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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung für das Verwirklichen
von Fallgewichtsbodenverdichtung und für das Überwachen von Bodeneigenschaften.
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Es
gibt zahlreiche Anwendungen, bei denen es erforderlich ist, eine
verhältnismäßig kleine
Bodenfläche
zu verdichten, wo aber die Verwendung herkömmlicher Bodenverdichtungsmaschinen,
welche üblicherweise
Walzen der einen oder anderen Art einsetzen, ungeeignet ist. Ein
wichtiges Beispiel ist die Verdichtung von Boden neben Brückenstützpfeilern,
wo beschränkter
Raum das Verdichten mit herkömmlichen
großen
Walzen oder anderen Maschinen unmöglich macht. Ein weiteres Beispiel
findet sich bei der Verdichtung von Boden in verhältnismäßig engen
Gräben
für Rohre,
Streifenfundamenten oder dergleichen. Ein noch weiteres Beispiel
findet sich in der Straßeninstandhaltung,
wo ein lokaler Schaden eines Straßenabschnitts in einer verhältnismäßig kleinen
Fläche
eingetreten sein kann.
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Kleine
Vibrationswalzen und Stoßverdichter sind
zwar erhältlich
und werden in solchen Anwendungen verbreitet eingesetzt, doch ist
das Maß an Bodenverdichtung
und die Tiefe der Verdichtungswirkung, die mit solchen Geräten verwirklicht
werden können,
beschränkt.
Das Ergebnis ist häufig,
dass nach einer verhältnismäßig kurzen
Zeit unzulässiges Setzen
und/oder Konstruktionsschaden eintreten kann.
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Es
wurde vorgeschlagen, Fallgewichtsbodenverdichtung zur Verwirklichung
von Bodenverdichtungen bei der Art von oben vorausgesehenen Situationen
zu einzusetzen. Bei der Fallgewichtsverdichtung wird eine beträchtliche
Masse wiederholt angehoben und fallen gelassen, um Stöße auf die Bodenfläche für die Zwecke
ihrer Verdichtung auszuüben.
Weitere Einzelheiten zu einem bekannten Fallgewichtbodenverdichter
können
zum Beispiel WO 00/28154 entnommen werden.
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Zwar
sind die Grundsätze
der Fallgewichtsbodenverdichtung vernünftig, doch besteht die Meinung,
dass eine größere Steuerung
des Verdichtungsprozesses erforderlich ist, damit diese Art von Verdichtungstechnologie
ihr volles Potenzial erreichen kann.
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GB-A-2366819
offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung für das Überwachen des Verdichtungsgrads
während
der Bodenbehandlung
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ZUSAMMENFASSENDE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Gemäß einer
erfindungsgemäßen Ausgestaltung
nach dem beigefügten
Anspruch 1 wird ein Verfahren für
das Verdichten von Boden an die Hand gegeben, wobei das Verfahren
folgende Schritte umfasst: das wiederholte Anheben einer Masse über der Bodenoberfläche und
dann deren Fallenlassen, um Stöße auf die
Bodenoberfläche
auszuüben,
wobei von den Stößen auf
die Bodenoberfläche
regelmäßig Hinweise
auf eine oder mehrere momentane Eigenschaften des Bodens abgeleitet
werden, sowie Steuern der Anzahl nachfolgender Stöße und/oder
der bei jedem Stoß auf
den Boden ausgeübten
Energie und/oder der Häufigkeit
der Stöße gemäß der angezeigten
Eigenschaft bzw. den angezeigten Eigenschaften, um im Boden eine
oder mehrere vorbestimmte Eigenschaften zu verwirklichen.
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Die
momentanen Eigenschaften, die für
Hinweise regelmäßig abgeleitet
werden, können
zum Beispiel mechanische Eigenschaften wie die Steifheit oder die
Stabilität
des Bodens oder dessen Tragfähigkeit
einschließen.
Alternativ können
regelmäßig Hinweise
einer Eigenschaft wie gesamtes oder schrittweises Setzen des Bodens
abgeleitet werden.
