DE112016000636T5

DE112016000636T5 - Schwingungsvorrichtung für Vibrationsverdichter

Info

Publication number: DE112016000636T5
Application number: DE112016000636.5T
Authority: DE
Inventors: Niklas Johnsson; Christian Karlsson
Original assignee: Dynapac Compaction Equipment AB
Current assignee: Dynapac Compaction Equipment AB
Priority date: 2015-02-06
Filing date: 2016-02-19
Publication date: 2018-01-04
Also published as: SE1500069A1; CN107347251B; US20180236490A1; US10265730B2; CN107347251A; WO2016125007A1; SE538758C2

Abstract

Schwingungsvorrichtung (1) für Vibrationsverdichter, umfassend eine Welle (3), mindestens eine um die Welle (3) drehbar angeordnete Exzentermasse (4, 5, 6) und mindestens einen um die Welle angeordneten Motor (8). Der Motor (8) ist zum Drehantrieb der mindestens einen der Exzentermassen (4, 5, 6) um die Welle (3) eingerichtet. Der Motor (8) umfasst eine mit der Welle (3) verbundene Wicklungseinheit (9) und einen um die Welle (3) drehbar angeordneten und mit mindestens einer der Exzentermassen (4, 5, 6) verbundenen Rotor (10). Der Rotor (10) ist eingerichtet, um durch mindestens ein Magnetfeld in Drehung um die Welle (3) versetzt zu werden und die Wicklungseinheit (9) ist eingerichtet um die Magnetfelder zu erzeugen, welche den Rotor (10) in Drehung versetzen.

