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Die
Erfindung betrifft einen Schwingungserzeuger für ein Vibrationsrammgerät
nach dem Oberbegriff des Schutzanspruchs 1. Die Erfindung betrifft weiterhin
ein Vibrationsrammgerät nach dem Schutzanspruch 9.
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Im
Bauwesen werden Schwingungserzeuger verwendet, um Objekte, wie beispielsweise
Profile, in den Boden einzubringen oder aus dem Boden zu ziehen
oder auch um Bodenmaterial zu verdichten. Der Boden wird durch Vibration
angeregt und erreicht so einen „pseudoflüssigen"
Zustand. Durch statische Auflast kann das Rammgut dann in den Baugrund gedrückt
werden. Die Vibration ist gekennzeichnet durch eine lineare Bewegung
und wird durch paarweise gegenläufig rotierende Unwuchten
innerhalb eines Vibratorgetriebes generiert.
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Schwingungserzeuger
werden charakterisiert durch die rotierende Unwucht und die maximale Drehzahl.
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Die
Schwingungserzeuger sind linear wirkende Schwingungserreger, deren
Fliehkraft durch rotierende Unwuchten generiert wird. Diese Schwingungserreger
bewegen sich mit veränderlicher Geschwindigkeit. Die Größe
der Unwucht wird auch als „statisches Moment" bezeichnet.
Der Verlauf der Geschwindigkeit des linearen Schwingungserregers entspricht
einer periodisch wiederkehrenden Funktion, beispielsweise einer
Sinusfunktion, sie kann aber auch andere Formen einnehmen.
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Schwingungserzeuger
werden mit hydraulischen Antrieben betrieben, welche die Wellen,
auf denen die Unwuchten angeordnet sind, in Rotation versetzen.
Derartige hydraulische Antriebe weisen eine Leistungskurve auf,
welche abhängig ist von der Betriebsdrehzahl bzw. vom Betriebsdruck.
Bei gleicher Antriebsleistung ist durch eine niedrigere Drehzahl
ein höheres statisches Moment erzielbar, wodurch gleichzeitig
eine höhere Bodenschwingung bewirkt ist. Im Innenstadtbereich
sind Bodenschwingungen zu vermeiden. Diese können durch
einen Betrieb mit höherer Drehzahl reduziert werden, wodurch
jedoch gleichzeitig das statische Moment verringert wird. Diese
Maßnahmen erweisen sich als problematisch, da die erforderliche
Antriebsleistung und das Drehmoment drehzahlabhängig sind.
Wird der optimale Betriebsdrehzahlbereich des hydraulischen Antriebs
bzw. Motors verlassen, so resultiert hieraus ein Leistungsabfall.
Ebenso verringert sich das erforderliche Drehmoment am Motor bei
wachsender Rammgutmasse. Dementsprechend verringert sich das Druckgefälle
am Motor und die angebotene Antriebsleistung kann nur noch teilweise
genutzt werden.
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Hier
will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung liegt die Aufgabe
zu Grunde, einen Schwingungserzeuger zu schaffen, der einen Betrieb in
unterschiedlichen Drehzahlbereichen ohne Leistungsabfall ermöglicht.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch die
Merkmale des kennzeichnenden Teils des Schutzanspruchs 1 gelöst.
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Mit
der Erfindung ist ein Schwingungserreger geschaffen, der einen Betrieb
in unterschiedlichen Drehzahlbereichen ohne Leistungsabfall ermöglicht. Durch
den Einsatz eines hydraulischen Antriebs mit veränderbaren
Schluckvolumen ist eine Anpassung der Leistungskurve auf den jeweils
erforderlichen Drehzahlbereich ermöglicht. Einem Leistungsabfall des
Antriebs ist hierdurch entgegengewirkt.
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Unter
Schluckvolumen wird bei Hydraulikmotoren bzw. -antrieben jene Menge
an Hydraulikflüssigkeit verstanden, die der Hydraulikantrieb
pro Umdrehung verbraucht. Die von einem Hydraulikantrieb abgegebene
Leistung ist direkt proportional dem Schluckvolumen, der Drehzahl
und dem Druckgefälle. Das Produkt aus Schluckvolumen und
Drehzahl ergibt den Volumenstrom. Das Druckgefälle ist
der Unterschied zwischen Druck der zulaufenden Hydraulikflüssigkeit
(das ist in der Regel der Pumpendruck) und dem Druck der ablaufenden
Hydraulikflüssigkeit (das ist in der Regel der Tankdruck).
