EP1293314A2 - Verfahren und Anordnung zur Verdichtung von Gemenge - Google Patents

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EP1293314A2
EP1293314A2 EP02019204A EP02019204A EP1293314A2 EP 1293314 A2 EP1293314 A2 EP 1293314A2 EP 02019204 A EP02019204 A EP 02019204A EP 02019204 A EP02019204 A EP 02019204A EP 1293314 A2 EP1293314 A2 EP 1293314A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
mold
mold bottom
arrangement according
receiving
shaft
Prior art date
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Granted
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EP02019204A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1293314B1 (de
EP1293314A3 (de
Inventor
Frank Bombien
Helmut Kuch
Jörg-Henry Schwabe
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
IAB Institut fuer Angewandte Bauforschung Weimar gGmbH
Original Assignee
Institut fuer Fertigteiltechnik und Fertigbau Weimar eV
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Publication date
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Publication of EP1293314A2 publication Critical patent/EP1293314A2/de
Publication of EP1293314A3 publication Critical patent/EP1293314A3/de
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Publication of EP1293314B1 publication Critical patent/EP1293314B1/de
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B28—WORKING CEMENT, CLAY, OR STONE
    • B28B—SHAPING CLAY OR OTHER CERAMIC COMPOSITIONS; SHAPING SLAG; SHAPING MIXTURES CONTAINING CEMENTITIOUS MATERIAL, e.g. PLASTER
    • B28B1/00—Producing shaped prefabricated articles from the material
    • B28B1/08—Producing shaped prefabricated articles from the material by vibrating or jolting
    • B28B1/087—Producing shaped prefabricated articles from the material by vibrating or jolting by means acting on the mould ; Fixation thereof to the mould
    • B28B1/0873—Producing shaped prefabricated articles from the material by vibrating or jolting by means acting on the mould ; Fixation thereof to the mould the mould being placed on vibrating or jolting supports, e.g. moulding tables

Definitions

  • the invention relates to a method for compaction and shaping of mixtures, preferably of amount of concrete, in a receiving form receiving the batch.
  • the invention further relates to an arrangement for compaction and shaping from Gemenge and refers to the problem of uniform compaction of the mixture.
  • the induced bending vibrations are vibration modes of forced vibrations in the form of standing waves that So have local antinodes and nodes, what an uneven Distribution of the acceleration amplitude corresponds and thus the disadvantage of a unequal energy input tends to increase.
  • DE 43 41 387 A1 proposes a device in which in which the receiving form to circular shaking movements in the horizontal level is stimulated.
  • the magazine "Building Construction”, 3rd edition of 1996, pp. 18 to 21, also discloses a device having circular jarring movements works, presented. The sound pressure level achieved with these arrangements Although lower than in the other arrangements, but they have Arrangements other disadvantages.
  • the invention is therefore the task based on developing a process with which in the production of large-scale Precast concrete a uniform entry of vibration energy in the concrete amount can be achieved in short production times.
  • the invention is Continue the task, a device for producing large-area To develop precast concrete parts, with the cost-effective mode of operation and short Production time a uniform entry of vibration energy in the concrete amount is reached.
  • the object is achieved in a method of the type described above Art solved by the fact that the bottom of the recording form, the movement of a continuous transverse wave is impressed, whereby the mixture compacts becomes.
  • Role The type of mixture, the design of the recording form and their natural vibrations, the loading of the vibration form, the vibration characteristics change, make an adjustment of the wavelengths to the particular circumstances necessary.
  • the exciter frequencies can be between 5 and 300 Hz.
  • the accelerations and the phase so too Select that the frequencies of the wave in the range of 30 to 150 Hz and the Accelerations in the range of three to ten times the acceleration of gravity. In order to the best compaction results are achieved.
  • the object concerning devices of the type described above kind solved by an arrangement that forms a receptacle, at least the mold bottom is designed to be flexible, for receiving the mixture, Continue one or more parallel to an axis under the mold bottom arranged rows of at least two interconnected means for Power transmission in the mold bottom for the purpose of deformation thereof, wherein the means periodically powered by force and all means with the same period are driven, and the power transmission through adjacent means temporally progressing takes place, whereby the mold bottom, the movement of a continuous transversal wave is imprinted.
  • the times to which each continuous power is transmitted to choose so that between the times of maximum power transmission of each two means a relationship such that the amount of the quotient of the difference between the times of maximum power transmission and the difference of Axis-related distance of the means to each other having the largest integer multiple of the wavelength which does not exceed the distance of the means from each other along the axis is constant and equal at different time points for all pairs of means.
  • This will explicitly set the phase of the wave. If the wave movement of the mold bottom is to be independent of the vibration properties of the formwork skin, then the distance between two adjacent means along the axis must be significantly smaller than the wavelength.
