DE102006008266B4

DE102006008266B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Messen von Bodenparametern mittels Verdichtungsmaschinen

Info

Publication number: DE102006008266B4
Application number: DE102006008266A
Authority: DE
Original assignee: Wacker Neuson SE
Current assignee: Wacker Neuson Produktion & Co Kg De GmbH
Priority date: 2006-02-22
Filing date: 2006-02-22
Publication date: 2009-11-12
Anticipated expiration: 2026-02-23
Also published as: JP2009527664A; WO2007096118A1; DE102006008266A1; JP5124488B2; US20090166050A1; US8057124B2; EP1987202A1

Abstract

Verfahren zum Bestimmen einer Bodeneigenschaft mittels einer Bodenverdichtungsvorrichtung, die ein schwingend beaufschlagtes Kontaktelement (1) zur Bodenverdichtung aufweist, wobei
– das Kontaktelement (1) einer durch den Boden ausgeübten Kontaktkraft F_contact ausgesetzt ist und einen Kontaktweg s_contact zurücklegt;
– die Bodeneigenschaft als dynamischer Verformungsmodul E_{V. dynVerdichter} bestimmt wird zu

– α ein Kontaktflächenparameter zur Berücksichtigung der tatsächlichen Kontaktfläche (12) des Kontaktelements (1) mit dem Boden ist;
– k_dyn die dynamische Steifigkeit des Bodens darstellt und als Gradient der Kontaktkraft F_contact und des Kontaktwegs s_contact gebildet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Bodeneigenschaft mittels einer Bodenverdichtungsvorrichtung, die ein schwingend beaufschlagtes Kontaktelement zur Bodenverdichtung aufweist.
Als Bodenverdichtungsvorrichtungen sind insbesondere Vibrationsplatten und -stampfer, aber auch Vibrationswalzen bekannt. Sie weisen jeweils wenigstens ein Bodenkontaktelement auf, das von einem Schwingungserreger schwingend beaufschlagt wird und die Schwingung in den Boden einleitet, um dadurch eine Verdichtungswirkung zu erzielen.
Um die Güte einer Verdichtungsarbeit überprüfen zu können, ist es hilfreich, bestimmte Bodeneigenschaften, wie zum Beispiel die Bodensteifigkeit, die Verformbarkeit, die Tragfähigkeit o. Ä. zu ermitteln.
Zum Bestimmen von Bodenparametern sind Verfahren und Vorrichtungen bekannt, die getrennt von Bodenverdichtungsgeräten arbeiten. So gibt es ein genormtes Plattendruckverfahren (DIN 18134), bei dem im Rahmen eines statischen Lastplattendruckversuchs ein Verformungsmodul E_V bestimmt wird. Ebenso ist ein dynamischer Lastplattendruckversuch bekannt (Technische Prüfvorschriften für Boden und Fels im Straßenbau TP BF-StB, Teil B 8.3 (1997)).
Konventionelle, von den Verdichtungsgeräten getrennte Messverfahren und -vorrichtungen erfordern einen erheblichen Zusatzaufwand, da jeweils zusätzlich zu dem Verdichtungsgerät Messgeräte zur Verfügung gestellt werden müssen, die meist einen entsprechend geschulten Bediener erfordern. Außerdem ist die Anzahl der Messungen auf einer definierten Fläche durch den zeitlichen Aufwand begrenzt, d. h. es kann nur stichprobenartig gemessen werden.
Andererseits sind auch Verfahren bekannt, bei denen spezielle Bodenverdichtungsgeräte selbst genutzt werden, um insbesondere Bodensteifigkeiten und/oder Verformungsmoduln des Bodens zu messen, die das zentrale Kriterium für einen Verdichtungserfolg darstellen. Derartige Vorrichtungen und Verfahren sind zum Beispiel in der DE 27 10 811 C2 , WO 98/17865 , DE 29 42 334 C2 sowie EP 1 164 223 A1 bekannt. Diese Veröffentlichungen zeigen jeweils Vibrationswalzen, die über den zu verdichtenden Boden verfahren werden und aufgrund der Schwingungseigenschaften der Walzentrommel (Walzenbandage) Rückschlüsse auf die Bodensteifigkeit ziehen.
Vibrationswalzen werden in der Regel so betrieben, dass die als Bodenkontaktelement dienenden Walzenbandagen auch bei schwingender Beaufschlagung nicht vom Boden abheben. Die Walzenbandagen bewegen sich insgesamt periodisch, woraus sich eine verhältnismäßig gleichmäßige Amplitudenbewegung der Walzenbandage ergibt. Für andere Bodenverdichtungsvorrichtungen, insbesondere für Vibrationsplatten oder -stampfer eignen sich die bekannten Messverfahren und -vorrichtungen dagegen nicht. Vibrationsplatten und -stampfer verlieren üblicherweise während eines erheblichen Teils eines Schwingungs-Belastungszyklus den Kontakt zum Boden. Hierbei sind Kontaktzeiten festgestellt worden, die nur circa 10% der gesamten Schwingungsperiode ausmachen. Die oben geschilderten, bei Vibrationswalzen zum Einsatz kommenden Messverfahren sind darauf ausgerichtet, dass die jeweils gemessenen Signale aus einem weitgehend stetigen Zustand entstehen. Selbst dann, wenn die Walzenbandagen springen sollten, sind die Flugphasen verhältnismäßig kurz, sodass der Fehlereinfluss gering ist.
Bei Stampfern und Vibrationsplatten hingegen ist von langen Flugphasen und kurzen Berührungszeiten auszugehen, sodass die auf ein periodisches Bewegungsverhalten ausgelegten Messverfahren des Standes der Technik ungeeignet sind. Zudem unterliegen die Bodenkontaktelemente von Vibrationsplatten und -stampfern einem eher chaotischen Bewegungsverhalten, weil sie durch das Springen beziehungsweise Fliegen immer wieder Bodenkräfte an unterschiedlichen Stellen aufnehmen müssen.
Aus der DE 694 23 048 T2 ist ein Verfahren zum Bestimmen einer Bodeneigenschaft mittels einer Bodenverdichtungsvorrichtung bekannt. Die Bodeneigenschaft wird als dynamischer Schermodul bestimmt und dient zur Regelung der Bodenverdichtungsvorrichtung in Abhängigkeit von den Eigenschaften des Bodens.
In der EP 1 516 961 A1 wird ein Verfahren zur Ermittlung einer Bodensteifigkeit angegeben. Eine Bodenverdichtungsvorrichtung weist dazu ein schwingend beaufschlagtes Kontaktelement auf. Aufgrund des Schwingungsverhaltens eines durch die Bodenverdichtungsvorrichtung und den Boden gebildeten Schwingungssystems wird die Bodensteifigkeit als Verdichtungsgrad ermittelt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Bestimmen von Bodeneigenschaften anzugeben, dass sich auch für Bodenverdichtungsvorrichtungen eignet, deren Bodenkontaktelement immer wieder vom Boden abhebt und insbe sondere sogar eine längere Flugphase – bezogen auf einen Schwingungszyklus – absolviert. Das Verfahren soll dabei eine Bestimmung der Bodenparameter immer dann erlauben, wenn unabhängig vom konkreten Bewegungsverhalten und/oder Kontaktverhalten die Bodenverdichtungsvorrichtung während eines Erregerzyklus Kontakt mit dem Boden hat. Bevorzugte Anwendungen sind Bodenverdichtungsvorrichtungen mit eher chaotischem Bewegungsverhalten, wie insbesondere Vibrationsplatten und -stampfer.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1. Eine das Verfahren nutzende Bodenverdichtungsvorrichtung ist in Anspruch 29 definiert. Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zum Bestimmen einer Bodeneigenschaft mittels einer Bodenverdichtungsvorrichtung, die ein schwingend beaufschlagtes Kontaktelement zur Bodenverdichtung aufweist. Das Kontaktelement berührt während einer Kontaktphase den Boden und ist dabei einer durch den Boden ausgeübten Kontaktkraft F_contact ausgesetzt und legt einen Kontaktweg s_contact zurück. Im Folgenden wird die Kontaktkraft F_contact vereinfachend auch als Kontaktkraft F und der Kontaktweg s_contact vereinfachend als Kontaktweg s bezeichnet.
Die Bodenverdichtungsvorrichtung kann eine Vibrationsplatte oder ein Vibrationsstampfer sein. Sie weist eine das Kontaktelement umfassende Untermasse und eine üblicherweise einen Antrieb umfassende Obermasse auf. Die Untermasse ist über eine Federeinrichtung mit der Obermasse gekoppelt. Bestandteil der Untermasse kann auch, z. B. bei einer Vibrationsplatte, ein Schwingungserreger sein, der das Kontaktelement beaufschlagt. Bei einem Vibrationsstampfer erfolgt die Schwingungserreger mittels einer Wegerregung, z. B. durch einen Kurbeltrieb, die zwischen der Obermasse und der Untermasse angeordnet ist.
Die Bodeneigenschaft, die durch das erfindungsgemäße Verfahren bestimmt werden kann, wird als dynamischer Verformungsmodul E_{V.
dyn Verdichter} bezeichnet und durch die Beziehung
ermittelt.
Dabei stellt ΔF_contact/Δs_contact eine Annäherung (Mittelung) an den tatsächlichen Gradient der Kontaktkraft dF_contact/ds_contact dar. α ist ein Kontaktflächenparameter zur Berücksichtigung der Geometrie und Form der tatsächlichen Kontaktfläche des Kontaktelements mit dem Boden während eines bestimmten, für die Bestimmung der tatsächlichen Kontaktfläche betrachteten Zeitabschnitts.
Auf Basis des dynamischen Verformungsmoduls E_{V. dyn
Verdichter} kann gegebenenfalls unter Berücksichtigung bodenabhängiger Parameter (Querkontraktionszahl υ) ein dynamischer Schermodul G_{V. dyn Verdichter} berechnet werden.
Der Kontaktflächenparameter α, der als Geometriefaktor den Einfluss der tatsächlichen Kontaktfläche wiedergibt, wird unten noch näher erläutert. Da sich die während eines Belastungszyklus wirkende Kontaktfläche als auch die Kontaktkraft und der relevante Kontaktweg sowohl hinsichtlich ihrer Richtung als auch ihrer Größe von Zyklus zu Zyklus ändern können, werden sowohl der Kontaktflächenparameter α als auch die Kontaktkraft und der Kontaktweg während jeder Belastungsphase, also während jedes Belastungszyklus, bestimmt.
