DE10354002A1

DE10354002A1 - Innenrüttelvorrichtung mit Drehzahlregelung

Info

Publication number: DE10354002A1
Application number: DE2003154002
Authority: DE
Original assignee: Wacker Construction Equipment AG
Current assignee: WACKER NEUSON PRODUKTION GMBH & CO. KG, DE
Priority date: 2003-11-19
Filing date: 2003-11-19
Publication date: 2005-06-02
Anticipated expiration: 2023-11-20
Also published as: DE10354002B4; WO2005049941A1

Abstract

Eine Innenrüttelvorrichtung (1) zum Verdichten eines fließfähigen Materials weist eine Rütteleinheit (2) auf, in der eine Schwingungserzeugungseinrichtung mit einem Elektromotor angeordnet ist. Dabei ist eine Betriebszustandserkennungseinrichtung (6) zum Erfassen eines Betriebszustands des Elektromotors vorgesehen. Der Betriebszustand kann beispielsweise der Verdichtungsbetrieb der Rütteleinheit (2) in Beton sein oder der Leerlaufbetrieb an der Luft. Die Innenrütteleinrichtung (1) umfasst ferner einer mit der Betriebszustandserkennungseinrichtung (6) verbundene Steuereinrichtung (R, S) zur Steuerung der Drehzahl (x) des Elektromotors in Abhängigkeit von dem Betriebszustand. Somit kann die Drehzahl unabhängig vom Betriebszustand im Wesentlichen konstant gehalten und ein Überhitzen der Rütteleinheit beim Betrieb an der Luft vermieden werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Innenrüttelvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1, sowie ein Verfahren zum Betrieb einer Innenrüttelvorrichtung mit einem Elektromotor gemäß dem unabhängigen Anspruch 13.

Auch als Innenrüttler oder Innenvibratoren bezeichnete Innenrüttelvorrichtungen sind allgemein bekannt und dienen zum Verdichten von flüssigem Beton. Zu diesem Zweck ist an dem Ende eines längeren oder auch kürzeren Schlauchs, im Folgenden auch als Schutz- und Bedienungsschlauch bezeichnet, eine Rüttelflasche befestigt, in der ein Elektromotor und eine von diesem angetriebene Unwuchtmasse bzw. Unwuchteinrichtung untergebracht sind. Die mit sehr hoher Drehzahl drehende Unwuchtmasse erzeugt eine auf den zu verdichtenden Beton abgestimmte Schwingung, die nach Eintauchen der Rüttelflasche in den Frischbeton auf diesen übertragen wird, wodurch Lufteinschlüsse und damit verbundene Porenbildung beseitigt und somit die Rohdichte des Betons erhöht wird, so dass die gewünschte Qualität und Festigkeit erreicht werden kann. Derartige Geräte haben sich in der Praxis hervorragend bewährt.

Bei den bekannten Innenrüttlern bzw. Innenrüttelvorrichtungen werden als integrierte Motoren vor allem ungeregelte Asynchronmaschinen verwendet, bei denen die Drehzahl durch eine Versorgungsspannung und eine Versorgungsfrequenz des versorgenden Netzes und durch die aktuelle Belastung des Innenrüttlers bestimmt ist. Asynchronmotoren müssen bei Innenrüttlern so ausgelegt sein, dass sie im Nennbetrieb des Rüttlers genügend Leistung an die angetriebene Unwucht abgeben. Im Verdichtungsbetrieb des Innenrüttlers, bei dem die Rüttelflasche in den Beton eingetaucht ist, muss die Asynchronmaschine bzw. der Asynchronmotor des Innenrüttlers genügend Leistung für eine effektive Verdichtung aufbringen. Im Verdichtungsbetrieb ist die Rüttelflasche mit dem Asynchronmotor in den als Kühlmedium wirkenden Beton eingetaucht.

Beim Betrieb des Innenrüttlers an der Luft, d. h. nachdem die Rüttelflasche von dem Bediener aus dem Beton herausgenommen wurde, darf der Asynchronmotor trotz weiterhin hoher Leistungsaufnahme und dann fehlender Kühlung nicht durchbrennen.

