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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Oberflächenverdichtung.
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Zur Oberflächenverdichtung können mehreckige, wie z. B. 3-eckige, 4-eckige oder 5-eckige Rollen verwendet werden, die durch eine Zugvorrichtung gezogen werden. Bekannte derartige Rollen besitzen eine Breite von etwa 1 Meter (1 m) und einem Durchmesser von etwa 2–3 Metern (m). Die mehreckige Ausgestaltung der Rollen bzw. Walzen führt dazu, dass diese dann wenn sie durch das Zugfahrzeug über die Erdoberfläche gezogen werden und sich in ihrer Umfangsrichtung über die Erdoberfläche bewegen, impulsartig Kräfte an die Erdoberfläche abgeben und damit den unter der Erdoberfläche befindlichen Boden verdichten.
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Herkömmliche derartige Rollen bzw. Walzen besitzen eine Wirkungstiefe von bis zu 3 Metern, d. h. sie sind geeignet, den Boden bis in eine Tiefe von etwa drei Metern zu verdichten.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Oberflächenverdichtung zur Verfügung zu stellen, die in der Lage ist, den Boden auf effiziente Weise in einer Tiefe von unterhalb von drei Metern zu verdichten.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Oberflächenverdichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Ein Ausführungsbeispiel betrifft eine Vorrichtung zur Oberflächenverdichtung. Diese Vorrichtung umfasst wenigstens zwei Rollen mit unrunden Rollenkörpern, die beabstandet zueinander angeordnet und miteinander gekoppelt sind.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel besitzt jede der beiden Rollen einen im Wesentlichen mehreckigen Querschnitt mit abgerundeten Ecken. ”Mehreckig” bedeutet beispielsweise 3-eckig, 4-eckig, 5-eckig oder 6-eckig. Darüber hinaus besteht beispielsweise auch die Möglichkeit, die Rollen mit einem ovalen Querschnitt zu realisieren. Die beiden Rollen können im Wesentlichen den selben Querschnitt besitzen oder können mit unterschiedlichen Querschnitten realisiert sein.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass wenigstens eine der Rollen selbstangetrieben ist. Das heißt, wenigstens eine der Rollen weist eine Antriebsvorrichtung auf, die dazu ausgebildet ist, die Rolle anzutreiben, ohne dass zusätzlich ein mit der Rolle gekoppeltes Zuggerät notwendig wäre. Die Antriebsvorrichtung kann innerhalb der Rolle oder auch außen an der Rolle angeordnet sein und ist beispielsweise mit einer Welle der wenigstens einen Rolle gekoppelt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass jede der wenigstens zwei Rollen der Vorrichtung selbstangetrieben ist.
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Ein Ausführungsbeispiel sieht vor, die beiden Rollen mittels wenigstens eines hydraulisch oder elektrisch betätigbaren Zylinders miteinander zu koppeln. Dieser wenigstens eine Zylinder ist dazu ausgebildet, den gegenseitigen Abstand der beiden Rollen zueinander zu variieren. Dieser wenigstens eine Zylinder ist beispielsweise zwischen einem axialem Ende eines Zylinders und dem entsprechend im axialen Ende des anderen Zylinders angeordnet. Die beiden anderen axialen Enden der Zylinder können mittels eines Stabs fest miteinander verbunden sein oder können mittels eines weiteren elektrisch oder hydraulisch betätigbaren Zylinders miteinander verbunden sein.
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Das Vorsehen wenigstens eines Zylinders zwischen axialen Enden der beiden Rollen ermöglicht ein Lenken der Gesamtvorrichtung mit den beiden Rollen. Hierzu wird beispielsweise der Abstand der beiden Rollen an einem axialen Ende so verändert, dass die beiden Rollen nicht parallel zueinander liegen. Die Rollenanordnung bewegt sich dann auf einer Kreisbahn, deren Radius durch den Winkel definiert ist, den die beiden Rollen zueinander einnehmen.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Rollen zumindest teilweise innen hohl. Dies ermöglicht, die Rollen vor Ort auf der Baustelle mit Sand oder Wasser zu füllen, um das Einsatzgewicht zu erhöhen, während sie beim Transport leichter sind.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachfolgend anhand von Figuren erläutert.
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1 zeigt schematisch eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer Bodenverdichtungsvorrichtung mit zwei Rollen;
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2 zeigt schematisch eine Draufsicht auf die Bodenverdichtungsvorrichtung gemäß 1;
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3 zeigt schematisch eine Vorderansicht auf die Bodenverdichtungsvorrichtung gemäß 1; und
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4 zeigt schematisch eine Seitenansicht der Bodenverdichtungsvorrichtung gemäß 1.
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Die 1–4 zeigen ein Beispiel einer Verdichtungsvorrichtung mit zwei unrunden Rollen bzw. Walzen 1, 4. Je breiter und länger die Verdichtungsrollen 1, 4 ausgebildet sind, desto größer ist ihre Tiefenwirkung. Dies liegt daran, dass zur Verdichtung die Korn-zu-Korn Reibungskraft im Boden überwunden werden muss. Von den unrunden Rollen geht beim Aufschlag auf dem Boden eine Verdichtungswelle aus. Diese kann in Druck- und Schubwelle aufgeteilt werden. Die Intensität der Schubwelle ist von großer Bedeutung. Ist sie groß genug, überschreitet die aus der Welle folgende Schubverformung den Grenzwert bei dem sich die Körner anfangen gegeneinander zu verschieben, d. h. zu verdichten.
