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Technischer Bereich
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Diese Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf ein System und ein Verfahren für das Verdichten von Material, wie beispielsweise auf vibrierende Walzenverdichter oder Kombiverdichter. Genauer bezieht sich diese Offenbarung auf exzentrische Vibrationsgewichtswellen für Kombiverdichter und Verfahren zur Nachrüstung existierender Verdichter mit den offenbarten Wellen und Verfahren zur Verdichtung unter Verwendung der offenbarten Wellen.
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Stand der Technik
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Verdichtende Arbeitsmaschinen werden im Baugewerbe und in der geländeformenden Industrie für die Verdichtung granularen Materials verwendet. Verdichtungsmaschinen existieren in einer Vielzahl von Formen einschließlich Vibrationsrammen, Vibrationsplattenverdichter und Vibrationswalzenverdichter oder Trommelverdichter. Diese Offenbarung bezieht sich auf Vibrationswalzenverdichter, die auch als Walzen, Knickgelenkwalzen, Vibrationsbodenverdichter, Vibrationsasphaltverdichter und, und dieser Begriff wird hierin verwendet werden, als Kombiverdichter bezeichnet werden. Anwendungen für solche Kombiverdichter umfassen das Verdichten von Sand, Kies, oder Schotter für Fundamente, Sockel oder Fahrwege, die Vorbereitung der Grundlagen für Betonplatten, asphaltierte Parkplätze etc. Kombiverdichter werde auch für das Verdichten von Warm- oder Kaltasphalt während des Ausbesserns oder der Reparatur von Straßen, Autobahnen, Gehwegen, Parkplätzen, etc. verwendet.
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Der typische Kombiverdichter umfasst eine oder mehrere Walzen, die die tatsächliche Verdichtung vornehmen. Die Walzen sind an einem Hauptrahmen befestigt, welcher eine Kraftmaschine und die dazugehörige Ausrüstung trägt. Eine exzentrische Welle, die allgemein als Erreger bekannt ist, ist innerhalb der Walze angeordnet und mit dieser drehbar verbunden. Die exzentrische Welle wird von einem ersten hydraulischen Motor angetrieben um Vibrationen auf die Walze aufzubringen, wodurch das Material, auf dem sich die Maschine befindet, verdichtet wird. Die Drehung der Walze und damit die Bewegung der Maschine wird auf die Walze mittels eines zweiten hydraulischen Motors aufgebracht. Bei Anwendungen der Verdichtung von Heißasphalt kann die Maschine mit einem Wassertank und damit verbundener Ausrüstung ausgestattet werden, um direkt vor der Walze Wasser auf die Oberfläche zu sprühen, um den Asphalt daran zu hindern, auf der Walze zu erstarren.
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Kombiverdichter, die derzeit auf dem Markt sind weisen eine Reihe von Nachteilen und Missständen auf. Zum Ersten ist die exzentrische Welle, die verwendet wird um die Walze vibrieren zu lassen, sehr schwer, was sowohl Herstellung als auch die Betriebskosten erhöht. Wie in 1 gezeigt weist eine typische exzentrische Welle 5 eine gerade Stange 6 auf, die sich von einem Ende 7 der Stange 6 zu dem anderen Ende 8 erstreckt, wobei exzentrische Gewichte 9 entweder mittels eines Pressverbundes mit der geraden Stange 6 verbunden oder zusammen mit dieser gegossen sind. Sowohl das exzentrische Aufpressen von Gewichten 9 auf eine gerade Stange 6 oder das Gießen exzentrischer Gewichte 9 mit der geraden Stange 6 sind kostspielige Herstellungsverfahren, welche, falls sie ersetzt werden, zu wesentlichen Kosteneinsparungen führen könnten. Die gegenwärtigen Wellenkonstruktionen sind zudem schwer und daher teuer in der Herstellung. Beispielsweise wiegt für eine Walze mit einer Breite von einem Meter die Welle 5 der 1 ungefähr 26.2 kg und weist ein erstes Trägheitsmoment (Flächenträgheitsmoment) von ungefähr 0,24 kg m und ein zweites Trägheitsmoment (auch als Massenträgheitsmoment bezeichnet) von 0.034 kg m2 auf. Zudem beträgt das Verhältnis der ersten zu den zweiten Trägheitsmomenten der gegenwärtigen exzentrischen Welle ungefähr 7,2 m–1 und erfordert ein übermäßiges Anlaufdrehmoment um die Welle in Drehung zu versetzen, wodurch Betriebskosten und Abnutzung und Verschleiß des die Welle drehenden Motors gesteigert werden. Beispielsweise erfordert die Welle 5 ungefähr 3,42 Nm während einer Hochlaufzeit von 4 Sekunden um die Welle mit einer gewünschten Frequenz von ungefähr 65 Hz in Drehung zu versetzen. Die Verringerung des erforderlichen Anlaufmoments könnte auch zu wesentlichen Kosteneinsparungen führen.
