DE10019806A1 - Bodenverdichtungsvorrichtung mit Schwingungsdetektion - Google Patents

Abstract

Eine Bodenverdichtungsvorrichtung weist ein von einem Schwingungserreger (2) beaufschlagtes Bodenkontaktelement (5) zur Bodenverdichtung auf. Das Bodenkontaktelement (5) ist mit einer Obermasse (1) elastisch (4) gekoppelt. Die Obermasse (1) dient als Detektionsmasse, deren Beschleunigung durch einen Beschleunigungssensor (6) erfaßt wird. Ein vom Beschleunigungssensor (6) abgegebenes Messsignal (7) wird in einer Regelungseinrichtung (8) ausgewertet, die den Schwingungserreger (2) entsprechend einer Abweichung von einem Sollwert ansteuert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Bodenverdichtungsvorrichtung mit einem durch einen Schwingungserreger beaufschlagten Bodenkontaktelement zur Bodenverdich­ tung.

Eine derartige Bodenverdichtungsvorrichtung, z. B. eine Vibrationsplatte oder -walze, besteht üblicherweise aus zwei relativ zueinander elastisch gekoppelten Massen, nämlich einer Unter- und einer Obermasse. Die Untermasse umfaßt im wesentlichen ein Bodenkontaktelement, das durch einen Schwingungserreger beaufschlagt wird. Die Obermasse trägt üblicherweise einen Antrieb für den Schwingungserreger und ist über Federelemente mit der Untermasse verbunden. Als Schwingungserreger haben sich in der Vergangenheit Unwuchterreger be­ währt, bei denen eine oder zwei, Unwuchtmassen tragende Wellen in Drehung versetzt werden. Die dadurch entstehende, bei Bedarf auch in verschiedene Richtungen einstellbare Schwingung wird in das Bodenkontaktelement eingelei­ tet und zur Verdichtung von Böden verwendet. Der geschilderte Aufbau ist ins­ besondere in Verbindung mit Vibrationsplatten oder -walzen allgemein bekannt, so daß eine weitere Beschreibung nicht erforderlich ist.

Üblicherweise erzeugen die Schwingungserreger bei derartigen Bodenverdich­ tungsvorrichtungen eine Schwingung mit konstanter Frequenz und Amplitude. Darüber hinaus sind z. B. Vibrationsplatten bekannt, bei denen zwar eine ge­ stufte oder stufenlose Einstellung von Frequenz und/oder Amplitude möglich ist, die Einstellung aber allein dem Bediener obliegt. Da sich die optimalen Para­ meter zur Bodenverdichtung während des Verdichtungsvorgangs aufgrund unterschiedlicher Bodenbeschaffenheiten ständig ändern können, und da der Bediener nicht in der Lage ist, diese Parameter ständig zu erfassen und in eine entsprechende Einstellung des Schwingungserregers umzusetzen, werden die Schwingungsparameter im allgemeinen nicht an die besonderen Eigenschaften des Untergrundes angepaßt. Dabei kann insbesondere das Problem auftreten, daß die Bodenverdichtungsvorrichtung anfängt zu springen, wenn der zu ver­ dichtende Boden keine ausreichende Verformbarkeit aufweist. Ein Springen der Bodenverdichtungsvorrichtung führt zu einer rapiden Erhöhung des Maschinen­ verschleißes, der Umweltbelastung durch Lärm sowie der Belastung des Bedie­ ners. Außerdem kann durch ein Springen der Bodenverdichtungsvorrichtung der Boden wieder aufgelockert werden.

Aus der WO 98/17865 ist ein Verfahren zur Messung mechanischer Daten eines Bodens für eine Bodenverdichtungsvorrichtung bekannt. Es wird dort eine Vi­ brationswalze beschrieben, deren Walzenbandage zusammen mit dem zu ver­ dichtenden Boden als ein Verdichtungsschwingungssystem betrachtet wird, des­ sen Schwingungsverhalten von einer Recheneinheit erfaßt wird. Die Rechenein­ heit stellt den Schwingungserreger in der Vibrationswalze derart ein, daß eine vorgegebene Bodensteifigkeit, also das angestrebte Verdichtungsergebnis er­ reicht werden kann. Die Erfassung des Schwingungsverhaltens erfolgt über mehrere Messelemente, die an der als Bodenkontaktelement dienenden Walzen­ bandage angebracht sind.

