DE102013220962A1

DE102013220962A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Ermittlung einer einen Kontaktzustand einer Verdichterwalze mit zu verdichtendem Untergrund repräsentierenden Aufstandsgröße

Info

Publication number: DE102013220962A1
Application number: DE201310220962
Authority: DE
Inventors: Sebastian Villwock; Werner Völkel; Fritz Kopf
Original assignee: Hamm AG
Current assignee: Hamm AG
Priority date: 2013-10-16
Filing date: 2013-10-16
Publication date: 2015-04-30
Also published as: US9650747B2; EP2862979B1; CN104562898B; CN204174508U; EP2862979A1; CN104562898A; US20150101424A1

Abstract

Eine Vorrichtung zur Ermittlung einer einen Kontaktzustand zwischen einer Verdichterwalze und zu verdichtendem Untergrund repräsentierenden Aufstandsgröße (α) umfasst an wenigstens einem Erfassungsumfangsbereich (18, 20, 22, 24) einer um eine Verdichterwalzendrehachse (D) drehbaren Verdichterwalze (12) wenigstens einen ein Kontaktsignal generierenden Kontaktsensor (1, 2, 3, 4), wobei das Kontaktsignal einen Kontaktbeginn (A) und ein Kontaktende (E) eines Erfassungsumfangsbereichs (18, 20, 22, 24) mit dem zu verdichtenden Untergrund (14) indiziert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Ermittlung einer einen Kontaktzustand einer Verdichterwalze mit zu verdichtendem Untergrund repräsentierenden Aufstandsgröße.
Zur Verdichtung von Untergrund, beispielsweise Erdreich, unterschiedliche Gesteinsarten oder auch Asphalt im Straßenbau, werden im Allgemeinen selbstfahrende Bodenverdichter eingesetzt, die mit einer oder ggf. mehreren Verdichterwalzen den zu verdichtenden Untergrund überfahren und durch Druckbelastung, ggf. in Verbindung mit Oszillations- oder Vibrationsbewegungen zu einer Kompaktierung des Aufbaumaterials des zu verdichtenden Untergrunds führen. Aufgrund der auf den Untergrund ausgeübten Druckbelastung wird eine im Vergleich zu dem zu verdichtenden Untergrund im Allgemeinen wesentlich steifere Verdichterwalze in dem zu verdichtenden Untergrund eine Setzungsmulde erzeugen. Je steifer bzw. bereits mehr kompaktiert derartiger Untergrund ist, desto weniger tief wird die Verdichterwalze sich in das Aufbaumaterial des Untergrunds einsetzen, was zur Folge hat, dass mit zunehmender Steifigkeit bzw. zunehmendem Ausmaß der Kompaktierung eine Aufstandsbreite der Verdichterwalze auf dem zu verdichtenden Untergrund abnimmt.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ermittlung einer einen Kontaktzustand einer Verdichterwalze mit zu verdichtendem Untergrund repräsentierenden Aufstandsgröße vorzusehen, welche in einfacher und zuverlässiger Art und Weise einen Rückschluss auf den Verdichtungszustand des Aufbaumaterials des zu verdichtenden Untergrunds zulassen.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung zur Ermittlung einer einen Kontaktzustand zwischen einer Verdichterwalze und zu verdichtendem Untergrund repräsentierenden Aufstandsgröße, umfassend an wenigstens einem Erfassungsumfangsbereich einer um eine Verdichterwalzendrehachse drehbaren Verdichterwalze wenigstens einen ein Kontaktsignal generierenden Kontaktsensor, wobei das Kontaktsignal einen Kontaktbeginn und ein Kontaktende eines Erfassungsumfangsbereichs mit dem zu verdichtenden Untergrund indiziert.
Durch die erfindungsgemäß aufgebaute Vorrichtung wird Information bereitgestellt, welche, beispielsweise bezogen auf eine ganze Umdrehung der Verdichterwalze, in Zuordnung zu einem Erfassungsumfangsbereich denjenigen Anteil repräsentiert, in welchem ein Erfassungsumfangsbereich in Kontakt mit dem zu verdichtenden Untergrund steht. Je größer dieser Anteil, also je größer der Abstand zwischen Kontaktbeginn und Kontaktende, desto größer ist das Ausmaß des Kontakts zwischen der Verdichterwalze und dem zu verdichtenden Untergrund, was darauf hindeutet, dass die Verdichterwalze vergleichsweise tief in das Material des zu verdichtenden Untergrunds eindringt und dieses daher vergleichsweise wenig verdichtet ist. Mit zunehmendem Verdichtungsgrad dringt die Verdichterwalze weniger tief in das Aufbaumaterial des zu verdichtenden Untergrunds ein, was bedeutet, dass, wieder bezogen auf eine gesamte Umdrehung oder den gesamten Umfang der Verdichterwalze, derjenige Anteil, in welchem Kontakt mit dem zu verdichtenden Untergrund besteht, abnimmt. Die mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu ermittelnde Aufstandsgröße lässt also einen Rückschluss auf den Kompaktierungsgrad des zu verdichtenden Untergrunds zu und kann somit dazu genutzt werden, weitergehende Verdichtungs- bzw. Bearbeitungsmaßnahmen an dem zu verdichtenden Untergrund festzulegen.
Um mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Aufstandsgröße genauer bzw. öfter im Verlaufe der Verdichterwalzenbewegung ermitteln zu können, wird vorgeschlagen, dass eine Mehrzahl von Erfassungsumfangsbereichen mit jeweils wenigstens einem Kontaktsensor um die Verdichterwalzendrehachse verteilt vorzugsweise im gleichen Axialbereich der Verdichterwalze vorgesehen ist. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Erfassungsumfangsbereiche mit im Wesentlichen gleichem Umfangsabstand, vorzugsweise etwa 90°, zueinander angeordnet sind. Durch eine gleichmäßige Beabstandung der Erfassungsumfangsbereiche kann ein periodisches Erfassungsmuster der verschiedenen Erfassungsumfangsbereiche mit definiertem zeitlichem Versatz bereitgestellt und zur Auswertung herangezogen werden.