Asynchronmotoren für Innenrüttler müssen daher zum einen für den Verdich tungsbetrieb im Beton und zum anderen für den ungekühlten Leerlaufbetrieb an der Luft ausgelegt werden. Der Kompromiss zwischen guter Betonleistung und thermischer Stabilität führt dazu, dass die Last-Drehzahl des Elektromotors im Beton von seiner Leerlaufdrehzahl stark abweicht. Dadurch verschlechtert sich das erreichbare Verdichtungsergebnis. Ferner führt der Kompromiss dazu, dass die Innenrüttler beim Leerlaufbetrieb an Luft, also ohne Kühlwirkung durch den Beton, sehr heiß werden und sich abschalten oder durchbrennen können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Innenrüttelvorrichtung anzugeben, die an der Luft und in Beton beliebig lange betrieben werden kann und die eine gute Verdichtungsleistung ermöglicht, sowie ein Verfahren zum Betrieb einer Innenrüttelvorrichtung.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Innenrüttelvorrichtung nach Anspruch 1 und durch ein Verfahren nach Anspruch 13 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind unter anderem in abhängigen Ansprüchen definiert und/oder werden in der weiteren Beschreibung erläutert.

Gemäß der Erfindung wird eine Innenrüttelvorrichtung zum Verdichten eines fließfähigen Materials mit einer Rütteleinheit, in der eine Schwingungserzeugungseinrichtung mit einem Elektromotor angeordnet ist, angegeben. Die Innenrüttelvorrichtung umfasst ferner eine Betriebszustandserkennungseinrichtung zum Erfassen bzw. Messen eines Betriebszustands des Elektromotors und eine mit der Betriebszustandserkennungseinrichtung verbundene Steuereinrichtung zum Steuern der Drehzahl des Elektromotors in Abhängigkeit von dem Betriebszustand. Mittels der Betriebszustandserkennungseinrichtung kann insbesondere erkannt werden, ob die Innenrüttelvorrichtung im Verdichtungsbetrieb, beispielsweise mit der Rütteleinheit bzw. -flasche in flüssigem Beton, betrieben wird oder an der Luft. Unabhängig davon, ob die Innenrüttelvorrichtung im Verdichtungsbetrieb in Beton betrieben wird oder an der Luft, wird die Drehzahl des Elektromotors im Wesentlichen konstant gehalten. Die Drehzahl wird beispielsweise auf 10.000 Umdrehungen pro Minute gesteuert oder auch geregelt, unabhängig davon, welcher Betriebszustand des Elektromotors vorliegt.

Bei bekannten Innenrüttelvorrichtungen liegt die Leerlaufdrehzahl, d. h. die Drehzahl des Elektromotors (z. B. eines Asynchronmotors) beim Betrieb an Luft, beispielsweise bei 11.500 Umdrehungen pro Minute bei einer Versorgungsfre quenz des Elektromotors mit 200 Hz. Die Lastdrehzahl beim Verdichtungsbetrieb der Innenrüttelvorrichtung in Beton liegt dagegen beispielsweise bei 9.000 bis 10.000 Umdrehungen pro Minute. Das heißt, die Drehzahl verändert sich je nach Betriebszustand des Elektromotors bei bekannten Innenrüttlern erheblich.

Bei der Erfindung hingegen bleibt die Drehzahl des Elektromotors unabhängig vom momentanen Betriebszustand des Elektromotors im Wesentlichen konstant, d. h. sowohl beim Verdichtungsbetrieb in Beton als auch beim Betrieb an Luft.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Betriebszustandserkennungseinrichtung eine Erfassungseinrichtung zum Erfassen der Drehzahl des Elektromotors und/oder zum Erfassen der Schwingungsfrequenz der Rütteleinheit. Es können auch andere Parameter erfasst werden, aus denen sich die Drehzahl des Elektromotors ableiten lässt. Somit kann die tatsächliche Drehzahl des Elektromotors erfasst und auf den vorgegebenen Drehzahlwert gesteuert oder auch geregelt werden.

