DE102014001885A1

DE102014001885A1 - Verfahren zur Optimierung einer Betriebsfunktion einer Bodenfräsmaschine und Bodenfräsmaschine

Info

Publication number: DE102014001885A1
Application number: DE102014001885.7A
Authority: DE
Inventors: Robert Laux; Marco Reuter
Original assignee: Bomag GmbH and Co OHG
Current assignee: Bomag GmbH and Co OHG
Priority date: 2014-02-12
Filing date: 2014-02-12
Publication date: 2015-08-13
Also published as: US9864347B2; US20150227120A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Optimierung einer Betriebsfunktion einer Bodenfräsmaschine durch das Anpassen von Betriebsparametern und eine Bodenfräsmaschine, die insbesondere zur Durchführung dieses Verfahrens ausgebildet ist. Wesentlich ist, dass ein Betriebsparameter einer Fräsmaschine ausgehend von einer Ausgangswert des Betriebsparameters zur Optimierung einer Betriebsfunktion der Bodenfräsmaschine im Fräsbetrieb vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Optimierung einer Betriebsfunktion einer Bodenfräsmaschine sowie eine Bodenfräsmaschine, die insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist.
Bodenfräsmaschinen finden überall dort Anwendung, wo das Abtragen von Bodenuntergrundmaterial in gewünschter Frästiefe gefordert ist. Typische Anwendungsgebiete sind beispielsweise in Form von Straßenfräsen der Abbau von Straßendeckschichten, in Form von sogenannten Stabilisierern und/oder Recyclern der Straßen- und Wegebau sowie in Form von Surface-Minern der Abbau von Bodenschätzen. Gattungsgemäße Bodenfräsmaschinen sind beispielsweise in den Patentanmeldungen EP 2 578 749 A2 und DE 10 2010 050 441 A1 offenbart, auf die hiermit Bezug genommen wird.
Der Betrieb solcher Bodenfräsmaschinen ist vergleichsweise kostenintensiv, sodass stets der Bedarf nach einem möglichst optimalen Maschinenbetrieb, beispielsweise hinsichtlich eines möglichst niedrigeren Kraftstoffverbrauchs bei gleichzeitig möglichst hoher Fräsleistung, besteht.
In den Patentanmeldungen DE 10 2012 006 189.7 und PCT/EP 2013/000686 , die hiermit vollumfänglich in Bezug genommen werden, wird eine Antriebsvorrichtung für eine selbstfahrende Baumaschine, insbesondere Bodenfräsmaschine, sowie ein Verfahren zum Einstellen eines Drehzahlverhältnisses bei einer derartigen Antriebsvorrichtung beschrieben. Die vorliegende Erfindung eignet sich insbesondere zur Anwendung bei dieser Antriebsvorrichtung bzw. bei diesem Verfahren. Ein wesentlicher Aspekt dieser Patentfamilie liegt darin, dass ein drehzahlvariabler Betrieb der Fräswalze möglich ist. Im praktischen Einsatz solcher Maschinen hat sich nun gezeigt, dass verschiedene Betriebsoptima, beispielsweise das Optimum der Fräsleistung, d. h. dem Fräsvolumen pro Zeiteinheit, beispielsweise in Kubikmeter pro Stunde, und auch das Optimum der Fräsleistungseffizienz, also der Fräsleistung pro Kraftstoffverbrauch, keineswegs stets mit höherer Drehzahl der Fräswalze erreicht werden. Die Drehzahl der Fräswalze gibt dabei die Anzahl der Umdrehungen der Fräswalze um ihre Rotationsachse pro Zeiteinheit an.
Die Aufgabe der Erfindung liegt somit darin, ein Verfahren zur Optimierung einer Betriebsfunktion einer Bodenfräsmaschine durch das Anpassen von Betriebsparametern anzugeben. Eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt ferner darin, eine Bodenfräsmaschine anzugeben, die die Durchführung eines solchen Verfahrens ermöglicht.
Die Lösung der Aufgabe gelingt mit einem Verfahren und einer Bodenfräsmaschine gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Ein Betriebsparameter ist hierbei eine für den jeweiligen Arbeitsvorgang einer Bodenfräsmaschine relevante Stellgröße, die im Wesentlichen nur durch Faktoren bestimmt wird, die der Bodenfräsmaschine selbst innewohnen, also von den Betriebs- beziehungsweise Einsatzbedingungen beim Arbeitsvorgang (zum Beispiel dem Fräsmaterial) nicht beeinflusst wird. Die Betriebsparameter können also unabhängig vom Arbeitsvorgang gewählt und vorgegeben werden, beispielsweise manuell durch den Bediener der Bodenfräsmaschine oder aber durch eine Steuerungsautomatik. Beispiele für Betriebsparameter sind etwa die Leistung der Antriebseinrichtung der Fräswalze, die Frästiefe und die Drehzahl der Fräswalze etc. Ein variabler Betriebsparameter ist ein Betriebsparameter, der zur Prozessoptimierung über den Arbeitsprozess hinweg variiert werden kann. Dies kann beispielsweise die Leistung der Antriebseinrichtung und/oder die Drehzahl der Fräswalze sein. Nicht variable beziehungsweise konstante Betriebsparameter sind dagegen Betriebsparameter, die innerhalb des jeweiligen Arbeitsvorgangs zur Optimierung der Arbeitsweise der Bodenfräsmaschine in der Regel nicht variiert werden, damit letztendlich ein möglichst konstantes Arbeitsergebnis erhalten wird. Üblicherweise ist beispielsweise die Frästiefe ein nicht variabler beziehungsweise konstanter Betriebsparameter, da die Frästiefe regelmäßig als einzustellende Sollgröße vom Bediener vorgegeben wird.
Als Betriebsfunktion werden hingegen solche Größen bezeichnet, die im Arbeitsbetrieb zu relevanten Teilen durch Faktoren bestimmt werden, die nicht der Maschine selbst innewohnen, sondern aus dem konkreten Arbeitsvorgang herrühren. Die Betriebsfunktionen werden also im Arbeitsbetrieb, bei gleichbleibenden Betriebsparametern, zu wesentlichen Teilen durch die Einsatzbedingungen beim Arbeitsvorgang der Bodenfräsmaschine bestimmt, beispielsweise durch die Eigenschaften des Boden- bzw. Fräsmaterial (Bodendichte, Bodenhärte, Körnung etc.). Beispiele für Betriebsfunktionen sind etwa der Vorschub der Bodenfräsmaschine, die Fräsleistung der Bodenfräsmaschine oder die Fräsleistungseffizienz der Bodenfräsmaschine. Hierbei ist der Ist-Wert einer solchen Größe ebenso in dem Begriff der Betriebsfunktion umfasst wie auch die Abweichung des Ist-Wertes einer solchen Größe von einem zuvor festgelegten Sollwert, beispielsweise einer Sollvorschubgeschwindigkeit einer Fräsmaschine. Eine Betriebsfunktion ist mit anderen Worten das Ergebnis wenigstens eines Betriebsparameters.