  • the distance of any two means along the axis can be greater than the wavelength, it is considered modulo the wavelength, ie, the distance becomes the largest integer multiple of the wavelength n ⁇ s - with the wavelength ⁇ and n of a natural number including "Zero" - which does not exceed the distance, deducted and considered only the remainder.
  • the same point in time corresponds to the same place in this perspective.
  • the wave then satisfies a simple, undamped wave equation, which as a solution is a function of the shape where ä is the amplitude, ⁇ the angular frequency, t the time, c the propagation velocity of the shaft, and x the location, here a one-dimensional coordinate, since the means are arranged along an axis.
  • the time of maximum power transmission will generally be at a zero crossing of the derivative. Due to the construction of recording form and means, the time may shift, but is repeated periodically. He serves as a reference, as well as any other time can be used, for. As the time of the smallest, falling in acceleration.
  • a phase ⁇ is the product of the angular frequency ⁇ with the quotient of location x relative to a reference point and propagation velocity c of the shaft, it follows that the constant quotient of time difference (t 2 -t 1 ) and the distance (x 2 -x 1 - n ⁇ ) of two means of which the largest integer multiple of the wavelength ⁇ , n ⁇ , which does not exceed the distance of the means from one another along the axis, is equal to the reciprocal of the propagation velocity of the wave.
  • the distance between two means here explicitly refers only to the distance projected on an axis along the axial direction and not to directions transversely thereto.
  • the mold bottom is predetermined Distances transverse to the axis of the mold bottom stiffening elements attached. Is due to the parallel arrangement of the rows and the choice of phases already in the given essentially the shape of a plane wave, so this effect is through the stiffening elements reinforced and imposed on the wave.
  • elastic elements whose vibration characteristics are chosen so must that the frequencies of the natural oscillations are not substantially overlap with the vibrations induced by the wave.
  • elastic elements are preferably springs in question, especially rubber, air or Steel springs, but also elastic layers such as insulating mats are preferred.
  • a transmission of force can, for. B. can be achieved appropriately when the drive shaft consists of individual, elastically connected segments, each segment is assigned an imbalance and in each segment as a means to Power transmission one or more coupled to the mold bottom coupling elements are provided for introducing the forces in the mold bottom.
  • These Coupling elements can, for example, with the stiffening elements across the Be the same axis. Due to the elastic coupling of the segments they become deflected out of the axis of rotation of the drive shaft according to the unbalance movement, wherein forces are introduced into the coupling elements to the mold bottom and this is deformed. Due to the phase-shifted arrangement of the individual Imbalance forms a wave whose wavelength is due to the phase shift and the distance of the segments depends.
  • the Frequency of the wave change during operation, whereby the propagation speed the wave changes accordingly. Since in this arrangement the too transmitted power depends on the speed, the amplitude is also or frequency-dependent, whereby a change in the energy input can be realized can. Furthermore, it is possible for several rows, the drive shafts respectively rotate in pairs in opposite directions synchronously. In this way, the resulting horizontal forces are easily eliminated and do not need or only to be caught slightly by other damping constructions.
  • this arrangement has the advantage that the path amplitude Frequency and mass is independent, whereby the flexible production of different Components with different mass with the same entry of vibration energy is possible.
  • the geometric shape of the eccentric thereby contributes to a frequency maximum achievable amplitude fixed, the frequency can over the Speed can be varied.
  • the stand Eccentric in rotation at least temporarily in contact with the mold bottom, but indirect positive or positive, permanent connections are also conceivable the former cause less noise.
  • FIG. 1 shows the basic structure of a device with a mold bottom. 1 the movement of a wave can be imprinted.
  • the mold base 1 is on stored elastic elements 2, here as a coherent layer are designed. This layer in turn is connected to a foundation 3, which serves for receiving and storing the entire device.
  • stiffening elements 4 are attached. With imbalances 5, on a drive shaft 6 are arranged, the forces necessary for the deformation are generated and via the stiffening elements 4, which are also connected to the drive shaft 6 and whereby the wave is imprinted the shape of a plane wave, in the mold bottom 1 initiated.
  • the imbalances are arranged at equal distances from each other so arranged that their centers of gravity in each case outside the Are rotational axis, but regularly, so that upon rotation of the drive shaft 6 the center of gravity of the imbalance 5 consecutively at equal intervals reach their closest to the bottom of the mold 1 point.
  • the drive shaft 6 is made here from individual, elastically coupled to each other via connecting elements 7 Segments, each of which is assigned an imbalance. By the elastic Connection of the segments will this out according to the imbalance motion deflected the axis of rotation of the drive shaft 6, wherein forces in the coupling elements 4 are introduced to the mold base 1 and this is deformed.
