DE4434779A1 - Verfahren und Vorrichtung zum dynamischen Verdichten von Boden - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrich­ tung zum dynamischen Verdichten von Boden mit min­ destens einer verfahrbaren Walze, die Schwingungsbewe­ gungen durchführt, indem eine in ihrer Richtung ver­ stellbare Schwingungskraft auf die Walze einwirkt, so daß wahlweise horizontale Schubkräfte und/oder verti­ kale Druckkräfte auf den Boden ausgeübt werden.

Ein derartiges Verdichtungssystem ist durch die EP-A 530 546 der gleichen Anmelderin bekannt. Es hat den Vorteil, daß je nach der Bodenbeschaffenheit, der zu verdichtenden Schichttiefe und anderen Parametern wahl­ weise überwiegend mit Schubkräften oder mit vertikalen Druckkräften verdichtet werden kann.

Der vorliegenden Anmeldung liegt die Aufgabe zugrunde, dieses Verdichtungssystem weiter zu verbessern und ins­ besondere eine Überverdichtung des Bodens mit lokaler Kornzertrümmerung und Verformung der Fahrbahn-Oberflä­ che auszuschließen.

Diese Aufgabe wird hinsichtlich der Verfahrensmerkmale dadurch gelöst, daß die Schwingungsbewegung der Walze oder eines mit ihr verbundenen Teiles erfaßt wird und daß bei einer Störung der Walzengrundschwingung der vertikale Anteil der Schwingungskraft bis zum annä­ hernden Ausregeln der Störung verringert wird.

Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, daß mit zunehmender Verdichtung des Bodens und dementspre­ chend zunehmender Bodenhärte die Verdichtungswalze zum Springen neigt, wodurch nicht nur die Verdichtungswalze mechanisch hoch beansprucht wird sondern auch die Ver­ dichtungsqualität abnimmt. Der Fahrer kann dieses Springen meist nur unzureichend körperlich oder visuell wahrnehmen und den Verdichtungsvorgang dann abbrechen, was meistens zu spät ist. Demgegenüber gestattet die vorliegende Erfindung, den für das Springen und die Überverdichtung verantwortlichen Anteil der Schwin­ gungsbewegung rechtzeitig zu reduzieren und die Ver­ dichtung statt dessen verstärkt auf horizontale Schub­ kräfte umzustellen, bei denen ein Springen ausgeschlos­ sen ist. Die Erfindung kann also einerseits als Anti­ sprung-Riegelung, andererseits als Überverdichtungs­ sperre angesehen werden. Sie gestattet es daher auch, mit höheren Schwingungsamplituden als bisher zu arbei­ ten, weil Beschädigungen der Walze durch harte Böden nicht mehr möglich sind.

Zur Erfassung der durch das Springen ausgelösten Stö­ rungen der Walzengrundschwingung bieten sich dem Fach­ mann verschiedene Möglichkeiten. Es kann die Amplitude der Schwingungsbewegung oder eine Ableitung hiervon, insbesondere die Beschleunigung, erfaßt werden. So nimmt beispielsweise der vertikale Anteil der Beschleu­ nigung bei nachlassendem Bodenkontakt der Walze zu.

Es kann aber gleichermaßen auch die Periodendauer der Schwingungsbewegung erfaßt werden, da hier beim Sprin­ gen nahezu eine Verdopplung eintritt.

Schließlich ist es auch möglich, Störungen der Walzen­ grundschwingung durch eine Frequenzanalyse des abge­ strahlten Luftschalles zu erfassen.

Als Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verdichtungsverfahrens wird von einem Verdichtungsgerät mit wenigstens zwei parallel oder fluchtend zur Walzen­ achse angeordneten, gegensinnig synchron rotierenden Erregerwellen ausgegangen, deren Position und/oder Pha­ senlage derart verstellbar ist, daß ihre resultierende Fliehkraft wahlweise horizontale Schubkräfte und/oder vertikale Druckkräfte auf den Boden ausübt. Das erfin­ dungsgemäße Verfahren wird dann in der Weise reali­ siert, daß die Walze oder ein mit ihr verbundenes Teil mit einem Bewegungsfühler zur Erfassung der Schwin­ gungsbewegung in Wirkverbindung steht und daß der Bewe­ gungsfühler an einem Regelkreis angeschlossen ist, der bei einer Störung der Walzengrundschwingung die Posi­ tion und/oder Phasenlage der Erregerwellen im Sinne einer Verringerung der vertikalen Druckkräfte ver­ stellt.