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Es
wird ein Steuermittel verwendet, um einen oder mehrere der obigen
Parameter automatisch zu verändern,
um die vorbestimmte mechanische Eigenschaft bzw. die vorbestimmten
mechanischen Eigenschaften zu verwirklichen. Das Steuermittel umfasst
eine programmierbare Verknüpfungssteuerung, die
mit einer oder mehreren zu erreichenden vorbestimmten mechanischen
Eigenschaften vorprogrammiert ist.
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Der
Masse ist ein Sensor zugeordnet, um die notwendigen Hinweise zu
liefern, wobei die Ausgabe des Sensors dem Steuermittel zugeführt wird.
Dieser Sensor kann zum Beispiel ein Beschleunigungsmesser sein,
der so ausgelegt ist, dass er die Abbremsung der Masse bei jedem
Aufprall überwacht,
und der so ausgelegt ist, dass er Signale, die zum Beispiel mit
der momentanen Steifheit des Bodens in Verbindung stehen, an das
Steuermittel ausgibt.
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Nach
einer anderen erfindungsgemäßen Ausgestaltung
nach dem beigefügten
Anspruch 6 wird eine Vorrichtung zur Bodenverdichtung an die Hand
gegeben, welche umfasst:
- – einen Fallgewichtsbodenverdichter
mit einer Masse und Mittel für
das wiederholte Anheben der Masse über der Bodenoberfläche und
dann das Fallenlassen derselben, um auf die Bodenoberfläche Stöße auszuüben;
- – ein
so ausgelegtes Überwachungsmittel,
dass es regelmäßige Hinweise
auf eine oder mehrere momentane Eigenschaften des Bodens liefert; und
- – auf
die von dem Überwachungsmittel
gelieferten Hinweise ansprechendes Steuermittel zum Steuern der
Anzahl nachfolgender Stöße und/oder
der auf den Boden bei jedem Stoß ausgeübten Energie
und/oder der Häufigkeit
der Stöße, um dadurch
im Boden eine oder mehrere vorbestimmte Bodeneigenschaften zu verwirklichen.
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Wie
bereits hingewiesen, umfasst das Steuermittel eine programmierbare
Verknüpfungssteuerung,
die mit einer oder mit mehreren vorbestimmten Bodeneigenschaften
vorprogrammiert ist, deren Verwirklichung wünschenswert ist, und die so
ausgelegt ist, dass sie eine oder mehrere der oben aufgeführten veränderlichen
Parameter steuert.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
kann auch eine Positionsüberwachung
enthalten, üblicherweise
ein globales Positionsbestimmungssystem, die mit dem Steuermittel verbunden
ist, um dem Steuermittel die Ausübung
der Steuerung der Verdichtung des Bodens gemäß einem geographischen Plan
zu ermöglichen.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
kann auf einem Fahrzeug angebracht sein und kann von einer Transportausrichtung,
in der sie auf dem Fahrzeug befördert
wird, zu einer Arbeitsposition, in der sie sich neben dem Fahrzeug
befindet; bewegbar sein.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
Erfindung wird nun lediglich beispielhaft anhand der beigefügten Zeichnungen
näher beschrieben.
Hierbei zeigen:
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1 eine
Seitenansicht einer auf einem Fahrzeug angebrachten erfindungsgemäßen Fallgewichtsbodenverdichtungsvorrichtung,
wobei sich die Vorrichtung in einer Arbeitsausrichtung befindet;
und
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2 eine
perspektivische Ansicht der in 1 ersichtlichen
Vorrichtung.
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EINGEHENDE
BESCHREIBUNG
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Die
Zeichnungen zeigen eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Fallgewichtsbodenverdichtung 10.
In dieser Ausführung
ist die Vorrichtung 10 an dem Fahrwerk 12 eines
Lastwagen 14 angebracht, es versteht sich aber, dass die
Vorrichtung gleichermaßen
an einem von einem Lastwagen oder einer Zugmaschine gezogenen Fahrzeuganhängerfahrwerk
oder auf einem auf Gleisen fahrenden Eigenantriebfahrzeug oder -anhänger angebracht
sein könnte.
