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Titel der Erfindung
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Verfahren zur Bestimmung des Verdichtungsabbruchs bei Vibrationsverdichtungsmaschinen
Anwendungsgebiet der Erfindung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung
des Verdichtungsabbruchs bei Vibrationsverdichtungsmaschinen mit mindestens einer
sich drehenden Unwucht, beispielsweise bei Vibrationswalzen, wobei der Verdichtungsgrad
des Verdichtungsgegenstandes als Kriterium für den Verdichtungsabbruch verwendet
und über an der Vibrationsverdichtungsmaschine meßbare Größen ermittelt wird.
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Charakteristik der bekannten technischen Lösungen Es sind bereits
Verfahren zur Bestimmung des Verdichtungsabbruchs bei Vibrationsverdichtungsmaschinen
bekannt. bei denen eine an der Vibrationsverdichtungsmaschine unmittelbar meßbare.
vom jeweiligen Verdichtungsgrad des Bodens abhängige Größe zur Beurteilung des Verdichtungsvorganges,
beispielsweise zur Bestimmung des Abbruohzeitpunktes der Verdichtung verwendet wird.
Als meßbare Größen werden zum Beispiel die Vibrationsleistung der Hydraulikdruck,
die-Setzung des verdichteten Bodens an seiner Oberfläche, die änderung der eben
genannten Größen oder auch die änderung der Antriebsleistung herangezogen. Die ermittelten
Größen sollen auch über einen flegeikreis auf die Amplitude bzw.
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Frequenz der schwingenden Massen im Sinne einer Maximierung
der
Vibrationaleistung oder Setzung einwirken (DE-OS 2 554 013).
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Die Nachteile dieser Erfindung bestehen in ihrer teilweise unzuverlässigen
Bestimmung des Abbruchzeitpunktes und in einem relativ großen Aufwand bei der Ermittlung
der vom jeweiligen Bodenzustand abhängigen Größen.
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Umfangreiche experimentelle Untersuchungen haben gezeigt; daß sich
der Vibratorleistungsbedarf mit steigender Vibratorfrequenz erhöht. Somit hat eine
Maximierung der Vibratorleistung immer die Höchst frequenz des Vibrators zur Folge.
Beispielsweise tritt aber bei Vibrationswalzen mit Auflastverhalten bei dieser Frequenz
nicht zwangsläufig die maximal erreichbare Verdichtungewirkung ein. Der Anteil der
Vibratorleistung, der aus der Frequenzerhöhung resultiert;, muß eliminiert werden.
Die Eliminierung dieses Leistungsantejis soll über einen installierten Rechner bzw.
durch Störgrößenaufschaltung erfolgen. Das ist mit einem zusätzlichen Aufwand verbunden.
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Einer Verwendung des unmittelbar meßbaren Hydraulikdruckes als Steuergröße
steht ebenfalls dessen starke Abhängigkeit von der Vibratordrehzahl entgegen. Ein
funktioneller Zusammenhang mit dem Verdichtungszustand des Erdstoffes kann nur durch
Kompensation des Einflusses der Vibratordrehzahl auf die Vibratorantriebsleistung
beispielsweise mit Hilfe eines Rechners oder einer Störgrößenaufechaltung hergestellt
werden.
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Wird die Setzung als Maß für den Grad der Verdichtung verwendet, sind
zu ihrer Messung aufwendige Einrichtungen erförderlich Außerdem ist bei einachsigen
Vibrationswalzen eine Ermittlung der Erdstoffhöhe vor und nach dem Verdichtungsvorgang
mittels des o.g. Verfahrens nicht möglich Ferner treten bei Setzungsmessungen über
in Fahrtrichtung hintereinanderliegenden Walzen infolge von Unebenheiten der Schüttung
Meßfehler auf, die das Ergebnis verfälschen. Diese Fehler sind nur unter Inkaufnahme
eines sehr hohen meßtechnischen und maschinentechnischen Aufwandes, wie ihn die
in der DE-OS 2 052 745 angegebene Verfahrensweise zur Messung
der
Setzung erfordert, zu vermeiden, Unter Baustellenbedingungen ist diese Methode infolge
stark eingeschränkter Manövrierfähigkeit der Maschinen kaum anwendbar. Weiterhin
ist es nicht möglich, diese Methode für einachsige Vibrationswalzen zu verwenden.