Eine Beeinträchtigung von Kontaktsensoren während des Verdichtungsbetriebs kann dadurch vermieden werden, dass in wenigstens einem, vorzugsweise jedem Erfassungsumfangsbereich wenigstens ein Kontaktsensor an einer Innenseite eines Walzenmantels der Verdichterwalze vorgesehen ist. Beispielsweise kann ein derartiger Kontaktsensor ausgebildet sein als:

– akustischer Sensor, vorzugsweise Ultraschallsensor oder Pfeifensensor, oder
– Tastsensor, oder
– Drucksensor.

Dies sind Sensoren, die bei vergleichsweise einfachem Aufbau in zuverlässiger Art und Weise einen Rückschluss darauf zulassen, ob derjenige Bereich, in welchem ein jeweiliger Kontaktsensor positioniert ist, also ein jeweiliger Erfassungsumfangsbereich, in Kontakt mit dem zu verdichtenden Untergrund ist, oder nicht.
Um eine detailliertere Auswertung eines von einem Kontaktsensor gelieferten Signals bereitstellen zu können, wird ferner vorgeschlagen, dass eine Drehpositionierungserfassungsanordnung zur Erfassung einer Drehpositionierung der Verdichterwalze vorgesehen ist. Die Bereitstellung von Information über die Drehpositionierung der Verdichterwalze im Verhältnis zu dem von einem jeweiligen Kontaktsensor ausgegebenen Kontaktsignal kann in besonders vorteilhafter Weise dazu genutzt werden, Information über ein unsymmetrisches Kontaktverhalten der Verdichterwalze mit dem zu verdichtenden Untergrund, insbesondere das Entstehen einer durch die Voranbewegung der Verdichterwalze im Allgemeinen generierten Bugwelle in dem zu verdichtenden Untergrund zu erhalten.
Hierzu kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Drehpositionierungserfassungsanordnung wenigstens einen Kontaktsensor und wenigstens einen in Erfassungswechselwirkung mit dem wenigstens einen Kontaktsensor tretenden, nicht mit der Verdichterwalze um die Verdichterwalzendrehachse drehbaren Drehpositionierungsreferenzbereich umfasst.
Da die vorliegende Erfindung die Rotation der Verdichterwalze um ihre Verdichterwalzendrehachse ausnutzt, um im Verlaufe einer derartigen Rotationsbewegung Information über das Inkontakttreten bzw. das Beenden des Kontakts eines jeweiligen Erfassungsumfangsbereichs zu ermitteln, kann gemäß einer besonders vorteilhaften Variante die Aufstandsgröße einen mit dem zu verdichtenden Untergrund in Kontakt stehenden Umfangsbereich der Verdichterwalze repräsentieren. Dieser Umfangsbereich kann durch ein Längenmaß, also beispielsweise Umfangslängenbereich, oder ein Winkelsegment repräsentiert sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die voranstehende Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Ermittlung einer einen Kontaktzustand einer Verdichterwalze mit zu verdichtendem Untergrund repräsentierenden Aufstandsgröße, vorzugsweise vermittels einer erfindungsgemäß aufgebauten Vorrichtung, umfassend das Erfassen eines Kontakts zwischen wenigstens einem Erfassungsumfangsbereich der Verdichterwalze und zu verdichtendem Untergrund während der Rotation der Verdichterwalze um eine Verdichterwalzendrehachse.
Auch bei diesem erfindungsgemäßen Verfahren wird vorteilhafterweise der Kontakt zwischen einer Verdichterwalze und dem zu verdichtenden Untergrund bzw. die diesen Kontakt repräsentierende Aufstandsgröße beruhend auf dem im Verlauf der Rotation der Verdichterwalze auftretenden Kontaktbeginn zwischen wenigstens einem Erfassungsumfangsbereich und dem zu verdichtenden Untergrund und dem Kontaktende ermittelt. In der Zeitdauer zwischen dem Kontaktbeginn und dem Kontaktende ist ein jeweiliger Erfassungsumfangsbereich in Kontakt mit dem zu verdichtenden Untergrund, während nach dem Kontaktende bis zum nächstfolgenden Kontaktbeginn der Erfassungsumfangsbereich nicht in Kontakt mit dem zu verdichtenden Untergrund ist.
Um in einfacher Art und Weise beruhend auf dem Kontaktbeginn und dem Kontaktende bzw. der Zeitdauer dazwischen eine den Kontaktzustand repräsentierende geometrische Größe ermitteln zu können, wird vorgeschlagen, dass die Aufstandsgröße ferner beruhend auf einer Bewegungsgeschwindigkeit der Verdichterwalze oder/und eines Radius der Verdichterwalze ermittelt wird.
Bei einer insbesondere auch mit nur einem einzigen Kontaktsensor funktionsfähigen Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass die Aufstandsgröße beruhend auf einem Verhältnis zwischen einer einen Kontakt wenigstens eines Erfassungsumfangsbereichs mit dem zu verdichtenden Untergrund indizierenden ersten Bewegungsdauer und einer keinen Kontakt indizierenden zweiten Bewegungsdauer im Verlaufe einer Umdrehung der Verdichterwalze um die Verdichterwalzendrehachse oder/und einer eine Umdrehung der Verdichterwalze indizierenden zweiten Bewegungsdauer ermittelt wird. Bei dieser Vorgehensweise wird also diejenige Dauer, während welcher ein jeweiliger Erfassungsumfangsbereich sich in Kontakt mit dem zu verdichtenden Untergrund bewegt, ins Verhältnis gesetzt zu derjenigen Zeitdauer, in welcher ein derartiger Kontakt nicht besteht oder zu der Zeitdauer einer gesamten Umdrehung der Verdichterwalze. Beide Möglichkeiten führen in einfacher Art und Weise zur Information, welcher Winkelanteil der Verdichterwalze tatsächlich in Kontakt mit dem zu verdichtenden Untergrund steht, was, wie bereits ausgeführt, einen Rückschluss darauf zulässt, wie tief die Verdichterwalze in das Material des zu verdichtenden Untergrunds eindringt.
