WO2002025015A1 - Bodenverdichtungsvorrichtung mit schwingungserreger und verfahren zum regeln des schwingungserregers - Google Patents

Bodenverdichtungsvorrichtung mit schwingungserreger und verfahren zum regeln des schwingungserregers Download PDF

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WO2002025015A1
WO2002025015A1 PCT/EP2001/010818 EP0110818W WO0225015A1 WO 2002025015 A1 WO2002025015 A1 WO 2002025015A1 EP 0110818 W EP0110818 W EP 0110818W WO 0225015 A1 WO0225015 A1 WO 0225015A1
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vibration
oscillation
drive
frequency
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PCT/EP2001/010818
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Wolfgang Fervers
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Wacker Construction Equipment Ag
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E01—CONSTRUCTION OF ROADS, RAILWAYS, OR BRIDGES
    • E01C—CONSTRUCTION OF, OR SURFACES FOR, ROADS, SPORTS GROUNDS, OR THE LIKE; MACHINES OR AUXILIARY TOOLS FOR CONSTRUCTION OR REPAIR
    • E01C19/00—Machines, tools or auxiliary devices for preparing or distributing paving materials, for working the placed materials, or for forming, consolidating, or finishing the paving
    • E01C19/22—Machines, tools or auxiliary devices for preparing or distributing paving materials, for working the placed materials, or for forming, consolidating, or finishing the paving for consolidating or finishing laid-down unset materials
    • E01C19/23—Rollers therefor; Such rollers usable also for compacting soil
    • E01C19/28—Vibrated rollers or rollers subjected to impacts, e.g. hammering blows
    • E01C19/288—Vibrated rollers or rollers subjected to impacts, e.g. hammering blows adapted for monitoring characteristics of the material being compacted, e.g. indicating resonant frequency, measuring degree of compaction, by measuring values, detectable on the roller; using detected values to control operation of the roller, e.g. automatic adjustment of vibration responsive to such measurements

Definitions

  • the invention relates to a soil compaction device with a vibration exciter acting on a soil contact element and a method for regulating the vibration exciter.
  • Soil compaction devices for example vibrating plates or rollers, are known in which a soil-contacting soil contact element, such as a plate or a roller drum, is acted upon by a vibration generated by a vibration exciter.
  • the soil is compacted by running the soil compaction device over one or more times, which changes the strength of the soil and thus its vibration behavior. If the soil is already heavily compacted and the compaction power delivered by the soil compaction device is high, the soil compaction device can begin to "jump" by the soil contact plate or roller drum lifting off the soil again after each contact with the soil. This is not only a waste of energy, but is also disadvantageous for the compaction that has already taken place, since local loosening of the soil can occur. Jumping of the soil compaction device also leads to a considerable load on the operator operating the device.
  • vibration compressors are known in which the operating state of jumping is automatically reacted to by changing the vibration generated by the vibration exciter.
  • the frequency of the vibration exciter is usually adapted to the previously determined soil properties.
  • the soil condition is determined by complex evaluation of various measurement signals. In particular, this requires the movement of the ground contact element, which is part of a vibrating base. mass is to be determined. Furthermore, the set frequency and the exact position of the vibration exciter must be measured.
  • soil compaction devices are known in which the amplitude of the vibration generated by the vibration exciter is reduced in such a way that jumping of the soil compaction device can no longer occur.
  • the total available drive power for which the vibration exciter is designed can no longer be used to compact the soil. The result is a correspondingly lower work efficiency.
  • FIG. 3 shows a known vibration plate which serves as a soil compaction device and which can be guided by an operator on a drawbar 1.
  • a drive 2 belonging to an upper mass drives a vibration exciter 3 belonging to a lower mass, which generates a vibration acting on a ground contact plate 4.
  • the vibration exciter 3 is usually a one- or two-shaft exciter, in which one or more unbalanced masses are distributed over one or two shafts.
  • the structure of such a vibration plate is known, so that a further description is unnecessary.
  • Vibratory rollers serving as soil compaction devices are also constructed in a similar, known manner.
  • the invention has for its object to provide a soil compaction device with a vibration exciter and a method for regulating the vibration exciter, in which an optimal use of the power provided by the drive is guaranteed.
  • the object is achieved by a soil compaction device according to claim 1 and by a method according to claim 11.
  • the oscillation amplitude is always kept in the limit range for jumping. If this limit changes and it is necessary, for example, that the oscillation amplitude has to be reduced, the frequency control tracks the oscillation frequency by increasing it accordingly in order to use the drive energy released by the reduction in the oscillation amplitude in the form of a higher frequency. As a result, the drive energy can largely be used completely for soil compaction without the soil compaction device starting to jump.
  • the regulation of the amplitude is based on the fact that whenever a jump in a ground contact element is detected, the amplitude is reduced.
  • the check as to whether the ground contact element jumps is carried out continuously or regularly within a predetermined time cycle. After a change in the amplitude, the vibration state of the ground contact element is determined again. If the ground contact element is still jumping, the amplitude is further reduced. However, if no jumping is detected, the amplitude is not kept constant at the existing value, but is increased again - but with a smaller gradient. As a result, the amplitude changes continuously, either by a significant reduction if jumping has been detected or a slight increase if no jumping has been detected. This ensures that the soil compaction device is always moved in the border area between jumping and not jumping.