Die Erfassungseinrichtung kann dabei eine Schalldruckerfassungseinrichtung zur Erfassung eines Schalldrucks umfassen. Als Schalldruckerfassungseinrichtung können beispielsweise ein oder mehrere Mikrofone verwendet werden. Aus mit der Schalldruckerfassungseinrichtung erfassten Schalldruckschwingungen kann die Drehzahl des Elektromotors und/oder die Schwingungsfrequenz der Rütteleinheit bestimmt werden.

Bevorzugt umfasst die Innenrüttelvorrichtung einen Messschlauch, dessen eines Ende in oder nahe an der Rütteleinheit endet. Die Schalldruckerfassungseinrichtung ist im Messschlauch oder im Bereich seines anderen Endes angeordnet. Dabei wird ein vom Elektromotor und/oder der Rütteleinheit erzeugter Schalldruck durch den Messschlauch geleitet und kann so von der Schalldruckerfassungseinrichtung zuverlässig erfasst bzw. gemessen werden. Aufgrund der Schallleitung durch den Messschlauch kann die Schalldruckerfassungseinrichtung auch räumlich getrennt außerhalb der Rütteleinheit angeordnet sein. Dies ist von Vorteil, da die Anordnung der Schalldruckerfassungseinrichtung in oder nahe der Rütteleinheit zur Zerstörung der Schalldruckerfassungseinrichtung führen kann, weil diese dort unter Umständen starken Vibrationen ausgesetzt ist.

In einer besonders einfachen Ausführungsform ist der Messschlauch ein ohnehin an der Rütteleinheit befestigter Schutz- und Bedienungsschlauch. Ein Schutz- und Bedienungsschlauch verbindet üblicherweise die Rütteleinheit einer Innenrüttelvorrichtung beispielsweise mit einem Schalter- bzw. Umrichtergehäuse. Es ist also möglich, beispielsweise ein Mikrofon im Umrichtergehäuse anzuordnen, so dass der Schalldruck, der von der Rütteleinheit bzw. vom Elektromotor erzeugt wird, über den Schutz- und Bedienungsschlauch zum Mikrofon geleitet werden kann. Auch bei dieser Ausführungsform wird die Schalldruckerfassungseinrichtung nicht den starken Vibrationen in der Nähe bzw. innerhalb der Rütteleinheit ausgesetzt.

Die Erfassungseinrichtung kann auch Beschleunigungssensoren zum Erfassen der Vibration der Rütteleinheit aufweisen. Solche Beschleunigungssensoren sind beispielsweise aus der Kfz-Technik bekannt. Über periodische Messwerte der Beschleunigungssensoren, die durch die Beschleunigung bzw. Vibration der Rütteleinheit erzeugt werden, lässt sich die Drehzahl des Elektromotors bestimmen. Die Beschleunigungssensoren müssen dabei nicht in der Rütteleinheit oder der Rüttelflasche angeordnet sein. Die Beschleunigungssensoren können auch im Schutz- und Bedienungsschlauch in der Nähe der Flasche angeordnet sein.

Die Drehzahl des Elektromotors ist vorzugsweise mittels der Steuereinrichtung über eine Versorgungsspannung des Elektromotors und/oder über eine Veränderung einer Versorgungsfrequenz des Elektromotors steuerbar. Das heißt, die Versorgungsspannung und/oder die Versorgungsfrequenz des Elektromotors wird in Abhängigkeit vom dem Betriebszustand oder in Abhängigkeit von der momentanen, vom vorgegebenen Wert abweichenden Drehzahl des Elektromotors verändert.