  • the phase-shifted arrangement of the individual imbalances 5 forms a Wave whose wavelength of the phase shift and the distance of the Segments depends.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verdichtung und Formgebung von Gemenge, bevorzugt von Betongemenge, in einer das Gemenge aufnehmenden Aufnahmeform. Die Erfindung ermöglicht die Herstellung großflächiger Betonfertigteile mit gleichmäßigen Schwingungsenergieeintrag in das Betongemenge bei kurzer Fertigungszeit. Bei einem solchen Verfahren wird dem Boden der Aufnahmeform die Bewegung einer transversalen Welle aufgeprägt. Die Erfindung betrifft außerdem eine Anordnung zur Verdichtung und Formgebung von Gemenge, bevorzugt von Betongemenge. Mit gleichmäßigem Schwingungsenergieeintrag in das Betongemenge ermöglicht die Erfindung die Herstellung großflächiger Betonfertigteile bei kostengünstige Arbeitsweise und kurzer Fertigungszeit. Eine solche Anordnung umfaßt eine Aufnahmeform mit zumindest biegeweichem Formboden 1, eine oder mehrere parallel zu einer Achse angeordnete Reihen von je mindestens zwei miteinander verbundenen Mitteln zur Kraftübertragung in den Formboden 1 zwecks elastischer Verformung desselben, wobei die Mittel periodisch kraftübertragend angetrieben sind und alle Mittel mit der gleichen Periode angetrieben sind, und die Kraftübertragung durch einander benachbarte Mittel zeitlich fortschreitend erfolgt. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verdichtung und Formgebung von Gemenge, bevorzugt von Betongemenge, in einer das Gemenge aufnehmenden Aufnahmeform. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Anordnung zur Verdichtung und Formgebung von Gemenge und bezieht sich auf das Problem einer gleichmäßigen Verdichtung des Gemenges.
Die Verdichtung von Gemengen ist in zahlreichen Gebieten der Technik verbreitet. Dabei kann es sich zum Beispiel um Schüttgüter wie Sand oder Getreide handeln, deren Volumen zur Lagerung verringert werden soll. Von herausragender Bedeutung ist sie jedoch bei der Herstellung von Bauteilen aus Betongemenge. Hier kommt es auf eine gleichmäßige und hohe Dichte des Gemenges an, diese ist für eine hohe Druckfestigkeit und gute Materialqualität unerläßlich. Aus diesem Grund sind zahlreiche Verfahren und Anordnungen zur Verdichtung von Betongemenge entwickelt worden und aus dem Stand der Technik bekannt. Die wesentliche Idee bei all diesen Verfahren ist, der Aufnahmeform eine oszillierende oder umlaufende Bewegung aufzuprägen, die zu Schwingungseinwirkungen auf das Betongemenge führt. Letztendlich werden dadurch Reibungs- und Adhäsionskräfte verringert, und im Gemenge wird ein Fließvorgang induziert, der in Zusammenwirkung mit der Gravitationskraft dazu führt, daß eingeschlossene Luft nach oben entweicht und eine dichtere Anordnung der Bestandteile des Gemenges ermöglicht - so werden bei einer Mischung von Bestandteilen unterschiedlicher Größe zum Beispiel größere Zwischenräume zwischen Bestandteilen großen Volumens von solchen mit kleinerem Volumen aufgefüllt.
Einen guten Überblick über Verfahren und Vorrichtungen zum Verdichten von Betongemenge mittels Schwingungen der Aufnahmeform - auch als Rütteln oder Vibrieren bezeichnet und hier synonym verwendet - gibt zum Beispiel das Buch "Außenrüttler - Grundlagen und praktische Anwendungen der Rütteltechnik", von S. Wambach und W. Schneider, erschienen im "verlag moderne industrie", Landsberg 1992. Bei den dort beschriebenen Vorrichtungen werden harmonische Schwingungen erzeugt und über die Aufnahmeform auf das Gemenge übertragen. Die Schwingungen werden dabei mittels einer oder mehrerer rotierender Unwuchten erzeugt, die mit der Aufnahmeform mechanisch gekoppelt sind.
Für eine gleichmäßige und hohe Verdichtung des Betongemenges ist dabei entscheidend, daß in alle Bereiche zum einen eine genügend hohe Schwingungsenergie - jedoch nicht so hoch, daß Schäden an der Vorrichtung auftreten oder das Gemenge sich entmischt - eingeleitet wird und dies zum anderen auch gleichmäßig über die gesamte Kontaktfläche zwischen Aufnahmeform und Betongemenge geschieht. Je größer die Aufnahmeform ist, desto aufwendiger wird es, diese Bedingungen zu erfüllen, und desto größer ist auch der damit verbundene Lärmpegel bei der Erzeugung der Schwingungen und bei der Vibration der Aufnahmeform.
