面接触力和偏转之间的模拟关系；
d)比较在措施c)中关于至少一个振荡循环得出的模拟关系与在措施b)中关于至少一个振荡循环得出的测量关系；
e)在措施d)中执行的比较得出关于至少一个振荡循环得出的模拟关系基本上相应于关于至少一个振荡循环得出的测量关系时，确定为在地面模型中考虑的至少一个模拟参数的预设值基本上代表待压实的地面的相应的地面参数。
在根据本发明的方法中，将在考虑所检测到的振荡滚轮加速度的情况下得出的以及该振荡滚轮在一振荡循环中(即例如在不平衡组件的一整圈期间)与在振荡滚轮和待压实的地面之间作用的地面接触力相关的运动与该振荡滚轮在一振荡循环的过程中的运动或在该振荡滚轮和地面之间作用的地面接触力进行比较，该地面接触力是在考虑地面模型和在地面模型中使用的至少一个模拟参数的情况下得出的。
在基于地面模型的在地面接触力和偏转之间的关系(即模拟关系)和基于加速度检测以及表示振荡滚轮的实际运动状态的关系(即测量关系)之间达到足够的一致性时(这例如可在最佳匹配过程中确定)假设，具有所考虑的模拟参数的地面模型以高度精确性代表压实地面的实际状态。而这可用作可靠假设的基础，使得在地面模型中考虑的模拟参数的相应参数值与实际压实地面的相应参数的值相一致。
因此，在模拟关系和测量关系之间的良好一致性证实了在地面模型定义中所做出的对在模型中考虑的模拟参数的相应参数值的选择。这种模拟参数或在模型中考虑的多种参数可在面式覆盖动态压实控制(
-deckenden Dynamischen Verdichtungs-Kontrolle)中作为再现压实地面的状态的变量被考虑和存储，或以其他方式与经压实的地面上的与相应参数对应确定的部位或位置相关地记录。
在根据本发明的方法中，考虑到在执行压实过程时夯土设备沿运动方向向前运动，并因此在不平衡组件的作用下周期性地上下运动的振荡滚轮在侵入待压实的地面中时的作用方向或作功方向(Arbeitsrichtung)与精确竖直的方向不同，从而提出，在措施b)和c)中考虑振荡滚轮的与最大的地面接触力的方向基本相应的作功方向上的偏转。
当振荡滚轮周期性地上下运动以及伴随该运动的振荡滚轮从地面抬升时，在振荡滚轮和地面之间的接触出现之后，随着振荡滚轮侵入地面增加产生相应增大的接触面。振荡滚轮侵入或可侵入地面中越深，在振荡滚轮的滚轮外罩的轴向方向以及周向方向伸展的接触面越大。因此还提出，措施c)包括措施c1)：即得出振荡滚轮在一个振荡循环中的接触周长(Auf-stands-
)。该接触周长是与振荡滚轮和地面之间的接触面的轴向伸展相关地描述振荡滚轮侵入地面中的程度的变量，因此根据本发明可形成需要在地面模型中考虑的模拟参数。
为此例如可设置成，在措施c1)中基于在措施a)中得出的竖直加速度和水平加速度以及基于夯土设备在夯土设备运动方向上的运动速度或行驶速度得出该接触周长。基于竖直加速度和水平加速度以及基于夯土设备在其运动方向上的运动速度可在考虑振荡滚轮侵入的地面的几何比例的情况下算出接触周长。因此，在根据本发明建立的地面模型中可作为模拟参数考虑的接触周长在定义地面模型时不是任意选择的，而是由实际存在的并且通过传感机构检测的夯土设备或振荡滚轮的运动状态通过计算推导的变量。该计算的基础可以是不同的简化的假设，例如假设振荡滚轮平行于地面运动，即在其整个轴向长度上以相同的程度侵入地面中。在这种情况下，在地面和振荡滚轮之间的接触面可假设为接触周长和滚轮外罩的轴向长度的乘积。在复杂的、同时可在数学方面考虑的运动模型中，例如假设振荡滚轮抖动并且不是在所有的长度区域中都是相同深度地侵入地面中，则对于接触周长而言，可为振荡滚轮的不同的轴向区域假设不同的值。这例如能够当考虑在两个轴向端部处检测到的沿竖直方向和水平方向的加速度值的情况下进行。
当使用接触周长作为地面模型的其中一个输入变量时特别有利的是，由夯土设备和振荡滚轮的当时实际的运动状态通过数学推导出的接触周长考虑了表征该运动状态的参数，例如夯土设备的运动速度以及不平衡组件的转速和转动方向。因此，该模型或在考虑这种模型的情况下与从振荡滚轮的加速度中推导出的变量本身的比较与表征运动状态的这种变量无关，使得借助根据本发明的方法可得出关于地面的状态的基本结论，该基本结论例如与在待压实的地面上执行压实过程时夯土设备的速度无关或几乎无关。
