EP2257415B1

EP2257415B1 - Betonsteinfertiger mit harmonischer vibration durch formerregung, sowie verfahren zur formgebung und verdichtung von betongemengen

Info

Publication number: EP2257415B1
Application number: EP09715186.4A
Authority: EP
Inventors: Joerg-Henry Schwabe
Original assignee: IAB Institut fuer Angewandte Bauforschung Weimar gGmbH
Current assignee: IAB Institut fuer Angewandte Bauforschung Weimar gGmbH
Priority date: 2008-02-26
Filing date: 2009-02-25
Publication date: 2013-04-10
Anticipated expiration: 2029-02-25
Also published as: EP2257415A2; DK2257415T3; PL2257415T3; WO2009106297A2; WO2009106297A3; DE102008011272A1

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft gemäβ dem Oberbegriff des Anspruchs 1, eine Vorrichtung zur Formgebung von Gemengen, bevorzugt von Betongemengen zur Steinfertigung durch Formgebung und Verdichtung mittels Einwirkung harmonischer Schwingungen, umfassend

eine Formbaugruppe mit Vibrationsrahmen zur Aufnahme des zu verdichtenden Gemenges, Vibrationsrahmenfeder zur elastischen Lagerung des Vibrationsrahmens und mit einem am Vibrationsrahmen angebrachten Vibrationserregersystem als Schwingungsantrieb
eine Palettenbaugruppe mit Unterlagsbrett zur Aufnahme der herzustellenden Produkte, Brettfeder zur schwingungstechnischen Entkopplung während der Vibrationseinwirkung und Bretthubtisch für Zustellbewegungen während der Fertigungstakte
eine Auflastbaugruppe mit Auflast zur Formgebung der Oberfläche des herzustellenden Produktes, Auflastfeder für die elastische Lagerung und Auflasthub zur Ausführung von zustell- und Entschalbewegungen.

Genauer umfasst eine solche Vorrichtung (i) einen auswechselbaren Formeinsatz, der das zu verdichtende Gemenge aufnimmt, (ii) einen Vibrationsrahmen, mit dem der Formeinsatz kraft- und / oder formschlüssig verbunden ist, (iii) ein an dem Vibrationsrahmen angebrachtes Vibrationserregersystem, mit dem der Vibrationsrahmen in im wesentlichen harmonische Vibration versetzt wird, (iv) eine Auflastbaugruppe und (v) ein Unterlagsbrett, welches während der Vibration von unten an den Formeinsatz gepreßt wird. Schließlich umfaßt die Vorrichtung außerdem eine Bretthubbaugruppe, welche einen oder mehrere Bretthubzylinder und einen Bretthub umfasst.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur formgebung und Verdichtung von Gemengen mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10.