Ein weiterer, konstruktionsbedingter Nachteil bei größeren Anordnungen dieser Art ist allgemein, daß die Beschleunigungsamplitude - die zweite Ableitung der Schwingungsfunktion nach der Zeit und ein Maß für den Energieeintrag in das Gemenge - nicht überall gleichmäßig im Boden der Aufnahmeform verteilt ist, und somit Unregelmäßigkeiten in der Verdichtung zwangsläufig die Folge sind. Diese werden mit steigender Ausdehnung der Bodenfläche der Aufnahmeform, unter der die Rüttler angebracht sind, größer, da die Aufnahmeform immer weniger einem starren Körper gleicht, was zu Problemen führt, da Unterschiede in den Beschleunigungsamplituden bei geringen Amplituden zu einer lokal unzureichenden Verdichtung führen, bei hohen Amplituden jedoch zu Schädigungen des verdichteten Gemenges oder zu Entmischungserscheinungen. Bei höheren Frequenzen und bei größerer Ausdehnung der Form spielen daher die Biegeeigenschaften des Formbodens eine immer größere Rolle. Bei den induzierten Biegeschwingungen handelt es sich um Schwingungsformen der erzwungenen Schwingungen in Form von stehenden Wellen, die also lokale Schwingungsbäuche und -knoten besitzen, was einer ungleichmäßigen Verteilung der Beschleunigungsamplitude entspricht und damit den Nachteil eines ungleichmäßigen Energieeintrags eher noch verstärkt. Theoretische Untersuchungen, wie sie in "Betonwerk + Fertigteil-Technik", Ausgabe 8, 1999, Seite 52 bis 59, beschrieben sind, kommen jedoch zu dem sehr naheliegenden Schluß, daß auch mit biegeweichen Aufnahmeformen eine gleichmäßige Verdichtung erreicht werden kann, sofern die Beschleunigungsamplituden statistisch zeitlich und örtlich gleichmäßig verteilt sind. Im Stand der Technik finden sich jedoch keine Angaben über eine Umsetzung dieser Tatsache.
Ein anderer Weg wird mit Vorrichtungen beschritten, die im Bereich niedriger Frequenzen von bis zu 15 Hz arbeiten, die außerhalb des für den Menschen akustisch wahrnehmbaren Bereichs liegen und Schwingungen in der horizontalen Ebene erzeugen. So wird zum Beispiel in der Schrift DE 43 41 387 A1 eine Vorrichtung vorgeschlagen, bei der die Aufnahmeform zu kreisförmigen Rüttelbewegungen in der horizontalen Ebene angeregt wird. In der Zeitschrift "Hochbau", 3. Ausgabe von 1996, S. 18 bis 21, wird ebenfalls eine Vorrichtung, die mit kreisförmigen Rüttelbewegungen arbeitet, vorgestellt. Die mit diesen Anordnungen erreichten Schalldruckpegel liegen zwar tiefer als bei den anderen Anordnungen, jedoch weisen diese Anordnungen andere Nachteile auf. Neben hoher Herstellungskosten durch eine aufwendige Konstruktion sind auch Materialbeanspruchung und Verschleiß recht hoch: Um eine ausreichende Verdichtung zu erzielen, muß eine hohe übertragbare Schwingungsenergie zur Verfügung stehen, wozu Wellen mit hoher Energiedichte in der Betonmasse erzeugt werden müssen. Die Energiedichte ist einerseits proportional zum Quadrat der Frequenz, andererseits proportional zum Quadrat der Amplitude. Bei niedrigen Frequenzen muß daher die Aufnahmeform in eine Schwingung mit genügend hoher Amplitude versetzt werden, was zu den oben genannten Nachteilen führt. Ein weiterer Nachteil bei niederfrequenten horizontalen Schwingungsanregungen ist die Tatsache, daß nur leicht zu verarbeitende Betongemenge, d. h. Gemenge mit weicher bis fließfähiger Konsistenz, qualitätsgerecht verdichtet werden können. Außerdem ist die zu verarbeitende Betonhöhe begrenzt, da bei größeren Betonhöhen die niederfrequente horizontale Schwingung nicht gleichmäßig übertragen wird, woraus wiederum Unterschiede in der Verdichtung resultieren.
Während also bei kleineren, starr konstruierten Aufnahmeformen gute Ergebnisse bezüglich eines gleichmäßigen Energieeintrags in das Betongemenge erzielt werden, muß man bei der Herstellung größerer Bauteile in Aufnahmeformen mit ausgedehntem Formboden entweder eine ungleichmäßige Verdichtung oder lange Fertigungszeiten bei höheren Herstellungskosten in Kauf nehmen.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu entwickeln, mit dem bei der Herstellung von großflächigen Betonfertigteilen ein gleichmäßiger Eintrag von Schwingungsenergie in das Betongemenge bei kurzen Fertigungszeiten erreicht werden kann. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Herstellung großflächiger Betonfertigteile zu entwickeln, mit der bei kostengünstiger Arbeitsweise und kurzer Fertigungszeit ein gleichmäßiger Eintrag von Schwingungsenergie in das Betongemenge erreicht wird.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art dadurch gelöst, daß dem Boden der Aufnahmeform die Bewegung einer fortlaufenden transversalen Welle aufgeprägt wird, wodurch das Gemenge verdichtet wird.