在措施c1)中可得出接触周长，该接触周长具有沿夯土设备的运动方向在支撑中心(Aufstandszentrum)之前的前部周长区段和沿夯土设备的运动方向在支撑中心之后的后部周长区段。基于前部周长区段的长度和后部周长区段的长度可形成代表地面的状态的非对称参数。基于夯土设备在待压实的地面上的运动在前部周长区段和后部周长区段之间产生这种非对称性。该非对称性(例如在两个周长区段的长度之间的差或两个周长区段的长度彼此的比例)与地面的状态相关，夯土设备在该地面上运动，因此也可作为表征地面的状态的参数被考虑或记录。该参数本身没有形成地面模型的、通过可靠的假设定义的输入变量，而是可在考虑先前给出的地面的几何比例以及夯土设备或振荡滚轮的运动状态的情况下，基于测量值求出接触周长时通过数学方法得到并且例如提供可与一个或多个作为模型的输入变量而预设的模拟参数相关联地用作表征地面状态或也可用于为模型预设的模拟参数的可信度检验的变量。
地面的弹性模量是主要表征其状态(尤其是压实状态)的物理变量，并因此可根据本发明的有利方案形成地面模型的模拟参数。
当夯土设备驶过待压实的地面时，地面被压缩，其中，地面产生与夯土设备产生的负载以及与压缩相反作用的反作用力。因此，在根据本发明建立的地面模型中，可考虑至少通过弹簧力分量和阻尼器力分量代表的地面变形性能(Boden-Verformungsverhalten)，并且在考虑到这种变形性能的情况下，措施c)可包括用于得出弹簧力分量的措施c2)，以及可包括用于得出阻尼器力分量的措施c3)。需要指出的是，在这种地面模型中也可考虑影响变形性能的其他变量，例如变形的地面的质量。
在措施c2)中可根据地面弹性模量和接触周长得出弹簧力分量。在措施c3)中也可根据地面弹性模量和接触周长(例如根据变形度和侵入量)得出阻尼器力分量。因此将主要影响或代表地面情况的两个变量输入地面模型中。
在根据本发明的方法中考虑到承受负载的地面在承受负载阶段中和消除负载阶段中尤其是其弹簧力分量可表现不同，还提出的是，在措施c2)中得到在一个振荡循环中的弹簧力分量，该弹簧力分量具有用于振荡滚轮在地面中的侵入深度增加的阶段的第一弹簧力分量部分和用于振荡滚轮侵入深度减小的阶段的第二弹簧力分量部分。
尤其可通过以下方式考虑不同的力性能，即当措施c2)中在考虑到消除负载刚度因数(Entlastungssteifigkeitsfaktor)的情况下得出第二弹簧力分量部分，使得在从振荡滚轮的侵入深度减小的阶段到脱离接触阶段的过渡中弹簧力分量和阻尼器力分量彼此基本完全抵消，其中，在脱离接触阶段中至少一个振荡滚轮基本上不与待压实的地面接触。消除负载刚度因数可形成代表地面的状态的刚度参数。因此，这种消除负载刚度因数能够——在考虑到两个区段中的弹簧力分量的原则上相同的数学关系的情况下——以简单的方式得出不同的力性能，其中，在过渡到脱离接触阶段的时间点，两个力分量彼此抵消的要求表示一个用于确定消除负载刚度因数的主要边界条件。
在地面模型中，两个力分量(即弹簧力分量和阻尼器力分量)可设置成主要确定地面接触力的因数，使得措施c)可包括措施c4)：用于基于在措施c2)中得出的弹簧力分量和在措施c3)中得出的阻尼器力分量关于一个振荡循环得出地面接触力。
如果在措施e)中识别出，模拟关系与测量关系的偏差没有低于预定的偏差阈值，这意味着在两个关系之间的比较中识别到过大的偏差，可在执行措施c)时通过改变至少一个模拟参数重复措施c)至e)，直至模拟关系与测量关系的偏差低于预定的偏差阈值。因此可使在考虑地面模型的情况下由模拟得出的模拟关系迭代地接近仅参考测量值得出的测量关系，直至它们彼此基本相当。
为了进一步改进在考虑地面模型的情况下获得的、用于模拟参数的值与对于模拟参数的这种值实际存在的压实地面的状态的一致性，可求出在措施e)中基本代表相应的地面参数的特定的模拟参数和压实的地面的地面参数的测量值之间的相关因数。为此，例如能够以一次尝试压实地面(例如沥青材料)，并且在存在由模拟得到的用于一个或多个模拟参数的值之后可在实验室条件下或在现场比较测试中测试如此加工的地面，从而得到相应地面参数的实际存在的值。由模拟或地面模型得出的值和例如在实验室中通过测量技术确定的值之间的偏差能够确定使这两个值关联的相关因数。如果根据研究存在这种相关因数，可在根据本发明的方法中关联在措施e)中基本代表相应的地面参数的特定的模拟参数与这种已知的相关因数以获得地面参数的实际值。
为了还能够在压实运行期间考虑在执行根据本发明的方法中提供的关于压实地面的状态的信息，可在执行压实过程时，在夯土设备运动期间重复地执行措施a)至e)。然后关于地面的状态的信息可在调节过程中实时地用于运行夯土设备，使得为待压实的地面获得地面参数，该地面参数满足在执行压实过程之前提出的要求。
