EP0932726B1 - Method of measuring mechanical data of a soil, and of compacting the soil, and measuring or soil-compaction device - Google Patents
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- EP0932726B1 EP0932726B1 EP97943717A EP97943717A EP0932726B1 EP 0932726 B1 EP0932726 B1 EP 0932726B1 EP 97943717 A EP97943717 A EP 97943717A EP 97943717 A EP97943717 A EP 97943717A EP 0932726 B1 EP0932726 B1 EP 0932726B1
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Definitions
- the invention relates to a method for measuring mechanical Data of a compacted or compacted soil, a compression process to achieve an optimal, in particular homogeneous soil compaction, a measuring device for measuring mechanical data of a compressed or soil to be compacted and a soil compaction device for optimal homogeneous soil compaction.
- WO 95/10664 describes a method for soil compaction known.
- the frequency a rotating unbalance adjusted so that with the compaction unit in contact with the soil to be compacted a predetermined value of harmonics - here the double fundamental - does not exceed. Falling below this predetermined value is called the stability criterion considered.
- the stability criterion considered.
- One of the accelerometers measures the horizontal and the one others the vertical acceleration component. It will be the Vibration amplitude of the compression device and the Direction of the maximum compression amplitude determined.
- the Frequency of the eccentric and its weight as well as the rolling speed can be adjusted with computer assistance.
- the object of the invention is a measuring or soil compaction method show and a measuring or soil compaction device to create with the one homogeneous soil compaction in a compaction process as few crossings as possible, especially if one is specified desired floor stiffness and / or in particular one desired elastic modulus is achievable as well as mechanical Data of the soil to be compacted or compacted can be determined are.
- the focus is not on the local phase position of a maximum oscillation amplitude of a compression or measuring device, but on the temporal phase of the exciting oscillation of the eccentric (s) to the phase of the excited Vibration of the soil compaction or measuring system, which is identical to that of the compaction or measuring device.
- work is also carried out in the resonance region of an oscillation system, formed from the compression or measuring device acting on the soil to be compacted (or already compacted) and the soil.
- the known soil compaction device of EP-A 0 459 062 operates in the resonance range of its compaction device, but it is not possible for it to determine the soil rigidity c B achieved by the compaction and to optimize the entire compaction process on the basis of these determined values.
- the double tandem vibration roller 1 shown in FIG . 1 with articulated steering has a front and a rear drum 3a and 3b as a soil compacting device.
- only one of the bandages is in each case considered 3a and 3b which, if there is no difference between the front and rear drums 3a and 3b is, is referred to by the reference number.
- 3 A coupling between the two bandages 3a and 3b in the double tandem vibration roller 1 described here, for example, is negligible for the operating behavior.
- the bandage 3 has a rotating unbalance 5 with an adjustable static unbalance moment m u ⁇ r u .
- the unbalance moment is set by changing the radial unbalance distance ru of unbalance 5 .
- the setting of the moment of inertia and the frequency f is described below.
- the mass m u of the unbalance is arranged in a rotating manner at a distance r u from the axis of rotation 7 of the drum 3 .
- the static unbalance moment is therefore m u ⁇ u [kg ⁇ m].
- An acceleration sensor 11 is provided vertically above the axis of rotation 7 on the side of a carrier tab 9 of the drum holding fork 10 . With the acceleration sensors 11 acceleration values of the drum 3 in the vertical direction are measured.
- the acceleration sensor 11 is connected in terms of signal to a computing unit 12 , which determines the vibration amplitude a of the drum 3 by means of two integrations.
- the drum holding fork 10 is connected to the machine chassis 15 via spring and damping elements 13 and 14 . Spring and damping elements 13 and 14 are designed such that the dynamic forces in the damping element 14 are significantly smaller than the static ones.
- the movement or the acceleration of the drum 3 is measured with the acceleration sensor 11 .
- 1/2 refers to half the angular frequency ⁇ , 3/2 to one and a half times and 5/2 to two and a half times the angular frequency ⁇ .
- a is the maximum amplitude value of the partial vibration in question.
- ⁇ denotes the phase assignments of the partial vibrations to each other.
- the soil 20 to be compacted is represented as a spring 17 and a damping element 19 .
- a soil compaction system which contains the bandage 3 with vibration-stimulating imbalance 5 , the spring element 17 and the damping element 19 of the soil 20 to be compacted, and the spring element 13 and the damping element 14 between the bandage 3 and the machine chassis 15 , has a natural vibration. That this is so, it follows from the measurement curves shown in Figure 4.
- the oscillation angular frequency ⁇ of the bandage 3 is plotted on the abscissa and the measured maximum oscillation amplitude a is plotted on the ordinate.
- the oscillation circuit frequency ⁇ is normalized to the natural frequency w 0 of the soil compaction system and the value a to a value a 0 .
- the curve parameter is the static unbalance moment [product of an unbalanced mass m u and the radial distance r u from the axis 7 ].
- the unbalance moment of curve 21a is smaller than that of curve 21b , etc.
- roller 1 begins to jump [case c]. Curve 23 must therefore not be exceeded in compression mode.
- the family of resonance curves 21a to 21d represents an essential identification variable of the operating behavior of the soil compaction system. As explained below, the various influences of the machine parameters and the basic course of the compaction process can be read from it. Compaction is optimal when the soil compaction system, formed from the compaction device acting on the soil 20 to be compacted and the soil 20 to be compacted, resonates, that is to say it can be carried out fastest and with the least energy expenditure.
- the ground stiffness c B is usually between 20 MN / m and 130 MN / m. It is determined according to the invention as described below.
- the natural frequency w 0 is most easily measured by driving over the floor 20 with a small static unbalance torque according to curve 21a .
- the frequency of the unbalance 5 at the maximum curve value 25 of a / a 0 indicates the natural frequency w 0 .
- m f is the load on the machine chassis 15 per drum 3.
- g is the acceleration due to gravity with g ⁇ 10.
- This passage is identical to the time of the maximum unbalance force directed against the floor 20 .
- the maximum force acting against the floor 20 is transmitted from the bandage 3 into the floor 20 and takes place with a phase shift by the angle ⁇ . That is, the phase shift ⁇ reflects the position of the exciting vibration due to the unbalance 5 relative to the vibration of the soil compaction system.
- a maximum compaction force in the soil 20 is achieved when the soil compaction system resonates.
- the soil compaction system always resonates at maximum values of curves 21a to 21d , which lie on curve 27 .
- there is a phase shift of the exciting vibration system through the unbalance 5 to the soil compaction system of ⁇ 90 °. That is, an optimal compaction is given with roller parameters [static unbalance moment m u ⁇ r u and unbalance rotation frequency ⁇ ], which enable operation on curve 27 .
- the resonance curves 21a to 21d in FIG. 4 are now recorded with constant soil properties.
- the oscillation amplitude responsible for the compaction of the soil 20 changes very strongly in the sub-resonant range [oscillation circle frequency ⁇ is less than the resonance frequency, phase angle ⁇ is less than 90 °]; in the over-resonant range [oscillation circuit frequency ⁇ is greater than the resonance frequency, phase angle ⁇ is greater than 90 °], however, relatively little.
- the over-resonant range is therefore selected and the phase angle ⁇ is set to a range between 95 ° and 110 °, preferably 100 °.
- the phase angle ⁇ is set at a predetermined static unbalance torque m u ⁇ u by a reduction in the rotational angular frequency ⁇ of the unbalance 5 .
- a predetermined static unbalance torque m u ⁇ u by a reduction in the rotational angular frequency ⁇ of the unbalance 5 .
- the area of roller jumping characterized by the area above curve 23 , must of course be avoided. An intrusion into this area is perceived by the roller operator by a different vibration behavior of his roller 1 .
- vibrations occur with half the frequency [and odd multiples] of the orbital frequency ⁇ of the unbalance 5 .
- This unstable [jumping] operation can also be determined by the fact that successive vibration amplitudes of the bandage 3 are of different heights.
- the compaction amplitude of the drum 3 must be chosen as large as possible.
- the required amplitude is automatically set by the computing unit 12 and an actuator 36 , as explained below.
- the travel speed v of the roller 1 is also set to a uniform compression work per travel unit despite the variable orbital frequency ⁇ of the unbalance 5 .
- the speed setpoint depends on the type of layer to be compacted.
- a bottom element 37 as shown in FIG. 5 , at a depth z 0 “sees” a two-banded roller 1 passing by at a speed v during the compaction process.
- this sees a different load peak 39 according to FIG. 6 .
- the two load profiles for the two bandages 3a and 3b , the pulse train 40a coming from the bandage 3a and the pulse train 40b coming from the bandage 3b can be superposed linearly. Their effects add up.
- an overlap zone 41 can form, in which load components act on the floor element 37 from both bandages 3a and 3b .
- the time interval t s of the load components acting on the floor element 37 should be kept constant during operation in order to always achieve the same compression quality.
- the roller 1 controlled according to the invention is operated with increasing ground rigidity c B with a higher orbital frequency ⁇ , which then results in an increased travel speed v . That means that the compression takes place faster and faster.
- compaction is now no longer carried out only on a constant shear modulus, but on a predefined, preferably constant ground stiffness c B and, if necessary, on a predefined, constant elastic modulus E.