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Die
Vorrichtung 10 umfasst einen Rahmen 16, der zur
Verschiebebewegung von Seite zu Seite auf einem sich seitlich erstreckenden
Querbalken 18 angebracht ist, der an dem hinteren Ende
des Lastwagens 14 an einem Schwenkpunkt 20 drehbar
gelagert ist. Der Rahmen 16 umfasst ein Paar aufrechter Stützelemente 22,
die ein nach hinten gerichtetes Tragelement 26 stützen. Das
hintere Ende des Elements 26 ist senkrecht über einer
Verdichtungsmasse 28 angeordnet, und ein Hydraulikzylinder 30 wirkt wie
dargestellt zwischen dem Tragelement 26 und der Masse.
Von der Masse erstrecken sich senkrecht Führungsstangen 32,
die in Führungszylindern 34 gleiten,
die mit den Elementen 22 durch Schrägsteifen 35 verbunden
ist.
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Ein
mit den Stützelemente 22 verbundener Bügel 36 greift
gleitend mit dem Querbalken 18, um die oben erwähnte Verschiebebewegung
des Rahmens von Seite zu Seite zu verwirklichen. Die Vorrichtung
umfasst einen (nicht dargestellten) Antrieb für das Antreiben des Rahmens 16 von
Seite zu Seite. Der Antrieb könnte
eine beliebige einer Reihe herkömmlicher
Formen annehmen. Er kann zum Beispiel ein Kettenantrieb sein, wovon
mindestens einige Komponenten in dem Bügel 36 und/oder an
dem Querbalken 18 angebracht sind.
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Der
Fallgewichtsbodenverdichter wird bei einer Arbeitsausrichtung gezeigt,
wobei die Masse 28 auf dem Boden ruht. Der Verdichter arbeitet
bei dieser Ausrichtung während
Bodenverdichtungsarbeiten. Wenn der Verdichter von einem Ort zu
einem anderen transportiert werden soll, werden zwischen von dem
Querbalken 18 vorstehenden Vorsprüngen 40 und dem Fahrwerk 12 wirkende
Hydraulikzylinder 38 zusammengezogen, um den Rahmen 16 in
eine geneigte, im Allgemeinen horizontale Ausrichtung am Fahrwerk
zu schwenken.
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Bei
Einsatz wird der Boden unter der Masse 28 durch wiederholtes
Anheben der Masse, durch Zusammenziehen des Zylinders 30 und
dann Fallenlassen der Masse zur Ausübung von Stößen auf die Bodenoberfläche verdichtet.
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An
der Masse 28 ist ein Beschleunigungsmesser 42 befestigt,
dessen Ausgabe einer programmierbaren Verknüpfungssteuerung 44 übermittelt wird.
Die programmierbare Verknüpfungssteuerung wird
in 1 schematisch als ferne Komponente gezeigt, es
versteht sich aber, dass die programmierbare Verknüpfungssteuerung
und andere Zusatzgeräte in
der Praxis einen integralen Teil der Vorrichtung selbst bilden.
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Wenn
die Masse auf den Boden aufprallt, liefert die von ihr erfahrene,
von dem Beschleunigungsmesser gemessene Abbremsung einen Hinaus
auf die momentane Steifheit des Bodens und dies liefert wiederum
einen zuverlässigen
Echtzeit-Hinweis auf das Maß der
Bodenverdichtung. In diesem Beispiel ist die programmierbare Verknüpfungssteuerung
so vorprogrammiert, dass die Vorrichtung im Boden ein vorbestimmtes
Maß an
Bodensteifheit verwirklicht. Die programmierbare Verknüpfungssteuerung
steuert wiederum automatisch verschiedene Parameter des Verdichtungsvorgangs.