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Im Ergebnis ist damit eine Notwendigkeit erwachsen, eine verbesserte exzentrische Welle für einen Kombiverdichter bereitzustellen, welcher einige oder alle der oben beschriebenen Nachteile nicht aufweist.
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Zusammenfassung der Offenbarung
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Eine exzentrische Vibrationswelle ist offenbart, welche eine erste Rotorwelle aufweist, die koaxial von einer zweiten Rotorwelle beabstandet ist. Die ersten und zweiten Rotorwellen sind mittels einer versetzten Welle miteinander verbunden. Die versetzte Welle weist einen ersten gewinkelten Bereich, einen zweiten gewinkelten Bereich und einen Mittelbereich auf, welcher zwischen den ersten und zweiten gewinkelten Bereichen angeordnet ist und diese verbindet. Der erste gewinkelte Bereich ist mit der ersten Rotorwelle verbunden und der zweite gewinkelte Bereich ist mit der zweiten Rotorwelle verbunden. Die ersten und zweiten gewinkelten Bereiche sind jeweils bezüglich einer ersten Achse gewinkelt, die durch die ersten und zweiten Rotorwellen hindurchtritt, sodass der Mittelbereich von der ersten Achse beabstandet und zumindest im Wesentlichen parallel zu der ersten Achse ist.
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Ein Kombiverdichter ist ebenfalls offenbart, welcher eine Walze aufweist, die zwei sich gegenüberliegende vertikale Stützen bzw. Streben aufweist. Der Verdichter weist auch eine exzentrische Vibrationswelle auf, die sich zwischen den beiden vertikalen Streben der Walze erstrecken. Die exzentrische Vibrationswelle weist eine erste Rotorwelle auf, die koaxial von einer zweiten Rotorwelle beabstandet ist. Die ersten und zweiten Rotorwellen sind mittels einer versetzten Welle miteinander verbunden. Die versetzte Welle weist einen Querschnitt mit der Form eines Doppel-T-Trägers auf, und umfasst einen ersten gewinkelten Bereich, einen zweiten gewinkelten Bereich und einen Mittelbereich, welcher zwischen den ersten und zweiten gewinkelten Bereichen angeordnet ist und diese verbindet. Der erste gewinkelte Bereich ist mit der ersten Rotorwelle verbunden und der zweite gewinkelte Bereich ist mit der zweiten Rotorwelle verbunden. Die ersten und zweiten gewinkelten Bereiche sind jeweils bezüglich einer ersten Achse gewinkelt, die durch die ersten und zweiten Rotorwellen hindurchtritt, sodass der Mittelbereich eine zweite Achse aufweist, die von der ersten Achse beabstandet und zumindest im Wesentlichen parallel zu der ersten Achse ist.
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Ein Verfahren zur Verringerung des Gewichts eines Kombiverdichters und zur Verringerung eines Anlaufdrehmoments, das für das Drehen einer exzentrischen Welle, die die Walze des Verdichters vibrieren lässt, erforderlich ist, wird offenbart. Das offenbarte Verfahren umfasst: Bereitstellen einer exzentrischen Vibrationswelle welche eine erste Rotorwelle aufweist, die koaxial von einer zweiten Rotorwelle beabstandet ist, wobei die ersten und zweiten Rotorwellen mittels einer versetzten Welle miteinander verbunden sind, wobei die versetzte Welle einen ersten gewinkelten Bereich, einen zweiten gewinkelten Bereich und einen Mittelbereich aufweist, welcher zwischen den ersten und zweiten gewinkelten Bereichen angeordnet ist und diese miteinander verbindet, wobei der erste gewinkelte Bereich mit der ersten Rotorwelle verbunden ist, der zweite gewinkelte Bereich mit der zweiten Rotorwelle verbunden ist, wobei die ersten und zweiten gewinkelten Bereiche bezüglich einer ersten Achse gewinkelt sind, welche sich durch die ersten und zweiten Rotorwellen erstreckt, sodass der Mittelbereich zu der ersten Achse versetzt und im Wesentlichen parallel zu dieser ist; Entfernen einer bereits vorhandenen Vibrationswelle aus dem Verdichter; und Ersetzen der bereits vorhandenen Vibrationswelle durch die bereitgestellte exzentrische Vibrationswelle.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist eine perspektivische Ansicht einer exzentrischen Vibrationsgewichtswelle gemäß Stand der Technik.