Stand der Technik

Die industrielle Herstellung kleinformatiger Betonwaren, insbesondere aus Gemengen in steifer bis sehr steifer Konsistenz erfolgt im Stand der Technik durch die zwei Verfahren der Schockvibration und der harmonischen Vibration.
Das technologische Verfahren der Schockvibration für die Formgebung und Verdichtung von Gemengen, insbesondere Betongemengen in steifer bis sehr steifer Konsistenz ist seit vielen Jahren bekannt. Bei diesem Verfahren werden in der industriellen Produktion meist Vorrichtungen verwendet, die zur Verdichtung des Betongemenges durch die Erzeugung von Stoßvorgängen zwischen maschinentechnischen Komponenten schockartige Vibrationen erzeugen und auf das zu verarbeitende Gemenge einwirken.
Bekannte Vorrichtungen verwenden zur Schwingungserzeugung Systeme, die auf elektromotorisch angetriebenen Unwuchtwellen basieren, wie beispielsweise im Artikel "Steigerung der Produktqualität durch effiziente Verdichtung" von Berthold Schlecht und Alexander Neubauer, erschienen in der Zeitschrift "Betonwerk + Fertigteil-Technik", Ausgabe 9/2000, S. 44 - 52, ausführlich dargestellt. Eine ausführliche Darstellung zum Stand der Technik des Schockvibrationsverfahrens und der dafür verwendeten Vorrichtungen ist in DE 20301954 enthalten, auf die hier ausdrücklich Bezug genommen wird.
Aus dem Bereich von mit Schockvibration arbeitenden Blocksteinmaschinen auf dem US-Markt sind Formen mit direkt an der Form fest angebrachten Unwuchterregern, wie z. B. in DE 689 04 376 T2 und der US 4,312,242 bekannt. Das Formgehäuse bei diesen Formen enthält stützende Seitenarme, die einen Vibrationsrahmen bilden. Beide Elemente bilden hier eine nicht von einander trennbare Einheit. An der Unterseite wird diese Einheit durch eine in vertikaler Richtung hebbare Palette verschlossen, die lösbar mit dem unteren Ende der Einheit verklammert wird. Auch in der US 4,235,580 wird eine mit Schockvibration arbeitende Blocksteinmaschine beschrieben. Zur Vermeidung von Lärm beim Einwirken der Vibrationsimpulse wird die auf einem Palettenträger auf Gummielementen lagernde Palette mittels einer auf den Palettenträger wirkenden Luftfeder gegen die Form gepreßt.
Die genannten Blocksteinmaschinen, die beispielsweise von der Firma Besser, Inc., angeboten werden sind jedoch ausschließlich für die Schockvibration konzipiert. Von den zwei am Vibrationsrahmen angebrachten, gegenläufig angetriebenen Unwuchten - beispielsweise vom Typ AFC SmartPac^® werden in der Regel Amplituden zwischen 50 kN und 70 kN pro Unwucht erzielt, für eine harmonische Vibration - beispielsweise wie in der DE 20301954 beschrieben - sind derzeit jedoch wesentlich höhere Kräfte von etwa 600 kN notwendig.
Dem Vorteil der Schockvibration mit der sehr intensiven Verdichtungswirkung stehen eine Reihe von entscheidenden Nachteilen gegenüber. Diese bestehen in der extrem hohen Belastung der Maschinentechnik und dem damit verbundenen hohen Maschinenverschleiß und den Betriebskosten, in der hohen Umweltbelastung mit Schwingungen, und in der extremen Lärmemission.
Auf der anderen Seite sind in jüngster Zeit Verfahren und Vorrichtungen zur Formgebung und Verdichtung von Gemengen, insbesondere Betongemengen in steifer bis sehr steifer Konsistenz mittels der harmonischen Vibrationseinwirkung entstanden, um bei mindestens gleichen Bedingungen für die Produktqualität die Nachteile der Schockvibration zu reduzieren bzw. zu vermeiden. Möchte man auf die Schockvibration verzichten, so muß das Fehlen der durch die Prellschläge erzeugten Beschleunigungsspitzen durch entsprechend höhere Kräfte in der harmonischen Vibration ersetzt werden. Die notwendige Gesamtkraft liegt bei etwa 600 kN. Aus Platzgründen ist bei bestehenden, nach dem Prinzip der Schockvibration arbeitenden Maschinen eine einfache Erhöhung der Anzahl der Unwuchten nicht möglich, so daß neue konstruktive Lösungen gefunden werden müssen, wie beispielsweise in der DE 20301954 beschrieben, auf deren Offenbarung, die Bestandteil dieser Anmeldung ist, hier ausdrücklich verwiesen wird.
Bei den bekannten technischen Lösungen werden die harmonischen Bewegungsfunktionen mit den erforderlichen Beschleunigungsamplituden durch verschiedene technische Verfahren erzeugt. Dabei ist davon auszugehen, daß die Werte der Beschleunigungen in der Erregerfrequenz mindestens in die Größenordnung der Beschleunigungen in der Erregerfrequenz bei schockartiger Vibrationseinwirkung kommen müssen, um vergleichbare Verdichtungswirkungen zu erreichen.
Eine bekannte technische Lösung für die Formgebung und Verdichtung von Gemengen in steifer bis sehr steifer Konsistenz besteht in der Anwendung eines oder mehrerer hydraulisch betätigter Servozylinder, um die erforderlichen hohen Kräfte in einer harmonischen Zeitfunktion zu erzeugen. Auf hydraulischem Antrieb basierende Vorrichtungen zur Betonsteinfertigung werden im oben genannten Artikel von Schlecht und Neubauer sowie in der Schrift WO 01/47698 A1 beschrieben.
Eine weitere technische Lösungsvariante für die Formgebung und Verdichtung von Gemengen besteht in der Erzeugung von harmonischen Schwingungen mittels rotierender Unwuchtwellen. Dieses Prinzip wird auch für die Zwangserregung des Schwingtisches beim Schockvibrationsverfahren genutzt. Allerdings müssen beim harmonischen Vibrationsverfahren die Erregerkräfte deutlich höher sein im Vergleich zum Schockvibrationsverfahren, um vergleichbare Beschleunigungsamplituden für die ausreichende Formgebung und Verdichtung des Gemenges zu erreichen.