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Bekanntermaßen erfolgt durch die Einwirkung von Vibrationsverdichtungsmatehinen,~
speziell von Vibrationswalzen, auf nichtbindige Erdstoffe nur eine geringfügige
Verdichtung, teilweise sogar eine Auflockerung der obersten Erdstoffschicht-, während
die darunterliegenden mittleren Erdstoffbereiche eine starke Verdichtung erfahren.
Diese Auf lockerung tritt nicht erst bei zusätzlichen berghängen, d.h, nachdem der
geforderte Verdichtungsgrad bereits erreicht worden ist, ein, sondern beginnt bei
einachsigen Vibrationswalzen in Abhängigkeit von den eingestellten Maschinenparametern
und der konstruktiven Auslegung früher. Vergleicht man nach einer gewissen Anzahl
von Obergängen z,B, den Nulldurchgang des schwingenden Walzkörpers mit der Lage
eines zweiten, den Erdstoff überrollenden statischen Teils, erkennt man, daß trotz
weiterer Verdichtung mittlerer und tieferer Schichten infolge der Auflockerung der
Oberflächenschicht kein Setzungsgewinn mehr angezeigt wird, obwohl häufig zu diesem
Zeitpunkt der geforderte Verdichtungsgrad der Schüttung noch nicht erreicht ist.
Eine relative Oberflächensetzung, gemessen zwischen zwei Walzteilen, ist also in
bestimmten Fällen nicht aussagekräftig für die Gesamtsetzung oder für die Setzung
mittlerer bis tieferer Erdstoffschichten.
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Es ist zu erkennen, daß die in der beschriebenen Losung genannten
Abbruchkriterien nicht ih jedem Fell den zum Abbruchzeitpunt tatsächlich vorhandenen
Verdichtungsgrad der Gesamtsciiüttung charakterisieren, Somit ist es auch kaum bzw,
nur mit einem sehr großen Aufwand möglich, die Anzahl der Übergänge zu minimieren
bzw. pro Übergang eine maximale Verdichtungawirkung zu erreichen.
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Es sind weiterhin Verfahren bekannt, mit denen in Abhängigkeit von
der Erdstoffart eine maximale Verdichtungswirkung
erzielt werden
soll (DE-OS 2 820 026), Hierbei wird die Vibratorfrequenz über den Phasenwinkel
zwischen Fliehkraft und dem vertikalen Walzkörperschwingweg bzw. der Schwinggeschwindigkeit
geregelt, wobei ein bestimmter Phasenwinkel immer einen maximalen vertikalen Walzkörperschwingweg
zur Folge hat. Der Nachteil dieser Erfindung besteht darin, daß sie keine Möglichkeit
zur Beurteilung des Verdichtungsgrades bietet. Damit ist eine Bestimmung des Abbruchs
der Verdichtung nicht gegeben. Die Unkenntnis des Abbruchzeitpunktes kann zu vielfältigen
Fehlern führen. Werden zu wenige Übergänge gefahren, d.h. wird die Verdichtung zu
früh abgebrochen, ist der erforderliche Grad der Bodenverdichtung nicht gewährleistet.
Es kommt zu unzulässig hohen Nachsetzungen, Rissen oder Unebenheiten beispielsweise
in einer Fahrbahn, Andererseits kann es zu einer Auflockerung des bereits verdichteten
Bodens infolge zu häufiger Übergänge kommen, Außerdem sinkt die Arbeitsproduktivität
und die Betriebskosten steigen bei unnötig hoher Anzahl von Übergängen erheblich
an.
