EP1861546B1 - System für die koordinierte bodenbearbeitung - Google Patents
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- EP1861546B1 EP1861546B1 EP06705412.2A EP06705412A EP1861546B1 EP 1861546 B1 EP1861546 B1 EP 1861546B1 EP 06705412 A EP06705412 A EP 06705412A EP 1861546 B1 EP1861546 B1 EP 1861546B1
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- E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
- E02D—FOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
- E02D3/00—Improving or preserving soil or rock, e.g. preserving permafrost soil
- E02D3/02—Improving by compacting
- E02D3/046—Improving by compacting by tamping or vibrating, e.g. with auxiliary watering of the soil
- E02D3/074—Vibrating apparatus operating with systems involving rotary unbalanced masses
Definitions
- the invention relates to a system for coordinated tillage and an operating method for the system.
- WO 2005/028755 describe a method and a device for determining relative as well as absolute soil stiffness values of a ground area.
- the device is operated in intimate contact with the ground. The floor and the device form a single vibration system.
- the device is moved jumping over the ground surface and in this case the amplitude values and frequencies of the subharmonic frequency values forming at the excitation frequency are evaluated.
- the absolute measurement is a measurement in one place while the relative measurement is done during the override.
- a relative soil stiffness determined during a compact override can be converted into an absolute value of the soil rigidity.
- the values determined in this case are displayed to the driver of the compacting device, who then has to decide on the further compression procedure.
- the compaction control is used to measure and record a first compaction measured value, which is generated with a first compacting device in blackcaps in road construction and to compare with a second, generated by a second compacting device Verdichtungswert, the second compaction values at approximately the same Asphalt temperature has been determined.
- the second compacting device is coupled to the first tracked substantially tracking.
- the compacting vibratory rollers can also be provided in two separate rollers and the two compactors can be coupled to one another via a computer-aided tracking system or steering system.
- the coupled lane-true steering can be done via a Global Positioning System (GPS) or via radar, ultrasound or infrared.
- GPS Global Positioning System
- the degree of compaction achieved is determined by measuring vibration reflections during the compaction process. If, despite the increasing number of compression transitions in the compression control device, the compression no longer changes, it is assumed that the compression with a certain compression device achievable highest density is reached.
- the achieved compaction values are displayed on a display unit to the roller guide.
- the object of the invention is to provide a system belonging to the technical field mentioned above, with which an optimal soil compaction can be achieved in an optimal time frame.
- a coordinated tillage system comprises a plurality of compaction devices for soil compaction, wherein the compaction devices are configured to determine location-related relative compaction values.
- the system further comprises a calibration device for determining location-based absolute compression values and a computing unit for correlating relative and absolute location-related compression values, wherein compression devices, calibration device and computer are connected to one another by telecommunications.
- a system control is provided, which is designed in such a way that the location-related relative compression values of the compression devices and the location-related absolute compression values are continuously transmitted to the arithmetic unit, stored there and in the presence of identical compaction values, compaction compaction values calculated and transmitted to the compaction devices and stored there as correction value ,
- the calibration device eg pressure plate
- the calibration device connected to the system makes it possible to instantaneously calibrate or adjust the compaction devices in use, for example, at another location on the construction site, which have processed the calibrated site or at least determined relative compaction values at this location.
- the compaction values are always in the system with location coordinates provided, ie a proper record includes at least the compaction value and location. Additional data can be appended, such as time, machine identification, layer thickness, material property.
- the system control can be implemented in many different ways. It is typically a computer program having various modules installed on the compaction devices, the calibration device, and the central processing unit, which control the timing and communication technology communication. It can e.g. query the various devices from the arithmetic unit.
- the arithmetic unit is typically included in a fixed server. It can be realized by a software installed on the server. However, it is also possible to provide one of the devices used (for example the calibrating device or one of the compacting devices) with the arithmetic unit at the construction site. For telecommunications communication among the devices, a separate dedicated network or a publicly available public network (e.g., GSM, radiotelephone) may be used.
- a separate dedicated network or a publicly available public network e.g., GSM, radiotelephone
- a typical system according to the invention will comprise various rollers (weight, power, technology). It therefore makes sense that each compacting device in the system is identified with a code and when each measurement is provided with the identification of the compacting device.
- the system becomes scalable in this way, i. new devices can be added as needed (or integrated into the system). Furthermore, it is possible in this way to monitor the quality of the compaction devices, because there are always different possibilities of comparison.
- the data is stored primarily in the arithmetic unit. There is practically a map of the data of the terrain to be processed built.
- the system controller ensures that the compaction devices at certain intervals or depending on the number and placement of the available absolute compression values Go to the locations of the absolute calibration measurements and there determine the relative compression value, which can then be compared or correlated with the calibration value. If a compaction device is correlated or calibrated in this way with a calibration measurement, a bottom part region processed by this calibrated compaction device can, in turn, be used as a (possibly provisional) reference for a further, not yet calibrated compaction device.
- the measuring systems of the compacting devices can be systematically and continuously system-wide coordinated in this way.
- the inventive arrangement of the devices communicating with each other is preferably designed in the sense of a complete construction site management system. Accordingly, technical or physical properties of the soil areas are also stored (for example geometry, consistency and other properties of the soil layers). You can also enter data that is needed for costing. As a result, it becomes possible to prepare the terrain (e.g., the route of a road) faster and less expensively.
- each unit is equipped with a GPS receiver (that is quite generally a receiver for a satellite-based location determination).
- the location can also be determined via a construction site-specific reference system (by positioning stationary transmitters / receivers to which the units can orient themselves).
- the calibration device is preferably a standard device for carrying out the pressure plate test (DIN 18 196).
- the standard or the authority for determining the absolute compaction value be another device, eg a compaction roller designed to determine absolute compaction values, or a vibrating plate for the determination of absolute soil stiffness values ( WO 2005/028755, Ammann ) allow, then is such as a calibration device in Purpose of the invention used in the system.
- a further compression device is used, which is designed not only to determine relative but also absolute compression values. It should be noted at this point that the system according to the invention can easily also have several calibration devices.
- the compacting device of the sub-area can also initially drive with the compacting device of the sub-area in a compacting manner and when driving over at least one location-related relative Compression value are determined and determined at a later time, the location-based absolute compression value.
- a plurality of (at least two, preferably three or more) partial areas are run over both with a first compacting device and with a further compacting device.
- the location-related relative compaction values are communicated to the center, which calculates a correlation between the various measurements and thus between the compaction devices.
- An advantage of the invention is the relief of the person (e.g., roller operator) who has to run the compacting device.
- the machine settings (overrunning distances, overrun speed and compressor values) are made automatically for optimum, time-reduced compaction, the operator of the compaction device can now concentrate fully on guiding the compacting device and the safety conditions to be observed.
- a subsequent "shaking up" of floor areas by not necessary further driving over is excluded.
- Another driving over which is necessary, for example, to reach areas still to be compressed, can now be carried out in such a way that no "shaking up” occurs.
- a combination of a plurality of compacting devices which moreover can also have different force devices for a compaction to be carried out.
- the compressor values are understood in particular to be an adjustable floor reaction force F B and a phase angle ⁇ .
- the phase angle ⁇ is an angle between the maximum floor reaction force F B directed perpendicularly to the surface of the floor area and a maximum vibration value of a vibration response of a vibration system. As described below, this vibration system is formed from the bottom portion and the compression unit vibrating unit.
- unbalances with an imbalance torque and an imbalance frequency are used for compaction. Since, in the invention, the compressor values are set automatically by a regulated setting device, the unbalancing torque and the imbalance frequency are regulated analogously, ie adjusted by a calculating unit.
- a predetermined compression setpoint of a floor area or arranged on a floor area covering is achieved.
- the compaction setpoint will always be the same over long distances, but it does not have to be, since the unbalance torque and imbalance frequency can be set automatically.
- the soil compaction achieved is immediately determined when passing over, and the determined actual compaction value is stored together with the location coordinates of the area for a later treatment.
- compressor values is understood to mean the compression-causing movements of the compacting device.
- reaction is in each case based on the soil or lining to be compacted or compacted.
- This subsequent treatment can now be a renewed compacting overrun or even a treatment of the soil area, if it turns out by the repeated location-related compaction measurements that this soil area not further, for example due to its material composition, the substrate, etc., is compressible.
- the impossibility of further compression can be determined by the fact that the achieved Verdichtungsistute are determined and stored locally related to each compression process. These stored values are compared. If no (significant) increase in compaction is detected, then just this area is not further compressible. In order to avoid damaging or wasting time in this area due to further compaction processes, imbalance torque and unbalance frequency can be set in this area in such a way that only a surface-smoothing override takes place.
- Unbalance torque and imbalance frequency are also set for smoothing over the surface if an area is already compressed to the required compression value and adjacent areas or areas in a given travel route have not yet reached this value.
- This surface smoothing "Reset” the machine compaction data can on the one hand be driven faster, on the other hand, a "shaking" an already compacted area is avoided.
- the compacting device according to the invention is a "compacting machine".
- the operator of the compaction device is then proposed by the computation unit, which processes the location-related compaction actual values from the storage unit, a guideway.
- the proposal of a guideway can be displayed on a display unit arranged in the driver's cab.
- the track can also be mirrored onto the so-called windshield or displayed directly on a light beam, in particular by means of a laser beam (for example a red helium neon laser beam) on the ground areas.
- a laser beam for example a red helium neon laser beam
- each compaction device knows its specific compaction characteristics and can set accordingly from the predetermined compaction setpoints with an adjustment unit unbalance moment and imbalance frequency.
- the timer knows the machine-typical setting time and thus knows at a given speed of movement (usually traversing speed), in which period of time must be started with the adjustment so that the determined unbalance and the determined imbalance frequency come into play when reaching the area concerned.