Auch die im Verlaufe der Voranbewegung eines Bodenverdichters bzw. einer Verdichterwalze eines Bodenverdichters entstehende Bugwelle, also die in der Bewegungsrichtung eines Bodenverdichters vor einer jeweiligen Verdichterwalze entstehende Anhäufung von zu verdichtendem Material, lässt einen Rückschluss auf den Zustand des zu verdichtenden Untergrunds zu. Das Entstehen einer derartigen Bugwelle führt grundsätzlich dazu, dass der Kontakt einer Verdichterwalze mit dem zu verdichtenden Untergrund unsymmetrisch ist, da in dem in der Bewegungsrichtung der Verdichterwalze hinter derselben liegenden Bereich eine derartige Bugwelle bzw. Anhäufung von Material des zu verdichtenden Untergrunds in diesem Ausmaß nicht entsteht. Diesen Aspekt nutzt die vorliegende Erfindung dadurch aus, dass die Aufstandsgröße sich zusammensetzt aus einem ersten Aufstandsgrößenteil zwischen dem Kontaktbeginn wenigstens eines Erfassungsumfangsbereichs mit dem zu verdichtenden Untergrund und einer Kontaktreferenzposition und einem zweiten Aufstandsgrößenteil zwischen der Kontaktreferenzposition und dem Kontaktende.
Diese Kontaktreferenzposition kann beispielsweise eine im Verlaufe der Umfangsbewegung eines Erfassungsumfangsbereichs bezüglich einer zu dem zu verdichtenden Untergrund im Wesentlichen orthogonal stehenden Senkrechten tiefste Positionierung des Erfassungsumfangsbereichs repräsentieren, wobei der erste Aufstandsgrößenteil ein bugseitiger Teil der Aufstandsgröße und der zweite Aufstandsgrößenteil ein heckseitiger Teil der Aufstandsgröße ist. Bei im Wesentlichen horizontal orientiertem zu verdichtendem Untergrund und entsprechend horizontal sich bewegender Verdichterwalze kann also eine derartige Kontaktreferenzpositon einen in Vertikalrichtung im Wesentlichen direkt unter der Drehachse der Verdichterwalze liegenden Kontaktbereich umfassen. Der in der Bewegungsrichtung vorangehende Teil wird als bugseitig betrachtet und wird im Allgemeinen aufgrund des Vorhandenseins der vorangehend angesprochenen Bugwelle eine größere Ausdehnung aufweisen, als der nachlaufende, heckseitige Teil.
Um bei dem erfindungsgemäßen Verfahren Information darüber zu erlangen, in welcher Drehpositionierung die Verdichterwalze bzw. ein jeweiliger Erfasungsumfangsbereich ist, wird vorgeschlagen, dass die Kontaktreferenzposition beruhend auf wenigstens einer Drehpositionierungsreferenz ermittelt wird. Eine derartige Drehpositionierungsreferenz kann beispielsweise durch Wechselwirkung wenigstens eines Erfassungsumfangsbereichs mit einem Drehpositionierungsreferenzbereich generiert werden.
Bei Einsatz mehrerer Erfassungsumfangsbereiche kann vorteilhafterweise so vorgegangen werden, dass ein erster Erfassungsumfangsbereich im Wesentlichen dann durch Wechselwirkung mit einem Drehpositionierungsreferenzbereich eine Drehpositionierungsreferenz generiert, wenn ein zweiter Erfassungsumfangsbereich in der Kontaktreferenzposition ist.
Die Aufstandsgröße, welche mit dem erfindungsgemäße Verfahren ermittelt werden kann, kann einen mit dem zu verdichtenden Untergrund in Kontakt stehenden Umfangsbereich der Verdichterwalze repräsentieren. Aus diesem Umfangsbereich kann dann beispielsweise durch orthogonale Projektion auf eine durch den zu verdichtenden Untergrund aufgespannte Ebene eine Aufstandsbreite der Verdichterwalze auf dem zu verdichtenden Untergrund ermittelt werden, welche wiederum dazu genutzt werden kann, durch mathematische Operationen Information über verschiedene physikalische Größen, wie z. B. den Elastizitätsmodul oder die Querdehnzahl des zu verdichtenden Untergrunds, zu ermitteln.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die beiliegenden Figuren detailliert beschrieben. Es zeigt:
1 in prinzipieller Darstellung eine Verdichterwalze auf zu verdichtendem Untergrund während der Bewegung der Verdichterwalze auf dem Untergrund;
2 ein Zeitdiagramm, welches von vier bei der Verdichterwalze der 1 vorgesehenen Kontaktsensoren gelieferte Kontaktsignale darstellt;
3 in vereinfachter Art und Weise die Ermittlung einer Aufstandsbreite einer Verdichterwalze auf dem zu verdichtenden Untergrund;
4 die Hertzsche Formel, welche den Zusammenhang zwischen einer Aufstandsbreite und der Materialsteifigkeit von zu verdichtendem Material wiedergibt;
5 in prinzipartiger Darstellung einen an der Innenseite eines Walzenmantels einer Verdichterwalze vorgesehenen und in Form eines Pfeifensensors aufgebauten Kontaktsensors;
6 eine der 5 entsprechende Darstellung eines als Ultraschallsensor aufgebauten Kontaktsensors;
7 eine der 5 entsprechende Darstellung eines als Tastsensor aufgebauten Kontaktsensors;
8 eine der 5 entsprechende Darstellung eines als Drucksensor aufgebauten Kontaktsensors.