Der wesentliche Grundgedanke der Erfindung besteht nun darin, dass im Betrieb der Bodenfräsmaschine die Durchführung eines Verfahrens vorgesehen ist, bei dem ein Betriebsparameter der Bodenfräsmaschine, beispielsweise die Drehzahl der Fräswalze, in Bezug auf einen Ausgangswert, beispielsweise eine Ausgangsdrehzahl, soweit variiert wird, bis ein Betriebsoptimum erreicht wird. Ein solches Betriebsoptimum kann beispielsweise die maximale Vorschubgeschwindigkeit der Bodenfräsmaschine, die maximale Fräsleistung der Bodenfräsmaschine oder die maximale Fräsleistungseffizienz der Bodenfräsmaschine sein. Wesentlich ist somit, dass durch dieses Verfahren für das jeweilige Fräsmaterial, die jeweilige Fräswalze, die jeweilige Frästiefe und die jeweiligen weiteren konkreten Einsatzbedingungen ein Betriebsoptimum durch eine systematische Variation und Anpassung des variablen Betriebsparameters, beispielsweise der Drehzahl der Fräswalze, erreicht wird. Das Betriebsoptimum bezeichnet hierbei den Wert einer variablen Betriebsfunktion, unter dem die Fräsmaschine eine bestimmte Vorgabe zu ihrem Einsatz bestmöglich erfüllt. In einem konkreten Anwendungsbeispiel kann der Betriebsparameter die Drehzahl der Fräswalze sein, die Betriebsfunktion die Fräsleistung sein, und die Vorgabe darin bestehen, dass die Vorschubgeschwindigkeit der Bodenfräsmaschine unter den bestehenden Randbedingungen maximal sein soll. Die Vorschubgeschwindigkeit der Bodenfräsmaschine bezeichnet dabei die Fortbewegung der Bodenfräsmaschine in Strecke pro Zeiteinheit (beispielsweise in Meter pro Sekunde) in Arbeitsrichtung der Bodenfräsmaschine. Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, dass die für eine verfügbare Antriebsleistung maximal mögliche Fräsleistung insgesamt von den drei Größen Frästiefe, Vorschubgeschwindigkeit und Drehzahl der Fräswalze abhängt. Insbesondere für die jeweils gewünschte Frästiefe ist dabei eine jeweils individuelle optimale Drehzahl verfügbar, bei der eine maximale Vorschubgeschwindigkeit der Bodenfräsmaschine erreichbar ist. Dabei beeinflussen eine Vielzahl von äußeren Faktoren (Betriebsbedingungen) dieses Optimum, wie beispielsweise das aufzufräsende Bodenmaterial, die verwendete Fräswalze beziehungsweise die verwendeten Fräswerkzeuge, die Frästiefe etc. Ausgehend von dieser optimalen Drehzahl wirken sich Variationen der Drehzahl in höhere oder niedrigere Drehzahlbereiche dagegen negativ auf die Vorschubgeschwindigkeit der Bodenfräsmaschine aus. Es versteht sich von selbst, dass das Spektrum der Drehzahlvariabilität durch eine Maximaldrehzahl und eine Minimaldrehzahl begrenzt ist, die im Einzelfall entsprechend auch das Optimum darstellen können. Ziel der Erfindung ist es daher insbesondere auch, ein Verfahren anzugeben, wie die optimale Drehzahl der Fräswalze für eine vorgegebene Frästiefe bei konstanter Antriebsleistung aufgefunden werden kann. Die konstante Antriebsleistung kann dabei insbesondere die maximale Antriebsleistung der Antriebsvorrichtung sein.
Erfindungsgemäß gelingt dies nun konkret dadurch, dass die folgenden Verfahrensschritte beim Betrieb der Bodenfräsmaschine, insbesondere nacheinander, ablaufen: a) Vorgeben eines Ausgangswertes für einen variablen Betriebsparameter; b) Festlegen und Einstellen der konstanten Betriebsparameter; c) Ermitteln des Ausgangswertes der zu optimierenden Betriebsfunktion; d) Variieren des Wertes des variablen Betriebsparameters zu einem Alternativwert, der größer oder kleiner als der Ausgangswert dieses Parameters ist; e) Prüfen, ob der Wert der Betriebsfunktion steigt oder sinkt; und f) Wiederholen der Schritte d) und e) bis zum Erreichen des angestrebten Betriebsoptimums, beispielsweise der maximalen Vorschubgeschwindigkeit, der größten Maschineneffizienz etc. Der erfindungswesentliche Schritt ist somit das Variieren des variablen Betriebsparameters und das Überwachen, inwieweit sich die jeweilige Variation der des Wertes des variablen Betriebsparameter auf die zu optimierenden Betriebsfunktion, beispielsweise die Vorschubgeschwindigkeit der Bodenfräsmaschine, in Bezug auf einen Ausgangswert der Betriebsfunktion, beispielsweise die Ausgangsvorschubgeschwindigkeit, auswirkt. Der Ausgangswert der zu optimierenden Betriebsfunktion ist somit der Wert der zu optimierenden Betriebsfunktion der Bodenfräsmaschine, die vom Maschinenbediener bei Aufnahme des Fräsbetriebs und vor Ablauf der Schritte d) bis f) vorliegt. Entsprechend ist der Ausgangswert des variablen Betriebsparameters derjenige Wert des variablen Betriebsparameters, mit der der Fräsbetrieb zunächst aufgenommen wird, bevor der variable Betriebsparameter gemäß der Schritte d) bis f) variiert wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, verkörpert die Drehzahl der Fräswalze den variablen Betriebsparameter, während die Vorschubgeschwindigkeit der Bodenfräsmaschine die zu optimierende Betriebsfunktion darstellt. Durch die Variation der Drehzahl der Fräswalze beziehungsweise letztlich der Werkzeuggeschwindigkeit, konkret der Fräsmeißel im aufzufräsenden Bodenuntergrundmaterial, erfolgt somit eine Optimierung der Vorschubgeschwindigkeit der Bodenfräsmaschine. Die Vorschubgeschwindigkeit der Bodenfräsmaschine im Arbeitsbetrieb wird durch die maximale Fräsleistung der Fräswalze unter den gegenwärtigen Betriebsbedingungen (beispielsweise Dichte des aufzufräsenden Bodenmaterials, Schärfe der Fräsmeißel) und variablen und im Arbeitsbetrieb üblicherweise konstanten Betriebsparametern (beispielsweise Frästiefe, Drehzahl der Fräswalze) nach oben hin begrenzt. Der Bediener der Bodenfräsmaschine kann diese im Arbeitsbetrieb also höchstens so schnell fahren, wie es die unter den gegenwärtigen Parametereinstellungen maximale Fräsleistung der Fräswalze zulässt. Durch das Variieren der Drehzahl der Fräswalze ändert sich auch die einstellungsbedingt maximale Fräsleistung, und damit auch die einstellungsbedingt maximale Vorschubgeschwindigkeit. Das Variieren der Drehzahl im Fräsbetrieb hin zu einer Alternativdrehzahl kann dabei beispielsweise so erfolgen, dass von der Ausgangsdrehzahl der Fräswalze die Drehzahl zunächst erhöht oder erniedrigt wird. Steigt dadurch die Vorschubgeschwindigkeit bei konstanter Antriebsleistung, wird die Drehzahl weiter erhöht oder erniedrigt, bis dadurch keine Steigerung der Vorschubgeschwindigkeit mehr erreicht wird. Sinkt durch das Variieren der Drehzahl im Fräsbetrieb hin zur Alternativdrehzahl dagegen die Vorschubgeschwindigkeit, wird die Drehzahl der Fräswalze in diese Richtung nicht weiter variiert, sondern die Drehzahl in die entgegengesetzte Richtung wieder geändert. Wurde die Drehzahl in Bezug auf die Ausgangsdrehzahl somit zunächst erhöht und wirkt sich diese Erhöhung negativ auf die Vorschubgeschwindigkeit der Bodenfräsmaschine aus (das heißt, die Vorschubgeschwindigkeit sinkt), erfolgt als nächster Schritt eine Verringerung der Drehzahl der Fräswalze in Bezug auf die Ausgangsdrehzahl und umgekehrt. Eine bevorzugte Ausführungsform sieht somit mit anderen Worten vor, dass durch Variation der Drehzahl eine ideale Drehzahl bei vorgegebener Frästiefe und, insbesondere konstanter, beispielsweise maximaler, Antriebsleistung, erhalten wird und somit eine für die jeweilige Antriebsleistung und Frästiefe maximale Fräsleistung der Bodenfräsmaschine erreicht wird. Die Drehzahl wird somit anhand der Auswirkung auf die Vorschubgeschwindigkeit, und mittels dieser anhand der Auswirkung auf die Fräsleistung, geregelt. Auf diese Weise gelingt es besonders effektiv das jeweilige Optimum der Vorschubgeschwindigkeit und der Drehzahl der Fräswalze für die jeweils gewünschte Frästiefe bei dem vorliegenden Bodenmaterial zu erhalten. Insgesamt erfolgt die Optimierung dieser Betriebsfunktion für eine vorgegebene Frästiefe entsprechend empirisch und angepasst an die jeweils vorliegenden Bodenverhältnisse, sodass die vorteilhaften Effekte der Erfindung über ein besonders breites Spektrum an Bodencharakteristiken erhalten werden, ohne dass hierzu im Vorfeld eine Vielzahl von individuellen Einsatzbedingungen bestimmt werden müssen. Entsprechend ist dieses Verfahren auch auf sämtlichen zu fräsenden Bodenuntergründen und für sämtliche Bodenfräsmaschinen einsetzbar.