- a predefined, preferably constant ground stiffness c B and, if necessary, on a predefined, constant elastic modulus E With the previous rollers and compaction machines, it was always assumed that at least minimal compaction, defined by the soil stiffness c B or the soil elasticity module E , would be achieved.
- the large differences between minimum and maximum compaction resulting from the known methods lead to the known, but undesirable irregular sinking and unevenness, for example of road surfaces. These differences are avoided by the invention.
- the method according to the invention compresses, inter alia, to a constant modulus of elasticity E.
- a constant soil elasticity module E in contrast to the known soils compacted to minimal soil stiffness, results in significantly greater long-term stability. It is emphasized once again that not only is a predetermined soil stiffness c B , but also a predetermined soil elasticity module E is compressed. For example, a floor 20 of a road structure compacted to a constant soil elasticity module will lower uniformly as it ages as a result of the traffic load and thus retain its flatness for a much longer time than one which is compacted according to the prior art. Road structures compacted according to the known methods become uneven over time due to inhomogeneous compaction, tear on the surface and are then exposed to destruction by traffic and weather influences.
- the soil elasticity module E is continuously determined with the roller 1 and the machine parameters are continuously adjusted, it being important here that no hollows remain in the soil, ie the soil surface 42 is already well compacted.
- the exact soil elasticity module E is only of interest at the end of the compaction process. At this point, however, the soil surface ( 42 ) is already sufficiently compacted.
- the soil elasticity module E results from the following formula [3].
- E c B ⁇ 2 (1 ⁇ 2nd ) L ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ 1.89 + 1 ⁇ 2ln [ ⁇ ⁇ L 3rd ⁇ E 16 (1 ⁇ 2nd ) (m f + m d ) ⁇ G ⁇ R ] ⁇
- ⁇ is the vertical speed of the drum 5 .
- L [m] is the width of the bandage 3
- (m f + m d ) the weight bearing on each bandage 3a or 3b plus the weight of the bandage 3a or 3b concerned
- R [m] is the radius of the bandage 3
- g [ 10 m / s 2 ] the acceleration due to gravity and ln the natural logarithm. All values for the automatic determination of the soil stiffness c B are thus known or can be determined by the computing unit 12 , whereby the elasticity module E can also be determined with the computing unit 12 .
- the first roll has an elastic modulus E 1 , a radius R 1 and a transverse contraction number ⁇ 1 .
- the second roll has an elastic modulus E 2 , a radius R 2 and a transverse contraction number ⁇ 2 . Both rolls have the length L.
- E1 ⁇ ⁇ can thus be set in relation to E 2 .
- the force P acting on the first roller is a function of time in a soil compacting device. It is not constant over time.
- the force P is identical to the ground reaction force F in equations [6], [7] and [8]. The time averaging over the force P during one revolution of the drum 3 results
- ⁇ (b / L) 2nd ⁇ ⁇ [1.89 + 1 2nd ln [ ⁇ ⁇ E 2nd ⁇ L 3rd 16 (1 ⁇ 2nd 2nd ) ⁇ R 1 ⁇ (M f + m d ) ⁇ G ]
- the soil areas to be compacted must be run over by roller 1 more often. Since it is usually a non-pre-compacted soil, maximum compaction is carried out in a first or subsequent compaction crossing.
- the orbital frequency ⁇ of the unbalance 5 is increased to a value ⁇ 0 , which lies above the resonance of the above-mentioned soil compaction system.
- the respective travel speed v of the roller 1 is adapted to the rotational frequency f of the unbalance 5 in accordance with the above statements.
- the dependence of the amplitude a of the bandage 3 on the orbital frequency ⁇ takes place according to curve 43a .
- At point 45 is the resonance of the soil compaction system. This resonance point is exceeded for the tolerance reasons stated above until the phase angle ⁇ between the drum vibration and the unbalance vibration is approximately 100 ° [point 47].
- the static unbalance moment is increased by increasing the radial distance r u0 to r u1 [m u ⁇ r u1 ].
- the phase angle ⁇ increases to a value greater than 100 °, as can be seen from the distance of the new setting point 50 from the resonance curve 49 (analogously to curve 27 in FIG. 4 ).
- the orbital frequency of the unbalance 5 is reduced from ⁇ 0 to ⁇ 1 with a constant static unbalance torque [m u ⁇ r u1 ] until the phase angle ⁇ is again only 100 °.
- the maximum compaction performance is used.
- the plastic behavior results from the measured values determined. In the "plastic range", the floor stiffness c B can only be determined approximately. Knowing well that the determination of the soil elastic modulus is affected by an error on a still plastic substrate, it is calculated according to the above statements. When approximately 90% of the required soil elasticity value is reached, the plastic range is exceeded and the control uses the above-mentioned calculation method to set the static unbalance torque m u ⁇ r u and the unbalance rotation frequency f (unbalance rotation circle frequency ⁇ ) in such a way that a predetermined soil elasticity module E is reached.
- the computation unit 12 can determine the soil elasticity module E that has already been reached during the compaction process, and from these values then the machine parameters in question for the further compaction process, such as static unbalance moment m u ⁇ r u , Unbalance frequency f and travel speed v .
- the setting is made during the procedure.
- the travel speed v can be set quickly and easily.
- the procedure followed for example, is as follows.
- two unbalances 56 and 64 rotating in the same direction can be used, the mutual radial distance of which is set via a planetary gear. If the radial distance is 180 °, the effective total unbalance value is zero. At 0 ° the unbalance value is maximum. With angle values between 0 ° and 180 °, all intermediate values between zero and maximum unbalanced mass can be set.
- the planetary gear 53 shown schematically in FIG. 8 serves to drive two unbalances 56 and 64 rotating in the same direction, the mutual position of which can be adjusted m u ⁇ u to set the static unbalance torque .
- it is no longer the radial distance r u of a point-like eccentric mass that is set, but the effective unbalanced mass m u with the same radial distance r u .
- the planetary gear 53 shown in FIG. 8 is driven by a drive 54 via a shaft 55 which acts directly on the balancer 56 without any intermediate gear.
- a toothed belt pulley 57 is arranged on the shaft 55 and acts on a toothed belt pulley 60 via a toothed belt 59 .
- the toothed belt pulley 60 in turn interacts with a gear part 61 .
- the gear part 61 has three meshing gears 63a, 63b and 63c , the gear 63a being connected to the toothed belt pulley 60 in a rotationally fixed manner.
- the axis of the gear 63b can be rotated radially to the axis of rotation of the gear 63a .
- the angle of rotation is a measure of the radial rotation of the two unbalances 56 and 64 and thus a measure of the effective total unbalanced mass or the effective static unbalanced moment m u0 ⁇ r u to m u3 ⁇ r u .
- On the axis 65 of the gear 63c is a gear 66 which meshes with a gear 69 seated on a hollow shaft 67 .
- the hollow shaft 67 interacts with the second unbalance 64 .
- one of the two imbalances can also rotate at twice the rotation frequency by selecting the toothed belt pulleys 57 and 60 and / or the gear wheels 66 and 69 accordingly.
- the “Flexspline” is an elastically deformable, thin-walled steel sleeve with external teeth, which has a smaller pitch diameter than the "Circular Spline” and thus has, for example, two teeth less over the entire circumference.
- the “Wave Generator” is an elliptical disc with a mounted thin ring ball bearing that is inserted into the "Flexspine” and deforms it elliptically. During the rotation of the "Wave Generator” the meshing area with the large ellipse axis moves. After rotating the "Wave Generator” by 180 ° there is a relative movement between “Flexspline” and “Circular Spline” around a tooth. After each complete rotation of the "Wave Generator", the “Flexspline” as the output element rotates exactly two teeth opposite to the drive. The mechanical structure using this gear is extremely compact.
- paving material is to be compacted on a construction site, it is advisable to determine or check the stiffness c B of the subsurface by means of a crossing before introducing the compaction material.
- the soil elasticity module E can also be determined. If there is already a weak point in the subsurface, the installation goods cannot be compacted to the required extent.
- vertically vibrating unbalances designed as piston-cylinder units, can also be used.
- bandages can be rolled over the base 20 ; however, a vibrating plate can also be moved over the floor 20 .
- the measuring device according to the invention differs of the soil compaction device according to the invention only in that the acting on the floor and with together towards him a device forming a vibration system the compacting device of the soil compacting device does not cause significant soil compaction. I.e. the force acting on the ground is measured reduced. The measurement is also usually carried out Mass of the oscillating force chosen smaller.
- the invention Measuring device can with known compression device can be assembled to work well with these machines to produce an improved soil compaction.
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung mechanischer Daten eines verdichteten oder zu verdichtenden Bodens, ein Verdichtungsverfahren zum Erreichen einer optimalen, insbesondere homogenen Bodenverdichtung, eine Meßvorrichtung zur Messung mechanischer Daten eines verdichteten oder zu verdichtenden Bodens sowie eine Bodenverdichtungsvorrichtung zur optimalen homogenen Bodenverdichtung.The invention relates to a method for measuring mechanical Data of a compacted or compacted soil, a compression process to achieve an optimal, in particular homogeneous soil compaction, a measuring device for measuring mechanical data of a compressed or soil to be compacted and a soil compaction device for optimal homogeneous soil compaction.
