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Die
Erfindung betrifft einen Tiefenrüttler
zum Verdichten von Böden
mit einem länglich
zylindrischen Gehäuse
mit einer Längsachse
und einer koaxial im Gehäuse
gelagerten motorisch antreibbaren Drehachse sowie einer mit der
Drehachse umlaufenden Unwuchtmasse, wobei Mittel zum Verändern des radialen
Abstandes des Schwerpunktes der Unwuchtmasse von der Längsachse
und ein drehzahlveränderlicher
Antrieb für
die Drehachse vorgesehen sind, indem zumindest ein gegenüber der
Drehachse verstellbar angeordneter Massenkörper vorgesehen ist.
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Das
Verdichten von rolligen Böden
bis in große
Tiefen und in beliebiger Mächtigkeit
mittels Tiefenrüttlern
ist erprobt. Die Anwendung des Verfahrens bis in Tiefen von 50 Meter
ist bereits ausgeführt.
Tiefen von 70 Metern sind angestrebt. Die Rüttlerarbeit erfolgt durch Antrieb
einer Unwuchtmasse um die Längsachse
im vertikal aufgehängten
Rüttlergehäuse, die
von einem darüber
angeordneten Elektro- oder Hydraulikmotor angetrieben wird. Der
Tiefenrüttler
wird durch Verlängern
mittels eines Rohrstranges, in dem die Versorgungsleitungen verlaufen (Strom,
Wasser, Hydrauliköl),
für die
gewünschte
Tiefe hergerichtet. Das so gebildete Aggregat wird an einem Bagger
oder einem speziellen Traggerät
mit einem Mäkler
gehalten und geführt.
Der Aufhängepunkt
befindet sich am oberen Ende des Rohrstranges. Am unteren Ende des
Rohrstranges ist der Tiefenrüttler
mittels einer beweglichen Kupplung angelenkt. Idealerweise soll
der Tiefenrüttler
am Anlenkpunkt in Ruhe bleiben und mit der unten liegenden Rüttlerspitze
eine Kreisschwingung ausüben.
Die Bewegung des Rüttlers
wird somit von einem Kegel mit obenliegender Spitze eingehüllt. Die
Bewegung des Rüttlers
wird dann der Umlauffrequenz und der Größe. der Unwuchtmasse bestimmt
und entspricht nicht notwendig dem vorgenannten Idealfall. Bei Veränderungen
der einen oder der anderen Größe können die Pendelbewegung
des Rüttlers
in eine Taumelbewegung um einen Ruhepunkt auf der Rüttlerlängsachse übergehen
und damit die Rückwirkungen
auf den Rohrstrang verstärkt
werden.
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Die
Verdichtung des Bodens erfolgt von unten nach oben. Nach Absenken
des Tiefenrüttlers
auf die vorgesehene Endtäufe
wird er entweder kontinuierlich nach oben gezogen oder aber stufenweise,
z. B. in Schritten von 20 bis 100 cm, wobei er auf jeder Stufe eine
Weile von vorzugsweise 20 bis 60 Sekunden verharrt.
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Die
Verdichtung des Bodens ist naturgemäß mit einer Volumenverminderung
verbunden, die sich an einer Trichterbildung und an konzentrischen
Setzrissen um den Trichter an der Geländeoberfläche sowie an einer Neigung
der Geländeoberfläche im weiteren
zum Trichter hin zeigt, sofern nicht Material zugeführt wird.
Im bisher zur Anwendung gekommenen Rüttlerbetrieb ist es üblich, mit
einer eingestellten Umlauffrequenz zu arbeiten und die vom Rüttlermotor
aufgenommene Leistung zu kontrollieren. Hiermit sollen zum einen
unzulässige
Belastungen vermieden werden, zum anderen werden Verdichtungsschritte
bei nur noch geringem Leistungsanstieg abgebrochen und der Tiefenrüttler auf
die nächste
Stufe gezogen.
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Aus
der
DE 26 29 485 A1 sind
bereits Tiefenrüttler
bekannt, deren Unwuchtmasse durch Wechsel ihrer Drehrichtung veränderbar
ist, indem ein Teil der Unwuchtmittel gegenüber einem anderen Teil der Unwuchtmittel
verschiedene Umfangspositionen bezüglich der Drehachse annehmen
kann.
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Aus
der
DE 29 48 403 A1 sind
Tiefenrüttler bekannt,
deren Unwuchtmasse entweder durch Wechsel ihrer Drehrichtung nach
dem vorstehend genannten Prinzip oder durch Änderung ihrer Drehzahl veränderbar
ist, indem eine bewegliche Unwuchtmasse gegen die Kraft einer Druckfeder
unter Fliehkrafteinfluß radial
nach außen
bewegbar ist und damit eine feste Unwuchtmasse teilweise austariert.