Der Faktor k_dyn stellt die dynamische Steifigkeit des Bodens dar und wird als Gradient der Kontaktkraft F und des Kontaktwegs s gebildet. Auch die dynamische Steifigkeit k_dyn, die sich auch innerhalb der Belastungsphase ändern kann, wird während jeder Belastungsphase ermittelt, um die Steifigkeit des Bodens im Laufe des Verdichtungsvorgangs präzise überwachen zu können.
Zur Ermittlung der dynamischen Steifigkeit k_dyn muss zunächst die Kontaktkraft und der vom Kontaktelement während der Kontaktphase zurückgelegte Kontaktweg ermittelt werden.
Vorzugsweise werden die Komponenten der Kontaktkraft F in den drei Raumrichtungen aus dem Schwerpunktsatz bezüglich eines im Schwerpunkt des Kontaktelement fixierten Koordinatensystems bestimmt. Alternativ können die Komponenten auch für ein ortsfestes Koordinatensystem, z. B. bezüglich dem Boden ermittelt werden.
Bei einem bewegten Koordinatensystem ergeben sich die resultierenden Beschleunigungskomponenten aus der Summe der äußeren angreifenden Kräfte in Z-Richtung gemäß mU (x ..S – y .S·N . + z .S·Φ .) = ΣFX mU (y ..S – z .S·X . + x .S·N .) = ΣFY mU (z ..S – x .S·Φ . + y .S·X .) = ΣFZ (2)wobei Φ ., X . und N . die entsprechenden Drehgeschwindigkeiten in Nickrichtung (um die y-Achse), Rollrichtung (um die x-Achse) und Gierrichtung (um die z-Achse) sowie m_U die Masse des Kontaktelements darstellen. x ._S,
_S, z ._S stellen die jeweiligen Translationsgeschwindigkeiten im Schwerpunkt des Kontaktelementes dar, während x .._S, y .._S, z .._S die entsprechenden Beschleunigungen darstellen.
Die an der Untermasse angreifenden Kräfte setzen sich (mit i = x, y, z) zusammen aus den jeweiligen Kraftkomponenten aufgrund einer Unwuchtanregung F_ECC,i, aus der resultierenden Kontaktkraft zum Boden F_c,i, aus den Schnittkräften zur restlichen Maschine (z. B. Obermasse der Bodenverdichtungsvorrichtung) F_U,i sowie aus den Komponenten der Gewichtskraft des Kontaktelementes. Die Summe der angreifenden Kräfte lässt sich daher für die einzelnen Raumrichtungen wie folgt angeben ΣFX = FC,X + FECC,X + FU,X – mU·g·sin(Φ)·cos(X) ΣFY = FC,Y + FECC,Y + FU,Y + mU·g·cos(Φ)·sin(X) ΣFZ = FC,Z + FECC,Z + FU,Z – mU·g·cos(Φ)·cos(X) (3)wobei F_C,i eine Kontaktkraft des Kontaktelements (1) zum Boden, F_U,i eine Schnittkraft zwischen dem Kontaktelement (1) und der restlichen Maschine (Obermasse), m_U die Masse des Kontaktelements, F_ECC,i die anregende Kraft eines das Kontaktelement anregenden Schwingungserregers ist, und Φ und X den entsprechenden Nick- bzw. Rollwinkel darstellen.
Setzt man die beiden oben genannten Gleichungssysteme (2) und (3) gleich und löst nach der jeweiligen Kontaktkraftkomponente auf, ergibt sich FC,X = mU (x ..S – y .S·N . + z .S·Φ .) – FECC,X – FU,X + mU·g·sin(Φ)·cos(X) FC,Y = mU (y ..S – z .S·X . + x .S·N .) – FECC,Y – FU,Y – mU·g·cos(Φ)·sin(X) FC,Z = mU (z ..S – x .S·Φ . + y .S·X .) – FECC,Z – FU,Z + mU·g·cos(Φ)·cos(X) (4)
Die gesamte resultierende Kontaktkraft lässt sich dann aus den einzelnen Komponenten F_C,i berechnen, indem Amplitude und Richtung der gesamt wirkenden Kontaktkraft entsprechend vektoriell aus den Teilkomponenten ermittelt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich z. B. bei einer Vibrationsplatte oder einem Vibrationsstampfer einsetzen. Da bei derartigen Geräten die Kontaktkraft überwiegend normal zur Kontaktfläche wirkt, wird vorzugsweise der Kontaktkraftanteil in Kontaktnormalenrichtung, also in Richtung der z-Achse durch Auswertung der Impulsbilanz in dieser Richtung bestimmt.
Die Kontaktkraft kann dann z. B. vereinfachend bestimmt werden zu FC,Z = mU:z ..S – FECC,Z (5) wobei m_U die Masse des Kontaktelements, z .._S die Beschleunigung des Kontaktelements in Richtung der Kontaktnormalen (z-Achse) und F_ECC,Z die anregende Kraft eines das Kontaktelement beaufschlagenden Schwingungserregers ist.
Zur Bestimmung der translatorischen Beschleunigungen und der Drehbeschleunigungen:
Die translatorische Beschleunigung x .._S, y .._S, z .._S des Kontaktelements im Schwerpunkt kann z. B. durch einen an dem Kontaktelement selbst vorgesehenen Beschleunigungsaufnehmer gemessen werden. Als Beschleunigungsaufnehmer eignet sich z. B. ein im Schwerpunkt angebrachter Triax-Aufnehmer zur Messung aller drei Raumrichtungen gleichzeitig. Die translatorischen Geschwindigkeitskomponenten x ._S, y ._S, z ._S in den drei Raumrichtungen können dann z. B. durch einfache Integration der Beschleunigungssignale ermittelt werden.
Alternativ – wenn z. B. konstruktionsbedingt kein Aufnehmer im Schwerpunkt angebracht werden kann – lässt sich die translatorische Beschleunigung des Schwerpunktes in den drei Raumrichtungen (x, y, z) sowie die Drehbeschleunigung um die drei Achsen x, y, z auch durch mindestens sechs Beschleunigungsaufnehmer ermitteln. Diese werden bevorzugt um den Schwerpunkt des Kontaktelements so verteilt, dass jeweils drei Beschleunigungsaufnehmer hinsichtlich ihrer Messrichtung in Richtung einer Normalen (z-Richtung) zu der Kontaktfläche anbracht sind, jedoch möglichst nicht auf einer Linie angeordnet sind. Drei weitere Beschleunigungsaufnehmer werden so angeordnet, dass sie ebenfalls nicht auf einer Linie, jedoch hinsichtlich ihrer Messrichtung in Richtung einer Tangentialen zu der Kontaktfläche angebracht sind.
Aus dem kinematischen Zusammenhang zwischen Beschleunigung im Schwerpunkt und der an einem beliebigen Punkt des Körpers gemessenen Beschleunigung bei vorhandenen, d. h. gemessenen Drehbeschleunigungen Φ .., X .. und N .. lassen sich nun sowohl die gesuchten translatorischen Beschleunigungen als auch die Drehbeschleunigungen ermitteln. Die benötigten Drehwinkel Φ und X lassen sich dann durch doppelte Integration der Drehbeschleunigungen Φ .., X .. ermitteln.
In gewissen Anwendungsfällen kann es hinreichend sein, die Anzahl der erforderlichen Sensoren zu reduzieren, da gewisse Freiheitsgrade konstruktionsbedingt entfallen. So führt das Kontaktelement eines Vibrationsstampfers, also die Bo denkontaktplatte, beispielsweise aufgrund der parallelen Führung des Stampffusses eine Bewegung hauptsächlich in einer translatorischen Richtung aus, nämlich in Richtung der Kontaktnormalen (z-Achse). Für diese Anwendung ist demnach u. U. die Verwendung eines einzelnen Beschleunigungssensors an dem Kontaktelement hinreichend. Weitere Bewegungskomponenten können gegebenenfalls durch Messaufnehmer an der Obermasse bestimmt werden.
Ebenfalls alternativ lassen sich die Beschleunigungskomponenten in Richtung der Kontaktnormalen auch berührungslos, zum Beispiel durch optische Lasersensoren ermitteln. Die Sensoren sind dann vorzugsweise nicht an dem Kontaktelement, sondern an einer über eine Federeinrichtung mit dem Kontaktelement verbundenen Obermasse vorgesehen. Die Obermasse kann zum Beispiel auch in bekannter Weise einen Antriebsmotor der Bodenverdichtungsvorrichtung umfassen. Mit Hilfe der Sensoren lässt sich beispielsweise eine Abstandsänderung zwischen der Obermasse und dem Kontaktelement messen, sodass bei Kenntnis von Lage und Orientierung der Obermasse über eine zweifache Ableitung die Beschleunigungen des Kontaktelementes in Kontaktnormalenrichtung an den entsprechenden Messstellen ermittelt werden kann.
Schließlich kann auch über Radarsensoren die Geschwindigkeit des Kontaktelements relativ zu der Obermasse z. B. aufgrund des Dopplereffekts oder aber der Abstand z. B. mittels Interferenzradar ermittelt werden, was ebenfalls eine Berechnung der Beschleunigungen, wie oben beschrieben, ermöglicht.
Zur Ermittlung der anregenden Kraft F_ECC:
Bei einer Ausführungsform der Erfindung kann die von dem Schwingungserreger kommende anregende Kraft F_ECC durch eine zwischen dem Schwingungserreger und dem Kontaktelement vorgesehene Kraftmesseinrichtung gemessen werden. Als Kraftmesseinrichtung eignet sich zum Beispiel eine Kraftmessdose, die unter dem Schwingungserreger angebracht ist.
Alternativ dazu kann die anregende Kraft F_ECC auch aus der momentanen Lage der Erregerunwuchten berechnet werden. Für den Fall, dass der Schwingungserreger zwei gegenläufig drehende Wellen mit gleichgroßen Unwuchtmassen aufweist, deren Rotationsachsen die gleiche Orientierung wie die Y-Achse des Kontaktelementes aufweisen und deren Phasenlage zueinander verstellbar ist, errechnen sich die Komponenten der anregenden Kraft F_ECC bzgl. dem auf dem Kontaktelement orts festen Koordinatensystem in Abhängigkeit von der Zeit t vereinfacht durch folgende Beziehung FECC,X (t) = EM·Ω2sin(φPhase/2)·cos(Ω·t) FECC,Y (t) = 0 FECC,Z (t) = EM·Ω2cos(φPhase/2)·cos(Ω·t) (6)wobei EM die resultierende Masse einer rotierenden Unwuchtmasse ist, Ω die anregende Frequenz des Schwingungserregers und φ_Phase den Phasenwinkel zwischen den beiden Unwuchtmassen darstellt.