Aus konstruktiven Gründen empfiehlt es sich dabei, daß die Erregerwellen etwa horizontal nebeneinander ange­ ordnet sind und die Verstellung zwischen horizontalen und vertikalen Fliehkräften durch Änderung der Phasen­ lage der Erregerwellen bewirkt wird, wie dies an sich bekannt ist. Meist stehen die Erregerwellen über Zahn­ räder miteinander in Wirkverbindung, so daß zur Ver­ stellung der Phasenlage der einen Erregerwelle eine fi­ xierbare Drehlagerung zwischen ihr und dem ihr zugeord­ neten Zahnrad eingesetzt werden kann. Diese Drehlage­ rung besteht zweckmäßig aus einer mit dem Zahnrad ver­ bundenen Verstellwendel , in der axial verschraubbar eine Verstellachse steckt, die axial verschiebbar, aber drehfest mit der Erregerwelle verbunden ist. Die Pha­ senlage sollte dabei um über 150°, insbesondere bis na­ hezu 360° verstellbar sein.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Erregerwel­ len in einem Gestell zu lagern, das um eine zu ihnen parallele Achse verschwenkbar und in der gewünschten Schwenkposition feststellbar ist. Dadurch lassen sich gemäß der EP-A 530 546 ebenfalls wahlweise vertikale Druckkräfte und/oder horizontale Schubkräfte erzeugen. Ausgehend von einer Bezugsposition des Gestelles mit vertikal übereinander angeordneten Erregerwellen sollte das Gestell dabei beidseits, insbesondere bis etwa 90° verstellbar sein.

In beiden Fällen ist es besonders zweckmäßig, die Ein­ stellung der Phasenlage oder die Einstellung der Posi­ tion der Erregerwellen in Abhängigkeit von der Fahrt­ richtung vorzunehmen. Dadurch unterstützt ein Anteil der in der Walze erzeugten Schwingungskraft den Fahr­ antrieb der Walze statt ihm entgegenzuwirken.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung anhand von Ausführungsbeispielen; dabei zeigt:

Fig. 1 eine Seitenansicht des Verdichtungsgerätes in seiner Gesamtheit;

Fig. 2 eine schematische Darstellung zweier Erreger­ wellen zur Erzeugung vertikaler Druckkräfte;

Fig. 3 eine Darstellung entsprechend Fig. 2 bei ver­ änderter Phasenlage zur Erzeugung horizontaler Schubkräfte;

Fig. 4 eine ähnliche schematische Darstellung für kom­ binierte Verdichtung bei Vorwärtsfahrt;

Fig. 5 eine entsprechende Darstellung bei der Rück­ wärtsfahrt

Fig. 6 einen Axialschnitt durch eine Walze

Fig. 7 den Regelkreis für die Sprungbegrenzung und

Fig. 8 die Änderung der Walzenschwingung beim Sprin­ gen.

In Fig. 1 erkennt man ein Verdichtungsgerät mit zwei Rüttelwalzen, das äußerlich den herkömmlichen Aufbau aufweist, also aus einer vorderen Walze 1 mit Aufbau 2a und Führerstand und aus einer hinteren Walze 3 mit Auf­ bau 2b besteht, wobei die beiden Aufbauten 2a und 2b zur Lenkbarkeit des Fahrzeuges über ein vertikales Schwenklager 4 miteinander verbunden sind.

Fig. 2 zeigt schematisch die beiden Erregerwellen 5 und 6, die jeweils im Inneren der Walze 1 und 3 ange­ ordnet sind. Bei der hier beschriebenen Alternative liegen beide Erregerwellen horizontal nebeneinander und sie behalten diese Position unabhängig von der Walzen­ drehung und unabhängig davon, ob vertikale Druckkräfte, horizontale Scherkräfte oder eine Kombination hiervon erzeugt werden soll. Sie drehen gegensinnig, können aber hinsichtlich der Phasenlage ihrer Unwuchten re­ lativ zueinander verdreht werden.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Phasenlage erzeugen die Erregerwellen eine resultierende Schwingungskraft, die ausschließlich in Vertikalrichtung wirkt, und zwar periodisch nach oben und nach unten. Dies läßt sich leicht durch die rechts abgebildeten, verkleinerten Schemazeichnungen erkennen, wo die Erregerwellen je­ weils um 90° weitergedreht sind. Man sieht sofort, daß die Horizontalkomponenten der von den Erregerwellen er­ zeugten Fliehkräfte sich jeweils aufheben, wogegen sich die Vertikalkomponenten addieren. Infolge dessen wird eine sinusförmige Schwingungskraft erzeugt, entspre­ chend dem in der Mitte gezeigten Kurvenverlauf.

