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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf Verdichtersysteme und Materialverdichtungsstrategien und bezieht sich insbesondere auf das Überwachen eines Verdichtungsfortschrittes mittels Sensordaten, welche die Achsenhöhen eines Verdichters bzw. Kompaktors mit strukturierten Walzen anzeigen.
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Hintergrund
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Eine große Vielzahl von unterschiedlichen Verdichtungssystemen werden bei der Vorbereitung von Erdauffüllungen und bei der Verdichtung von anderen Materialien in Geländeformgebungsprojekten verwendet, wie beispielsweise beim Bau, beim Straßenbau und bei Landverfüllungs- bzw. Deponieaktivitäten. Selbstangetriebene zweirädrige und vierrädrige Verdichter, Anhängersysteme bzw. hinterherziehbare Systeme und andere Systeme sind wohlbekannt und werden weithin benutzt. Ingenieure haben seit vielen Jahren erkannt, dass die Möglichkeit, dass Substratmaterialien über längere Zeit stabil bleiben können, Lasten tragen können oder als Barrieren für Flüssigkeiten dienen können, genauso wie die Möglichkeit, dass andere Eigenschaften stabil bleiben können, in beträchtlichem Ausmaß von der Verdichtung eines vorliegenden Materials bis zu einem gewissen Verdichtungszustand abhängen können. Das einfache Fahren eines Verdichters über einen Arbeitsbereich wird tendenziell den relativen Verdichtungszustand des vorliegenden Materials vergrößern. Somit ist die Abdeckung bzw. das Überfahren mit dem Verdichter in gewissem Ausmaß ein Maß, welches verwendet worden ist, um es einem Bediener oder Geländemanager zu ermöglichen, abzuschätzen, dass ein anvisierter Verdichtungszustand erreicht worden ist. Während die Kenntnis, wie oft ein Verdichter über einen gegebenen Bereich einer Arbeitsfläche gefahren ist, eine nützliche Information sein kann, erfordern viele moderne Verdichtungsprojekte ein genaueres Verständnis des tatsächlichen Verdichtungszustandes oder des Verdichtungsansprechens des Materials.
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Unterschiedliche Materialien können ein stark variierendes ”Verdichtungsansprechen” oder eine Veränderung der Eigenschaften haben, die aus einer Abdeckung bzw. Überfahrbearbeitung mit einer Verdichtermaschine resultieren. Beispielsweise zeigen sandige oder körnige Böden tendenziell eine andere Veränderung eines relativen Verdichtungszustandes bei jedem Mal, wenn ein Verdichter über einen gegebenen Bereich fährt, als dies Tonböden tun. Lokale Variationen der Materialzusammensetzung oder des Feuchtigkeitsgehaltes innerhalb eines Arbeitsbereiches genauso wie Veränderungen des Feuchtigkeitsgehaltes über die Zeit, können auch Ungleichmäßigkeiten beim Verdichtungszustand zur Folge haben, auch wenn die Verdichterabdeckung gleichmäßig gewesen ist. Zusätzlich zum Vorhersagen eines Erfolges, abhängig von der Erfüllung von Verdichtungsspezifikationen, können auch Bezahlungen oder Boni für Auftragnehmer auf der Qualität und der Termineinhaltung von speziellen Verdichtungsaufträgen basieren. Genauso wie bei vielen schweren Baumaschinen kann der Betrieb von Verdichtern ziemlich teuer sein, und unnötige Arbeit oder Nachbesserungsaufträge erzeugen unerwünschte Kosten. Wegen der vorangegangenen und anderer Gründe gibt es oft eine Vorgabe, dass Maschinen und/oder Bediener, die ausreichend Arbeit mit einem Verdichtungssystem ausführen können, ein vordefiniertes Ziel erfüllen, jedoch irgendwelchen zusätzlichen verschwendeten Aufwand vermeiden.
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Zu diesem Zweck sind verschiedene Strategien bekannt, welche Informationen an einen Bediener oder Geländemanager liefern, welche einen Verdichtungszustand des Materials anzeigen, und zwar weitergehend als alleine die Kenntnis, wie oft ein Verdichter über das Material gefahren ist. Korndichtemessgeräte werden verwendet, um die Dichte eines Substratmaterials nach dem Überfahren mit einem Verdichter zu bewerten. Während solche Mechanismen ziemlich präzise sind, kann die Dichte eines verdichteten Materials alleine nicht der interessanteste Faktor sein. Der Feuchtigkeitsgehalt kann Dichtemessungen beeinflussen und kann sich mit der Zeit aufgrund von Ausscheidungen und Verdampfung verändern, was zur Folge hat, dass basierend auf Dichtemessungen angenommen wird, dass ein Material in idealer Weise verdichtet ist, es tatsächlich jedoch nicht ist. Messungen der Tiefe von Spurrillen, die von Maschinen hinterlassen werden, die über eine verdichtete Oberfläche fahren, oder ähnliche Tests, werden auch verwendet, und unter einigen Rechtsprechungen dienen diese als eine primäre Verdichtungsspezifikation. Spurrillentiefenmessungen erfordern jedoch oft manuelle Aktivitäten von Personal auf dem Arbeitsgelände und/oder bieten nur eine Momentaufnahme des Verdichtungszustandes des Materials an einer Stelle. Darüber hinaus ist das Formen von Spurrillen über die gesamte Oberfläche eines Arbeitsbereiches mit einer Maschine, die gewisse Spezifikationen hat, und das Messen der Spurrillentiefe unpraktisch. Sogenannte ”Auswalztests” sind auch weithin verwendet worden, wobei ein Verdichter mit strukturierten Walzen auf eine verdichtete Oberfläche gefahren wird, und eine Sichtinspektion verwendet wird, um zu bestimmen, ob die Walzenspitzen bzw. Walzenstruktur wesentlich in eine verdichtete Oberfläche eindringt. Falls nicht, kann grob angenommen werden, dass das verdichtete Material genügend verdichtet worden ist.