Es kann also aus der momentanen Position der Unwuchten sowie der Kenntnis der Erregerwellen-Winkelgeschwindigkeit und der Größe der Unwucht die momentan wirkende Unwuchtkraft in Richtung und Größe bestimmt werden.
Die anregende Kraft F_ECC kann selbstverständlich bei anders gestalteten Schwingungserregern ebenfalls berechnet werden. Sie wird im Regelfall in Abhängigkeit von der Zeit t dargestellt, kann aber auch von der Phasenlage beziehungsweise Winkelstellung der beteiligten Unwuchtmassen abhängig gemacht werden.
Für den Fall der oben bereits erwähnten Vibrationsplatte oder eines Vibrationsstampfers kann für die Ermittlung der anregenden Kraft F_ECC z. B. ausschließlich mit der in Kontaktnormalen-Richtung wirkenden Komponente F_ECC,Z gerechnet werden, da hierfür lediglich die Anregung in Richtung der z-Achse von Bedeutung ist, also der Normalen zur Kontaktfläche.
Der Phasenwinkel φ_Phase, also die relative Phasenlage der beiden Unwuchtmassen zueinander, ist in Abhängigkeit von der Einstellung des Bedieners variabel. Die Position der Unwuchten kann zum Beispiel durch Näherungssensoren (induktiv, Hall-Sensoren) bestimmt werden. Aus den Positionen der Unwuchten können dann auch die Winkelgeschwindigkeiten der Unwuchtwellen bestimmt werden.
Die Schnittkräfte F_U,i zwischen Kontaktelement und Rest der Maschine lassen sich z. B. mittels Kraftmessdosen ermitteln, die zwischen dem Kontaktelement und z. B. der Obermasse der Bodenverdichtungsvorrichtung angeordnet sind.
Zur Bestimmung des Kontaktwegs s:
Der für die Bestimmung der dynamischen Steifigkeit k_dyn erforderliche Kontaktweg s wird in den Zeitpunkten, in denen das Kontaktelement Bodenkontaktkräfte überträgt, bestimmt, und zwar vorzugsweise in der Nähe des bzw. am resultierenden Kraftangriffspunkt, da der Weg des Kraftangriffspunkts am ehesten mit der Änderung der wirkenden Kontaktkraft in Verbindung steht. Die Bestimmung der Lage des Kraftangriffspunktes wird weiter unten beschrieben.
Zur Ermittlung des Kontaktwegs werden zunächst die Beschleunigungen des Kraftangriffspunktes ermittelt. Durch doppelte Integration der Beschleunigungen am Kraftangriffspunkt lassen sich dann Amplitude und Richtung des Weges am Kraftangriffspunkt (Kontaktweg) ermitteln.
Es ist demnach erforderlich, zunächst die Lage des Kraftangriffspunktes P zu bestimmen, was weiter unten noch in Zusammenhang mit der Berechnung des Kontaktflächenparameters α erläutert wird. Bei der so ermittelten Lage des Kraftangriffspunktes SP → = [SP_X, SP_Y, SP_Z]^T (bezogen auf ein Koordinatensystem im Schwerpunkt S) lässt sich die Beschleunigung im Kraftangriffspunkt a →_P aus den kinematischen Beziehungen gemäß
berechnen.
Der Vektor der Drehgeschwindigkeiten ω → = [Φ ., X ., N .]^T und der Drehbeschleunigungen
sowie die Translationsbeschleunigung im Schwerpunkt a →_S = [X .._S, Y .._S, Z .._S]^T lässt sich, wie bereits oben beschrieben, durch geeignete Sensorik, die z. B. auf dem Kontaktelement angeordnet sein kann, ermitteln. Vorzugsweise wird dabei jedoch nur der Kontaktweg in Richtung der resultierenden Kontaktkraft für die Auswertung berücksichtigt.
Wenn z. B. die Kontaktkraft bei einer Vibrationsplatte überwiegend normal zur Kontaktfläche wirkt, wird vorzugsweise der Kontaktweg an der Stelle des Kraftangriffspunktes in Kontaktnormalenrichtung durch Auswertung der translatorischen und der rotatorischen Bewegungsanteile bestimmt. Die Auswertung von Gleichung (7) für die Komponente der Beschleunigung im Punkt P (Kraftangriffspunkt) in z-Richtung ergibt (bei Vernachlässigung der Gierbewegung, d. h. N .. = N . = 0): aP,z = z ..s + X ..·SPY – ϕ ..·SPX – (ϕ .2 + X .2)·SPZ (8)
Doppelte Integration von a_P,z liefert dann den gesuchten Kontaktweg s in Kontaktnormalenrichtung.
Für die Bestimmung der translatorischen bzw. rotatorischen Bewegungsanteile werden, wie oben bereits beschrieben, z. B. drei Beschleunigungssensoren auf dem Kontaktelement so angeordnet, das sie nicht auf einer Linie liegen, jedoch hinsichtlich ihrer Messrichtung in Richtung einer Normalen zu der Kontaktfläche angebracht sind.
Auf diese Weise können für verschiedene Messzeitpunkte mehrere Messpunktepaare aus der Kontaktkraft F und dem zugehörigen Kontaktweg s gebildet werden.
Damit liegen in besonders vorteilhafter Weise für verschiedene Zeitpunkte jeweils Informationen über die Kontaktkraft F und den zugehörigen Kontaktweg s vor, sodass jeweils für einen Zeitpunkt ein Messpunktepaar aus der Kontaktkraft F und dem Kontaktweg s gebildet werden kann.
Vorzugsweise werden diejenigen Messpunktepaare bestimmt, die während einer Belastungsphase anfallen in der das Kontaktelement zunehmend gegen den Boden gedrückt wird. In diesem Zusammenhang können Messpunktepaare, die während einer Entlastungsphase, bei der das Kontaktelement entlastet wird, oder einer Flugphase, in der sich das Kontaktelement in der Luft befindet, ohne den Boden zu berühren, von der weiteren Auswertung ausgeschlossen werden.
Für die Messpunktepaare der Belastungsphase wird jeweils ein Gradient dF_contact/ds_contact gebildet, der der zu diesem Zeitpunkt geltenden dynamischen Steifigkeit k_dyn entspricht. Der Gradient dF/ds kann auch als Verhältnis von zwei zeitlichen Änderungen (der Kraft und des Weges) gebildet werden.
Vorzugsweise werden aber die für die jeweiligen Messpunktepaare anfallenden Gradienten durch ein statistisches Verfahren gemittelt, sodass der sich so ergebende Mittelwert als die maßgebliche dynamische Steifigkeit k_dyn bestimmt werden kann.
Alternativ oder ergänzend dazu kann in Abhängigkeit von der Zeit t für die Kontaktkraft F und den Kontaktweg s ein Phasendiagramm rechnerisch gebildet werden. Für den Teil des Phasendiagramms, der eine Belastungsphase repräsentiert, in der das Kontaktelement zunehmend gegen den Boden drückt, wird ein mittlerer Gradient dF/ds gebildet, der die dynamische Steifigkeit k_dyn darstellt.
Zur Ermittlung des Kontaktflächenparameters α:
Wie oben bereits ausgeführt, wird zur Bestimmung des dynamischen Verformungsmoduls E_{V.
dynVerdichter} auch ein Kontaktflächenparameter α zur Berücksichtigung der tatsächlichen Kontaktfläche des Kontaktelements mit dem Boden benötigt. Vorteilhafterweise wird der Kontaktflächenparameter α aufgrund einer berechneten Lage eines Kraftangriffspunktes der Kontaktkraft F bestimmt.
Das Kontaktelement, insbesondere eine Bodenkontaktplatte bei einer Vibrationsplatte oder einem -stampfer, weist eine Grundfläche auf, die im Stillstand der Bodenverdichtungsvorrichtung mit dem Boden in Kontakt steht. Im Betrieb jedoch, während dem das erfindungsgemäße Verfahren zur Anwendung kommen soll, wird im Regelfall nicht mehr die gesamte Grundfläche des Kontaktelements bei der Übertragung der Kontaktkraft beteiligt sein, sondern nur noch eine Teilfläche, nämlich die tatsächliche Kontaktfläche.
Aufgrund der durch zyklische Flugphasen des Kontaktelements geprägten Fortbewegung und der damit verbundenen Schrägstellung des Bodenkontaktelements bezüglich der Oberfläche des zu verdichtenden Bodens aber auch aufgrund einer Schrägstellung der Oberfläche selbst steht nur ein Teil der Unterseite des Kontaktelements in Kontakt mit dem Boden, während der restliche Teil in die Luft ragt. In der Praxis kann dies bedeuten, dass bei einer Bodenverdichtungsvorrichtung mit einem Kontaktelement, das eine rechteckige Grundfläche aufweist, welche im Stillstand vollständig den Boden berührt, im Betrieb hingegen nur noch eine tatsächliche Kontaktfläche gegeben ist, die weniger als ein Drittel der Grundfläche beträgt. Die tatsächliche Kontaktfläche kann dann zwar ebenfalls rechteckig, dreieckig oder auch von anderer Geometrie, jedoch erheblich kleiner als die Grundfläche sein. Die Kontaktfläche muss auch nicht wie in den genormten Plattendruckverfahren eben sein, sondern kann in den verschiedenen Richtungen (Achsen) konkav oder konvex ausgebildet sein. Weiterhin kann es innerhalb der momentanen tatsächlichen Kontaktfläche Bereiche geben, in denen aufgrund der momentanen Geschwindigkeitsverteilung am Kontaktelement eine geringe bis gar keine Übertragung von Kontaktkräften stattfindet. Diese müssen bei der Ermittlung der relevanten Kontaktfläche berücksichtigt werden.
Da die Größe der momentanen tatsächlichen Kontaktfläche einen entscheidenden Einfluss auf die Größe der übertragbaren Kontaktkräfte hat (bei einer größeren Kontaktfläche kann bei sonst gleichen, isotropen Bodenkennwerten eine größere Kontaktkraft übertragen werden) muss sie für die Bestimmung der Verformungsmoduln berücksichtigt werden.