尤其为了确保质量，可在执行压实过程时产生具有在待压实的地面上的多个位置和与其对应地分别确定的至少一个在执行措施a)至e)时基本上代表地面参数的特定的模拟参数的值的数据组。这种数据组随后可用作记录所执行的压实过程的基础。
附图说明
下面参考附图描述本发明。其中示出：
图1是以简化形式示出的夯土设备的侧视图；
图2是表示在一个振荡循环的过程中在图1的夯土设备的振荡滚轮上出现的、与待压实的地面的表面正交以及与该表面平行的加速度的视图；
图3是示出了从图2的视图推导出的作功视图，其包括在振荡滚轮的振动位移上沿作功方向绘出的地面接触力；
图4示出了图1的夯土设备的振荡滚轮在多个振荡循环的运动；
图5示出了待压实的地面的物理备用模型；
图6示出了根据图3的在地面接触力和振荡滚轮在作功方向上的振动位移之间的模拟关系。
具体实施方式
在图1中概括性地用10表示夯土设备。沿运动方向B在待压实的地面12上运动的夯土设备10配有后车14和能摆动地支承在该后车上的前车16。在后车14上设有驱动机组，并且通过该驱动机组驱动使得夯土设备10沿运动方向B或反向于该方向运动的驱动轮18。此外，在后车14上设有操作夯土设备10的操作人员的操作台20。操作人员可从操作台使夯土设备10运转以执行压实过程，其中，可在显示单元22上为操作人员显示出对于压实过程重要的信息。
压实滚轮或振荡滚轮24(其作为压实工具)围绕与图1的绘图平面正交的滚轮转动轴线W可转动地支承在前车16上。在压实滚轮24或压实滚轮的外罩26的两个轴向端部区域中，压实滚轮经由弹性的悬挂组件悬挂在前车16上，使得振荡滚轮24关于前车16能横向于滚轮转动轴线W偏转。可为压实滚轮24配备驱动马达以驱动压实滚轮围绕滚轮转动轴线W旋转。
振荡滚轮24的偏转可通过布置在振荡滚轮内部的不平衡组件28引起，不平衡组件具有至少一个能驱动成围绕滚轮转动轴线W转动的不平衡质量，该不平衡质量具有相对于滚轮转动轴线W偏心的质量重心。不平衡组件28围绕滚轮转动轴线W的旋转和同时出现且传递到振荡滚轮24上的、与滚轮转动轴线W正交地作用的离心力产生振荡滚轮24相对于前车16的周期性偏转。该偏转或在不平衡组件28旋转时作用到振荡滚轮24上的力可通过为振荡滚轮24配备的加速度传感器30、32检测。在此，加速度传感器30可构造且布置成检测竖直加速度az，即与待压实的地面12的表面基本正交的加速度。加速度传感器32可构造且布置成检测平移的水平加速度ax，即与待压实的地面12的表面基本平行的加速度。例如两个加速度传感器30、32可被设置到在振荡滚轮24的轴向端部区域中相对于前车16能转动地支承振荡滚轮24的轴承的轴承盖上。应指出的是，例如在振荡滚轮24的两个轴向端部区域也可设置一对这种加速度传感器30、32，以便能够在两个轴向端部区域中检测作用到振荡滚轮24上的加速度或力。
图2示出了通过加速度传感器30、32在一个振荡循环(即例如不平衡组件的完整一圈)的过程中出现的竖直加速度az和水平加速度ax。在此，图2的视图表示出了基于通过不平衡组件28产生的力使得振荡滚轮24在每个振荡循环时周期性地从待压实的地面12上暂时抬起，然后再次碰撞到地面上并且同时侵入待压实的地面12中。
在时间点t1，振荡滚轮24从待压实的地面12上抬起，使得作用到振荡滚轮24上的力基本上由振荡滚轮24的质量和在任意时间点出现的加速度的乘积以及来自振荡激励和静态轴负载的力得出。在时间点t2，振荡滚轮24再次与待压实的地面12接触，并且在该运动过程中渐增地侵入地面12中并同时压实地面。在振荡滚轮24与地面12接触期间(即在时间点t2和t1之间)在地面12和振荡滚轮24之间作用有地面接触力Fb，该地面接触力也基本由地面12对通过振荡滚轮24施加的负载所产生的反应来确定。随着振荡滚轮24渐增地侵入待压实的地面12中，地面接触力Fb增大，直至时间点t3，地面接触力Fb达到其最大值Fbmax。在图2中可清楚看出，在最大地面接触力Fbmax的状态下，力不是精确地与地面12正交地定向，而是稍微向前倾斜，这主要归结于夯土设备10在这种振荡循环期间沿运动方向B向前运动，并因此振荡滚轮24在其向下运动到地面12上时倾斜向前地侵入地面中。基本上相应于最大地面接触力Fbmax的定向的方向视为作功方向A。与其正交的方向视为作功方向A的法向方向N。