Grundsätzlich ist es möglich, dass das Variieren des variablen Betriebsparameters, beispielsweise der Drehzahl, stufenlos erfolgt. Gemäß der oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsform können hierdurch, insbesondere bei homogenen Bodenverhältnissen, optimal maximale Vorschubgeschwindigkeiten erreicht werden. Häufig sind die zu bearbeitenden Bodenuntergründe allerdings beispielsweise in Bezug auf ihre Bodendichte und Härte der aufzufräsenden Bodenmaterialien vergleichsweise heterogen. Dies führt dazu, dass in einem bestimmten Bereich die optimale Drehzahl zum Erhalt der zumindest theoretisch maximalen Vorschubgeschwindigkeit schwankt. Um dennoch einen vergleichsweise kontinuierlichen Fräsbetrieb der Bodenfräsmaschine zu ermöglichen, ist es daher bevorzugt, wenn das Variieren der Drehzahl gemäß Schritt d) in festgelegten Drehzahlintervallen erfolgt. Dies bedeutet mit anderen Worten, dass das Variieren der Drehzahl stufenweise, beispielsweise in Schritten von Plus-Minus zehn Umdrehungen pro Minute erfolgt. Die Staffelung der Variationsschritte hängt dabei insbesondere auch vom Durchmesser der Fräswalze ab. Durch eine stufenweise Veränderung der Drehzahl im Fräsbetrieb wird zwar in Bezug auf die maximal erreichbare Vorschubgeschwindigkeit ein verhältnismäßig gröberes Ergebnis erhalten. Allerdings kann dadurch der Gesamtprozess der Schritte a) bis f) erheblich verkürzt werden. Zusammenfassend bedeutet dies also, dass der Betriebsparameter, je nach konkreter Ausführungsform der Erfindung, sowohl stufenlos variiert werden kann, als auch in festgelegten Intervallen.
Für den praktischen Einsatz hat es sich ferner als vorteilhaft erwiesen, wenn das Prüfen gemäß Schritt e) in der Weise erfolgt, dass das Überschreiten oder Unterschreiten von Differenzschwellenwerten geprüft wird. Kernelement dieser bevorzugten Weiterbildung ist somit, dass ein Absinken oder Ansteigen der zu optimierenden Betriebsfunktion, beispielsweise der Vorschubgeschwindigkeit, nur dann als vorhanden angenommen wird, wenn ein Mindestmaß an Geschwindigkeitsänderung vorliegt. Dieses als Differenzschwellenwert bezeichnete Maß, beispielsweise in der Größenordnung von ±1 km/h, dient ebenfalls dazu, einen gleichmäßigeren Fräsbetrieb unter optimierten Betriebsbedingungen zu ermöglichen und die Reaktionsfähigkeit des vorliegenden Verfahrens somit träger zu gestalten. Dadurch ist gewährleistet, dass sich nicht jede minimale Änderung der Vorschubgeschwindigkeit auf eine Änderung der Drehzahl der Fräswalze auswirkt, sondern dieser Vorgang erst dann ausgelöst wird, wenn die Änderungen der Vorschubgeschwindigkeit die vorgegebenen Differenzschwellenwerte überschreiten.
Je nach Anwendungsfall kann es ferner vorteilhaft sein, wenn das vorstehend genannte Verfahren gemäß der Schritte a) bis f) lediglich zu Beginn des Fräsbetriebs durchgeführt wird und nach dem Erreichen eines Abbruchkriteriums, beispielsweise dem erstmaligen Erreichen der maximalen Vorschubgeschwindigkeit im Schritt f), der Fräsbetrieb mit dem dann ermittelten Wert des variablen Betriebsparameters fortgesetzt wird. Bei diesem Verfahren ist erst bei einer Änderung der im Hinblick auf das Optimierungsverfahren konstanten Betriebsparameter, beispielsweise der Frästiefe, und/oder der Aufnahme eines neuen Fräsprozesses vorgesehen, dass der vorstehend beschriebene Optimierungsprozess erneut durchlaufen wird. Alternativ kann es allerdings auch bevorzugt sein, wenn die Schritte a) bis f) kontinuierlich über den gesamten Fräsprozess hinweg fortgesetzt werden. Bei dieser Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens findet somit kontinuierlich eine Anpassung des Betriebsparameters der Fräswalze statt, um möglichst über den gesamten Fräsprozess hinweg das jeweilige Betriebsoptimum der Bodenfräsmaschine zu erreichen. Schließlich ist es auch möglich, dass der erfindungsgemäße Optimierungsprozess über das jeweilige Betriebsintervall hinweg in regelmäßigen Zeitabständen und/oder nach festgelegten zurückgelegten Frässtreckenintervallen durchlaufen wird.