Eine bekannte Lösung für dieses Verfahren ist in DE 20301954 beschrieben. Während der Vibrationsverdichtung mit harmonischer Vibration wird temporär ein steifer Schwingverband bestehend aus dem Schwingtisch, der Unterlagsplatte und der Form durch eine Formverspannung hergestellt.
Eine weitere Lösung der Formgebung und Verdichtung von Gemengen mittels harmonischer Vibration, entwickelt von G. Becker, ist in der Fachzeitschrift "Betonwerk + Fertigteil-Technik", Ausgabe 10/2007 "Leistungssteigerung und Lärmminderung mit harmonischer Vibration", S. 22 - 27, beschrieben. Auf einem elastisch gelagerten Schwingtisch mit den an der Unterseite befestigten Unwuchtvibratoren liegen Unterlagsbrett und Form mit dem in den Formkammern enthaltenen zu verdichtenden Betongemenge. Während der Einwirkung der harmonischen Vibrationen werden die Form und das Unterlagsbrett mit einer solchen Kraft auf den Schwingtisch gedrückt, daß während dieser Zeit keine Relativbewegungen zwischen diesen Komponenten des Schwingverbandes mehr auftreten können. Diese Kraft wird durch vertikal bewegliche Federbaugruppen aufgebracht, die während der Vibrationseinwirkung auf die Form drücken und auf der gegenüberliegenden Federseite temporär gestellfest positioniert sind. Durch ihre elastische Eigenschaft sichern sie die Schwingbewegung des Vibrationsverbandes. Eine Auflastbaugruppe drückt während der Vibrationseinwirkung passiv oder aktiv mit eigenen Vibrationsantrieben auf die obere Seite des in den Formkammern befindlichen Betongemenges.
Alle hier beschriebenen harmonischen Verdichtungseinrichtungen reduzieren in deutlichen Maße die vorab bezeichneten Nachteile von Schockvibrationseinrichtungen hinsichtlich der extrem hohen Maschinenbelastung, der hohen Umweltbelastung mit Schwingungen und der extremen Lärmemission. Trotz der sichtbaren Vorteile der beschriebenen technischen Lösungen für die Formgebung und Verdichtung mittels harmonischer Vibration sind diese auch mit deutlichen Nachteilen verbunden.
In der Wahl einer Hydraulik als Antriebsmedium liegt ein großer Nachteil. Gerade Servohydraulik erfordert eine extreme Reinheit des Öls, die sich in der Umgebung eines Betonwerkes nur mit hohen Aufwand aufrecht erhalten läßt. Außerdem liegt der Energiebedarf einer auf Hydraulik basierenden Vorrichtung wegen des relativ schlechten Wirkungsgrades deutlich höher als bei herkömmlichen elektromotorisch arbeitenden Schockvibrationsvorrichtungen. Zudem sind die Anschaffungskosten für ein derartiges Servohydrauliksystem deutlich höher als für einen elektromotorischen Antrieb.
Als weiterer Nachteil zeigt sich in einigen der beschriebenen Lösungen, daß neben dem zu verdichtenden Gemenge weitere Komponenten mitbewegt werden müssen, die strukturbedingt eine hohe Masse haben. Eine Massebetrachtung zeigt, daß deutlich mehr Stahlbau als zu verdichtendes Gemenge in Vibrationen versetzt werden müssen, was entsprechend groß ausgelegte Unwuchtwellen erfordert und den Wirkungsgrad reduziert.
Wegen der notwendigen temporär festen Verbindung aller Komponenten des Schwingverbundes, bestehend aus Schwingtisch mit Vibrationserregersystem, Unterlagsplatte, Form und dem zu verdichtenden Gemenge ist eine Formverspannung erforderlich, die sehr große Kräfte aufbringen muß um Relativbewegungen zwischen den schwingenden Komponenten sicher zu verhindern. Die großen Spannkräfte erfordern entsprechend aufwendig und fest ausgelegte Verspannbaugruppen, die selbst auch die schwingende Masse weiter erhöhen und einem hohen Verschleiß unterliegen. Im Lösungsbeispiel der Fertigungseinrichtung von G. Becker werden die auch hier aufzubringenden Verspannkräfte über einen relativ großen Kraftweg durch Teile des Maschinengestells geleitet, was einerseits eine entsprechend belastungsgerechte Auslegung erfordert und eine hohe Maschinenbelastung darstellt.
In der Offenlegungsschrift JP 06-298581 wird eine Vorrichtung gemäβ dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zur Herstellung von Betonsteinen beschrieben, bei der ein Vibrationsrahmen über elastische Dämpfungselemente auf einem Maschinenrahmen gelagert ist. Der Vibrationsrahmen ist mit einem direkt an diesem angebrachten Vibrationserregersystem ausgestattet. In den Vibrationsrahmen ist ein Formeneinsatz eingesetzt. Ein Unterlagsbrett wird mit einer Bretthubbaugruppe von unten während der Vibration an den Formeneinsatz gepresst. Das Unterlagsbrett, auf welchem Elemente angebracht sind, welche die Form der Steine bestimmen, wird in die Unterseite der Form eingesetzt und dort fixiert.
In der GB 2 001 574 A wird ein ähnliches Vibrationssystem zur Herstellung von Betonsteinen beschrieben, bei dem der Formeneinsatz jedoch fest mit der Form verbunden ist. Das Unterlagsbrett steht mit einer elastischen Schicht in engem Kontakt. Die elastische Schicht selbst ist auf Leisten einer als Bretthub fungierenden Plattform aufgebracht, so dass das Unterlagsbrett elastisch mit dem Bretthub verbunden ist. Zusätzliche Luftfedern können als Unterstützung der elastischen Schicht vorgesehen sein um eine extreme Stauchung dieser Schicht zu verhindern.