Aus der WO 95/10664 ist ein Verfahren zur Bodenverdichtung bekannt. Bei dem bekannten Verfahren wird die Frequenz einer rotierenden Unwucht derart eingestellt, daß die mit dem zu verdichtenden Boden sich im Kontakt befindende Verdichtungseinheit einen vorgegebenen Wert an Oberschwingungen - hier die doppelte Grundschwingung - nicht überschreitet. Die Unterschreitung dieses vorgegebenen Werts wird als Stabilitätskriterium betrachtet. Unter Verwendung zweier senkrecht zueinander angeordneter Beschleunigungsaufnehmer an der Verdichtungseinheit wird deren Beschleunigung gemessen. Einer der Beschleunigungsmesser mißt die horizontale und der andere die vertikale Beschleunigungskomponente. Es wird die Schwingungsamplitude der Verdichtungseinrichtung sowie die Richtung der maximalen Verdichtungsamplitude bestimmt. Die Frequenz des Exzenters und dessen Gewicht sowie die Rollgeschwindigkeit sind computergestützt einstellbar. Sie werden jedoch derart eingestellt, daß eine Maschinenresonanz und eine Resonanz des Gestells vermieden werden. Die Frequenz- und Gewichtseinstellung des Exzenters erfolgt ohne Berücksichtigung des zu verdichtenden Bodens. Aus den gemessenen Beschleunigungswerten wird der Schermodul des verdichteten Bodens und dessen plastischer Parameter bestimmt.WO 95/10664 describes a method for soil compaction known. In the known method, the frequency a rotating unbalance adjusted so that with the compaction unit in contact with the soil to be compacted a predetermined value of harmonics - here the double fundamental - does not exceed. Falling below this predetermined value is called the stability criterion considered. Using two vertically accelerometers arranged to each other the acceleration of the compression unit is measured. One of the accelerometers measures the horizontal and the one others the vertical acceleration component. It will be the Vibration amplitude of the compression device and the Direction of the maximum compression amplitude determined. The Frequency of the eccentric and its weight as well as the rolling speed can be adjusted with computer assistance. you will be however set such that machine resonance and a resonance of the frame can be avoided. The frequency and weight setting of the eccentric is not taken into account of the soil to be compacted. From the measured Acceleration values are the shear modulus of the compressed Soil and its plastic parameters determined.
Aus der EP-A 0 459 062 ist ein weiteres Bodenverdichtungsverfahren
bekannt. Bei dem bekannten Verdichtungsverfahren
wird das Augenmerk darauf gerichtet, daß die Maschinenparameter
derart eingestellt werden, daß vorgegebene
Kräfte gegen den zu verdichtenden Boden erreicht werden.Another soil compaction method is known from EP-
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Meß- bzw. Bodenverdichtungsverfahren aufzuzeigen und eine Meß- bzw. Bodenverdichtungsvorrichtung zu schaffen, mit dem bzw. mit der eine homogene Bodenverdichtung in einem Verdichtungverfahren mit möglichst wenig Überfahrten, insbesondere unter Vorgabe einer gewünschten Bodensteifigkeit und/oder insbesondere eines gewünschten Elastizitätsmoduls erreichbar ist sowie mechanische Daten des zu verdichtenden bzw. verdichteten Bodens bestimmbar sind.The object of the invention is a measuring or soil compaction method show and a measuring or soil compaction device to create with the one homogeneous soil compaction in a compaction process as few crossings as possible, especially if one is specified desired floor stiffness and / or in particular one desired elastic modulus is achievable as well as mechanical Data of the soil to be compacted or compacted can be determined are.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß im Gegensatz zur
oben zitierten WO 95/10664 nicht auf die örtliche Phasenlage
einer maximalen Schwingungsamplitude einer Verdichtungs-
bzw. Meßvorrichtung abgestellt wird, sondern auf die zeitliche
Phase der anregenden Schwingung des bzw. der Exzenter
zur Phase der angeregten Schwingung des Bodenverdichtungs-
bzw. Meßsystems, welche identisch mit derjenigen der Verdichtungs-
bzw. Meßeinrichtung ist. Auch wird im Gegensatz
zur WO 95/10664 im Resonanzbereich eines Schwingungssystems,
gebildet aus der auf den zu verdichtenden (bzw. bereits verdichteten)
Boden einwirkenden Verdichtungs- bzw. Meßeinrichtung
und dem Boden, gearbeitet. Die bekannte Bodenverdichtungsvorrichtung
der EP-A 0 459 062 arbeitet zwar im Resonanzbereich
ihrer Verdichtungseinrichtung, es ist ihr aber
nicht möglich, die durch die Verdichtung erreichte Bodensteifigkeit
cB zu ermitteln und den gesamten Verdichtungsvorgang
aufgrund dieser ermittelten Werte zu optimieren.The object is achieved in that, in contrast to WO 95/10664 cited above, the focus is not on the local phase position of a maximum oscillation amplitude of a compression or measuring device, but on the temporal phase of the exciting oscillation of the eccentric (s) to the phase of the excited Vibration of the soil compaction or measuring system, which is identical to that of the compaction or measuring device. In contrast to WO 95/10664, work is also carried out in the resonance region of an oscillation system, formed from the compression or measuring device acting on the soil to be compacted (or already compacted) and the soil. The known soil compaction device of EP-
Zur Erläuterung der Erfindung wird in den nachfolgenden Figuren eine erfindungsgemäße Bodenverdichtungsvorrichtung beschrieben. Die Bodenverdichtungsvorrichtung beinhaltet eine erfindungsgemäße Meßvorrichtung zur Bestimmung der für eine Verdichtung wesentlichen mechanischen Daten. Es zeigen
- Fig. 1
- eine schematische Darstellung einer Doppeltandemvibrationswalze mit Knicklenkung, mit der die erfindungsgemäße Bodenverdichtung durchführbar ist,
- Fig. 2
- ein schwingungsmäßiges, mechanisches Ersatzschaltbild
der Bodenverdichtungsvorrichtung aus
Figur 1, - Fig. 3
- ein signalmäßiges Blockschaltbild zur Durchführung der erfindungsgemäßen Bodenverdichtung,
- Fig. 4
- eine normierte Schwingungsamplitude der Bodenverdichtungseinrichtung
(Ordinate) gemäß
Figur 2 in Abhängigkeit einer normierten Schwingungsfrequenz der die Schwingung anregenden Unwucht (Abszisse), - Fig. 5
- die Lage eines im Boden zu verdichtenden Bodenelements,
- Fig. 6
- eine auf das in
Figur 5 gezeigte Bodenelement einwirkende Verdichtungskraft, - Fig. 7
- einen Einschaltvorgang einer Bodenverdichtungseinrichtung
zum Erreichen eines optimalen Betriebspunktes
in einer Darstellung analog zu derjenigen in
Figur 4 und - Fig. 8
- eine schematische Darstellung eines Getriebes für den Antrieb zweier Unwuchten der Bodenverdichtungseinrichtung mit einstellbarem Trägheitsmoment.
- Fig. 1
- 1 shows a schematic representation of a double tandem vibration roller with articulated steering, with which the soil compaction according to the invention can be carried out,
- Fig. 2
- 2 shows a vibration-like, mechanical equivalent circuit diagram of the soil compaction device from FIG. 1 ,
- Fig. 3
- a signal-based block diagram for performing the soil compaction according to the invention,
- Fig. 4
- a normalized vibration amplitude of the soil compaction device (ordinate) according to FIG. 2 as a function of a normalized vibration frequency of the unbalance that excites the vibration (abscissa),
- Fig. 5
- the position of a soil element to be compacted in the soil,
- Fig. 6
- a compacting force acting on the bottom element shown in FIG. 5 ,
- Fig. 7
- a switching process of a soil compaction device to achieve an optimal operating point in a representation analogous to that in Figure 4 and
- Fig. 8
- is a schematic representation of a transmission for driving two imbalances of the soil compacting device with adjustable moment of inertia.