Es hat sich bei verschiedenen Bodenverdichtungsvorrichtungen herausgestellt, daß sich aufgrund zahlreicher äußerer Einflüsse, wie der Beaufschlagung durch den Schwingungserreger, aber auch durch sich ständig ändernde Bodengegeben­ heiten, Steine, Unebenheiten etc. eine zufallsabhängige, mitunter taumelnde Be­ wegung des Bodenkontaktelements einstellt, die nur mit hohem Messaufwand erfaßt werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Bodenverdichtungsvorrichtung mit regelbarem Schwingungserreger anzugeben, bei der das Schwingungsverhal­ ten des Bodenkontaktelements in einfacherer Weise detektiert werden kann.

Die Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Bodenverdichtungs­ vorrichtung mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 angegeben. Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen zu entneh­ men.

Bei der erfindungsgemäßen Bodenverdichtungsvorrichtung ist eine Detektions­ masse vorgesehen, die mit dem Bodenkontaktelement durch eine elastische Kopplung verbunden ist. Die Detektionsmasse ist gegen die elastische Kopplung mit dem Bodenkontaktelement mit wenigstens einem Freiheitsgrad beweglich, wobei die Bewegung der Detektionsmasse durch eine Messeinrichtung gemessen wird. Ein von der Messeinrichtung abgegebenes Messsignal wird in einer Rege­ lungseinrichtung ausgewertet und mit einem Sollwert verglichen. Bei Feststellen einer Abweichung steuert die Regelungseinrichtung den das Bodenkontaktele­ ment beaufschlagenden Schwingungserreger entsprechend an.

Die Detektionsmasse und das Bodenkontaktelement bilden ein mechanisches Filter, mit dem an dem Bodenkontaktelement vorherrschende, im wesentlichen stochastische Bewegungen, d. h. Schwingungen, derart gefiltert werden, das sich z. B. höherfrequente Schwingungen, also Schwingungen mit einer Frequenz höher als der vom Schwingungserreger vorgegebenen Frequenz, herausfiltern lassen, so daß die Detektionsmasse einem gegenüber dem Bodenkontaktelement vereinfachten Bewegungs- und Schwingungsschema unterliegt. Im Speziellen kann die Filterung derart durchgeführt werden, daß an der Detektionsmasse zwar die durch die Rückwirkung einer überhöhten Schlagenergie erzeugten Schwingungen, also z. B. durch Sprünge des Bodenkontaktelements entstehende Schwingungen auftreten, nicht aber die stochastischen Schwingungen der Untermasse mit dem Bodenkontaktelement.

Mit Hilfe der Messeinrichtung kann diese Schwingung der Detektionsmasse im Vergleich zum Stand der Technik erheblich einfacher detektiert werden, so daß ein eindeutiges Messsignal für die Regelungseinrichtung zur Verfügung steht.

Zur Verfeinerung des Messverfahrens ist die Messeinrichtung bei einer vorteil­ haften Weiterentwicklung der Erfindung geeignet. Bewegungen der Detektions­ masse in mehreren Raumrichtungen und/oder Drehrichtungen zu erfassen.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die De­ tektionsmasse durch die Obermasse gebildet. Die Obermasse ist mit der Unter­ masse elastisch gekoppelt, so daß kein zusätzliches Detektionsmassenelement vorgesehen werden muß. Die Messeinrichtung erfaßt dazu die Bewegung der Obermasse und liefert ein entsprechendes Messsignal. Aufgrund der relativ ho­ hen Trägheit der Obermasse kommt die Filterwirkung besonders vorteilhaft zur Anwendung. Der Aufbau läßt sich einfach realisieren, da lediglich eine Messein­ richtung an der Obermasse angebracht werden muß.