Indem dem Boden der Aufnahmeform eine fortlaufende und transversale Welle aufgeprägt wird, die Materialteilchen des Bodens also senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Welle ausgelenkt werden, wird an allen Stellen des Bodens der Aufnahmeform die gleiche Schwingungsenergie in das Betongemenge eingeleitet. Während die Beschleunigungsamplitude bei einem herkömmlichen Rüttelverfahren ortsabhängig ist und bei konstanter Frequenz zeitlich konstant, variiert die Beschleunigungsämplitude im erfindungsgemäßen Verfahren im Auftreten zeitlich und ist ortsunabhängig. Im zeitlichen Mittel ergibt sich daher eine im Boden der Aufnahmeform gleichverteilte Beschleunigungsamplitude, wie sie für eine gleichmäßige Verdichtung notwendig ist. Da vertikale Schwingungen erzeugt werden, sind die Fertigungszeiten zudem kurz.
Um die Welle zu erzeugen, werden zweckmäßigerweise in Bereiche des Bodens der Aufnahmeform, die in vorgegebenen Abständen zueinander liegen, periodisch und jeweils um eine Phase zeitlich versetzt, Kräfte zur elastischen Verformung der Bodenfläche eingeleitet. Die Phase hängt dabei nur vom Abstand der Bereiche zueinander und von der Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Welle im Material des Bodens der Aufnahmeform ab.
Bei der Wahl der Wellenlänge und der Kräfte spielen verschiedene Parameter eine Rolle: Die Art des Gemenges, die Konstruktion der Aufnahmeform und ihre Eigenschwingungen, die Beladung der Vibrationsform, die die Schwingungseigenschaften ändern, machen eine Anpassung der Wellenlängen an die jeweiligen Gegebenheiten notwendig. Die Erregerfrequenzen können dabei zwischen 5 und 300 Hz liegen. Für das bei der Herstellung großflächiger Betonfertigteile üblicherweise verwendete Gemenge ist es jedoch zweckmäßig, die Beschleunigungen und die Phase so zu wählen, daß die Frequenzen der Welle im Bereich von 30 bis 150 Hz liegen und die Beschleunigungen im Bereich des Drei- bis Zehnfachen der Erdbeschleunigung. Damit werden die besten Verdichtungsergebnisse erzielt.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe betreffend Vorrichtungen der eingangs beschriebenen Art durch eine Anordnung gelöst, die eine Aufnahmeform, bei der zumindest der Formboden biegeweich gestaltet ist, zur Aufnahme des Gemenges umfaßt, weiterhin eine oder mehrere parallel zu einer Achse unter dem Formboden angeordnete Reihen von je mindestens zwei miteinander verbundenen Mitteln zur Kraftübertragung in den Formboden zwecks Verformung desselben, wobei die Mittel periodisch kraftübertragend angetrieben sind und alle Mittel mit der gleichen Periode angetrieben sind, und die Kraftübertragung durch einander benachbarte Mittel zeitlich fortschreitend erfolgt, wodurch dem Formboden die Bewegung einer fortlaufenden transversalen Welle aufgeprägt ist.
Indem Mittel zur Kraftübertragung entlang einer Achse angeordnet werden, wird die mögliche Ausbreitungsrichtung der Welle vorgegeben, und bei Aufnahmeformen mit großflächigem Boden sorgt eine parallele Anordnung der Achsen dafür, daß die Welle im wesentlichen nur eine Ausbreitungsrichtung hat. Die Mittel sind miteinander verbunden und periodisch angetrieben. Indem in den Bereichen, unter denen die Mittel angeordnet sind, Kräfte in den Formboden eingeleitet werden, wird dieser gezielt elastisch verformt und ihm eine Schwingung aufgezwungen. Da alle Mittel mit der gleichen Periode Kraft übertragen, diese Kraftübertragung jedoch zeitlich fortlaufend erfolgt, d. h. erst beim ersten, dann beim zweiten, dann beim dritten Mittel auf einer Achse etc., wird dem Formboden die Bewegung einer fortlaufenden transversalen Welle aufgeprägt. Deren Amplitude verlagert sich mit der Zeit, und so werden alle Bereiche des Gemenges zeitlich versetzt mit der gleichen Beschleunigungsamplitude verdichtet.