Insbesondere ist es von Vorteil, dass die Drehzahl des Elektromotors mittels der Steuereinrichtung über eine Veränderung einer Versorgungsspannung und/oder einer Versorgungsfrequenz herabsetzbar ist, falls die Drehzahl des Elektromotors bzw. die Schwingungsfrequenz der Rütteleinheit einen vorgebbaren Schwellwert überschreiten. Das heißt, die momentane Drehzahl des Elektromotors wird überwacht und herabgesetzt, falls sie den vorgebbaren Schwellwert überschreitet. Somit kann beispielsweise bei einem Ausfall einer Regelelektronik zur Drehzahlsteuerung eine Abschaltung bzw. Drehzahlbegrenzung zuverlässig gewähr leistet werden.

In verschiedenen Ausführungsformen kann die Erfassungseinrichtung innerhalb oder außerhalb der Rüttelvorrichtung angeordnet sein. Es ist auch möglich, dass Teile der Erfassungseinrichtung innerhalb und Teile der Erfassungseinrichtung außerhalb der Rütteleinheit angeordnet sind. Beispielsweise können das Mikrofon oder der Beschleunigungssensor innerhalb der Rütteleinheit angeordnet sein und eine Auswerteeinheit zum Auswerten der Messwerte des Mikrofons bzw. des Beschleunigungssensors im Schalter- oder Umrichtergehäuse. Die Auswerteeinheit bestimmt aus den Messwerten des Mikrofons bzw. des Beschleunigungssensors die Drehzahl des Elektromotors.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Innenrüttelvorrichtung eine Regeleinrichtung zur Regelung der Drehzahl des Elektromotors auf einen vorgebbaren Wert. Als Regeleinrichtung können alle bekannten Regler eingesetzt werden. Der vorgebbare Wert wird vorteilhafterweise auf einen zur Verdichtung von flüssigem Beton besonders vorteilhaften Wert eingestellt, beispielsweise auf 10.000 Umdrehungen pro Minute. Der vorgebbare Wert entspricht also dem Sollwert bzw. der Führungsgröße des Regelkreises bzw. der Regeleinrichtung. Die momentane Drehzahl des Elektromotors ist die Regelgröße bzw. der Istwert.

Als Elektromotor kann eine an sich bekannte Asynchronmaschine eingesetzt werden.