Die in Figur 1 dargestellte Doppeltandemvibrationswalze
1 mit Knicklenkung hat eine vordere und eine hintere Bandage
3a und 3b als Bodenverdichtungseinrichtung. In den
nachfolgenden Betrachtungen wird jeweils nur eine der beiden
Bandagen 3a bzw. 3b betrachtet, welche, sofern kein Unterschied
zwischen vorderer und hinterer Bandage 3a und 3b besteht,
mit der Bezugszahl 3 bezeichnet wird. Eine Kopplung
zwischen den beiden Bandagen 3a und 3b bei der hier beispielsweise
beschriebenen Doppeltandemvibrationswalze 1 ist
für das Betriebsverhalten zu vernachlässigen.The double
Die Bandage 3 hat, wie schematisch in den Figuren 2 und
3 dargestellt ist, eine rotierende Unwucht 5 mit einstellbarem
statischen Unwuchtmoment mu·ru. Das Unwuchtmoment wird
über eine Veränderung des radialen Unwuchtabstands ru der
Unwucht 5 eingestellt. Die Einstellung des Trägheitsmoments
und der Frequenz f ist unten beschrieben. Zur Vereinfachung
der nachfolgenden Ausführung sei die Masse mu der Unwucht
punktförmig in einem Abstand ru von der Drehachse 7 der Bandage
3 rotierend angeordnet. Das statische Unwuchtmoment ist
somit mu·ru [kg·m]. Vertikal über der Drehachse 7 an der
Seite einer Trägerlasche 9 der Bandagenhaltegabel 10 ist ein
Beschleunigungsaufnehmer 11 vorhanden. Mit dem Beschleunigungsaufnehmer
11 sind Beschleunigungswerte der Bandage 3 in
vertikaler Richtung meßbar. Der Beschleunigungsaufnehmer 11
ist mit einer Recheneinheit 12 signalmäßig verbunden, welche
durch zweimalige Integration die Schwingungsamplitude a der
Bandage 3 ermittelt. Die Bandagenhaltegabel 10 ist über Feder-
und Dämpfungselemente 13 und 14 mit dem Maschinenchassis
15 verbunden. Feder- und Dämpfungselemente 13 und 14
sind derart ausgebildet, daß im Dämpfungselement 14 die dynamischen
Kräfte bedeutend kleiner sind als die statischen.The
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Erreichen einer
optimalen, insbesondere einer homogenen Bodenverdichtung
wird die Bewegung bzw. die Beschleunigung der Bandage 3, wie
oben bereits angedeutet, mit dem Beschleunigungsaufnehmer 11
gemessen. Mathematisch kann die durch die Unwucht 5 angeregte
schwingende Bewegung der Bandage 3 wie folgt in der nachfolgenden
Gleichung [1] dargestellt werden:
In dieser Formel gibt der Index 1 eine Zuordnung zu Werten
an, welche dieselbe Kreisfrequenz Ω (Ω = 2πf, wobei f
die Frequenz der Unwucht 5 ist) aufweisen, wie die anregende
Schwingung der Unwucht 5. 1/2 bezieht sich auf die halbe
Kreisfrequenz Ω, 3/2 auf die anderthalbfache und 5/2 auf die
zweieinhalbfache Kreisfrequenz Ω. a ist der maximale Amplitudenwert
der betreffenden Teilschwingung. δ bezeichnet die
phasenmäßigen Zuordnungen der Teilschwingungen zueinander.In this formula,
Aus dem Beschleunigungssignal können in der Recheneinheit
12 mittels einer Fourieranalyse gemäß obiger Gleichung
die Frequenzanteile ermittelt werden. Je nach gefordertem
Verdichtungsvorgang wird nun das statische Unwuchtmoment der
Unwucht 5 und deren Frequenz f unterschiedlich eingestellt:
Gemäß dem mechanischen Ersatzschaltbild der Figur 2 wird
der zu verdichtende Boden 20 als eine Feder 17 und ein Dämpfungselement
19 dargestellt. D.h. ein Bodenverdichtungssystem,
welches die Bandage 3 mit schwingungsanregender Unwucht
5, das Federelement 17 und das Dämpfungselement 19 des
zu verdichtenden Bodens 20 sowie das Federelement 13 und das
Dämpfungselement 14 zwischen Bandage 3 und Maschinenchassis
15 enthält, weist eine Eigenschwingung auf. Daß dem so
ist, ergibt sich aus den in Figur 4 gezeigten Meßkurven. Auf
der Abszisse ist die Schwingungskreisfrequenz Ω der Bandage
3 und auf der Ordinate die gemessene maximale Schwingungsamplitude
a aufgetragen. Die Schwingungskreisfrequenz Ω
ist jedoch auf die Eigenfrequenz w0 des Bodenverdichtungssystems
und der Wert a auf einen Wert a0 normiert. Kurvenparameter
ist das statische Unwuchtmoment [Produkt aus einer
punktförmig angeordnet gedachten Unwuchtmasse mu und dem radialen
Abstand ru von der Achse 7]. Das Unwuchtmoment der
Kurve 21a ist kleiner als das der Kurve 21b, usw. Oberhalb
der Kurve 23 beginnt die Walze 1 zu springen [Fall c]. Die
Kurve 23 darf deshalb im Verdichtungsbetrieb nicht überschritten
werden. Die Schar der Resonanzkurven 21a bis 21d
stellt eine wesentliche Identifikationsgröße des Betriebsverhaltens
des Bodenverdichtungssystems dar. Aus ihr lassen
sich, wie unten ausgeführt wird, die verschiedenen Einflüsse
der Maschinenparameter und der grundsätzliche Verlauf des
Verdichtungsprozesses ablesen. Eine Verdichtung ist jeweils
bei Resonanz des Bodenverdichtungssystems, gebildet aus der
auf den zu verdichtenden Boden 20 einwirkenden Verdichtungseinrichtung
und dem zu verdichtenden Boden 20, optimal, d.h.
am schnellsten und unter geringstem Energieaufwand vollziehbar.According to the mechanical equivalent circuit diagram in FIG. 2 , the
Die Eigenfrequenz w0 des Bodenverdichtungssystems ist
die Quadratwurzel aus den Quotienten der Bodensteifigkeit
cB [MN/m] und dem Gewicht md [kg] der Bandage 5:
In obiger Gleichung sind dem Gewicht der Bandage 5 Anteile
der jeweilgen Radabstützung sowie rechnerische "Bodenteile"
hinzuzufügen. Diese Zusatzanteile liegen jedoch lediglich
bei maximal 10% des reinen Bandagengewichts. Sie
werden bevorzugt experimentell bestimmt und können in erster
Näherung vernachlässigt werden. Die Bodensteifigkeit cB
liegt in der Regel zwischen 20 MN/m und 130 MN/m. Sie wird
erfindungsgemäß, wie unten beschrieben, ermittelt. Die Eigenfrequenz
w0 wird am einfachsten durch Überfahren des Bodens
20 mit einem kleinen statischen Unwuchtmoment gemäß
Kurve 21a gemessen. Die Frequenz der Unwucht 5 beim maximalen
Kurvenwert 25 von a/a0 gibt die Eigenfrequenz w0 an. Der
normierte Amplitudenwert von a/ao = 1 ist dort, wo die die
Maximalwerte der Kurven 21a bis 21d verbindende Kurve 27 beginnt
nach links abzuknicken. Der Amplitudenwert a0 ergibt
sich näherungsweise aus der Formel
Neben dem Beschleunigungsaufnehmer 11 ist ortsfest zur
Trägerlasche 9 ein Lagesensor 29 zur zeitlichen Bestimmung
der rotierenden Unwucht 5 durch ihren vertikalen Tiefstpunkt
(= Verdichtungsrichtung) angeordnet. Dieser Durchgang ist
identisch mit dem Zeitpunkt der maximalen gegen den Boden 20
gerichteten Unwuchtkraft. Die maximale gegen den Boden 20
wirkende Kraft wird von der Bandage 3 in den Boden 20 übertragen
und erfolgt mit einer Phasenverschiebung um den Winkel
. D.h. die Phasenverschiebung gibt die Lage der anregenden
Schwingung durch die Unwucht 5 zur Schwingung des Bodenverdichtungssystems
wieder.In addition to the
Eine maximale Verdichtungskraft im Boden 20 wird bei Resonanz
des Bodenverdichtungssystems erreicht. Resonanz des
Bodenverdichtungssystems erfolgt immer bei maximalen Werten
der Kurven 21a bis 21d, welche auf der Kurve 27 liegen. Bei
Resonanz ist eine Phasenverschiebung des anregenden Schwingungssystems
durch die Unwucht 5 zum Bodenverdichtungssystem
von = 90° gegeben. D.h. eine optimale Verdichtung ist mit
Walzenparametern [statisches Unwuchtmoment mu·ru und Unwuchtumlaufskreisfrequenz
Ω] gegeben, welche einen Betrieb
auf der Kurve 27 ermöglichen. Die Resonanzkurven 21a bis 21d
in Figur 4 sind nun bei konstanten Bodeneigenschaften aufgenommen.