Die 1 zeigt in prinzipieller Seiten- bzw. Querschnittsansicht bezüglich einer Verdichterwalzendrehachse D eine allgemein mit 10 bezeichnete Vorrichtung, mit welcher eine im dargestellten Beispiel im Winkelmaß wiedergegebene Aufstandsgröße α einer Verdichterwalze 12 auf zu verdichtendem Untergrund 14 ermittelt werden kann. Die Vorrichtung 10 umfasst in dem von einem Walzenmantel 13 der Verdichterwalze 12 umschlossenen Innenraum 16 vier Kontaktsensoren 1, 2, 3, 4. Der Kontaktsensor 1 ist dabei in einem Erfassungsumfangsbereich 18 der Verdichterwalze 12 angeordnet. Der Kontaktsensor 2 ist in einem Erfassungsumfangsbereich 20 angeordnet. Der Kontaktsensor 3 ist in einem Erfassungsumfangsbereich 22 angeordnet, während der Kontaktsensor 4 in einem Erfassungsumfangsbereich 24 angeordnet ist. Jeder dieser Kontaktsensoren 1, 2, 3, 4 liefert ein Kontaktsignal S1, S2, S3, S4, welches in Abhängigkeit davon variiert, ob ein jeweiliger Erfassungsumfangsbereich 18, 20, 22, 24 in Kontakt mit dem Aufbaumaterial des zu verdichtenden Untergrunds 14 ist, was im dargestellten Beispiel nur für den Erfassungsumfangsbereich 22 bzw. den Kontaktsensor 3 der Fall ist, oder nicht in Kontakt ist mit dem Aufbaumaterial des zu verdichtenden Untergrunds 14, was im dargestellten Beispiel für die Erfassungsumfangsbereiche 18, 20 und 24 bzw. die darin vorgesehenen Kontaktsensoren 1, 2, 4 der Fall ist.
In dem in 1 dargestellten Ausgestaltungsbeispiel sind die vier Kontaktsensoren 1, 2, 3, 4 zueinander in gleichem Winkelabstand von 90° angeordnet. Dies bedeutet, dass der Kontaktsensor 1 bezüglich der Verdichterwalzendrehachse D dem Kontaktsensor 3 diametral gegenüberliegt, während der Kontaktsensor 2 bezüglich der Verdichterwalzendrehachse D dem Kontaktsensor 4 diametral gegenüberliegt.
Bei der Bewegung eines eine derartige Verdichterwalze 12 aufweisenden Bodenverdichters in der Bewegungsrichtung V und der damit einhergehenden Rotation der Verdichterwalze 12 um die Verdichterwalzendrehachse D in der Richtung R entsteht in Bewegungsrichtung V vor der Verdichterwalze 12 eine allgemein als Bugwelle 26 bezeichnete Anhäufung von Material. Im Bereich dieser Bugwelle 26 beginnt der Kontakt des Walzenmantels 13 mit dem Aufbaumaterial des zu verdichtenden Untergrunds 14. Dieser Bereich ist in 1 repräsentiert durch eine Strichlinie A. In einem durch eine Strichlinie E angedeuteten Bereich endet der Kontakt des Walzenmantels 13 mit dem zu verdichtenden Untergrund 14. Nur in dem zwischen den Linien A und E liegenden Bereich, hier definiert durch den Winkel α, besteht Kontakt zwischen der Verdichterwalze 12 und dem zu verdichtenden Untergrund 14.
Ein beispielsweise als am Außenumfang des Walzenmantels 13 anliegendes Referenzrad 28 ausgebildeter Drehpositionierungsreferenzbereich 30 kann in nachfolgend beschriebener Art und Weise genutzt werden, um in Zusammenwirkung mit den Kontaktsensoren 1, 2, 3, 4 eine Drehpositionierungsreferenz für die Verdichterwalze 12 zu generieren. Immer dann, wenn einer dieser Kontaktsensoren 1, 2, 3, 4 sich an dem Drehpositionierungsreferenzbereich 30 vorbei bewegt, wird eine diese Vorbeibewegung indizierende Veränderung im Kontaktsignal S1, S2, S3, S4 des jeweiligen Kontaktsensors 1, 2, 3, 4 auftreten, was indiziert, dass zu diesem Zeitpunkt dieser ein jeweiliges Kontaktsignal generierende Kontaktsensor sich am Drehpositionierungsreferenzbereich 30 vorbei bewegt hat. Es ist darauf hinzuweisen, dass dieser Drehpositionierungsreferenzbereich 30 nicht notwendigerweise als Referenzrad ausgebildet sein muss. Auch an einem Näherungsschalter sich vorbei bewegende Vorsprünge an der Verdichterwalze 12 können zur Ermittlung einer jeweiligen Drehpositionierung der Verdichterwalze 12 herangezogen werden. Die in 1 dargestellte Variante, bei welcher die Drehpositionierungsreferenz auch unter Miteinbeziehung der Konaktsensoren 1, 2, 3, 4 erzeugt werden kann, ist aufgrund der baulich einfachen Ausgestaltung, welche keine zusätzlichen Sensoren erfordert, besonders vorteilhaft.