  • the change in the oscillation amplitude can be carried out continuously and continuously, preferably reducing the Vibration amplitude with a stronger gradient occurs than the enlargement.
  • a timing element can be specified by a timing element during which the vibration state of the ground contact element is determined by the detection device.
  • the oscillation amplitude can be reduced incrementally by a first amplitude difference.
  • the vibration amplitude is incrementally increased by a second, preferably smaller, amplitude difference.
  • the timing can also be set so short that there is a quasi-continuous change in the oscillation amplitude.
  • the regulation of the oscillation frequency according to the invention is based on the idea of always optimally exploiting the predetermined drive power, for example given off by a drive motor, for soil compaction.
  • the drive power delivered to the vibration exciter is determined by a power determination device and compared with a target value, namely the previously defined value for an optimal drive power, the frequency control device keeping the actual drive power determined in the range of the predetermined value by keeping the adapts frequency generated by the vibration exciter accordingly.
  • FIG. 1 shows a block diagram with the control device according to the invention for a soil compaction device
  • Figure 2 shows an example of the control measures of the amplitude control according to the invention
  • FIG. 3 shows schematically the structure of a known soil compactor. device serving vibration plate.
  • FIG. 1 shows a block diagram of the structure of a control according to the invention for the vibration exciter of a soil compaction device.
  • the control essentially consists of two components arranged parallel to one another, namely an amplitude control device 5 and a frequency control device 6.
  • Both control devices 5, 6 influence an operating state 7 of the soil compaction device, which in turn is essentially represented by the elements drive 2, vibration exciter 3 and ground contact element 4 - already described in connection with FIG. 3.
  • a detection device 8 with which it can be determined whether the ground contact element 4 is jumping, that is to say it is lifting off the ground or not.
  • This operating state of "jumping” can be recognized, for example, using known methods, such as in WO-A-98-17865 or WO-A-95-10664.
  • a detection device is known from DE-A-100 19 806, in which a detection mass is provided which is elastically movable relative to the ground contact element, the movement of the detection mass being measured by a measuring device. If the movement, in particular the oscillation amplitude of the detection mass exceeds a predetermined value, this can be interpreted as jumping of the ground contact element due to excessive impact energy.
  • the information as to whether the ground contact element 4 jumps or not is output by the detection device 8 to a control unit 9.
  • the control unit 9 evaluates the jump information from the detection device 8 and controls an actuating device 10 for setting the vibration amplitude on the vibration exciter 3 in accordance with predetermined rules.
  • the control algorithm comprises two control measures. According to a first standard measure, the vibration amplitude is reduced incrementally by a first amplitude difference kl when the detection device 8 has detected a special vibration condition, namely a jumping of the ground contact element 4.
  • the vibration amplitude is incrementally increased by a second amplitude difference k2.
  • a timing element for generating a timing is provided in or on the control unit 9.
  • the signal from the detection device 8 is evaluated by the control unit 9 and a corresponding measure is initiated by actuating the actuating device 10 in each time cycle, which can be, for example, a fraction of a second. This process repeats itself in the next cycle.
  • the result of this control algorithm is that the oscillation amplitude is changed permanently, that is to say in every cycle. If the oscillation amplitude has been reduced by the first amplitude difference kl and a jump is still detected thereafter, a further reduction by the first amplitude difference kl is initiated. If, on the other hand, no more jumping occurs, the amplitude is no longer reduced, but is increased by the second amplitude difference k2, which is smaller than the first amplitude difference kl, so that there is an interplay between a reduction and an increase in the amplitude. This ensures that the soil compaction device is always moved in the border area between jumping and non-jumping.
  • Figure 2 shows a diagram of the vibration amplitude plotted against the time course.
  • a maximum amplitude is first set. In the present case, it is recognized immediately after starting that the ground contact element 4 has started to jump, so that the vibration amplitude is reduced by the value k1 (first amplitude difference). Then will found that the ground contact element 4 no longer jumps, so that the amplitude is subsequently increased by the second amplitude difference k2 in several steps (in FIG. 2 in three steps) until jumping is again detected, etc.
  • the soil compaction device In the time range marked "a", the soil compaction device obviously runs over a soil that can only absorb impact energy to a limited extent. As a result, the oscillation amplitude has to be reduced twice and ultimately only takes on a comparatively small value. Then there is a recovery with the associated increase in the vibration amplitude.
  • the amplitude control according to the invention enables the soil compaction device to compact the soil with the greatest possible amplitude, the amplitude control device 5 having a structure which is considerably simplified compared to the prior art.
  • the overall control according to the invention shown in FIG. 1 therefore also includes the frequency control device 6, which represents a further control circuit for adapting the frequency of the vibration exciter 3.
  • the idea on which the frequency control device is based is that the existing or predetermined drive power should always be fully utilized for soil compaction.
  • a component of the frequency control device 6 is a power determination device 1 1, with which the drive 2 on the vibration output 3 output can be measured.
  • the measured actual drive power is compared with a predetermined target value. If the measured drive power is below the target value, the frequency of the vibration exciter 3 is increased via an actuating device 13 or reduced in the opposite case.
  • the power determination device 11 can be constructed in various ways. If it is assumed that the drive 2 is a motor, the motor speed and the motor torque can be measured, for example. On the other hand, if the drive 2 is a hydraulic unit and the vibration exciter 3 is driven hydraulically, the pressure prevailing in the hydraulic line can also be used to determine the torque. If the vibration exciter is driven by an electric motor, it is also possible to measure electrical parameters.