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In
Weiterbildung der Erfindung ist ein Steuermodul vorgesehen, über
welches das Schluckvolumen in Abhängigkeit von Betriebsdruck
oder Drehzahl einstellbar ist. Hierdurch ist eine kontinuierliche Anpassung
der Leistungskurve des hydraulischen Antriebs ermöglicht,
wodurch der Schwingungserzeuger die angebotene Leistung optimal
nutzt.
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In
Ausgestaltung der Erfindung ist ein Grenzbetriebsdruck oder eine
Grenzdrehzahl einstellbar. Hierdurch ist ein definierter Betriebszustand
einstellbar, bei dem eine Veränderung des Schluckvolumens initiiert
werden soll.
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In
Ausgestaltung der Erfindung ist ein Steuer- und Regelkreis vorgesehen,
der eine Speichereinheit zur Hinterlegung von Bodenbeschaffenheits- oder
Aufga benspezifischen Vorgabe-Datensätzen mit definierten
Betriebskenngrößen, umfasst, aus der ein jeweils
erforderlicher Datensatz auswählbar ist, Sensoren zur kontinuierlichen
Erfassung der definierten Betriebskenngrößen,
eine Auswerteeinheit zum Vergleich der ermittelten Betriebskenngrüßen
mit den Betriebskenngrößen des ausgewählten
Vorgabe-Datensatzes, eine mit der Auswerteeinheit gekoppelte Regelvorrichtung
zur Regelung des Schwingungserzeugers, sowie eine mit der Regelvorrichtung
gekoppelte Steuervorrichtung zur Ansteuerung der Mittel zur Verstellung
der relativen Drehposition der Unwuchtmassen zueinander. Hierdurch
ist die Bereitstellung und Auswahl von in der Praxis erworbenen
Erfahrungswerten in Art eines Expertensystems ermöglicht.
In Abhängigkeit von der Aufgabenstellung kann so eine einfache
Einstellung des Schwingungserzeugers durch Auswahl eines je nach Aufgabe
zu wählenden Betriebsdatensatzes erfolgen.
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Vorteilhaft
ist das Steuermodul zur Einstellung des Schluckvolumens in dem Antrieb
integriert. Alternativ kann das Steuermodul in dem Steuer- und Regelkreis
integriert sein.
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In
Weiterbildung der Erfindung sind Sensoren zur Erfassung der Frequenz,
der statischen Auflast sowie der relativen Position der Unwuchtmassen zueinander
angeordnet. Bevorzugt umfassen die Sensoren wenigstens einen induktiven
Sensor und/oder einen Drehgeber. Derartige Sensoren haben sich als
langlebig und robust erwiesen. Vorteilhaft ist ein Sensor zur Erfassung
der Beschleunigung der rotierenden Wellen angeordnet. Ergänzend
kann ein Sensor zur Erfassung der Amplitude der Schwingungen des
Schwingungserzeugers angeordnet sein.
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In
Ausgestaltung der Erfindung ist eine Vorrichtung zur automatischen
Auswahl eines Vorgabe-Datensatzes auf Grundlage der ermittelten
Beschleunigungswerte vorgesehen. Hierdurch ist eine Programmautomatik
realisierbar, durch die in Abhängigkeit von der aufgabenspezifischen
Betriebssituation die auto matische Auswahl der effizientesten Vorgabegrößen
erfolgt, ohne dass ein Eingriff des Bedieners erforderlich ist.
Alternativ kann auch eine Halbautomatik realisiert werden, bei der
dem Bediener ein Betriebskenngrößendatensatz vorgeschlagen
wird, welcher durch den Bediener bestätigt oder verändert werden
kann.
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Vorteilhaft
weist die Auswerteeinheit eine speicherprogrammierbare Steuerung
(SPS) auf. Hierdurch ist eine flexible Steuerung des Schwingungserzeugers
ermöglicht.