Description

Die Erfindung betrifft die Gestaltung von Schwingungsvorrichtungen für Vibrationsverdichter, beispielsweise Straßenwalzen und Rüttelplatten. Die Schwingungsvorrichtungen umfassen Exzentermassen, die zur Erzeugung von Schwingungen um eine sich nicht drehende Welle rotieren. Die exzentrischen Massen werden durch Motoren angetrieben, die mit den exzentrischen Massen integriert sind. Die Motoren werden durch Stromverteilungssysteme mit Strom versorgt, welche in den sich nicht drehenden Wellen integriert sind. Die Erfindung ist insbesondere für elektrisch angetriebene Schwingungsvorrichtungen mit einstellbarer Amplitude oder einstellbarer Schwingungsrichtung geeignet. Die Erfindung ermöglicht schnelle und frühzeitige Einstellungen und ist aus diesem Grund besonders für die Anwendung in Systemen geeignet, bei denen die Verdichtungsleistung automatisch je nach den Bodenverhältnissen eingestellt wird.
Die amerikanische Patentveröffentlichung US 2014/0161529 zeigt eine Schwingungsvorrichtung mit einem in der Exzentermasse der Vorrichtung integrierten hydraulischen Motor, der gleichzeitig einen Teil der Masse bildet. Der Motor ist rund um eine sich nicht drehende Welle angeordnet und durch eine Hydraulikflüssigkeit angetrieben, welche durch Kanäle in der Welle verteilt wird. Ein Vorteil der Anordnung ist, dass am Ende der Welle keine mit dem hydraulischen System des Vibrationsverdichters verbundene schwenkbare Verbindung benötigt wird. Gemäß der Anmeldung kann die Vorrichtung mit einer Anzahl von gleichen Anordnungen versehen werden, um eine einstellbare Schwingungsvorrichtung zu schaffen. Ein Problem mit einer derart einstellbaren Schwingungsvorrichtung ist, dass der hydraulische Antrieb nicht die Schnelligkeit und Genauigkeit liefert, die bei diesen Verbindungen benötigt wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schwingungsvorrichtung zu schaffen, welche die Vorteile der vorerwähnten bekannten Vorrichtung umfasst und gleichzeitig deren Probleme löst. Ferner besteht die allgemeine Aufgabe darin, eine elektrisch angetriebene Schwingungsvorrichtung herzustellen. Die vorliegende Erfindung löst ihre Aufgabe dadurch, dass sie einen elektrischen Antrieb mit den schnellen und genauen Einstellungen bereitstellt, welche mit einem solchen Antrieb verbunden sind. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass im Wesentlichen dieselbe Schwingungsvorrichtung sowohl kreisförmige Schwingungen mit oder ohne einstellbare Amplitude und gerichtete Schwingungen mit einstellbarer Amplitude erzeugen kann. Hierzu wurden früher unterschiedliche und mechanisch komplizierte Vorrichtungen benötigt. Bei der vorliegenden Erfindung ist dies jedoch lediglich eine Frage der Logik in programmierbaren elektronischen Systemen.
Um die Eigenschaften der Erfindung ausführlicher zu erklären werden nachstehend einige bevorzugte Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Schwingungsvorrichtung für einen Vibrationsverdichter beispielhaft, ohne irgendwie zu begrenzen, beschrieben, wobei auf die beigegebenen Zeichnungen 1 bis 6 Bezug genommen wird, worin:
1 einen Längsschnitt einer Walzentrommel mit einer erfindungsgemäßen Schwingungsvorrichtung zeigt,
2 eine vergrößerte und zum Teil geschnittene Ansicht der Schwingungsvorrichtung nach 1 zeigt,
3 bis 4 eine Seitenansicht der Vorrichtung nach 1 in einer Antriebsart zeigen, der kreisförmige Schwingungen erzeugt,
5 bis 6 eine Seitenansicht der Vorrichtung nach 1 in einer Antriebsart zeigen, der gerichtete Schwingungen erzeugt.
1 zeigt eine Schwingungsvorrichtung 1, die in einer Walzentrommel 2 einer (nicht gezeigten) selbstfahrenden Straßenwalze angeordnet ist. Die Walze ist für einen diesel-elektrischen Antrieb eingerichtet. Man kann aber die Schwingungsvorrichtung 1 auch bei rein elektrischem Antrieb oder bei elektrischem Antrieb kombiniert mit anderen fossilen oder nicht-fossilen Brennstoffen anwenden. Die Schwingungsvorrichtung 1 umfasst eine Welle 3, eine erste 4, eine zweite 5 und eine dritte 6 Exzentermasse und eine (in der Figur schematisch gezeigte) Steuereinheit 7. Ferner umfasst die Schwingungsvorrichtung 1 je Exzentermasse 4, 5, 6 einen Motor 8 zum Drehen der Massen 4, 5, 6 um die Welle 3. Die Walzentrommel 2 ist drehbar um die Schwingungsvorrichtung 1 angeordnet, indem die Welle 3 über Lager mit der Trommel 2 verbunden ist. Der Zweck der drehbaren Verbindung besteht darin, den drehenden Antrieb der Trommel 2 durch den (nicht gezeigten) Trommelmotor der Walze zu ermöglichen, damit die Walze vorwärts oder rückwärts gefahren werden kann. Ein Ende der Welle 3, in der Figur das rechte, ist nicht drehbar, sondern über Gummilager flexibel mit dem (nicht gezeigten) Rahmen der Walze verbunden. Die flexible Lagerung soll es