  • the performance characteristic of the engine is used to determine the output power, that is to say the actual drive power for the vibration exciter 3.
  • the performance characteristic of the engine is generally known and represents a clear connection between a given engine performance and an engine speed.
  • the drive power delivered by the engine to the vibration exciter 3 can be determined solely with the aid of the relatively easy-to-measure engine speed 2.
  • Regulation of the frequency of the vibration exciter 3 to keep the drive power constant can then be carried out by comparing the measured engine speed and the target engine speed assigned to the predetermined target drive power.
  • the frequency of the vibration exciter 3 that is, the speed of the
  • Vibration exciter 3 provided unbalanced shafts, so that the
  • Motor is relieved and its speed increases to the specified value can. If, on the other hand, the actual engine speed is greater than the target speed, this means that the motor is under-loaded, so that the speed of the unbalanced shafts in the vibration exciter 3 is increased in order to fully utilize the drive power available from the motor.
  • the adjustment of the frequency of the vibration exciter 3, that is to say the change in the speed of the unbalanced shafts arranged in the vibration exciter 3, is carried out by the adjusting device 13.
  • Known construction elements can be used to implement the adjusting device 13.
  • a variable displacement pump or a hydraulic motor with an adjustable speed can be used.
  • bevel disk gearboxes such as Heynau gearboxes or PIV gearboxes are possible, in which torque is transmitted either via a friction ring or push chains, as well as friction wheel gearboxes (PK gearboxes).
  • control devices 5, 6 are characterized by a simple structure, low measurement effort and an efficient soil compaction with maximum performance caused by the control devices 5, 6.

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Abstract

Eine Bodenverdichtungsvorrichtung weist einen eine Bodenkontaktplatte (4) beaufschlagenden Schwingungserreger (3) auf. Eine Regelung des Schwingungserregers (3) umfasst eine Amplitudenregeleinrichtung (5) und eine Frequenzregeleinrichtung (6). Die Amplitudenregeleinrichtung (5) vermindert die Schwingungsamplitude um eine erste Amplitudendifferenz, wenn ein Springen der Bodenkontaktplatte (4) erkannt wird. Wenn innerhalb eines Zeittakts kein Springen erkannt wird, erhöht die Amplitudenregeleinrichtung (5) die Schwingungsamplitude um eine zweite Amplitudendifferenz. Die Frequenzregeleinrichtung (6) ermittelt die von einem Antrieb (2) an den Schwingungserreger (3) abgegebene Antriebsleistung und ändert die Schwingungsfrequenz derart, dass die Antriebsleistung annähernd einem vorgegebenen Wert entspricht. Die Amplitudenregelung und die Frequenzregelung werden vorteilhafterweise parallel durchgeführt.

Description

Bodenverdichtungsvorrichtung mit Schwingungserreger und Verfahren zum Regeln des Schwingungserregers
Die Erfindung betrifft eine Bodenverdichtungsvorrichtung mit einem ein Bodenkontaktelement beaufschlagenden Schwingungserreger sowie ein Verfahren zum Regeln des Schwingungserregers.
Es sind Bodenverdichtungsvorrichtungen, zum Beispiel Vibrationsplatten oder -walzen bekannt, bei denen ein den Boden verdichtendes Bodenkontaktelement, wie eine Platte oder eine Walzenbandage, durch eine von einem Schwingungserreger erzeugte Schwingung beaufschlagt werden.
Die Verdichtung des Bodens erfolgt durch ein- oder mehrmaliges Überfahren mit der Bodenverdichtungsvorrichtung, wodurch sich die Festigkeit des Bodens und damit auch sein Schwingungsverhalten ändert. Wenn der Boden bereits stark verdichtet ist und die von der Bodenverdichtungsvorrichtung abgegebene Verdichtungsleistung groß ist, kann die Bodenverdichtungsvorrichtung beginnen zu "springen", indem die Bodenkontaktplatte bzw. -wal- zenbandage nach jedem Bodenkontakt wieder vom Boden abhebt. Dies stellt nicht nur eine Energieverschwendung dar, sondern ist auch für die bereits erfolgte Verdichtung nachteilig, da es zu lokalen Auflockerungen des Bodens kommen kann. Ein Springen der Bodenverdichtungsvorrichtung führt außerdem zu einer erheblichen Belastung des die Vorrichtung führenden Be- dieners.
Aus der WO-A-98- 17865 und der WO-A-95- 10664 sind Vibrationsverdichter bekannt, bei denen auf den Betriebszustand des Springens durch Veränderung der vom Schwingungserreger erzeugten Schwingung automatisch rea- giert wird.
Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Geräten bzw. Verfahren wird üblicherweise die Frequenz des Schwingungserregers an die vorher ermittelten Bodeneigenschaften angepaßt. Hierfür wird zum Beispiel bei der WO-A- 98- 17865 der Bodenzustand durch aufwendige Auswertung verschiedener Messsignale ermittelt. Im besonderen ist es hierfür erforderlich, die Bewegung des Bodenkontaktelements, das Bestandteil einer schwingenden Unter- masse ist, zu bestimmen. Weiterhin müssen die eingestellte Frequenz und die genaue Stellung des Schwingungserregers gemessen werden.