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In
Weiterbildung der Erfindung ist eine akustische und/oder optische
Warneinrichtung zur Alarmierung von Fehleingaben vorgesehen, die
mit der Auswerteeinheit verbunden ist. Hierdurch kann der Bediener
auf eine erforderliche Anpassung bzw. Änderung der aktuellen
Betriebskenngrößen hingewiesen werden.
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Der
Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zu Grunde, ein Vibrationsrammgerät
zu schaffen, das einen Betrieb in unterschiedlichen Drehzahlbereichen
ohne Leistungsabfall ermöglicht. Gemäß der Erfindung
wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Schutzanspruchs 9 gelöst.
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Mit
der Erfindung ist ein Vibrationsrammgerät geschaffen, das
einen Betrieb in unterschiedlichen Drehzahlbereichen ohne Leistungsabfall
ermöglicht.
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In
Ausgestaltung der Erfindung ist ein Sensor zur Erfassung der auf
das Rammgut einwirkenden Kräfte angeordnet. Durch die Ermittlung
dieser Größe ist eine Charakterisierung der Bodenbeschaffenheit
ermöglicht. Diese Charakterisierung kann durch die bevorzugte
Anordnung wenigstens eines auf das Eindringmedium aufbringbaren
Sensors zur Erfassung der Schwingungen des Eindringmediums, der mit
der Auswerteeinheit verbunden ist, verbessert wer den. Bevorzugt
ist ein Sensor zur Erfassung der Eindringgeschwindigkeit des Rammguts
vorgesehen.
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In
bevorzugter Weiterbildung der Erfindung ist eine Vorrichtung zur
automatischen Auswahl eines Vorgabe-Datensatzes auf Grundlage der
ermittelten auf das Rammgut einwirkenden Kräfte und/oder
der ermittelten Rammgutgeschwindigkeit und -beschleunigung und/oder
der erfassten Schwingungen des Eindringmediums vorgesehen. Hierdurch
ist eine Programmautomatik realisierbar, durch die in Abhängigkeit
von der aufgabenspezifischen Betriebssituation die automatische
Auswahl der effizientesten Vorgabegrößen erfolgt,
ohne dass ein Eingriff des Bedieners erforderlich ist. Alternativ
ist auch eine Halbautomatik realisierbar, bei der dem Bediener ein
Betriebskenndatensatz vorgeschlagen wird, welcher durch den Bediener
bestätigt oder verändert werden kann.
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Andere
Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den übrigen
Unteransprüchen angegeben. Ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird nachfolgend
im Einzelnen beschrieben. Es zeigen:
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1:
Die schematische Darstellung eines Vibrationsrammgerätes
mit Trägergerät und
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2:
die schematische Darstellung eines Vibratorgetriebes im Längsschnitt.
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Das
als Ausführungsbeispiel gewählte Vibrationsrammgerät
besteht im Wesentlichen aus einem Trägergerät 1,
an dem über einen Mäkler 2 ein Schwingungserzeuger
(Vibrator) 3 vertikal verschiebbar angeordnet ist. Der
Schwingungserzeuger 3 umfasst ein Gehäuse 31,
welches von einer Haube 30 umgeben ist. An der Haube 30 ist
eine Klemmzange 37 zur Aufnahme von Rammgut 4 angeordnet.
Die Haube 30 dient der Führung des Schwingungserzeugers 3 und überträgt
die statische Kraft des Mäklers 2 auf den Schwingungser zeuger 3.
Der Schwingungserzeuger 3 generiert über rotierende
Unwuchten 3311, 3321, 3331, 3511, 3521, 3531 eine
Vibration, welche über die Klemmzange 33 auf das
Rammgut 4 übertragen wird.