ermöglichen, dass die Schwingungsvorrichtung 1 der Schwingungsbewegung folgen kann, sodass sie in einer erwartbaren Weise die Trommel 2 zum Funktionieren antreibt. Es ist gut möglich, die Schwingungsvorrichtung 1 nur mit einer Exzentermasse zu versehen, die in der gleichen Weise wie die dritte Exzentermasse 6 in der Zeichnung angeordnet ist. Bei einer solchen erfindungsgemäßen Ausführungsform kann die Schwingungsvorrichtung 1 nur zur Erzeugung einer kreisförmigen Schwingung mit einer nicht einstellbaren Amplitude betrieben werden. Es ist ebenso gut möglich, die Schwingungsvorrichtung 1 in der Basis einer Rüttelplatte anzuordnen. Die Welle 3 ist bei einer solchen Ausführungsform nicht drehbar mit der Basis zu verbinden. Die Steuereinheit 7 ist so eingerichtet, dass sie elektrischen Strom vom Generator und/oder Akkumulator der Walze aufnimmt und auf die Motoren 8 verteilt. Die Steuereinheit 7 ist auch zum Empfang von Steuerbefehlen vom Bediener der Walze und zur Verarbeitung der Signale von Sensoren und elektrischen Systemen in der Walze eingerichtet. Insbesondere Signale, die sich auf die Verdichtungsleistung der Walze beziehen. Die Steuereinheit 7 umfasst ein programmierbares elektronisches System, das zur Steuerung des Antriebs des Motors 8 gemäß einer voreingestellten Logik des Systems eingerichtet ist. Die Steuereinheit 7 ist zur Steuerung des Antriebs der Motoren 8 durch Betätigen mindestens einer Einflussgröße der elektrischen Energie eingerichtet, welche unter den Motoren 8 verteilt wird.
2 zeigt die Exzentermassen 4, 5, 6 der Schwingungsvorrichtung 1 und die in die Massen 4, 5, 6 integrierten Motoren 8. Zwei der Exzentermassen, die erste 4 und die zweite 5, haben gleiche Massen und sind so angeordnet, dass gedachte Ebenen, die mit dem Schwerpunkt der entsprechenden Masse 4, 5 zusammenfallen und senkrecht zur Längenausdehnung der Welle 3 stehen, in gleichem Abstand vom Schwerpunkt der dritten Exzentermasse 6 angebracht sind. Die beiden Exzentermassen 4, 5 mit gleichen Massen sind mit anderen Worten symmetrisch auf jeder Seite der dritten Exzentermasse 6 angeordnet. Die dritte Exzentermasse 6 ist mit derselben Masse wie die der anderen beiden Exzentermasse 4, 5 zusammen ausgelegt. Die Anordnung ermöglicht die Einstellung der Schwingungsamplitude während der Erzeugung von kreisförmigen Schwingungen auf auswählbare Werte zwischen einem Maximalwert und Null.
Jeder Motor 8 umfasst eine Wicklungseinheit 9 und einen Rotor 10. Die Motoren 8 sind im Wesentlichen gleich angeordnet und ihre Leistungen sind an die von ihnen angetriebenen Exzentermassen angepasst. Daher sind die Bezugszeichen in den Zeichnungen nur für den Motor 8 der dritten Exzentermasse 6 ausgeführt. Der Motor 8 ist sozusagen in die Exzentermasse 6 integriert, weil der Rotor 10 des Motors 8 integriert und verbunden mit der Masse 6 ist. Der Rotor 10 ist um die Welle 3 drehbar ausgelegt, weil er über die seitlichen Abdeckungen 11, die Lager 12 und das Innenrohr 13 drehbar mit der Welle 3 verbunden ist. Das Innenrohr 13 ermöglicht bei der Herstellung der Schwingungsvorrichtung 1 eine Vormontage des Motors 8 und Aufschieben auf die Welle 3. Das Innenrohr 13 und die Welle 3 sind miteinander durch eine Passfederverbindung drehbar fixiert. Die Wicklungseinheit 9 ist über das Innenrohr 13 mit der Welle 3 verbunden. Die Wicklungseinheit 9 ist zur Erzeugung mindestens eines Magnetfelds für den Antrieb des Rotors 10 zur Drehung um die Welle 3 eingerichtet. Der Rotor 10 umfasst mindestens einen Permanentmagneten 14 und ist dadurch so eingerichtet, dass er durch das Magnetfeld in Drehung versetzt werden kann. Die Permanentmagneten 14 können durch Käfigläuferwicklungen oder Rotorwicklungseinheiten ersetzt werden, wenn die Wicklungseinheit 9 zur Erzeugung umlaufender magnetischer Felder eingerichtet ist. Die Schwingungsvorrichtung 1 kann auch drei Drehwinkelsensoren 15 umfassen, die mit der Steuereinheit 7 verbunden sind (siehe 1). Jeder Drehwinkelsensor ist für die Ermittlung der augenblicklichen Drehwinkelposition des Schwerpunkts einer Exzentermasse 4, 5, 6 relativ zur Welle 3 eingerichtet. Die Drehwinkelsensoren 15 umfassen sogenannte Halleffektsensoren, die in die Lager 12 integriert sind. Es ist jedoch nicht unerlässlich, die Drehwinkelsensoren 15 in die Lager 12 zu integrieren, die Sensoren 15 können auch in den Motoren 8 integriert oder als Einzelbauteile angeordnet sein. Die Drehwinkelsensoren 15 sind über die Verdrahtung 16 an die Steuereinheit angeschlossen. Die Verdrahtung ist zur Übertragung elektrischer Signale eingerichtet. Die Verdrahtung 16 ist auch für die Weiterleitung von elektrischem Strom von der Steuereinheit 7 zu den Motoren 8 eingerichtet. Die Welle 3 umfasst einen Kanal 17, der so eingerichtet ist, dass die Verdrahtung 16 zwischen Motoren 8/Drehwinkelsensoren 15 und Ende der Welle 3 verlegt werden kann.