Darüber hinaus sind Bodenverdichtungsvorrichtungen bekannt, bei denen die Amplitude der vom Schwingungserreger erzeugten Schwingung derart verkleinert wird, dass kein Springen der Bodenverdichtungsvorrichtung mehr auftreten kann. Durch die Begrenzung der Amplitude bei vorgegebener Frequenz kann allerdings nicht mehr die gesamte zur Verfügung stehende Antriebsleistung, für die der Schwingungserreger ausgelegt ist, zur Verdich- tung des Bodens genutzt werden. Eine entsprechend geringere Arbeitseffizienz ist die Folge.
Figur 3 zeigt eine bekannte als Bodenverdichtungsvorrichtung dienende Vibrationsplatte, die an einer Deichsel 1 von einem Bediener führbar ist. Ein zu einer Obermasse gehörender Antrieb 2 treibt einen zu einer Untermasse gehörenden Schwingungserreger 3 an, der eine eine Bodenkontaktplatte 4 beaufschlagende Schwingung erzeugt. Bei dem Schwingungserreger 3 handelt es sich üblicherweise um einen Ein- oder Zweiwellenerreger, bei dem entsprechend auf einer oder zwei Wellen eine oder mehrere Unwuchtmassen verteilt sind. Der Aufbau einer derartigen Vibrationsplatte ist bekannt, so dass sich eine weitere Beschreibung erübrigt.
In ähnlicher, bekannter Weise sind auch als Bodenverdichtungsvorrichtungen dienende Vibrationswalzen aufgebaut.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Bodenverdichtungsvorrichtung mit einem Schwingungserreger sowie ein Verfahren zum Regeln des Schwingungserregers anzugeben, bei denen eine optimale Ausnutzung der vom Antrieb bereitgestellten Leistung gewährleistet ist.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Bodenverdichtungsvorrichtung gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren gemäß Anspruch 11 gelöst.
Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert. Der der Erfindung zugrunde liegende Gedanke besteht darin, jeweils eine Regelung für die Amplitude und die Frequenz der durch den Schwingungserreger erzeugten Schwingung vorzusehen und mit einfachen Mitteln zu realisieren. Vor allem im Zusammenspiel der beiden Regelungen ist es möglich, die zur Verfügung stehende Antriebsleistung, zum Beispiel eines Antriebsmotors, optimal auszunutzen, ohne dass das unerwünschte "Springen" der Bodenverdichtungsvorrichtung eintritt.
Bei der erfindungsgemäßen Kombination von Amplituden- und Frequenzre- gelung wird dies dadurch ermöglicht, daß die Schwingungsamplitude stets im Grenzbereich zum Springen gehalten wird. Ändert sich dieser Grenzbereich und macht es zum Beispiel erforderlich, daß die Schwingungsamplitude vermindert werden muß, führt die Frequenzregelung die Schwingungsfrequenz nach, indem sie sie entsprechend erhöht, um die durch die Verminde- rung der Schwingungsamplitude freiwerdende Antriebsenergie in Form einer höheren Frequenz zu nutzen. Dadurch kann die Antriebsenergie weitgehend vollständig zur Bodenverdichtung genutzt werden, ohne dass die Bodenverdichtungsvorrichtung beginnt zu springen.
Die Regelung der Amplitude beruht darauf, dass immer dann, wenn ein Springen eines Bodenkontaktelements erkannt wird, die Amplitude reduziert wird. Die Überprüfung, ob das Bodenkontaktelement springt, erfolgt kontinuierlich oder regelmäßig im Rahmen eines vorgegebenen Zeittakts. Nach einer Änderung der Amplitude erfolgt somit ein erneutes Bestimmen des Schwingungszustandes des Bodenkontaktelements. Wenn das Bodenkontaktelement immer noch springt, erfolgt eine weitere Reduzierung der Amplitude. Wenn jedoch kein Springen erkannt wird, wird die Amplitude nicht etwa auf dem bestehenden Wert konstant gehalten, sondern wieder - jedoch mit geringerem Gradienten - vergrößert. Folglich ändert sich die Amplitude stän- dig, nämlich entweder durch eine deutliche Reduzierung, wenn ein Springen festgestellt worden ist, oder durch eine geringfügige Erhöhung, wenn kein Springen festgestellt worden ist. Hierdurch wird erreicht, dass die Bodenverdichtungsvorrichtung stets im Grenzbereich zwischen Springen und Nicht- springen bewegt wird.
Die Änderung der Schwingungsamplitude kann kontinuierlich und fortlaufend durchgeführt werden, wobei vorzugsweise die Verkleinerung der Schwingungsamplitude mit stärkerem Gradienten erfolgt als die Vergrößerung. Alternativ dazu kann insbesondere bei einer digitalen Regelung von einem Zeitglied ein Zeittakt vorgegeben werden, währenddem von der Detekti- onseinrichtung der Schwingungszustand des Bodenkontaktelements be- stimmt wird. Wenn der Sonderschwingungszustand erkannt worden ist, läßt sich die Schwingungsamplitude inkremental um eine erste Amplitudendifferenz verkleinern. Wenn in dem Zeittakt jedoch kein Sonderbetriebszustand erkannt worden ist, wird die Schwingungsamplitude inkremental um eine zweite, vorzugsweise geringere Amplitudendifferenz vergrößert. Der Zeittakt kann auch derart kurz eingestellt werden, daß sich eine quasi kontinuierliche Änderung der Schwingungsamplitude einstellt.