- each compacting device When using a plurality of compacting devices, it is no longer sufficient to store the predetermined area-specific compaction setpoint, to determine the location allocation with a triangulation system or GPS and to store the ascertained actual density values (area-specifically) so that they can be considered in a new compaction process. If more than one compacting device is present, it is generally driven in columns, so that one and the same compacting device does not always travel over areas that are pre-compressed by it. In this case, it is preferable to transmit the actual compression values via transmission and reception equipment from device to device. Preferably, then each compacting device has a system for exact location determination.
- the area-specific compaction setpoint values can then be transmitted to the compaction devices from this center.
- the compaction devices in turn then communicate the area-related compaction actual values.
- the control center can once function as an intermediate "intelligence"; however, it can also serve to store the area-specific compaction actual values or final values for logging purposes and to use them for construction site management.
- compaction values soil stiffness
- other values such as the surface temperature and the soil attenuation can also be determined.
- a time-variable excitation force is generated on the vibration unit as a periodic first force with a maximum, against the bottom surface vertically directed, first vibration value.
- the frequency of the excitation force or its period is adjusted or adjusted until a vibration system, formed from the vibration unit and a to be compressed or measured floor area, with the vibration unit is in continuous surface contact, comes into resonance.
- the resonance frequency f is recorded or stored.
- a phase angle ⁇ between the occurrence of a maximum oscillation value of the excitation force and a maximum oscillation value of an oscillation response of the above-mentioned oscillation system is determined.
- the form factor can be obtained by a continuum-mechanical examination of a body which is in contact with an elastic half-infinite space according to " Research in the field of engineering ", Vol. 10, Sept./Oct. 1939, No. 5, Berlin, pp. 201-211, G. Lundberg," Elastic touch of two half-spaces ", be determined.
- the excitation force is increased until jumping of the vibration unit occurs. Also, one will no longer let the exciter force act perpendicular to the ground surface, but such that the device with the vibration unit on a ground surface moves independently (applies in particular to the vibrating plate) and must be performed by a vibrating plate guide only in the desired direction.
- the measuring means of the device are designed in this case such that only a frequency analysis the vibration response is made to the vibration plate. It is determined by filter circuits to the exciter frequency deepest subharmonic vibration. The deeper the deepest subharmonic vibration, the greater the soil compaction achieved.
- a f is the maximum vibration value of the exciting force acting on the vibration unit.
- a 2f is the maximum vibration value of a first harmonic to the exciting vibration.
- a f / 2 is a maximum vibration value of a first subharmonic with half the frequency of the exciting vibration.
- a f / 4 and A f / 8 are maximum vibration values of a second or third subharmonic having a quarter frequency and an eighth frequency of the exciting vibration, respectively.
- a 2f , A f / 2 , A f / 4 and A f / 8 are determined from the vibrational response.
- the relative measurement is followed by an absolute measurement, whereby the acquisition of absolute values is always bound to one and the same soil composition (loam, sand, gravel, loam soil with a given gravel / sand content, ...) ,
- soil stiffness values k B1 , k B2 , k B3 and k B4 are now determined on four different ground subregions of the ground area, each with an absolute measurement, different Soil stiffness should result in the same soil composition.
- the maximum vibration values A f , A 2f , A f / 2 , A f / 4 and A f / 8 are determined on the same four ground subregions.
- the obtained values are substituted into the equation ⁇ B ⁇ using for s the soil stiffness values k B1 , k B2 , k B3 and k B4 .
- weighting values for different soil compositions can be stored in a memory of the device (typically, however, in a central unit listed below) and measurements made within a tolerance dictated by a soil composition.
- calibration should always be performed on changing soil compositions to obtain sufficient accuracy. Although a calibration is significantly slower than the rapid relative measurement; however, with a little practice, a calibration can be done in a few minutes.
- the ascertained soil compaction values are preferably stored together with the respective location coordinates of a region which is measured out or directly to a control center such as e.g. transmit a construction office, so that from there this data is transmitted via a transmitting and receiving unit to the respective compaction devices.
- a control center such as e.g. transmit a construction office
- the data can also be stored for further processing in the compacting device.
- a compacting device can be preferably take a vibrating plate, since this is a low-priced product. But it can also be used other machines, such as trench roller and compactor. However, the vibration plate has the advantage that the contact surface is defined with the soil surface.
- the mutual position of the two imbalances must be mutually adjustable, so that once the excitation force perpendicular to the ground surface (for a calibration and an absolute measurement) and once counter to the direction of movement is obliquely backward direction.
- the frequency of the exciter force here, for example, the opposite number of revolutions of the imbalances
- Searching the resonant frequency can be done manually; but it will be made advantageously by an automatic "scan" process, which settles on the resonance frequency.
- the static imbalance torque is formed automatically adjustable by means of a setting unit, for example, by a radial adjustment of the imbalance mass or mass is vorappelbar.
- the frequency of action on the ground contact unit is adjustable with the adjustment.
- a resonance of the vibration system consisting of ground contact unit and the ground area to be compacted or compressed, can be determined.
- a sensor In order to be able to determine this phase angle, in addition to a sensor for the subharmonic (as well as for the resonant frequency and harmonics ⁇ harmonics ⁇ ), a sensor will be mounted on the ground contact unit which measures the temporal deflection in the direction of soil compaction.
- the temporal deflection of the excitation force application to the ground contact unit
- the temporal position of the maximum amplitudes will be determined with a comparator.
- the excitation is preferably adjusted such that the maximum amplitude of the excitation by 90 ° to 180 °, preferably by 95 ° to 130 ° ahead of the maximum amplitude of the ground contact unit.
- the values determined in this case can, as explained below, also be used to determine absolute compression values for a variable exciter frequency.
- An adjustment of the exciting force may be avoided when using e.g. be achieved by two imbalances, which rotate at the same rotational speed and the angular distance is changeable.
- the imbalances can be moved in the same direction or in opposite directions.
- FIG. 9 Let us first explain an example of controlling or controlling the compaction work on a construction site with a plurality of spatially distanced subregions TB1, TB2, TB3, TB4.
- an absolute compaction value as a calibration value E1 (x1, y1) is measured at a time t1 at the location with the location coordinates x1, y1 by means of a calibration device EV.
- the data are transmitted by the calibration device EV by radio to the arithmetic unit R and stored there.
- a compaction roller W1 which is guided by the system control to the partial area TB1, first measures the relative compaction value V (W1; TB1; x1, y1) at location x1, y1 and transmits this to the arithmetic unit R.
- n which are also absolute compression values due to the correlation to E1 (x1, y1), preferably area-wide (ie in a given area grid xi , yi, where the index i runs from 1 to n) to the arithmetic unit R.
- E1 x1, y1
- a compaction roller W2 released in the meantime may be led to the point x1, y1 for traversing the ground (at a time t2) in a non-compacting manner and a relative compaction value V (W2; TB1; x1, y1).
- This relative compression value is transmitted to the arithmetic unit R.
- the calibration device EV transmits the measured absolute compression values E2 (x2, y2) together with the location coordinates x2, y2 to the arithmetic unit R. Since it knows the measured values determined by the second compaction roller W2 in the partial area TB2, it can again perform and check a correlation how well the second compaction roller W2 (due to the measurement at location x1, y1) is calibrated. It transmits the correction factor immediately to the compaction roller W2, which may already be processing the floor area TB4 at this time.
- the calibration device is brought to the third measuring position x3, y3 in the third subregion TB3.
- the absolute soil compaction can be determined, as described with reference to the subregions TB1 and TB2.
- the system can calibrate the various compaction devices, whereby the location of the machines and the respective working state can be taken into account very flexibly. It is thus no longer necessary for a calibration measurement to have several devices and machine operators at the same time at the same location. The paths traveled by the machines can be minimized. Time shifts that arise due to work not originally planned or changes in capacity (because more or fewer machine hours are available) can be planned in the system.
- the arithmetic unit can thus also carry out later evaluations and e.g. track the quality of the measurements of the various devices.
- FIG. 10 is shown schematically the system control.
- Each compaction roller W1, W2, the calibrator EV and the arithmetic unit R have a control unit CPU1, ..., CPU4.
- These control units CPU1, ..., CPU4 communicate with each other and perform a programmed procedure. In this way, it is determined, for example, which machine records and transmits data and at what time this should take place. Furthermore, it is possible to specify or control where the machines are to move, which machine the processing unit transmits which data and more.
- a correlation of relatively measured compaction values with absolutely measured values is always of great advantage when the soil composition changes over a soil area to be measured or compressed. It can, for example, sandy, loamy, stony (gravel or gravel) soil in the ground be present in different floor areas; Also, for example, a different water content may be present. All of these different soil compositions give different relative soil compaction values.
- FIG. 1 shows a terrain area 14 with several running in tracks floor areas 3 different compression.
- a box pattern indicates an achieved compaction, which already corresponds to the compaction setpoint.
- Aim of the here desired compression, as z. B. is required in road construction, is the achievement of a predetermined compression, which must not be exceeded or not fallen below.
- a uniform compression is possible with reasonable effort only according to the invention.
- a different hatching has been selected here; Preferably, however, one will choose a representation with different colors.
- the compaction values of this terrain area are e.g. stored in the arithmetic unit. (They can also be stored in each compression device, so that the compression device can work independently, even if the radio connection to the central processing unit should be temporarily interrupted.)
- the geometry layer thickness, number of applied layers
- material properties gravel, Mixture, origin etc.
- a vibrating plate 1 As a compacting device, for example, a vibrating plate 1 is used.
- the vibrating plate 1 thus serves as a compaction and as a measuring device. It generally has a ground contact unit (undercarriage 5 with bottom plate 4) with two counter-rotating imbalances 13a and 13b (FIG. FIG. 2 ) with a total mass m d , which also includes an unbalance exciter. m d symbolizes the entire stimulating swinging Dimensions.
- a static Auflasta the superstructure 7 is based with a mass m f (static weight) via damping elements 6 (stiffness k G , damping c G ).
- the static weight m f together with the damping elements 6 , produces a point-point-excited vibration system which is tuned low (low natural frequency).
- the superstructure 7 acts in vibration mode against the vibrations of the undercarriage 5 as a low-pass second order. This minimizes the vibration energy transmitted to the superstructure 7 .