Da die tatsächliche Kontaktfläche eines betrachteten Zeitschrittes in einem Erregerschwingzyklus bezüglich der Grundfläche des Kontaktelements nicht symmetrisch angeordnet sein wird, sondern z. B. in einem – bezogen auf die Hauptfahrtrichtung der Bodenverdichtungsvorrichtung – hinteren Bereich des Kontaktelements, wirkt die aus der Bodenkontaktspannung resultierende Kontaktkraft F nicht am Flächenschwerpunkt der Grundfläche des Kontaktelements, sondern an einer davon entfernten Stelle, nämlich insbesondere an oder in der Nähe eines Flächenschwerpunkts der tatsächlichen Kontaktfläche. Durch diese Abweichung der beiden Schwerpunkte bzw. Abweichung des Kraftangriffspunktes vom Schwerpunkt des Kontaktelementes wirken auf das Kontaktelement zusätzliche Kräfte und Momente, die zur Erfassung der Bodeneigenschaften berücksichtigt werden müssen.
Die Größe und Geometrie der Kontaktfläche ändert sich während des Kontaktes. Wenn z. B. ein rechteckiges Kontaktelement zu Beginn einer Kontaktphase mit einer Ecke (dreieckförmige Kontaktfläche) den Boden berührt, so vergrößert sich die Dreiecksfläche zunächst durch das Eindringen. Die Neigung des Kontaktelementes wird sich anschließend so verändern, dass sich sein Kontaktschwerpunkt (Kontaktfläche und Kraft) während des Eindringens verschiebt. Dabei wird er sich zunächst zum Schwerpunkt des Kontaktelementes hin verschieben. Unter bestimmten Bedingungen kann sich der Kontaktschwerpunkt jedoch auch über den Schwerpunkt des Kontaktelements hinaus verlagern. Im Extremfall klappt das Kontaktelement innerhalb einer Erregerschwingungsperiode zur gegenüberliegenden Ecke.
Das Kontaktelement erfährt durch den exzentrischen Kraftangriffspunkt eine zusätzliche Drehbeschleunigung, der das Massenträgheitsmoment des Kontaktelements entgegenwirkt.
Es hat sich herausgestellt, dass sich der Kontaktflächenparameter α vorteilhaft gemäß folgender Beziehung bestimmen lässt:
wobei γ ein Wert in einem Bereich von 1,5 bis 2,7, insbesondere der Wert 2,1 ist und r_hyd den hydraulischen Vergleichsradius darstellt und sich gemäß
aus der tatsächlich wirksamen Kontaktfläche A_C berechnen lässt.
Dabei kann zum Bestimmen des Kontaktflächenparameters α ein Flächenschwerpunkt der tatsächlichen Kontaktfläche des Kontaktelements mit dem Boden bestimmt werden, der aus einem Kraftangriffspunkt der Kontaktkraft F ermittelt wird. Die Kontaktkraft F ist eine Flächenlast, die auf die Kontaktfläche des Kontaktelements einwirkt. Sie kann durch eine resultierende Kraft abgebildet werden, die an dem resultierenden Kraftangriffspunkt angreift. Dieser Kraftangriffspunkt kann in erster Näherung als identisch zu dem Flächenschwerpunkt der tatsächlichen Kontaktfläche angesehen werden. Zur Korrektur der Abweichung des tatsächlichen Kraftangriffspunktes vom Flächenschwerpunkt der Kontaktfläche kann ein Korrekturfaktor eingeführt werden, der z. B. mittels Simulation bestimmt wird.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird die Bewegung des Kontaktelements während des Bodenkontakts durch Messaufnehmer erfasst. Anhand der von den Messaufnehmern ermittelten Informationen sowie aufgrund der Kontaktkraft F kann die Lage und die Abmessung der innerhalb der Grundfläche des Kontaktelements liegenden tatsächlichen Kontaktfläche und/oder der Kraftangriffspunkt der resultierenden Kontaktkraft bestimmt werden.
Die Messaufnehmer sollten Sensoren sein, die Linear- und/oder Drehbewegungen des Kontaktelements bezüglich verschiedener Freiheitsgrade erfassen können.
Es kann ein Messaufnehmer vorgesehen sein, mit dem eine durch die Kontaktkraft F hervorgerufene Nick-Drehbeschleunigung des Kontaktelements bezüglich einer quer zur Fahrtrichtung der Bodenverdichtungsvorrichtung stehenden Nickachse (y-Achse) ermittelt wird.
Unter Umständen muss die durch die Kontaktkraft hervorgerufene Nick- bzw. Rollbeschleunigung (um die x-Achse) in Kenntnis des anregenden Erregermomentes aus den gemessenen Drehbeschleunigungen berechnet werden. Analog dazu kann zum Erfassen einer Roll-Drehbeschleunigung des Kontaktelements bezüglich einer sich in Fahrtrichtung erstreckenden Rollachse (x-Achse) ebenfalls ein geeigneter Messaufnehmer vorgesehen sein. Die Nickachse und die Rollachse erstrecken sich jeweils vorzugsweise durch den Schwerpunkt des Kontaktelements. Zum Messen der Nick- und Rolldrehbeschleunigungen können aber auch drei Aufnehmer, die nicht auf einer Linie angebracht sind, jedoch bzgl. ihrer Messrichtung in Richtung der Kontaktnormalen ausgerichtet sind, benutzt werden (wie weiter oben bereits beschrieben).
Zusätzlich kann es zweckmäßig sein, wenn zum Messen einer Translationsbewegung des Kontaktelements in Richtung der Kontaktkraft F ein entsprechender Messaufnehmer vorhanden ist.
Aufgrund der durch die Messaufnehmer gemessenen Bewegungen des Kontaktelements, insbesondere aufgrund der Drehbeschleunigungen um die Nick- und Rollachse können jeweils Drehimpulsbilanzen um die Nickachse und die Rollachse aufgestellt werden, aus denen die durch die Kontaktkraft F hervorgerufenen Kontaktdrehmomente um die Nickachse und die Rollachse unter Berücksichtigung der anregenden Drehmomente z. B. aufgrund eines Erregers und der Schnittmomente zum Rest der Maschine bestimmt werden.
Aufgrund der so ermittelten Kontaktdrehmomente und der bereits bekannten Kontaktkraft F lassen sich die Hebelarme der Kontaktkraft F bezüglich der Nickachse und der Rollachse und damit die Lage des Kraftangriffspunkts der Kontaktkraft F bestimmen.
Die Lage des Kraftangriffspunkts der Kontaktkraft kann in erster Näherung als Lage des Flächenschwerpunkts der Kontaktfläche angesehen werden, sodass somit die Lage des Flächenschwerpunkts ebenfalls bekannt ist.
Aufgrund der Lage des Flächenschwerpunkts der Kontaktfläche oder aber auch des Kraftangriffspunkts und eines vorgegebenen Zusammenhangs kann der Kontaktflächenparameter α festgelegt werden. Der Zusammenhang zwischen dem Kontaktflächenparameter α und der Lage des Flächenschwerpunkts beziehungsweise des Kraftangriffspunkts kann im Vorfeld vom Hersteller der Bodenverdichtungsvorrichtung durch Versuche ermittelt werden, um eine aussagekräftige Beziehung zu erhalten. Die Vorgabe dieses Zusammenhangs kann in Form einer Tabelle oder aber auch einer Rechenbeziehung hinterlegt werden.
Auf diese Weise kann der Kontaktflächenparameter α während eines jeden Verdichtungszyklusses des Kontaktelements ermittelt und in Abhängigkeit von der Größe beziehungsweise Lage der Kontaktfläche ständig angepasst werden.
Nachdem auf diese Weise sowohl der Kontaktflächenparameter α als auch die dynamische Steifigkeit k_dyn festgestellt worden sind, lässt sich nach der oben angegebenen Formel der dynamische Verformungsmodul E_{V. dynVerdichter} bestimmen.
Soweit erforderlich lässt sich mit Hilfe von Kalibrationsmessungen ein Zusammenhang zwischen dem so ermittelten dynamischen Steifigkeitsmodul E_{V.
dynVerdichter} und den mit Hilfe von konventionellen Messverfahren bestimmbaren Verformungsmodulen herstellen. So können zum Beispiel in Abhängigkeit von bestimmten Bodenverhältnissen Tabellen aufgestellt werden, die eine Übertragbarkeit des mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ermittelten dynamischen Steifigkeitsmodul auf andere Verformungsmoduln erlaubt, die mit Hilfe von genormten Messverfahren bestimmt worden sind.
Erfindungsgemäß wird auch eine Bodenverdichtungsvorrichtung angegeben, mit einem von einem Antrieb angetriebenen Schwingungserreger, einem von dem Schwingungserreger beaufschlagten Kontaktelement, das während eines Schwingungszyklus den Boden phasenweise der dauernd berührt und kurzzeitig von dem zu verdichtenden Boden abheben kann, und mit einem Messsystem zum Bestimmen einer Bodeneigenschaft, das wenigstens einen Messaufnehmer zum Erfassen eines Bewegungsverhaltens des Kontaktelements aufweist. Die Bodenverdichtungsvorrichtung ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass das Messsystem nach dem oben angegebenen erfindungsgemäßen Verfahren betrieben wird.
Vorteilhafterweise ist die Bodenverdichtungsvorrichtung eine Vibrationsplatte oder ein Stampfer. Eine Anwendung auf Walzen ist aber grundsätzlich auch möglich.
Diese und weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden nachfolgend anhand eines Beispiels unter Zuhilfenahme der begleitenden Figuren erläutert. Es zeigen:
1a) in schematischer Seitenansicht eine Vibrationsplatte mit einem Kontaktelement, einem Schwingungserreger und einem Beschleunigungsaufnehmer;
1b) das Kontaktelement von 1a) mit schematischer Darstellung der Unwuchtwellen des Schwingungserregers;
2 eine Perspektivdarstellung des Kontaktelements von 1;
3 ein Phasendiagramm mit der Kontaktkraft F_contact und dem Schwingweg s über der Zeit;
4a) und b) ein Kontaktelement in Betrieb, mit kleiner Kontaktfläche;
5a) und b) ein Kontaktelement im Betrieb, mit großer Kontaktfläche;
6 eine schematische Darstellung von Kräften und Momenten an einem Kontaktelement (vereinfacht);
7 geometrische Verhältnisse an einem Kontaktelement mit einem Zweiwellen-Schwingungserreger;
8 ein Kontaktelement mit dreieckförmiger Kontaktfläche;
9 das Kontaktelement von 8 in der Draufsicht;
10 ein Kontaktelement mit viereckiger Kontaktfläche;
11 das Kontaktelement von 10 in der Draufsicht;
12 eine Draufsicht auf ein Kontaktelement mit fünfeckiger Kontaktfläche; und
13 in schematischer Seitenansicht einen als Bodenverdichtungsvorrichtung dienenden Vibrationsstampfer.