Durch die adaptive Drehzahlregelung bzw. Drehzahlsteuerung des Motors entsteht eine Innenrüttelvorrichtung mit unbegrenzter Laufzeit an Luft. Dessen Antrieb kann dabei wesentlich stärker gewickelt werden, da die Drehzahl im Wesentlichen konstant gehalten wird und so Überhitzungen vermieden werden. Durch die stärkere Wicklung des Motors gegenüber bisher verwendeten Elektromotoren in bekannten Innenrüttelvorrichtungen wird eine hohe Drehstabilität der Rütteleinheit im Verdichtungsbetrieb in Beton erreicht. Somit sind keine Thermoschalter mehr nötig, die bei bekannten Innenrüttelvorrichtungen dafür sorgen, dass der Elektromotor bei Überhitzung, beispielsweise beim Betrieb an Luft, abgeschaltet wird. Dies führt zu einer Reduzierung der Herstellungskosten und zur Verhinderung von Ausfallzeiten beim Betrieb von Innenrüttelvorrichtungen. Ein Bediener muss nicht warten, bis eine überhitzte Innenrüttelvorrich tung bzw. ein überhitzter Elektromotor abgekühlt und wieder betriebsbereit ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb einer Innenrüttelvorrichtung mit einem Elektromotor wird die Drehzahl des Elektromotors auf einen fest vorgebbaren Wert gesteuert und/oder geregelt. Das heißt, die Drehzahl des Elektromotors bleibt unabhängig vom Belastungszustand im Wesentlichen konstant.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen mit Bezug auf die Zeichnungen ersichtlich. Es zeigen:
1 eine erste Ausführungsform der Erfindung;
2 eine zweite Ausführungsform der Erfindung; und
3 einen Regelkreis zur Regelung der Drehzahl des Elektromotors.
1 zeigt einen Innenrüttler 1 mit einer Rüttelflasche 2, die an einem Ende eines Schutz- und Bedienungsschlauchs 3 befestigt ist. In der Rüttelflasche 2 sind eine Unwucht- bzw. Schwingungsmasse und ein die Unwuchtmasse antreibender Elektromotor angeordnet (nicht dargestellt). Am anderen Ende des Schutz- und Bedienungsschlauchs 3 ist ein Schaltergehäuse 4 befestigt, das einen Ein-Ausschalter sowie einen Frequenz-Umrichter enthalten kann. Der Umrichter wird über ein Netzkabel 5 mit Strom aus einem Stromnetz versorgt und erzeugt in bekannter Weise aus dem Netzstrom eine Versorgungsspannung und eine gegenüber der Netzfrequenz höhere Versorgungsfrequenz für den Elektromotor in der Rüttelflasche 2.
In der Rüttelflasche 2 ist ein Beschleunigungssensor 6 angeordnet. Beim Betrieb des Innenrüttlers 1 können mit dem Beschleunigungssensor 6 Vibrationen bzw. Schwingungen der Rüttelflasche 2 gemessen werden. Die Messwerte werden über ein Messkabel 7 an einen Regler im Schaltergehäuse 4 übertragen. Der Regler regelt die Drehzahl des Elektromotors auf einen veränderlich vorgebbaren oder werksseitig fest vorgegebenen Wert. Die Regelung der Drehzahl erfolgt dabei über eine Veränderung der Versorgungsspannung. Es ist auch möglich, dass die Regelung über die Veränderung der Versorgungsfrequenz erfolgt, oder es werden zur Regelung sowohl die Versorgungsspannung als auch die Versorgungsfrequenz verändert.
Die Drehzahl des Elektromotors im Innenrüttler 1 aus 1 wird z. B. auf 10.000 Umdrehungen pro Minute geregelt. Durch den Regelkreis kann diese Drehzahl unabhängig vom Betriebszustand des Elektromotors im Wesentlichen konstant gehalten werden. Insbesondere wird die Drehzahl sowohl beim Betrieb des Innenrüttlers 1 an Luft als auch beim Verdichtungsbetrieb mit der Rüttelflasche 2 in Beton auf den vorgegebenen Wert geregelt.
2 zeigt eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Innenrüttlers 1. Bei dieser Ausführungsform ist der Beschleunigungssensor 6 außerhalb der Rüttelflasche 2 angeordnet. Die Vibrationen der Rüttelflasche 2 werden dabei auf den Schutz- und Bedienungsschlauch 3 übertragen, und die Vibrationen des Schutz- und Bedienungsschlauchs 3 können mit dem Beschleunigungssensor 6 gemessen werden. Wie bei der ersten Ausführungsform werden die Messwerte des Beschleunigungssensors 6 über das Messkabel 7 an eine Auswerteeinheit im Schaltergehäuse 4 übertragen. Aus den Messwerten kann wie oben beschrieben die Drehzahl des Elektromotors bestimmt werden. Eine Regeleinrichtung regelt die Drehzahl des Elektromotors auf einen vorgebbaren Wert, beispielsweise auf 10.000 Umdrehungen pro Minute.
3 zeigt einen Regelkreis zur Drehzahlregelung des Elektromotors der Innenrüttelvorrichtung 1. Durch den Regelkreis wird eine Drehzahl x, die Regelgröße des Regelkreises, auf einen vorgebbaren Drehzahlwert w, dem Sollwert des Regelkreises, geregelt. Die Drehzahl x wird dabei vom Beschleunigungssensor 6 erfasst. Eine vom Beschleunigungssensor 6 gemessene Drehzahl xM wird zusammen mit der vorgebbaren Drehzahl w einem Regler R zugeführt. Der Regler R bestimmt eine Steuergröße u, die von einer Stelleinrichtung S in eine Versorgungsspannung y1 und eine Versorgungsfrequenz y2 umgeformt wird. Die Versorgungsspannung y1 und die Versorgungsfrequenz y2 steuern einen Motor M an. Auf den Motor M wirkt eine Störgröße z. Die Störgröße z entspricht beispielsweise einer Last, die auf den Motor beispielsweise im Verdichtungsbetrieb in Beton wirkt. Als Regler R in 3 können beliebige bekannte Regler verwendet werden, die eine zuverlässige Regelung der Drehzahl x gewährleisten. Der Beschleunigungssensor 6 im Regelkreis von 3 kann auch ersetzt werden durch andere Erfassungseinrichtungen, die geeignet sind, die Drehzahl x des Motors zu bestimmen. Wie oben angegeben, kann beispielsweise ein Mikrofon oder ein einfacher Drehzahlmesser bzw. Drehzahlsensor zur Drehzahlmessung anstelle des Beschleunigungssensors 6 verwendet werden.
Weitere Ausführungsformen der Erfindung können vom Fachmann leicht gefunden werden. Es können beispielsweise weitere Arten von Sensoren oder Messeinrichtungen verwendet werden, mittels derer eine Drehzahlerfassung des Motors möglich ist.