- the bottom of the floor area 3 to be measured, compacted or compacted is a building material for which, depending on the properties investigated, different models exist.
- simple spring-damper models (stiffness k B , damping c B ) are used.
- the spring properties take into account the contact zone between the soil compaction unit (undercarriage 5 ) and the elastic half-space (bottom area).
- the ground stiffness k B is a static, frequency-independent variable. This property could be proven in the present application in the field test for homogeneous and layered soils.
- Equation (1) describes the associated motion differential equations for the degrees of freedom x d of the undercarriage 5 and x f of the superstructure 7 .
- a ground reaction force F B between the undercarriage 5 and the bottom area 3 to be measured, compressed or compacted controls the nonlinearity of the unilateral binding.
- ⁇ is a phase angle between the occurrence of a maximum vibration value of the exciting force and a maximum vibration value of a vibration response of the above-mentioned vibration system.
- a force F B acting perpendicular to the ground surface 2 is assumed. In the vibrating plate described above, however, this force does not act perpendicular to the bottom surface 2, but obliquely backwards, for example, to receive a jumping motion in the forward direction. In the following mathematical considerations, the vertical component of the oblique force is thus to be used.
- the biasing force acting obliquely on the ground surface is achieved by rotationally displacing the oppositely rotating imbalances 13a and 13b in such a way that their unbalancing moments of the imbalances 13a and 13b cause a maximum force vector approximately at an angle of 20 ° to the lower right in FIG FIG. 3 to have.
- the maximum force vector (would be identical to F B ) points perpendicular to the ground surface 2.
- a numerical simulation allows the calculation of the solutions of equations (1).
- the use of numerical solution algorithms is essential.
- analytical calculation methods such as the averaging method, very good approximate solutions and statements of a fundamental nature can be made for a bifurcation of the fundamental vibrations for linear and nonlinear oscillations.
- the averaging theory is described in Heatgg Roland (1998), “Nonlinear Vibrations in Dynamic Soil Compressors", Progress VDI, Series 4, VDI Verlag Dusseldorf , This allows a good overall view of the solutions occurring.
- analytical methods are associated with a disproportionately high outlay.
- FIG. 4 shows the following: 80 Chassis / superstructure 81 Ground, decoupled 82 Bandage / sub carriage 83 Dead weight chassis 84 Acceleration chassis 85 Acceleration bandage 86 Lambda, damping chassis 87 Speed chassis 88 Speed signal chassis 89 Way chassis 90 Path signal chassis 91 Phase curve chassis 92 Lambda stiffness chassis 93 Switch 1 94 Way ground 95 Stiffness / insulation 96 External arousal 97 Dead weight bandage 98 zero 99 Switch 100 force 101 Ground contact force 102 rigidity 103 damping 104 Speed bandage 105 Acceleration bandage 106 Speed signal bandage 107 Way bandage 108 Path signal bandage 109 Phase curve bandage 110 working diagram
- the coordinate system of equations (1) and (3) includes a static depression due to the dead weight (static load weight m f , swinging mass m d ).
- the static sinking has to be subtracted for comparison purposes in the simulation result.
- the initial conditions for the simulation are all set to "0". The results are given for the case of the steady state.
- the solution solver chosen is "ode 45" (Dormand-Price) with a variable integration step size (maximum step size 0.1 s) in the time range from 0 s to 270 s.
- F B is the force acting on the floor area; please refer FIG. 3 .
- the identity x 2 ⁇ ⁇ holds.
- phase space representation with x 1 ( t ) - x 2 ( t ), or x ( t ) - ⁇ ( t ) is derived.
- phase curves also referred to as orbitals
- orbitals are closed circles or ellipses in the case of linear, stationary and monofrequent oscillations.
- additional harmonics occur (periodic lifting of the bandage from the ground)
- the harmonics can be recognized as modulated periodicities. Only at period doublings, ie subharmonic oscillations such as "jumping", does the original circle mutate into closed curves that have intersections in the phase space representation.
- a measurement can be triggered in practice by the pulse of a Hall probe, which detects the zero crossing of the vibro wave. This can also generate Poincaré images. If the periodically recorded amplitude values are plotted as a function of the varied system parameter, in our case the ground stiffness k B , then the bifurcation or so-called fig tree diagram results ( FIG. 5 ). In this diagram, on the one hand, one recognizes the property of the amplitudes suddenly increasing as the rigidity increases in the region of the branch, and the tangent to the associated curve (s) runs vertically at the branching point. Therefore, in practice, no additional energy supply for the jumping of the roller is required.
- the diagram further shows that with increasing stiffness (compression) further branches follow, and in ever shorter intervals with respect to the continuously increasing stiffness k B.
- the branches produce a cascade of new vibrational components with each half the frequency of the previous lowest frequency of the spectrum. Since the first branching off from the fundamental oscillation with the frequency f, or period T, splits off, the frequency cascade f, f / 2, f / 4, f / 8, etc. is generated. Analogous to the fundamental, the subharmonic harmonics also generate it creates a frequency continuum in the low-frequency range of the signal spectrum. This is also a specific property of the chaotic system, in this case the vibrating vibrating plate.
- the system of the compactor is in a deterministic rather than a stochastic chaotic state. Since the parameters that cause the chaotic state are not all measurable (not fully observable), the operating state of the subharmonic vibrations can not be predicted for practical compaction.
- the operating behavior in practice is also characterized by many imponderables, the machine can slip away due to the strong contact loss to the ground, the load of the machine by the low-frequency vibrations is very high. Ongoing further bifurcations of the machine behavior (unexpected) can occur, which immediately result in heavy additional loads. High stresses also occur between the bandage and the floor; this leads to For the undesirable loosening of near-surface layers and pulls Kornzertrümmer GmbH after.
- the correlation basically changes with the occurrence of the jumping; only within the respective branching state of the movement exists a linear relationship of the measured value with the soil stiffness.
- the sensor for receiving the waveform of the vibration system is arranged according to the above description on the undercarriage 5 or on the superstructure 7 .
- vibration influences due to the damping elements, as outlined above, must be taken into account.
- the apparatus 1 which is movable to compress at least one base region 3 over its bottom surface 2 here has, for example, an imbalance unit 40, an adjustment unit 41, a timer 43, a comparator unit 45, a measuring unit 47, a memory unit 49, a location determination unit 51 and a transmitting and receiving unit 53. These functional blocks are shown schematically in FIG FIG. 6 shown.
- the imbalance unit 40 has an adjustable imbalance torque and an adjustable unbalance frequency.
- the adjustment or setting is made by means of a mechanically connected to the imbalance unit 40 setting unit 41 .
- the location determination unit 51 is signal-wise connected to the memory unit 49 .
- the location determining unit determines the position of the ground area 3 currently in the compaction process.
- the position ie the location coordinates can be determined trigonometrically by bearing or by GPS.
- the measuring unit 47 is here arranged, for example, on the base plate 4 and connected in terms of signal to the comparator unit 45 and the memory unit 49 .
- the measuring unit 47 determined according to the above statements automatically the Verdichtungsistwert the bottom portion 3 during compaction.
- This soil compaction value is stored in the storage unit 49 together with the location coordinates determined by the location determination unit 51 as a range-specific compaction actual value.
- the comparator unit 45 is used to compare the respective area-specific compression actual value with an assigned area-specific compression setpoint value in order to correct area-specific imbalance and imbalance frequency values corrected by the setting unit 41 for one to get the subsequent compression crossing.
- the comparator unit 45 is signal-wise connected to the measuring unit 47, the memory unit 49 and the timer 43 .
- the arithmetic unit 50 includes the timer 43, the comparator unit 45, the memory unit 49, and a "central processing unit" 52.
- the arithmetic unit 50 is also connected to the transmitting and receiving unit 53 and the location determining unit 51 .
- the arithmetic unit 50 carries out all calculations in order to set the corresponding machine data for optimum compaction from stored and transmitted data. It also provides the data for transmission to a central or other compaction device.
- the timer 43 serves to provide the adjustment unit 41 with the values for an adjustment of the unbalance torque and the unbalance frequency at the correct time. In particular, masses must be adjusted, accelerated or decelerated here. This takes time. The timer must thus predictively determine the set values from the direction of movement and the speed of movement.
- the data reception and transmission unit 53 serves to receive area-specific compaction setpoints, in particular to receive area-specific compaction actual values of a preceding compaction process. Furthermore, the data reception and transmission unit 53 serves to transmit the position of areas and their compression actual values determined during the compression.
- the data reception and transmission unit 53 is signal-wise connected to the memory unit 49 , from which then a signal-moderate connection with the comparator unit 45, the measuring unit 47 and via the timer 43 with the setting unit 41 is given.
- the traveling direction setting unit is given only by an operation of the guide tongue 9 .
- a direction of travel adjustment is usually done by a steering wheel.
- FIG. 7 shows analogous to the terrain report 14 to be compacted terrain section 60 , which is to be compacted with two rollers 61a and 61b and a vibrating plate 63 shown schematically.
- the rollers 61a and 61b and the vibration plate 63 each have a local determination unit 65a to 65c.
- the communication between these three devices 61a, 61b and 63 for data transmission of the respective area-specific Verdichtungsistute takes place from each device to each device, schematically indicated by the double arrows 67a, 67b and 67c .
- the terrain portion 60 includes a defect 69 as a non-compressible region.
- One of the three devices 61a , 61b and 63 will attempt to compact this defect 69 and then determine a region specific compression actual value that is below the region specific compression setpoint .
- This actual compression value is transmitted to the other two devices with the corresponding positional position and stored in the device which is being compressed.
- the same device or one of the other devices now determines that in a further compression process the area-specific compression actual value has not increased within a predetermined tolerance value.
- this defect 69 is now excluded as being non-compressible, ie it is no longer run over.
- this defect 69 is run over with an increased traversing speed and recessed compaction performance (merely smoothing the surface). The procedure is analogous to areas that have already reached the specified area-specific actual compression value.