Die erfindungsgemäße Regelung der Schwingungsfrequenz beruht auf dem Gedanken, die vorgegebene, zum Beispiel von einem Antriebsmotor abgege- bene Antriebsleistung zur Bodenverdichtung stets optimal, das heißt maximal auszunutzen. Zu diesem Zweck wird die an den Schwingungserreger abgegebene Antriebsleistung durch eine Leistungsbestimmungseinrichtung bestimmt und mit einem Sollwert, nämlich dem vorher festgelegten Wert für eine optimale Antriebsleistung verglichen, wobei die Frequenzregeleinrich- tung die ermittelte Ist-Antriebsleistung im Bereich des vorgegebenen Werts hält, indem sie die von dem Schwingungserreger erzeugte Frequenz entsprechend anpaßt.
Auch wenn die Amplitudenregelung und die Frequenzregelung jeweils schon alleine für eine deutliche Verbesserung bekannter Regeleinrichtungen und insbesondere für eine Steigerung der Arbeitseffizienz sorgen, ist durch eine Kopplung der beiden Regelungen eine weitere Verbesserung möglich.
Diese und weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Zuhilfenahme der begleitenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 ein Blockdiagramm mit der erfindungsgemäßen Regeleinrichtung für eine Bodenverdichtungsvorrichtung; Figur 2 ein Beispiel für die Regelungsmaßnahmen der erfindungsgemäßen Amplitudenregelung; und Figur 3 schematisch den Aufbau einer bekannten, als Bodenverdich- tungsvorrichtung dienenden Vibrationsplatte.
Figur 1 zeigt als Blockdiagramm den Aufbau einer erfindungsgemäßen Regelung für den Schwingungserreger einer Bodenverdichtungsvorrichtung. Die Regelung besteht im wesentlichen aus zwei parallel zueinander angeordneten Komponenten, nämlich einer Amplitudenregeleinrichtung 5 und einer Frequenzregeleinrichtung 6.
Beide Regeleinrichtungen 5, 6 beeinflussen einen Betriebszustand 7 der Bo- denverdichtungsvorrichtung, der wiederum im wesentlichen durch die - bereits in Zusammenhang mit Figur 3 beschriebenen - Elemente Antrieb 2, Schwingungserreger 3 und Bodenkontaktelement 4 repräsentiert wird.
Im folgenden wird der Aufbau der Amplitudenregeleinrichtung 5 sowie ihr Wirkprinzip erläutert.
Bestandteil der Amplitudenregeleinrichtung 5 ist eine Detektionseinrichtung 8, mit der festgestellt werden kann, ob das Bodenkontaktelement 4 springt, das heißt vom Boden abhebt oder nicht. Dieser Betriebszustand des "Sprin- gens" kann zum Beispiel mit Hilfe von bekannten Verfahren, wie in der WO- A-98- 17865 oder der WO-A-95- 10664 erkannt werden.
Alternativ dazu ist aus der DE-A-100 19 806 eine Detektionseinrichtung bekannt, bei der eine gegenüber dem Bodenkontaktelement elastisch bewegli- ehe Detektionsmasse vorgesehen ist, wobei die Bewegung der Detektions- masse durch eine Messeinrichtung gemessen wird. Wenn die Bewegung, insbesondere die Schwingungsamplitude der Detektionsmasse einen vorgegebenen Wert übersteigt, kann dies als Springen des Bodenkontaktelements aufgrund überhöhter Schlagenergie interpretiert werden.
Die Information, ob das Bodenkontaktelement 4 springt oder nicht, wird von der Detektionseinrichtung 8 an eine Regeleinheit 9 abgegeben.
Die Regeleinheit 9 wertet die Sprunginformation von der Detektionseinrich- tung 8 aus und steuert eine Stelleinrichtung 10 zum Einstellen der Schwingungsamplitude am Schwingungserreger 3 entsprechend vorgegebener Regeln an. Der Regelalgorithmus umfasst zwei Regelmaßnahmen. Gemäß einer ersten Regelmaßnahme wird die Schwingungsamplitude inkremental um eine erste Amplitudendifferenz kl verkleinert, wenn die Detektionseinrichtung 8 einen Sonderschwingungszustand, nämlich ein Springen des Bodenkontaktele- ments 4 erkannt hat.
Wenn dagegen von der Detektiontselnrichtung 8 erkannt worden ist, dass kein Sonderschwingungszustand, also kein Springen vorliegt, wird die Schwingungsamplitude inkremental um eine zweite Amplitudendifferenz k2 vergrößert.
Zur zeitlichen Steuerung dieser Regelmaßnahmen ist in oder an der Regeleinheit 9 ein Zeitglied zum Erzeugen eines Zeittakts vorgesehen. Jeweils in einem Zeittakt, der zum Beispiel den Bruchteil einer Sekunde betragen kann, wird von der Regeleinheit 9 das Signal der Detektionseinrichtung 8 ausgewertet und eine entsprechende Maßnahme durch Ansteuern der Stelleinrichtung 10 veranlaßt. Dieser Prozeß wiederholt sich im nächsten Zeittakt.