Vorzugsweise handelt es sich bei der von der Messeinrichtung gemessenen Be­ wegung um eine Beschleunigung der Detektionsmasse, da sich Beschleuni­ gungswerte besonders einfach messen lassen.

Diese und weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden nachfolgend un­ ter Zuhilfenahme der begleitenden Figur anhand eines bevorzugten Ausfüh­ rungsbeispiels näher erläutert.

Die einzige Figur zeigt eine erfindungsgemäße, als Bodenverdichtungsvorrich­ tung dienende Vibrationsplatte.

Die Vibrationsplatte weist eine Obermasse 1 auf, die im wesentlichen einen nicht dargestellten Antrieb für einen Schwingungserreger 2, einen Kraftstoff­ tank, eine Abdeckung und verschiedene Steueraggregate sowie eine Deichsel 3 zur Führung der Vibrationsplatte umfaßt.

Über elastische Elemente 4, z. B. Gummifedern, ist eine Bodenkontaktplatte 5 mit der Obermasse 1 elastisch gekoppelt. Die Bodenkontaktplatte 5 ist wesentli­ cher Bestandteil einer Untermasse, der jedoch auch der Schwingungserreger 2 zuzurechnen ist.

An der Obermasse 1 ist ein Beschleunigungssensor 6 angebracht, der die Be­ schleunigung der Obermasse 1 in Richtung von wenigstens einem Freiheitsgrad, je nach Ausführungsform aber auch in Richtung mehrerer Freiheitsgrade erfaßt und ein entsprechendes Messsignal 7 an eine Regelungseinrichtung 8 abgibt. Dabei sollte wenigstens eine Bewegung der Obermasse 1 in Vertikalrichtung er­ faßt werden. Statt der Messung der Beschleunigung durch den Beschleuni­ gungssensor 6 kann es bei anderen Ausführungsformen auch zweckmäßig sein, eine andere Form der Bewegung, z. B. die Geschwindigkeit der Obermasse 1 zu erfassen. Dafür müssten dann gegebenenfalls ein entsprechender Sensor und zugehörige Algorithmen in der Regelungseinrichtung 8 bereitgestellt werden.

Das Messsignal 7 wird in der Regelungseinrichtung 8 ausgewertet.

Aufgrund der schwingungsmäßigen Entkopplung zwischen Obermasse 1 und Bo­ denkontaktplatte 5 durch die elastischen Elemente 4 bleibt die Obermasse 1 im Normalbetrieb der Vibrationsplatte relativ ruhig, auch wenn die Bodenkontakt­ platte 5 ständig zufallsabhängige, mitunter taumelnde Bewegungen vollführt. Die Trägheit der Obermasse 1 aufgrund ihrer relativ großen Masse unterstützt dieses Verhalten.

Lediglich in Sonderbetriebszuständen, wie z. B. einem Springen der Bodenkon­ taktplatte 5 auf einem zu harten Boden oder bei zu großer Schwingungsenergie durch den Schwingungserreger 2 wird die Bewegung der Obermasse 1 verstärkt, so daß an ihr erhöhte Beschleunigungswerte feststellbar sind. Diese Werte wirken sich auf die Messwerte des Beschleunigungssensors 6 entsprechend aus.

In der Regelungseinrichtung 8 wird das Messsignal 7 mit Hilfe eines Rechenver­ fahrens elektronisch als Istwert ausgewertet. Als besonders geeignet hat sich da­ bei für den Istwert die Bestimmung eines Effektivwerts erwiesen, der in Form ei­ nes Root-Mean-Square-Werts (RMS-Wert) bestimmt wird. Selbstverständlich sind auch andere bekannte Signalauswertungsverfahren denkbar, die vorzugsweise einen charakteristischen Ist- oder Effektivwert als Ergebnis liefern.