1 zeigt in stark vereinfachter schematischer Darstellung eine als Bodenverdichtungsvorrichtung dienende Vibrationsplatte mit einem Kontaktelement 1. Das Kontaktelement 1 kann in gleicher Weise auch Bestandteil eines Vibrationsstampfers sein. Das so als Bodenkontaktplatte dienende Kontaktelement überträgt in bekannter Weise Schwingungskräfte, die von einem Schwingungserreger 2 erzeugt werden, in den zu verdichtenden Boden.
Wie 1b) zeigt, kann der Schwingungserreger 2 in bekannter Weise aus zwei gegenläufig drehbaren Unwuchtwellen 3 bestehen, deren Phasenlage zueinander veränderbar ist, um eine Lenkbarkeit beziehungsweise eine Richtungsänderung der Bodenverdichtungsvorrichtung im Fahrtbetrieb zu erreichen.
Das Kontaktelement 1 ist über eine Federeinrichtung 4 mit einer Obermasse 5 beweglich gekoppelt. In der Obermasse 5 ist üblicherweise ein Antrieb für den Schwingungserreger 2 untergebracht.
In 1a) ist außerdem ein Messaufnehmer 6 gezeigt, der zum Beispiel durch einen Beschleunigungsaufnehmer gebildet werden kann. Der Messaufnehmer 6 kann an dem Schwingungserreger 2 oder auch direkt an dem Kontaktelement 1 angebracht sein.
2 zeigt einen Teil des Aufbaus von 1a) in Perspektivdarstellung.
Das Kontaktelement 1 ist stark vereinfacht als rechteckige Platte wiedergegeben. An Stelle eines einzelnen Messaufnehmers 6 sind sechs Messaufnehmer 7 auf dem Kontaktelement 1 angeordnet, die ebenfalls als Beschleunigungsaufnehmer ausgebildet sein können.
In 2 ist außerdem eine sich quer zu einer Fahrtrichtung X erstreckende Nickachse 8 (y-Achse) sowie eine sich in Fahrtrichtung X erstreckende Rollachse 9 (x-Achse) eingezeichnet. Die Nickachse 8 und die Rollachse 9 kreuzen sich in einem Schwerpunkt 10 des Kontaktelements 1. Die Beschleunigungsaufnehmer 7 sind jeweils mit Abstand zu der Nickachse 8 und der Rollachse 9 angeordnet, um Drehbewegungen bezüglich der Nickachse 8 und der Rollachse 9, insbesondere Drehwinkel oder Drehbeschleunigungen erfassen zu können.
Die Erfindung betrifft nun ein Messverfahren zum Bestimmen eines dynamischen Verformungsmoduls des von der Bodenverdichtungsvorrichtung gerade verdichteten Bodens. Zu diesem Zweck wird das Bewegungsverhalten des Kontaktelementes 1 gemessen und in geeigneter Form ausgewertet, wie nachfolgend beschrieben wird. Da das Messverfahren jedoch auch bereits oben in der Beschreibungseinleitung ausführlich erläutert wurde, werden nachfolgend nur noch die wesentlichen Aspekte des Messverfahrens zusammengefasst.
Der dynamische Verformungsmodul bestimmt sich durch die Formel
Dabei entspricht k_dyn der dynamischen Steifigkeit des Bodens. Der Kontaktflächenparameter α berücksichtigt als Geometriefaktor die charakteristische Größe der Kontaktfläche und insbesondere die Abweichung der Lage des Kraftangriffspunktes im Verhältnis zur gesamten Grundfläche des Kontaktelements. Sowohl die dynamisch Steifigkeit k_dyn als auch der Kontaktflächenparameter α können während jeder Belastungsphase bestimmt werden, sodass eine stets aktuelle Auswertung dieser Parameter und damit des dynamischen Verformungsmoduls E_{V. dynVerdichter} möglich ist.
Zur Ermittlung der dynamischen Steifigkeit k_dyn muss zunächst die Kontaktkraft F_contact und der von dem Kontaktelement 1 während der Kontaktphase, also während des Berührens des zu verdichtenden Boden zurückgelegte Weg s_contact ermittelt werden.
Die Kontaktkraft F_contact bestimmt sich zu aus dem Schwerpunktsatz bzgl. eines am Kontaktelement 1 fixierten Koordinatensystems. Dazu müssen neben der Schwerpunktsbeschleunigung und der bekannten Masse des Kontaktelementes Richtung und Größe der anregenden Kräfte des Schwingungserregers 2, Richtung und Größe der Schnittkräfte zum Rest der Maschine, Gewichtskräfte sowie die aus den Drehgeschwindigkeiten resultierenden Normalbeschleunigungskräften bestimmt werden.
Insbesondere errechnet sich die Kontaktkraft F_contact vereinfacht für den Fall der in 1 gezeigten Vibrationsplatte zu Fcontact = mL·z ..L – FECC (5)wobei m_L die Masse des Kontaktelements 1, z .._L die Beschleunigung des Kontaktelements 1 in Richtung der Kontaktnormalen und F_ECC die anregende Kraft des das Kontaktelement 1 beaufschlagenden Schwingungserregers 2 ist.
Die translatorische Beschleunigung z .._L des Kontaktelements 1 in Kontaktflächennormalenrichtung lässt sich zum Beispiel über den Messaufnehmer 6 (Beschleunigungssensor) im Schwerpunkt 10 des Kontaktelementes 1 messen (vgl. 1a).
Alternativ lässt sich die translatorische und rotatorische Beschleunigung in Kontaktnormalenrichtung und in Richtung der Nick- und Rollachse auch mit Hilfe der sechs Messaufnehmer 7 (Beschleunigungsaufnehmer) messen, die in der in 2 gezeigten Weise z. B. um den Schwerpunkt 10 des Kontaktelements angebracht sind, bestimmen.
Weiterhin kann die Beschleunigung in Richtung der Kontaktnormalen auch berührungslos, also zum Beispiel durch optische Lasersensoren oder mit Hilfe des Doppler-Effekts bestimmt werden, wobei entsprechende Messaufnehmer 6a vorzugsweise an der Obermasse 5 der Bodenverdichtungsvorrichtung angebracht sind.
Die für die Berechnung der Kontaktkraft F_contact in obiger Formel erforderliche anregende Kraft F_ECC kann vereinfacht durch folgende Beziehung berechnet werden: FECC = EM·Ω2·cos(φPhase/2)·cos(Ω·t)wobei EM die resultierende Masse der rotierenden Unwuchtwellen 3 ist, Ω die anregende Frequenz des Schwingungserregers 2 und φ_Phase den Phasenwinkel zwischen den beiden Unwuchtwellen 3 darstellt.
Der Phasenwinkel φ_Phase ist in Abhängigkeit von der Einstellung des Bedieners variabel. Er betrifft die Relativlage der beiden Unwuchtwellen 3 zueinander und kann daher je nach gewünschter Fahrtrichtung (vorwärts, rückwärts) durch den Bediener verändert werden. Eine Messung des Phasenwinkels φ_Phase ist zum Beispiel durch induktive oder kapazitive Näherungsschalter oder Hall-Sensoren möglich. Ebenso ist es möglich, die Verstellung der Phasenlage der Unwuchtwellen 3 mit Hilfe eines Regelventils zu erreichen, sodass ebenfalls gesicherte Informationen über den Phasenwinkel φ_Phase vorliegen.
Trägt man nun für den Zeitverlauf während eines Belastungszyklusses die gemäß Gleichung (5) berechnete Kontaktkraft F_contact über dem Schwingweg s auf, ergibt sich das in 3 dargestellte, typische Kontaktkraft/Schwingweg-Phasendiagramm. 3 unterscheidet einen Bewegungszyklus des Kontaktelements 1 in zwei Phasen, nämlich eine Luftphase (auch Flugphase genannt) und eine Kontaktphase, die eine Belastungsphase und eine Entlastungsphase aufweist. Während der Luftphase fliegt das Kontaktelement 1 über den zu verdich tenden Boden, während in der Kontaktphase eine Wechselwirkung zwischen dem Kontaktelement 1 und dem Boden stattfindet.
Als Nulllage wird der Punkt mit dem Schwingweg s = 0 angesehen. Ausgehend von diesem Punkt wird aufgrund der Unwuchtwirkung des Schwingungserregers 2 das Kontaktelement 1 in den Boden gedrückt, sodass sich entsprechend dem ansteigenden Ast (vgl. Pfeilrichtung in 3) mit zunehmendem Schwingweg eine Erhöhung der Kontaktkraft F_contact einstellt. Nach Erreichen eines Maximums wird das Kontaktelement 1 aufgrund der Unwuchtwirkung entlastet, sodass der Phasenverlauf den absteigenden Ast der Kontaktphase erreicht, bis schließlich kein Bodenkontakt mehr besteht (in 3 bei s = 2).
Aufgrund der Schwingungswirkung wird das Kontaktelement 1 vom zu verdichtenden Boden abgehoben und bewegt sich – ohne Bodenkontakt und damit ohne Kontaktkraft – fliegend über den Boden.
Nach einem Wechsel der Schwingungsrichtung erreicht das Kontaktelement 1 in der Luftphase wieder die Nulllage, sodass ein neuer Verdichtungszyklus beginnt.
Der Schwingweg s in der Kontaktphase wird als Kontaktweg s_contact bezeichnet. Er lässt sich durch doppelte Integration der Beschleunigung des Kontaktelements rechnerisch bestimmen. Wie oben dargelegt sollten dabei die translatorischen und rotatorischen Bewegungsanteile berücksichtigt werden, d. h. entsprechend auch bei der Integration.
Für die Ermittlung der dynamischen Steifigkeit des Bodens k_dyn lassen sich nun mehrere Messpunktepaare (Kontaktkraft F, Kontaktweg s) in der Belastungsphase ermitteln und deren Gradient dF/ds bestimmen. Dazu kann zum Beispiel der Kurvenverlauf durch ein Polynom mit Hilfe der kleinsten Fehlerquadrate approximiert werden. Der Gradient der approximierten Kurve kann dann recht einfach analytisch aus den Polynomkoeffizienten berechnet werden.