在图2中还可看出，在一个振荡循环内，表示加速度变化的曲线以代表一负载因数的、恒定的偏移量V向下移动，该偏移量V由前车16或后车14的、在振荡滚轮24上静止的负载所造成，其中，在此也可考虑与地面12的表面正交地恒定地作用的负载分量。
通过对图2的视图中针对一个振荡循环示出的或通过测量技术检测的加速度的两次积分，可为每个振荡循环得出表示振荡滚轮24沿作功方向A的偏转sw的振动位移。从能为一个振荡循环的任意时间点得出的振荡滚轮24的偏转sw和同样对于该振荡循环的任意时间点已知的地面接触力Fb中可得出在图3中示出的、在地面接触力Fb和偏转sw之间的测量关系ZM。该测量关系ZM代表一作功视图，其中由表示测量关系ZM的曲线包围的面代表所完成的压实作功。
在图3的视图中，时间点t1又代表振荡滚轮24失去与地面12接触并且从地面上抬起的时间点。在时间点t2，振荡滚轮24再次与地面12接触。在随后进行的侵入运动的过程中，地面接触力Fb增加，直至时间点t3地面接触力达到其最大值Fbmax。在时间点t4，达到最大侵入地面12中的状态并且运动方向反向地进行，直至时间点t1振荡滚轮24再次从地面12上抬起。因此振荡滚轮24在一个振荡循环中相对于偏转sw的中点沿作功方向A以幅度As运动。
可对图3中示出的关系进行评估，以得出关于地面12的状态的信息。因此，根据在时间点t2和t3之间的、测量关系ZM的近似线性的走向的斜率，例如可建立与地面的硬度或负载强度以及与所达到的压实度的近似关系。如前所述，根据测量关系ZM所包围的面可得出压实作功，并由此得出引入地面12的能量。但是对于如在图3中所示的测量关系ZM的这种评估使得能够与面式覆盖动态压实控制(FDVK)相关联，但是仅相对有限地提供关于地面的状态的信息，尤其是因为工艺参数(例如夯土设备12的行驶速度)的变化也会引起该关系以及其他评估结构的变化。
本发明针对于此，在考虑如图3中针对一个振荡循环所示的这种测量关系ZM的情况下可得出关于地面12的状态的更全面且更精确的结论。下面描述根据本发明为此设置的措施。
图4示出了振荡滚轮24在多个依次连续的振荡循环期间的运动。在此需要注意的是，这种振荡循环相对于振荡滚轮24的滚动运动是相对短时的事件。不平衡组件28以每秒多于10圈的转速旋转，而振荡滚轮24在夯土设备10沿运动方向B运动时的一整圈通常需要几秒。这意味着，在振荡滚轮24转一整圈期间，振荡循环的数量可在100或更多的范围中。这还意味着，在每个振荡循环期间出现的振荡滚轮24的滚动运动或旋转可被忽略。
在图4中，曲线K示出了振荡滚轮24的中点(即滚轮转动轴线W)在依次连续的振荡循环的过程中在水平方向x和竖直方向z上的运动。该运动主要由振荡滚轮24的通过不平衡组件28的运行所引起的周期性的上下或前后运动和夯土设备10以及振荡滚轮24在运动方向B上的与滚轮转动轴线W的轨道运动基本相应运动的叠加运动所组成。可清楚看出，在振荡滚轮24的这种周期性抬起的运动中出现的运动模式，其中在每个第二振荡循环中振荡滚轮24比在其每个中间的振荡循环中更大程度地从地面12上抬起。这种运动模式尤其在达到地面12的相对较强压实时出现。在地面12相对较小地被压实时，在振荡滚轮24每个运动周期中该振荡滚轮24都可具有相同的运动走向，即基本上以相同的程度从地面12上抬起。
曲线K的走向可通过计算由通过加速度传感器30、32所检测的加速度az和ax以及例如通过测量技术所检测的夯土设备10沿运动方向B运动的速度确定。通过对由所测量的加速度得出的走向二次积分可推导出通过不平衡组件28的运动所引起的振荡滚轮24的运动，而通过使夯土设备10的已知的或检测的速度与时间相乘可得出与该运动叠加的沿运动方向B的运动，由此对于任意时间点通过曲线K代表的位置和振荡滚轮24的中心的运动方向都是已知的。
通过考虑加速度az和ax以及夯土设备10沿运动方向B的运动速度得出的曲线K或通过该曲线代表的振荡滚轮24在依次连续的振荡循环期间的运动——可在考虑待压实的地面12的几何结构的情况下——为每个振荡循环以计算的方式得出在图4中通过变量2b代表的、振荡滚轮24在相应的振荡循环的过程中、即在振荡滚轮24侵入地面10中并且运动回来的过程中的接触周长。
在图4中，根据在最后示出的振荡循环中用虚线表示的地面12的表面的走向示出了该走向在振荡滚轮24碰到地面12上之前在最后示出的振荡周期中主要通过右侧可看出的、还未通过振荡滚轮24施加负载的地面12的基本上直线区段以及弧段状拱曲的区段来定义，所述弧段状拱曲的区段由最后的整个振荡循环和同时间出现的地面12的变形得出。地面10的表面的这两个区段的接触线S代表的是，在时间点t2振荡滚轮24在最后示出的振荡循环中与地面12接触的区域。