Dabei ist es zweckmäßig, die Zeitpunkte, zu denen jeweils fortlaufend Kraft übertragen wird, so zu wählen, daß zwischen den Zeitpunkten maximaler Kraftübertragung je zweier Mittel eine Beziehung derart besteht, daß der Betrag des Quotienten aus der Differenz der Zeitpunkte maximaler Kraftübertragung und der Differenz der auf die Achse bezogenen Entfernung der Mittel zueinander mit dem größten ganzzahligen Vielfachen der Wellenlänge, welche die Entfernung der Mittel zueinander entlang der Achse nicht überschreitet, konstant und bei verschiedenen Zeitpunkten für alle Paare von Mitteln gleich ist. Dadurch wird die Phase der Welle explizit festgelegt. Soll die Wellenbewegung des Formbodens von den Schwingungseigenschaften der Schalhaut unabhängig sein, so muß die Entfernung zweier benachbarter Mittel entlang der Achse deutlich kleiner als die Wellenlänge sein. Da die Entfernung zweier beliebiger Mittel zueinander entlang der Achse allerdings größer als die Wellenlänge sein kann, wird sie modulo der Wellenlänge betrachtet, d. h. von der Entfernung wird das größte ganzzahlige Vielfache der Wellenlänge nλ s - mit der Wellenlänge λ und n einer natürlichen Zahl einschließlich der "Null" -, welches die Entfernung nicht überschreitet, abgezogen und nur der Rest betrachtet. Der gleiche Zeitpunkt entspricht in dieser Betrachtungsweise also dem gleichen Ort. Die Welle genügt dann einer einfachen, ungedämpften Wellengleichung, die als Lösung eine Funktion der Form
Figure 00060001
hat, wobei ä die Amplitude ist, Ω die Kreisfrequenz, t die Zeit, c die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle und x der Ort, hier eine eindimensionale Koordinate, da die Mittel entlang einer Achse angeordnet sind. Der Zeitpunkt maximaler Kraftübertragung wird im allgemeinen bei einem Nulldurchgang der Ableitung liegen. Durch die Konstruktion von Aufnahmeform und Mitteln kann sich der Zeitpunkt verschieben, wird jedoch periodisch wiederholt. Er dient hier als Referenz, ebenso gut kann jeder andere Zeitpunkt herangezogen werden, z. B. der Zeitpunkt kleinster, im Abfallen begriffener Beschleunigung.
In jedem der Fälle ergibt sich eine Phasenbeziehung der folgenden Art für zwei Phasen ϕ1, ϕ2 zu zwei Zeiten t1, t2, wenn bei allen Mitteln die Periode gleich ist: t 2 - t 1 = 2 - 1 Ω
Da eine Phase ϕ das Produkt der Kreisfrequenz Ω mit dem Quotienten aus Ort x bezogen auf einen Bezugspunkt und Ausbreitungsgeschwindigkeit c der Welle ist, folgt, daß der konstante Quotient aus Zeitdifferenz (t2 - t1) und dem Abstand (x2 - x1 - nλ) zweier Mittel, von dem das größte ganzzahlige Vielfache der Wellenlänge λ, nλ, welches die Entfernung der Mittel zueinander entlang der Achse nicht überschreitet, abgezogen wurde, gleich dem Kehrwert der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle ist. Der Abstand zweier Mittel bezieht sich hier explizit nur auf den auf eine Achse projizierten Abstand entlang der Achsrichtung und nicht auf Richtungen quer dazu.
In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung sind am Formboden in vorgegebenen Abständen quer zur Achse den Formboden versteifende Elemente angebracht. Wird durch die parallele Anordnung der Reihen und die Wahl der Phasen schon im wesentlichen die Form einer ebenen Welle vorgegeben, so wird dieser Effekt durch die versteifenden Elemente noch verstärkt und der Welle aufgezwungen.
Zur Sicherung der ebenen Lagerung der Aufnahmeform wird diese zweckmäßig auf elastischen Elementen gelagert, deren Schwingungseigenschaften so gewählt werden müssen, daß die Frequenzen der Eigenschwingungen sich im wesentlichen nicht mit den durch die Welle induzierten Schwingungen überlagern. Als elastische Elemente kommen vorzugsweise Federn in Frage, insbesondere Gummi-, Luft- oder Stahlfedern, aber auch elastische Schichten wie beispielsweise isolierende Matten werden bevorzugt benutzt.
Zur Erzeugung der zu übertragenden Kräfte in einer Reihe sind in einer vorteilhaften, einfach zu realisierenden Ausführung auf einer Antriebswelle entlang der Ausbreitungsrichtung der Welle angeordnete Unwuchten vorgesehen. Durch die Rotation der Welle und eine Anordnung entsprechend der oben genannten Ausführungen übertragen die Unwuchten in einer Reihe nacheinander die von der Welle vermittelte Kraft auf den Formboden und verformen diesen dabei elastisch.