3 zeigt die Schwingungsvorrichtung 1 bei einer ersten Antriebsart, wobei die Amplitude der erzeugten kreisförmigen Schwingungen maximal ist (dargestellt durch kegelförmige Kurven). Ein Befehl des Bedieners der Straßenwalze oder ein Signal aus einem System der Walze, das automatisch ihre Verdichtungsleistung steuert, haben das programmierbare elektronische System der Steuereinheit 7 (in 1 gezeigt) veranlasst, einen Abschnitt der Logik auszuführen, welcher der Antriebsart entspricht. Die Steuereinheit ist bei dieser Antriebsart zum Antrieb des Motors 8 (in 2 gezeigt) der dritten Exzentermasse 6 mit regelbarer Geschwindigkeit in einer ersten Drehrichtung eingerichtet, wie in der Figur durch die längeren der oberen Pfeile dargestellt. Die Einheit 7 ist gleichzeitig für den Antrieb des Motors 8 der beiden anderen Exzentermassen 4, 5 in der gleichen Drehrichtung (durch kurze Pfeile in der Zeichnung dargestellt) wie die erste Drehrichtung eingerichtet. Der Antrieb der beiden anderen Motoren der Exzentermassen 4, 5 wird mit einer regelbaren Differenz der Drehwinkelposition für den Schwerpunkt der beiden Exzentermassen 4, 5 im Vergleich zur Drehwinkelposition des Schwerpunkts der dritten Exzentermasse 6 ausgeführt. Während des oben beschriebenen Antriebs ist die Differenz der Drehwinkelposition 0.
4 zeigt die gleiche Antriebsart wie 3, jedoch ist die Schwingungsvorrichtung 1 nunmehr auf eine Differenz der Drehwinkelposition von 90° eingestellt. Die Steuereinheit 7 (in 1 gezeigt) hat also die Schwingungsvorrichtung 1 zu einer Anpassung veranlasst, durch die sowohl die erste 4 als auch die zweite 5 Exzentermasse der Drehung der dritten Exzentermasse 6 mit einer Differenz der Drehwinkelposition von 90° folgen. Während dieses Antriebs erzeugt die Schwingungsvorrichtung kreisförmige Schwingungen mit etwa 71% der Amplitude, die man beim Antrieb nach 3 erhält. So kann die Schwingungsvorrichtung 1 eingestellt werden, um Schwingungsamplituden zwischen 0 und der maximalen Amplitude abzugeben, indem die Differenz der Drehwinkelposition zwischen 0 und 180° eingestellt wird.
5 zeigt die Schwingungsvorrichtung 1 während einer zweiten Antriebsart, in welcher die Richtung der erzeugten Schwingungen vertikal ist (durch kegelförmige Kurven/senkrechte Pfeile in der Figur veranschaulicht). Die Steuereinheit 7 (in 1 gezeigt) ist für den Antrieb des Motors 8 der dritten Exzentermasse 6 in einer ersten Drehrichtung eingerichtet, was durch die längeren der gebogenen Pfeile in der Figur dargestellt ist. Der Schwerpunkt der Exzentermasse 6 erhält eine regelbare Drehwinkelposition nach jeder Umdrehung durch eine regelbare Rundenzeit während des Antriebs. Die Motoren 8 der beiden anderen Exzentermassen 4, 5 sind gleichermaßen in einer zur ersten Drehrichtung entgegengesetzten Drehrichtung angetrieben. Der Antrieb wird mit ungefähr derselben Drehgeschwindigkeit bewirkt wie für den Motor 8 der dritten Exzentermasse 6. Der Antrieb wird so bewirkt, dass der Schwerpunkt beider Exzentermassen 4, 5 nach jeder Umdrehung die gleiche Drehwinkelposition erhält wie der Schwerpunkt der dritten Exzentermasse 6. Die einstellbare Drehwinkelposition für den Schwerpunkt der Exzentermasse 6 ist im oben beschriebenen Antrieb auf einen Wert eingestellt, welcher einer vertikalen Schwingungsrichtung entspricht.
6 zeigt dieselbe Antriebsart wie 5, jedoch ist hier die Drehwinkelposition auf einen Wert eingestellt, der einer Neigung der Schwingungsrichtung von 45° gegenüber der senkrechten Ebene entspricht. Durch Veränderung des Wertes der Drehwinkelposition kann also die Schwingungsvorrichtung 1 so eingestellt werden, dass sie entweder rein vertikal oder horizontal gerichtete Schwingungen oder eine Kombination aus beiden liefert. Diese Antriebsart ist daher besonders geeignet für die Verwendung bei vorwärts und rückwärts gehenden Rüttelplatten.
Der Ausdruck „Exzentermasse” betrifft eine Unwucht, welche durch Rotation um die Welle 3 einen Exzentermoment erzeugt. Das Exzentermoment ist das Produkt der Unwucht und der Länge des Radius zwischen dem Rotationszentrum der Unwucht und ihrem Schwerpunkt. Wenn eine oder mehrere Exzentergewichte mit einem Rotor 10 verbunden sind, werden ihre addierten Unwuchten zusammen als „die Exzentermasse” und der Schwerpunkt der gesamten Unwucht als „der Schwerpunkt der Exzentermasse” angesehen.
Die Erfindung ist keinesfalls auf die oben beschriebenen oder in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Hingegen kann eine erfindungsgemäße Schwingungsvorrichtung für einen Vibrationsverdichter in allen Gestalten und Größen hergestellt werden, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen.