Man erkennt in 1 weiter, dass im dargestellten Beispiel der Drehpositionierungsreferenzbereich 30 in einer Höhenrichtung direkt über der Drehachse D der Verdichterwalze 12 positioniert ist. Dies bedeutet, dass eine auf der durch den zu verdichtenden Untergrund 14 aufgespannten Ebene, z. B. einer horizontalen Ebene, orthogonal stehende Senkrechte S einerseits den Drehpositionierungsreferenzbereich 30 und andererseits die Verdichterwalzendrehachse D schneidet. Diese Senkrechte S definiert in dem zwischen den Linien A und E liegenden Umfangsbereich, also demjenigen Umfangsbereich, in welchem die Verdichterwalze 12 in Kontakt mit dem zu verdichtenden Untergrund 14 ist, eine Kontaktreferenzposition K. Diese Kontaktreferenzposition K teilt den zwischen den beiden Linien A und E aufgespannten Winkel α auf in einen Winkel α, welcher sich zwischen der Linie A, also dem Kontaktbeginn, und der Kontaktreferenzposition K erstreckt, und einen Winkel α_Heck, welcher sich zwischen der Kontaktreferenzposition K und der Linie E, also dem Kontaktende, erstreckt. Aufgrund des Umstandes, dass bei der Voranbewegung der Verdichterwalze 12 in der Richtung V die Bugwelle 26 entsteht, wird im Allgemeinen der Teil α_Bug des Winkels α größer sein, als der nachlaufende Teil α_Heck. Nur in einem Zustand, in welchem eine derartige Bugwelle nicht vorhanden wäre, würden diese beiden Teile α_Bug und α_Heck zueinander im Wesentlichen gleich sein, also der Kontakt der Verdichterwalze 12 mit dem zu verdichtenden Untergrund 14 bezüglich der Kontaktreferenzposition K symmetrisch sein. Es sei in diesem Zusammenhang darauf hingewiesen, dass selbstverständlich die Verdichterwalze 12 in einer zur Zeichenebene der 1 orthogonalen Längsrichtung eine Längserstreckung 1 aufweisen wird, und insofern die Kontaktreferenzposition K ebenso wie die durch die Strichlinien A und E definierten Positionen als jeweilige Linien zu betrachten sind, welche sich im Wesentlichen parallel zur Verdichterwalzendrehachse D entlang der Verdichterwalze 12 erstrecken.
Die 2 zeigt den zeitlichen Verlauf der durch die Kontaktsensoren 1, 2, 3, 4 generierten Kontaktsignale S1, S2, S3, S4. Diese Kontaktsignale S1, S2, S3, S4 stehen nur beispielhaft für verschiedenste Signalverläufe, welche jeweils indizieren, ob einer der in Frage stehenden Erfassungsumfangsbereiche 18, 20, 22, 24 in Kontakt mit zu verdichtendem Untergrund 14 ist oder sich beispielsweise an dem Drehpositionierungsreferenzbereich 30 vorbei bewegt oder nicht. Im dargestellten Beispiel sinkt immer dann, wenn einem jeweiligen Erfassungsumfangsbereich Material gegenüberliegt, der Signalpegel ab, während dann, wenn einem jeweiligen Erfassungsumfangsbereich kein Material gegenüberliegt, der Signalpegel auf hohem Niveau ist.
Im Folgenden sei anhand der durch die beiden Kontaktsensoren 1 und 3 in den Erfassungsumfangsbereichen 18 und 22 generierten Kontaktsignale S1 und S3 die Funktionsweise der Vorrichtung 10 bzw. die Vorgehensweise zur Ermittlung einer den Kontakt zwischen der Verdichterwalze 12 und dem zu verdichtenden Untergrund 14 repräsentierenden Aufstandsgröße, beispielsweise repräsentiert durch den Winkel α, erläutert.
Im Verlaufe einer durch den Pfeil U repräsentierten vollständigen Umdrehung der Verdichterwalze 12 um ihre Verdichterwalzendrehachse D bewegt sich der Erfassungsumfangsbereich 22 mit seinem Kontaktsensor 3 im Bereich der Linie A, also zu einem Zeitpunkt t_A in 2, in Kontakt mit dem zu verdichtenden Untergrund 14. Zu diesem Zeitpunkt fällt der Signalpegel des Kontaktsignals S3 deutlich ab. Als Zeitpunkt für das Inkontakttreten kann beispielsweise derjenige Zeitpunkt gewählt werden, zu welchem das Kontaktsignal S3 seinen Minimalwert annimmt. Im Verlaufe der weitergehenden Bewegung gelangt der Erfassungsumfangsbereich 22 zum Bereich bzw. zur Linie E, so dass zum Zeitpunkt t_E der Erfassungsumfangsbereich 22 außer Kontakt mit dem zu verdichtenden Untergrund 14 tritt und infolgedessen der Signalpegel wieder ansteigt. Hier kann beispielsweise der Zeitpunkt des Wiederanstiegs des Signalpegels als Zeitpunkt des Beendens des Kontakts zwischen dem Erfassungsumfangsbereich 22 und dem zu verdichtenden Untergrund 14 herangezogen werden. Dies bedeutet, dass zwischen den beiden Zeitpunkten t_A und t_E der Erfassungsumfangsbereich 22 in Kontakt mit dem zu verdichtenden Material war. Der Zeitpunkt t₁ gibt den Zustand der 1 wieder.
Die Umfangslänge bzw. der Winkelbereich α, in welchem die Verdichterwalze 12 in Kontakt mit dem zu verdichtenden Untergrund 14 ist, kann also in einfacher Art und Weise durch das Verhältnis der Länge des Intervalls t₀ zwischen den Zeitpunkten t_E und t_A zur Länge der gesamten Umdrehug U ermittelt werden. Durch dieses Verhältnis kann in einfacher Art und Weise ohne weitere mathematische Operationen der Winkel α, welcher letztendlich einen Bruchteil bzw. ein Winkelsegment des Gesamtwinkels von 360° repräsentiert, ermittelt werden. Unter Mitberücksichtigung eines Radius r der Verdichterwalze 12 und des so berechenbaren Gesamtumfangs derselben kann die Umfangslänge ermittelt werden, in welcher die Verdichterwalze 12 in Kontakt mit dem zu verdichtenden Untergrund 14 steht. Um Variationen in der Bewegungsgeschwindigkeit in Richtung V und daraus auch resultierende Variationen in der Rotationsgeschwindigkeit in der Drehrichtung R kompensieren zu können, kann des Weiteren auch noch die Bewegungsgeschwindigkeit bzw. die Winkelgeschwindigkeit in der Bewegung der Verdichterwalze 12 berücksichtigt werden. Unter der vereinfachten Annahme, dass während einer Umdrehung U der Verdichterwalze 12 diese sich mit im Wesentlichen konstanter Geschwindigkeit bewegt, ist eine derartige Geschwindigkeitskompensation grundsätzlich jedoch nicht erforderlich.