Eine Übertragung der Kraft kann z. B. zweckmäßig erreicht werden, wenn die Antriebswelle aus einzelnen, miteinander elastisch verbundenen Segmenten besteht, jedem Segment eine Unwucht zugeordnet ist und in jedem Segment als Mittel zur Kraftübertragung ein oder mehrere mit dem Formboden verbundene Kopplungselemente zur Einleitung der Kräfte in den Formboden vorgesehen sind. Diese Kopplungselemente können zum Beispiel mit den versteifenden Elementen quer zur Achse identisch sein. Durch die elastische Kopplung der Segmente werden diese entsprechend der Unwuchtbewegung aus der Rotationsachse der Antriebswelle ausgelenkt, wobei Kräfte in die Kopplungselemente zum Formboden eingeleitet werden und dieser verformt wird. Durch die phasenverschobene Anordnung der einzelnen Unwuchten bildet sich eine Welle aus, deren Wellenlänge von der Phasenverschiebung und dem Abstand der Segmente abhängt. Dabei kann vorgesehen sein, die Frequenz der Welle während des Betriebs zu ändern, wobei sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle entsprechend ändert. Da in dieser Anordnung die zu übertragende Kraft von der Drehzahl abhängt, ist auch die Amplitude drehzahl- bzw. frequenzabhängig, womit eine Änderung des Energieeintrags realisiert werden kann. Weiterhin ist es möglich, bei mehreren Reihen die Antriebswellen jeweils paarweise gegenläufig synchron rotieren zu lassen. Auf diese Weise können die entstehenden horizontalen Kräfte leicht eliminiert werden und brauchen nicht oder nur geringfügig durch andere dämpfende Konstruktionen aufgefangen zu werden.
In einer anderen, vorteilhaften Ausführung der Erfindung sind als Mittel zur Kraftübertragung auf einer Antriebswelle entlang der Ausbreitungsrichtung der Welle angeordnete Exzenter vorgesehen. Gegenüber der Anordnung von elastisch gekoppelten Unwuchtsegmenten hat diese Anordnung den Vorteil, daß die Wegamplitude frequenz- und massenunabhängig ist, wodurch die flexible Fertigung unterschiedlicher Bauteile mit unterschiedlicher Masse bei gleichem Eintrag von Schwingungsenergie möglich ist. Die geometrische Form der Exzenter legt dabei die bei einer Frequenz maximal erreichbare Amplitude fest, die Frequenz kann über die Drehzahl variiert werden. In einer vorteilhaften einfachen Ausgestaltung stehen die Exzenter bei der Rotation zumindest zeitweise in Kontakt mit dem Formboden, aber auch indirekte kraft- oder formschlüssige, dauerhafte Verbindungen sind denkbar, wobei erstere weniger Lärm verursachen.
In einer weiteren vorteilhaften, besonders lärmarmen Ausführung sind zur Erzeugung der Kräfte und als Mittel zur Kraftübertragung Piezoaktuatoren, Hydraulikoder Pneumatikelemente vorgesehen, und sind diese mit einer Ansteuereinrichtung zur zeitlich aufeinanderfolgenden Krafteinwirkung auf den Formboden verbunden.
Die Erfindung soll im folgenden an einem Ausführungsbeispiel erläutert werden. In den dazugehörigen Zeichnungen zeigt
Fig.1
die Gesamtansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und
Fig.2
die Ansicht einer mit Unwuchten versehenen Antriebswelle.
Fig.1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Vorrichtung, mit der einem Formboden 1 die Bewegung einer Welle aufgeprägt werden kann. Der Formboden 1 ist dabei auf elastischen Elementen 2 gelagert, die hier als eine zusammenhängende Schicht ausgestaltet sind. Diese Schicht wiederum ist mit einem Fundament 3 verbunden, welches zur Aufnahme und Lagerung der gesamten Vorrichtung dient. Am Formboden 1 sind versteifende Elemente 4 angebracht. Mit Unwuchten 5, die auf einer Antriebswelle 6 angeordnet sind, werden die zur Verformung nötigen Kräfte erzeugt und über die versteifenden Elemente 4, die ebenfalls mit der Antriebswelle 6 verbunden sind und wodurch der Welle die Form einer ebenen Welle aufgeprägt ist, in den Formboden 1 eingeleitet.