Der Effektivwert wird von der Regelungseinrichtung 8 mit einem Sollwert vergli­ chen. Der Sollwert kann einerseits vom Bediener beeinflußt werden. Es ist aber auch möglich, den Sollwert werksseitig festzulegen und in die Regelungseinrich­ tung 8 fest einzuprogrammieren.

Entsprechend einem Vergleich des Effektivwerts mit dem Sollwert und einer da­ bei festgestellten Abweichung steuert die Regelungseinrichtung 8 über ein Steu­ ersignal 9 den Schwingungserreger 2 an. Ziel der Ansteuerung ist eine Verände­ rung der Schwingungsenergie, was durch verschiedene, an sich bekannte Maß­ nahmen erreicht werden kann.

Im wesentlichen erfolgt die Veränderung der Schwingungsenergie durch Anpas­ sung von Frequenz oder Amplitude des Schwingungserregers 2.

Eine Erhöhung oder Verminderung der Amplitude, d. h. des sogenannten mr- Wertes (Masse × Radius der Unwucht), läßt sich z. B. durch eine Verstellung der Unwuchtmasse auf der sie tragenden Welle erreichen, wobei dafür zahlreiche Vorrichtungen bekannt sind. Beispielhaft sei der Fall genannt, daß auf einer Welle zwei gegeneinander verdrehbare Unwuchten angeordnet sind, deren Un­ wuchtmoment sich je nach Relativstellung verändert. Ein anderer Fall ist ein so­ genannter einseitiger Fliehkraftregler, bei dem die Unwucht durch Verlagerung der Unwuchtmasse bei Änderung der Wellendrehzahl verstellbar ist.

Die Veränderung der Frequenz kann unter der Prämisse einer konstanten Flieh­ kraft erfolgen, bei der die Drehzahl des Erregers abhängig von der eingestellten Amplitude so geregelt wird, daß das Produkt aus der Amplitude (mr-Wert) und dem Quadrat der Frequenz, also die resultierende Fliehkraft stets einem vorge­ gebenen, konstanten Wert entspricht. Die Drehzahländerung des Erregers ist bei einem mechanischem Antrieb z. B. über einen Keilriemenantrieb mit verstellba­ ren Riemenscheibendurchmessern möglich. Bei einem hydraulischen Antrieb ist eine entsprechende verstellbare Axialkolbenpumpe am Antriebsmotor vorzuse­ hen. Im Falle eines elektrischen Antriebs hat eine entsprechende Drehzahlan­ passung z. B. über einen Frequenzumformer zu erfolgen.

Bei einer besonders einfachen Ausführungsform der Erfindung ist der in der Re­ gelungseinrichtung abgespeicherte Sollwert ein Schwellwert, bei dessen Über­ schreitung durch den Effektivwert die Regelungseinrichtung 8 direkt eine Ver­ minderung der Schwingungsenergie durch den Schwingungserreger 2 steuert. Dadurch läßt sich z. B. ein Springen der Bodenkontaktplatte 5 bereits im Ansatz verhindern.

Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung steuert die Regelungseinrich­ tung 8 den Schwingungserreger 2 in Abhängigkeit von einem Über- oder Unter­ schreiten des Sollwerts durch den Effektivwert an, um den Bodenverdichtungs­ vorgang stets in einem optimalen Bereich zu halten.

Bei den bisher beschriebenen Ausführungsformen wurde die erfindungsgemäß vorgesehene Detektionsmasse durch die Obermasse 1 gebildet. Alternativ dazu ist es aber auch möglich, ein zusätzliches Detektionsmassenelement mit der Un­ termasse, d. h. mit der Bodenkontaktplatte 5 elastisch zu koppeln. Das Detekti­ onsmassenelement sollte dazu relativ klein ausgeführt werden und in einem kleinen Gehäuse auf der Bodenkontaktplatte 5 untergebracht werden können.

Die Erfindung kann gleichermaßen bei Vibrationsplatten entsprechend der ge­ zeigten Ausführungsform, wie auch bei einer Vibrationswalze angewendet wer­ den, bei der das Bodenkontaktelement eine Walzenbandage ist.