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Noch weitere Strategien nutzen die Differenz zwischen einem tatsächlichen Radius einer Verdichtungswalze und einem effektiven Rollradius aus. Ein Beispiel eines solchen Ansatzes wird in dem ebenfalls zueignen
US-Patent 7,428,455 von Corcoran offenbart. Das Anzeigen einer Verdichtung durch einen effektiven Rollradius hat sich als ein gangbarer und in einigen Fällen überlegener Ansatz im Vergleich zu anderen Techniken erwiesen. Es bleibt jedoch noch Raum für weitere Verbesserungen.
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Zusammenfassung der Offenbarung
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Gemäß einem Aspekt weist ein Verfahren zum Vorbereiten eines Arbeitsbereiches mit einem Verdichtersystem mit einer strukturierten Walze auf, ein Materialsubstrat in dem Arbeitsbereich zumindest teilweise durch Bewegen des Verdichtersystems derart zu verdichten, dass eine Außenfläche der strukturierten Walze sich in Kontakt mit dem Materialsubstrat dreht. Das Verfahren weist weiter auf, die strukturierte Walze auf radial vorstehenden Walzenspitzen bzw. Walzenstrukturen zu tragen, so dass die Außenfläche der strukturierten Walze von dem verdichteten Materialsubstrat abgehoben ist, und das Abfühlen eines Parameters, der eine Achsenhöhe der strukturierten Walze relativ zu einer Oberfläche des verdichteten Materialsubstrats während des Tragens der strukturierten Walze anzeigt. Das Verfahren weist weiter auf, ein Verdichtungsfortschrittssignal ansprechend auf den abgefühlten Parameter auszugeben.
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Gemäß einem weiteren Aspekt weist ein Verfahren zum Bestimmen eines Verdichtungszustandes eines Materialsubstrates auf, einen Parameter abzufühlen, der eine Achsenhöhe eines Verdichters mit einer strukturierten Walze anzeigt, welche von einer Vielzahl von radial vorstehenden Walzenspitzen bzw. Walzenstrukturelementen auf einer Oberfläche eines verdichteten Materialsubstrats getragen wird, und das Empfangen von Sensordaten, die mit dem abgefühlten Parameter assoziiert sind, an einer elektronischen Steuereinheit. Das Verfahren weist weiter auf, ansprechend auf die Sensordaten ein Signal aus der elektronischen Steuereinheit auszugeben, welches einen Verdichtungszustand des verdichteten Materialsubstrates anzeigt.
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Gemäß noch einem weiteren Aspekt weist ein Verdichtersystem einen Rahmen und eine strukturierte Walze auf, welche eine Drehachse definiert und eine Vielzahl von Spitzen bzw. Strukturelementen hat, die radial von einer zylindrischen äußeren Walzenfläche vorstehen. Das Verdichtersystem weist weiter eine Walzenachse auf, welche drehbar die strukturierte Walze mit dem Rahmen koppelt, und einen Sensor, der konfiguriert ist, um einen Parameter abzufühlen, der eine Höhe der Walzenachse über einer Oberfläche eines Materialsubstrates anzeigt, und eine elektronische Steuereinheit. Die elektronische Steuereinheit ist mit einem Sensor gekoppelt und ist konfiguriert, um ein Verdichtungsfortschrittssignal ansprechend auf Eingangsgrößen vom Sensor auszugeben.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist eine schematische Seitenansicht eines Verdichtersystems gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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2 ist eine schematische Seitenansicht einer strukturierten Verdichterwalze, die auf einem Substrat getragen wird, an zwei verschiedenen Stellen;
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3 ist ein bildliche Darstellung einer Anzeige, welche einen aufgezeichneten Verdichtungszustand gemäß einem Ausführungsbeispiel veranschaulicht; und
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4 ist ein Flussdiagramm, welches Teile einer Steuer/Überwachungsroutine gemäß einem Ausführungsbeispiel veranschaulicht.
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Detaillierte Beschreibung
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Mit Bezug auf 1 ist dort ein Verdichtersystem 10 gezeigt, welches einen Verdichter 11 gemäß der vorliegenden Offenbarung aufweist. Das Verdichtersystem 10 ist im Zusammenhang mit einem selbstangetriebenen Verdichter mit vier Walzen mit einem Rahmen 12 gezeigt, der eine vorderer Rahmeneinheit 14 und eine hintere Rahmeneinheit 16 aufweist, die an einer Gelenkverbindung 18 miteinander gekoppelt sind. Eine Bedienerkabine 20 ist am Rahmen 12 befestigt und weist eine Bedienersteuerstation 21 auf, von der ein Bediener die Aktivitäten des Verdichtersystems 10 steuern kann, wie hier weiter beschrieben wird. Der Verdichter 11 kann mit einem Werkzeug 36 ausgerüstet sein, wie beispielsweise mit einem Schild oder Ähnlichem, und zwar für in der Technik wohlbekannte Zwecke. In 1 sind zwei strukturierte Walzen gezeigt, welche eine rechte vordere Walze 24 und eine rechte hintere Walze 22 aufweisen, wobei jede davon eine Vielzahl von Strukturelementen bzw. Spitzen 26 aufweist, die von einer zylindrischen äußeren Walzenfläche 28 vorstehen. Es sei bemerkt, dass der Verdichter 11 auch eine linke vordere Walze und eine linke hintere Walze aufweisen kann, die in der Darstellung der 1 nicht sichtbar sind. Die Strukturelemente 26 können irgendwelche von einer Vielzahl von bekannten Walzenstrukturelementkonfigurationen sein, was herkömmliche Schafsfüße, Kissenfüße oder andere Strukturelementkonstruktionen miteinschließt, und es sei bemerkt, dass die vorliegende Offenbarung auf Verdichtersysteme mit strukturierten Walzen ohne Einschränkung auf irgendeinen speziellen Strukturelementstil anwendbar ist.