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Die Walzen 1, 4 müssen nicht von einem Traktor gezogen werden, sondern wenigstens eine der Walzen ist durch einen in oder auf ihrer Achse befindlichen Motor (nicht in Zeichnung zu sehen), beispielsweise einen Hydraulikmotor (z. B. einer mit Planetengetriebe, wie bei Allradtraktoren üblich), angetrieben. Damit benötigen die Walzen 1, 4 kein aufwendiges Zuggeschirr, sondern können einfach auf Baustelle zusammengehängt und durch die wenigstens eine selbstangetriebene Walze gezogen bzw. angetrieben werden. Gemäß einem Beispiel ist vorgesehen, dass alle Walzen selbstangetrieben sind.
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Selbstverständlich können auch drei und mehr Walzen (nicht dargestellt) zu einer Vorrichtung zusammengehängt werden. Die Anzahl der selbstangetriebenen Walzen kann dabei (insbesondere abhängig von der Zugkraft bzw. Schubkraft einer selbst angetriebenen Walze) beliebig gewählt werden. So kann die Anzahl der selbstangetriebenen Walzen von eins bis hin zur Gesamtzahl der Walzen in der Vorrichtung reichen. Bei einem Beispiel mit drei oder mehr Walzen ist vorgesehen, selbstangetriebene und nicht-selbstangetriebene Walzen abwechselnd in der Vorrichtung anzuordnen.
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Der modulare auf Baustellen zusammensetzbare Aufbau erlaubt es die einzelnen Walzen gerade so groß zu bauen, dass sie noch in einen genormten Frachtcontainer passen. Das wären bei kleineren Containern etwa 6 m, bei den größeren das Doppelte. Als Variante ist auch denkbar an den Enden der Walzen nur jeweils eine Kopfplatte während des Transports zu montieren. Diese Kopfplatte hätte die genauen Anschlussabmessungen und Verbindungsbolzenlöcher wie ein Frachtcontainer.
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Die über Hydraulikzylinder 3 verbundenen Rollen 1 und 4 können bei eingefahrenen Zylindern 3 so nahe zueinander gestellt werden, dass sie gerade noch aneinander vorbei abrollen können. Die vom Boden jeweils gespürte Aufschlagsfläche verdoppelt sich damit von ca. 2 m auf ca. 4 m. Die Rollenbreite von heute gebräuchlichen 1 m bis 2 m erhöht sich somit auf 6 m. Dies hat enormen Einfluss auf die Verdichtungswirktiefe der Gerätschaft.
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Die Größe der Schubwellenintensität über die Tiefe kann in grober Näherung mit der Theorie nach Boussinesq abgeschätzt werden, die vorhersagt wie sich eine vertikale Spannung im Boden über die Tiefe ausbreitet. Geht man davon aus, dass heute gebräuchliche Geräte eine Aufprallfläche von etwa 2 m × 1 m aufweisen und dabei das Gewicht 10 to beträgt so hat die erfindungsgemäße Vorrichtung eine kombinierte Breite von 4 m und Länge von 6 m.
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Die folgenden zwei Tabellen zeigen die Promille Restspannung (1000 Promille an Erdoberfläche) über die Tiefe als Variable J2 und die Tiefe als z [m].
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Von bisher gebräuchlichen Geräten ist bekannt, dass sie eine Tiefenwirkung von etwa 3 m haben, obwohl manchmal in der Literatur 5 m behauptet werden.
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In diesem Beispiel beträgt für den Standardroller J2 in 3 m Tiefe 82 Promille = 82 Promille = 8.2%.
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Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden ähnlich große Werte (9%) erst in 10 m Tiefe erreicht. Man kann deshalb abschätzen, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung in der Variante mit 6 m Walzenlänge eine Wirktiefe von sicher 7 m und vielleicht 10 m erreicht.
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Es ist also erfindungsgemäß vorgesehen, eine Walze 1 die in der Form unrund ist, mit mindestens einer weiteren Walze 4 zu verbinden. Diese Verbindung erfolgt beispielsweise über Gestänge/Zylinder 3 die starr oder expandierend ausgebildet sein können.
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Mindestens ein Paar solcher Verbindungen (das vorderste) kann expandierend ausgebildet sein, so dass bei ungleicher Expansion wie in 2 gezeigt die vorderste Walze 1 als lenkbare Achse wirkt. Der Antrieb der Vorrichtung ist in mindestens einer der Walzen 1, 4 angebracht. Der Antrieb kann elektrisch oder hydraulisch erfolgen. Die Erzeugung der Antriebsenergie kann in einem Stromerzeuger bzw. Hydraulikaggregat 9 erfolgen, dessen Leistung von einem Regler 10 gesteuert wird. Die Steuerung der gesamten Vorrichtung kann entweder von einer mitfahrenden Person aus einem Führerstand 6 aus oder ferngesteuert erfolgen. Energieerzeuger 9, Steuerung 10 und Führerstand 6 können auf einem Gestell 8 aufgebaut das mit den Walzen 1, 4 über ein Seil, Gestänge, Kette oder Rahmen verbunden ist. In 1 ist die Verbindung über ein Gestänge ausgeführt. Das Gestell 8 kann entweder wie in 1 auf Rollen 7 abrollen, oder auf Kufen oder dergleichen oder Kombinationen davon.