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2 ist eine Seitenansicht einer offenbarten Verdichtungsarbeitsmaschine.
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3 ist eine vergrößerte Schnittansicht einer einzelnen Vibrationswalze, die entlang der Linie 3-3 der 2 vorgenommen wurde.
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4 ist eine perspektivische Ansicht der exzentrischen Vibrationsgewichtswelle, die in 3 gezeigt ist.
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Detaillierte Beschreibung
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Mit Bezug auf die 2 und 3 ist eine Arbeitsmaschine 10 zur Erhöhung der Dichte eines kompaktierbaren Materials 12 wie beispielsweise Erdboden, Strassenbasisschotter, oder Asphaltbelagsmaterial gezeigt. Die Arbeitsmaschine 10 ist beispielsweise ein Doppelwalzenvibrationsverdichter, der auch als Kombiverdichter bzw. als Kombiwalze bezeichnet wird und eine erste Verdichterwalze 14 und eine zweite Verdichterwalze 16 aufweist, die drehbar an einem Hauptrahmen 18 angebracht sind. Der Hauptrahmen 18 trägt auch eine Kraftmaschine 20, welche erste und zweite hydraulische Pumpen 22, 24 aufweist, die mit derselben betriebsmäßig und in herkömmlicher Weise verbunden sind.
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Die erste Verdichterwalze 14 weist einen ersten Vibrationsmechanismus 26 auf, welcher betriebsmäßig mit einem ersten hydraulischen Motor 28 verbunden ist. Die zweite Verdichterwalze 16 weist einen zweiten Vibrationsmechanismus 30 auf, welcher betriebsmäßig mit einem zweiten hydraulischen Motor 42 verbunden ist. Da sich die erste Verdichtungswalze 14 und die zweite Verdichtungswalze 16 strukturell und betriebsmäßig ähneln, beziehen sich die Beschreibung, der Aufbau und die Elemente, die die erste Verdichtungswalze 14 betreffen, wie in 3 gezeigt, in gleicher Weise auf die zweite Verdichtungswalze 16. Daher wird keine separate Beschreibung der zweiten Verdichtungswalze 16 dargelegt.
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Mit Bezug auf 3 isolieren die Gummilager 36 die Verdichtungswalze 14 von dem Hauptrahmen 18 und isolieren daher den Hauptrahmen 18 von den Vibrationen, die durch das Wirken der exzentrischen Welle 46 und der Walze 14 hervorgerufen werden. Wahlweise kann die Verdichtungswalze 14 eine Zweigang-Antriebsanordnung 40 aufweisen. Die Zweigang-Antriebsanordnung 40 kann ein hydraulischer Motor 42 mit einer nicht gezeigten Planetengetriebeuntersetzung sein. Der hydraulische Motor 42 kann betriebsmäßig mit Schläuchen oder Leitungen (nicht gezeigt) mit der hydraulischen Pumpe 22 verbunden sein. Der hydraulische Motor 42 kann mit dem Hauptrahmen 18 verbunden sein und kann betriebsmäßig mit der ersten Verdichtungswalze 14 verbunden sein. Die hydraulische Pumpe 22 stellt dem hydraulischen Motor 42 ein unter Druck stehendes Betriebsströmungsmittel wie beispielsweise Öl oder Hydraulikströmungsmittel für den Antrieb der Arbeitsmaschine 10 bereit.