- FIG. 8 A modification to the in FIG. 7 shown device arrangement, shows FIG. 8 ,
- a central 70 is present, with all compression devices, here also, for example, the vibration plate 63 and the two rollers 61 a and 61 b, communicating with each other via the empfangs- and transmission unit 71 .
- the center 70 will usually be the so-called building office, where all information converges.
- the compaction devices 61a, 61b and 63 then transmit the area-specific compaction actual values to this control center 60 , which are accordingly collected and evaluated in a data memory 73 .
- the center 60 arises then analogous to FIG. 1 (but with significantly more uniform compaction values) a terrain area from which then the achieved compaction values are recognizable.
- the defect 69 would stand out well in such a representation.
- the center 60 would then take measures such as material exchange of the soil material.
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Description
- Die Erfindung betrifft ein System für die koordinierte Bodenbearbeitung und ein Betriebsverfahren für das System.
- In der
WO 2005/028755 (Ammann ) sind ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Bestimmung von relativen sowie auch von absoluten Bodensteifigkeitswerten eines Bodenbereichs beschrieben. Zur Ermittlung der absoluten Bodensteifigkeitswerte wird die Vorrichtung in einem innigen Bodenkontakt betrieben. Boden und Vorrichtung bilden hierbei ein einziges Schwingungssystem. Zur Ermittlung der relativen Werte wird die Vorrichtung springend über die Bodenoberfläche bewegt und hierbei die Amplitudenwerte und Frequenzen der zur Anregungsfrequenz sich bildenden subharmonischen Frequenzwerte ausgewertet. Bei der Absolutmessung handelt es sich um eine Messung an einem Ort, während die Relativmessung während des Überfahrens erfolgt. Indem die Relativmessungen über die Absolutmessung in absolute Werte umgewandelt werden, kann eine beim verdichtenden Überfahren ermittelte relative Bodensteifigkeit in einen Absolutwert der Bodensteifigkeit umgewandelt werden. Die hierbei ermittelten Werte werden dem Fahrzeuglenker der Verdichtungsvorrichtung angezeigt, der dann über das weitere Verdichtungsvorgehen zu entscheiden hat. - In der
DE 199 56 943 A1 (Bomag ) ist eine Vorrichtung zur Kontrolle der Verdichtung bei Vibrationsverdichtungsgeräten beschrieben. Die Verdichtungskontrolle dient dazu, bei Schwarzdecken im Strassen- und Wegebau einen ersten Verdichtungsmesswert, welcher mit einer ersten Verdichtungsvorrichtung erzeugt wird, zu messen und aufzuzeichnen und mit einem zweiten, von einer zweiten Verdichtungsvorrichtung erzeugten Verdichtungswert zu vergleichen, wobei der zweite Verdichtungswerte bei noch annähernd gleicher Asphalttemperatur ermittelt worden ist. Die zweite Verdichtungsvorrichtung ist mit der ersten im Wesentlichen spurgetreu verfolgend gekoppelt. Dabei können die verdichtenden Vibrationswalzen auch in zwei separaten Walzenzügen vorgesehen sein und die beiden Walzenzüge über ein rechnergestütztes Nachführsystem bzw. Lenksystem miteinander gekoppelt sein. Die gekoppelte spurgetreue Lenkung kann über ein Global-Positioning-System (GPS) oder über Radar, Ultraschall oder Infrarot erfolgen. Auf den Grad der erreichten Verdichtung wird durch eine Messung von Schwingungsreflexionen während des Verdichtungsprozesses geschlossen. Wenn sich bei der Verdichtungskontrollvorrichtung trotz zunehmender Anzahl von Verdichtungsübergängen die Verdichtung nicht mehr ändert, wird angenommen, dass die mit einem bestimmten Verdichtungsgerät erzielbare höchste Dichte erreicht ist. Die erreichten Verdichtungswerte werden auf einer Anzeigeeinheit dem Walzenführer angezeigt. - In der
WO 95/28524 - Aufgabe der Erfindung ist es, ein dem eingangs genannten technischen Gebiet zugehörendes System zu schaffen, mit dem eine optimale Bodenverdichtung in einem optimalen Zeitrahmen erreichbar ist.
- Die Lösung der Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 definiert. Gemäss der Erfindung umfasst ein System für die koordinierte Bodenbearbeitung eine Mehrzahl von Verdichtungsvorrichtungen zur Bodenverdichtung, wobei die Verdichtungsvorrichtungen zum Ermitteln von ortsbezogenen relativen Verdichtungswerten ausgebildet sind. Weiter umfasst das System eine Eichvorrichtung zum Ermitteln von ortsbezogenen absoluten Verdichtungswerten und eine Recheneinheit zum Korrelieren von relativen und absoluten ortsbezogenen Verdichtungswerten, wobei Verdichtungsvorrichtungen, Eichvorrichtung und Recheneinheit nachrichtentechnisch miteinander verbunden sind. Schliesslich ist eine Systemsteuerung vorgesehen, welche derart ausgebildet ist, dass die ortsbezogenen relativen Verdichtungswerte der Verdichtungsvorrichtungen sowie die ortsbezogenen absoluten Verdichtungswerte laufend an die Recheneinheit übermittelt, dort abgespeichert und beim Vorhandensein von ortsgleichen Verdichtungswerten Verdichtungskorrelationswerte berechnet und an die Verdichtungsvorrichtungen übermittelt und dort als Korrekturwert abgespeichert werden.
- Es handelt sich also um ein durchgehend vernetztes System, welches die Verdichtungsarbeiten einer grossen Baustelle kontrollieren, koordinieren und steuern kann, auf welcher zeitgleich oder zeitlich sequenziell mehrere (d.h. mindestens zwei, vorzugsweise mehr als drei) Verdichtungsvorrichtungen (Verdichtungswalzen, Vibrationsplatten etc.) an verschiedenen Orten arbeiten können. Die mit dem System verbundene Eichvorrichtung (z.B. Druckplatte) ermöglicht eine instantane Eichung bzw. Abgleichung der z.B. an einem anderen Ort der Baustelle im Einsatz befindlichen Verdichtungsvorrichtungen, welche die geeichte Stelle bearbeitet oder an dieser Stelle zumindest relative Verdichtungswerte ermittelt haben. Die Verdichtungswerte sind im System stets mit Ortskoordinaten versehen, d.h. ein ordnungsgemässer Datensatz umfasst zumindest Verdichtungswert und Ort. Es können weitere Daten angehängt werden, wie z.B. Zeit, Identifikation der Maschine, Schichtdicke, Materialeigenschaft.
- Die Systemsteuerung kann in verschiedenster Weise ausgeführt sein. Es handelt sich typischerweise um ein Computerprogramm, das verschiedene Module aufweist, die auf den Verdichtungsvorrichtungen, der Eichvorrichtung und der zentralen Recheneinheit installiert sind und den zeitlichen Ablauf und die nachrichtentechnische Kommunikation kontrolliert. Es kann z.B. von der Recheneinheit aus die verschiedenen Geräte abfragen.
- Die Recheneinheit ist typischerweise enthalten in einem ortsfesten Server. Sie kann durch eine auf dem Server installierte Software verwirklicht sein. Es ist aber auch möglich, auf der Baustelle eine der verwendeten Vorrichtungen (z.B. die Eichvorrichtung oder eine der Verdichtungsvorrichtungen) mit der Recheneinheit zu versehen. Für die nachrichtentechnische Kommunikation unter den Geräten kann ein separates dediziertes Netz oder ein allgemein verfügbares öffentliches Netz (z.B. GSM, Funktelefon) verwendet werden.
- Ein typisches erfindungsgemässes System wird verschiedene Walzen (Gewicht, Leistung, Technik) umfassen. Es ist daher sinnvoll, dass jede Verdichtungsvorrichtung im System mit einem Code identifiziert wird und wenn jede Messung mit der Identifikation der Verdichtungsvorrichtung versehen wird. Das System wird auf diese Weise skalierbar, d.h. es können nach Bedarf neue Geräte hinzugefügt (bzw. in das System integriert) werden. Ferner ist es auf diese Weise möglich, die Qualität der Verdichtungsvorrichtungen zu überwachen, weil es stets verschiedene Vergleichsmöglichkeiten gibt.
- Es ist natürlich denkbar, dass das System nicht zentral sondern peripher gesteuert ist. Das bedeutet, dass eine Verdichtungsvorrichtung selbständig bei der Zentrale (Recheneinheit) anfragt, ob am Einsatzort bereits Verdichtungswerte erfasst sind und dass die Zentrale gegebenenfalls vorhandene Werte übersendet. Es ist dann nicht erforderlich, dass die Zentrale die Verdichtungswerte zusammen mit einer Identifikation speichert.
- Die Abspeicherung der Daten erfolgt primär in der Recheneinheit. Dort wird praktisch eine Landkarte der Daten des zu bearbeitenden Terrains aufgebaut. Vorzugsweise sorgt die Systemsteuerung dafür, dass die Verdichtungsvorrichtungen in bestimmten Abständen bzw. abhängig von der Anzahl und Platzierung der verfügbaren absoluten Verdichtungswerte an die Orte der absoluten Eichmessungen fahren und dort den relativen Verdichtungswert ermitteln, welcher danach mit dem Eichwert verglichen bzw. korreliert werden kann. Ist eine Verdichtungsvorrichtung auf diese Weise mit einer Eichmessung korreliert bzw. geeicht, kann ein von dieser geeichten Verdichtungsvorrichtung bearbeiteter Bodenteilbereich wiederum als (ev. nur vorläufige) Referenz für eine weitere, noch gar nicht geeichte Verdichtungsvorrichtung verwendet werden. Die Messsysteme der Verdichtungsvorrichtungen können auf diese Weise systematisch und kontinuierlich systemweit aufeinander abgestimmt werden.
- Es ist im Sinn einer Vereinfachung auch möglich, nur ganz bestimmte Eichstellen im System zu speichern. Es wird dann nur in Bezug auf diese individuellen Positionen eine Korrelation durchgeführt und es kann auf die Speicherung einer Bodenverdichtungsdatenkarte verzichtet werden.