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Eine Kombination dieser bekannten Phasenwinkelregelung mit dem o,g.
Verfahren zur Bestimmung des Abbruchzeitpunktes (DE-OS 2 554 013) ist abgesehen
von den den Meßprinzipien eigenen Fehlern und dem teilweise erheblichen Meßaufwand
dieses Verfahrens nur sehr begrenzt möglich. Die meisten anderen bekannten Verfahren
zur Bestimmung des Abbruchzeitpunktes der Verdichtung setzen eine exakte Konstanthaltung
der Vibratorfrequenz voraus. Zur Erzielung einer maximalen Setzung pro Obergang
ist aber bei der Phasenwinkelregelung gerade eine ständige Variierung der Vibratorfrequenz
erforderlich.
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Ziel der Erfindung Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Bestimmung
des Verdichtungsabbruchs zu schaffen-, das bei geringem maschinentechnischen, meßtechnischen
bzw. elektronischen Aufwand ein-
fach handhabbar und ohne Einschränkungen
anwendbar ist und somit eine Erhöhung der Effektivität des Verdichtungsprozesses
ermöglicht.
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Darlegung des Wesens der Erfindung Der Erfindung liegt die Aufgabe
zugrunde, die bekannten Verfahren zur Bestimmung des Verdichtungsabbruchs derart
zu verändern, daß der Abbruchzeitpunkt in Abhängigkeit vom Verdichtungsgrad der
Gesamtschüttung mit verhältnismäßig einfachen Mitteln vom Maschinisten zuverlässig
bestimmbar und somit eine wirksame Minimierung der Anzahl der notwendigen Übergänge
erreicht wird, Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß während jedes
einzelnen Überganges ständig ein maximaler vertikaler Walzkörperschwingweg eingestellt
und außerdem mindestens ein Parameter von dem bzw, den in Schwingung befindlichen
Teilen erfaßt wird. Dieser bzw, diese Parameter dienenals Maß für den Verdichtungsgrad
und werden in einer Auswerteeinrichtung in geeigneter Weise aufbereitet.
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Zur Maximierung des vertikalen Walzkö rpe rschwingweges kann dabei
der Phasenwinkel zwischen vertikalem Walzkörper schwingweg und der Fliehkraftrichtung
gemessen und als Regelgröße verwendet werden.
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Die pro Übergang gemessenen Parameter können beispielsweise zur Anzeige
gebracht werden.
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Ferner ist es möglich, daß die Differenz der von Übergang zu Übergang
bzw, von in gleicher Fahrtrichtung aufeinanderfolgenden Übergängen gemessenen Parameter
als Abbruchkriterium herangezogen wird. Sie kann ebenso wie die gemessenen Parameter
selbst zur Anzeige gebracht werden.
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Als Parameter können beispielsweise die Drehzahl der Vibratorwelle,
der Absolutwert der vertikalen Schwingwegamplitude des Walzkörpers oder auch die
änderung der Drehzahl bzw. die Schwingwegänderung von Übergang zu Übergang bzw,
von in gleicher Fahrtrichtung aufeinanderfolgenden Übergängen verwendet werden.
Durch die erfindungsgemäße Lösung wurde eine zuverlässige Bestimmung des Abbruchzeitpunktes
in Abhängig-
koit von dem erreichten Verdichtungsgrad der Gesamtschüttung
erreicht. Die gemessenen Parameter selbst stehen nicht oder nur ungenügend mit dem
Verdichtungsgrad in Beziehung.
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Während beispielsweise die Beurteilung der Vibratorfrequenz keinerlei
Rückschlüsse auf den Verdichtungsgrad zuläßt, ist eine Beurteilung des Verdichtungsgrades
über den vertikalen Walzkörperschwingweg mit großen Fehlern behaftet. Erst durch
die erfindungsgemäß vorgesehene Regelung beispielsweise des Phasenwinkels und der
somit möglichen Maximierung der Verdichtungswirkung pro Übergang wurde eine eindeutige
Beziehung zwischen den gemessenen Parametern und dem Verdichtungsgrad der Schüttung
hergestellt. Die Regelung bewirkt, daß die Drehzahl der Vibratorwelle so lange verstellt
wird, bis die maximale vertikale Schwingwegamplitude des Walzkörpers erreicht ist.