Claims

Schwingungsvorrichtung (1) für Vibrationsverdichter, umfassend eine Welle (3), mindestens eine um die Welle (3) drehbar angeordnete Exzentermasse (4, 5, 6) und mindestens einen um die Welle (3) angeordneten und zum Drehantrieb der mindestens einen Exzentermasse (4, 5, 6) um die Welle (3) eingerichteten Motor (8), dadurch gekennzeichnet, dass der Motor (8) eine mit der Welle (3) verbundene Wicklungseinheit (9) und einen um die Welle (3) drehbar angeordneten und mit mindestens einer der Exzentermasse (4, 5, 6) verbundenen Rotor (10) umfasst, dass der Rotor (10) eingerichtet ist, um durch mindestens ein Magnetfeld in Drehung um die Welle versetzt zu werden und dass die Wicklungseinheit (9) eingerichtet ist zur Erzeugung der magnetischen Felder, welche den Rotor (10) in Drehung versetzen.
Schwingungsvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (3) mindestens einen Kanal (17) aufweist, der für eine Verkabelung (16) eingerichtet ist.
Schwingungsvorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Steuereinheit (7), die eingerichtet ist, um den Antrieb von mindestens einem Motor (8) zu steuern, und mindestens einen mit der Steuereinheit (7) verbundenen und zur Ermittlung der augenblicklichen Drehwinkelposition des Schwerpunkts von mindestens einer durch den Motor (8) angetriebenen Exzentermassen (4, 5, 6) relativ zur Welle (3) eingerichteten Drehwinkelsensor (15) umfasst.
Schwingungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung drei Exzentermassen (4, 5, 6) aufweist, von denen jede durch einen Motor (8) angetrieben wird, dass sie drei Drehwinkelsensoren (15) aufweist, von denen jeder zur Ermittlung der augenblicklichen Drehwinkelposition des Schwerpunkts von mindestens einer durch den Motor (8) angetriebenen Exzentermassen (4, 5, 6) relativ zur Welle (3) eingerichtet ist, und dass zwei der Massen (4, 5) mit gleichen Massen eingerichtet sind, und zwar so, dass gedachte, mit dem Schwerpunkt der entsprechenden Masse (4, 5) zusammenfallende und senkrecht zur Längsrichtung der Welle (3) verlaufende Ebenen sich im gleichen Abstand von Schwerpunkt der dritten Exzentermasse (6) befinden.
Vibrationsvorrichtung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Exzentermasse (6) mit der gleichen Masse wie die Masse der beiden anderen Exzentermassen (4, 5) zusammen eingerichtet ist.
Schwingungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (7) für den Antrieb des Motors (8) der dritten Exzentermasse (6) mit einer steuerbaren Drehgeschwindigkeit in einer steuerbaren ersten Drehrichtung und zum Antrieb des Motors (8) der beiden anderen Exzentermassen (4, 5) in der gleichen Drehrichtung wie die erste Drehrichtung mit einer steuerbaren Differenz der Drehwinkelposition des Schwerpunkts der beiden Exzentermassen (4, 5) relativ zur Drehwinkelposition des Schwerpunkts der dritten Exzentermasse (6) eingerichtet ist.
Schwingungsvorrichtung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (7) zum Antrieb des Motors (8) der dritten Exzentermasse (6) in einer ersten Drehrichtung, derart, dass der Schwerpunkt der Masse (6) nach jeder Umdrehung mit steuerbarer Rundenzeit eine steuerbare Drehwinkelposition erhält, und zum Antrieb der Motoren (8) der anderen beiden Exzentermassen (4, 5) in der zur ersten Drehrichtung entgegengesetzten Drehrichtung, derart, dass der Schwerpunkt der beiden Exzentermassen (4, 5) nach jeder Umdrehung dieselbe Drehwinkelposition wie der Schwerpunkt der dritten Exzentermasse (6) erhält, eingerichtet ist.
Schwingungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (10) zumindest einen Permanentmagneten (14) umfasst.
Schwingungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (10) mindestens eine Käfigläuferwicklung oder mindestens eine Rotorwicklung umfasst.