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Aus
der
DE 81 34 822 U1 sind
schließlich ebenfalls
Tiefenrüttler
bekannt, deren Unwuchtmasse durch Änderung der Drehzahl veränderbar
ist, indem die Unwuchtmasse aus einem fließfähigen Medium mit hohem spezifischen
Gewicht besteht, das unter Fliehkrafteinfluß aus einer exzentrischen Kammer
zunehmend in eine symmetrische Ringkammer steigt und so die Unwucht
teilweise austariert.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, neuartige Tiefenrüttler bereitzustellen,
mit denen bei zuverlässiger
Funktionsweise eine günstige
Bodenverdichtungsleistung erzielt werden kann.
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Hierzu
wird vorgeschlagen, daß die
Größe der Unwuchtmasse
zur Veränderung
der effektiven Schwingweite während
des Absenkens und/oder der Ziehens oder beim Übergang vom Absenken auf das Ziehen
verändert
wird. Mit diesen Maßnahmen
können
insbesondere bei einer fest eingestellten Umlauffrequenz ein Absenken
des Tiefenrüttlers
mit reduzierter Schwingweite und ein Ziehen des Tiefenrüttlers mit
optimaler Schwingweite bei größerer effektiver
Unwuchtmasse erzielt werden.
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Es
wird weiterhin vorgeschlagen, daß die Umlauffrequenz der Unwuchtmasse
zur Veränderung
der effektiven Schlagkraft während
des Absenkens und/oder Ziehens bzw. bei der Umkehr vom Absenken
zum Ziehen verändert
wird. Hiermit ist es möglich,
mit hoher Umlauffrequenz der Unwuchtmasse und damit hoher Schlagkraft
den Tiefenrüttler leichter
niederzubringen und mit reduzierter Umlauffrequenz der Unwuchtmasse
und damit geringerer Schlagkraft das Ziehen und damit das Verdichten
von unten nach oben durchzuführen.
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In
besonders bevorzugter Ausführung
werden die beiden vorgenannten Variationsmöglichkeiten aufeinander abgestimmt
und in Kombination miteinander durchgeführt. Hierzu wird insbesondere vorgeschlagen,
daß die
Größe der Unwuchtmasse mit
steigender Umlauffrequenz reduziert wird und mit sinkender Umlauffrequenz
erhöht
wird. Hierbei wird der Tiefenrüttler
insbesondere mit der erhöhten
Umlauffrequenz und der reduzierten Unwuchtmasse in den Boden abgesenkt
und mit geringerer Umlauffrequenz und erhöhter Unwuchtmasse in Verdichtungsschritten
aus dem Boden gezogen. Diese gegenläufigen Änderungen sind vorteilhaft,
um bestimmte Höchstbelastungen
für den
Rüttler
und den Rohrstrang nicht zu überschreiten,
andererseits jedoch mit größtmöglicher
Leistung die Verdichtung des Bodens durchzuführen. Bei Aufnahme entsprechender Meßgrößen kann
eine individuelle Anpassung an die Bodenverhältnisse in verschiedenen Tiefen
erfolgen, d. h. ständige Änderungen
der Parameter während des
gesamten Verfahrens sind möglich,
daneben auch kontinuierliche Veränderungen
der Parameter während
einzelner Verdichtungsschritte, je nach Fortschritt des Verdichtungsvorgangs.
Es ist bekannt, daß sich
der Boden besonders gut verdichten läßt, wenn Rüttlerfrequenz und Eigenfrequenz
des Bodens zusammenfallen. Deshalb wird dieser Zustand angestrebt,
d. h. in jeder Stufe ist die Umlauffrequenz der Unwuchtmasse zumindest
an die Eigenfrequenz des Bodens heranzuführen. Dies führt zu einer
Verkürzung
des Zeitaufwandes für
den Verdichtungsvorgang. Eine Datenaufnahme, die zu einer Identifizierung
des Verdichtungsfortschrittes und der Eigenfrequenz des Bodens und
daraus abgeleitet zu einer Optimierung der Größe der Unwuchtmasse und der
Umlauffrequenz der Unwuchtmasse führen soll, kann durch Sensoren
auf der Bodenoberfläche
oder durch Sensoren im Tiefenrüttler
selber erfolgen. Hiernach kann mit einer entsprechenden Datenverarbeitungs-
und Steuereinheit die notwendige Änderung der Umlauffrequenz
der Unwuchtmasse und falls erforderlich, die Änderung der Größe der Unwuchtmasse
erfolgen.