Im konkreten Anwendungsbeispiel kann das Variieren der Drehzahl der Fräswalze auf unterschiedliche Art und Weise erreicht werden. Im einfachsten Fall kann beispielsweise die Ausgangsdrehzahl der Antriebseinrichtung, beispielsweise eines Verbrennungsmotors, variiert werden. Dieses Vorgehen ist allerdings insofern nachteilig, als das stets der Betrieb der Hauptantriebseinrichtung in einem vergleichsweise konstanten und energetisch optimalen Betriebsbereich gewünscht ist. Ferner können grundsätzlich Getriebe in den Antriebsstrang integriert werden, wie beispielsweise Schaltgetriebe, wobei dann keine stufenlose Drehzahlvariabilität der Fräswalze gegeben ist. Das Variieren der Drehzahl erfolgt dann den Schaltstufen des Schaltgetriebes entsprechend. Besonders bevorzugt ist es jedoch, wenn das Variieren der Drehzahl gemäß Schritt d) der Fräswalze wenigstens teilweise über ein Summiergetriebe, insbesondere Planetengetriebe, durch Variieren wenigstens einer Eingangsdrehzahl einer von wenigstens zwei Antriebseinrichtungen erfolgt. Eine solche Anordnung ist konkret beispielsweise in der Patentfamilie der DE 10 2012 006 189.7 angegeben, die insbesondere in diesem Zusammenhang in Bezug genommen wird. Danach sind insgesamt zwei Antriebseinrichtungen zum Drehantrieb der Fräswalze vorgesehen, wobei die Hauptantriebseinrichtung auf einem vergleichsweise konstanten Leistungsniveau läuft. Die Drehzahlvariation erfolgt dagegen schwerpunktmäßig über die zweite Antriebseinrichtung, bei der es sich insbesondere um einen leistungsschwächeren Hilfsantrieb handeln kann, wie insbesondere einen Elektro- oder Hydraulikmotor. Die über die beiden Antriebseinrichtungen eingeleiteten Antriebsleistungen werden über das Summiergetriebe anschließend zusammengeführt und über eine mit der Fräswalze verbundene Abtriebswelle auf die Fräswalze übertragen.
Grundsätzlich ist es möglich, das vorstehend beschriebene Verfahren manuell durchzuführen. Dazu sind vorzugsweise Einrichtungen vorhanden, über die der Bediener der Bodenfräsmaschine die Auswirkungen der Variation des Wertes des variablen Betriebsparameters, beispielsweise der Drehzahl, auf die zu optimierende Betriebsfunktion, beispielsweise die Vorschubgeschwindigkeit, beobachten kann, wie beispielsweise entsprechende Anzeigebildschirme. Bevorzugt ist es allerdings, wenn das erfindungsgemäße Verfahren im Rahmen einer Automatiksteuerung abläuft. Automatiksteuerung bedeutet dabei, dass insbesondere die Schritte a) bis f) und, falls vorhanden, die Verfahrensschritte der bevorzugten Weiterbildungen, rechnergestützt und ohne manuelle Einflussnahme bzw. selbsttätig ablaufen. Der Bediener der Bodenfräsmaschine muss dann lediglich diesen Betriebsmodus aktivieren oder deaktivieren, ohne sich anschließend um eine weitere Regelung des Abstimmungsprozesses zwischen variablem Betriebsparameter und zu optimierender Betriebsfunktion zu kümmern. Hierzu ist eine entsprechende Steuereinrichtung vorgesehen.
Ein weiterer wesentlicher Aspekt der Erfindung liegt ferner in einer Bodenfräsmaschine zum Abfräsen von Bodenuntergrundmaterial, insbesondere einer Bodenfräsmaschine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Gattungsgemäße Bodenfräsmaschinen umfassen einen Maschinenrahmen, mit dem Maschinenrahmen verbundene Fahreinrichtungen, wie insbesondere Kettenlaufwerke und/oder Radlaufwerke, eine Antriebseinrichtung, wie insbesondere einen Verbrennungsmotor, und eine Fräswalze. Die Fräswalze weist neben einem hohlzylinderförmigen Tragrohr eine Vielzahl von auf der Außenmantelfläche des Tragrohrs angeordneten Meißeleinrichtungen auf, wie sie im Stand der Technik bereits beschrieben sind. Die Fräswalze ist um eine horizontal und quer zur Arbeitsrichtung verlaufende Rotationsachse rotierbar direkt oder indirekt am Maschinenrahmen gelagert. Ferner ist ein Antriebsstrang vorhanden, der Antriebsenergie von der Antriebseinrichtung auf die Fräswalze überträgt. Dieser Antriebsstrang kann mehrere Übertragungsstufen, wie beispielsweise ein Schaltgetriebe und/oder ein Riemen- oder Kettengetriebe etc. umfassen. Ferner weist die Bodenfräsmaschine eine Einrichtung zur Ermittlung und Überwachung einer zu optimierenden Betriebsfunktion, beispielsweise der Vorschubgeschwindigkeit, auf. Diese Einrichtung ist so ausgebildet, dass sie entweder den Wert der zu optimierenden Betriebsfunktion (beispielsweise der Vorschubgeschwindigkeit der Bodenfräsmaschine) direkt messen kann, oder aber eine physikalische Größe messen kann, die zu der zu optimierenden Betriebsfunktion in bekanntem Verhältnis steht (beispielsweise die Drehzahl der Fahreinrichtungen). Eine solche Einrichtung kann beispielsweise eine Einrichtung zur Messung der Vorschubgeschwindigkeit umfassen, also beispielsweise einen Drehzahlsensor an einer der Fahreinrichtungen der Bodenfräsmaschine oder auch eine sonstige Einrichtung, über die die Fahrgeschwindigkeit der Bodenfräsmaschine, beispielsweise auch anhand des Bodenuntergrundes, ermittelt werden kann. Abhängig von der konkret zu optimierenden Betriebsfunktion kann die Einrichtung zur Ermittlung und Überwachung der zu optimierenden Betriebsfunktion beispielsweise auch einen Sensor für den Kraftstoffverbrauch der Antriebseinrichtung umfassen (beispielsweise über Messung der Drehzahl des Antriebsmotors). Ebenso kann die Einrichtung zur Ermittlung und Überwachung der zu optimierenden Betriebsfunktion eine Datenverarbeitungseinrichtung umfassen, die dazu geeignet ist, verschiedene durch Sensoren aufgenommene Signale miteinander zu kombinieren, um daraus die zu optimierende Betriebsfunktion zu berechnen, beispielsweise indem die ermittelte Vorschubgeschwindigkeit der Bodenfräsmaschine mit der eingestellten Frästiefe multipliziert und durch den ermittelten Kraftstoffverbrauch der Bodenfräsmaschine dividiert wird, um die Fräsleistungseffizienz der Bodenfräse zu ermitteln.
Wesentlich für die erfindungsgemäße Ausbildung der Bodenfräsmaschine ist nun, dass ferner eine Steuereinrichtung zur Steuerung des Fräswalzenbetriebes vorhanden ist. Wesentliches Charakteristikum dieser Steuereinrichtung ist ihre Ausbildung in der Weise, dass sie, ausgehend von einem vorgegebenen Ausgangswert, mindestens einen Betriebsparameter der Bodenfräsmaschine, beispielsweise die Drehzahl der Fräswalze, von einem Ausgangswert zum Erreichen einer maximalen Betriebsfunktion variiert. Wie dieses Variieren verfahrensmäßig konkret aussehen kann, ist beispielsweise in den vorhergehenden Ausführungen zum erfindungsgemäßen Verfahren bereits angegeben, auf die nunmehr auch in Bezug auf die Bodenfräsmaschine Bezug genommen wird.