基于在振荡滚轮24或振荡滚轮的滚轮外罩26的整个轴向长度上在区域S中的近似直线形的接触，接触周长2b在振荡滚轮24侵入地面12中的运动过程中(即基本上在达到最大的侵入深度的时间点t2和时间点t4之间)增大。接触周长2b和滚轮外罩26的轴向长度2a的乘积——关于侵入运动的每个时间点——得出振荡滚轮24与待压实的地面12接触的面积。
该面积或接触周长2b可基于以下情况根据数学得出，即通过曲线K已知振荡滚轮24如何运动并且如图4所示在原则上已知或可假设地面12在振荡滚轮24于相应的振荡循环中与其接触的区域中的几何结构。在此可简单地假设，振荡滚轮24在一个振荡循环的过程中在其轴向长度上均匀地与地面12接触因此均匀地侵入地面中。此外可简单地假设，在一个完整的振荡循环的过程中，在达到时间点t1之后在从减少负载过渡至图3的测量关系ZM中的接触消失时，地面12基本保持其形状不变。在复杂的模型中也可通过测量技术或计算的方式考虑，振荡滚轮24有抖动(即在两个轴向端部处没有同样地侵入地面12中)，这例如可通过以下方式检测到，即与振荡滚轮24的两个轴向端部对应地设置相应的传感器30、32。此时也可通过计算考虑，在振荡滚轮24的轴向长度上振荡滚轮不同程度地侵入地面12中，并因此在振荡滚轮24的长度上得到不同的接触周长2b。
图4示出了接触周长2b原则上被分成关于支撑中心Z不对称的(即不等长的)两个周长区段bh和bv。在此，支撑中心Z例如通过以下区域来定义，在所述区域中例如在最大侵入的状态下沿竖直方向z穿过滚轮转动轴线W的线切割地面12。此外，可由接触周长2b的计算得出或推导出的、关于两个周长区段bh和bv的非对称性给出关于振荡滚轮24的移动效果的结论并且也与地面12的变形情况相关，因此可用于得出在压实期间关于地面12的状态的结论。在此需要指出的是，关于该非对称性的认识仅可由测量技术检测到的变量(即加速度az和ax和夯土设备沿运动方向B的运动速度)在使用数学计算方法的情况下通过考虑地面的几何比例来获得，对此无需考虑关于地面构造的任何未知的信息。
在根据本发明的用于提供关于待压实的地面12的状态的信息的方法过程中，为地面建立物理模型。在图5作为示例示出的根据Kelvin-Voigt的地面模型中地面通过两个力分量代表。力分量Fb，k相应于主要通过弹簧刚度K(b)表示的弹簧力分量。力分量Fb，c相应于主要通过阻尼参数C(b)表示的阻尼器力分量。因此，在根据该模型展示的地面和振荡滚轮24之间起作用的地面接触力Fb可作为两个力分量Fb，k和Fb，c之合来计算。
对于图5中示出的地面模型例如可依照用于可压缩的地面的、根据Wolf的圆锥模型，通过以下给出的两个公式来考虑弹簧刚度K(b)和阻尼参数C(b)：
(1)
(2)
在该公式中，变量b相应于接触周长2b的一半，其走向如前面参考图4所述，对于从振荡滚轮24碰到地面12上的时间点直至达到接触消失的每个振荡循环都可通过计算方式得出。变量a相应于振荡滚轮24或滚轮外罩26的轴向长度2a的一半，使得振荡滚轮24的轴向长度的一半a与侵入运动过程中变化的接触周长的一半b的乘积基本上是在任意时间点振荡滚轮24在一个振荡循环过程中与地面12接触的支撑面的四分之一。变量ν代表地面的泊松比(Querdehnzahl)，并且可假设需要在模型中考虑的地面是可压缩的，假设的值在0和约1/3之间。变量ρ相应于假设近似恒量的地面的建筑材料的密度。
在此需要指出的是，在使用其他模型时也可考虑其他的或额外的变量，例如地面的质量。
一般也称为抗剪模数(Schubmodul)的变量G可通过使用以下公式得出：
(3)
其中，变量Egeo代表地面的弹性模量。
因此，通过考虑参数a、b、ν、ρ、Egeo可借助前面给出的公式(1)、(2)、(3)得出弹簧刚度K(b)和阻尼参数C(b)。应认识到的是，除了在地面模型的前述示例中作为表征地面状态的主要变量的、假设已知的或通过计算得出的变量ρ、ν、a和b以外，还有其弹性模量Egeo和考虑该变量的抗剪模数。
通过可靠地假设弹性模量Egeo的值可得到图6示出的模拟关系ZS，该模拟关系基于图5示出的地面模型和根据前述公式(1)至(3)示例性假设的变量弹簧刚度K(b)和阻尼参数C(b)得出。