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Ein
erfindungsgemäßer Rüttlerkopf,
der zur Durchführung
der vorstehend genannten Verfahren geeignet ist, ist gekennzeichnet
durch die Merkmale der unabhängigen
Patentansprüche.
Weitere konkrete Ausführungsformen
sind in den Unteransprüchen beschrieben,
auf die hiermit ausdrücklich
Bezug genommen wird. Näheres
zum Aufbau und zur Funktion ergibt sich aus der nachstehenden Beschreibung
der in den Zeichnungen dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiele.
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Ausführungsbeispiele
von veränderlichen Unwuchtmassen
erfindungsgemäßer Tiefenrüttler sind
in den nachfolgenden Zeichnungen dargestellt.
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1 zeigt
eine Unwuchtmasse mit zur Drehachse verstellbaren Massenkörpern mit
einem Fliehgewicht
- a) im Längsschnitt
- b) im Querschnitt in zwei Positionen;
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2 zeigt
eine Unwuchtmasse mit zur Drehachse verstellbaren Massenkörpern
- a) im Längsschnitt
- b) im Querschnitt.
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In 1 ist
ein Abschnitt eines Mantelrohres 31 eines Tiefenrüttlers gezeigt.
Koaxial zur Längsachse
L ist der Abschnitt einer Drehachse 33 angeordnet, die
drehend gegenüber
dem als fest anzunehmendes Mantelrohr 31 antreibbar ist.
Es sind zwei Lager 391 , 392 gezeigt, deren Abstützung gegenüber dem
Mantelrohr nicht dargestellt ist. Ein etwa halbscheibenförmiger erster
Massenkörper 34 ist
fest auf der Drehachse 33 angeordnet und läuft mit dieser
um. Oberhalb des ersten Massenkörpers 34 liegt
ein zweiter ebenfalls etwa halbscheibenförmiger Massenkörper 35,
der über
ein Lager 40 drehbar gegenüber der Drehachse 33 gehalten
ist. In den Figuren a, b1 liegt der Massenschwerpunkt M34 des
ersten Massenkörpers 34 und
der Massenschwerpunkt M35 des zweiten Massenkörpers 35 in
einer gemeinsamen Radialebene, so daß die resultierende Unwuchtmasse
relativ groß ist.
In der Figur b2 ist der zweite Massenkörper 35 relativ zum
ersten Massenkörper 34 um
90° verdreht,
so daß die
resultierende Unwuchtmasse näher
an der Längsachse
L liegt und geringer ist. Der zweite Massenkörper 35 wird durch im
Prinzip angedeutete Drehfedermittel 41 in die deckungsgleiche
Position mit dem ersten Massenkörper 34 nach
Figur b1 gedrückt
und unter dem Einfluß eines
auf den Massenkör per 35 einwirkenden
Fliehgewichtes 42, das in einer Führung 43 läuft, unter dem
Einfluß von
Fliehkräften
bei erhöhter
Drehzahl in die in Figur b2 gezeigte relativ zu diesem verdrehte Position
gezogen.
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In 2 ist
der Abschnitt eines Mantelrohres 41 eines Tiefenrüttlers gezeigt,
in dem konzentrisch zur Längsachse
L eine drehend antreibbare Drehachse 43 liegt. Zwei erste
Massenkörper 441 , 442 in Form
von Viertelkreisscheibensegmenten sind fest auf der Drehachse 43 angeordnet.
Zwischen diesen liegt eine Zylinderkammer 42, in der zweite
Massenkörper 451 , 452 in
Form von Viertelkreisscheibensegmenten unabhängig drehbar gegenüber der
Drehachse 43 angeordnet sind, wobei sie Luftkammern 461 , 462 zwischen
sich einschließen.
Jede der Luftkammern ist über
eine Druckmediumleitung 471 , 472 mit Druckmedium beaufschlagbar, so
daß bei
unterschiedlicher Einstellung des Druckniveaus die Größen der
Kammern 461 , 462 relativ
zueinander verändert
werden können.
Dementsprechend können
die Massenschwerpunkte M45 1, M45
2 der zweiten Massenkörper
in Umfangslage verstellt und damit den Massenschwerpunkten M441, M442 der ersten
Massenkörper
angenähert
bzw. von diesen entfernt werden, so daß im ersten Fall die gesamtwirksame
Unwuchtmasse vergrößert und
im zweiten Fall verringert werden kann.