Grundsätzlich ist es zwar möglich, dass das Verfahren allein über die Verfolgung der zu optimierenden Betriebsfunktion, beispielsweise der Vorschubgeschwindigkeit, durchgeführt wird. Ideal ist es allerdings, wenn auch der variable Betriebsparameter, beispielsweise die Drehzahl der Fräswalze, mittels eines geeigneten Sensors, beispielsweise eines Drehzahlsensors, überwacht wird und an die Steuereinrichtung übermittelt wird.
Die Steuereinrichtung kann dabei zur manuellen Bedienung ausgebildet sein oder aber auch, vorzugsweise, zur automatischen Steuerung des variablen Betriebsparameters der Fräswalze in Abhängigkeit von der zu optimierenden Betriebsfunktion. Auch diesbezüglich wird auf die vorhergehenden Ausführungen Bezug genommen. Entsprechend ist die erfindungsgemäße Bodenfräsmaschine insbesondere in der Weise ausgebildet, dass sie ein Verfahren gemäß den vorstehenden Ausführungen zum erfindungsgemäßen Verfahren automatisch beziehungsweise selbsttätig durchführt.
Besonders deutlich treten die Vorteile der Erfindung bei Bodenfräsmaschinen mit vergleichsweise hoher Fräsleistung und langen Fräsintervallen hervor. Dies ist insbesondere bei sogenannten Großfräsen der Fall. Vorzugsweise ist die Bodenfräsmaschine daher auch eine Straßenfräse, insbesondere eine Mittelrotorfräse, die sich dadurch auszeichnet, dass die Fräswalze zwischen vorderen und hinteren Fahreinrichtungen angeordnet ist.
Grundsätzlich kann zum Variieren der Drehzahl der Fräswalze auf verschiedene alternative Möglichkeiten zurückgegriffen werden. Optimal ist es allerdings, wenn die Steuereinrichtung zur Steuerung eines Hilfsantriebes ausgebildet ist, dessen Antriebsleistung über ein Summiergetriebe in einen Antriebsstrang zwischen Hauptantriebseinrichtung und Fräswalze eingespeist wird. Auf diese Weise ist eine besonders einfache und gleichzeitig auch exakte Veränderung der Drehzahl der Fräswalze möglich. Gleichzeitig kann die Hauptantriebseinrichtung in einem vergleichsweise konstanten Leistungsbereich betrieben werden, wodurch ein besonders ökonomischer Betrieb der Bodenfräsmaschine möglich ist. Konkret ist das Summiergetriebe beispielsweise ein Planetengetriebe.
Der Hilfsantrieb kann dabei insbesondere ein Elektromotor oder ein Hydraulikmotor sein, wobei es dann ganz besonders bevorzugt ist, wenn die für den Betrieb des Elektromotors oder des Hydraulikmotors erforderliche Antriebsenergie ebenfalls von der Hauptantriebseinrichtung geliefert wird.
Nachstehend wird die Erfindung anhand des in den Figuren angegebenen Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen schematisch:
1 eine Seitenansicht auf eine Bodenfräsmaschine;
2 eine Seitenansicht auf eine Fräswalze;
3 eine Prinzipskizze eines Antriebsstrangs der Bodenfräsmaschine aus 1 mit Fräswalze;
4 weitere Details zur Prinzipskizze aus 3;
5 einen Graph zur Veranschaulichung der Vorschubgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Frästiefe bei verschiedenen Drehzahlen der Fräswalze;
6 einen Graph zur Veranschaulichung der Abhängigkeit der Fräsleistung von der Frästiefe bei verschiedenen Drehzahlen der Fräswalze; und
7 ein Ablaufdiagramm zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Gleiche Bauteile sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen angegeben, wobei nicht jedes sich wiederholende Bauteil separat bezeichnet ist.
Wesentliche Elemente der als Straßenfräse ausgebildeten Bodenfräsmaschine 1 vom Typ Mittelrotorfräse aus 1 sind insbesondere ein Maschinenrahmen 2, Fahreinrichtungen 3 und eine nicht näher angegebene Hauptantriebseinrichtung 4, die über einen Antriebsstrang 5 mit einer in einem Fräswalzenkasten 6 angeordneten Fräswalze 7 verbunden ist. Ferner sind ein Fahrstand 8 sowie ein Förderband 9 vorhanden, über das Fräsgut von der Bodenfräsmaschine 1 abtransportiert werden kann. Im Arbeitsbetrieb fährt die Bodenfräsmaschine 1 bei in den Bodenuntergrund mit der Frästiefe FT abgesenkter Fräswalze 7 in Arbeitsrichtung a über den Bodenuntergrund und fräst dabei Bodengrundmaterial in gewünschter Tiefe auf.
Wesentliches Element der lediglich stark schematisiert in 1 angegebenen Fräswalze 7 ist ein hohlzylinderförmiges Tragrohr 10, auf dessen Außenmantelfläche 11 eine Vielzahl von Fräswerkzeugen 12 angeordnet sind. Im Fräsbetrieb rotiert die Fräswalze 7 um die horizontal und quer zur Arbeitsrichtung a verlaufende Rotationsachse R in Rotationsrichtung b und fräst dabei Bodengrundmaterial auf. Die Geschwindigkeit, mit der die einzelnen Fräswerkzeuge 12 in Umlaufrichtung b durch den Bodenuntergrund getrieben werden, wird auch als Werkzeuggeschwindigkeit bezeichnet. In 3 ist der Antriebsstrang 5 der Bodenfräsmaschine 1 näher angegeben. Der Antriebsstrang 5 überträgt Antriebsenergie von der als Verbrennungsmotor ausgebildeten Hauptantriebseinrichtung 4 auf die Fräswalze 7. An die Abtriebswelle 13 des Verbrennungsmotors 4 schließt sich dazu eine Elastikkupplung 14, eine Schaltkupplung 15, ein Riemengetriebe 16 und ein Antriebsgetriebe 17 an. Zwischen dem Verbrennungsmotor 4 und der Elastikkupplung 14 ist ferner ein Verteilergetriebe 18 angeordnet, an das im vorliegenden Beispiel mehrere Hydraulikpumpen 19 angeschlossen sind. Ferner ist ein Sekundärantrieb bzw. Hilfsantrieb 20 vorhanden, der ebenfalls in das Antriebsgetriebe 17 mündet. Abtriebsseitig weist das Antriebsgetriebe 17 eine Abtriebswelle 21 auf, über die Drehbewegung auf das Tragrohr 10 übertragen wird. Weitere Einzelheiten zum Aufbau des Antriebsstrangs 5 sind in 3 angegeben. Demnach ist das Antriebsgetriebe 17 als Plantetengetriebe ausgebildet und wirkt als Summiergetriebe, wobei Antriebsenergie über die Eingangswellen 22 von der Antriebseinrichtung 4 und 23 vom Hilfsantrieb 20 eingespeist wird und über die Abtriebswelle 21 vom Planetengetriebe 17 auf das Tragrohr 10 übertragen wird. Bei dem in 4 angegebenen Ausführungsbeispiel treibt die Antriebseinrichtung 4 die Hydraulikpumpe 19 an, die zum Antrieb des als Hydraulikmotor ausgebildeten Hilfsantriebs 20 dient.