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In ähnlicher Weise sei es bemerkt, dass die in 1 gezeigte Maschinenkonfiguration nur veranschaulichend ist. Eine große Vielzahl von Verdichtungssystemen mit strukturierten Walzen können in vorteilhafter Weise gemäß den hier dargelegten Lehren ausgelegt und betrieben werden. Anstatt eines selbstangetriebenen Verdichtersystems mit vier Walzen könnte das Verdichtersystem 10 beispielsweise einen nachziehbaren bzw. angehängten Verdichter mit strukturierten Walzen, einen Verdichter mit einer einzelnen Walze mit einem Satz von hinten befestigten mit dem Boden in Eingriff stehenden Antriebsrädern oder noch eine andere Bauart eines Verdichters aufweisen. Jede der strukturierten Walzen 22 und 24 kann drehbar mit dem Rahmen 12 mit einer Walzenachse gekoppelt sein, wobei eine davon in Verbindung mit der strukturierten Walze 22 gezeigt ist und mit einem Bezugszeichen 30 bezeichnet wird, wobei diese eine Drehachse A hat. Das Verdichtersystem 10 ist in 1 derart gezeigt, dass es auf einem Materialsubstrat Z mit einer Oberfläche S getragen wird. Das Substrat Z kann Erdboden, Deponiemüll oder eine andere Art von Material aufweisen, und die strukturierten Walzen 22 und 24 sind so positioniert, dass die zylindrische Außenfläche 28 die Oberfläche S berührt und die Strukturelemente 26 durch die Oberfläche S in das Material des Substrates Z eindringen. Wie weiter aus der folgenden Beschreibung deutlich wird, kann das Verdichtersystem 10 in einzigartiger Weise konfiguriert sein, um die Verdichtungsaktivitäten in einem Arbeitsbereich zu überwachen und/oder zu steuern, und es einem Bediener oder Geländemanager oder einem automatisierten System ermöglichen, das Verdichtersystem 10 derart zu steuern, dass anvisierte Verdichtungsspezifikationen bzw. Soll-Verdichtungsspezifikationen für ein spezielles Projekt erfüllt werden und unnötiger Aufwand verringert oder vermieden wird.
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Zu diesem Zweck kann das Verdichtersystem 10 ein Steuersystem 39 mit einem Sensor 32 aufweisen, der konfiguriert ist, um einen Parameter abzufühlen, der eine Höhe der Walzenachse 30 über der Oberfläche S anzeigt. Der Sensor 32 kann einen Signalwandler aufweisen, der konfiguriert ist, um ein übertragenes Signal oder eine Komponente eines übertragenen Signals abzufühlen, welches von der Oberfläche S reflektiert wird. In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel ist ein einzelner Sensor 32 gezeigt, der mit dem Rahmen 12 gekoppelt ist und auf diesem liegt. In anderen Ausführungsbeispielen könnten zusätzliche Sensoren, wie beispielsweise ein (nicht gezeigter) Frontsensor, der mit der vorderen Walze 24 assoziiert ist, verwendet werden, oder einzelne Sensoren, die in der Nähe von jeder Verdichtungswalze gelegen sind, so dass insgesamt vier Sensoren vorhanden sind. In einer praktischen Ausführungsstrategie kann der Sensor 32 auf oder nahe einem Mittelpunkt der Achse 30 gelegen sein, auf oder nahe einer Längsmittellinie des Rahmens 12. Das übertragene Signal kann beispielsweise ein Schallsignal, ein RF- bzw. Hochfrequenzsignal oder ein Lasersignal sein, welches von einem Sender 34 gesendet wird, der mit dem Sensor 32 in einem Gehäuse 38 montiert ist. Der Sensor 32 kann einen kontaktlosen Sensor aufweisen, wie bei den oben erwähnten Beispielen. In anderen Ausführungsbeispielen könnte ein Messrad, ein Gleiter oder Ähnliches mit dem Rahmen 12 gekoppelt sein und konfiguriert sein, um eine vertikale Position ansprechend auf Veränderungen der Achsenhöhe der Achse 30 über der Oberfläche S zu verändern und ein Signal auszugeben, welches eine Achsenhöhe anzeigt, und/oder Veränderungen davon. Ein Messrad oder Ähnliches könnten als ein direkter mechanisch abfühlender Mechanismus angesehen werden, und zwar im Kontrast zu den oben erwähnten kontaktlosen Abfühlmechanismen. In noch anderen Ausführungsbeispielen könnten Informationen, die von einem Globalpositionsbestimmungssystem (GPS) oder einem Lokalpositonsbestimmungssystem empfangen werden, ebenfalls bei der Überwachung der Achsenhöhe verwendet werden. Das Steuersystem 39 kann weiter einen Positionssensor 46 aufweisen, der an dem Verdichter 11 liegt, der globale oder lokale Positionsbestimmungsdaten empfängt, die möglicherweise bei der Achsenhöhenüberwachung verwendet werden, wie oben erwähnt, jedoch auch beim Bestimmen und Verfolgen einer geographischen Position des Verdichters 11 innerhalb eines Arbeitsbereiches verwendet werden. In einem Ausführungsbeispiel, welches weiter hier beschrieben wird, können die Daten, die über den Positionssensor 46 empfangen werden, mit Daten verbunden werden, die vom Sensor 32 empfangen werden, um Positionsdaten des Verdichtersystems 10, die über den Sensor 46 aufgenommen wurden, mit Achsenhöhendaten in Übereinstimmung zu bringen, die vom Sensor 32 empfangen wurden, und zwar zu Zwecken, die aus der folgenden Beschreibung offensichtlich werden.