Im Ergebnis ergibt sich aus diesem Regelalgorithmus, dass die Schwingungsamplitude permanent, das heißt in jedem Takt geändert wird. Wenn die Schwingungsamplitude um die erste Amplitudendifferenz kl verkleinert worden ist und danach immer noch ein Springen detektiert wird, wird eine erneute Verminderung um die erste Amplitudendiffernez kl veranlaßt. Tritt dagegen kein Springen mehr auf, wird die Amplitude nicht mehr vermindert, sondern um die gegenüber der ersten Amplitudendifferenz kl kleinere zweite Amplitudendifferenz k2 vergrößert, so dass sich ein Wechselspiel von Verkleinerung und Vergrößerung der Amplitude einstellt. Hierdurch wird erreicht, dass die Bodenverdichtungsvorrichtung stets im Grenzbereich zwi- sehen Springen und Nichtspringen bewegt wird.
Figur 2 zeigt in einem Diagramm die Schwingungsamplitude aufgetragen über den zeitlichen Verlauf. Beim Starten der Bodenverdichtungsvorrichtung wird zunächst eine maximale Amplitude eingestellt. Im vorliegenden Fall wird unmittelbar nach dem Starten erkannt, dass das Bodenkontaktelement 4 zu springen begonnen hat, so dass die Schwingungsamplitude um den Wert kl (erste Amplitudendifferenz) vermindert wird. Anschließend wird festgestellt, dass das Bodenkontaktelement 4 nicht mehr springt, so dass nachfolgend in mehreren Schritten (in Figur 2 in drei Schritten) die Amplitude jeweils um die zweite Amplitudendifferenz k2 vergrößert wird, bis erneut ein Springen festgestellt wird, usw.
In dem mit "a" gekennzeichneten Zeitbereich überfährt die Bodenverdichtungsvorrichtung offensichtlich einen Boden, der nur noch bedingt Schlagenergie aufnehmen kann. Dadurch muß die Schwingungsamplitude zweimal vermindert werden und nimmt schließlich nur einen vergleichsweise gerin- gen Wert ein. Danach findet eine Erholung mit damit verbundener Erhöhung der Schwingungsamplitude statt.
Alternativ zu der beschriebenen inkrementalen Änderung der Schwingungsamplitude, welche sich insbesondere für digital aufgebaute Regelungen eignet, sind auch Regelalgorithmen mit einer kontinuierlichen Änderung der Schwingungsamplitude möglich. Entsprechend würde das Diagramm in Figur 2 keinen gestuften Verlauf, sondern einen wellenförmigen Verlauf einnehmen.
Die erfindungsgemäße Amplitudenregelung ermöglicht es, dass die Bodenverdichtungsvorrichtung den Boden jeweils mit größtmöglicher Amplitude verdichtet, wobei die Amplitudenregeleinrichtung 5 einen gegenüber dem Stand der Technik erheblich vereinfachten Aufbau aufweist.
Eine alleinige Regelung der Amplitude würde allerdings weiterhin den Nachteil mit sich bringen, dass die von dem Antrieb 2 zur Verfügung gestellte Antriebsleistung nicht immer voll ausgenutzt würde. Daher umfaßt die in Figur 1 dargestellte erfindungsgemäße Gesamtregelung auch noch die Frequenzregeleinrichtung 6, die einen weiteren Regelkreis zur Anpassung der Frequenz des Schwingungserregers 3 darstellt.
Der der Frequenzregeleinrichtung zugrunde liegende Gedanke besteht darin, dass stets die vorhandene bzw. vorgegebene Antriebsleistung vollständig zur Bodenverdichtung ausgenutzt werden soll.
Dazu ist Bestandteil der Frequenzregeleinrichtung 6 eine Leistungsbestim- mungseinrichtung 1 1 , mit der die von dem Antrieb 2 an den Schwingungser- reger 3 abgegebene Leistung gemessen werden kann.
In einer Regeleinheit 12 wird die gemessene Ist-Antriebsleistung mit einem vorgegebenen Sollwert verglichen. Wenn die gemessene Antriebsleistung un- ter dem Sollwert liegt, wird die Frequenz des Schwingungserregers 3 über eine Stelleinrichtung 13 erhöht bzw. im umgekehrten Fall verringert.
Die Leistungsbestimmungseinrichtung 11 kann in verschiedener Weise aufgebaut sein. Geht man davon aus, dass es sich bei dem Antrieb 2 um einen Motor handelt, kann zum Beispiel die Motordrehzahl und das Motordrehmoment gemessen werden. Handelt es sich dagegen bei dem Antrieb 2 um ein Hydraulikaggregat und wird der Schwingungserreger 3 hydraulisch angetrieben, kann zur Drehmomentbestimmung auch der in der Hydraulikleitung herrschende Druck verwendet werden. Soweit der Schwingungserreger von einem Elektromotor angetrieben wird, ist auch eine Messung elektrischer Kenngrößen möglich.
Bei einem besonders vorteilhaften Beispiel für die Ausführung der Erfindung wird die Leistungskennlinie des Motors, das heißt der Zusammenhang zwi- sehen der Motorleistung und der Motordrehzahl zur Bestimmung der abgegebenen Leistung, also der Ist-Antriebsleistung für den Schwingungserreger 3 herangezogen. Die Leistungskennlinie des Motors ist im allgemeinen bekannt und stellt einen eindeutigen Zusammenhang zwischen einer vorgegebenen Motorleistung und einer Motordrehzahl dar. Somit läßt sich die vom Motor an den Schwingungserreger 3 abgegebene Antriebsleistung allein mit Hilfe der relativ einfach zu messenden Drehzahl des Antriebsmotors 2 bestimmen.