Beschreibung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, unter Beibehaltung des Verfahrens der Formgebung und Verdichtung von Gemengen, bevorzugt Betongemengen in steifer und sehr steifer Konsistenz zur Herstellung von Betonwaren und Pflastersteinen mittels der harmonischen Vibrationseinwirkung eine Fertigungseinrichtung zu entwickeln, die gekennzeichnet ist durch eine deutliche Vereinfachung der Verspannung insbesondere hinsichtlich Größe der Verspannkraft sowie eine Reduzierung der für die Anlage des Unterlagsbretts an den Formeinsatz notwendigen Kräfte.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäβ anspruch 1 und ein Verfahren gemäβ Anspruch in gelöst, und zwar dass das Unterlagsbrett über Brettfedern elastisch mit dem Bretthub verbunden ist, und während der Vibration durch eine durch die Bretthubzylinder aufgebrachte derartige Anlagekraft an den Formeinsatz gepresst wird, dass (i) im Formeinsatz vorhandenen Formkammern nach unten abgeschlossen sind und eine Relativbewegung zwischen Formeinsatz und Unterlagsbrett ausgeschlossen ist, und (ii) Vibrationsrahmen, Formeinsatz und Unterlagsbrett ohne Verklammerung als temporärer Vibrationsverband eine synchrone, harmonische Schwingbewegung ausführen, während die Bretthubbaugruppe in einer gestellfesten Position verbleibt.
Die dafür notwendige Anlagekraft wird demnach so eingestellt, daß im Zustand der Vibration - also während der Vibrationseinwirkung - Vibrationsrahmen, Formeinsatz, und Unterlagsbrett einen temporären Vibrationsverband bilden und im wesentlichen die gleichen, harmonischen Schwingbewegungen ausführen. Unter einem temporären Vibrations- oder Schwingverband wird dabei verstanden, daß die genannten drei Komponenten während der Vibration ihre relative Lage zueinander nicht ändern. Bevorzugt erfolgen die Schwingungen dabei nicht nur mit der gleichen Amplitude, sondern auch mit der gleichen Phasenlage.
Außerdem wird auch eine Vibrationserregung am Unterlagsbrett genutzt. Dazu ist zwischen Bretthub und Unterlagsbrett ein Hilfsschwingtisch mit einem Hilfsvibrationserregersystem angebracht. Über diese beiden Komponenten werden zusätzliche Vibrationen in das Gemenge eingebracht, die mit der Schwingungserregung am Vibrationsrahmen koordiniert sind. So verfügen Formeinsatz und Brett jeweils selber über das Erregersystem, das zu ihrer harmonischen Schwingbewegung notwendig ist. Die Erregersysteme sind über eine Steuerung koordiniert. So sind nur geringe Kräfte zwischen Formeinsatz und Unterlagsbrett auszutauschen.
Auf eine Verklammerung zwischen Unterlagsbrett und Formeinsatz wird verzichtet.
Dabei wird der temporäre Schwingverband innerhalb des Betonsteinfertigers so ausgebildet, daß der Kraftweg zwischen der Quelle der Erregerkräfte - dem Vibrationserregersystem - und dem zu verdichtenden Betongemenge in dem Formeinsatz auf das kürzestmögliche Maß reduziert wird, indem das Vibrationserregersystem über den Vibrationsrahmen unmittelbar auf den Formeinsatz einwirkt und die Erregerkräfte direkt in die Form einleitet.
Für die Herstellung von Betonsteinen und Betonwaren in verschiedenen Abmessungen ist der Formeinsatz als vom Vibrationsrahmen lösbare Komponente ausgebildet. In Abhängigkeit vom zu fertigendem Produkt wird der jeweils erforderliche Formeinsatz in den Vibrationsrahmen gesetzt und i. A. kraft- und / oder formschlüssig mit diesem verbunden.
Die Schwingfähigkeit des Formeinsatze mit dem Vibrationsrahmen und den daran angreifendem Vibrationserregersystem wird durch eine elastische Lagerung auf Vibrationsrahmenfedern erreicht, über die der Vibrationsrahmen elastisch mit einem gestellfesten Maschinenrahmen verbunden ist. Die Vibrationsrahmenfedern übernehmen somit gleichzeitig auch die Schwingungsisolierung gegenüber dem Maschinengestell. Der Vibrationsrahmen kann dann bei Vibrationserregung als Teil des temporären Vibrationsverbandes - Vibrationsrahmen, Formeinsatz, und Unterlagsbrett führen Schwingungen mit gleicher Amplitude und gleicher Phase aus - frei schwingen.
Nach unten wird die Form und jedes Formelement durch das bekannte Unterlagsbrett geschlossen, wobei in der erfinderischen Lösung die Unterlagsplatte durch eine elastische Anlage an der Formunterseite mittels Federelementen der Schwingbewegung der Form folgt und einen sicheren Verschluß der Formkammern während der harmonischen Vibration gewährleistet.
In einer weiteren, zweckmäßigen Ausgestaltung umfaßt die Auflastbaugruppe eine Auflast, einen Auflastzylinder und eine oder mehrere Auflastfedern umfaßt, wobei der Auflasthubzylinder gestellfest mit einem Maschinenrahmen verbunden ist, wobei die Auflast elastisch über die Auflastfedern mit dem gestellfesten Teil der Auflastbaugruppe verbunden ist, und wobei der Auflasthubzylinder die Auflast während der Vibration mit einer derartigen Kraft auf die Oberfläche des zu verdichtenden Gemenges preßt, daß (i) kein Abheben der Auflast von der Oberfläche des Gemenges erfolgt und (ii) die Auflast über die elastische Befestigung mit den Auflastfedern den Bewegungen der Oberfläche des Gemenges folgt. Nach oben wird jede Formkammer dann temporär während der harmonischen Vibration durch jeweils eine Auflastplatte abgeschlossen. Alle Auflastplatten sind als Baugruppe zusammengefaßt und bilden die Auflastbaugruppe. Sie wird durch eine Auflasthubeinrichtung gegen die Oberfläche des Betongemenges gedrückt, wobei ein bewegter Teil der Auflastbaugruppe den Bewegungen der Form mit dem Betongemenge durch eine elastische Kopplung zwischen bewegtem und gestellfestem Teil über Auflastfedern folgt und damit einen Verschluß der Formkammer gewährleistet.