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Das Steuersystem 39 kann weiter eine elektronische Steuereinheit 40 aufweisen, welche mindestens einen Datenprozessor 42 und einen computerlesbaren Speicher 44 aufweist. Die elektronische Steuereinheit 40 kann mit dem Sensor 32 gekoppelt sein und auch mit dem Positionssensor 46, und kann konfiguriert sein, um ein Signal auszugeben, welches auf Eingangsgrößen vom Sensor 32 anspricht, wie weiter hier beschrieben wird. Eine Anzeige 48, die ebenfalls mit der elektronischen Steuereinheit 40 gekoppelt ist, kann in der Bedienersteuerstation 29 positioniert sein, um verschiedene Daten für einen Bediener anzuzeigen, welche sich auf die Achsenhöhe, die Maschinenposition, einen relativen Verdichtungszustand oder noch andere Parameter beziehen. In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel liegt das Steuersystem 39 im Verdichter 11. Es sei bemerkt, dass das Steuersystem 30 oder Teile davon in anderen Ausführungsbeispielen entfernt vom Verdichter 11 gelegen sein kann bzw. können, wie beispielsweise in einem Managementbüro nicht am Ort. In einem solchen Ausführungsbeispiel könnten Daten, die bezüglich der Position des Verdichters 11 gesammelt wurden, und Achsenhöhendaten zu einem entfernten Computer übertragen werden, verarbeitet werden, und Steuerbefehle könnten zum Verdichter 11 gesendet werden, um einen Bediener anzuweisen, gewissen Handlungen auszuführen oder nicht auszuführen oder den Verdichter 11 anzuweisen, in autonomer Weise gewisse Handlungen auszuführen oder nicht auszuführen. Das Ausführen von Handlungen ansprechend auf die Achsenhöhendaten und Positionsdaten könnte aufweisen, das Fahren des Verdichters 11 in einem Arbeitsbereich zu beginnen, das Fahren des Verdichters 11 innerhalb des Arbeitsbereiches zu stoppen oder einen geplanten Verdichterfahrpfad oder ein geplantes Verdichterabdeckungsmuster umzuleiten oder in anderer Weise zu verändern. Der computerlesbare Speicher 44 kann computerausführbaren Code speichern, der einen Steueralgorithmus aufweist, um einen relativen Verdichtungszustand des Materialsubstrates Z zu bestimmen und/oder eine Veränderung des relativen Verdichtungszustandes ansprechend auf Eingangsgrößen von den Sensoren 32 zu bestimmen und den gleichen oder einen anderen Algorithmus zum Steuern oder Leiten des Betriebs des Verdichters 11. In einem Ausführungsbeispiel kann die Bestimmung eines relativen Verdichtungszustandes oder von Veränderungen davon zumindest teilweise auf einer Differenz zwischen einer Achsenhöhe der Achse 30, wenn das Materialsubstrat Z auf einem vergleichsweise geringeren Verdichtungszustand ist, und einer Achsenhöhe der Achse 30 basieren, wenn das Materialsubstrat Z auf einem vergleichsweise größeren Verdichtungszustand ist.
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Nun auch mit Bezug auf 2 wird dem Fachmann der Unterschied zwischen der Art und Weise bekannt sein, in der eine strukturierte Walze mit einem Materialsubstrat mit einem vergleichsweise unverdichteten Zustand in Gegenwirkung tritt gegenüber einem Material in einem vergleichsweise mehr verdichteten Zustand. Insbesondere, wenn ein Verdichter mit einer strukturierten Walze anfänglich beginnt ein Materialsubstrat zu verdichten, werden die Walzenstrukturen bzw. Walzenspitzen typischerweise so in das Material einsinken, dass die äußere Walzenfläche der strukturierten Walze das Materialsubstrat berührt und dieses verdichtet. Im Übrigen wird auch das Eindringen der Walzenspitzen in das Material von unten nach oben verdichten. Wenn die Verdichtung voranschreitet, typischerweise über zusätzliche Verdichterdurchgänge über einen speziellen Bereich eines Arbeitsbereiches, kann eine vergrößerte Verdichtung des Materialsubstrates zur Folge haben, dass die Walzenspitzen bei jedem aufeinanderfolgenden Durchgang weniger in das Material eindringen, so dass die äußere Walzenfläche tatsächlich von einer Oberfläche des verdichteten Materialsubstrates abgehoben wird. Die vorliegende Offenbarung setzt dieses Phänomen und eine assoziierte Veränderung der Achsenhöhe dazu ein, um einen relativen Verdichtungszustand des Materials und/oder Veränderungen darin zu bestimmen, was eine Überwachung des Verdichtungsfortschrittes ermöglicht.