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Die Pumpe 24 kann betriebsmäßig mit Schläuchen oder Leitungen mit dem ersten hydraulischen Motor 28 verbunden sein, wie schematisch in 3 dargestellt. Eine Kupplung 44 verbindet den ersten Vibrationsmechanismus 26 mit dem ersten hydraulischen Motor 28. Der erste Vibrationsmechanismus 26 weist eine exzentrische Welle 46 auf, die durch den ersten hydraulischen Motor 28 angetrieben sein kann, wodurch sie mittels der ersten und zweiten vertikalen Streben 43, 45 eine Vibrationskraft auf die Verdichtungswalze 14 aufbringt. Es ist auch festzustellen dass die Pumpe 24 zwischen einem hohen Austrag und einen geringen Austrag umgeschaltet werden kann, um die exzentrische Welle 46 mit einer hohen Frequenz und einer geringen Frequenz zu rotieren.
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Die Kupplung 44 ist mit einer ersten Rotorwelle 48 verbunden, welche ihrerseits einen Teil der exzentrischen Welle 46 bildet und mit dem ersten gewinkelten Bereich 49 der exzentrischen Welle 46 verbunden ist. Der erste gewinkelte Bereich 49 ist mit einem Mittelbereich 51 verbunden, welcher seinerseits mit einem zweiten gewinkelten Bereich 52 verbunden ist. Der zweite gewinkelte Bereich 52 ist mit einer zweiten Rotorwelle 53 verbunden. Die ersten und zweiten Rotorwellen 48, 53 sind jeweils in ersten und zweiten Lagern 56, 58 aufgenommen und sind zueinander koaxial. Das erste Lager 56 ist innerhalb einer ersten Aufnahme 64 gefasst, die auf der ersten vertikalen Strebe 43 montiert ist. Die erste Aufnahme 64 tritt durch ein drittes Lager 66 hindurch, welches die Gummilager 36 trägt, wenn sie unter dem Antrieb durch den ersten hydraulischen Motor 28 mit der Drehung der Kupplung 44 um das erste Lager 56 und das Lagergehäuse 68 rotieren. Das zweite Lager 58 ist mit der zweiten vertikalen Strebe 45 mittels der zweiten Aufnahme 62 verbunden. So wie die erste stationäre Aufnahme 64 rotiert die zweite Aufnahme 62 in ähnlicher Weise nicht bezüglich der zweiten vertikalen Strebe 45.
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Ein Unterschied zwischen der exzentrischen Welle 5 der 1 und der exzentrischen Welle 46 der 3–4 sind die Verhältnisse der ersten und zweiten Trägheitsmomente. Das zweite Trägheitsmoment ist eine Eigenschaft eines Querschnitts, welche verwendet werden kann, um den Widerstand eines Balkens gegenüber Biegen und Verformen in einer Achse, welche in der Ebene des Querschnitts liegt, vorauszusagen. Die Verformung eines Balkens unter Last hängt nicht nur von der Last ab, sondern auch von der geometrischen Form des Querschnitts. Im Gegensatz dazu basiert das erste Trägheitsmoment (oder erstes Flächenmoment) auf dem mathematischen Konstrukt von Momenten in metrischen Räumen, wobei das erste Trägheitsmoment gleich der Flächensumme multipliziert mit dem Abstand zu einer Achse ist. Das erste Trägheitsmoment ist ein Maß der Flächenverteilung einer Form in Bezug auf eine Achse.
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Es wurde festgestellt, dass das Verhältnis des ersten Trägheitsmoments zu dem zweiten Trägheitsmoment maximiert werden sollte, um das Anfahrmoment, das Gewicht und die Kosten zu minimieren. Beispielsweise ist das Verhältnis des ersten Trägheitsmoments zum zweiten Trägheitsmoment einer offenbarten exzentrischen Welle 46 ungefähr 13,4 m–1, es kann aber von ungefähr 10 bis ungefähr 16 m–1 reichen, während das Verhältnis des ersten Trägheitsmoments zu dem zweiten Trägheitsmoment der Welle 5 gemäß Stand der Technik ungefähr 7,2 m–1 ist.