Da sich mit steigender Verdichtung außer der Veränderung der Frequenzlage des Maximalwertes
der vertikalen WalzI<örperschwingwegamplitude ebenfalls ihr Maximalwert in der
Resonanz erhöht, kann ein bestimmter, festlegbarer Höchstwert dieser vertikalen
Walzkörperschwingwegamplitude nur unter der Voraussetzung ihrer ständigen Maximierung
durch eine Regelung, beispielsweise des Phasenwinkels, als AbbruchI<riterium
der Verdichtung benutzt werden. Ebenfalls unter gleicher Voraussetzung kann als
Abbruchkriterium der Verdichtung die Unterschreitung eines vorgegebenen Minimalwertes
des Zuwachses des vertikalten Walzkörperschwingweges von Übergang zu Übergang bzw.
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von in gleicher Fahrtrichtung aufeinanderfolgenden Obergängen benutzt
werden. Ein weiteres Kriterium zur Bestimmung des Abbruchzeitpunktes ist die vom
Verdichtungsgrad abhängige durch die Regelung ausgeführte Veränderung der Frequenzlage
der Maximalamplitude des vertikalen Walzkörperschwingweges bzw. das Erreichen einer
vorgegebenen Höchstfrequenz des Vibrators. Dazu ist die zusätzliche Anbringung einer
Drehzahlmeßeinrichtung erforderlich.
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Ausführungsbeispiel Nachfolgend soll die Erfindung an einem Beispiel
näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen Fig. 1: die Darstellung
des Zusammenhanges zwischen esonanzfrequenz und vertikater Walzkörperschwingwegamplitude
bei Veränderung des Verdichtungsgrades, Fig. 2: ein Blockschaltbild der Messung
und Verarbeitung der zur Bestimmung des Abbruchzeitpunktes erforderlichen Kriterien.
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Fig. 1 zeigt eine Kurvenschar, die das Schwingverhalten des Walzkörpers
bei einzelnen aufeinanderfolgenden Übergängen u bis u12 charakterisiert. Dabei sind
auf der Abszisse die Vibratorfrequenz f und auf der Ordinate die vertikale Walzkörperschwingwegamplitude
s aufgetragen. Die jeweilige Resonanzfrequenz u bzw. maximale vertikale Walzkö rpe
rschwingwegamplitude 5u wurde mit dem dazugehörigen Übergang u = 1 bis 12 indiziert.
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Es ist zu erkennen, daß die Kurven bei unterschiedlichen Resonanzfrequenzen
u auch unterschiedlich große maxima des vertikalen Walzkörperschwingweges aufweisen.
Dabei verschieben sich hauptsächlich in Folge einer Erhöhung der Federsteife des
Erdstoffes die Resonanzfrequenz t und die maximale vertikale Walzkörperschwingwegamplitude
SU mit wachsender Verdichtung zu höheren Werten. Es zeigt sich, daß sich sowohl
der Vibratorfrequenzzuwachs als auch der Zuwachs der vertikalen Walzkörpe rschwingwegamplit
ude s während der einzelnen Übergänge analog zum Setzungszuwachs der Gesamtachuttung
verhaiten. Einer anfänglich starken Erhöhung des Verdichtungsgrades vom ersten zum
zweiten Übergang entspricht eine ebenso starke Erhöhung des Zuwachses der Vibratorfrequenz
f bzw. der vertikalen Walzkörperschwingwegamplitude s in der Resonanz. Mit der Erhöhung
der Anzahl der Übergänge verringert sich sowohl der Verdichtungszuwachs als auch
der Zuwachs der Vibratorfrequenz f und der vertiallen Walzkörperschwingwegamplitude
s, um ab einer bestimmten von der -jeweiligen Vibrationswalze und deren Einstellung
abhängigen Anzahl von Übergängen den Wert Null zu erreichen.