Fig.2 zeigt den Aufbau einer solchen, mit vier Unwuchten 5 versehenen Antriebswelle 6. Die Unwuchten sind dabei in gleichen Abständen zueinander so angeordnet, daß ihre Massenschwerpunkte sich jeweils an anderen Stellen außerhalb der Rotationsachse befinden, jedoch regelmäßig, so daß bei Rotation der Antriebswelle 6 die Massenschwerpunkte der Unwuchten 5 nacheinander in gleichen Zeitabständen ihren zum Formboden 1 nächsten Punkt erreichen. Die Antriebswelle 6 besteht hier aus einzelnen, miteinander über Verbindungselemente 7 elastisch gekoppelten Segmenten, von denen jedem eine Unwucht zugeordnet ist. Durch die elastische Verbindung der Segmente werden diese entsprechend der Unwuchtbewegung aus der Rotationsachse der Antriebswelle 6 ausgelenkt, wobei Kräfte in die Kopplungselemente 4 zum Formboden 1 eingeleitet werden und dieser verformt wird. Durch die phasenverschobene Anordnung der einzelnen Unwuchten 5 bildet sich eine Welle aus, deren Wellenlänge von der Phasenverschiebung und dem Abstand der Segmente abhängt.

Claims (13)

  1. Verfahren zur Verdichtung und Formgebung von Gemenge, bevorzugt von Betongemenge, in einer das Gemenge aufnehmenden Aufnahmeform, dadurch gekennzeichnet, daß dem Boden der Aufnahmeform die Bewegung einer fortlaufenden transversalen Welle aufgeprägt wird, wodurch das Gemenge verdichtet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegung erzeugt wird, indem in Bereiche des Bodens der Aufnahmeform, die in vorgegebenen Abständen zueinander liegen, periodisch und jeweils um eine Phase zeitlich versetzt, Kräfte zur elastischen Verformung der Bodenfläche eingeleitet werden.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Welle im Bereich von 30 bis 150 Hz gewählt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Beschleunigungen erzeugt werden, die im Bereich des Drei- bis Zehnfachen der Erdbeschleunigung liegen.
  5. Anordnung zur Verdichtung und Formgebung von Gemenge, bevorzugt von Betongemenge, umfassend
    eine Aufnahmeform, bei der zumindest der Formboden (1) biegeweich gestaltet ist, zur Aufnahme des Gemenges,
    eine oder mehrere parallel zu einer Achse unter dem Formboden (1) angeordnete Reihen von je mindestens zwei miteinander verbundenen Mitteln zur Kraftübertragung in den Formboden (1) zwecks elastischer Verformung desselben, wobei
    die Mittel periodisch kraftübertragend angetrieben sind und alle Mittel mit der gleichen Periode angetrieben sind, und
    die Kraftübertragung durch einander benachbarte Mittel zeitlich fortschreitend erfolgt, wodurch dem Formboden (1) die Bewegung einer fortlaufenden transversalen Welle aufgeprägt ist.
  6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Zeitpunkten maximaler Kraftübertragung je zweier Mittel eine Beziehung besteht derart, daß der Betrag des Quotienten aus der Differenz der Zeitpunkte maximaler Kraftübertragung und der Differenz der auf die Achse bezogenen Entfernung der Mittel zueinander mit dem größten ganzzahligen Vielfachen der Wellenlänge, welche die Entfernung der Mittel zueinander entlang der Achse nicht überschreitet, konstant und bei verschiedenen Zeitpunkten für alle Paare von Mitteln gleich ist, wodurch dem Formboden (1) die Bewegung einer fortlaufenden transversalen Welle aufgeprägt ist, deren Ausbreitungsgeschwindigkeit der Kehrwert des Quotienten ist.
  7. Anordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß am Formboden (1) in vorgegebenen Abständen quer zur Achse den Formboden (1) versteifende Elemente (4) angebracht sind, wodurch die Welle die Form einer ebenen Welle hat.
  8. Anordnung nach Anspruch 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmeform auf elastischen Elementen (2), vorzugsweise auf Gummifedern, Luftfedern, Stahlfedern oder elastischen Schichten, gelagert ist.
  9. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der zu übertragenden Kräfte in einer Reihe auf einer Antriebswelle (6) entlang der Ausbreitungsrichtung der Welle angeordnete Unwuchten (5) vorgesehen sind.
  10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebswelle (6) aus einzelnen, miteinander elastisch verbundenen Segmenten besteht, jedem Segment eine Unwucht (5) zugeordnet ist und in jedem Segment als Mittel zur Kraftübertragung ein oder mehrere mit dem Formboden (1) verbundene Kopplungselemente zur Einleitung der Kräfte in den Formboden (1) vorgesehen sind.
  11. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Mittel zur Kraftübertragung auf einer Antriebswelle (6) entlang der Ausbreitungsrichtung der Welle angeordnete Exzenter vorgesehen sind.
  12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Exzenter zumindest zeitweise mit dem Formboden (1) in Berührung stehen.
  13. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Kräfte und als Mittel zur Kraftübertragung Piezoaktuatoren, Hydraulik- oder Pneumatikelemente vorgesehen sind, und diese mit einer Ansteuereinrichtung zur zeitlich aufeinanderfolgenden Krafteinwirkung auf den Formboden (1) verbunden sind.
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