- Die erfindungsgemässe Anordnung der untereinander kommunizierenden Geräte wird vorzugsweise im Sinn eines kompletten Baustellenmanagementsystems ausgestaltet. Entsprechend werden auch technische bzw. physikalische Eigenschaften der Bodenbereiche abgespeichert (z.B. Geometrie, Konsistenz und sonstigen Eigenschaften der Bodenschichten). Es können auch Daten erfasst werden, die für die Kostenrechnung benötigt werden. Infolge dessen wird es möglich, das Terrain (z.B. das Trassee einer Strasse) schneller und kostengünstiger zu präparieren.
- Die Ortsbestimmung kann auf verschiedene Weise durchgeführt werden. Vorzugsweise ist jede Einheit mit einem GPS-Empfänger (das heisst ganz allgemein einem Empfänger für eine satellitengestützte Ortsbestimmung) ausgerüstet. Lokal kann der Ort auch über ein baustellenspezifisches Referenzsystem ermittelt werden (indem ortsfeste Sender/- Empfänger positioniert werden, an welchen sich die Einheiten orientieren können).
- Die Eichvorrichtung ist vorzugsweise eine normgemässe Vorrichtung zur Durchführung des Druckplattenversuchs (DIN 18 196). Sollte die Norm oder die Bauherrschaft zur Bestimmung des absoluten Verdichtungswertes eine andere Vorrichtung, z.B. eine Verdichtungswalze welche zur Bestimmung von absoluten Verdichtungswerten ausgebildet ist oder eine Vibrationsplatte zur Bestimmung von absoluten Bodensteifigkeitswerten (
WO 2005/028755, Ammann ) zulassen, dann ist auch eine solche als Eichvorrichtung im Sinn der Erfindung im System einsetzbar. Als Eichvorrichtung wird also eine weitere Verdichtungsvorrichtung verwendet, welche nicht nur zur Bestimmung relativer sondern auch absoluter Verdichtungswerte ausgebildet ist. Es ist an dieser Stelle zu vermerken, dass das erfindungsgemässe System ohne weiteres auch mehrere Eichvorrichtungen aufweisen kann. - Das erfindungsgemässe System kann nach verschiedensten Verfahren betrieben werden. Ein verdichteter Bodenbereich wird z.B. mit folgenden Schritten erstellt.
- a) Überfahren zumindest eines Teilbereichs des Bodenbereichs mit einer Verdichtungsvorrichtung, welche beim Überfahren mindestens einen relativen, ortsbezogenen Verdichtungswert ermittelt,
- b) Ermitteln eines absoluten ortsbezogenen Verdichtungswertes im Teilbereich mit einer Eichvorrichtung,
- c) automatisches nachrichtentechnisches Übermitteln von gemäss Schritt a) und b) ermittelten relativen und ortsbezogenen absoluten Verdichtungswerten an eine Recheneinheit,
- d) Ermitteln zumindest eines Korrelationswertes zwischen relativem und absolutem Verdichtungswert,
- e) automatisches Übermitteln des Korrelationswertes an die Verdichtungsvorrichtung, und
- f) Nachführen eines Referenzwertes - sofern nötig - in der Verdichtungsvorrichtung entsprechend dem übermittelten Korrelationswert.
- Es kann zunächst mit der Eichvorrichtung der ortsbezogene absolute Verdichtungswert ermittelt und zu einem späteren Zeitpunkt mit der Verdichtungsvorrichtung der entsprechende Teilbereich in einer nicht-verdichtenden Weise befahren werden, um beim Überfahren mindestens einen ortsbezogenen relativen Verdichtungswert zu ermitteln.
- Es kann aber auch zunächst mit der Verdichtungsvorrichtung der Teilbereich in einer verdichtenden Weise befahren und beim Überfahren mindestens ein ortsbezogener relativer Verdichtungswert ermittelt werden und zu einem späteren Zeitpunkt der ortsbezogene absolute Verdichtungswert ermittelt werden.
- Typischerweise werden mehrere (mindestens zwei, vorzugsweise drei oder mehr) Teilbereiche sowohl mit einer ersten Verdichtungsvorrichtung als auch mit einer weiteren Verdichtungsvorrichtung überfahren. Die ortsbezogenen relativen Verdichtungswerte werden an die Zentrale übermittelt, welche eine Korrelation zwischen den verschiedenen Messwerten und somit zwischen den Verdichtungsvorrichtungen berechnet.
- Ein Vorteil der Erfindung ist die Entlastung der Person (z.B. Walzenführer), welche die Verdichtungsvorrichtung zu führen hat. Da mit der Erfindung u.a. die Maschineneinstellungen (Überfahrwege, Überfahrgeschwindigkeit und Verdichterwerte) für eine optimale, zeitreduzierte Verdichtung selbsttätig vorgenommen werden, kann sich der Führer der Verdichtungsvorrichtung nun voll auf ein Führen der Verdichtungsvorrichtung und die zu beachtenden Sicherheitsbedingungen konzentrieren. Ein nachträgliches "Aufrütteln" von Bodenbereichen durch nicht notwendiges weiteres Überfahren wird ausgeschlossen. Ein weiteres Überfahren, welches beispielsweise zum Erreichen noch zu verdichtender Bereiche notwendig ist, kann nun derart vorgenommen werden, dass kein "Aufrütteln" mehr erfolgt. Auch ist ein Verbund von mehreren Verdichtungsvorrichtungen, welche zudem auch unterschiedliche Krafteinrichtungen für eine vorzunehmende Verdichtung aufweisen können, möglich.
- Um dieses Ziel zu erreichen, werden Verdichtungsvorrichtungen mit einem selbsttätig einstellbaren Verdichterwerte verwendet. Unter den Verdichterwerten wird insbesondere eine einstellbare Bodenreaktionskraft FB und ein Phasenwinkel ϕ verstanden. Der Phasenwinkel ϕ ist ein Winkel zwischen der maximalen senkrecht gegen die Oberfläche des Bodenbereichs gerichteten Bodenreaktionskraft FB und einem maximalen Schwingungswert einer Schwingungsantwort eines Schwingungssystems. Dieses Schwingungssystem wird, wie unten ausgeführt ist, aus dem Bodenbereich und der die Verdichtung ausführenden Vibrationseinheit der Verdichtungsvorrichtung gebildet. Zur Verdichtung werden in der Regel Unwuchten mit einem Unwuchtmoment und einer Unwuchtfrequenz verwendet. Da bei der Erfindung die Verdichterwerte selbsttätig von einer geregelten Einstelleinrichtung eingestellt werden, werden analog Unwuchtmoment und Unwuchtfrequenz geregelt, d.h. durch eine Recheneinheit ermittelt eingestellt.
- Bei einem ersten Uberfahrvorgang werden nun beispielsweise Unwuchtmoment und Unwuchtfrequenz derart mit einer Einstelleinheit eingestellt, dass gemäss theoretischen Berechnungen ein vorgegebener Verdichtungssollwert eines Bodenbereiches oder eines auf einem Bodenbereich angeordneten Belages erreicht wird. In der Regel wird der Verdichtungssollwert über weite Strecken immer derselbe sein, muss es aber nicht, da ja Unwuchtmoment und Unwuchtfrequenz selbsttätig einstellbar sind. Wie im Speziellen unten ausgeführt ist, wird sofort bei Überfahren die erreichte Bodenverdichtung bestimmt und der ermittelte Verdichtungsistwert zusammen mit den Ortskoordinaten des Bereiches für eine spätere Behandlung abgespeichert.
- Unter dem Ausdruck Verdichterwerte werden die Verdichtung hervorrufende Bewegungen der Verdichtungsvorrichtung verstanden. Der Ausdruck "Verdichtung" ist jeweils auf den zu verdichtenden bzw. verdichteten Boden bzw. Belag bezogen.
- Diese spätere Behandlung kann nun ein erneutes verdichtendes Überfahren sein oder auch eine Behandlung des Bodenbereiches, falls sich durch die wiederholten ortsbezogenen Verdichtungsmessungen herausstellt, dass dieser Bodenbereich gar nicht weiter, beispielsweise aufgrund seiner Materialzusammensetzung, des Untergrundes usw., verdichtbar ist.
- Die Unmöglichkeit einer weiteren Verdichtung lässt sich dadurch feststellen, dass die erreichten Verdichtungsistwerte ortsbezogen bei jedem Verdichtungsvorgang ermittelt und abgespeichert werden. Diese abgespeicherten Werte werden verglichen. Wird keine (signifikante) Zunahme der Verdichtung festgestellt, so ist eben dieser Bereich nicht weiter verdichtbar. Um in diesem Bereich durch weitere Verdichtungsvorgänge keinen Schaden anzustellen bzw. Zeit zu vergeuden, können über diesem Bereich Unwuchtmoment und Unwuchtfrequenz derart eingestellt werden, dass lediglich ein oberflächenglättendes Überfahren erfolgt.
- Unwuchtmoment und Unwuchtfrequenz werden zum oberflächenglättenden Überfahren auch dann eingestellt, wenn bereits ein Bereich auf den geforderten Verdichtungswert verdichtet ist und benachbarte Bereiche, oder Bereiche in einer vorgegebenen Fahrtstrecke, diesen Wert noch nicht erreicht haben. Durch dieses oberflächenglättende "Zurückstellen" der Maschinenverdichtungsdaten kann einerseits schneller gefahren werden, andererseits wird ein "Aufrütteln" eines bereits verdichten Bereiches vermieden.
- Im Gegensatz zu den bekannten Bodenverdichtungssystemen können nun die Sollwerte für die Bodenkraft FB und den Phasenwinkel ϕ direkt am betreffenden Ort (Bereich) ermittelt und eingestellt werden. Im Gegensatz zu den von "Hand eingestellten" Verdichtungsvorrichtungen des Stands der Technik, ist die erfindungsgemässe Verdichtungsvorrichtung ein "Verdichtungsautomat".