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Der
Schwingungserzeuger
3 ist als Vibratorgetriebe ausgeführt
(
2). Es besteht im Wesentlichen aus einem Gehäuse
31,
in dem mit Zahnrädern
331,
332,
333,
351,
352,
353 versehene
Wellen
33,
35 drehbar gelagert sind. Die Zahnräder
331,
332,
333,
351,
352,
353 sind
jeweils mit Unwuchtmassen
3311,
3321,
3331,
3511,
3521,
3531 versehen,
wobei die Zahnräder beider Wellen
33,
35 über
Zahnräder
3613,
3614 der Rotorwelle
361 eines
Schwenkmotors
36 miteinander im Eingriff sind. Die mit
Unwuchtmassen
3311,
3321,
3331,
3511,
3521,
3531 versehenen
Zahnräder
331,
332,
333,
351,
352,
353 sind über
den Schwenkmotor
36 in ihrer rotatorischen Position relativ
zueinander verstellbar, wodurch die resultierende Unwucht bzw. das
resultierende statische Moment einstellbar ist. Derartige Vibratorgetriebe
mit drehbar gelagerten Unwuchtmassen, die in der relativen Phasenlage
verstellbar sind, sind dem Fachmann beispielsweise aus der
DE 20 2007 005 283
U1 bekannt.
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Der
Schwingungserzeuger 3 ist gegenüberliegend den
Zahnrädern 331, 332, 333, 351, 352, 353 auf
der Innenseite des Gehäuses 31 jeweils mit zwei parallel
zum Umfang der Zahnräder beabstandet zueinander angeordneten
induktiven Sensoren 310 versehen. Die induktiven Sensoren 310 ermöglichen die
Erfassung der Winkelbeschleunigung der rotierenden Unwuchtmassen 3311, 3321, 3331, 3511, 3521, 3531. Über
den Zeitversatz der Unwuchtmassen 3311, 3321, 3331, 3511, 3521, 3531 lässt
sich weiterhin deren relative Position zueinander ermitteln. Des
Weiteren ist an dem Gehäuse 31 des Schwingungserzeugers 3 ein
Beschleunigungssensor 311 angeordnet. Zur Verarbeitung
der Signale der Sensoren 310, 311 und Ermittlung
der vorgenannten Größen ist als Auswerteeinheit
eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) 7 angeordnet,
welche weiterhin auf Basis von Frequenz und Zeitversatz der Unwuchtmassen
zueinander das jeweils anliegende statische Moment berechnet. Alternativ kann auch
eine Sensorik mit zwei induktiven Sensoren (also einem induktiven
Sensor pro Unwuchtgang) sowie einem auf dem Gehäuse des
Schwingungserzeugers angebrachter Beschleunigungssensor vorgesehen
sein.
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Die
Wellen 33, 35 des Schwingungserzeugers 3 sind
mit hydraulischen Antrieben 38 verbunden, die ein veränderbares
Schluckvolumen aufweisen. Derartige regelbare Hydraulikantriebe
sind in unterschiedlichen Ausführungen bekannt. Die hydraulischen
Antriebe 38 sind mit einem Regelmodul verbunden, über
welches das Schluckvolumen in Abhängigkeit vom jeweiligen
Betriebsdrehzahlbereich einstellbar ist. Im Ausführungsbeispiel
ist das Regelmodul in dem Antrieb 38 integriert.
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Der
SPS 7 vorgeschaltet ist eine Speichereinheit 10,
welche über Leitungen 6 mit der SPS 7 verbunden
ist. In der Speichereinheit 10 sind bodenbeschaffenheitsspezifische
Vorgabedatensätze mit definierten Betriebskenngrößen
hinterlegt. Bei diesen Vorgabegrößen handelt es
sich um empirisch ermittelte Größen. Im Ausführungsbeispiel
bildet die SPS 7 zusammen mit der Speichereinheit 10 eine Programmautomatik,
welche je nach vorliegender Bodenbeschaffenheit einen entsprechenden
effizienten Datensatz auswählt. Im Ausführungsbeispiel
sind die Datensätze an zu ermittelnde Kraft- und Beschleunigungswerte
gekoppelt, welche als Eingangsgrößen der SPS 7 übermittelt
werden. Zusätzlich ist als Einflussgröße
die Schwingungsemission des umgebenden Eindringmediums hinterlegt.
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Die
Ermittlung der Kraft- und Beschleunigungswerte erfolgt über
einen Kraftsensor 52 sowie einen Beschleunigungssensor 311.