Die Anordnung von Detektionsmasse und Bodenkontaktelement 5 erlaubt eine mechanische Filterung, die eine aufwendige, nur durch zusätzliche Bauelemente realisierbare elektronische Filterung ersetzt. Wenn die Detektionsmasse durch die Obermasse gebildet wird, wird praktisch überhaupt kein zusätzliches Bauteil benötigt. Vielmehr kann als Beschleunigungssensor ein - im Vergleich zum Stand der Technik - einfacherer Sensor gewählt werden, da die zu erfassenden Schwingungen ebenfalls einen einfacheren Zeitverlauf nehmen. Auch die Aus­ werte- und Regelalgorithmen in der Regelungseinrichtung 8 sind einfacher und weniger zeitkritisch zu gestalten.

Die wirksame Vermeidung von unzulässigen Schwingungen, d. h. Beschleuni­ gungen der Obermasse verhindert nicht nur eine Schädigung des Geräts und insbesondere des Antriebs aufgrund zu hoher Belastung. Gleichzeitig werden auch den Bediener belastende Hand- bzw. Armschwingungen reduziert und im Rahmen vorgegebener Grenzen gehalten. Ein entspannteres und effektiveres Ar­ beiten ist die Folge.

Claims (9)

1. Bodenverdichtungsvorrichtung, mit
einer ein Bodenkontaktelement (5) zur Bodenverdichtung aufweisenden Untermasse;
einem das Bodenkontaktelement (5) beaufschlagenden Schwingungserre­ ger (2); und mit
einer mit der Untermasse elastisch verbundenen, einen Antrieb für den Schwingungserreger (2) aufweisenden Obermasse (1);
wobei
eine Detektionsmasse (1) mit dem Bodenkontaktelement (5) durch eine elastische Kopplung (4) verbunden ist;
die Detektionsmasse (1) gegen die elastische Kopplung (4) mit dem Boden­ kontaktelement (5) mit wenigstens einem Freiheitsgrad beweglich ist;
eine Messeinrichtung (6) zum Messen der Bewegung der Detektionsmasse (1) in Richtung von wenigstens dem einen Freiheitsgrad vorgesehen ist und ein Messsignal (7) abgibt;
eine Regelungseinrichtung (8) vorgesehen ist, zum Auswerten des Mess­ signals (7) zu einem Istwert, Vergleichen des Istwerts mit einem Sollwert und Ansteuern des Schwingungserregers (2) entsprechend einer Abweichung des Ist­ werts vom Sollwert.

2. Bodenverdichtungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, dass der Sollwert ein Schwellwert ist, bei dessen Überschreiten durch den Istwert die Regelungseinrichtung (8) eine Verminderung der Schwingungsener­ gie durch den Schwingungserreger (2) steuert.

3. Bodenverdichtungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, dass bei Über- oder Untersschreiten eines um den Sollwert definierten Be­ reichs durch den Istwert die Regelungseinrichtung (8) eine Änderung der Schwingungsenergie durch den Schwingungserreger (2) steuert.

4. Bodenverdichtungsvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die vom Schwingungserreger (2) erzeugte Schwingung durch die Regelungseinrichtung (8) hinsichtlich ihrer Frequenz und/oder ihrer Amplitude veränderbar ist.

5. Bodenverdichtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (6) geeignet ist, Bewegungen in mehreren Raumrichtungen und/oder Drehrichtungen zu erfassen.

6. Bodenverdichtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, dass die Detektionsmasse durch die Obermasse (1) ge­ bildet ist.

7. Bodenverdichtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, dass die von der Messeinrichtung (6) gemessene Bewe­ gung der Detektionsmasse (1) eine Beschleunigung ist.

8. Bodenverdichtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, dass die Bodenverdichtungsvorrichtung eine Vibrati­ onsplatte und das Bodenkontaktelement eine Bodenkontaktplatte (5) ist.

9. Bodenverdichtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, dass die Bodenverdichtungsvorrichtung eine Vibrati­ onswalze und das Bodenkontaktelement eine Walzenbandage ist.