为了得出图6中示出的模拟关系ZS，该模拟关系在考虑例如图5中示出的、且通过公式(1)至(3)表示的地面模型的情况下再现沿作功方向A在地面接触力Fb和振荡滚轮24的偏转sw之间的关系，对于一个振荡循环通过使用弹簧刚度K(b)和阻尼参数C(b)的公式(1)和(2)算出力分量Fb，k和Fb，c。与弹簧分量Fb，k相关地，在此分别针对在时间点t2和t4之间的具有增加的侵入深度的一个阶段和在时间点t4和t1之间的具有减小的侵入深度的一个阶段得出通过点划线表示的弹簧力分量部分F1和F2。由此，可考虑这种地面在承受负载时(一方面)并且在消除负载时(另一方面)具有彼此不同的刚度性能，这通过为消除负载阶段(即在时间点t4和t1之间的侵入深度减小的阶段)引入消除负载刚度因数被考虑。
对于承受负载阶段(即在时间点t2和t4之间的侵入深度增加的阶段)的弹簧力分量部分F1可通过使弹簧刚度K(b)乘以沿作功方向A在时间点t2和t4之间的阶段上的振动位移算出。在此，图6清楚示出了得到与精确的线性力走向不同的走向。相应地，可算出在时间点t4和t1之间的侵入深度减小的阶段的走向，其中额外地考虑前文提及的消除负载刚度因数，使得需要在该时间段上积分的、由弹簧刚度K(b)和沿作功方向A的振动速度的乘积乘以消除负载刚度因数。在此，作为消除负载刚度因数的边界条件假设，在振荡滚轮24和地面12之间的接触结束的时间点(即时间点t1)，弹簧力分量Fb，k和阻尼器力分量Fb，c彼此补偿以实现力平衡。
对于相应的振荡循环，通过对必要时应与材料相关选出的阻尼因数相乘的、由阻尼参数C(b)和沿作功方向A的振动速度的乘积的积分获得阻尼器力分量Fb，c，并且在图6中通过在时间点t2和t1之间的虚线示出。在此可清楚看出，在时间点t4，即在振荡滚轮24以最大程度侵入地面中时，此时阻尼器力分量Fb，c为零，因为在该状态下地面12静止，因此与速度成比例的力变为零。在时间点t4和t1之间(即在地面12所承受的负载消除时)，阻尼器力分量Fb，c与弹簧分量Fb，k相反地作用，直至时间点t1为止，两个力分量Fb，k(t1)和Fb，c(t1)相互抵消。
通过使振荡循环的每个阶段的弹簧力分量Fb，k和阻尼器力分量Fb，c相加，获得图6中示出的基于用于一个振荡循环的地面模型表示地面接触力Fb和偏转sw之间的关系的模拟关系ZS。因此得到图3和图6的对比清楚示出的、在质量上与测量关系ZM可比的模拟关系ZS。
通过合适地选择引入地面模型中的变量(尤其是弹性模量Egeo)可影响或改变模拟关系ZS，使得其基本上与测量关系ZM相对应。对此可在使用微小变化的输入变量的情况下(尤其是在表示主要模拟参数的弹性模量Egeo改变的情况下)逐步地得出模拟关系ZS并且例如在最佳匹配过程中与测量关系ZM进行比较。为此，例如在至少一个振荡循环的时间上平均的地面接触力Fbmittel、在该振荡循环中的最大地面接触力Fbmax和由表示相应的关系ZM或ZS的曲线所围绕的面作为比较参数彼此进行比较。在此应考虑的是，平均的地面接触力Fbmittel基本上相应于经由振荡滚轮施加的静态负荷，因为平均而言，在夯土设备既没有向上也没有向下运动。
如果对于每个比较参数都识别到在为其分别预设的阈值以下的偏差，则确定两个关系ZM或ZS彼此基本相应，即在其之间的偏差低于预定的偏差阈值。因此可确定，为了获得这种模拟关系使用的地面模型与在此考虑的模拟参数以高度精确性再现了借助夯土设备10压实的地面。此时可进一步确定，在模型中考虑的一个或多个模拟参数(例如弹性模量Egeo)实际上代表地面12的相应的地面参数。在该状态下，可将这种模拟参数在面式覆盖动态压实控制中作为表示地面状态的参数进行存储。在地面模型中同时考虑的其他变量(例如消除负载刚度因数或阻尼因数)可与弹性模量相关地作为描述地面的参数被存储，当然其与在相应的振荡循环期间夯土设备10所处的位置也相关。其他的参数(例如前述的接触周长2b的非对称性)可被记录用于评估或判断地面12的质量。
借助根据本发明的方法，基于前述对振荡滚轮24侵入地面12中的运动的计算可得出其他的参数(例如地面12的沉降，即在与振荡滚轮24接触之前的地面12和之后的地面之间的高度差或通过作用力或现有接触面的增量总合所产生的接触应力)，并且进行记录或在求解模拟关系ZS时加以考虑并且例如也可作为模拟参数变化。由在根据本发明的方法中得出的或算出的变量例如还可从与作功方向A正交的、振荡滚轮24沿法向N的加速度中推导出不平衡组件28的相位或转动方向(例如在其无法通过测量技术检测到时)。替代地或额外地，尤其为了提供关于不平衡组件28的相位(即转动定位)的信息可为不平衡组件28配备传感器，其输出信号反映不平衡组件28的相位以及转动方向。该信息例如也可引入图3中示出的测量关系ZM的设置中。