Die Bodeneigenschaften, repräsentiert ersatzweise
durch das Federelement 17 und das Dämpfungselement 19 in Figur
2, können sich ändern und damit auch die Lage der Resonanzkurven
21a bis 21d. Wie aus der Darstellung in Figur 4
ersichtlich ist, ändert sich die für die Verdichtung des Bodens
20 verantwortliche Schwingungsamplitude im unterresonaten
Bereich [Schwingungskreisfrequenz Ω ist kleiner als die
Resonanzfrequenz, Phasenwinkel ist kleiner als 90°] sehr
stark; im überresonanten Bereich [Schwingungskreisfrequenz Ω
ist größer als die Resonanzfrequenz, Phasenwinkel ist größer
als 90°] dagegen verhältnismäßig wenig. Für einen stabilen
Verdichtungsbetrieb wählt man somit den überresonanten
Bereich und stellt den Phasenwinkel auf einen Bereich zwischen
95° und 110°, bevorzugt 100° ein.A maximum compaction force in the
Die Einstellung des Phasenwinkels erfolgt bei vorgegebenem
statischen Unwuchtmoment mu·ru durch eine Reduktion
der Umdrehungskreisfrequenz Ω der Unwucht 5. Man läuft beispielsweise
auf der Resonanzkurve 21d in Richtung des Pfeiles
35. Der Bereich des Walzenspringens, gekennzeichnet
durch den Bereich oberhalb der Kurve 23, muß selbstverständlich
vermieden werden. Ein Eindringen in diesen Bereich wird
gefühlsmäßig vom Walzenführer durch ein anderes Schwingungsverhalten
seiner Walze 1 wahrgenommen. Meßtechnisch treten
jedoch, wie bereits oben aufgeführt, Schwingungen mit der
halben Frequenz [und ungeraden Vielfachen] der Umlaufskreisfrequenz
Ω der Unwucht 5 auf. Dieser unstabile [springende]
Betrieb kann aber auch dadurch festgestellt werden, daß aufeinanderfolgende
Schwingungsamplituden der Bandage 3 unterschiedlich
hoch sind.The phase angle is set at a predetermined static unbalance torque m u · u by a reduction in the rotational angular frequency Ω of the
Zum Erreichen der maximal möglichen Verdichtungsleistung
muß die Verdichtungsamplitude der Bandage 3 so groß wie möglich
gewählt werden. Für das Erreichen eines vorgegebenen
Bodenelastizitätsmoduls E bzw. einer vorgegebenen Bodensteifigkeit
cB wird von der Recheneinheit 12 und einem Stellgeber
36 selbsttätig die benötigte Amplitude eingestellt, wie
unten ausgeführt wird.To achieve the maximum possible compaction performance, the compaction amplitude of the
Auch die Verfahrgeschwindigkeit v der Walze 1 wird auf
eine gleichmäßige Verdichtungsarbeit pro Wegeinheit trotz
variabler Umlaufkreisfrequenz Ω der Unwucht 5 eingestellt.
Der Geschwindigkeitssollwert ist von der Art der zu verdichtenden
Schicht abhängig. Eine ungebundene Schicht erfordert
infolge einer tiefen Umlaufkreisfrequenz Ω eine kleinere
Verfahrgeschwindigkeit v als eine gebundene Schicht. Beispielsweise
wird auf einer ungebundenen Schicht mit einer
Verfahrgeschwindigkeit von vu = 3 km/h mit einer Umlauffrequenz
fu = 30 Hz und auf einer gebundenen Schicht mit einer
Verfahrgeschwindigkeit von vg = 4,5 km/h mit einer Umlauffrequenz
fg = 45 Hz gefahren.The travel speed v of the
Ein Bodenelement 37, wie in Figur 5 dargestellt, in einer
Tiefe z0 "sieht" beim Verdichtungsvorgang eine mit einer
Geschwindigkeit v vorbeifahrende zweibandagige Walze 1. Je
nach Ortslage der beiden über das Bodenelement 37 hinwegrollenden
Bandagen 3a und 3b sieht dieses gemäß Figur 6 eine
andere Belastungsspitze 39. Die beiden Belastungsverläufe
für die beiden Bandagen 3a und 3b, wobei der Pulszug 40a von
der Bandage 3a und der Pulszug 40b von der Bandage 3b herrühren,
können linear superponiert werden. Ihre Wirkung addiert
sich. Je nach Schwingungsamplitude a des Bodenverdichtungssystems,
des Achsabstands d der beiden Bandagen 3a und
3b sowie der Tiefe z0 des betrachteten Bodenelements 37 kann
sich eine Überlappungszone 41 ausbilden, in welches von beiden
Bandagen 3a und 3b Belastungsanteile auf das Bodenelement
37 einwirken. Der zeitliche Abstand ts der auf das Bodenelement
37 wirkenden Belastungsanteile sollte im Betrieb
konstant gehalten werden, um immer dieselbe Verdichtungsgüte
zu erreichen. Wie aus den untenstehenden Ausführungen hervorgeht,
wird die erfindungsgemäß geregelte Walze 1 bei zunehmender
Bodensteifigkeit cB mit einer höheren Umlaufkreisfrequenz
Ω betrieben, was dann eine erhöhte Verfahrgeschwindigkeit
v nach sich zieht. D.h. die Verdichtung geht immer
schneller vonstatten.A
Im Gegensatz zu bekannten Walzen und bekannten Verdichtungsverfahren (z.B. WO 95/10664) wird nun nicht mehr nur auf einen konstanten Schermodul, sondern auf eine vorgegebene, bevorzugt konstante Bodensteifigkeit cB sowie, falls notwendig, auf einen vorgegebenen, konstanten Elastizitätsmodul E verdichtet. Bei den bisherigen Walzen und Verdichtungsmaschinen wurde immer davon ausgegangen, wenigstens eine minimale Verdichtung, definiert durch die Bodensteifigkeit cB bzw. den Bodenelastizitätsmodul E, zu erreichen. Die aus den bekannten Verfahren resultierenden großen Unterschiede zwischen minimaler und maximaler Verdichtung führen zum bekannten, jedoch unerwünschten unregelmäßigen Absinken und Unebenwerden beispielsweise von Straßenoberflächen. Diese Unterschiede werden durch Erfindung vermieden.In contrast to known rollers and known compaction methods (for example WO 95/10664), compaction is now no longer carried out only on a constant shear modulus, but on a predefined, preferably constant ground stiffness c B and, if necessary, on a predefined, constant elastic modulus E. With the previous rollers and compaction machines, it was always assumed that at least minimal compaction, defined by the soil stiffness c B or the soil elasticity module E , would be achieved. The large differences between minimum and maximum compaction resulting from the known methods lead to the known, but undesirable irregular sinking and unevenness, for example of road surfaces. These differences are avoided by the invention.
Im Gegensatz hierzu wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
u.a. auf einen konstanten Elastizitätsmodul E verdichtet.
Ein konstanter Bodenelastizitätsmodul E ergibt im
Gegensatz zu den bekannten, auf minimale Bodensteifigkeit
verdichteten Böden eine bedeutend größere Langzeitstabilität.
Wobei hier noch einmal hervorgekehrt wird, daß nicht
nur auf eine vorgegebene Bodensteifigkeit cB , sondern auch
auf einen vorgegebenen Bodenelastizitätsmodul E verdichtet
wird. Beispielsweise wird ein auf konstanten Bodenelastizitätsmodul
verdichteter Boden 20 eines Straßenbauwerks sich
im Verlauf seiner Alterung durch die Verkehrsbeanspruchung
gleichmäßig absenken und somit seine Ebenheit sehr viel länger
behalten als ein nach dem Stand der Technik verdichteter.
Nach den bekannten Verfahren verdichtete Straßenbauwerke
werden im Laufe der Zeit infolge inhomogener Verdichtung
uneben, reißen oberflächlich und sind dann der Zerstörung
durch Verkehr und Witterungseinflüsse preisgegeben.In contrast to this, the method according to the invention compresses, inter alia, to a constant modulus of elasticity E. A constant soil elasticity module E , in contrast to the known soils compacted to minimal soil stiffness, results in significantly greater long-term stability. It is emphasized once again that not only is a predetermined soil stiffness c B , but also a predetermined soil elasticity module E is compressed. For example, a
Der Bodenelastizitätsmodul E wird erfindungsgemäß laufend
mit der Walze 1 ermittelt und die Maschinenparameter
laufend nachgestellt, wobei hier darauf zu achten ist, daß
im Boden keine Mulden verbleiben, d.h. die Bodenoberfläche
42 bereits gut verdichtet ist. Der exakte Bodenelastizitätsmodul
E interessiert in der Praxis erst beim Ende des
Verdichtungsvorgangs. Zu diesem Zeitpunkt ist die Bodenoberfläche
(42) jedoch bereits ausreichend verdichtet. Der Bodenelastizitätsmodul
E ergibt sich aus nachstehender Formel
[3].
Diese Gleichung ergibt sich aus einer postitulierten kontinuumsmechanischen Betrachtung eines gekrümmten Körpers, welcher sich in Kontakt mit einem elastischen, halbunendlichen Raum befindet.This equation follows from a postulated one continuum mechanical observation of a curved body, which is in contact with an elastic, semi-infinite Room is located.
Da der interessierende Wert des Bodenelastizitätsmoduls
E auf beiden Seiten der obigen Gleichung auftritt, muß
sein Wert mit einer einfachen Iteration bestimmt werden. Für
einen Berechnungsbeginn wird in den rechtsseitigen Gleichungswert
für E
Im Auflastbetrieb [Fall a)], d. h. es erfolgt kein Abheben
der Bandage 3 (dieser Betriebszustand ist bis zu Amplituden
a/a0 = 1 gegeben), wird die Bodensteifigkeit cB von
der Recheneinheit 12 mit der Formel
Erfolgt ein Abheben der Bandage 3, was die Recheneinheit
12 durch das Auftreten von Kreisfrequenzen mit 2Ω, 3Ω,
... registriert, so berechnet sie die Bodensteifigkeit cB
mit der Formel
In Formel [3] wird die Querkontraktionszahl des Untergrunds
mit µ = 0,25 (sie liegt zwischen 0,20 und 0,30) angesetzt.