Wird demgegenüber die Phasenlage der beiden Erregerwel­ len relativ zueinander um 180° verändert, so erhält man die in Fig. 3 dargestellte Situation. Geht man wiede­ rum die vier verkleinerten Schemazeichnungen auf der rechten Seite durch, so wird deutlich, daß sich jetzt die Vertikalkomponenten der Fliehkräfte jeweils aufhe­ ben, wogegen sich die Horizontalkomponenten addieren. Man erzeugt somit abwechselnd vorwärts und rückwärts gerichtete Horizontalkräfte entsprechend dem sinusför­ migen Verlauf in der mittleren Abbildung von Fig. 3.

Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, daß die Erre­ gerwellen bei der in Fig. 3 dargestellten Phasenrela­ tion zusätzlich auch ein Drehmoment um die Walzenachse erzeugen, das abwechselnd in Vorwärts- und Rückwärts­ richtung wirkt. Dieses Drehmoment wird über elastische Lager aufgefangen.

Während die beiden vorgenannten Figuren jeweils Extrem­ stellungen der Phasenlage zeigen, bei denen entweder reine vertikale Druckkräfte oder reine horizontale Schubkräfte auf die Walze einwirken, betreffen die Fig. 4 und 5 Zwischenstellungen, bei denen gleichzei­ tig Druckkräfte wie auch Schubkräfte erzeugt werden. Dies hat sich im praktischen Einsatz als besonders zweckmäßig erwiesen. Ausgehend von Fig. 2 ist hier die Erregerwelle 6 nur um etwa 45° vorgedreht worden (Fig. 4) oder um 45° zurückgedreht worden (Fig. 5). Man er­ hält dann eine relativ große Vertikalkraftkomponente V bei kleiner Horizontalkraftkomponente H entsprechend dem jeweils rechts daneben dargestellten sinusförmigen Verlauf. Der Unterschied zwischen beiden Fig. 4 und Fig. 5 besteht darin, daß der resultierende Horizontal­ kraft-Anteil an die gewünschte Fahrtrichtung angepaßt i st.

Um die Verstellung der Phasenlage beider Erregerwellen relativ zueinander zu verdeutlichen, wird nunmehr auf Fig. 6 eingegangen. Sie zeigt einen Vertikalschnitt durch die Walze 1, wobei jedoch die beiden Erregerwel­ len mit samt ihrer Lagerung um 90° in die Zeichnungs­ ebene hineingeklappt worden sind.

Die Walze 1 ist in an sich bekannter Weise an der einen Stirnseite über Kugellager 7 und Gummielemente 8 an einer Stütze 9, an der anderen Seite über Gummielemente 10 und den Antriebsmotor 11 an einer Stütze 12 aufge­ hängt. Die Stützen 9 und 12 laufen jeweils nach oben zum Rahmen, also zu dem Aufbau 2a.

Im Inneren der Walze und ihr gegenüber verdrehbar sind die beiden Erregerwellen 5 und 6 angeordnet. Ihr An­ trieb erfolgt über einen Vibrationsmotor 13, der die Erregerwelle 5 direkt und die andere Erregerwelle über ein Zahnradpaar 14, 15 in Rotation versetzt. Wesentlich ist nun, daß die Erregerwelle 6 relativ zum Zahnrad 15 verdreht werden kann, und zwar mittels einer mit dem Zahnrad verbundenen Verstellwendel 16. Diese Verstell­ wendel weist einen oder mehrere Schraubengänge 16a auf und wird in ihrem Inneren von einer Verstellachse 17 durchquert. Diese Verstellachse 17 trägt ihrerseits einen oder mehrere radial vorstehende Bolzen 17a, die den Schraubengang 16a durchqueren und eine formschlüs­ sige Verbindung zwischen Zahnrad 15 und Verstellachse 17 gestatten. Die Verstellachse 17 ist ihrerseits durch einen Verstellmechanismus 18 axial verschiebbar, jedoch gegenüber diesem Verstellmechanismus frei drehbar. Andererseits ist sie axial verschiebbar, aber drehfest mit der Erregerwelle 6 verbunden.