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Bei einer Walze 14, welche eine Breite von ungefähr einem Meter (40 Zoll) aufweist, wiegt die exzentrische Welle 46 der 4 ungefähr 6 bis 18 kg, mit einer bevorzugten Masse von ungefähr 9 kg, einem ersten Trägheitsmoment von 0,21, einem zweiten Trägheitsmoment von ungefähr 0,0157 kg m2 und einem Verhältnis der ersten und zweiten Trägheitsmomente von ungefähr 13,4 m–1, dieses kann aber von ungefähr 10 bis ungefähr 16 m–1 reichen. Im Gegensatz dazu wiegt die Welle 5 der 1 für eine Walze derselben Abmaße ungefähr 26.2 kg, weist ein erstes Trägheitsmoment von ungefähr 0,24, ein zweites Trägheitsmoment von 0,335 kg m2 (0,0335, d. Übers.) und ein Verhältnis des ersten zum zweiten Trägheitsmoment von ungefähr 7,2 m–1 auf. Der große Unterschied in den Verhältnissen der ersten zu den zweiten Trägheitsmomenten beeinflusst wesentlich das Drehmoment, das erforderlich ist, im die Drehung der Wellen 5, 46 zu initiieren. Insbesondere beträgt das Drehmoment, das erforderlich ist, um die Drehung der Welle 5 bis zu einer Rotationsfrequenz von 65 Hz über eine Hochlaufzeit von 4 Sekunden hinweg zu initiieren ungefähr 3,42 Nm, während das Drehmoment, das erforderlich ist, um die Drehung der leichteren Welle 46 bis zu derselben Rotationsfrequenz von 65 Hz über eine identische Hochlaufzeit von 4 Sekunden hinweg zu initiieren ungefähr 1,60 Nm beträgt. Die Verringerung des Anlaufmoments das erforderlich ist, um die Welle 46 zu drehen, wird nicht nur Kraftstoff sparen, sondern auch Abnutzung und Verschleiß des Motors 28 und der Pumpe 24 verringern.
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Ein weiterer Unterschied zwischen der Welle der 1 und der Welle 46 der 3–4 ist der Versatz zwischen der ersten Achse 70 die durch die Rotorwellen 48, 53 hindurchtritt und einer zweiten Achse 72, die durch den Mittelbereich 51 der Welle 46 hindurchtritt. Dieser Versatz kann bei einer Walze 14 mit einer Breite von ungefähr einem Meter von ungefähr 27 bis ungefähr 47 mm reichen, wobei der bevorzugte Versatz für eine Walze von einem Meter ungefähr 37 mm beträgt. Dieser Versatz ermöglicht es der Welle 46 die notwendige Trägheit und Vibrationen bereitzustellen, dies aber mit einem weitaus geringeren Trägheitsmoment. Ein geringeres Trägheitsmoment verringert das zum Initiieren der Drehung der Welle 46 erforderliche Drehmoment, wodurch Energie gespart und Abnutzung und Verschleiß der sich bewegenden Bauteile verringert werden, wie oben beschrieben.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Während der Verwendung der Arbeitsmaschine 10 betätigt ein Bediener die Leistungsquelle oder hydraulische Pumpe 24, sodass die Walzen 14, 16 in der gewünschten Fahrtrichtung rotieren. Das Drehen der Walzen 14, 16 auf diese Weise bewirkt, dass sich die Arbeitsmaschine 10 vorwärts oder rückwärts über das zu verdichtende Material bewegt.
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Beim Starten, bevor er die Arbeitsmaschine 10 tatsächlich auf das zu verdichtende Material 12 fährt, fordert der Bediener die Vibration an der Benutzerschnittstelle an. Dies bewirkt, dass die Steuereinheit (nicht gezeigt) die Leistungsquellen oder hydraulischen Pumpen 22, 24 anweist, bis auf vollen Austrag zu steigern. Während die Motoren 28, 42 beschleunigen, wird die Rotation des Vibrationsmechanismus 26 initiiert, was bewirkt, dass sich die Welle 46 in einer beschleunigten Weise dreht, bis sie die Betriebsfrequenz, z. B. 65 Hz, erreicht. Die Anlaufzeit, die benötigt wird um 65 Hz bzw. die typische Betriebsfrequenz zu erreichen, ist ungefähr 4 Sekunden. Der Anlauf kann auf einfache Weise ohne übermäßige Abnutzung und Verschleiß des hydraulischen Motors 28 und der hydraulischen Pumpe 24 der Arbeitsmaschine 10 erzielt werden, da das verringerte Trägheitsmoment der Welle 46 wesentlich zu diesem einfachen Anlauf beiträgt. Die offenbarte Welle 46 könnte auch ohne übermäßige Modifikationen an einer existierenden Arbeitsmaschine 10 durch eine bereits existierende Welle 5 ersetzt werden.