Die dynamische Steifigkeit k_dyn wird dann durch Mittlung der verschiedenen Gradienten über den gesamten Bereich der Belastungsphase ermittelt, sodass schließlich für einen Belastungszyklus ein k_dyn-Wert als Maß für die dynamische Steifigkeit gefunden werden kann, der einen wesentlichen Teil des dynamischen Verformungsmoduls E_{V. dynVerdichter} gemäß Gleichung (1) darstellt.
Zur Bestimmung des Kontaktflächenparameters α wird zunächst auf folgende Problematik hingewiesen:
4a) zeigt vereinfacht das Bodenkontaktelement 1 im Betrieb bei der Verdichtung eines Bodens 11. Durch die Wirkung des Schwingungserregers 2 ist das Kontaktelement 1 gegenüber der Bodenoberfläche 11 schräg gestellt, sodass nur ein hinterer Teil des Kontaktelements 1 den Boden 11 berührt. Dementsprechend ist in 4a) eine Kontaktfläche 12 eingezeichnet, die die tatsächliche Berührung des Kontaktelements 1 mit dem Boden 11 wiedergibt. In der Kontaktfläche 12 wirken Kontaktkräfte 13 als Flächenlast.
In 4b) werden die Kontaktkräfte 13 als resultierende Kontaktkraft 14 zusammengefasst, die in Kontaktflächenormalenrichtung an einem Kraftangriffspunkt 15 wirkt und der oben genannten Kontaktkraft F_contact entspricht. Der Kraftangriffspunkt 15, an dem die Kontaktkraft 14 an dem Kontaktelement 1 angreift, hat einen Abstand a zu dem Schwerpunkt 10 des Kontaktelements.
Für den Schwerpunkt 10 des Kontaktelements 1 wird die Masse des Kontaktelements 1 und des Schwingungserregers 2 berücksichtigt.
Es ist gut erkennbar, dass der Kraftangriffspunkt 15 nicht mit einem Flächenschwerpunkt einer Grundfläche des Kontaktelements 1 zusammenfällt, die sich ergeben würde, wenn das Kontaktelement 1 vollständig in Kontakt mit dem Boden steht. Vielmehr wirkt die Kontaktkraft 14 unsymmetrisch beziehungsweise exzentrisch auf den Flächenschwerpunkt des Kontaktelements 1 und auch auf den Gesamtschwerpunkt 10 des Kontaktelements 1.
5 zeigt in Analogie zu 4 ein Kontaktelement 1, das auf einen Boden 11 einwirkt, wobei die Kontaktfläche 12 deutlich größer ist (siehe 5a)). Dies ist zum Beispiel dann der Fall, wenn der Boden weicher als bei 4a) ist.
Wie aus 5a) ersichtlich, verlagert sich dann der Kraftangriffspunkt 15 der resultierenden Kontaktkraft 14 näher an den Schwerpunkt 10, sodass der Abstand a verringert wird.
Für die Ermittlung des Kontaktflächenparameters α kann nun zum Beispiel die Lage des Kraftangriffspunktes 15 der Kontaktkraft 14 in Bezug auf die Lage des Schwerpunkts 10 des Kontaktelementes 1 herangezogen werden. Hintergrund dieses Ansatzes ist die Überlegung, dass bei nahezu konstanter Bodensteifigkeit ent lang des Verdichtungsweges der Flächenschwerpunkt einer großen Kontaktfläche 12 (5a)) näher am Schwerpunkt 10 des Kontaktelementes 1 liegt als bei einer kleinen Kontaktfläche (4a)).
Um den Schwerpunkt der tatsächlichen Kontaktfläche 12 zu ermitteln, werden zunächst die durch die Kontaktkraft 14 hervorgerufenen Drehbeschleunigungen um die Nick- und Rollachse (Bezugszeichen 8 und 9 in 2) ermittelt. Aus der Kenntnis der jeweils momentan resultierenden Kontaktkraft 14 und der dadurch hervorgerufenen Drehmomente kann der Kraftangriffspunkt 15 berechnet werden. Zu diesem Zweck muss die Translations-, die Nick- und die Rollbewegung des Kontaktelements 1 mit Hilfe von Messaufnehmern bestimmt werden. Dazu eignen sich zum Beispiel die in 2 gezeigten Messaufnehmer 7.
Die aufgrund des Kontaktes auftretenden Drehbewegungen, insbesondere also die Nick- und Rollbewegung des Kontaktelements 1, lassen sich aus den Drehimpulsbilanzen in Nick- und Rollrichtung bei Kenntnis der a priori bekannten Massenträgheitsmomente des Kontaktelementes am Kontaktelement 1 ermitteln, sodass sich die durch die Kontaktkraft 14 hervorgerufenen Kontaktdrehmomente um die Nickachse 8 und die Rollachse 9 ausrechnen lassen, wie später erläutert wird.
Aus den Kontaktdrehmomenten wiederum können mit Kenntnis der Kontaktkraft 14 beziehungsweise F_contact entsprechend die Hebelarme der Kontaktkraft 14 in Roll- und Nickrichtung und damit die Lage des Kraftangriffspunktes 15 bestimmt werden. Dabei ist aus der Kenntnis des Schwerpunktes der Kontaktkraft auf die Lage und Geometrie der Kontaktfläche zu schließen. Da der Boden uneben sein kann, ist dies nicht in allen Fällen eindeutig möglich. Es ist jedoch technisch hinreichend, durch geeignete Versuche und statistische Auswertung der Belastungszyklen einen Zusammenhang herzustellen.
Die Verhältnisse sind vereinfacht in 6 für den Anwendungsfall einer Vibrationsplatte gezeigt.
Allgemein muss für die Berechnung des Kontaktflächenparameters α zunächst die Lage des theoretischen Kraftangriffspunktes 13 berechnet werden:
Unter Verwendung des Drallsatzes lässt sich die Drehbeschleunigung im Schwerpunkt eines bewegten Körpers bzgl. eines im Schwerpunkt fixierten Koordinatensystems aus der Summe der wirkenden äußeren Drehmomente gemäß IX·X .. + (IZ – IY)·Φ .N . – (N .. + X .Φ .)·IXZ + (N .2 – Φ .2)·IYZ + (X .N . – Φ ..)·IXY = ΣMX IY·Φ .. + (IX – IZ)·N .X . – (X .. + Φ .N .)·IXY + (X .2 – N .2)·IZX + (Φ .X . – N ..)·IYZ = ΣMY IZ·N .. + (IY – IX)·X .Φ . – (Φ .. + X .N .)·IYZ + (Φ .2 – X .2)·IXY + (N .Φ . – X ..)·IZX = ΣMZ (11) berechnen. Die Trägheitsmomente des Kontaktelementes 1, I_X, I_Y, I_Z, etc. lassen sich aus CAD-Daten oder ggf. auch experimentell ermitteln. Die Drehbeschleunigungen lassen sich durch geeignet positionierte Beschleunigungssensoren 7, wie weiter oben beschrieben, ermitteln.
Die Komponenten der angreifenden Drehmomente ergeben sich aus den Schnittmomenten M_U zum Rest der Bodenverdichtungsvorrichtung (Obermasse), den durch die Bodenkontaktkraft verursachten Momenten M_C sowie aus den vom Schwingungserreger 2 ausgeübten Momenten M_ECC um die jeweiligen Achsen x, y und z gemäß ΣMX = MC,X + MECC,X + MU,X ΣMY = MC,Y + MECC,Y + MU,Y ΣMz = MC,Z + MECC,Z + MU,Z (12)
Für die durch die Bodenkontaktkraftkomponenten F_C,i bewirkten Drehmomente M_C,i kann man ansetzen MC,X = FC,Z·rC,Y – FC,Y·rC,Z MC,Y = –FC,Z·rC,X – FC,X·rC,Z MC,Z = FC,Y·rC,X – FC,X·rC,Y (13)wobei r_C die Koordinaten des Kraftangriffspunktes bezüglich des Schwerpunktes des Kontaktelementes 1 darstellen.
r_C sind somit die Koordinaten, die die Lage des Kraftangriffspunktes 15 im Verhältnis zum Schwerpunkt des Kontaktelementes 1 definieren. Sie können durch Auflösen des obigen Gleichungssystems (13) unter Berücksichtigung der Gleichungssysteme (11) und (12) bestimmt werden.
Damit ergibt sich für die Koordinaten r_C des Kraftangriffspunktes 15:
Für den Fall eines Kontaktelementes, dessen Anregungen in der xz-Ebene des Schwerpunktes liegt (d. h. F_C,Y ≈ 0) ergibt sich für die Hebelarme:
r_C,Z ist die z-Koordinate der Unterseite des Kontaktelementes 1 und aus z. B. CAD-Daten bekannt.
Für den Fall, dass der Schwingungserreger zwei gegenläufig drehende Wellen mit gleich großen Unwuchtmassen aufweist, deren Rotationsachsen die gleiche Orientierung wie die Y-Achse des Kontaktelementes 1 aufweisen und deren Phasenlage zueinander verstellbar ist, errechnen sich die Komponenten des anregenden Drehmomentes um die Y-Achse (Nickmoment) M_ECC,Y bzgl. des auf dem Kontaktelement ortsfesten Koordinatensystems in Abhängigkeit von der Zeit t vereinfacht durch folgende Beziehung MECC,Y = EM·Ω2·[ez·(sinφV + sinφH) – rs·(cosφV + cosφV)] (16)
EM ist die resultierende Masse der rotierenden Unwuchtmasse 3, Ω ist die anregende Frequenz des Schwingungserregers 2. Die Winkel φ_V und φ_H stellen die momentanen Phasenwinkel der vorderen und hinteren Erregerwelle bzgl. der Vertikalen (z-Achse) dar. Sie lassen sich z. B. mittels Näherungsschalter an jeder Erregerwelle separat ermitteln. r_S stellt den halben Abstand der Erregerwellenmittelpunkte dar und kann aus CAD-Daten entnommen oder direkt gemessen werden. e_Z stellt den Abstand des Erregerwellenschwerpunktes vom Gesamtschwerpunkt der Untermasse in Z-Richtung dar und kann ebenfalls aus CAD-Daten ermittelt werden.