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In 1 ist der Verdichter 11 gezeigt, wie er während einer anfänglichen oder frühen Stufe der Verdichtung des Substrates Z erscheinen würde, wo die Außenfläche 28 die Oberfläche S berührt, wie beispielsweise während eines ersten Durchgangs über der Oberfläche S. In 2 ist die strukturierte Walze 22 derart auf dem Substrat Z getragen gezeigt, wie es erscheinen würde, wenn der Verdichter 11 einen oder mehrere anfängliche Durchgänge, typischerweise mehrere Durchgänge, über der Oberfläche S ausgeführt hat, um das Substrat Z auf einen Zustand zu verdichten, in dem die Außenfläche 28 von der Oberfläche S abgehoben ist. Es sei somit bemerkt, dass in 1 die Achse 30 um eine erste, vergleichsweise geringere Distanz von der Oberfläche S angehoben bzw. abgehoben ist, während die Achse 30 in 2 um eine zweite, vergleichsweise größere Distanz von der Oberfläche S angehoben ist. In 2 ist die Achsenhöhe über das Bezugszeichen D veranschaulicht. Eine Art und Weise, in der die Veränderung der Achsenhöhe eingesetzt werden kann, um eine Veränderung des relativen Verdichtungszustandes zu bestimmen, ist durch Vergleichen der Achsenhöhe D mit einem Radius R eines Kreises, der von der Außenfläche 28 um die Achse A definiert wird. Wenn beispielsweise der Verdichter 11 unter Bedingungen arbeitet, die ähnlich jenen sind, wie sie in 1 abgebildet werden, kann eine Höhe der Achse 30 über der Oberfläche S innerhalb eines Abdrucks der Walze 22 gleich dem Radius R sein. Wenn der Verdichter 11 unter Bedingungen arbeitet, die jenen ähnlich sind, wie sie in 2 abgebildet sind, kann die Achsenhöhe vergleichsweise größer sein als der Radius R. Die elektronische Steuereinheit 40 kann in einem Ausführungsbeispiel konfiguriert sein, um die Achsenhöhe D mit dem Radius R zu vergleichen oder mit einem Wert, der den Radius R anzeigt, und ein Signal ansprechend auf die Differenz auszugeben. Da Eingangsgrößen, die von der elektronischen Steuereinheit 40 vom Sensor 32 empfangen werden, eine Achsenhöhe anzeigen, kann das aus der elektronischen Steuereinheit 40 ausgegebene Signal auch als ansprechend auf die Sensoreingänge verstanden werden. In anderen Ausführungsbeispielen oder Erweiterungen eines solchen Ausführungsbeispiels kann die elektronische Steuereinheit 40 ein Signal basierend auf einer arithmetischen Differenz zwischen der Achsenhöhe D und dem Radius r ausgeben. Wenn die arithmetische Differenz gleich einer vordefinierten Schwelle ist oder größer als diese ist, kann bestimmt werden, dass das Materialsubstrat Z teilweise oder vollständig bis zu einem festgelegten Soll-Verdichtungszustand verdichtet worden ist.
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Wie oben besprochen, kann das Vergrößern des relativen Verdichtungszustandes des Substrates Z den Verdichter 11 von einem Zustand, in dem die Außenfläche 28 die Oberfläche S während des Drehens der strukturierten Walze 22 im Kontakt mit der Oberfläche S berührt, zu einem Zustand übergehen, in dem die Außenfläche 28 von der Oberfläche S während des Drehens der strukturierten Walze 22 in Kontakt mit der Oberfläche S abgehoben ist. Entsprechend kann das Signal, welches aus der elektronischen Steuereinheit 40 ansprechend auf die Eingangsgrößen von dem Sensor 32 ausgegeben wird, einen relativen Verdichtungszustand oder eine Veränderung des relativen Verdichtungszustandes des Materials anzeigen, welches das Substrat Z aufweist. Wenn eine Bestimmung oder Abschätzung des relativen Verdichtungszustandes alleine erwünscht ist, sind Informationen mit Bezug zur Bestimmung oder Abschätzung dem Fachmann bekannt oder können empirisch bestimmt werden, wie beispielsweise das Gewicht des Verdichters 11, die Oberflächenbereiche und Anzahlen der Walzenstrukturelemente 26, die Geometrie der Walzenstrukturelemente 26 und andere Faktoren, wie beispielsweise die Zusammensetzung und Feuchtigkeit des Erdbodens. Wo eine Bestimmung oder Abschätzung einer Veränderung des relativen Verdichtungszustandes erwünscht ist, kann eine Veränderung der bestimmten Achsenhöhe zwischen einem Verdichterdurchgang und einem nächsten Verdichterdurchgang empirisch über vorherige Tests auf dem Feld oder im Labor oder eine Simulation für eine Veränderung des relativen Verdichtungszustandes für ein spezielles Verdichtersystem empirisch in Beziehung gesetzt werden. Weiterhin kann eine einfache Bestimmung, dass die Achsenhöhe D größer ist als der Radius R, ausreichen, um zu bestimmen, dass ein Verdichtungsfortschritt gemacht wird. Es kann auch weiter angenommen werden, dass typischerweise keine Veränderung der Achsenhöhe detektiert wird, bis das Substrat Z in ausreichender Weise verdichtet worden ist, um die äußere Oberfläche 28 über die Oberfläche S anzuheben. Das Überwachen der Achsenhöhe kann kontinuierlich während des Betriebs des Verdichtersystems 10 stattfinden, es kann periodisch stattfinden oder nur nach dem Detektieren eines gewissen