- Sind mehrere Bereiche bereits ausreichend verdichtet, so können diese Bereiche umfahren werden. Dem Führer der Verdichtungsvorrichtung wird dann von der Recheneinheit, welche die ortsbezogenen Verdichtungsistwerte aus der Speichereinheit verarbeitet, ein Fahrweg vorgeschlagen. Der Vorschlag eines Fahrweges kann auf einer in der Fahrerkabine angeordneten Anzeigeeinheit dargestellt werden. Der Fahrweg kann aber auch auf die so genannte Windschutzscheibe gespiegelt werden oder direkt mit einem Lichtstrahl, insbesondere mittels eines Laserstrahls (z.B. einem roten Heliumneonlaserstrahl) auf den Bodenbereichen angezeigt werden. Eine Anzeige auf der Bodenoberfläche hat den Vorteil, dass den Arbeitern hierdurch angezeigt wird, den für die Verdichtung vorgesehenen Fahrtweg frei zu geben bzw. nicht zu betreten bzw. Maschinen aus diesem Bereich zu entfernen.
- Bei grösseren Baustellen wird in der Regel mit mehreren Verdichtungsvorrichtungen gearbeitet, welche auch unterschiedliche Vorrichtungsdaten für die vorzunehmende Verdichtung aufweisen können. Die Logik jeder Verdichtungsvorrichtung kennt ihre speziellen Verdichtungseigenschaften und kann aus den vorgegebenen Verdichtungssollwerten mit einer Einstelleinheit Unwuchtmoment und Unwuchtfrequenz entsprechend einstellen.
- Da es sich in der Regel um grössere Massen zur Erzeugung der für die Verdichtung benötigten Vibration handelt, wird man vorzugsweise ein Zeitglied vorsehen. Das Zeitglied kennt die maschinentypische Einstellzeit und weiss damit bei vorgegebener Bewegungsgeschwindigkeit (in der Regel Verfahrgeschwindigkeit), in welcher Zeitspanne mit dem Verstellen angefangen werden muss, damit bei Erreichen des betreffenden Bereiches das ermittelte Unwuchtmoment und die ermittelte Unwuchtfrequenz zum Tragen kommen.
- Bei der Verwendung mehrerer Verdichtungsvorrichtungen reicht es nicht mehr aus, den vorgegebenen bereichsspezifischen Verdichtungssollwert abzuspeichern, die Ortszuordnung mit einem Triangulationssystem oder GPS zu bestimmen und die ermittelten Verdichtungsistwerte ortsbezogen (bereichsspezifisch) abzuspeichern, damit sie bei einem erneuten Verdichtungsvorgang in Betracht gezogen werden können. Sind mehrere Verdichtungsvorrichtungen vorhanden, wird in der Regel in Kolonnen gefahren, so dass nicht immer ein und dieselbe Verdichtungsvorrichtung über von ihr vorverdichtete Bereiche fährt. In diesem Fall wird man vorzugsweise die Verdichtungsistwerte über Sende- und Empfangsanlagen von Vorrichtung zu Vorrichtung übertragen. Vorzugsweise hat dann auch jede Verdichtungsvorrichtung ein System zur exakten Ortsbestimmung.
- Man kann nun die Verdichtungs- und Ortsdaten direkt von Verdichtungsvorrichtung zu Verdichtungsvorrichtung übertragen. Es kann aber zusätzlich eine Zentrale verwendet werden. Aus dieser Zentrale können dann die bereichsspezifischen Verdichtungssollwerte, vorzugsweise funktechnisch, an die Verdichtungsvorrichtungen übermittelt werden. Die Verdichtungsvorrichtungen übermitteln dann ihrerseits die bereichsbezogenen Verdichtungsistwerte. Die Zentrale kann einmal als zwischengeschaltete "Intelligenz" fungieren; sie kann aber auch dazu dienen, dass die bereichsbezogenen Verdichtungsist- bzw. -endwerte zu Protokollzwecken abgespeichert und für ein Baustellenmanagement verwendet werden.
- Neben einer Ermittlung der Verdichtungswerte (Bodensteifigkeit) können selbstverständlich zusätzlich auch noch andere Werte wie die Oberflächentemperatur und die Bodendämpfung ermittelt werden.
- Bei der nachfolgenden Erklärung des Verfahrens zur Messung der Verdichtungsistwerte wird von einer so genannten Vibrationsplatte ausgegangen. Analog hierzu lässt sich mit jeder Verdichtungsvorrichtung verfahren.
- Zur Absolutmessung wird auf die Vibrationseinheit eine zeitveränderliche Erregerkraft als periodische erste Kraft mit einem maximalen, gegen die Bodenoberfläche senkrecht gerichteten, ersten Schwingungswert erzeugt. Die Frequenz der Erregerkraft bzw. deren Periode wird derart eingestellt bzw. verstellt, bis ein Schwingungssystem, gebildet aus der Vibrationseinheit und einem zu verdichtenden bzw. auszumessenden Bodenbereich, mit dem die Vibrationseinheit in dauerndem Oberflächenkontakt ist, in Resonanz kommt. Die Resonanzfrequenz f wird festgehalten bzw. abgespeichert. Ferner wird ein Phasenwinkel ϕ zwischen dem Auftreten eines maximalen Schwingungswertes der Erregerkraft und einem maximalen Schwingungswert einer Schwingungsantwort des oben genannten Schwingungssystems ermittelt.
- Arbeitet man z. B. mit einer Vibrationsplatte, so weiss man die schwingende Masse md des Unterwagens, und man weiss auch ein statisches Moment Md eines Unwuchterregers, wobei hier sämtliche schwingende Unwuchten zu berücksichtigen sind. Neben dem Phasenwinkel ϕ wird die Amplitude A des Unterwagens gemessen. Aus der schwingenden Masse md [kg · m], der Resonanzfrequenz f [Hz], dem statischen Moment Md [kg · m], der Amplitude A [m] und dem Phasenwinkel ϕ [°] kann mit der nachfolgenden Beziehung eine absolute Bodensteifigkeit kB [MN/m] bestimmt werden:
-
- Der Formfaktor kann mit einer kontinuumsmechanischen Betrachtung eines Körpers, welcher sich mit einem elastischen halbunendlichen Raum in Kontakt befindet, gemäss "Forschung auf dem Gebiet des Ingenieurwesens", Bd. 10, Sept./Okt. 1939, Nr. 5, Berlin, S. 201 - 211, G. Lundberg, "Elastische Berührung zweier Halbräume", ermittelt werden.
- Um Relativwerte zu ermitteln, wobei es sich hier um ein schnelles Verfahren handelt, wird die Erregerkraft derart erhöht, bis ein Springen der Vibrationseinheit eintritt. Auch wird man jetzt nicht mehr die Erregerkraft senkrecht zur Bodenoberfläche wirken lassen, sondern derart, dass sich die Vorrichtung mit der Vibrationseinheit über eine Bodenoberfläche selbständig bewegt (gilt insbesondere für die Vibrationsplatte) und von einem Vibrationsplattenführer nur noch in der gewünschten Richtung geführt werden muss. Die Messmittel der Vorrichtung sind in diesem Fall derart ausgebildet, dass lediglich eine Frequenzanalyse der Schwingungsantwort an der Vibrationsplatte vorgenommen wird. Es wird durch Filterschaltungen eine zur Erregerfrequenz tiefste subharmonische Schwingung ermittelt. Je tiefer die tiefste subharmonische Schwingung ist, desto grösser ist die erreichte Bodenverdichtung. Die Messung lässt sich noch verfeinern, indem Amplitudenwerte in der Schwingungsantwort für alle subharmonischen Schwingungen und eine erste Oberwelle zur anregenden Frequenz ermittelt werden. Diese Amplitudenwerte werden unter Verwendung von Gewichtsfunktionen ins Verhältnis zur Amplitude der Erregerfrequenz gemäss nachfolgender Gleichung gesetzt:
x0, x2, x4 und x8 sind Gewichtungsfaktoren, deren Ermittlung unten beschrieben ist. Af ist der maximale Schwingungswert der auf die Vibrationseinheit wirkenden erregenden Kraft. A2f ist der maximale Schwingungswert einer ersten Oberwelle zur erregenden Schwingung. - Af/2 ist ein maximaler Schwingungswert einer ersten Subharmonischen mit der halben Frequenz der erregenden Schwingung. Af/4 und Af/8 sind maximale Schwingungswerte einer zweiten bzw. dritten Subharmonischen mit einer Viertelfrequenz bzw. einer Achtelfrequenz der erregenden Schwingung. A2f, Af/2, Af/4 und A f/8 werden aus der Schwingungsantwort ermittelt.
- Je grösser nun der Wert von s ist, desto grösser ist auch die Bodenverdichtung. Da lediglich für eine Beurteilung der Bodenverdichtung maximale Schwingungswerte und deren Verhältnisse unter einer Summenbildung ermittelt werden müssen, handelt es sich hier um ein äusserst schnelles Messverfahren.
- Bestimmt man nun die oben angeführten Gewichtungswerte, so folgt aus der Relativmessung eine Absolutmessung, wobei der Erhalt absoluter Werte immer an ein- und dieselbe Bodenzusammensetzung (Lehm, Sand, Kies, Lehmboden mit einem vorgegebenen Kies- / Sandanteil, ...) gebunden ist.
- Wird jeweils nach dem Verdichtungsvorgang z. B. mit einer Grabenwalze, mit einem Walzenzug usw. gemessen, so kann eine Verdichtungszunahme ermittelt werden. Ist die Verdichtungszunahme nur gering oder wird keine Verdichtungszunahme ermittelt, bringt auch ein weiteres Überfahren keine weitere Verdichtungszunahme. Ist dennoch eine weitere Verdichtungszunahme gefordert, muss mit anderen Verdichtermitteln gearbeitet werden, oder die Bodenzusammensetzung durch einen Materialaustausch geändert werden.