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Dieser Sachverhalt läßt erkennen, daß die an den in Schwinggung befindlichen
Teilen gemessenen Parameter nur dann ohne Fehler als Maß für den Verdichtungsgrad
herangezogen werden können, wenn gleichzeitig der vertikale Walzkörperschwing weg
während des gesamten Verdichtungsvorganges maximiert wird.
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Wie aus Fig. 2 ersichtlich, besteht die Meßanordnung an einer Vibrationsverdichtungsmaschine
1 im vorliegenden Beispiel aus einem Integrator 2, einem Phasenmesser 3, einem Vergleichsglied
4, einem Leistungsverstärker 5, einem Umkehrglied 6, einem Servomotor 7 mit Getriebe,
einem Stellglied 8 und Anzeigeeinrichtungen 9; 10. Die Vibrationsverdichtungsmaschine
1 wird von einem Vibratormotor 11 angetrieben. Zur Messung der einzelnen Parameter
sind an den schwingenden Teilen der Vibrationsverdichtungsmaschine 1 Schwingungsaufnehmer
12, Unwuchtstellungsaufnehmer 13 und Drehzahlmesser 14 angebracht. Die Absolutwerte
des'Walzkörperschwingweges bzw. der Drehzahl können direkt bzw.
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nach einer Mittelwertbildung auf den Anzeigeeinrichtungen 9 bzw. 10
angezeigt werden.
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Aus dem im Integrator 2 aufbereiteten Walzkörperschwingweg und der
ermittelten Unwuchtmomentstellung wird im Phasenmesser 3 der Phasenwinkel gebildet
und über das Vergleichsglied 4 dem Leistungsverstärker 5 zugeführt. Nach einer Wiricungsumkehr
der Signale wird der Servomotor 7 angesteuert, der wiederum das Stellglied 8 betätigt.
Von hier aus wird der Vibratormotor 11 in der Weise gesteuert, daß sich bei allen
Übergängen u1 bis u12 die Resonanzfrequenz u und demzufolge die maximale vertikale
Walzkörperschwing wegamplitude 5u eingestellt. Somit wird während jedes berganges
ein maximaler Setzungszuwachs der Gesamtschüttung erzielt. Der Abbruchzeitpunkt
des Verdichtungsvorganges ist erreicht, wenn die Anzeigeeinrichtungen 9 bzw. 10
den Sollwert der Drehzahl bzw. des Walzkörperschwingweges erreicht haben oder die
Zunahme beider Parameter einen festgesetzten Minimalwert unterschreitet bzw. vernachlässigbar
klein geworden ist. Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch zur
Überprüfung
der Verdichtungsqualität eingebauter Erdstoffe verwendet werden. Dabei wird der
zu überprüfende Erdstoff bei eingeschalteter Phasenwinicelregelung überfahren. Inhomogenitäten,
ungleichmäßige Verdichtung, unterschiedliche Erdstoffe, grobe Stein- oder sonstige
Einschlüsse bewirken eine Verstellung der Drehzahl und/oder eine Veränderung der
vertikalen Walzkörperschwingwegamplitude s. Dieses Verfa'nren ist insbesondere für
kontrollen der GleichmäS*gkeit der Verdichtung vorteilhaft anwendbar, wobei Inhomogenitäten
sofort den entsprechenden Erdstoffbereichen zugeordnet werden können. Bei Aufzeichnung
des Schwingweges, der Vibratordrehzahl oder des Phasenwinkels ist eine nachträgliche
Zuordnung möglich, Aufwendige Feld- und Laboruntersuchungen, die außerdem nur eine
stichprobenartige Bestimmung des Zustandes der Erdstoffdichte erlauben, können somit
stark eingeschränkt, gegebenenfalls vermieden werden.
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