Auslösers, oder beim Erfüllen von vorbestimmten Bedingungen. In einer Strategie kann beispielsweise die Achsenhöhe kontinuierlich über einen Verdichtungsvorgang überwacht werden. In einer anderen Strategie kann die Achsenhöhe erst überwacht werden, nachdem beispielsweise drei Verdichterdurchgänge aufgetreten sind, während in noch einer weiteren anderen Strategie die Achsenhöhe während eines separaten Testdurchlaufs überwacht werden könnte, nachdem ein Geländemanager abgeschätzt hat, dass es wahrscheinlich ist, dass das Projekt beendet ist, er jedoch eine gewisse Bestätigung erhalten möchte, dass die Spezifikationen erfüllt sind. In jedem dieser Beispiele, genauso wie in anderen Beispielen, die hier in Betracht gezogen werden, kann das Signal, welches von der elektronischen Steuereinheit 40 ansprechend auf Eingangsgrößen vom Sensor 42 ausgegeben wird, ein Verdichtungsfortschrittssignal aufweisen, welches anzeigt, dass eine vordefinierte Zunahme des relativen Verdichtungszustandes oder eine Erfüllung von vordefinierten Spezifikationen aufgetreten ist. Somit kann der Ausdruck ”Verdichtungsfortschritt”, wie er hier verwendet wird, so verstanden werden, dass er bedeutet, dass ein gewisses identifizierbares Zwischenziel oder Endziel erreicht worden ist.
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Es ist aus 2 auch zu erkennen, dass die strukturierte Walze 22 an zwei unterschiedlichen Stellen auf dem Substrat S gezeigt ist, wobei die links liegende Stelle gestrichelt gezeigt ist. Wie oben erklärt, könnte das Steuersystem 39 in einem Ausführungsbeispiel konfiguriert sein, um periodisch die Achsenhöhe abzufühlen, wenn der Verdichter 11 arbeitet, wie beispielsweise an den zwei in 2 gezeigten Stellen. Das Überwachen der Achsenhöhe kann alternativ im Wesentlichen kontinuierlich geschehen, so dass Achsenhöhenmessungen bestimmt werden, während die sich drehende strukturierte Walze 22 in Kontakt mit dem Materialsubstrat Z ist, und zwar während eines gesamten Verdichtungsprojektes. In jedem Fall kann das Steuersystem 39 konfiguriert sein, um Positionsdaten, die über den Positionssensor 46 empfangen wurden, mit Achsenhöhendaten zu verbinden, so dass ein relativer Verdichtungszustand in geographischen Koordinaten innerhalb eines Arbeitsbereiches aufgezeichnet werden kann. Die Achsenhöhe an der am weitesten links liegenden Stelle der Walze 22 in 2 könnte eine erste Distanz aufweisen, während die Achsenhöhe an der am weitesten rechts liegenden Stelle eine zweite Distanz aufweisen könnte, und zwar aufgrund einer lokalen Variation des Verdichtungsansprechens, und die unterschiedlichen Achsenhöhen oder der assoziierte Verdichtungszustand können in speziellen Regionen des Arbeitsbereiches eingezeichnet werden.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das Aufzeichnen des relativen Verdichtungszustands auf einer Längenkoordinate und einer Breitenkoordinate basieren, so dass ein Arbeitsbereich in Zellen eingeteilt werden kann, beispielsweise basierend auf einem relativen Verdichtungszustand davon. Nun mit Bezug auf 3 ist dort eine bildliche Darstellung einer Anzeige 48 gezeigt, welche graphische Informationen veranschaulicht, die für einen Bediener oder Manager an einem speziellen Arbeitsgelände angezeigt werden können. In 3 ist ein Arbeitsbereich X gezeigt, der gerade vorbereitet bzw. bearbeitet wird und durch zumindest einen Durchgang mit einem Verdichtersystem 10 verdichtet worden ist, und wobei das Verdichtersystem 10 einen zusätzlichen Durchgang über den Arbeitsbereich X ausführt. Eine Strategie zum Aufteilen des Arbeitsbereiches X in Zellen weist auf, eine Zellenbreitenkoordinate W einzustellen, die ungefähr gleich einer Breite des Verdichters 11 ist, und eine Längenkoordinate L für jede der Zellen einzustellen, die basierend auf der durchschnittlichen Achsenhöhe variieren kann oder die mit Bezug zum Verdichtungszustand bestimmt wird. Ein weiterer Weg zum Verständnis der Darstellung der 3 ist, dass das Verdichtersystem 10 über einen Arbeitsbereich fahren kann, und wenn die Achsenhöhe aufgenommen wird, kann das Steuersystem 39 Bereiche gruppieren, in denen die Achsenhöhendaten einen ähnlichen relativen Verdichtungszustand anzeigen, oder eine ähnliche Veränderung des relativen Verdichtungszustandes im Vergleich zu den vorhergehenden Verdichterdurchgängen. Somit kann die Längenkoordinate L veränderlich sein, während die Breitenkoordinate W festgelegt sein kann. Alternativ könnte eine feste Zellenbreite und eine feste Zellenlänge verwendet werden. In der Veranschaulichung der 3 kann das Anzeigen von horizontalen Linien innerhalb der einzelnen Zellen anzeigen, dass das Materialsubstrat Z auf einem Niveau = 0 ist und nicht ausreichend verdichtet worden ist, um die Außenfläche 28 von der Oberfläche S anzuheben. Sich diagonal schneidende bzw. kreuzschraffierte Linien zeigen Zellen, wo das Materialsubstrat Z auf ein Niveau = 1 verdichtet worden ist, was ausreicht, um