Auf diese Weise ist es durch axiale Verschiebung der Verstellachse 17 möglich, daß sie sich entlang dem Schraubengang 16a in die mit dem Zahnrad verbundene Verstellwendel 16 hineinschraubt oder aus ihr heraus­ schraubt, wobei die drehfest mit der Verstellachse 17 verbundene Erregerwelle 6 in der einen oder in der anderen Richtung relativ zum Zahnrad 15 verdreht wird. Damit wird ihre Phasenlage relativ zur Phasenlage der Erregerwelle 5 verstellt und es lassen sich die in den Fig. 2 bis 5 dargestellten Zuordnungen und beliebige Zwischenwerte einstellen. Der gesamte Verdrehwinkel der Erregerwelle 6 relativ zur Erregerwelle 5 beträgt nahe­ zu 360°.

Aus Stabilitätsgründen sind die Erregerwellen 5 und 6 mit samt dem Verstellmechanismus 18 in einem Gehäuse 19 gelagert, das seinerseits verdrehbar in der Trommel 1 gelagert und über die Gummielemente 8 mit der Stütze 9 verbunden ist.

Der Regelkreis für die Sprungbegrenzung ist in Fig. 7 dargestellt. Er besteht aus einem Beschleunigungsauf­ nehmer 20, der beispielsweise die Vertikalbeschleuni­ gung der Walze 1 erfaßt, wobei er zweckmäßigerweise einem nicht drehenden Teil der Walze oder der Walzen­ aufhängung zugeordnet ist. Die gemessenen Istwerte werden einem Rechenwerk 21 zugeführt, das die Periodi­ zität, im vorliegenden Fall also die Zeitdauer der vertikalen Schwingungskomponente der Walze ermittelt und einem vorgegebenen Sollwert umgekehrter Polarität überlagert. Wird der vorgegebene Sollwert überschrit­ ten, so erhält ein Stellglied 22 ein Signal und betä­ tigt seinerseits über einen Stellzylinder 23 den Ver­ stellmechanismus 18, derart, daß die Phasendifferenz zwischen den Erregerwellen 5 und 6 so verstellt wird, daß die vertikale Druckkraft zugunsten der horizontalen Schubkraft abnimmt.

Fig. 8 zeigt die Veränderung im Schwingungsverhalten, wenn die Walze durch zunehmende Bodensteifigkeit zu springen beginnt. Dabei ist im linken Bild von Fig. 8a die vertikale Beschleunigungskomponente über der Zeit bzw. über dem Verdrehwinkel der Erregerwellen aufgetra­ gen, im rechten Bild die vertikalen und horizontalen Beschleunigungskomponenten in Polarkoordinaten. Der dargestellte Kurvenverlauf - eine nahezu genaue Sinus­ kurve bzw. ein Kreisbogen in Polarkoordinaten - stellt sich unter normalen Verdichtungsbedingungen ein. Mit zunehmender Bodensteifigkeit verlassen beide Kurvenzüge ihre Idealform und es stellen sich schließlich die in Fig. 8b gezeigten Konfigurationen ein. Insbesondere nimmt die Beschleunigung in Vertikalrichtung deutlich zu und anhand der Polarkoordinaten erkennt man, daß aus dem Kreis zwei Ellipsen werden, die Periodendauer sich also verdoppelt. Ursächlich hierfür ist das Springen der Walze, weil jeweils einer Umdrehung der Walze in der Luft eine Umdrehung mit Bodenkontakt folgt.

Im gezeigten Beispiel wird man als oberen Grenzwert für die vertikale Beschleunigungskomponente etwa 40m/s² in den Regelkreis eingeben, damit es keinesfalls zu dem in Fig. 8b gezeigten Verhalten kommen kann.