Die Verhältnisse sind in 7 gezeigt.
Für den Fall, dass der Schwerpunkt der beiden Erregerwellen in X- und Y-Richtung mit dem Schwerpunkt des Kontaktelementes übereinstimmt, entstehen keine zusätzlichen anregenden Drehmomente durch den Erreger um die X-Achse und um die Z-Achse. Die Drehmoment-Komponenten M_ECC,X und M_ECC,Z sind dann Null. Für jeden anderen Fall lassen sich die Drehmomente selbstverständlich ebenso rechnerisch aus der momentanen Position der Unwuchten berechnen.
Nachfolgend wird beispielhaft ein Verfahren zur näherungsweisen Bestimmung der tatsächlichen Kontaktfläche 16 für den Fall eines rechteckigen und ebenen Kontaktelements 1 erläutert:
Durch die Nick- und Rollbewegung des Kontaktelementes wird ein Kontakt immer von einer Ecke bzw. Kante des Kontaktelementes ausgehen.
8 zeigt in schematischer Perspektivansicht ein Kontaktelement 1 mit Fahrtrichtung in Richtung der x-Achse. Auf dem Kontaktelement 1 ist eine dreiecksförmige Kontaktfläche 16 mit geraden Begrenzungskanten gestrichelt eingezeichnet. Dabei sind die äußeren Begrenzungslinien durch die bekannte Außengeometrie des Kontaktelements 1 bekannt.
Die fehlende, im idealisierten Fall gerade innere Begrenzungslinie (Kontaktkante 17) wird nun aus der Bedingung, dass der Kraftangriffspunkt 15 z. B. im Flächenschwerpunkt des die Kontaktfläche 16 bildenden Dreieckes liegt, berechnet.
9 zeigt die Konstruktion der fehlenden, inneren Kante der Kontaktfläche 16 beispielhaft für einen Kontakt beginnend an einer Ecke 18 (Schnittpunkt der Kanten I und II des Kontaktelements 1).
Aus der Kenntnis des Flächenschwerpunktes (soll gleich dem Kraftangriffspunkt 15 sein, daher gelten die oben ermittelten Koordinaten r_C) und der Bedingung, dass die beiden Geraden g₁ und g₂ sich im Flächenschwerpunkt schneiden, lässt sich bei bekannten Koordinaten der beiden Kanten I und II des Kontaktelements 1 ein Gleichungssystem mit zwei Gleichungen aufstellen und nach den gesuchten unbekannten Schnittpunkten (x_s1, y_s1) und (x_s2, y_s2) der Innenkante der dreieckförmigen Kontaktfläche 16 auflösen. Analog verfährt man, wenn der Kontakt an einer anderen Ecke des Kontaktelementes 1 beginnt.
10 zeigt einen Fall, in dem einer der so gemäß 9 berechneten Schnittpunkte über die tatsächliche Geometrie, also insbesondere über die betreffende Kante des Kontaktelements 1 hinaus wandert. Dann wird die Berechnung der innenliegenden Kontaktkante 18 erneut durchgeführt und zwar unter der Annahme, dass die Kontaktfläche 16 nun viereckig ist.
Für die viereckige Kontaktfläche 16 lässt sich nun ebenfalls aus der bekannten Lage des Flächenschwerpunktes (Koordinaten r_C des Kraftangriffspunkts 15) und den geometrischen Konstruktionsvorschriften ein Gleichungssystem für die Bestimmung der unbekannten Schnittpunkte mit den Kontaktelementkanten (Kanten I und II) aufstellen und lösen.
11 zeigt die geometrische Bestimmung des Flächenschwerpunktes 15 einer trapezförmigen, viereckigen Fläche.
12 zeigt einen Fall, bei dem aufgrund der Überlagerung der rotatorischen und translatorischen Geschwindigkeitsanteile in einem Teil 16a (gepunktete Fläche) der Kontaktfläche 16, eine Geschwindigkeitsverteilung entsteht, bei der sich dieser Teil vom Boden wegbewegt. Dann sollten diese Flächenanteile mit einer geringeren Wertigkeit bei der Berechnung der tatsächlichen Kontaktfläche 16 berücksichtig werden, da dort praktisch keine oder nur sehr geringe Bodenkontaktkräfte übertragen werden.
Zwischen dem in 12 gepunktet dargestellten Flächenteil 16a, der sich vom Boden wegbewegt, und dem in 12 schraffierten Flächenteil 16b, der sich zum Boden bewegt, also Bodenkontaktkräfte überträgt, verläuft eine Geschwindigkeitsnulllinie 19.
Das Vorhandensein und die Lage der Geschwindigkeitsnulllinie 19, bei der die Kontaktelementgeschwindigkeit in Normalenrichtung ihr Vorzeichen umkehrt, lässt sich bei bekannter Translations- und Winkelgeschwindigkeit des Schwerpunktes des Kontaktelementes 1 aus den kinematischen Beziehungen berechnen. Für die Gesamtgeschwindigkeit an einem Punkt (r_x, r_y) des Kontaktelements 1 bei reiner Translationsbewegung in Z-Richtung und überlagerter Nick-/Rollbewegung ergibt sich νP,z = z .S + X .·ry – Φ .·rx
Nullsetzen der Geschwindigkeit ergibt dann die relevante Geradengleichung für die Geschwindigkeitsnulllinie 19 gemäß
Da die Geschwindigkeitsnulllinie 19 immer eine Gerade ist, ergibt sich im ungünstigsten Fall ein Fünfeck für die relevante Kontaktfläche (schraffierte Fläche 16b), wie 12 zeigt.
12 zeigt die resultierende Kontaktfläche bei vorhandener Geschwindigkeitsnulllinie 19 in der Nähe einer Ecke 20. Da der Flächenschwerpunkt der abzuziehenden Dreiecksfläche (gepunkteter Flächenteil 16a) bekannt ist, lässt sich der Flächenschwerpunkt der gepunkteten Dreiecksfläche 16a plus der schraffierten, eigentlichen Kontaktfläche 16b als Summenschwerpunkt berechnen. Für die daraus resultierende viereckige Gesamtfläche (Flächenteile 16a und 16b) lässt sich nun wieder nach dem oben beschriebenen Verfahren die fehlende Kontaktkante 17 berechnen.
Die Definition des eindimensionalen E-Moduls in der Bodenmechanik lautet:
dabei wird der Boden über eine kreisförmige, starre Platte mit Radius r und konstanter Druckverteilung belastet. F beschreibt die aufgebrachte Kraft und s die Einsinkung. Die Querdehnzahl υ ist für kohäsionslose Böden näherungsweise konstant und wird z. B. bei der Auswertung des statischen Lastplattenversuches immer mit υ = 0,212 angesetzt.
Der Gradient ΔF/Δs wurde oben bereits bestimmt, so dass für den Kontaktflächenparameter α folgenden Ansatz zu machen ist (mit υ = 0,212):
Bei dieser Definition wird der oben bereits genannte Wert γ zu 2,1 gesetzt, was zu geeigneten Ergebnissen führt. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass die Querdehnzahl υ bei unterschiedlichen Bodenqualitäten variieren kann. Dementsprechend kann der Faktor γ in einem Bereich von 1,5 bis 2,7 liegen.
r_hyd stellt den hydraulischen Vergleichsradius dar und lässt sich gemäß
aus der Kontaktfläche A_C (Bezugszeichen 16) berechnen, deren Bestimmung oben bereits erläutert wurde.
Um den dynamischen Steifigkeitsmodul E_{V. dynVerdichter} mit Verformungsmoduln vergleichen zu können, die durch konventionelle, zum Beispiel genormte Messverfahren ermittelt worden sind, können Kalibrationsmessungen durchgeführt beziehungsweise Kalibrationstabellen ausgewertet werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren beziehungsweise eine Bodenverdichtungsvorrichtung, wie zum Beispiel ein Stampfer oder eine Vibrationsplatte, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben werden, ermöglichen es, die Bodensteife beziehungsweise den dynamischen Verformungsmodul des Bodens während der Verdichtungsarbeit zu bestimmen. Das Verfahren eignet sich besonders gut für Bodenverdichtungsvorrichtungen, bei denen das Kontaktelement relativ lange Flugphasen durchführt und bei denen bedingt durch signifikante Drehbewegungsanteile die Kontaktkraft und der Kontaktweg häufig nicht vorhersagbare, wechselnde Richtungen aufweisen. Ebenfalls gut geeignet ist das Verfahren zur Berücksichtigung unterschiedlicher Kontaktgeometrien beziehungsweise wirksamer, tatsächlicher Kontaktflächen. Hier besteht ein erheblicher Unterschied zu bisher bekannten Messverfahren, die insbesondere bei Bodenverdichtungswalzen eingesetzt wurden, bei welchen jedoch die Kontaktfläche und auch die Richtung der dominanten Kontaktkraft zum Boden stets im Wesentlichen konstant ist bzw. a priori gut vorhersagbar ist.
Bodenverdichtungsvorrichtungen mit kurzer beziehungsweise keiner Flugphase können unter Nutzung des erfindungsgemäßen Verfahrens jedoch ebenfalls die Bodensteife und den dynamischen Bodenverformungsmodul bestimmen.
13 zeigt in Seitenansicht einen typischen Vibrationsstampfer, bei dem das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt werden kann.
Auch Maschinen, bei denen von einem im Wesentlichen gleich bleibenden Kontaktverhalten (Vibrationswalze) auszugehen ist, können das hier beschriebene Verfahren zum Bestimmen der Bodensteife und des Bodenverformungsmoduls nutzen.