Wesentlich ist nun, dass eine Steuereinrichtung 24 vorgesehen ist, über die eine Änderung der Drehzahl der Fräswalze 7 zur Optimierung der Vorschubgeschwindigkeit der Bodenfräsmaschine 1 ermöglicht wird. Die Steuereinrichtung 24 ist dazu zunächst mit einem Geschwindigkeitssensor 25 verbunden, über den die Vorschubgeschwindigkeit der Bodenfräsmaschine 1 ermittelbar ist. Der Geschwindigkeitssensor 25 ist dazu im konkreten Ausführungsbeispiel an einer der Fahreinrichtungen 3 angeordnet. Die Steuereinrichtung 24 ist ferner mit einem Drehzahlsensor 26 verbunden, über den die Drehzahl der Fräswalze 7 ermittelbar ist, wobei dieser Drehzahlsensor 26 optional ist. Die Steuereinrichtung 24 ist schließlich auch mit dem Antriebsstrang 5, insbesondere der Antriebseinrichtung 4, und dem Hilfsantrieb 20 verbunden und kann insbesondere die Antriebsleistung des Hilfsantriebs 20 steuern. Wie die Steuerung konkret erfolgt, ist insbesondere in der nachstehend noch näher beschriebenen 7 näher angegeben.
In den 5 und 6 wird jeweils anhand von drei verschiedenen Drehzahlen der Fräswalze 7 der Einfluss der Frästiefe auf den Vorschub bzw. die Vorschubgeschwindigkeit (5) und auf die Fräsleistung (6) näher beschrieben. Die gestrichelt dargestellte Kurve ist dabei eine höhere Drehzahl, die gepunktete Kurve entspricht einer mittleren Drehzahl und die durchgezogene Linie entspricht einer niedrigen Drehzahl, sodass insgesamt gilt: gestrichelte Drehzahl > gepunktete Drehzahl > durchgezogene Drehzahl. Die angegebenen Kurven und darauf ableitbaren Zahlenverhältnisse sind dabei lediglich exemplarisch zur Veranschaulichung der der Erfindung zugrunde liegenden Gesetzmäßigkeiten zu verstehen. 5 verdeutlicht, dass bei steigenden Frästiefen einerseits die Vorschubgeschwindigkeit in Meter pro Minute bei konstanter Drehzahl (in Umdrehungen pro Zeiteinheit) sinkt und dass bestimmte Drehzahlen insbesondere nur in bestimmten Frästiefen anwendbar sind. Die Kurven gehen dabei jeweils von einer konstanten Antriebsleistung der Antriebseinrichtung aus. 6 verdeutlicht insbesondere mit der Kurve der durchgezogenen Linie, dass bestimmte Drehzahlen eine optimale Frästiefe im Hinblick auf die Fräsleistung aufweisen, die sich in dem Scheitelpunkt 27 in den Kurven in 6 niederschlägt. 6 verdeutlicht somit insbesondere, dass die Fräsleistung in Volumen pro Zeiteinheit nicht linear mit der Frästiefe zusammenhängt. Insbesondere können über den Scheitelpunkt 27 der jeweiligen Drehzahl hinausgehende Frästiefen die Fräsleistung, das heißt das gefräste Bodenvolumen pro Zeiteinheit, erheblich absinken. Es gilt daher bei für den jeweiligen Fräsvorgang vorgegebener Frästiefe die maximale Fräsleistung, d. h. die optimale Drehzahl der Fräswalze zum Erhalt des maximalen Vorschubs der Bodenfräsmaschine 1, zu ermitteln. Dies wird durch das in 7 näher angegebene Verfahren ermöglicht, zu der das insbesondere in 4 angegebene System um die Steuereinrichtung 24 in der Lage ist.
Wesentliche Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in 7 zusammengefasst. Im Schritt 28 erfolgt dabei zunächst das Vorgeben eines Ausgangswertes P₀ eines variablen Betriebsparameters, beispielsweise der Drehzahl der Fräswalze 7. Im Schritt 29 werden die konstanten Betriebsparameter C_n, beispielsweise die Frästiefe, festgelegt und eingestellt, d. h. die Bodenfräsmaschine nimmt ihre Fräsposition zum Erhalt der konstanten Betriebsparameter C_n mit dem Ausgangswert P₀ des variablen Betriebsparameters ein. Anschließend wird der Fräsbetrieb aufgenommen, und der Ausgangswert F₀ der zu optimierenden Betriebsfunktion ermittelt. Nun erfolgt im Schritt 31 das Variieren des Wertes P des variablen Betriebsparameters im Fräsbetrieb hin zu einem Alternativwert P', der größer oder kleiner als der Ausgangswert P₀ des variablen Betriebsparameters ist. Über die jeweils geeignete Sensorik, beispielsweise den Geschwindigkeitssensor 25, ermittelt die Steuereinrichtung 24 nun die Auswirkung der durchgeführten Änderung des Ausgangswertes P₀ des variablen Betriebsparameters hin zum alternativen Wert P des zu variablen Betriebsparameters und prüft insbesondere, ob der Wert F der zu optimierende Betriebsfunktion steigt oder sinkt. Anschließend wird der Schritt 31 wiederholt.
Bei der Wiederholung des Schrittes 31 kann das Verfahren dahingehend unterschiedlich ausfallen, nach welchen Gesetzesmäßigkeiten der exakte Wert festgelegt wird, um den der variable Betriebsparameter variiert wird. Beispielsweise kann das Verfahren so ausgeführt sein, dass bei einem Anstieg des der Wertes F der zu optimierenden Betriebsfunktion der Schritt 31 insoweit wiederholt wird, als dass der Wert P des variablen Betriebsparameters weiter in die gleiche Richtung variiert wird. Wurde der Wert P des variablen Betriebsparameters somit erhöht, erfolgt bei der Wiederholung des Schritts 31 eine weitere Erhöhung des Wertes P des variablen Betriebsparameters. Sinkt der Wert F der Betriebsfunktion dagegen, wird der Wert P des variablen Betriebsparameters im Vergleich zu P0 in entgegen gesetzter Richtung variiert. Wurde der Wert P vorher somit vergrößert, wird er nun verkleinert und umgekehrt. Die Schritte 31 und 32 werden gemäß Schritt 33 so häufig wiederholt, bis ein optimaler Wert F_max der Betriebsfunktion der Bodenfräsmaschine 1 für die vorgegebenen konstanten Betriebsparameter C_n erreicht wird. Dies äußert sich darin, dass eine Variation des P Wertes des variablen Betriebsparameters hin zu größeren Werten des variablen Betriebsparameters und hin zu kleineren Werten des Betriebsparameters jeweils eine Verringerung des Wertes F der zu optimierenden Betriebsfunktion zur Folge hat. In 7 ist der variable Betriebsparameter P beispielsweise die Fräswalzendrehzahl.