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Die erste Walze 1 und die weitere Walze 4 können bezüglich Abrollzustand versetzt zueinander angeordnet sein, wie in 3 gezeigt. Beim Fahren wird damit die Schwankung des erforderlichen Antriebsdrehmoments stark reduziert, da immer wenn die eine Rolle gehoben wird und dafür extra Drehmoment benötigt, die andere Rolle gerade absinkt und das fast gleiche Drehmoment freisetzt.
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Die Walzen können während der Fahrt mit den Zylindern 3 in verschiedene Distanz zueinander gebracht werden. Es wird vermutet, dass bei der engstmöglichen Verbindung durch Überlagerung der Wirkspannungen beider Walzen 1, 4 die größte Verdichtungstiefenwirkung erzielt wird. Andererseits kann es aber sicherlich eine optimale Distanz geben, bei der die infolge Verdichtung in den Boden eingeprägten Oberflächenunebenheiten die geringste Höhe aufweisen. Dies kann sich positiv auf den Fahrkomfort des Gestells 8 auswirken und damit den Verschleiß der Vorrichtung auswirken.
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Um beim Transport Gewicht zu sparen, können die Walzen 1, 4 innen hohl ausgebildet sein und erst auf der Baustelle mit Wasser, Sand oder ähnlichen Gewicht erhöhenden Stoffen gefüllt werden.
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Eine oder beide Rollen 7 können als Schleppplatte oder Kufen ausgebildet sein, sollte sich herausstellen dass die Bodenoberfläche hinter der letzten Walze 4 noch zu uneben ist um das Gestell 8 darauf fahren zu lassen.
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Einige wesentliche Aspekte sind nachfolgend zusammengefasst.
- 1) Vorrichtung mit wenigstens zwei Verdichtungswalzen (1, 4), von denen wenigstens eine selbstangetrieben ist und die miteinander gekoppelt sind.
- 2) Vorrichtung nach Punkt 1), bei der die wenigstens zwei Verdichtungswalzen (1, 4) über ein Gestänge an ihren axialen Enden gekoppelt sind.
- 3) Vorrichtung nach Punkt 2), bei der das Gestänge wenigstens einen Zylinder aufweist, der zwischen ein axiales Ende einer Walze und ein korrespondierendes axiales Ende einer benachbarten Verdichtungswalze gekoppelt ist.
- 4) Vorrichtung nach Punkt 1), wobei mindestens die vorderste Walze (1) gegenüber folgenden Walzen auch schräg verschoben/ausgelenkt werden kann, so dass durch diese Verschiebung die gesamte Vorrichtung gesteuert werden kann.
- 5) Vorrichtung nach Punkt 1), wobei die Walzen (1 und 4) automatisch von einer Steuerung oder manuell in einen horizontalen Abstand zueinander gebracht werden der optimal ist. Dieser Abstand wird sich mit Erfahrung im Betrieb einstellen lassen. Hierzu könnte z. B. die Scherwellenintensität im Boden in z. B. 5 m Tiefe bei Walzenüberfahrten gemessen werden und der Abstand der Walzen dann so eingestellt werden, dass die Intensität maximal ist. Das könnte beim engstmöglichen Abstand der Fall sein.
- 6) Vorrichtung gemäß den vorherigen Punkten, die modular gebaut ist, so dass die großvolumigen Walzen genau zu normierten Containerabmessungen passen und der diese auf der Baustelle mit einfachen Mitteln zusammengebaut werden können.
- 7) Vorrichtung gemäß den vorherigen Punkten wobei die Antriebsenergie auf einem Gestell (8) erzeugt wird, welches von den als Vortriebseinheit wirkenden Walzen (1 und 4) gezogen wird. Dies vermeidet gegenüber einem Aufbau dieser Komponenten in direkter Verbindung mit den Walzen, dass Hydraulikaggregat oder Stromerzeuger und Fahrer zu stark durchgeschüttelt werden.
- 8) Vorrichtung nach Punkt 7), das nicht nur auf Rollen (7) sondern auch auf Kufen, Schleppplatte oder Kombinationen davon bewegt wird.
- 9) Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Punkte, die analog zu einer Autokarosserie zwischen den beiden Walzen (1 und 4) ausgebildet ist.
- 10) Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Punkte, bei der die Walzen innen hohl ausgeführt sind, so dass ein großer Teil des Walzengewichts im Betrieb von Wasser oder Sandballast aufgebracht wird. Dieses Gewicht ist wichtig für die Höhe der Verdichtungsenergie die pro Walzenumdrehung aufgebracht werden kann.