Der Kraftsensor 52 ist derart eingerichtet, dass er die
auf das Rammgut 4 einwirkenden Kräfte, die aus
der durch den Mäkler 2 aufgebrachten Kräfte
sowie der durch das Eindringmedium erzeugten Gegenkraft resultiert,
ermittelt und über Leitungen 6 an die SPS 7 übermittelt. Der
Beschleunigungssensor 311 ist derart eingerichtet, dass
er die Eindringgeschwindigkeit und -beschleunigung des Rammgutes 4 in
das Eindringmedium 9 ermittelt und ebenfalls über
Leitungen 6 an die SPS 7 übermittelt.
Wahlweise kann die Eindringgeschwindigkeit mit einem zusätzlichen
Sensor (53) ermittelt werden, vorzugsweise einem Laser
zur Abstandsmessung zwischen Vibrator und Boden. Alternativ kann
die Ermittlung der anliegenden Kraft auch über einen Beschleunigungssensor 311 und
die dynamische Masse erfolgen.
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Zur
Ermittlung der Schwingungsemission des das Rammgut 4 umgebenden
Bodens 9 ist beabstandet zum Eindringort des Rammgutes 4 ein Schwingungssensor 54 auf
den Boden 9 aufgebracht. Dieser Schwingungssensor 54 ermittelt
die vom Boden während des Rammvorgangs vom Boden 9 emittierten
Schwingungen und übermittelt die erfassten Schwingungswerte über
eine Leitung 6 an die SPS 7.
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Auf
Basis der so ermittelten Kraft- und Beschleunigungswerte sowie der
gemessenen Schwingungswerte wird aus einer Speichereinheit 10 der diesen
Werten (bzw. einem Wertebereich, in den die ermittelten Werte fallen)
zugeordnete Vorgabe-Datensatz ausgewählt, dessen Vorgabewerte
zum Abgleich mit den durch die Sensoren 310, 311 ermittelten
Betriebskenngrößen herangezogen werden. In einer
alternativen Ausgestaltung ist auch die Auswahl eines Datensatzes
durch den Bediener des Vibrationsrammgerätes über
ein entsprechendes Bedienfeld möglich.
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In
dem Trägergerät 1 ist eine Steuerung 8 angeordnet,
welche über Leitungen 6 mit der der Speichereinheit 10 sowie
mit der SPS 7 verbunden ist. Die Steuerung 8 ist
derart eingerichtet, dass sie aus dem von der SPS 7 ermittelten
statischen Moment sowie den von den Sensoren 311 ermittelten Beschleunigungsdaten
vor dem Hintergrund der Vorgabekennwerte des aus der Speichereinheit 10 ausgewählten
Vorgabe-Datensatzes die optimalen Betriebskenngrößen
des Schwingungserzeugers errechnet.
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Die
Steuerung 8 ist mit dem in dem Schwingungserzeuger 3 angeordneten
Schwenkmotor 36 zur Veränderung der relativen
Drehposition der Unwuchtmassen zueinander verbunden. Über
die Ansteuerung des Schwenkmotors 36 erfolgt eine Angleichung
der aktuellen durch die Sensoren 310, 311 erfassten
Betriebskenndaten an die entsprechenden Vorgabewerte des ausgewählten
Vorgabedatensatzes. Im Falle der Überschreitung der zulässigen
Beschleunigungswerte erfolgt über den Schwenkmotor 36 über
das Zahnrad 3621 eine Nachstellung der resultierenden Unwucht
bzw. des resultierenden statischen Moments.
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Zusätzlich
ist die Installation eines optischen und/oder akustischen Signals
im Bedienerstand des Trägergerätes möglich,
um den Bediener von der wesentlichen Überschreitung zulässiger
Beschleunigungswerte zu informieren. Im Regelfall weist dies auf
die Auswahl eines ungeeigneten Betriebskenngrößensatzes
aus der Speichereinheit 10 hin. Durch die Aktivierung des
Signals wird der Bediener angewiesen, die Auswahl des Vorgabedatensatzes
zu überprüfen und gegebenenfalls zu korrigieren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 202007005283
U1 [0025]