In der vorangehend beschriebenen Art und Weise kann die Ausdehnung des Kontaktbereichs zwischen der Verdichterwalze 12 und dem zu verdichtenden Untergrund ermittelt werden. Unter weitergehender Berücksichtigung der bereits angesprochenen Kontaktreferenzposition K kann des weiteren eine präzisierende Aufteilung des Winkels α, also des gesamten in Kontakt mit dem zu verdichtenden Untergrund 14 stehenden Umfangsbereichs der Verdichterwalze 12, in die beiden Teile α_Bug und α_Heck erfolgen. Die 2 zeigt, dass zwischen den Zeitpunkten t_E und t_A exakt dann, wenn der Erfassungsumfangsbereich 22 sich über die Kontaktreferenzposition K hinweg bewegt, der Erfassungsumfangsbereich 18 mit seinem Kontaktsensor 1 sich am Drehpositionierungsreferenzbereich 30 vorbei bewegt. Dies bedeutet, dass dann, wenn der Erfassungsumfangsbereich 22 sich an der Kontaktreferenzposition K vorbei bewegt, das Kontaktsignal S1 des Kontaktsensors 1 spontan variieren wird, also beispielsweise auf einen niederen Pegel abfallen wird. Der Zeitpunkt, zu welchem dieser Abfall des Kontaktsignals S1 auftritt bzw. dieses beispielsweise auf minimalem Niveau ist, kann als Drehpositionierungsfrequenz dazu genutzt werden, um in Zuordnung zum Kontaktsignal S3 des Kontaktsensors 3 eine Aufteilung des Intervalls t₀ in die beiden in 1 in die beiden auch indizierten Anteile, nämlich den bugseitigen, voranlaufenden bzw. in zeitlicher Hinsicht zuerst auftretenden Teil α_Bug und den nachlaufenden Teil α_Heck, vorzunehmen.
Unter Einsatz der vorangehend beschriebenen Vorrichtung ist es also nicht nur möglich, die Umfangslänge bzw. das Winkelsegment zu ermitteln, in welchem die Verdichterwalze 12 mit dem zu verdichtenden Untergrund 14 in Kontakt steht, sondern es kann auch eine Asymmetrie des Kontakts bezogen auf die Kontaktreferenzposition K ermittelt werden, welche wiederum einen Rückschluss auf die vor der Verdichterwalze 12 sich ausbildende Bugwelle 26 zulässt.
Man erkennt in 2, dass in entsprechender Art und Weise auch dann, wenn der Erfassungsumfangsbereich 18 in Kontakt mit dem zu verdichtenden Untergrund 14 ist, die Vorbeibewegung des Kontaktsensors 3 am Drehpositionierungsreferenzbereich 30 das Erreichen der Kontaktreferenzposition K indiziert. Entsprechendes tritt im Verhältnis der beiden Kontaktsensoren 2 und 4 bzw. der dadurch generierten Kontaktsignale S2 und S4 auf. Dies bedeutet, dass im Verlaufe einer einzigen Umdrehung U der Verdichterwalze 12 um ihre Verdichterwalzendrehachse D vier Erfassungen des Winkels α bzw. der Anteile α_Bug und α_Heck entstehen, was die Erfassung dieser Größen mit hoher Präzision bzw. hoher Wiederholungsrate und dementsprechend auch eine entsprechend häufige Berücksichtigung dieser Größen bei durchzuführenden Verdichtungsvorgängen ermöglicht.
Es sei in diesem Zusammenhang darauf hingewiesen, dass selbstverständlich das vorangehend mit Bezug auf die 1 und 2 dargestellte Arbeitsprinzip auch dann zum Einsatz gelangen kann, wenn eine andere Anzahl an Erfassungsumfangsbereichen und auch eine andere Relativpositionierung derselben gewählt ist. Beispielsweise könnten drei Erfassungsumfangsbereiche mit einem Winkelabstand von 120° vorgesehen sein. Auch könnte mit beispielsweise nur zwei Erfassungsumfangsbereichen gearbeitet werden, die einen beliebigen Umfangsabstand zueinander aufweisen. Zu berücksichtigen ist jeweils, dass vorteilhafterweise dann, wenn einer der Erfassungsumfangsbereiche sich in der Kontaktreferenzposition K befindet, ein anderer Erfassungsumfangsbereich mit dem Drehpositionierungsreferenzbereich 30 zur Erzeugung der Drehpositionierungsreferenz zusammenwirkt. Auch ein einziger Erfassungsumfangsbereich könnte durch Zusammenwirkung mit einem Drehpositionierungsreferenzbereich zu dem gewünschten Ergebnis führen. In diesem Falle müsste jedoch zusätzlich noch die Bewegungsgeschwindigkeit bzw. Winkelgeschwindigkeit der Verdichterwalze 12 berücksichtigt werden, um zu ermitteln, wann ein an dem Drehpositionierungsreferenzbereich sich vorbei bewegender Erfassungsumfangsbereich in der Kontaktreferenzposition ist. Unabhängig davon, wie viele Erfassungsumfangsbereiche bzw. Kontaktsensoren eingesetzt werden, besteht grundsätzlich die Möglichkeit, den Drehpositionierungsreferenzbereich an beliebiger Stelle in einem Bodenverdichter dort zu positionieren, wo dies aus baulichen Gründen möglich oder vorteilhaft ist. So könnte beispielsweise in dem in 1 dargestellten Beispiel der Drehpositionierungsreferenzbereich 30 um die Verdichterwalzendrehachse D um 90° nach vorne oder nach hinten verschoben werden, so dass in Zuordnung zum Erfassungsumfangsbereich 22 bzw. zum Kontaktsensor 3 dann beispielsweise das Kontaktsignal S4 oder S2 des Kontaktsensors 4 oder des Kontaktsensors 2 genutzt werden könnte.