Das am Vibrationsrahmen befestigte Vibrationserregersystem ist in spiegelsymmetrischer Bauweise zu einer vertikalen Mittenebene, die durch die vertikale Formmitte gebildet wird ausgeführt und wird dynamisch bevorzugt so betrieben, daß die Form mit dem zu verdichtenden Betongemenge mit einer gerichteten vertikalen Schwingung beaufschlagt wird. Aber auch horizontale Schwingungsanteile sind möglich.
Die erfinderische Aufgabe der Vereinfachung der Verspannung insbesondere hinsichtlich Größe der Verspannkraft wird dadurch gelöst, daß sie in der bisherigen Funktion entfällt. Wegen der unmittelbaren Krafteinleitung in den Vibrationsrahmen mit Formeinsatz ist eine Verspannung zwischen Unwuchterreger und Formeinsatz, die für die Entschalung im Taktzyklus öffnet und schließt, nicht mehr erforderlich.
Für die Möglichkeit des Auswechselns des Formeinsatzes bei Produktwechsel gibt es Verbindungsstellen als Schnittstelle zwischen Formeinsatz und Vibrationsrahmen, durch die die Kräfte zu leiten sind. Diese müssen jedoch nur bei Formeinsatzwechsel gelöst und wieder verbunden werden, was durch übliche Schraub- und/oder Klemmverbindungen ausgeführt wird. Geeignet sind dafür beispielsweise keilförmig ausgebildete Klemmelemente, durch die der Formeinsatz spielfrei mit dem Vibrationsrahmen verbunden wird.
Die temporär sichere Verbindung der Unterlagsplatte mit der Form während der harmonischen Vibration wird durch eine Bretthubeinrichtung mit Bretthubzylinder, die das Unterlagsbrett von unten gegen den Formeinsatz fährt, erreicht. Wegen der sehr viel kleineren schwingenden Masse des Unterlagsbrettes einschließlich anteiliger Gemengemasse im Verhältnis zu den bewegten Massen in bisherigen Lösungen aus dem Stand der Technik sind deutlich kleinere Kräfte für die temporäre Anlage der Unterlagsplatte an der Form erforderlich, die durch den bzw. die Bretthubzylinder aufzubringen sind. Während der harmonischen Vibration sichern die Brettfedern die Bewegung des Unterlagsbrettes mit der Form und seine ständige Anlage an der Formunterseite.
Nach Beendigung der Formgebung und Verdichtung wird die Vibrationseinwirkung auf Null gestellt, was durch Abschaltung oder durch kräftefreien Betrieb z. B. in einer Vier-WellenAnordnung erreichbar ist. Die Entschalung erfolgt durch eine synchrone Bewegung des Bretthubzylinders und des Auflasthubzylinders nach unten, wobei die Form ihre Position beibehält.
In einer einfachen Ausgestaltung der Erfindung umfaßt das Vibrationserregersystem ein Unwuchterregerpaar in Einfachwellenanordnung, d.h. ein Paar von Unwuchterregerwellen oder drehstarr gekoppelten Unwuchtvibrationssträngen, die spiegelsymmetrisch am Vibrationsrahmen bezüglich der vertikalen Formmittenebene installiert sind und gegenläufig mit gleicher Drehzahl und spiegelsymmetrischer Phasenlage zur vertikalen Formmittenebene arbeiten. In dieser Arbeitsweise werden vertikal gerichtete harmonische Schwingungen angeregt. Durch eine geeignete Auslegung der dynamischen Unwuchtmomente werden die erforderlichen Kräfte zur Erzeugung der für die Formgebung und Verdichtung günstigen Vibrationseinwirkungen erreicht.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung umfaßt das Vibrationserregersystem ein Unwuchterregerpaar in Doppelwellenanordnung oder in Vier-Wellenanordnung, d.h. ein Paar spiegelsymmetrisch angebrachter und angetriebener Doppel- bzw. Vierfachunwuchterregerwellen oder drehstarr gekoppelter Unwuchtvibrationsstränge, die sowohl eine gerichtete harmonische Vibrationswirkung auf die Form erzeugen als auch in einer vorteilhaften Weiterentwicklung als Unwuchterregerpaar mit Verstellunwucht in Koaxial-Wellenanordnung eine Einstellung der wirkenden resultierenden Erregerkraftamplitude während der Vibrationseinwirkung stetig zwischen Null und einem Maximum durch paarweises synchrones Ändern der Phasenlage zwischen den korrespondierenden Unwuchtwellen ermöglichen. Diese Eigenschaft erlaubt beispielsweise ein erregerkraftfreies Hochfahren der Drehzahl von Null auf die Betriebsdrehzahl. ohne Schwingwegüberhöhungen bei der Durchfahrt durch die Starrkörpereigenfrequenzen. Weiterhin ist auch ein Dauerbetrieb dieses Vibrationserregersystems möglich, bei dem durch eine Phasenwinkelverstellung die resultierende Erregerkraftamplitude während des Taktwechsels auf Null gestellt wird, ohne die Antriebsdrehzahl der Unwuchtwellen auf Null stellen zu müssen. Durch den Verzicht auf die Hochfahr- und Abfahrampen der Drehzahl sind kurze Taktzeiten möglich. Durch Ändern der Phasenlage in der Betriebsfrequenz können die als günstig für die Verdichtung ermittelten Erregerkraftamplituden eingestellt werden. Eine vergleichbare Funktionalität der Vibrationserregung wird bei Anwendung eines Verstell-Erregersystems entsprechend DE 197 35 268 erreicht.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht in der Anwendung eines zwangserregten Vibrationsantriebes über hydraulische, pneumatischen oder piezoelektrische Aktuatoren, die den Vibrationsrahmen mit Formeinsatz als Einzelantrieb oder in einer spiegelsymmetrischen Anordnung bezüglich der vertikalen Formmittenebene in vertikale harmonische Schwingungen versetzen. Wegen der geringeren Erregerkräfte im Vergleich zur Harmonischen Vibration aus dem Stand der Technik sind hier kräftemäßig kleinere Komponenten als Kaufeinheiten einsetzbar.
Die Bretthubbaugruppe führt zweckmäßig eine Hubbewegung aus, die vom Weg her mindestens so groß ist wie die Höhe des fertig verdichteten und entschalten Produkts. Alternativ oder ergänzend führen auch Vibrationsrahmen und Formeinsatz eine solch große Hubbewegung aus.
Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Beispielen näher erläutert werden. In den dazugehörigen Figuren, die auch erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, zeigt