Die programmierbare Verknüpfungssteuerung
kann zum Beispiel die auf den Boden bei jedem Stoß ausgeübte Stoßenergie steuern.
Dies wird durch Verändern
der Höhe,
auf welche die Masse für
jeden Schlag angehoben wird, und dementsprechend der gespeicherten
und zur Übertragung
auf den Boden verfügbaren
potenziellen Energie, durch Steuern des Hydraulikbetriebs des Zylinders 30 und/oder
mittels geeigneter Massepositionssensoren zur Erfassung der Position
der Masse verwirklicht.
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Zum
Beispiel kann die ausgeübte
Stoßenergie
durch die programmierbare Verknüpfungssteuerung
so gesteuert werden, dass sie eine Anzahl von Stößen lang den gleichen Wert
hat, dann für
eine folgende Reihe von Stößen einen
anderen Wert hat usw. Alternativ kann die Stoßenergie von Stoß zu Stoß verändert werden
oder der gleiche Energiewert kann über den ganzen Verdichtungsvorgang
beibehalten werden.
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Die
programmierbare Verknüpfungssteuerung
kann auch entsprechend ihrem Programm die Anzahl der auf den Boden
ausgeübten
Schläge
steuern. Als noch weitere Möglichkeit
kann die programmierbare Verknüpfungssteuerung
die Häufigkeit
der Stöße steuern,
in diesem Fall durch Verändern
der Dauer jedes Stoßzyklus
und/oder durch Verändern der
zwischen Zyklen verstrichenen Zeit. Wenngleich dies nicht eigens
erwähnt
wird, können
auch andere veränderbare
Parameter unmittelbar durch die programmierbare Verknüpfungssteuerung
gesteuert werden.
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In
den Zeichnungen bezeichnet die Ziffer 50 eine biegsame
Kabelpritsche, die signalübermittelnde
Leitungsführungen
und/oder Hydraulikschläuche für den Zylinder 30 und
dessen Zusatzgeräte
wie Hydraulikpumpen usw. trägt.
Es versteht sich auch, dass in der Praxis ein (nicht dargestelltes)
Hydraulikaggregat an dem Fahrwerk angebracht ist.
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In
der Praxis kann die oben beschriebene Bodenverdichtungsvorrichtung
zum Verdichten von Boden an verschiedenen Stellen eines Geländes oder
zum Verdichten des gesamten Geländes
eingesetzt werden. Es versteht sich, dass das Fahrzeug auf dem Gelände von
einem Ort zum anderen gefahren werden kann, um das Verwenden der
Bodenverdichtungsvorrichtung zur Verdichtung verschiedener Bereiche
des Geländes
zu ermöglichen.
An jedem stationären
Ort des Fahrzeugs kann die Vorrichtung zur Verdichtung eines begrenzten
Bodenstreifens verwendet werden, wobei dies durch die Fähigkeit des
Rahmens 16, sich an dem Querbalken 18 von Seite
zu Seite zu bewegen, und durch die Manövrierfähigkeit des Fahrzeugs möglich wird.
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Die
oben beschriebene Vorrichtung zur Bodenverdichtung kann auch mit
einem Positionsbestimmungssystem, üblicherweise einem GPS (einem globalen
Positionsbestimmungssystem, verbunden werden, so dass Hinweise auf
Bodensteifheit mit geographischer Position korreliert werden können. Dies ermöglicht wiederum
das Ableiten eines Geländeplans,
der Echtzeitinformationen bezüglich
der Bodenverdichtungswerte an verschiedenen Stellen auf dem Gelände liefert.
Es versteht sich, dass integrierte Informationen bezüglich geographischer
Position und Bodenverdichtungsgrad digital gespeichert und/oder
graphisch dargestellt werden können,
um eine im Wesentlichen vollständige
Analyse des Zustands der Bodenverdichtung geländeweit oder auf ausgewählten Bereichen
desselben bereitzustellen.