L [m] ist die Breite der Bandage 3, (mf+md) das auf
jeder Bandage 3a bzw. 3b lastende Gewicht plus das Gewicht
der betreffenden Bandage 3a bzw. 3b, R [m] ist der Radius
der Bandage 3, g [= 10 m/s2] die Erdbeschleunigung und ln
der natürliche Logarithmus. Es sind somit sämtliche Werte
zur selbsttätigen Bestimmung der Bodensteifigkeit cB bekannt
bzw. können von der Recheneinheit 12 bestimmt werden, womit
auch der Elastizitätsmodul E mit der Recheneinheit 12 ermittelbar
ist.In formula [3] the transverse contraction number of the substrate is set at µ = 0.25 (it lies between 0.20 and 0.30). L [m] is the width of the
Zur Ableitung der obigen Formel [3] geht man von der Berührung
zweier elastischer Rollen aus. Die erste Rolle hat
einen Elastizitätsmodul E1 , einen Radius R1 und eine Querkontraktionszahl
µ 1 . Die zweite Rolle hat einen Elastizitätsmodul
E2 , einen Radius R2 und eine Querkontraktionszahl
µ 2 . Beide Rollen haben die Länge L. Für den Flächendruck
p [N/m2] zwischen beiden Rollen ergibt sich dann
Zum Übergang auf eine einen Boden verdichtende Rolle
(Bandage) wird der Boden als die oben beschriebene zweite
Rolle angenommen, wobei dann hier der Radius R2 = ∞ gesetzt
wird. Ferner ist der Elastizitätsmodul E1 der ersten Rolle
bedeutend größer als derjenige E2 des Bodens. Es gilt somit
Im Verhältnis zu E2 kann somit E1 → ∞ gesetzt werden.E1 → ∞ can thus be set in relation to E 2 .
Die auf die erste Rolle wirkende Kraft P ist bei einer Bodenverdichtungsvorrichtung
eine Funktion der Zeit. Sie ist
zeitlich nicht konstant. Die Kraft P ist identisch mit der
Bodenreaktionskraft F in den Gleichungen [6], [7] und [8].
Die zeitliche Mittelung über die Kraft P während einer Umdrehung
der Bandage 3 ergibt
The force P acting on the first roller is a function of time in a soil compacting device. It is not constant over time. The force P is identical to the ground reaction force F in equations [6], [7] and [8]. The time averaging over the force P during one revolution of the
Es wird somit in Gleichung [10] P = (mf+md)·g gesetzt. Gleichung
[10] nach b aufgelöst ergibt dann
Aufgrund des Elastizität des Bodens E2 erfolgt bei Aufbringen
der Kraft P eine Annäherung des Mittelpunkts der ersten
Rolle an die Bodenoberfläche. Diese Annäherung δ ergibt
sich zu
Da die Breite der Auflagefläche (L·b) bedeutend kleiner ist
als deren Länge L (b << L) gilt
Es gilt ferner (Federgleichung)
Es wird nun der obige Wert für b eingesetzt
Wird Gleichung [16] in Gleichung [15] eingesetzt, ergibt sich die obengenannte Gleichung [3], wobei R1 = R ist.If equation [16] is used in equation [15], the above-mentioned equation [3] results, where R 1 = R.
Für eine optimale Verdichtung müssen die zu verdichtenden
Bodenbereiche von der Walze 1 öfters überfahren werden.
Da es sich in der Regel um einen nicht vorverdichteten Boden
handelt, wird in einer ersten bzw. nachfolgenden Verdichtungsüberfahrten
maximal verdichtet.For optimal compaction, the soil areas to be compacted must be run over by
Das Einstellen einer optimalen Unwuchtkreisfrequenz Ω
sowie eines optimalen statischen Unwuchtmoments wird anhand
von Figur 7 erläutert, wobei hier analog zu Figur 4 die normierte
Unwuchtkreisfrequenz Ω[Ω/w0 ] als Abszissenwert und
die normierte maximale Amplitude a [a/a0 ] der Unwucht 5 als
Ordinatenwert aufgetragen ist. Zum Start einer Bodenverdichtung
weist die Unwucht 5 einen minimalen Abstand ru0 zur
Drehachse 7 auf [statisches Unwuchtmoment mu·ru0]. Die Umlaufkreisfrequenz
Ω der Unwucht 5 wird ausgehend vom Stillstand
auf einen Wert Ω 0 erhöht, der oberhalb der Resonanz
des oben erwähnten Bodenverdichtungssystems liegt. Die jeweilige
Verfahrgeschwindigkeit v der Walze 1 wird gemäß den
obengenannten Ausführungen an die Umlauffrequenz f der Unwucht
5 angepaßt. Die Abhängigkeit der Amplitude a der Bandage
3 von der Umlaufkreisfrequenz Ω erfolgt gemäß Kurve
43a. Im Punkt 45 liegt die Resonanz des Bodenverdichtungssystems.
Dieser Resonanzpunkt wird aus den oben ausgeführten
Toleranzgründen überschritten bis der Phasenwinkel
zwischen Bandagenschwingung und Unwuchtschwingung etwa 100°
beträgt [Punkt 47]. In einem nächsten Schritt wird das statische
Unwuchtmoment durch Vergrößerung des radialen Abstands
ru0 auf ru1 vergrößert [mu·ru1]. Durch die Vergrößerung
des statischen Unwuchtmoments bei gleicher Unwuchtumlauffrequenz
f erhöht sich der Phasenwinkel auf einen Wert
größer 100°, wie sich aus dem Abstand des neuen Einstellungspunktes
50 von der Resonanzkurve 49 (analog zu Kurve 27
in Figur 4) erkennen läßt. Es wird nun in einem nächsten
Schritt die Umlaufkreisfrequenz der Unwucht 5 bei konstantem
statischen Unwuchtmoment [mu·ru1] von Ω 0 auf Ω1 erniedrigt
bis der Phasenwinkel wieder nur noch 100° beträgt. Radialer
Abstand ru und Umlaufkreisfrequenz Ω werden nun abwechselnd
geändert bis die Walze 1 zu springen beginnt. Dieses
"Springen" ist gemäß obigen Ausführungen am Auftreten von
ungeraden Vielfachen der halben Unwuchtumlauffrequenz erkennbar
[Überschreiten der Kurve 52]. Das statische Unwuchtmoment
mu·ru wird erniedrigt um den stabilen Kurvenpunkt 51
zu erreichen. Es könnte auch die Unwuchtkreisfrequenz Ω verringert
werden, jedoch ist dieses Einstellungsverfahren
schwer zu handhaben, da sich hierbei zwei Werte, nämlich die
Kreisfrequenz Ω und das Trägheitsmoment ändern. Die zum Kurvenpunkt
51 gehörenden Maschinenparameter definieren einen
Zustand, in dem maximale Verdichtungsarbeit erbracht wird.
Die Kurve 53 in Figur 7 gibt die optimale Einstellkurve wieder,
welche immer einen Phasenwinkel von 100 gewährleistet.The setting of an optimal unbalance angular frequency Ω and an optimal static unbalance torque is explained with reference to FIG. 7 , the normalized unbalance angular frequency Ω [Ω / w 0 ] as the abscissa value and the normalized maximum amplitude a [ a / a 0 ] of the unbalance being analogous to FIG 5 is plotted as the ordinate value. At the start of soil compaction, the
Nach ersten Überfahrten, solange sich der Boden noch
plastisch verhält, wird mit maximaler Verdichtungsleistung
gearbeitet. Das plastische Verhalten ergibt sich aus den ermittelten
Meßwerten. Im "plastischen Bereich" läßt sich die
Bodensteifigkeit cB nur näherungsweise ermitteln. Wohl wissend,
daß bei einem noch plastischen Untergrund die Bestimmung
des Bodenelastizitätsmoduls mit einem Fehler behaftet
wird, wird er gemäß obigen Ausführungen berechnet. Bei Erreichen
von etwa 90% des geforderten Bodenelastizitätswerts
ist der plastische Bereich überschritten und die Steuerung
stellt mit dem obengenannten Berechnungsverfahren das statische
Unwuchtmoment mu·ru und die Unwuchtumlauffrequenz f
(Unwuchtumlaufkreisfrequenz Ω) derart ein, daß ein vorgegebener
Bodenelastizitätsmodul E erreicht wird. Unter Verwendung
der Formeln [3] und [5] kann von der Recheneinheit 12
während des Verdichtungsvorgangs der jeweils bereits erreichte
Bodenelastizitätsmodul E bestimmt, und aus diesen
Werten dann für den weiteren Verdichtungsvorgang die betreffenden
Maschinenparameter, als da sind statisches Unwuchtmoment
mu·ru , Unwuchtfrequenz f und Verfahrgeschwindigkeit v,
eingestellt werden. Die Einstellung erfolgt während des Verfahrens.