Fig.1: eine schematische Darstellung des Verdichtungssystems,
Fig.2: Varianten für Vibrationserregersysteme am Vibrationsrahmen,
Fig.3: Befestigung des Formeinsatzes im Vibrationsrahmen und
Fig.4: erfindungsgemäβes Verdichtungssystem mit zusätzlicher Bretterregung

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

In Fig.1 ist der prinzipielle Aufbau einer Vorrichtung zur Formgebung von Gemengen, insbesondere zur Fertigung von Betonsteinen dargestellt, allerdings ohne einen Hilfsschwingtisch. Die Vorrichtung umfaßt einen auswechselbaren Formeinsatz (4) zur Aufnahme des zu verdichtenden Gemenges (17), einen Vibrationsrahmen (5), mit dem der Formeinsatz (4) kraft- und / oder formschlüssig verbunden ist, ein an dem Vibrationsrahmen (5) angebrachtes Vibrationserregersystem, mit dem der Vibrationsrahmen (5) in im wesentlichen harmonische Vibration versetzt wird, eine Auflastbaugruppe und ein Unterlagsbrett (7), welches während der Vibration von unten an den Formeinsatz (4) gepreßt wird, so daß Vibrationsrahmen (5), Formeinsatz (4), und Unterlagsbrett (7) einen temporären Vibrationsverband bilden und im wesentlichen die gleichen Schwingbewegungen ausführen.
In den Vibrationsrahmen (5) ist der Formeinsatz (4) eingesetzt und mit diesem spielfrei und lösbar verbunden. Die Verbindung zwischen Formeinsatz (4) und Vibrationsrahmen (5) ist nur bei Produktwechsel und dem damit verbundenen Formeinsatzwechsel zu lösen und wieder herzustellen.
Am Vibrationsrahmen (5) sind die Vibrationserreger im allgemeinen in spiegelsymmetrischer Anordnung zur Formmittenebene befestigt, wobei im einfachsten Fall ein Unwuchterregerpaar in Einfach-Wellenanordnung (11) genügt. Der Vibrationsrahmen (5) ist die Komponente, die die Vibrationen von der Vibrationsquelle - den Vibrationserregern - zum Formeinsatz (4) mit dem darin enthaltenen zu verdichtenden Gemenge (17) überträgt. Aus den schwingungstechnischen Erfordernissen heraus gewährleistet er die Steifigkeit des Schwingverbandes, bestehend aus Vibrationsrahmen (5) mit daran befestigten Vibrationserregern, dem Formeinsatz (4) sowie Unterlagsbrett (7) und Auflast (2).
Der Vibrationsrahmen erfüllt damit die gleiche Funktion wie der Vibrationstisch und der Formrahmen einer technischen Lösung gemäß dem Stand der Technik. Aufgrund des kurzen Kraftweges und des kompakten Aufbaus ist die bewegte Masse der erfindungsgemäßen Lösung vorteilhafterweise deutlich geringer im Vergleich zu bekannten Lösungen wie beispielsweise in DE 20301954 . Damit verbunden ist eine deutliche Reduzierung der Erregerkräfte bei Erreichung gleichgroßen Beschleunigungsamplituden für die Formgebung und Verdichtung des Gemenges.
Das Unterlagsbrett (7) wird nach seinem Transfer in die dargestellte Position mit der Bretthubbaugruppe, bestehend aus Bretthubzylinder (10), Bretthub (8) und Brettfedern (9) vor der Vibrationseinwirkung gegen den Formeinsatz (4) gedrückt. Die elastische Verbindung zwischen Unterlagsbrett (7) und Bretthub (8) über die Brettfedern (9) sichert zusammen mit einer ausreichenden von den Bretthubzylindern (10) aufzubringenden Anlagekraft die Beweglichkeit des Unterlagsbrettes (7) während der Vibration, ohne daß es vom Formeinsatz (4) abhebt. Es folgt während der Vibrationseinwirkung den Bewegungen des Formeinsatzes (4) und schließt die Formkammern nach unten ab.
Die notwendigen Anpresskräfte für eine dauerhafte Anlage während der Vibration sind im Wesentlichen abhängig von der Masse des Unterlagsbrettes (7) und den Beschleunigungsamplituden am Unterlagsbrett (7). Unter der Annahme gleicher Vibrationseinwirkungen, d. h. Beschleunigungsamplituden am Unterlagsbrett (7) und dem Formeinsatz (4) als Schnittstelle zum zu verdichtenden Gemenge (17) besteht eine weiterer Vorteil der Erfindung darin, daß die erforderlichen Verspannkräfte zwischen schwingungserregenden und formgebenden Komponenten - d. h. entsprechend der Erfindung zwischen Vibrationsrahmen (5) mit Formeinsatz (4), Vibrationserreger sowie Unterlagsbrett (7) - wegen der wesentlich geringeren Masse des Unterlagsbrettes (7) im Vergleich zu den bekannten Massen der zu verspannenden Komponenten der in der Fachzeitschrift "Betonwerk + Fertigteil-Technik", Ausgabe 10/2007, S. 22 - 27 bzw. in DE 20301954 beschriebenen Lösungen sehr viel kleiner sind. Sie können durch die dargestellte Bretthubbaugruppe mit den Bretthubzylindern (10) ohne Probleme erzeugt werden. Die Brettfedern (9) haben auch gleichzeitig die Funktion der Schwingungsisolierung gegenüber der gestellfesten Umgebung.
In den einzelnen Formkammern des Formeinsatzes (4) wird vor Vibrationsbeginn das zu verdichtende Gemenge (17) eingefüllt. Danach senkt sich die Auflastbaugruppe, bestehend aus Auflasthubzylinder (1) und Auflast (2) ab, bis die Auflastplatten auf die Gemengeoberfläche drücken. Die Auflastfedern (3) sichern die Bewegung der Auflast (2) während der Vibrationseinwirkung sowie die Schwingungsisolierung zum Maschinengestell.
Während der Entschalung verbleibt der Vibrationsrahmen (5) mit Formeinsatz (4) im Unterschied zum Stand der Technik in seiner Position, was vorteilhaft für Vibrationserreger und Füllwagen ist. Aufgrund der festen Position des Vibrationsrahmens (5) mit Formeinsatz (4) entfällt die Formhubeinrichtung aus dem Stand der Technik, die während der Entschalung relativ hohe Massen zu heben hatte. Die Entschalung erfolgt in der erfindungsgemäßen Lösung durch den Bretthub mit kleineren zu bewegenden Massen, wobei Auflastbewegung und Bretthub koordiniert ablaufen. Bei Erfordernis ist auch weiterhin eine Entschalung durch Formhub möglich, wobei dann das Unterlagsbrett (7) in seiner Position verbleiben kann.
Fig. 2 zeigt Ausgestaltungsvarianten des Vibrationsrahmens (5) mit angebrachten Vibrationserregern und Formeinsatz (4). Das Vibrationserregersystem kann aus rotierenden Unwuchtsystemen bestehen, wobei diese paarweise an den Seiten angebracht sind und synchronisiert z. B. mit Hilfe einer elektronischen Steuerung laufen. Es sind paarweise angeordnete Unwuchtwellensysteme - Unwuchterregerpaare - mit Einfach-Wellenanordnung (11), mit Doppelwellenanordnung (12) und Vierfach-Wellenanordnung (13) sowie mit Verstellunwucht in Koaxial-Wellenanordnung (14) denkbar. Die Vibrationserzeugung kann ebenfalls mittels dynamisch arbeitender hydraulischer, pneumatischer, elektrischer oder piezoelektrischer Aktuatoren (15) erfolgen.
Fig. 3 zeigt eine beispielhafte Lösung der Verbindung zwischen Vibrationsrahmen (5) und Formeinsatz (4). Diese spielfreie Verbindung kann mechanisch mittels Verschraubung oder mittels keilförmig ausgebildeter Klemmelemente (16), wie einer Klemmplatte erfolgen, wobei auch hydraulische Aktuatoren Anwendung finden können.
Fig. 4 zeigt die erfindungsgemäβe Vorrichtung schließlich mit dem Hilfsschwingtisch. Zwischen Bretthub (8) und Unterlagsbrett (7) ist ein Hilfsschwingtisch (19) dargestellt. Der Hilfsschwingtisch (19) besitzt ein Hilfsvibrationserregersystem (20), das der koordinierten Bewegung des Unterlagsbrettes (7) relativ zur Bewegung des Vibrationsrahmens (5) mit Formeinsatzes (4) dient. Über eine Steuerung (21) sind beide Bewegungen so aufeinander abgestimmt, daß das Unterlagsbrett (7) während der Vibrationseinwirkung immer an der Unterseite des Formeinsatzes (4) anliegt und gleichzeitig die dafür erforderlichen Andruckkräfte minimiert werden.
Aufgrund der unmittelbaren Verbindung der Vibrationserreger mit dem Vibrationsrahmen (5) und den darin eingesetzten und befestigten Formeinsatz (4) wird ein kürzestmöglicher Weg zwischen der Vibrationserregerquelle und dem zu verdichtenden Betongemenge (17) im Formeinsatz (4) unter Beachtung einer ausreichenden Biegesteifigkeit und der Möglichkeit des Formeinsatzwechsels bei Produktwechsel erreicht. Damit verbunden ist eine deutliche Reduzierung der bewegten Massen. Die geringeren Massen, die in Vibrationen zu versetzen sind haben zur Folge, daß bei gleichen zu erreichenden Werten der Bewegungsgrößen für eine ausreichende Formgebung und Verdichtung geringere Erregerkräfte erforderlich sind, was den Wirkungsgrad der Vorrichtung erhöht.
Die technische Lösung der Verspannung wurde aufgrund der geringeren erforderlichen Verspannkräfte wesentlich einfacher gestaltet.
Mit den insgesamt geringeren bewegten Massen und den deutlich geringeren Verspannkräften können geringere Taktzeiten erreicht werden, weil beispielsweise für hydraulische Aktoren kleinere Baugrößen mit geringerem Schluckvolumen anwendbar sind, die bei gleichem Hydraulik-Volumenstrom die Stellwege schneller durchfahren.
Die Vorteile der Lärmreduzierung bei der Anwendung der harmonischen Vibration sind bereits in den beschriebenen Lösungen zum Stand der Technik bekannt geworden. Mit der erfindungsgemäßen Lösung ist eine weitere Reduzierung möglich, weil sich mit der Verringerung der bewegten Massen auch die wirksame Abstrahlfläche für den Lärm reduziert.