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Zwar
wurde das Verdichten von Bodenbereichen eines Geländes erwähnt, doch
sind die Prinzipien der Erfindung gleichermaßen auf die Verdichtung einzelner,
kleiner Flächen
anwendbar, bei denen ein spezifisches Maß an Verdichtung erforderlich
ist. Ein typisches Beispiel wäre
hier die Bodenverdichtung neben einer feststehenden Konstruktion,
beispielsweise einem Brückenstützpfeiler
oder Gebäude.
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Wenngleich
die Überwachung
der Bodensteifheit und das Verändern
der Betriebsparameter zur Verwirklichung eines erwünschten
Maßes
an Bodensteifheit eigens erwähnt
wurden, liegt es auch im Schutzumfang der Erfindung, dass die Vorrichtung eine
Vielzahl anderer Bodeneigenschaften überwacht und die Betriebsparameter
steuert, um eine oder mehrere bestimmte, erwünschte Eigenschaften zu verwirklichen.
Die Vorrichtung könnte
so ausgelegt werden, dass sie eine oder mehrere einer Reihe anderer
mechanischer Bodeneigenschaften außer der Steifheit überwacht,
zum Beispiel die Bodenstabilität
und/oder die Tragfähigkeit,
und dass sie die Betriebsparameter so steuert, dass die erwünschten
Eigenschaften verwirklicht werden. Des Weiteren könnte die
Vorrichtung so ausgelegt werden, dass sie eine Bodeneigenschaft,
wie ein gesamtes Setzen des Bodens zu jedem Zeitpunkt oder ein schrittweises
Setzen des Bodens, überwacht,
d.h. den Betrag des Setzens des Bodens in einem vorgegebenen Zeitraum oder
infolge eines oder mehrerer Schläge.
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Anstelle
eines Beschleunigungsmessers zur Überwachung einer bestimmten
Bodeneigenschaft, in dem obigen Beispiel der Bodensteifheit, könnte auch
eine beliebige andere geeignete Form von Sensor verwendet werden.
Andere brauchbare Formen von Sensoren umfassen einen Geschwindigkeitssensor
zum Messen der Geschwindigkeit der Masse während des Stoßes, einen
Wegaufnehmer, beispielsweise einen Wegmessumformer, zum Messen des
Setzens des Bodens oder einen Kraftaufnehmer oder Druckmessumformer
zum Messen der von der Masse bei Aufprall auf die Bodenoberfläche ausgeübten Kraft
bzw. des dabei ausgeübten
Drucks.
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Wie
bereits erwähnt
können
die Prinzipien der Erfindung nicht nur dazu genutzt werden, Bodenverdichtung
zu verwirklichen und zu steuern, sondern auch um momentane Bodeneigenschaften
eines Geländes
zu messen. In dieser Funktion kann die oben beschriebene Vorrichtung
so ausgelegt werden, dass sie die Masse 28 nur einmal pro
Stelle des Geländes anhebt
und fallen lässt,
an der eine Messung momentaner Bodeneigenschaften erforderlich ist.
Die Überwachungsgeräte, einschließlich Beschleunigungsmesser
und/oder Messumformer, die oben beschrieben wurden, werden dann
so ausgelegt, dass sie an jeder solchen Stelle eine Messung einer
ausgewählten
Bodeneigenschaft liefern, beispielsweise der Steifheit, des Setzens
usw. Wie bei der oben beschriebenen Vorrichtung kann die Vorrichtung
in dieser Funktion mit einem geographischen Positionsbestimmungssystem
wie einem GPS verbunden wurden, um dadurch Messungen der Bodeneigenschaft für verschiedene
Geländestellen
zu liefern. Die auf diese Weise erhaltenen Informationen können mit geeigneten
Signalverarbeitungsgeräten
und zugehöriger
Software in Form einer Karte, mit Konturen oder anderweitig, oder
in Tabellenform vorgelegt werden. Diese Anwendung kann zum Beispiel
durch Bodeningenieure genutzt werden, um sie bei der Ausübung von
Geländezertifizierungsfunktionen
zu unterstützen.