die Oberfläche 28 um eine erste Distanz von der Oberfläche S anzuheben, was einen gewissen Verdichtungsfortschritt anzeigt, jedoch nicht das Erreichen der Verdichtungsspezifikationen. Nicht geschnittene diagonale Linien zeigen Zellen mit einem Niveau = 2 an, wo das Materialsubstrat Z ausreichend verdichtet worden ist, so dass die Außenfläche 28 um eine zweite vergleichsweise größere Distanz angehoben ist, was das Erreichen der Verdichtungsspezifikationen anzeigt. Eine Vielzahl von anderen Informationsanzeigestrategien könnte in dem vorliegenden Zusammenhang verwendet werden. Beispielsweise könnte ein System mit festen Gittern/Zellen für den Arbeitsbereich verwendet werden. Ein geplanter Fahrpfad für den Verdichter könnte auch angezeigt werden und aktualisiert werden, wenn die Achsenhöhendaten anzeigen, dass gewisse Bereiche mehr Arbeit benötigen, oder dass gewisse Bereiche fertiggestellt sind. In einem Ausführungsbeispiel kann ein voreingestellter Verdichterfahrpfad auf einer gleichförmigen Abdeckung basieren, jedoch verändert werden, sobald unterschiedlich verdichtete Regionen in einem Arbeitsbereich entdeckt werden. Jegliche der Informationen oder Graphiken, die auf der Anzeige 48 abgebildet werden, können ansprechend auf das Signal, welches von dem elektronischen Steuermodul 40 ansprechend auf Eingangsgrößen von den Sensoren 32 ausgegeben wird, erzeugt oder aktualisiert werden.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Nun mit Bezug auf 4 ist dort ein Flussdiagramm 100 gezeigt, welches gewisse Schritte in einem Steuer- und Überwachungsprozess veranschaulicht, wodurch ein Arbeitsbereich, wie beispielsweise der Arbeitsbereich X, über ein Verdichtersystem 10 oder ein weiteres Verdichtersystem vorbereitet wird, wie hier in Betracht gezogen. Der Prozess bzw. das Verfahren des Flussdiagramms 100 kann bei einem Schritt 110 starten und kann zu einem Schritt 120 voranschreiten, wo das Verdichtersystem 10 betrieben wird. Das Beginnen des Betriebs des Verdichtersystems 10 kann aufweisen, das Materialsubstrat Z innerhalb eines Arbeitsbereiches X durch das Bewegen des Verdichtersystems 10 zu verdichten, so dass die Außenfläche 28 der strukturierten Walze 22 sich in Kontakt mit dem Materialsubstrat Z dreht. Dieser anfängliche Schritt des Betriebs des Verdichtersystems 10 kann das Ausführen von einem oder mehreren, typischerweise mindestens zwei, Durchgängen über den gesamten Arbeitsbereich X aufweisen.
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Darauf folgend kann das Betreiben des Verdichtersystems 10 auch das Betreiben des Verdichtersystems 10 aufweisen, wobei die strukturierte Walze 22 auf den radial vorstehenden Walzenstrukturelementen bzw. Walzenspitzen 26 getragen wird, so dass die Außenfläche 28 von dem verdichteten Materialsubstrat Z abgehoben ist. Dieser Schritt kann während folgenden Durchgängen über den Arbeitsbereich X auftreten, wie beispielsweise bei einem dritten, vierten oder fünften Durchgang, und zwar abhängig von der Materialart oder dem Materialzustand, von den Verdichterspezifikationen und abhängig von anderen Faktoren. Vor oder während des Betriebs des Verdichtersystems 10, so dass die strukturierte Walze auf den Walzenstrukturelementen 26 getragen wird, kann ein Signal vom Sender 34 zur Oberfläche S gesendet werden. Das gesendete Signal kann von der Oberfläche S reflektiert werden, und der Sensor 32 kann das gesendete und reflektierte Signal oder Komponenten davon im Schritt 140 abfühlen. Vom Schritt 140 kann das Verfahren zum Schritt 150 voranschreiten, wo die elektronische Steuereinheit 40 die Achsenhöhe berechnen kann, die Achsenhöhe abschätzen kann oder in anderer Weise einen Wert bestimmen kann, der die Achsenhöhe anzeigt, und zwar in der hier beschriebenen Weise. Vom Schritt 150 kann das Verfahren zum Schritt 160 voranschreiten, in dem die elektronische Steuereinheit 40 ein Verdichtungsfortschrittssignal ausgeben kann, wie hier beschrieben. Ansprechend auf das Verdichtungsfortschrittssignal kann der Verdichter 11 über Befehle, die von der elektronischen Steuereinheit 40 oder von einem anderen Computer oder von einem Gelände- bzw. Baustellenbetreiber erzeugt werden, angewiesen werden, so fortzufahren, wie geplant, den Abdeckungsplan bzw. Bearbeitungsplan des Verdichters zu verändern, den Betrieb zu beenden oder eine andere Handlung auszuführen. Solche Befehle können in einem Bedienerformat auf der Anzeige 48 angezeigt werden oder können über einen Alarm oder noch einen anderen Mechanismus kommuniziert werden. Vom Schritt 160 kann das Verfahren zum Ende im Schritt 170 voranschreiten. Das Empfangen von Positionsdaten, das Verbinden der Positionsdaten mit dem Verdichtungsfortschrittssignal oder in anderer Weise mit den Achsenhöhedaten und das Anzeigen von Informationen für einen Bediener oder einen anderen Teilnehmer kann während des Ausführens der Routine des Flussdiagramms 100, parallel dazu oder darauf folgend auftreten.