Grundsätzlich sind auch andere Verfahren zur Variation eines variablen Betriebsparameters möglich, beispielsweise skalare Optimierungsverfahren (bei denen die Variierung des variablen Betriebsparameters nur in festgelegten Intervalle erfolgt), lokale Optimierungsverfahren (wie etwa das Gradientenverfahren), globale Optimierungsverfahren (wie etwa der Bayes'sche Optimierung), lineare Optimierungsverfahren (wie das Simplex-Verfahren) oder nichtlineare Optimierungsverfahren (wie etwa der Bergsteigeralgorithmus, simulierte Abkühlung oder der Metropolis-Hastings Algorithmus). Das eingesetzte Optimierungsverfahren bestimmt unter anderem jeweils ob, und um welchen Wert und in welchen Zeitintervallen eine Variierung des variablen Betriebsparameters in Schritt 31 unter Vorraussetzung eines bestimmten Systemzustandes erfolgt. Der Systemzustand umfasst hierbei zumindest die Gesamtheit der aktuellen Werte sämtlicher konstanten und variablen Betriebsparameter sowie den Wert der zu optimierenden Betriebsfunktion. Je nach Wahl des eingesetzten Optimierungsverfahrens kann der Systemzustand zusätzlich Werte der variablen Betriebsparameter und der zu optimierenden Betriebsfunktion im Verlauf des aktuellen Arbeitsvorganges und/oder Werte der variablen Betriebsparameter und der zu optimierenden Betriebsfunktion bei vergangenen Arbeitsvorgängen umfassen.
Insbesondere ist hierbei die Zahl der variablen Betriebsparameter nicht auf einen einzigen Betriebsparameter begrenzt. Abhängig von der zu optimierenden Betriebsfunktion kann es vorteilhaft sein, mehrere Betriebsparameter innerhalb eines gemeinsamen Optimierungsverfahrens zugleich oder im Wechsel zu variieren. Als Beispiel soll hier die Optimierung der Leistungseffizienz des Fräsbetriebs dienen, also des Verhältnisses der Motorleistung der Fräswalzenantriebseinrichtung (Beispielsweise der Hauptantriebseinrichtung 4 oder der Hilfsantriebseinrichtung 20) zur Fräsleistung bei variabler Drehzahl der Fräswalze und variabler Motorleistung der Fräswalzenantriebseinrichtung. Bei der Drehzahl der Fräswalze und der Motorleistung des Antriebsmotors handelt es sich also um die variablen Betriebsparameter, während die Leistungseffizienz des Fräsbetriebs die zu optimierende Betriebsfunktion darstellt. Das konkrete Verfahren zur Optimierung der Leistungseffizienz des Fräsbetriebs beginnt nun, indem in Schritt 28 die Ausgangswerte für Drehzahl und Leistung der Fräswalzenantriebseinrichtung gesetzt werden. Anschließend werden in Schritt 29 die konstanten Betriebsparameter, beispielweise die Frästiefe, gesetzt, und dann in Schritt 30 die Ausgangsvorschubgeschwindigkeit gemessen, aus der Ausgangsvorschubgeschwindigkeit und der Frästiefe die Fräsleistung berechnet, und aus der so berechneten Fräsleistung und der Antriebsleistung die Ausgangsleistungseffizienz des Fräsbetriebes ermittelt. Anschließend wird in Schritt 31 die Drehzahl der Fräswalze und/oder die Motorleistung der Fräswalzenantriebseinrichtung variiert, wobei der exakte Wert der jeweiligen Variierung von dem konkret verwendeten Optimierungsverfahren abhängt. In der Folge wird in Schritt 32 dann die Auswirkung dieser Parameteränderung auf die Vorschubgeschwindigkeit gemessen, und darüber analog zu Schritt 30 die Leistungseffizienz des Fräsbetriebs berechnet und mit der Ausgangsleistungseffizient des Fräsbetriebs verglichen. Im Rahmen von Schritt 33 werden dann die Schritte 31 und 32 entweder so lange wiederholt, bis ein bestimmtes Abbruchkriterium erreicht wurde (beispielsweise, wenn über eine bestimmte Zahl an Durchläufen der Schritte 31 und 32 weder eine Erhöhung noch eine Verringerung der beiden Parameterwerte eine Erhöhung der Leistungseffizienz bewirken), oder die Schritte 31 und 32 werden über den gesamten weiteren Fräsbetrieb hin wiederholt. Letzteres Verfahren ist dabei insbesondere bei heterogenen Bodenverhältnissen vorteilhaft, wo die ideale Drehzahl und die ideale Leistung der Antriebseinrichtung sich im Arbeitsbetrieb je nach Eigenschaften des aufzufräsenden Bodenmaterials ändern.
Ein weiteres Einsatzfeld für ein erfindungsgemäßes Optimierungsverfahren einer Betriebsfunktion einer Bodenfräsmaschine bietet der Arbeitsmodus „Feinfräsen”. Im Feinfräsbetrieb ist das Verhältnis von Fräswalzendrehzahl U und Vorschubgeschwindigkeit v vorzugsweise konstant zu halten, um ein einheitliches Fräsbild zu gewährleisten. Es existiert also ein Sollverhältnis zwischen Fräswalzendrehzahl und Vorschubgeschwindigkeit. Um ein möglichst flexibles Arbeiten im Feinfräsbetrieb bei unterschiedlichen Vorschubgeschwindigkeiten zu ermöglichen, soll also bewirkt werden, dass das Verhältnis von Fräswalzendrehzahl U und Vorschubgeschwindigkeit v über den gesamten Arbeitsvorgang konstant bleibt. Durch diese Vorgabe ergibt sich zu jeder Fräswalzendrehzahl U eine bekannte Sollvorschubgeschwindigkeit v_s. Damit besteht die zu optimierende Betriebsgröße im Arbeitsbetrieb aus der Differenz zwischen der Ist-Vorschubgeschwindigkeit v und der von der Drehzahl abhängigen Soll-Vorschubgeschwindigkeit v_s für die gegenwärtige Fräswalzendrehzahl U. Zur konkreten Umsetzung wird in Schritt 28 jeweils ein Ausgangswert für Vorschubgeschwindigkeit v₀ und Rotordrehzahl U₀ festgelegt. In Schritt 29 werden anschließend die Werte der konstanten Betriebsparameter, beispielsweise der Wert der Frästiefe T festgelegt. Zunächst erfolgt in Schritt 31 keine Variation der Rotordrehzahl U. In Schritt 32 wird nun der Wert der Ist-Vorschubgeschwindigkeit mit dem Wert der Soll-Vorschubgeschwindigkeit verglichen. Bei gleichbleibenden Eigenschaften des Fräsmaterials ist davon auszugehen, dass das Verhältnis der beiden aktuellen Werte von Ist-Vorschubgeschwindigkeit und Sollvorschubgeschwindigkeit weiterhin dem Ausgangsverhältnis entspricht. Sobald sich allerdings die Materialeigenschaften ändern, also beispielsweise die Dichte des Fräsmaterials zunimmt, kann die Ist-Vorschubgeschwindigkeit von der Sollvorschubgeschwindigkeit abweichen, beispielsweise weil die Dichte des Fräsmaterials zum limitierenden Faktor der Vorschubgeschwindigkeit unter gleichbleibender Drehzahl des Fräsrotors wird. Um weiterhin ein einheitliches Fräsbild zu gewährleisten, muss als Reaktion auf die veränderte Vorschubgeschwindigkeit auch die Drehzahl des Fräsrotors angepasst werden, beispielsweise muss bei sinkender Ist-Vorschubgeschwindigkeit auch die Drehzahl des Fräsrotors im gleichen Verhältnis angepasst werden. Diese Anpassung erfolgt in Schritt 31. Allerdings besteht, wie zum Beispiel aus den 5 und 6 ersichtlich, ein Wirkungszusammenhang zwischen der Drehzahl des Fräsrotors und der Vorschubgeschwindigkeit. Daher kann eine in Schritt 31 erfolgte Variation der Rotordrehzahl in höhere oder niedrigere Drehzahlbereiche bewirken, dass damit die Vorschubgeschwindigkeit erneut steigt oder sinkt, was in Schritt 32 überprüft wird. Eine solche drehzahlvariationsbedingte Änderung der Vorschubgeschwindigkeit bewirkt, dass die Ist-Vorschubgeschwindigkeit nicht mehr der Sollvorschubgeschwindigkeit entsprich, an welche die Rotordrehzahl zuvor in Schritt 31 erfolgt ist, und macht somit einen weiteren Optimierungsschritt gemäß Schritt 33 erforderlich, also eine Wiederholung der Schritte 31 und 32. Diese Wiederholung erfolgt nun so lange, bis die Ist-Vorschubgeschwindigkeit und die Sollvorschubgeschwindigkeit übereinstimmen, folglich das Sollverhältnis von Rotordrehzahl zu Vorschubgeschwindigkeit erreicht wird, und somit das gewünschte Fräsbild erhalten wird. Ein analoges Verfahren ergibt sich für im Arbeitsmodus „Mischen” bei einem Stabiliserer/Recycler, wo durch ein gleichbleibendes Verhältnis von Vorschubgeschwindigkeit v und Rotordrehzahl U ein einheitliches Mischbild bewirkt werden soll.
Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, dass das in 7 angegebene Verfahren über den gesamten Fräsprozess hinweg gemäß Schritt 34 wiederholend durchlaufen wird, sodass stets eine Anpassung der Fräswalzendrehzahl an die maximal mögliche Vorschubgeschwindigkeit stattfindet. Die Ausgangsdrehzahl U_a entspricht dabei der variierten Drehzahl U_x des vorhergehenden Durchlaufs. Im konkreten Ausführungsbeispiel erfolgt dieser sich über den gesamten Fräsprozess wiederholende Ablauf ferner zeitgesteuert nach Ablauf eines festgelegten Zeitintervalls. Alternativ ist es allerdings auch möglich, dass dieser Prozess bis zum erstmaligen Erreichen einer maximalen Vorschubgeschwindigkeit v_max durchlaufen wird und anschließend die dann vorherrschenden Parameter in Bezug auf die Fräswalzendrehzahl beibehalten werden. Entsprechend wird der in 7 angegebene Prozess im Schritt 35 gestoppt.
Zur Durchführung dieses Verfahrens ist im Ausführungsbeispiel gemäß 4 angegeben, dass die Steuereinrichtung 24 die Variationen der Drehzahl der Abtriebswelle 21 des Planetengetriebes 17 durch eine Steuerung der Abtriebsdrehzahl des Hydraulikmotors 20 über die Eingangswelle 23 des Planetengetriebes 17 steuert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2578749 A2 [0002]
DE 102010050441 A1 [0002]
DE 102012006189 [0004, 0015]
EP 2013/000686 [0004]

Claims

Verfahren zur Optimierung einer Betriebsfunktion einer Bodenfräsmaschine (1), umfassend die folgenden Verfahrensschritte: a) Vorgeben eines Ausgangswertes (P₀) für einen variablen Betriebsparameter der Bodenfräsmaschine; b) Festlegen und Einstellen eines Wertes wenigstens eines konstanten Betriebsparameter (C_m) der Bodenfräsmaschine; c) Aufnahme des Fräsbetriebs und Erfassen des Ausgangswertes (P₀) der zu optimierenden Betriebsfunktion der Bodenfräsmaschine (1); d) Variieren des Wertes (P) des variablen Betriebsparameters im Fräsbetrieb hin zu einem Alternativwert (P'), der größer oder kleiner als der Ausgangswert (P₀) ist; e) Prüfen, ob der Wert (P') der zu optimierenden Betriebsfunktion steigt oder sinkt; f) Wiederholen der Schritte d) und e) bis zum Erreichen des optimalen Wertes der Betriebsfunktion, wobei der optimale Wert der Betriebsfunktion ein maximaler Wert oder ein minimaler Wert sein kann.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der variable Betriebsparameter die Drehzahl der Fräswalze oder die Motorleistung des Antriebsmotors des Fräsrotors ist.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zu optimierende Betriebsfunktion die Vorschubgeschwindigkeit der Bodenfräsmaschine ist oder die Fräsleistung der Bodenfräsmaschine ist oder die Kraftstoffeffizienz der Bodenfräsmaschine ist oder die Abweichung der Ist-Vorschubgeschwindigkeit der Bodenfräsmaschine von einer Soll-Vorschubgeschwindigkeit ist.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Variieren (31) des Wertes des Betriebsparameters (P) gemäß Schritt d) in festgelegten Intervallen des Wertes des Betriebsparameters erfolgt.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Prüfen (32) gemäß Schritt e) in der Weise erfolgt, dass das Überschreiten oder Unterschreiten von Differenzschwellenwerten der Betriebsfunktion geprüft wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Erreichen des optimalen Wertes der Betriebsfunktion im Schritt f) der Fräsbetrieb mit dem dann ermittelten Betriebsparameter (P') fortgesetzt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte a) bis f) kontinuierlich über den gesamten Fräsprozess hinweg fortgesetzt werden.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der variable Betriebsparameter die Drehzahl der Fräswalze ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Variieren der Drehzahl (U) gemäß Schritt d) der Fräswalze (7) über ein Summiergetriebe, insbesondere Planetengetriebe, durch Variieren wenigstens einer Eingangsdrehzahl einer von wenigstens zwei Antriebseinrichtungen (4, 20) erfolgt.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte a) bis f) durch eine Automatiksteuerung gesteuert werden.
Bodenfräsmaschine (1) zum Abfräsen von Bodenuntergrundmaterial, umfassend einen Maschinenrahmen (2), Fahreinrichtungen (3), eine Antriebseinrichtung (4, 20) und eine Fräswalze (7), auf die über einen Antriebsstrang (5) Antriebsenergie von der Antriebseinrichtung (4, 20) übertragbar ist, und eine Einrichtung (25) zur Ermittlung der Vorschubgeschwindigkeit, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinrichtung (24) zur Steuerung des Fräswalzenbetriebs vorhanden ist, die in der Weise ausgebildet ist, dass sie, ausgehend von einer vorgegebenen Ausgangsvorschubgeschwindigkeit, die Drehzahl (U) der Fräswalze (7) von einer Ausgangsdrehzahl (U_a) zum Erreichen einer maximalen Vorschubgeschwindigkeit variiert.
Bodenfräsmaschine gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Durchführung eines in wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9 angegebenen Verfahrens ausgebildet ist.
Bodenfräsmaschine gemäß einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Straßenfräse, insbesondere Mittelrotorfräse, ist.
Bodenfräsmaschine gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (24) zur Steuerung eines Hilfsantriebes (20) ausgebildet ist, dessen Antriebsleistung über ein Summiergetriebe (17) in einen Antriebsstrang (5) zwischen Hauptantriebseinrichtung (4) und Fräswalze eingespeist wird.
Bodenfräsmaschine gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Summiergetriebe (17) ein Planetengetriebe ist.
Bodenfräsmaschine gemäß einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfsantrieb (20) ein Elektromotor oder ein Hydraulikmotor ist.