Die Einstellung der Verfahrgeschwindigkeit v ist
problemlos schnell durchführbar. Um jedoch das statische Unwuchtmoment
mu·ru im Sekundenbruchteilbereich auf einen vorgegebenen
ermittelten Wert einzustellen, wird beispielsweise,
wie unten ausgeführt ist, vorgegangen.After the first passes, as long as the soil still behaves plastically, the maximum compaction performance is used. The plastic behavior results from the measured values determined. In the "plastic range", the floor stiffness c B can only be determined approximately. Knowing well that the determination of the soil elastic modulus is affected by an error on a still plastic substrate, it is calculated according to the above statements. When approximately 90% of the required soil elasticity value is reached, the plastic range is exceeded and the control uses the above-mentioned calculation method to set the static unbalance torque m u · r u and the unbalance rotation frequency f (unbalance rotation circle frequency Ω) in such a way that a predetermined soil elasticity module E is reached. Using the formulas [3] and [5], the
Anstatt, wie oben ausgeführt, den radialen Abstand ru
der Unwuchtmasse zu verändern, können zwei gleichsinnig umlaufende
Unwuchten 56 und 64 verwendet werden, deren gegenseitiger
radialer Abstand über ein Planetengetriebe eingestellt
wird. Beträgt der radiale Abstand 180°, so ist der
effektive gesamte Unwuchtwert null. Bei 0° ist der Unwuchtwert
maximal. Durch Winkelwerte zwischen 0° und 180° sind
sämtliche Zwischenwerte zwischen keiner und maximaler Unwuchtmasse
einstellbar.Instead of changing the radial distance r u of the unbalanced mass, as explained above, two
Das in Figur 8 schematisch dargestellte Planetengetriebe
53 dient zum Antrieb zweier gleichsinnig umlaufender Unwuchten
56 und 64, deren gegenseitige Lage zum Einstellen
des statischen Unwuchtmoments mu·ru verstellbar ist. Im Gegensatz
zu den obigen Ausführungen wird nun nicht mehr der
radiale Abstand ru einer punktförmig gedachten Exzentermasse,
sondern bei gleichem radialen Abrstand ru die effektive
Unwuchtmasse mu eingestellt. Die Einstellungen gemäß Figur 7
erfolgen dann ausgehend von [Ω0, mu0·ru0] im Kurvenpunkt 47
für die nachfolgenden Kurvenpunkte mit [Ω0, mu1·ru0] statt
[Ωo, mu·ru1] im Einstellpunkt 50, mit [Ω1, mu1·ru0] statt
[Ω1, mu·ru1], [Ω1, mu2·ru0] statt [Ω1, mu·ru2] usw. Mit dem
in Figur 8 dargestellten Planetengetriebe 53 ist eine Unwuchtmassenumstellung
in Bruchteilen einer Sekunde möglich.The
Das in Figur 8 gezeigte Planetengetriebe 53 wird von einem
Antrieb 54 über eine Welle 55 angetrieben, welche direkt
ohne jegliches Zwischengetriebe auf die eine Umwucht 56
wirkt. Auf der Welle 55 ist eine Zahnriemenscheibe 57 angeordnet,
welche über einen Zahnriemen 59 auf eine Zahnriemenscheibe
60 wirkt. Die Zahnriemenscheibe 60 ihrerseits wirkt
mit einem Getriebeteil 61 zusammen. Der Getriebeteil 61 hat
drei miteinander kämmende Zahnräder 63a, 63b und 63c, wobei
das Zahnrad 63a mit der Zahnriemenscheibe 60 drehfest verbunden
ist. Die Achse des Zahnrads 63b ist radial zur Drehachse
des Zahnrads 63a verdrehbar. Der Verdrehwinkel ist ein
Maß für die radiale Verdrehung der beiden Unwuchten 56 und
64 und damit ein Maß für die effektive gesamte Unwuchtmasse
bzw. des effektiven statischen Unwuchtmoments mu0·ru bis
mu3·ru . Auf der Achse 65 des Zahnrads 63c sitzt ein Zahnrad
66, welches mit einem auf einer Hohlwelle 67 sitzenden
Zahnrad 69 kämmt. Die Hohlwelle 67 wirkt mit der zweiten Unwucht
64 zusammen.The
Da eine der beiden Unwuchten 56 und 66 direkt angetrieben
wird und nur die Unwucht 64 durch das Planetengetriebe
53, hat dieses nur die Hälfte des Drehmoments zu übertragen.
Als Referenzpunkt für die Bestimmung des Phasenwinkels
gilt die Winkelhalbierende zwischen den Schwerpunkten
der beiden Unwuchten 56 und 64.Since one of the two
Anstatt beide Unwuchten gleichsinnig mit ein- und derselben
Umlauffrequenz Ω umlaufen zu lassen, kann auch eine
der beiden Unwuchten durch entsprechende Auswahl der Zahnriemenscheiben
57 und 60 und/oder der Zahnräder 66 und 69
mit der doppelten Umlauffrequenz umlaufen.Instead of circulating both imbalances in the same direction with one and the same rotation frequency Ω, one of the two imbalances can also rotate at twice the rotation frequency by selecting the toothed belt pulleys 57 and 60 and / or the
Das oben beschriebene Getriebe, wie es in Figur 8 gezeigt ist, kann auch durch gleichwirkende, aber anders aufgebaute Überlagerungsgetriebe ersetzt werden. Gute Ergebnisse wurden beispielsweise mit einem sog. "Harmonic Drive Getriebe" erzielt, welches mit nur drei Bauteilen ["Wave Generator", "Circular Spline", "Flexspline"] hohe einstufige Untersetzungen erreicht. In diesem Getriebe ist der "Circular Spline" ein starrer Stahlring mit einer Innenverzahnung, die sich mit der Außenverzahnung des "Flexsplines" im Bereich der großen Ellipsenachse des "Wave Generators" im Eingriff befindet. Der "Flexspline" ist eine elastisch verformbare, dünnwandige Stahlbüchse mit einer Außenverzahnung, die einen kleineren Teilkreisdurchmesser als der "Circular Spline" hat und dadurch beispielsweise zwei Zähne weniger über den Gesamtumfang besitzt. Der "Wave Generator" ist eine elliptische Scheibe mit aufgezogenem Dünnringkugellager, der in den "Flexspine" eingeschoben ist und ihn elliptisch verformt. Während der Drehung des "Wave Generators" bewegt sich der Zahneingriffbereich mit der großen Ellipsenachse. Nach einer Drehung des "Wave Generators" um 180° vollzieht sich eine Relativbewegung zwischen "Flexspline" und "Circular Spline" um einen Zahn. Nach jeder vollständigen Umdrehung des "Wave Generators" dreht sich der "Flexspline" als Abtriebselement genau um zwei Zähne entgegengesetzt zum Antrieb. Der mechanische Aufbau unter Verwendung dieses Getriebes ist äußerst kompakt.The transmission described above, as shown in FIG. 8 , can also be replaced by superimposed transmissions which have the same effect but are constructed differently. Good results have been achieved, for example, with a so-called "harmonic drive gear", which achieves high single-stage reductions with only three components ["Wave Generator", "Circular Spline", "Flexspline"]. In this gearbox the "Circular Spline" is a rigid steel ring with an internal toothing which is in engagement with the external toothing of the "Flexsplines" in the area of the large ellipse axis of the "Wave Generator". The "Flexspline" is an elastically deformable, thin-walled steel sleeve with external teeth, which has a smaller pitch diameter than the "Circular Spline" and thus has, for example, two teeth less over the entire circumference. The "Wave Generator" is an elliptical disc with a mounted thin ring ball bearing that is inserted into the "Flexspine" and deforms it elliptically. During the rotation of the "Wave Generator" the meshing area with the large ellipse axis moves. After rotating the "Wave Generator" by 180 ° there is a relative movement between "Flexspline" and "Circular Spline" around a tooth. After each complete rotation of the "Wave Generator", the "Flexspline" as the output element rotates exactly two teeth opposite to the drive. The mechanical structure using this gear is extremely compact.
Soll auf einer Baustelle Einbaumaterial verdichtet werden, so empfiehlt es sich, vor Einbringen des Verdichtungsguts die Steifigkeit cB des Untergrunds mittels einer Überfahrt zu ermitteln bzw. zu prüfen. Selbstverständlich kann auch der Bodenelastizitätmodul E ermittelt werden. Ist nämlich eine Schwachstelle im Untergrund bereits vorhanden, kann das Einbaugut nicht im geforderten Maß verdichtet werden.If paving material is to be compacted on a construction site, it is advisable to determine or check the stiffness c B of the subsurface by means of a crossing before introducing the compaction material. Of course, the soil elasticity module E can also be determined. If there is already a weak point in the subsurface, the installation goods cannot be compacted to the required extent.
Statt umlaufende Unwuchten zu verwenden, können auch
vertikal schwingende Unwuchten, ausgebildet als Kolben-Zylindereinheiten,
verwendet werden. Zum Verdichten können
Bandagen über den Boden 20 gerollt werden; es kann aber auch
eine vibrierende Platte über den Boden 20 verschoben werden.Instead of using rotating unbalances, vertically vibrating unbalances, designed as piston-cylinder units, can also be used. For compaction, bandages can be rolled over the
Die erfindungsgemäße Meßvorrichtung unterscheidet sich von der erfindungsgemäßen Bodenverdichtungsvorrichtung lediglich dadurch, daß die auf den Boden einwirkende und mit ihm zusammen ein Schwingungssystem bildende Einrichtung gegenüber der Verdichtungseinrichtung der Bodenverdichtungsvorrichtung keine wesentliche Bodenverdichtung hervorruft. D.h. die auf den Boden einwirkende Kraft wird bei der Messung reduziert. Auch wird in der Regel bei der Messung die Masse der schwingenden Kraft kleiner gewählt. Die erfindungsgemäße Meßvorrichtung kann mit bekannten Verdichtungsvorrichtung zusammengebaut werden, um auch mit diesen Maschinen eine verbesserte Bodenverdichtung zu erzeugen.The measuring device according to the invention differs of the soil compaction device according to the invention only in that the acting on the floor and with together towards him a device forming a vibration system the compacting device of the soil compacting device does not cause significant soil compaction. I.e. the force acting on the ground is measured reduced. The measurement is also usually carried out Mass of the oscillating force chosen smaller. The invention Measuring device can with known compression device can be assembled to work well with these machines to produce an improved soil compaction.