Die 3 veranschaulicht an einem vereinfachten Beispiel, dass bzw. wie im Falle einer durch den Winkel α repräsentierten Aufstandsgröße eine Aufstandsbreite b ermittelt werden kann. In dem in 3 dargestellten Fall ist keine Bugwelle 26 vorhanden, so dass die beiden in 1 angesprochenen Anteile α und α_Heck grundsätzlich gleich wären. Der durch den Winkel α repräsentierte Umfangslängenbereich kann durch orthogonale Projektion auf eine durch den zu verdichtenden Untergrund 14 aufgespannte Ebene in die Aufstandsbreite b umgerechnet werden. Bei dem in 3 dargestellten idealisierten, symmetrischen Fall ohne Bugwelle sind die Anteile α_Bug und α_Heck gleich groß und der gesamte Winkel α entspricht der doppelten Aufstandsbreite 2b. Die Aufstandsbreite b wiederum kann in der in 4 dargestellten Hertzschen Formel dazu genutzt werden, unter Mitberücksichtigung der an sich bekannten Größen r, also Radius der Verdichterwalze 12, l, also Länge der Verdichterwalze 12 in Richtung der Verdichterwalzendrehachse D, sowie F, also der durch die Verdichterwalze 12 ausgeübten Gewichtskraft, einen Rückschluss auf Materialeigenschaften, wie den Elastizitätsmodul E bzw. die Querdehnzahl v zu erhalten. Es sei darauf hingewiesen, dass insbesondere im Falle des Auftretens einer Bugwelle und einer bezüglich der Kontaktreferenzposition K unsymmetrischen Kontaktierung des zu verdichtenden Untergrunds 14 für die beiden Teile α_Bug und α_Heck beispielsweise unter Verwendung einer Vektorzerlegung jeweils separate Berechnungen der Aufstandsbreiten vorzunehmen sind. Grundsätzlich besteht aber auch die Möglichkeit, durch Versuche einen Zusammenhang zwischen den physikalischen Eigenschaften von zu verdichtendem Material und den dabei sich einstellenden Kontaktverhältnissen, diese repräsentiert durch die vorangehend beschriebenen Aufstandsgrößen, zu ermitteln und diesen Zusammenhang beispielsweise tabellarisch oder in einer Datenbank abzulegen, so dass im Verlaufe eines Verdichtungsvorgangs durch Vergleich der unter Ausnutzung der Kontaktsignale ermittelbaren Aufstandsgröße mit entsprechenden im Versuch ermittelten Werten auf den Verdichtungszustand des Untergrunds 14 geschlossen werden kann.
Die 5 bis 8 zeigen verschiedene Beispiele von Kontaktsensoren, die bei der in 1 allgemein dargestellten Vorrichtung 10 eingesetzt werden können. So zeigt die 5 einen auch als Pfeifensensor bekannten akustischen Kontaktsensor 1. dieser wird über eine Luftleitung 30 mit Luft L gespeist, die in dem Kontaktsensor 1 einen Pfeifton erzeugt. Dieser wiederum kann durch ein Mikrofon 32 aufgenommen werden. Der Kontaktsensor 1 ist über eine Öffnung 34 im Walzenmantel 14 zur Umgebung hin offen, so dass je nachdem, ob die Öffnung 34 überdeckt ist oder nicht, sich unterschiedliche Frequenzen des im Kontaktsensor 1 entstehenden Tons einstellen werden, wodurch ein Vorbeibewegen des Erfassungsumfangsbereichs 18 beispielsweise am Drehpositionierungsreferenzbereich 30 oder an dem zu verdichtenden Untergrund 14 erkannt werden kann.
Die 6 zeigt die Ausgestaltung des Kontaktsensors 1 als Ultraschallsensor. Dieser generiert ein Ultraschallsignal, das, je nachdem, ob der Erfassungsumfangsbereich 18 mit Material überdeckt ist oder nicht, unterschiedlich reflektiert wird und in einem entsprechenden Empfänger, beispielsweise auch bereitgestellt im Kontaktsensor 1, mit unterschiedlichem Pegel empfangen wird.
Die 7 zeigt einen als mechanischen Tastsensor aufgebauten Kontaktsensor 1. Dieser weist einen eine Öffnung 34 im Walzenmantel 14 durchsetzenden Taster 36 auf, welcher dann, wenn der Erfassungsumfangsbereich 18 von Material überdeckt ist, nach innen verschoben ist. Der Taster 36 kann beispielsweise als Tauchanker ausgebildet sein, so dass dessen Verschiebung im Kontaktsensor 1 zur Erzeugung eines entsprechenden Signals führt.
Die 8 zeigt einen als Drucksensor ausgebildeten Kontaktsensor 1. Über eine Druckluftleitung 38 wird Druckluft L zugeführt. Diese Druckluft L kann über eine beispielsweise auch eine Drosselfunktion entfaltende Öffnung 34 im Walzenmantel 14 entweichen, so lange die Öffnung 34 nicht überdeckt ist. Liegt dem Erfassungsumfangbereich 18 Material gegenüber, welches das Abströmen der Druckluft L über die Öffnung 34 verhindert oder erschwert, wird dies von einem im Kontaktsensor 1 vorgesehenen Drucksensor erfasst.
Es sei darauf hingewiesen, dass selbstverständlich auch die in 1 dargestellten Kontaktsensoren 2 bis 4 entsprechend aufgebaut sein können. Auch ist darauf hinzuweisen, dass in der Vorrichtung 10 auch Kontaktsensoren verschiedener Bauart kombiniert werden können.