Eine Regelung der Frequenz des Schwingungserregers 3 zur Konstanthal- tung der Antriebsleistung läßt sich dann durch einen Vergleich zwischen der gemessenen Motordrehzahl und der der vorgegebenen Soll-Antriebsleistung zugeordneten Soll-Motordrehzahl durchführen.
Wenn die Ist-Motordrehzahl kleiner ist als die Soll-Motordrehzahl, wird die Frequenz des Schwingungserregers 3, das heißt die Drehzahl der in dem
Schwingungserreger 3 vorgesehenen Unwuchtwellen verringert, so dass der
Motor entlastet wird und seine Drehzahl auf den vorgegebenen Wert anstei- gen kann. Ist dagegen die Ist-Motordrehzahl größer als die Soll-Drehzahl, bedeutet das, dass der Motor zu schwach belastet wird, so dass die Drehzahl der Unwuchtwellen in dem Schwingungserreger 3 vergrößert wird, um die vom Motor zur Verfügung stellbare Antriebsleistung voll auszunutzen.
Die Verstellung der Frequenz des Schwingungserregers 3, das heißt die Änderung der Drehzahl der im Schwingungserreger 3 angeordneten Unwuchtwellen wird durch die Stelleinrichtung 13 durchgeführt. Bei der Realisierung der Stelleinrichtung 13 kann auf bekannte Konstruktionselemente zurückge- griffen werden. Zum Beispiel kann bei einer hydraulischen Leistungsübertragung vom Antriebsmotor 2 zum Schwingungserreger 3 eine Verstellpumpe oder ein Hydraulikmotor mit verstellbarer Drehzahl eingesetzt werden. Bei mechanischer Leistungsübertragung sind Kegelscheibengetriebe, wie zum Beispiel Heynau-Getriebe oder PIV-Getriebe möglich, bei denen entweder über einen Reibring oder über Schubketten Drehmoment übertragen wird, sowie auch Reibrad -Getriebe (PK-Getriebe).
Soweit eine elektrische Leistungsübertragung an den Schwingungserreger 3 erfolgt, ist eine Drehzahländerung mittels eines regelbaren Frequenzumrich- ters möglich.
Die Amplitudenregeleinrichtung 5 und die Frequenzeinrichtung 6 erreichen für sich genommen jeweils bereits eine bessere Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Antriebsleistung. Soweit sie parallel angeordnet zusammen- wirken, wird die Effizienz nochmals erhöht. Gegenüber dem Stand der Technik zeichnen sich die Regeleinrichtungen 5, 6 durch einfachen Aufbau, geringen Meßaufwand und eine durch die Regeleinrichtungen 5, 6 bewirkte effiziente Bodenverdichtung mit maximaler Leistung aus.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Bodenverdichtungsvorrichtung, mit einem Bodenkontaktelement (4); - einem das Bodenkontaktelement (4) beaufschlagenden Schwingungserreger (3); einem Antrieb (2) für den Schwingungserreger (3) ; einer Amplitudenregeleinrichtung (5) zum Regeln der Schwingungsamplitude einer durch den Schwingungserreger (3) erzeugten Schwingung; wobei die Amplitudenregeleinrichtung (5) aufweist:
+ eine Detektionseinrichtung (8) zum Erkennen eines Sonder- schwingungszustands des Bodenkontaktelements (4);
+ eine Amplitudenstelleinrichtung (10) zum Einstellen der
Schwingungsamplitude; und + eine Amplitudenregeleinheit (9) zum Ansteuern der Amplitudenstelleinrichtung (10) derart, dass in einer ersten Regelmaßnahme die Schwingungsamplitude verkleinerbar ist, wenn die Detektionseinrichtung (8) einen Sonderschwingungszustand erkennt, und in einer zweiten Regelmaßnahme die Schwingungsamplitude vergrößerbar ist, wenn die Detektionsein- richtung (8) keinen Sonderschwingungszustand erkennt; und mit einer Frequenzregeleinrichtung (6) zum Regeln der Schwingungsfrequenz der durch den Schwingungserreger (3) erzeugten Schwingung; wobei die Frequenzregeleinrichtung (6) aufweist:
+ eine Leistungsbestimmungseinrichtung (11) zum Bestimmen ei- ner von dem Antrieb (2) abgegebenen Antriebsleistung für den Schwingungserreger (3);
+ eine Frequenzstelleinrichtung (13) zum Einstellen der Schwingungsfrequenz; und
+ eine Frequenzregeleinheit (12) zum Ansteuern der Frequenzstel- leinrichtung (13) derart, dass die von der Leistungsbestimmungseinrichtung (1 1) bestimmte Antriebsleistung annähernd auf einem vorgegebenen Wert haltbar ist; dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitudenregeleinrichtung (5) und die Frequenzregeleinrichtung (6) parallel zueinander angeordnet sind, so dass eine sich aus einer Verkleinerung der Schwingungsamplitude durch die Amplitudenregeleinrichtung (5) ergebende Verminderung der Antriebsleistung für den Schwingungserreger (3) durch eine Erhöhung der Schwingungsfrequenz kompensierbar ist und umgekehrt.
2. Bodenverdichtungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verkleinerung oder Vergrößerung der Schwingungsamplitude kontinuierlich und fortlaufend derart durchführbar ist, dass sich die Schwingungsamplitude ständig ändert.
3. Bodenverdichtungsvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitudenregeleinrichtung (5) ein Zeitglied zum Erzeugen eines Zeittakts aufweist; und dass - die Amplitudenstelleinrichtung (10) durch die Amplitudenregel einheit
(9) derart ansteuerbar ist, dass in der ersten Regelmaßnahme die Schwingungsamplitude inkremental um eine erste Amplitudendifferenz (kl) verkleinerbar ist, wenn in einem Zeittakt die Detektionseinrichtung (8) den Sonderschwingungszustand erkennt, und in der zweiten Regelmaßnahme die Schwingungsamplitude inkremental um eine zweite Amplitudendifferenz
(k2) vergrößerbar ist, wenn in einem Zeittakt die Detektionseinrichtung (8) keinen Sonderschwingungszustand erkennt.
4. Bodenverdichtungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn- zeichnet, dass in jedem Zeittakt eine Regelmaßnahme durchführbar ist.
5. Bodenverdichtungsvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Amplitudendifferenz (kl) größer als die zweite Amplitudendifferenz (k2) ist.
6. Bodenverdichtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Sonderschwingungszustand ein Zustand ist, in dem ein Parameter einer Schwingung des Bodenkontaktelements (4) einen vorgegebenen Wert überschreitet.
7. Bodenverdichtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitudenregeleinheit (9) derart ausgebildet ist, dass beim Start des Schwingungserregers (3) eine maximale Schwingungsamplitude einstellbar ist.
8. Bodenverdichtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Wert für die Antriebsleis- tung einer von dem Antrieb (2) maximal dauerhaft abgebbaren Leistung entspricht.
9. Bodenverdichtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (2) einen Motor aufweist und dass die Leistungsbestimmungseinrichtung (11) eine Drehzahlbestimmungseinrichtung zum Bestimmen der Drehzahl des Motors aufweist.
10. Bodenverdichtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (2) eine Hydraulikpumpe aufweist und dass die Leistungsbestimmungseinrichtung (11) eine Druckbestimmungseinrichtung zum Bestimmen des von der Hydraulikpumpe erzeugten Hydraulikdrucks aufweist.
11. Verfahren zum Regeln eines Schwingungserregers (3) für eine
Bodenverdichtungsvorrichtung, die ein von dem Schwingungserreger (3) beaufschlagtes Bodenkontaktelement (4) zum Verdichten eines Bodens aufweist, wobei der Schwingungserreger (3) durch einen Antrieb (2) angetrieben wird, mit einem Verfahren zum Regeln der Schwingungsamplitude des Schwingungserregers (3), mit den Schritten:
Bestimmen eines Schwingungszustands des Bodenkontaktelements (4);
Erkennen eines Sonderschwingungszustands des Bodenkontaktele- ments (4);
Ändern der Schwingungsamplitude derart, dass die Schwingungsamplitude verkleinert wird, wenn ein Sonderschwingungszustand erkannt worden ist, und dass die Schwingungsamplitude vergrößert wird, wenn kein Sonderschwingungszustand erkannt worden ist; und mit einem Verfahren zum Regeln der Schwingungsfrequenz des Schwingungserregers (3), mit den Schritten:
Bestimmen einer von dem Antrieb (2) abgegebenen Antriebsleistung; Vergleichen der Antriebsleistung mit einem vorgegebenen Wert; Ändern der Schwingungsfrequenz derart, dass die Antriebsleistung annähernd dem vorgegebenen Wert entspricht; dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zum Regeln der Schwingungsamplitude des Schwin- gungserregers (3) und das Verfahren zum Regeln der Schwingungsfrequenz des Schwingungserregers (3) parallel durchgeführt werden.
12. Verfahren nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Än- dem der Schwingungsamplitude kontinuierlich und fortlaufend derart durchgeführt wird, dass sich die Schwingungsamplitude ständig ändert.
13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Ändern der Schwingungsamplitude derart durchgeführt wird, dass die Schwin- gungsamplitude um eine erste Amplitudendifferenz (kl) verkleinert wird, wenn der Sonderschwingungszustand erkannt worden ist, und dass die Schwingungsamplitude um eine zweite Amplitudendifferenz (k2) vergrößert wird, wenn kein Sonderschwingungszustand erkannt worden ist.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Amplitudendifferenz (kl) größer als die zweite Amplitudendifferenz (k2) ist.
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Durchführung des Verfahrens oder wenigstens das Ändern der Schwingungsamplitude in durch einen Takt vorgegebenen Zeitbereichen erfolgt.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Wert für die Antriebsleistung einer von dem Antrieb (2) maximal dauerhaft abgebbaren Leistung entspricht.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (2) einen Motor aufweist und dass das Bestimmen der Antriebsleistung durch Messen der Drehzahl des Motors erfolgt.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (2) eine Hydraulikpumpe aufweist und dass das Bestimmen der Antriebsleistung durch Messen des von der Hydraulikpumpe erzeugten Hydraulikdrucks erfolgt.
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