Claims

Innenrüttelvorrichtung (1) zum Verdichten eines fließfähigen Materials, mit einer Rütteleinheit (2), in der eine Schwingungserzeugungseinrichtung mit einem Elektromotor angeordnet ist, gekennzeichnet durch – eine Betriebszustandserkennungseinrichtung (6) zum Erfassen eines Betriebszustands des Elektromotors und – eine mit der Betriebszustandserkennungseinrichtung (6) verbundene Steuereinrichtung (R, S) zum Steuern der Drehzahl (x) des Elektromotors in Abhängigkeit von dem Betriebszustand.
Innenrüttelvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebszustand ein Belastungszustand ist, und dass mittels der Betriebszustandserkennungseinrichtung (6) eine Belastung des Elektromotors erfassbar ist.
Innenrüttelvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebszustandserkennungseinrichtung eine Erfassungseinrichtung (6) zum Erfassen der Drehzahl (x) des Elektromotors und/oder zum Erfassen der Schwingungsfrequenz der Rütteleinheit (2) umfasst.
Innenrüttelvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtung (6) eine Schalldruckerfassungseinrichtung zum Erfassen eines Schalldrucks umfasst.
Innenrüttelvorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen Messschlauch (3), dessen eines Ende in oder nahe an der Rütteleinheit (2) endet, wobei die Schalldruckerfassungseinrichtung im Messschlauch (3) oder im Bereich seines anderen Endes angeordnet ist.
Innenrüttelvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Messschlauch ein an der Rütteleinheit (2) befestigter Schutz- und Bedienungsschlauch (3) ist.
Innenrüttelvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtung Beschleunigungssensoren zur Erfassung der Vibration der Rütteleinheit (2) umfasst.
Innenrüttelvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl (x) des Elektromotors mittels der Steuereinrichtung über eine Versorgungsspannung des Elektromotors und/oder über eine Veränderung einer Versorgungsfrequenz des Elektromotors steuerbar ist.
Innenrüttelvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl (x) des Elektromotors mittels der Steuereinrichtung über eine Veränderung einer Versorgungsspannung und/oder einer Versorgungsfrequenz herabsetzbar ist, falls die Drehzahl (x) des Elektromotors und/oder die Schwingungsfrequenz der Rütteleinheit (2) einen vorgebbaren Schwellwert überschreiten.
Innenrüttelvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtung (6) innerhalb oder außerhalb der Rütteleinheit (2) angeordnet ist, oder dass Teile der Erfassungseinrichtung (6) innerhalb und Teile der Erfassungseinrichtung (6) außerhalb der Rütteleinheit (2) angeordnet sind.
Innenrüttelvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Regeleinrichtung (R) zum Regeln der Drehzahl (x) des Elektromotors auf einen vorgebbaren Wert.
Innenrüttelvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor eine Asynchronmaschine ist.
Verfahren zum Betrieb einer Innenrüttelvorrichtung mit einem Elektromotor, gekennzeichnet durch die Schritte, – Steuern und/oder Regeln der Drehzahl (x) des Elektromotors auf einen fest vorgebbaren Wert.