为了在前述的、对模拟关系ZS与测量关系ZM的比较时作为代表相应地面参数的确定的模拟参数(例如弹性模量Egeo)还能更好与地面的实际状态相一致，可在现场或实验室测试中将在如此确定的模拟参数和在此时压实的地面中实际存在的相应地面参数值之间的关系确定为关联两个变量的相关因数的形式。这种相关因数可随后在面式覆盖动态压实控制中通过以下方式被考虑，即该相关因数与相应的模拟参数关联(即例如相乘)，因此可产生以高度精确性再现相应的地面参数的实际值的参数。
最后应指出的是，根据本发明的用于确定参数的方法可应用于不同的待压实的地基，其中所述参数能精确地说明关于被压实的地面的状态。因此，根据本发明的方法例如可应用于压实沥青，以及压实在沥青层之下所构造的地面。原则上，该方法可应用于所有的颗粒或塑料的地面材料，其可借助这种以振荡滚轮作功的夯土设备被压实。
还需要指出的是，根据本发明的方法也可用于在执行地面压实过程期间不仅持续地与压实位置相关联地实施得出并记录相应的参数，而且也反馈到执行地面压实过程的夯土设备，使得在考虑所得到的地面状态的情况下使得压实效果最佳。如果在使用根据本发明的方法执行压实过程时识别到在特定的区域中还未实现充分的压实，可通过相应地操控夯土设备再次或重复地驶过该区域，而无需再驶过已经有足够压实度的区域。因此可执行对压实运行的调节，其中夯土设备或者通过自动化的控制装置有针对性地在待压实的地面的特定区域中自动地运动，或将信息输送给操作夯土机的操作人员，地面哪里需要以何种方式被压实或不再需要被压实。例如这种信息可以图形方式显示在显示单元22上。
综上所述，根据本发明的、在借助夯土设备执行压实过程时提供与地面的压实状态相关的信息的方法如下所述：
a)当夯土设备在待压实的地面上运动时，例如借助于一个或多个不平衡传感器，检测振荡滚轮的竖直加速度和水平加速度；
b)通过使用在措施a)中检测的竖直加速度和水平加速度得出一个振荡循环的、在地面接触力和振荡滚轮偏转之间的测量关系；
c)通过使用考虑至少一个模拟参数的地面模型得出一个振荡循环的在地面接触力和偏转之间的模拟关系；
d)对模拟关系与测量关系进行比较；
e)在模拟关系基本上相应于测量关系时，确定为在地面模型中考虑的至少一个模拟参数的预设值基本上代表待压实的地面的相应的地面参数。
Claims (15)
1.在使用夯土设备(10)执行压实过程时提供与地面的压实状态相关的信息的方法，其中，所述夯土设备(10)包括至少一个振荡滚轮(24)，所述振荡滚轮具有围绕至少一个所述振荡滚轮(24)的滚轮转动轴线(W)旋转的不平衡组件(28)，其中，与至少一个所述振荡滚轮(24)对应地设置用于检测所述振荡滚轮(24)的与待压实的地面(12)基本正交的竖直加速度(az)和至少一个所述振荡滚轮(24)的与待压实的地面(12)基本平行的水平加速度(ax)的加速度检测组件(30、32)，所述方法包括以下措施：
a)当所述夯土设备(10)在待压实的地面(12)上运动时，检测至少一个所述振荡滚轮(24)的竖直加速度(az)和水平加速度(ax)；
b)通过使用在措施a)中检测的竖直加速度(az)和水平加速度(ax)得出关于一个振荡循环的、在地面接触力(Fb)和所述振荡滚轮(24)的偏转(sw)之间的测量关系(ZM)；
c)通过使用考虑至少一个模拟参数的地面模型得出关于一振荡循环的、在所述地面接触力(Fb)和所述偏转(sw)之间的模拟关系(ZS)；
d)比较在措施c)中关于至少一个振荡循环得出的模拟关系(ZS)与在措施b)中关于至少一个振荡循环得出的测量关系(ZM)；
e)在措施d)中执行的比较得出关于至少一个振荡循环得出的模拟关系(ZS)基本上相应于关于至少一个振荡循环得出的测量关系(ZM)时，确定为在所述地面模型中考虑的至少一个模拟参数的预设值基本上代表待压实的地面(12)的相应的地面参数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在措施b)和c)中考虑所述振荡滚轮(24)的、与最大的地面接触力(Fbmax)的方向基本相应的作功方向(A)上的偏转。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，措施c)包括措施c1)：得出所述振荡滚轮(24)在一个振荡循环中的接触周长(2b)，并且所述接触周长(2b)形成所述地面模型的模拟参数。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在措施c1)中基于在措施a)中得出的竖直加速度(az)和水平加速度(ax)以及基于所述夯土设备(10)在所述夯土设备(10)的运动方向(B)上的运动速度得出所述接触周长(2b)。