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Der Fachmann wird mit herkömmlichen Tests für den relativen Verdichtungszustand und das Verdichtungsansprechen von Material vertraut sein. Die oben beschriebenen Beispiele von Kerndichtemessungen, Messungen mit effektiven Rollradius, Spurrillentiefenmessungen und Auswalztests sind mit den Jahren alle in verschiedenen Umgebungen angewendet worden. Die vorliegende Offenbarung stellt eine alternative Strategie dar, welche gegenüber herkömmlichen Ansätzen zumindest in gewissen Umgebungen eine Verbesserung darstellt. Die Fähigkeit, die Achsenhöhe direkt abzufühlen, ermöglicht es einem Bediener oder Geländemanager kontinuierlich oder periodisch den Verdichtungsfortschritt in einer Weise zu überwachen, die bei vielen herkömmlichen Strategien nicht verfügbar oder zumindest nicht praktisch ist. Korndichtemessungen können zeitaufwendig sein, spezielle Ausrüstungen erfordern und können sogar speziell ausgebildete Techniker erfordern. Auswalztests erfordern typischerweise eine visuelle Beobachtung des Eindringens der Walzenstrukturelemente. Dabei ist eine visuelle Beobachtung nicht nur inhärent unzuverlässig und nur qualitativ, es ist auch typischerweise notwendig, den Betrieb des Verdichters anzuhalten, um es einem Beobachter zu gestatten, das Eindringen der Walzenstrukturelemente zu untersuchen. Da weiterhin das Auswalzen definitionsgemäß auf Beobachtungen an einer Stelle und zu einem Zeitpunkt eingeschränkt ist, begrenzen Trends bei der Eindringung der Walzenstrukturelemente mit der Zeit und eine Veränderung der Eindringungstiefe der Walzenstrukturelemente in unterschiedlichen Regionen eines Arbeitsbereiches das Ausmaß und die praktische Ausführbarkeit der Anwendung von Auswalztests, um den voranschreitenden Verdichtungsvorgang zu bewerten oder Handlungen, basierend auf einer Ungleichmäßigkeit beim Verdichtungszustand des Materials innerhalb eines Arbeitsbereiches, auszuführen. Die vorliegende Offenbarung kann schnappschussartige Bestimmungen eines relativen Verdichtungszustandes, ein Gesamtbild dessen, wie ein Arbeitsbereich auf Verdichtungsbemühungen anspricht, und eine Analyse von Trends im Verdichtungsansprechen des Materials ermöglichen.
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Mit Bezug auf die Überwachung des Verdichtungszustandes durch einen effektiven Rollradius, während solche Strategien weithin und in vorteilhafter Weise angewendet worden sind und auch mit die Lehren der vorliegenden Offenbarung mit einem einzelnen System integriert werden könnten, kann der effektive Rollradius zumindest in einigen Fällen das Bewegen des assoziierten Verdichters über eine Fahrdistanz gleich einem vollen Umfang oder von mehr als einem vollen Umfang der Verdichtungswalze erfordern. Die vorliegende Offenbarung gestattet, dass der Verdichtungszustand mit einer relativ hohen Kartenauflösung bzw. Aufzeichnungsauflösung aufgezeichnet wird, wobei eine Länger der Zellen innerhalb eines Arbeitsbereiches geringer als ein voller Walzenumfang sein kann. Darüber hinaus kann das Ausführen von Ansätzen mit dem effektiven Rollradius bei einem vierrädrigen Verdichter, während dies theoretisch möglich ist, vom Standpunkt der Datenverarbeitung von den Berechnungen für mehrere sich drehende Walzen oder aus anderen Gründen komplex sein. Spurrillentiefenmessungen und ähnliche Strategien nutzen andere Phänomene aus als die Eindringung von mehreren Walzenstrukturelementen in ein Substrat, und, wie andere herkömmliche hier besprochene Strategien ermöglichen sie nicht allgemein irgendeine robuste bzw. tragfähige Bestimmung oder Abschätzung der Scherfestigkeit des verdichteten Materials. Die vorliegende Offenbarung kann angewendet werden, um quantitative oder qualitative Messungen bezüglich der Scherfestigkeit basierend auf bekannten Maschinenparametern zu bestimmen und bezüglich des Ausmaßes, in dem die Walzenspitzen bzw. Walzenstrukturelemente in das verdichtete Materialsubstrat eindringen.
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Die vorliegende Beschreibung ist nur zu Veranschaulichungszwecken vorgesehen und sollte nicht dahingehend angesehen werden, dass sie die Breite der vorliegenden Offenbarung in irgendeiner Weise einschränkt. Der Fachmann wird erkennen, dass verschiedene Modifikationen an den gegenwärtig offenbarten Ausführungsbeispielen vorgenommen werden können, ohne vom vollen und angemessenen Umfang und Kern der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Andere Aspekte, Merkmale und Vorteile werden bei einer Untersuchung der beigefügten Zeichnungen und der angefügten Ansprüche offensichtlich werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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