Claims

Verfahren zum Bestimmen einer Bodeneigenschaft mittels einer Bodenverdichtungsvorrichtung, die ein schwingend beaufschlagtes Kontaktelement (1) zur Bodenverdichtung aufweist, wobei – das Kontaktelement (1) einer durch den Boden ausgeübten Kontaktkraft F_contact ausgesetzt ist und einen Kontaktweg s_contact zurücklegt; – die Bodeneigenschaft als dynamischer Verformungsmodul E_{V. dynVerdichter} bestimmt wird zu
– α ein Kontaktflächenparameter zur Berücksichtigung der tatsächlichen Kontaktfläche (12) des Kontaktelements (1) mit dem Boden ist; – k_dyn die dynamische Steifigkeit des Bodens darstellt und als Gradient der Kontaktkraft F_contact und des Kontaktwegs s_contact gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zu berechnenden räumlichen Komponenten F_C,i (mit i = x, y, z) der Kontaktkraft F_contact des Kontaktelements (1) zum Boden bestimmt werden zu FC,X = mU (x ..S – y .S·N . + z .S·Φ .) – FECC,X – FU,X + mU·g·sin(Φ)·cos(X) FC,Y = mU (y ..S – z .S·X . + x .S·N .) – FECC,Y – FU,Y – mU·g·cos(Φ)·sin(X) FC,Z = mU (z ..S – x .S·Φ . + y .S·X .) – FECC,Z – FU,Z + mU·g·cos(Φ)·cos(X) mit – m_U ist die Masse des Kontaktelements (1); – x ._S, y ._S, z ._S sind die Translationsgeschwindigkeiten im Schwerpunkt des Kontaktelementes (1); – x .._S, y .._S, z .._S sind die entsprechenden Beschleunigungen; – Φ ist der Nickwinkel um die y-Achse; – X ist der Rollwinkel um die x-Achse; – Φ ., X . und N . sind die entsprechenden Drehgeschwindigkeiten in Nick-, Roll- und Gierrichtung (um die z-Achse); – F_U,i ist eine Schnittkraft zwischen dem Kontaktelement (1) und der restlichen Bodenverdichtungsvorrichtung; – F_ECC,i ist die anregende Kraft eines das Kontaktelement (1) anregenden Schwingungserregers (2); – g ist die Gravitationsbeschleunigung.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zu bestimmenden Beschleunigungen des Kontaktelements (1) aus der Gruppe x .._S, y .._S, z .._S durch mehrere an dem Kontaktelement (1) vorgesehene Beschleunigungsaufnehmer (7) gemessen werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigungen x .._S, y .._S, z .._S des Kontaktelements (1) durch wenigstens einen Sensor (6a) gemessen werden, der an einer mit dem Kontaktelement (1) über eine Federeinrichtung (4) verbundenen Obermasse (5) vorgesehen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass – Drehbeschleunigungen Φ .., X .. und N .. durch wenigstens einen an dem Kontaktelement (1) vorgesehenen Sensor gemessen werden; – die Drehgeschwindigkeiten Φ ., X . und N . durch einfache Integration der Drehbeschleunigungen Φ .., X .. und N .. ermittelt werden; und dass – der Nickwinkel Φ und der Rollwinkel X des Kontaktelements (1) durch zweifache Integration der Drehbeschleunigungen Φ .., X .. und N .. ermittelt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die anregende Kraft F_ECC durch eine zwischen dem Schwingungserreger (2) und dem Kontaktelement vorgesehene Kraftmesseinrichtung gemessen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass – der Schwingungserreger (2) wenigstens zwei gegenläufig drehbare, gleich große Unwuchtmassen (3) aufweist, deren Phasenlage zueinander verstellbar ist und deren Rotationsachsen parallel zu einer Y-Achse des Kontaktelements (1) gerichtet sind; und dass – die die Komponenten der anregenden Kraft F_ECC durch folgende Beziehung berechnet wird: FECC,X (t) = EM·Ω2sin(φPhase/2)·cos(Ω·t) FECC,Y (t) = 0 FECC,Z (t) = EM·Ω2cos(φPhase/2)·cos(Ω·t) wobei EM die resultierende Masse der rotierenden Unwuchtmassen (3) ist, Ω die anregende Frequenz des Schwingungserregers (2) und φ_Phase den Phasenwinkel zwischen den beiden Unwuchtmassen darstellt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass – die Bodenverdichtungsvorrichtung eine Vibrationsplatte oder ein Vibrationsstampfer ist; und dass – die Kontaktkraft F_contact bestimmt wird zu Fcontact = mU·z ..S – FECC,Z wobei m_U die Masse des Kontaktelements (1), z .._S die Beschleunigung des Kontaktelements (1) in Richtung der Kontaktnormalen und F_ECC,Z die anregende Kraft eines das Kontaktelement (1) beaufschlagenden Schwingungserregers (2) ist.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigung z .._S des Kontaktelements (1) durch einen an dem Kontaktelement (1) vorgesehenen Beschleunigungsaufnehmer (4) gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigung z .._S des Kontaktelements (1) durch einen Sensor gemessen wird, der an einer mit dem Kontaktelement (1) über eine Federeinrichtung (4) verbundene Obermasse (5) vorgesehen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass – der Schwingungserreger (2) zwei gegenläufig drehbare, gleich große Unwuchtmassen (3) aufweist, deren Phasenlage vorbestimmt und/oder zueinander verstellbar ist; und dass – die anregende Kraft F_ECC durch folgende Beziehung berechnet wird: FECC = EM·Ω2·cos(φPhase/2)·cos(Ω·t)wobei EM die resultierende Masse der rotierenden Unwuchtmassen (3) ist, Ω die anregende Frequenz des Schwingungserregers (2) und φ_Phase den Phasenwinkel zwischen den beiden Unwuchtmassen (3) darstellt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktweg s_contact wie folgt bestimmt wird: – Bestimmen der Beschleunigung a_P,z eines Kraftangriffspunkts P (15) in z-Richtung aP,z = z ..s + X ..·SPY – ϕ ..·SPX – (ϕ .2 + X .2)·SPZ – Berechnen des Kontaktwegs s_contact durch doppelte Integration der Beschleunigung a_P,z.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass für verschiedene Zeitpunkte jeweils ein Messpunktepaar aus der Kontaktkraft F_contact und dem zugehörigen Kontaktweg s_contact gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass für diejenigen Messpunktepaare, die während einer Belastungsphase, in der das Kontaktelement (1) zunehmend gegen den Boden drückt, jeweils ein Gradient dF_contact/ds_contact gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die für die jeweiligen Messpunktepaare anfallenden Gradienten durch ein statistisches Verfahren gemittelt werden und dass der sich so ergebende Mittelwert als die dynamische Steifigkeit k_dyn bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass – für die Kontaktkraft F_contact und den Kontaktweg s_contact ein von der Zeit t abhängiges Phasendiagramm gebildet wird; und dass – für einen Teil des Phasendiagramms, der eine Belastungsphase repräsentiert, in der das Kontaktelement (1) zunehmend gegen den Boden drückt, ein mittlerer Gradient dF_contact/ds_contact gebildet wird, der die dynamische Steifigkeit k_dyn darstellt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktflächenparameter α aufgrund einer resultierenden Lage eines Kraftangriffspunktes (15) der Kontaktkraft F_contact bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass zum Bestimmen des Kontaktflächenparameters α ein Flächenschwerpunkt der tatsächlichen Kontaktfläche (12) des Kontaktelements (1) mit dem Boden bestimmt wird, der aus einem Kraftangriffspunkt (15) der Kontaktkraft F_contact ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftangriffspunkt (15) unabhängig von einem Flächenschwerpunkt einer Grundfläche des Kontaktelements (1) ist und mit diesem nicht zusammenfallen muss.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktflächenparameter α bestimmt wird durch:
wobei γ ein Wert in einem Bereich von 1,5 bis 2,7, insbesondere der Wert 2,1 ist und r_hyd den hydraulischen Vergleichsradius darstellt und gemäß
aus einer tatsächlich wirksamen Kontaktfläche A_C des Kontaktelements (1) mit dem Boden berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der wirksamen Kontaktfläche A_C ein Teil der Kontaktflächengeometrie, insbesondere ein Teil der äußeren Begrenzungskanten der Kontaktflächengeometrie bekannt ist und der fehlende Teil der Kontaktfläche A_C aus der Kenntnis des Flächenschwerpunkts berechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass – durch Messaufnehmer (7) die Bewegung des Kontaktelements (1) beim Berühren des Bodens erfasst wird; und dass – aufgrund der von den Messaufnehmern (7) ermittelten Informationen sowie der Kontaktkraft F_contact die Lage und Abmessung der innerhalb der Grundfläche des Kontaktelements (1) liegenden tatsächlichen Kontaktfläche (12) und/oder der Kraftangriffspunkt (15) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass zum Bestimmen des Kraftangriffspunkts (15) der Kontaktkraft F_contact – eine durch die Kontaktkraft F_contact hervorgerufene Nick-Drehbeschleunigung des Kontaktelements (1) bezüglich einer quer zur der Fahrtrichtung der Bodenverdichtungsvorrichtung stehenden Nickachse (8), sowie – eine Roll-Drehbeschleunigung des Kontaktelements (1) bezüglich einer sich in Fahrtrichtung erstreckenden Rollachse (9) durch die Messaufnehmer (7) bestimmt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass eine Translationsbewegung des Kontaktelements (1) in Richtung der Kontaktkraft F_contact durch die Messaufnehmer (4, 5) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass aufgrund der durch die Messaufnehmer (7) gemessenen Bewegungen des Kontaktelements (1) und einer Auswertung des Drehimpulssatzes um die Nickachse (8) und um die Rollachse (9) die durch die Kontaktkraft F_contact hervorgerufenen Kontaktdrehmomente um die Nickachse (8) und die Rollachse (9) bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass aufgrund der Kontaktdrehmomente und der bereits ermittelten resultierenden Kontaktkraft F_contact die Hebelarme bezüglich der Nickachse (8) und der Rollachse (9) und damit die Lage des Kraftangriffspunkts (15) der Kontaktkraft F_contact bestimmt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass aufgrund der Lage des Kraftangriffspunkt (15) der Kontaktkraft F_contact die Lage des Flächenschwerpunkts der Kontaktfläche (12) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass aufgrund der Lage des Flächenschwerpunkts oder des Kraftangriffspunkts (15) und eines vorgegebenen Zusammenhangs der Kontaktflächenparameter α festgelegt wird.
Bodenverdichtungsvorrichtung, mit – einem von einem Antrieb angetriebenen Schwingungserreger (2); – einem von dem Schwingungserreger (2) beaufschlagten Kontaktelement (1) zum Verdichten des Bodens; und mit – einem Messsystem zum Bestimmen einer Bodeneigenschaft, das wenigstens einen Messaufnehmer (6, 7) zum Erfassen eines Bewegungsverhaltens des Kontaktelements (1) aufweist; dadurch gekennzeichnet, dass das Messsystem nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 27 betrieben wird.
Bodenverdichtungsvorrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenverdichtungsvorrichtung eine Vibrationsplatte oder ein Stampfer ist.