Auf diese Weise wird ein Springen der Verdichtungswalze automatisch eliminiert und das Verdichtungsergebnis ist nicht mehr von der Aufmerksamkeit und Zuverlässigkeit des Fahrers abhängig.

Wenn sich die Bodenbeschaffenheit nicht stark ändert, liegt es auch im Rahmen der Erfindung, auf den be­ schriebenen Regelvorgang zu verzichten und statt dessen nur einige feste Zwischenpositionen für die Phasendif­ ferenz zwischen den beiden Erregerwellen vorzugeben. In diesem Fall würde die Erfassung von Störungen der Wal­ zengrundschwingung (Sprungbetrieb) durch die Bedie­ nungsperson erfolgen oder unter Verwendung von bekann­ ten Verdichtungsmeßgeräten und bei Störungen würde dann manuell oder automatisch die Phasendifferenz auf den nächsten Zwischenwert eingestellt werden, bei dem ge­ ringere vertikale Druckkräfte erzeugt werden.

Claims (11)

1. Verfahren zum dynamischen Verdichten von Boden mit mindestens einer verfahrbaren Walze (1, 3) die Schwin­ gungsbewegungen durchführt, indem eine in ihrer Rich­ tung verstellbare Schwingungskraft auf die Walze ein­ wirkt, so daß wahlweise horizontale Schubkräfte und/oder vertikale Druckkräfte auf den Boden ausgeübt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungsbewegung der Walze (1, 3) oder eines mit ihr verbundenen Teiles erfaßt wird und daß bei einer Störung der Walzengrundschwingung der vertikale Anteil der Schwingungskraft bis zum Ausregeln der Stö­ rung verringert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude, die Beschleunigung oder die Perio­ dendauer der Schwingungsbewegung der Walze erfaßt wird.

3. Gerät zum dynamischen Verdichten von Boden mit min­ destens einer verfahrbaren Walze (1, 3) die zur Erzeu­ gung einer Schwingungsbewegung wenigstens zwei parallel oder fluchtend zur Walzenachse angeordnete, gegensinnig synchron rotierende Erregerwellen (5, 6) aufweist, deren Position und/oder Phasenlage derart verstellbar ist, daß ihre resultierende Fliehkraft wahlweise hori­ zontale Schubkräfte und/oder vertikale Druckkräfte auf den Boden ausübt, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Walze (1, 3) oder ein mit ihr verbundenes Teil mit einem Bewegungsfühler zur Erfassung der Schwin­ gungsbewegung in Wirkverbindung steht und daß der Bewe­ gungsfühler an einen Regelkreis angeschlossen ist, der bei einer Störung der Walzengrundschwingung die Posi­ tion und/oder Phasenlage der Erregerwellen (5, 6) im Sinne einer Verringerung der vertikalen Druckkräfte verstellt.

4. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerwellen (5, 6) etwa horizontal nebenein­ ander angeordnet und in ihrer Phasenlage relativ zuein­ ander verstellbar sind.

5. Gerät nach Anspruch 4, wobei die Erregerwellen über Zahnräder in Wirkverbindung stehen, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der Erregerwellen (6) zur Verstel­ lung ihrer Phasenlage über eine fixierbare Drehlagerung (16, 17) mit ihrem Zahnrad (15) verbunden ist.

6. Gerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehlagerung aus einer mit dem Zahnrad (15) verbundenen Verstellwendel (16) besteht, in der axial verschraubbar eine Verstellachse (17) steckt, die axial verschiebbar, aber drehfest mit der Erregerwelle (6) verbunden ist.

7. Gerät nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenlage um über 150°, insbesondere bis etwa 360° verstellbar ist.

8. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerwellen in einem Gestell gelagert sind, das um eine zu den Erregerwellen parallele Achse ver­ schwenkbar ist.

9. Gerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Gestell ausgehend von einer Bezugsposition mit vertikal übereinander angeordneten Erregerwellen beid­ seitig, insbesondere bis etwa 90°, verstellbar ist.

10. Gerät nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung der Phasenlage oder der Position der Erregerwellen (5, 6) in Abhängigkeit von der Fahrt­ richtung der Walze erfolgt.

11. Gerät nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Bewegungsfühler einem nicht drehbaren Teil der Walze (1, 3) oder ihrer Lagerung zugeordnet ist.