Claims

Vorrichtung zur Ermittlung einer einen Kontaktzustand zwischen einer Verdichterwalze und zu verdichtendem Untergrund repräsentierenden Aufstandsgröße (α), umfassend an wenigstens einem Erfassungsumfangsbereich (18, 20, 22, 24) einer um eine Verdichterwalzendrehachse (D) drehbaren Verdichterwalze (12) wenigstens einen ein Kontaktsignal (S1, S2, S3, S4) generierenden Kontaktsensor (1, 2, 3, 4), wobei das Kontaktsignal (S1, S2, S3, S4) einen Kontaktbeginn (A) und ein Kontaktende (E) eines Erfassungsumfangsbereichs (18, 20, 22, 24) mit dem zu verdichtenden Untergrund (14) indiziert.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Erfassungsumfangsbereichen (18, 20, 22, 24) mit jeweils wenigstens einem Kontaktsensor (1, 2, 3, 4) um die Verdichterwalzendrehachse (D) verteilt vorzugsweise im gleichen Axialbereich der Verdichterwalze (12) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungsumfangsbereiche (18, 20, 21, 22) mit im Wesentlichen gleichem Umfangsabstand, vorzugsweise etwa 90°, zueinander angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in wenigstens einem, vorzugsweise jedem Erfassungsumfangsbereich (18, 20, 22, 24) wenigstens ein Kontaktsensor (1, 2, 3, 4) an einer Innenseite eines Walzenmantels (13) der Verdichterwalze (12) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Kontaktsensor (1, 2, 3, 4) ausgebildet ist als: – akustischer Sensor, vorzugsweise Ultraschallsensor oder Pfeifensensor, oder – Tastsensor, oder – Drucksensor.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Drehpositionierungserfassungsanordnung (1, 2, 3, 4, 30) zur Erfassung einer Drehpositionierung der Verdichterwalze (12) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehpositionierungserfassungsanordnung (1, 2, 3, 4, 30) wenigstens einen Kontaktsensor (1, 2, 3, 4) und wenigstens einen in Erfassungswechselwirkung mit dem wenigstens einen Kontaktsensor (1, 2, 3, 4) tretenden, nicht mit der Verdichterwalze (12) um die Verdichterwalzendrehachse (D) drehbaren Drehpositionierungsreferenzbereich (30) umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufstandsgröße (α) einen mit dem zu verdichtenden Untergrund (14) in Kontakt stehenden Umfangsbereich, vorzugsweise Umfangslängenbereich oder Winkelsegment, der Verdichterwalze (12) repräsentiert.
Verfahren zur Ermittlung einer einen Kontaktzustand einer Verdichterwalze (12) mit zu verdichtendem Untergrund (14) repräsentierenden Aufstandsgröße (α), vorzugsweise vermittels einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend das Erfassen eines Kontakts zwischen wenigstens einem Erfassungsumfangsbereich (18, 20, 22, 24) der Verdichterwalze (12) und zu verdichtendem Untergrund (14) während der Rotation der Verdichterwalze (12) um eine Verdichterwalzendrehachse (D).
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufstandsgröße (α) beruhend auf dem im Verlauf der Rotation der Verdichterwalze (12) auftretenden Kontaktbeginn (A) zwischen wenigstens einem Erfassungsumfangsbereich (18, 20, 22, 24) und dem zu verdichtenden Untergrund (14) und dem Kontaktende (E) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufstandsgröße (α) ferner beruhend auf einer Bewegungsgeschwindigkeit der Verdichterwalze (12) oder/und eines Radius (r) der Verdichterwalze (12) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufstandsgröße (α) beruhend auf einem Verhältnis zwischen einer einen Kontakt wenigstens eines Erfassungsumfangsbereichs (18, 20, 22, 24) mit dem zu verdichtenden Untergrund (12) indizierenden ersten Bewegungsdauer (t₀) und einer keinen Kontakt indizierenden zweiten Bewegungsdauer im Verlaufe einer Umdrehung der Verdichterwalze (12) um die Verdichterwalzendrehachse (D) oder/und einer eine Umdrehung (U) der Verdichterwalze (12) indizierenden zweiten Bewegungsdauer ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufstandsgröße (α) sich zusammensetzt aus einem ersten Aufstandsgrößenteil (α_Bug) zwischen dem Kontaktbeginn (A) wenigstens eines Erfassungsumfangsbereichs (18, 20, 22, 24) mit dem zu verdichtenden Untergrund (14) und einer Kontaktreferenzposition (K) und einem zweiten Aufstandsgrößenteil (α_Heck) zwischen der Kontaktreferenzposition (K) und dem Kontaktende (E).
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktreferenzposition (K) eine im Verlaufe der Umfangsbewegung eines Erfassungsumfangsbereichs (18, 20, 22, 24) bezüglich einer zu dem zu verdichtenden Untergrund (14) im Wesentlichen orthogonal stehenden Senkrechten (S) tiefste Positionierung des Erfassungsumfangsbereichs (18, 20, 22, 24) repräsentiert, wobei der erste Aufstandsgrößenteil (α_Bug) ein bugseitiger Teil der Aufstandsgröße (α) und der zweite Aufstandsgrößenteil (α_Heck) ein heckseitiger Teil der Aufstandsgröße (α) ist.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktreferenzposition (K) beruhend auf wenigstens einer Drehpositionierungsreferenz ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehpositionierungsreferenz durch Wechselwirkung wenigstens eines Erfassungsumfangsbereichs (18, 20, 22, 24) mit einem Drehpositionierungsreferenzbereich (30) generiert wird.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Erfassungsumfangsbereich (18, 20, 22, 24) im Wesentlichen dann durch Wechselwirkung mit einem Drehpositionierungsreferenzbereich (30) eine Drehpositionierungsreferenz generiert, wenn ein zweiter Erfassungsumfangsbereich (22, 24, 18, 20) in der Kontaktreferenzposition (K) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufstandsgröße (α) einen mit dem zu verdichtenden Untergrund in Kontakt stehenden Umfangsbereich, vorzugsweise Umfangslängenbereich oder Winkelsegment, der Verdichterwalze (12) repräsentiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass beruhend auf der Aufstandsgröße (α) eine Aufstandsbreite (b) der Verdichterwalze (12) auf dem zu verdichtenden Untergrund (14) ermittelt wird.