Bezugszeichenliste

1: Auflasthubzylinder
2: Auflast
3: Auflastfeder
4: Formeinsatz
5: Vibrationsrahmen
6: Vibrationsrahmenfeder
7: Unterlagsbrett
8: Bretthub
9: Brettfeder
10: Bretthubzylinder
11: Unwuchterregerpaar in Einfach-Wellenanordnung
12: Unwuchterregerpaar in Doppelwellenanordnung
13: Unwuchterregerpaar in Vier-Wellenanordnung
14: Unwuchterregerpaar mit Verstellunwucht in Koaxial-Wellenanordnung
15: Aktuator
16: Klemmelement
17: zu verdichtendes Gemenge
18: Maschinenrahmen
19: Hilfsschwingtisch
20: Hilfsvibrationserregersystem
21: Steuerung

Claims

Vorrichtung zur Formgebung und Verdichtung von Gemengen, bevorzugt von Betongemengen in einer steifen bis sehr steifen Konsistenz für die Herstellung von Betonsteinen und Betonwaren mit Sofortentschalung und Nutzung von im wesentlichen harmonischen Schwingungen, umfassend
- einen auswechselbaren Formeinsatz (4), der das zu verdichtende Gemenge (17) aufnimmt,

- einen Vibrationsrahmen (5), mit dem der Formeinsatz (4) kraft- und / oder formschlüssig verbunden ist,

- ein an dem Vibrationsrahmen (5) angebrachtes Vibrationserregersystem, mit dem der Vibrationsrahmen (5) in im wesentlichen harmonische Vibration versetzt wird, und welches über den Vibrationsrahmen (5) unmittelbar auf den Formeinsatz (4) einwirkend ausgestaltet ist,

- eine Auflastbaugruppe,

- ein Unterlagsbrett (7), welches während der Vibration von unten mit einer Anlagekraft an den Formeinsatz (4) gepreßt wird,

- Mittel zur Einstellung der Anlagekraft, und

- eine Bretthubbaugruppe, welche einen oder mehrere Bretthubzylinder (10) und einen Bretthub (8) umfaßt,

- dadurch gekennzeichnet, daß das Unterlagsbrett (7) über Brettfedern (9) elastisch mit dem Bretthub (8) verbunden ist und die Mittel zur Einstellung der Anlagekraft so eingestellt sind, daß das Unterlagsbrett (7) während der Vibration durch eine durch die Bretthubzylinder (10) aufgebrachte derartige Anlagekraft an den Formeinsatz (4) gepreßt wird, daß (i) im Formeinsatz (4) vorhandene Formkammern nach unten abgeschlossen sind und eine Relativbewegung zwischen Formeinsatz (4) und Unterlagsbrett (7) ausgeschlossen ist, und (ii) Vibrationsrahmen (5), Formeinsatz (4) und Unterlagsbrett (7) ohne Verklammerung als temporärer Vibrationsverband eine synchrone, harmonische Schwingbewegung ausführen, während die Bretthubbaugruppe in einer gestellfesten Position verbleibt, sowie