Claims (14)
- Method for measuring the mechanical data of a soil (20), that is compacted or is to be compacted, with a device (3a, 3b) that acts upon the soil (20), and which is in conjunction with the soil (20), in terms of vibrations, read by an arithmetic unit (12) as one single oscillation system, and which is excited by an oscillation exciting force in such a manner that this oscillation system resonates, or it oscillates at a frequency (Ω) that exceeds the resonance by a preset frequency value, that is determined only on the basis of adjustment stabilities, with the value of the oscillation exciting force, its periodic frequency (Ω), and its phase angle (ø) in relation to the vibration of the oscillation system adjusted automatically by the arithmetic unit (12) in such a manner that, in consideration of the mass (md) of the device (3a. 3b) that acts upon the soil and its static weight load (mf), the soil rigidity (CB) and/or the modulus of elasticity (E) of the soil (20) are determined.
- Method as characterized in claim 1 wherein in order to determine the vibration amplitude (a) of the oscillation system, the movement of the device (3a, 3b) in the direction of the required measuring vector is established, in particular, with an acceleration gauge (11), the phase angle (ø) is adjusted in lead, preferably, to between 90 ° and 110°, and the oscillation exciting force is generated, preferably, by way of an accelerated, in particular, rotating mass, the static unbalance moment ( mu · ru) of which is prescribed by the arithmetic unit (12).
- Method for compacting in order to achieve optimal, in particular, homogenous soil compacting (1) by using a measuring method as characterized in claims 1 and 2 with a compacting device (3a, 3b) that acts upon the soil to be compacted (20), and which is in conjunction with the soil (20), in terms of vibrations, read by an arithmetic unit (12) as one single compacting oscillation system, and which is excited by an oscillation exciting force in such a manner that this compacting oscillation system resonates, or it oscillates at a frequency (Ω) that exceeds the resonance by a preset frequency value, that is determined only on the basis of adjustment stabilities, with the value of the oscillation exciting force, its periodic frequency (Ω), and its phase angle (⊘) in relation to the vibration of the compacting oscillation system adjusted automatically by the arithmetic unit (12) in such a manner that, in consideration of the mass (md) of the compacting device (3a, 3b) and its static weight load (mf), a preset soil rigidity (CB) is achieved.
- Method for compacting as characterized in claim 3 wherein in order to determine the vibration amplitude (a) of the compacting oscillation system the movement of the compacting device (3a, 3b) in the direction of the required compacting vector is established, in particular, with an acceleration gauge (11), the phase angle (ø) is adjusted in lead, preferably, to between 90 ° and 110°, and the oscillation exciting force is generated, preferably, by way of an accelerated, in particular, rotating mass, the static unbalance moment (mu · ru) of which is prescribed by the arithmetic unit (12).
- Method for compacting as characterized in claims 3 or 4 wherein the compacting process is completed as soon as a preset modulus of elasticity (E) of the soil (20) is established automatically by the arithmetic unit (12), with the modulus of elasticity (E) being determined during a run across the soil by means of an iterative calculation, in particular, by also utilizing the soil rigidity (CB), the vibration amplitude (a) of the compacting device (3a, 3b) and/or the latter's acceleration (ä).
- Method for compacting as characterized in one of the above claims 3 through 5 wherein non-consolidated material is compacted in a first compacting procedure, preferably, depending on the soil characteristics and the compacting conditions, at maximum compacting output, with the output only being limited by the capacity of the machinery, with the oscillation exciting force automatically adjusted in such a manner that no lift-off of the soil compacting device (1) occurs, and preferably, the lift-off point of the soil compacting device (1) is determined by means of a frequency analysis of the vibration of the compacting device (3a, 3b) in terms of the occurrence of one half of a partial oscillation component in relation to the fundamental oscillation and/or in terms of a comparison of the amplitudes of sequential oscillations of the compacting device (3a, 3b) up to a preset deviation value.
- Method for compacting as characterized in one of the above claims 3 through 6 wherein the compacting device (3a, 3b) is moved more rapidly across a soil (20) that has already been compacted to a preset value than across a soil (20) that has yet to be compacted, preferably with reduced oscillation exciting force, in order to minimize, from a compacting point of view, unnecessary runs.
- Measuring apparatus (1) for measuring mechanical data of a soil (20), that is compacted or is to be compacted, with a measuring procedure in accordance with claims 1 or 2 wherein at least one device (3a, 3b) is in contact with the soil (20) at least some of the time; with at least one oscillating mass (5) which acts upon the device and generates a periodic force in the measuring direction, the vibration frequency (Ω) of which can be adjusted with a drive (54); with a measuring element (11), in particular, an acceleration recorder (11), which determines the point in time of the maximum oscillation amplitude (ao) of the device (3a, 3b) in the measuring direction; with a sensor (29), which establishes the point in time of the maximum oscillation amplitude of the oscillating mass (5) in the direction of soil compacting; with a comparison unit (12) which determines the phase distance (ø) of the two oscillation maximum values; with a control unit (12), with which the oscillation frequency (Ω) of the oscillating mass (5) can be adjusted by means of the drive (54) until the comparison unit (12) can establish a preset phase distance, preferably a lead phase angle (ø) of the exciting mass oscillation in relation to the excited device oscillation of between 95 ° and 110°; and with an arithmetic unit (12) that is connected via signal with an adjusting unit (36) and with which, collected by the measuring element (11) and the sensor (29), the data and the mechanical data (mf, md, mu · ru) of the device (1), soil rigidity (CB) and/or a modulus of elasticity (E) of the soil (20) can be determined.
- Measuring apparatus (1) as characterized in claim 8 wherein the oscillating mass (5) features at least one rotating unbalance the static unbalance moment (mu · ru) of which can be adjusted by an adjusting unit (53) depending on the phase distance (ø) that is determined with the comparison unit (12).
- Measuring apparatus (1) as characterized in claims 8 or 9 wherein a frequency analysis device (12) analyzes the oscillation excited by the device (3a, 3b), with the vibration generated by the exciting oscillation (Ω) of the oscillating mass (5), to one-half oscillation frequency parts and multiples of the exciting vibration (Ω), and upon occurrence of these partial oscillations it increases the exciting oscillation frequency (Ω) by means of the drive (54), and/or reduces the static unbalance moment (mu · ru) of the oscillating mass (5) by means of an adjusting unit (53).
- Compacting apparatus (1) for optimal, homogenous soil compacting with a measuring device as characterized in one of the claims 8 through 10 in order to implement a compacting procedure as characterized in the claims 3 through 7 with at least one compacting device (3a, 3b) that is in contact with the soil (20) that is to be compacted at least some of the time; with at least one oscillating mass (5) which acts upon the device and generates in the soil compacting direction a periodic force, the vibration frequency (Ω) of which can be adjusted with a drive (54); with a measuring element (11), in particular, an acceleration recorder (11), which determines the point in time of the maximum oscillation amplitude (a0) of the compacting device (compacting surface) (3a, 3b) in the soil compacting direction; with a sensor (29), which establishes the point in time of the maximum oscillation amplitude of the oscillating mass (5) in the direction of soil compacting of the oscillating mass (5); with a comparison unit (12) which determines the phase distance (ø) of the two oscillation maximum values; with a control unit (12), with which the oscillation frequency (Ω) of the oscillating mass (5) can be adjusted by means of the drive (54) until the comparison unit (12) can establish a preset phase distance, preferably a lead phase angle (ø) of the exciting mass oscillation in relation to the excited soil compacting device oscillation of between 95° and 110° ; and with an arithmetic unit (12) that is connected via signal with an adjusting unit (36) and with which, obtained by the measuring element (11) and the sensor (29), the data and the mechanical data (mf, md, mu · ru) of the soil compacting device (1), soil rigidity (CB) of the soil that has just been compacted can be determined; and. in particular, the frequency (Ω) and the periodic force are adjustable with the adjusting unit in order to achieve a preset soil rigidity (CB).
- Apparatus (1) as characterized in claim 11 wherein the oscillating mass (5) has a least one rotating unbalance the static unbalance moment of which (mu · ru) is adjustable with an adjustment unit (53) depending on the phase distance (ø) established by the comparison unit (12).
- Apparatus (1) as characterized in claims 11 or 12 wherein a frequency analysis device (12) analyzes the oscillation excited by the compacting device (3a, 3b), with the vibration generated by the exciting oscillation (Ω) of the oscillating mass (5), to one-half oscillation frequency parts and multiples of the exciting vibration (Ω), and upon occurrence of these partial oscillations it increases the exciting oscillation frequency (Ω) by means of the drive (54), and/or reduces the static unbalance moment (mu · ru) of the oscillating mass (5) by means of an adjusting unit (53).
- Apparatus (1) as characterized in one of the claims 11 through 13 wherein the oscillating mass (5) consists of two rotating partial masses (56, 64) moving in the same direction, that can be driven by a planetary gearing and whose position to each other is adjustable.
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