5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，在措施c1)中得出所述接触周长(2b)，所述接触周长(2b)具有沿所述夯土设备(10)的运动方向(B)在支撑中心之前的前部周长区段(bv)和沿所述夯土设备(10)的运动方向(B)在支撑中心之后的后部周长区段(bh)，并且所述前部周长区段(bv)的长度和后部周长区段(bh)的长度形成代表地面(12)的状态的非对称参数。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，地面的弹性模量(Egeo)形成所述地面模型的模拟参数。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述地面模型考虑至少通过弹簧力分量(Fb，k)和阻尼器力分量(Fb，c)代表的地面变形性能，并且措施c)包括用于得出弹簧力分量(Fb，k)的措施c2)以及包括用于得出阻尼器力分量(Fb，c)的措施c3)。
8.根据权利要求3和权利要求6和权利要求7所述的方法，其特征在于，在措施c2)中根据地面弹性模量(Egeo)和接触周长(2b)得出弹簧力分量(Fb，k)，或/和，在措施c3)中根据地面弹性模量(Egeo)和接触周长(2b)得出阻尼器力分量(Fb，c)。
9.根据权利要求7或权利要求8所述的方法，其特征在于，在措施c2)中得到在一个振荡循环中的弹簧力分量(Fb，k)，所述弹簧力分量(Fb，k)具有用于所述振荡滚轮(24)在地面中的侵入深度增加的阶段的第一弹簧力分量部分(F1)和用于振荡滚轮(24)侵入深度减小的阶段的第二弹簧力分量部分(F2)。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，当措施c2)中在考虑到消除负载刚度因数的情况下得出第二弹簧力分量部分(F2)，使得在从所述振荡滚轮(24)的侵入深度减小的阶段到脱离接触阶段的过渡中弹簧力分量(Fb，k)和阻尼器力分量(Fb，c)彼此基本完全抵消，其中，在脱离接触阶段中至少一个振荡滚轮(24)基本上不与待压实的地面(12)接触，其中，所述消除负载刚度因数可形成代表所述地面的状态的刚度参数。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，措施c)包括措施c4)：用于基于在措施c2)中得出的弹簧力分量(Fb，k)和在措施c3)中得出的阻尼器力分量(Fb，c)关于一个振荡循环得出地面接触力(Fb)。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，如果在措施e)中识别出，所述模拟关系(ZS)与测量关系(ZM)的偏差没有低于预定的偏差阈值，在执行措施c)时通过改变至少一个模拟参数重复措施c)至e)，直至所述模拟关系(ZS)与测量关系(ZM)的偏差低于预定的偏差阈值。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，得出在措施e)中基本代表相应的地面参数的特定的模拟参数和压实的地面(12)的地面参数的测量值之间的相关因数，或者，关联在措施e)中基本代表相应的地面参数的特定的模拟参数与所述相关因数以获得地面参数的实际值。
14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在执行压实过程时，在所述夯土设备(10)运动期间重复地进行措施a)至e)。
15.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在执行压实过程时产生具有在待压实的地面(12)上的多个位置和与其对应地分别确定的至少一个在执行措施a)至e)时基本上代表地面参数的特定的模拟参数的值的数据组。
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