- daß zwischen Bretthub (8) und Unterlagsbrett (7) ein Hilfsschwingtisch (19) mit einem Hilfsvibrationserregersystem (20) angebracht ist, über welche zusätzliche Vibrationen in das Gemenge (17) eingebracht werden, die mit der Schwingungserregung am Vibrationsrahmen (5) mittels einer Steuerung (21) zur Minimierung der Anlagekraft koordiniert sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vibrationsrahmen (5) über eine Vibrationsrahmenfeder (6) elastisch mit einem gestellfesten Maschinenrahmen (18) verbunden ist und bei Vibrationserregung als Teil des temporären Vibrationsverbandes frei schwingen kann.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei der die Auflastbaugruppe eine Auflast (2), einen Auflastzylinder (1) und eine oder mehrere Auflastfedern (3) umfaßt, wobei der Auflasthubzylinder (1) gestellfest mit einem Maschinenrahmen (18) verbunden ist, wobei die Auflast (2) elastisch über die Auflastfedern (3) mit dem gestellfesten Teil der Auflastbaugruppe verbunden ist, und wobei der Auflasthubzylinder (1) die Auflast (2) mit einer derartigen Kraft auf die Oberfläche des zu verdichtenden Gemenges (17) pressend ausgestaltet ist, daß während der Vibration (i) kein Abheben der Auflast (2) von der Oberfläche des Gemenges (17) erfolgt und (ii) die Auflast (2) über die elastische Befestigung mit den Auflastfedern (3) den Bewegungen der Oberfläche des Gemenges (17) folgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Formeinsatz (4) durch keilförmig ausgebildete Klemmelemente (16) spielfrei mit dem Vibrationsrahmen (5) verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Vibrationserregersystem ein Unwuchterregerpaar in Einfachwellenanordnung (11) umfaßt, welches zwei Unwuchtvibrationserreger oder drehstarr gekoppelte Unwuchtvibrationsstränge aufweist, deren Drehachsen parallel zueinander sind und die gegenläufig mit gleicher Drehzahl und spiegelsymmetrischer Phasenlage bezüglich der vertikalen Mittenebene der Form drehen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Vibrationserregersystem ein Unwuchterregerpaar in Doppelwellenanordnung (12) oder ein Unwuchterregerpaar in Vier-Wellenanordnung (13) umfaßt, welches vier bzw. acht Unwuchtvibrationserreger oder drehstarr gekoppelte Unwuchtvibrationsstränge- aufweist, deren Drehachsen parallel zueinander sind und die paarweise gegenläufig mit gleicher Drehzahl und spiegelsymmetrischer Phasenlage bezüglich der vertikalen Mittenebene der Form drehen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Vibrationserregersystem ein Unwuchterregerpaar mit Verstellunwucht in Koaxial-Wellenanordnung (14) umfaßt, welches zwei, vier oder acht Unwuchtvibrationserreger oder drehstarr gekoppelte Unwuchtvibrationsstränge aufweist, deren Drehachsen parallel zueinander sind und die gegenläufig mit gleicher Drehzahl und spiegelsymmetrischer Phasenlage bezüglich der vertikalen Mittenebene der Form drehen, wobei je Wellenachse 2 zueinander mit einem Winkel zwischen 0° und 180° um die gemeinsame Drehachse verdrehbare Unwuchten mit jeweils eigenem Antriebsmotor so zueinander angeordnet sind, daß ihre Masseschwerpunkte in einer Ebene liegen, die senkrecht zur Drehachse liegt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Vibrationserregersystem als Vibrationserreger einen oder mehrere hydraulische, pneumatische, elektrische oder piezoelektrische Aktuatoren umfaßt, die an einer Seite gestellfest befestigt sind und an der zweiten Seite mit dem Vibrationsrahmen (5) verbunden sind und diesen in Schwingungen versetzen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Bretthubbaugruppe eine Hubbewegung ausführt, die vom Weg her mindestens so groß ist wie die Höhe des fertig verdichteten und entschalten Produktes.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Vibrationsrahmen (5) und Formeinsatz (4) eine Hubbewegung ausführen, deren Weg mindestens so groß ist wie die Höhe des fertig verdichteten und entschalten Produktes.
Verfahren zur Formgebung und Verdichtung von Gemengen, bevorzugt von Betongemengen in einer steifen bis sehr steifen Konsistenz für die Herstellung von Betonsteinen und Betonwaren mit Sofortentschalung und Nutzung von im wesentlichen harmonischen Schwingungen, mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem
- ein auswechselbarer Formeinsatz (4) das zu verdichtende Gemenge (17) aufnimmt,

- der Formeinsatz mit einem Vibrationsrahmen (5) kraft- und / oder formschlüssig verbunden wird,

- der Vibrationsrahmen (5) mittels eines an diesem angebrachten Vibrationserregersystem in im wesentlichen harmonische Schwingungen versetzt wird, wobei das Vibrationserregersystem über den Vibrationsrahmen (5) unmittelbar auf den Formeinsatz (4) einwirkt,

- eine Auflastbaugruppe den Formeinsatz (4) während der Vibration verschließt, und

- ein Unterlagsbrett (7) während der Vibration von unten mit einer Anlagekraft an den Formeinsatz (4) gepreßt wird,

- die Anlagekraft so eingestellt wird, daß während der Vibration Vibrationsrahmen (5), Formeinsatz (4), und Unterlagsbrett (7) ohne Verklammerung einen temporären Vibrationsverband bilden und im wesentlichen die gleichen, harmonischen Schwingbewegungen ausführen,

- wozu das Unterlagsbrett (7) während der Vibration durch eine durch Bretthubzylinder (10), welche mit einem Bretthub (8) eine Bretthubbaugruppe der Vorrichtung bilden, wobei das Unterlagsbrett (7) über Brettfedern (9) elastisch mit dem Bretthub (8) verbunden ist, aufgebrachte derartige Anlagekraft an den Formeinsatz (4) gepreßt wird, daß (i) im Formeinsatz (4) vorhandene Formkammern nach unten abgeschlossen sind und eine Relativbewegung zwischen Formeinsatz (4) und Unterlagsbrett (7) ausgeschlossen ist, und (ii) Formeinsatz (4) und Unterlagsbrett (7) eine synchrone Bewegung ausführen, während die Bretthubbaugruppe in einer gestellfesten Position verbleibt, und

- mittels eines an einem Hilfsschwingtisch (19) angebrachten Hilfsvibrationserregersystems (20) die Bewegung des Unterlagsbretts (7) relativ zur Bewegung des Vibrationsrahmens (5) mit Formeneinsatz (4) koordiniert wird, wobei beide Bewegungen mittels einer Steuerung (21) so aufeinander abgestimmt werden, dass die für das Anliegen des Unterlagsbretts (7) an der Unterseite des Formeneinsatzes (4) erforderliche Anlagekraft minimiert wird
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Auflastbaugruppe eine Auflast (2), einen Auflastzylinder (1) und eine oder mehrere Auflastfedern (3) umfaßt, wobei der Auflasthubzylinder (1) gestellfest mit einem Maschinenrahmen (18) verbunden ist, und wobei die Auflast (2) elastisch über die Auflastfedern (3) mit dem gestellfesten Teil der Auflastbaugruppe verbunden ist, und wobei der Auflasthubzylinder (1) die Auflast (2) während der Vibration mit einer derartigen Kraft auf die Oberfläche des zu verdichtenden Gemenges (17) preßt, daß (i) kein Abheben der Auflast (2) von der Oberfläche des Gemenges (17) erfolgt und (ii) die Auflast (2) über die elastische Befestigung mit den Auflastfedern (3) den Bewegungen der Oberfläche des Gemenges (17) folgt.