- Da mit der hier angeführten Vorrichtung sowohl Absolutmessungen wie auch schnelle Relativmessungen der Bodenverdichtung vorgenommen werden können, ist es möglich, wie nachfolgend ausgeführt, nach einer Eichung auch schnelle Absolutmessungen vorzunehmen. Ausgehend von obiger Gleichung {A} ist bei bekannten "Maschinenparametern", schwingende Masse md des Unterwagens und statisches Moment Md eines Unwuchterregers, sofern eine Vibrationsplatte verwendet wird, und Messung der Schwingungsamplitude A des Unterwagens, der Resonanzfrequenz f [Hz] sowie des Phasenwinkels ϕ [°] die absolute Bodensteifigkeit kB [MN/m] eines Bodenteilbereichs ermittelbar.
- Entsprechend den vier Gewichtungsfaktoren x0, x2, x4 und x8 in Gleichung {B} werden nun auf vier unterschiedlichen Bodenteilbereichen des Bodenbereichs mit jeweils einer Absolutmessung Bodensteifigkeitswerte kB1, kB2, kB3 und kB4 ermittelt, wobei sich hierbei unterschiedliche Bodensteifigkeiten bei derselben Bodenzusammensetzung ergeben sollten.
- Nach der Ermittlung der Bodensteifigkeitswerte kB1, kB2, kB3 und kB4 werden die maximalen Schwingungswerte Af, A2f, Af/2, Af/4 und Af/8 auf denselben vier Bodenteilbereichen ermittelt. Die erhaltenen Werte werden in die Gleichung {B} eingesetzt, wobei für s die Bodensteifigkeitswerte kB1, kB2, kB3 und kB4 verwendet werden. Man hat nun vier Gleichungen, aus denen die vier noch unbekannten Gewichtungsfaktoren ermittelbar sind.
- Sind diese Werte in einem Speicher einer Auswerteeinheit der unten beschriebenen Vorrichtung abgelegt, so müssen beim Überfahren von Bodenteilbereichen nur noch die maximalen Schwingungswerte Af, A2f, Af/2, Af/4 und Af/8 ermittelt und mit den Gewichtungswerten verknüpft werden, um absolute Bodensteifigkeitswerte zu erhalten. Eine Absolutmessung kann nun genau so schnell wie die oben angeführten Relativmessungen vorgenommen werden.
- Ändert sich die Bodenzusammensetzung, so können noch Relativmessungen vorgenommen werden; eine Nacheichung sollte jedoch vorgenommen werden. Gewichtungswerte für unterschiedliche Bodenzusammensetzungen kann man in einem Speicher der Vorrichtung (in der Regel jedoch in einer unten angeführten Zentrale) ablegen und Messungen innerhalb einer durch eine Bodenzusammensetzung vorgegebenen Toleranz vornehmen. Es sollte jedoch bei sich ändernden Bodenzusammensetzungen, um eine ausreichende Genauigkeit zu erhalten, immer eine Eichung vorgenommen werden. Eine Eichung ist zwar bedeutend langsamer als die schnelle Relativmessung; bei etwas Übung lässt sich jedoch eine Eichung in wenigen Minuten vornehmen.
- Die ermittelten Bodenverdichtungswerte wird man vorzugsweise zusammen mit den jeweiligen Ortskoordinaten eines Bereichs, der ausgemessen wird, abspeichern bzw. gleich an eine Zentrale wie z.B. ein Baubüro übermitteln, damit von dort diese Daten wieder über eine Sende- und Empfangseinheit an die betreffenden Verdichtungsvorrichtungen übermittelt werden. Die Daten können aber auch, wie oben angeführt, für eine weitere Verarbeitung in der Verdichtungsvorrichtung abgespeichert werden.
- Als Verdichtungsvorrichtung kann man vorzugsweise eine Vibrationsplatte nehmen, da es sich hier um ein preisgünstiges Produkt handelt. Es können aber auch andere Maschinen, wie beispielsweise Grabenwalze und Walzenzug verwendet werden. Die Vibrationsplatte hat jedoch den Vorteil, dass die Kontaktfläche mit der Bodenoberfläche definiert ist.
- Als anregende Kraft wird man vorzugsweise zwei gegenläufig angetriebene Unwuchten nehmen. Die gegenseitige Lage der beiden Unwuchten muss gegeneinander verstellbar sein, damit einmal die Erregerkraft senkrecht auf die Bodenoberfläche (für eine Eichung und eine Absolutmessung) und einmal entgegen der Bewegungsrichtung schräg nach hinten richtbar ist. Auch muss die Frequenz der Erregerkraft (hier beispielsweise die gegenläufige Umdrehungszahl der Unwuchten) einstellbar sein, um in Resonanz gehen zu können. Das Suchen der Resonanzfrequenz kann manuell erfolgen; man wird es aber in vorteilhafter Weise durch einen automatischen "Scan"-Vorgang vornehmen lassen, der sich auf die Resonanzfrequenz einpendelt.
- Das statische Unwuchtmoment ist mittels einer Einstelleinheit selbsttätig einstellbar ausgebildet, indem beispielsweise eine radiale Verstellung der Unwuchtmasse bzw. -massen vornehmbar ist.
- Auch die Einwirkungsfrequenz auf die Bodenkontakteinheit ist mit der Einstelleinheit einstellbar. Bei einer einstellbaren Frequenz kann eine Resonanz des Schwingungssystems, bestehend aus Bodenkontakteinheit und dem zu verdichtenden bzw. verdichteten Bodenbereich, ermittelt werden. Ein Arbeiten in Resonanz ergibt eine Verdichtung bei reduzierter Verdichtungsleistung. Da das Schwingungssystem aufgrund der zu erbringenden Verdichtungsleistung ein gedämpftes System ist, ergibt sich aus dem Grad der Dämpfung ein Phasenwinkel zwischen der maximalen Amplitude der Anregung (z.B. Kraft durch die rotierenden Unwuchten) und der Schwingung des Systems (= Schwingung der Bodenkontakteinheit). Um diesen Phasenwinkel bestimmen zu können, wird man auf der Bodenkontakteinheit neben einem Sensor für die Subharmonischen (sowie auch für die Resonanzfrequenz und Oberwellen {Harmonische}) einen Sensor anbringen, der die zeitliche Auslenkung in Bodenverdichtungsrichtung misst. Die zeitliche Auslenkung der Anregung (Kraftaufbringung auf die Bodenkontakteinheit) kann ebenfalls gemessen werden; man kann sie jedoch leicht aus der augenblicklichen Stellung der Unwucht bzw. der Unwuchten ermitteln. Die zeitliche Lage der maximalen Amplituden (Anregungsschwingung zur Schwingung der Bodenkontakteinheit) wird man mit einem Komparator ermitteln. Die Anregung wird man vorzugsweise derart einstellen, dass die maximale Amplitude der Anregung um 90° bis 180°, vorzugsweise um 95° bis 130° der maximalen Amplitude der Bodenkontakteinheit vorauseilt. Die hierbei ermittelten Werte können, wie unten ausgeführt, bei einer veränderbaren Erregerfrequenz auch zur Ermittlung absoluter Verdichtungswerte herangezogen werden.
- Vorzugsweise wird man auch die maximale Amplitude der anregenden Kraft einstellbar auslegen. Eine Verstellung der anregenden Kraft kann bei der Verwendung z.B. von zwei Unwuchten erreicht werden, welche mit gleicher Umdrehungsgeschwindigkeit rotieren und deren winkelmässiger Abstand änderbar ist. Die Unwuchten können gleichsinnig oder auch gegensinnig bewegt werden.
- Ergänzend sei bemerkt, dass das Auftreten von Subharmonischen, sofern eine eine Bodenkontakteinheit aufweisende Bodenverdichtungsvorrichtung nicht entsprechend ausgelegt ist, zu Maschinenschäden führen kann. Man wird deshalb Dämpfungselemente zwischen der jeweiligen Bodenkontakteinheit und den restlichen Maschinenteilen derart auslegen, dass eine Übertragung der Subharmonischen gedämpft wird. Man kann natürlich die gesamte Bodenverdichtungseinheit derart auslegen, dass die tieffrequenten Subharmonischen keinen Schaden anrichten; deren Frequenz ist ja gemäss den Ausführungen in der Detailbeschreibung bekannt. Man kann aber auch die Amplitude der anregenden Kraft so weit herunterfahren, dass die Amplituden der Subharmonischen keinen Schaden anrichten bzw. nicht mehr vorhanden sind.
- Aus der nachfolgenden Detailbeschreibung und der Gesamtheit der Patentansprüche ergeben sich weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Merkmalskombinationen der Erfindung.
- Die zur Erläuterung des Ausführungsbeispiels verwendeten Zeichnungen zeigen:
- Fig. 1
- eine beispielsweise Geländeanordnung mit unterschiedlich verdichteten Bodenbereichen,
- Fig. 2
- eine schematische dargestellte Vibrationsplatte zur Verdichtung eines Bodenbereichs und Messung von erreichten Verdichtungsistwerten,
- Fig. 3
- Angaben zur Berechung einer Bodenverdichtung aus einem gekoppelten schwingungsfähigen System Boden-Vorrichtung,
- Fig. 4
- ein Beispiel einer Umsetzung eines dimensionslosen Modells in einem Simulink-Modell,
- Fig. 5
- ein Bewegungsverhalten einer Vibrationsplatte bei gleich bleibenden Maschinenparametern über einem unterschiedlich harten Untergrund,
- Fig. 6
- ein Blockschaltbild einer Ausführungsvariante der erfindungsgemässen Vorrichtung zur Verdichtung,
- Fig. 7
- eine schematische Darstellung einer Geräteanordnung mit mehreren Verdichtungsvorrichtungen
- Fig. 8
- eine zu
Figur 7 analoge schematische Darstellung einer Geräteanordnung mit mehreren Verdichtungsvorrichtungen und einer Zentrale zur Datenübermittlung und Datenauswertung, - Fig. 9
- eine schematische Darstellung eines mit dem erfindungsgemässen System realisierbaren Bearbeitungsablaufs, und
- Fig. 10
- eine schematische Darstellung der Systemsteuerung.
- Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
- Anhand
Figur 9 soll zunächst ein Beispiel für das Kontrollieren bzw. Steuern der Verdichtungsarbeiten auf einer Baustelle mit mehreren örtlich voneinander distanzierten Teilbereichen TB1, TB2, TB3, TB4 erläutert werden. - Im Teilbereich TB1 wird mit einer Eichvorrichtung EV zu einem Zeitpunkt t1 am Ort mit den Ortskoordinaten x1, y1 ein absoluter Verdichtungswert als Eichwert E1(x1, y1) gemessen. Die Daten werden von der Eichvorrichtung EV per Funk an die Recheneinheit R übertragen und dort abgespeichert. Eine Verdichtungswalze W1, welche durch die Systemsteuerung auf den Teilbereich TB1 geführt wird, misst zunächst am Ort x1, y1 den relativen Verdichtungswert V(W1;TB1;x1,y1) und übermittelt diesen an die Recheneinheit R. Die Recheneinheit R korreliert den relativen Verdichtungswert der Verdichtungswalze W1 mit dem Eichwert E1(x1, y1) und übermittelt das Ergebnis, z.B. in Form eines Korrekturfaktors K(W1,TB1) = corr.[E1(x1,y1) ↔ V(W1;TB1; x1,y1)], an die Verdichtungswalze W1. Diese kann nun den ganzen Teilbereich TB1 auf einen vorgegebenen absoluten Verdichtungswert verdichten. Dabei wird sie die tatsächlich erreichten relativen Verdichtungswerte V(TB1,xi,yi; i = 1 ... n), welche aufgrund der Korrelation zu E1(x1,y1) auch absolute Verdichtungswerte sind, vorzugsweise flächendeckend (d.h. in einem vorgegebenen Flächenraster xi, yi, wobei der Index i von 1 bis n läuft) der Recheneinheit R übermitteln. Noch während die Verdichtungswalze W1 am Bearbeiten des Teilbereichs TB1 ist, kann eine zwischenzeitlich frei gewordene Verdichtungswalze W2 auf den Punkt x1, y1 geführt werden, um dort den Boden (zu einem Zeitpunkt t2) in einer nicht-verdichtenden Weise zu befahren und einen relativen Verdichtungswert V(W2;TB1;x1,y1) zu messen. Dieser relative Verdichtungswert wird der Recheneinheit R übermittelt. Wenn die Stelle x1, y1 zum Zeitpunkt t2 von der ersten Verdichtungswalze W1 noch nicht bearbeitet worden ist, korreliert die Recheneinheit R den von der zweiten Verdichtungswalze W2 erhaltenen Verdichtungswert direkt mit dem Eichwert E1(x1, y1) und übermittelt der Verdichtungswalze W2 den errechneten Korrekturfaktor K(W2,TB1) = corr.[ E1(x1,y1) ↔ V(W2;TB1; x1,y1)]. Hat die erste Verdichtungswalze W1 dagegen die Stelle x1, y1 bereits auf den vorgegebenen Wert verdichtet, korreliert die Recheneinheit den von der zweiten Verdichtungswalze W2 erhaltenen relativen Verdichtungswert mit dem verdichteten Wert V(W1;TB1, x1, y1; t2), d.h. mit dem Verdichtungswert nach der Bearbeitung (= vorgegebener Sollwert). Weil die erste Verdichtungswalze W1 die Recheneinheit R ständig mit den erreichten Verdichtungswerten V(W1;TB1,xi,yi; i = 1 ... n) versorgt, ist die Recheneinheit R in der Lage, der zweiten Verdichtungswalze W2 den zutreffenden Korrekturfaktor zu übermitteln.
- Die zweite Verdichtungswalze W2 kann gleich weiter zum Teilbereich TB2 fahren und dort die Bodenbearbeitung aufnehmen. Weil sie durch die Messung am Ort x1, y1 geeicht ist, kann sie ortsbezogene absolute Verdichtungswerte V(W2;TB2,xi,yi; i = 1 ... n) im Teilbereich TB2 bestimmen, auch wenn die Eichvorrichtung EV noch nicht auf dem Platz ist. Wenn die Eichvorrichtung ankommt, kann sie prüfen, ob im vordefinierten Messpunkt x2, y2 der geforderte Verdichtungswert erreicht ist. Ob die zweite Verdichtungswalze W2 zu diesem Zeitpunkt läuft oder stillsteht bzw. wo sie sich befindet, ist nicht relevant. Die Eichmessung kann unabhängig davon durchgeführt werden. Die Eichvorrichtung EV übermittelt wiederum die gemessenen absoluten Verdichtungswerte E2(x2,y2) zusammen mit den Ortskoordinaten x2, y2 an die Recheneinheit R. Da diese die von der zweiten Verdichtungswalze W2 im Teilbereich TB2 ermittelten Messwerte kennt, kann sie wiederum eine Korrelation durchführen und überprüfen, wie gut die zweite Verdichtungswalze W2 (aufgrund der Messung am Ort x1, y1) geeicht ist. Sie übermittelt den Korrekturfaktor unverzüglich an die Verdichtungswalze W2, welche zu diesem Zeitpunkt vielleicht bereits den Bodenbereich TB4 bearbeitet.
- Schliesslich wird die Eichvorrichtung an die dritte Messposition x3, y3 im dritten Teilbereich TB3 gebracht. Hier kann auf die gleiche Weise die absolute Bodenverdichtung bestimmt werden, wie anhand der Teilbereiche TB1 und TB2 beschrieben.
- Es gibt auf den verschiedenen Teilbereichen der Baustelle also geeichte Messungen an verschiedenen Orten (wobei pro Teilbereich natürlich auch mehrere Messungen vorgenommen werden können). Anhand dieser Eichpunkte kann das System die verschiedenen Verdichtungsvorrichtungen kalibrieren, wobei sehr flexibel auf den Ort der Maschinen und den jeweiligen Arbeitsstand Rücksicht genommen werden kann. Es ist somit nicht mehr nötig, dass für eine Eichmessung mehrere Geräte und Maschinenführer zur gleichen Zeit am gleichen Ort sein müssen. Die Wege, welche mit den Maschinen zurückgelegt werden, können minimiert werden. Zeitverschiebungen, die sich aufgrund ursprünglich nicht vorgesehener Arbeiten oder Kapazitätsveränderungen ergeben (weil mehr oder weniger Maschinenstunden zur Verfügung stehen), können im System planerisch berücksichtigt werden.
- Wie das vorliegende Beispiel zeigt, werden die Verdichtungswerte V(W1;TB1,xi,yi; i = 1 ... n) zusammen mit einer Identifikation der Maschine abgespeichert, welche die Werte gemessen hat. Die Recheneinheit kann somit auch später noch Auswertungen durchführen und z.B. die Qualität der Messungen der verschiedenen Vorrichtungen verfolgen.
- In
Figur 10 ist schematisch die Systemsteuerung dargestellt. Jede Verdichtungswalze W1, W2, die Eichvorrichtung EV und die Recheneinheit R haben eine Steuereinheit CPU1, ..., CPU4. Diese Steuereinheiten CPU1, ..., CPU4 stehen miteinander in Verbindung und führen einen programmierten Verfahrensablauf durch. Auf diese Weise wird z.B. festgelegt, welche Maschine Daten erfasst und übermittelt und zu welchem Zeitpunkt dies erfolgen soll. Weiter kann vorgegeben bzw. gesteuert werden, wo die Maschinen sich hin bewegen sollen, an welche Maschine die Recheneinheit welche Daten übermittelt und anderes mehr. - Eine Korrelierung von relativ gemessenen Verdichtungswerten mit absolut gemessenen Werten ist immer dann von grossem Vorteil, wenn sich die Bodenzusammensetzung über einem auszumesssenden bzw. zu verdichtenden Bodenbereich ändert. Es kann beispielsweise sandiger, lehmiger, steiniger (Schotter oder Kies) Bodenuntergrund in den unterschiedlichen Bodenbereichen vorhanden sein; auch kann beispielsweise ein unterschiedlicher Wassergehalt zugegen sein. Alle diese unterschiedlichen Bodenzusammensetzungen geben unterschiedliche relative Bodenverdichtungswerte.
- Sind nun die Bereiche unterschiedlicher Bodenzusammensetzung in ihren geometrischen Positionen und Konturen bekannt, so wird man in jedem dieser Bodenbereiche einen Eichort mit ausgemessener absoluter Bodensteifigkeit vorgeben. Über diesen Ort bewegen sich dann die unterschiedlichen Bodenverdichtungsvorrichtungen, um ihre relativen Bodenverdichtungswerte in absolute Werte für die betreffenden Bereiche zu korrelieren.
-
Figur 1 zeigt einen Geländebereich 14 mit mehreren in Bahnen verlaufenden Bodenbereichen 3 unterschiedlicher Verdichtung. Je höher die Verdichtung in Bezug auf einen Verdichtungssollwert ist, desto enger ist die hier gewählte kennzeichnende Schraffur. Ein Kästchenmuster zeigt eine erreichte Verdichtung an, welche bereits dem Verdichtungssollwert entspricht. Ziel der hier angestrebten Verdichtung, wie sie z. B. im Strassenbau benötigt wird, ist das Erreichen einer vorgegebenen Verdichtung, welche nicht über- und nicht unterschritten werden darf. Eine gleichförmige Verdichtung ist mit vertretbarem Aufwand nur gemäss der Erfindung möglich. Zur Darstellung des Verdichtungszustands ist hier beispielsweise eine unterschiedliche Schraffur gewählt worden; vorzugsweise wird man jedoch eine Darstellung mit unterschiedlichen Farben wählen. - Die Verdichtungswerte dieses Geländebereichs sind z.B. in der Recheneinheit abgespeichert. (Sie können auch in jeder Verdichtungsvorrichtung abgespeichert sein, so dass die Verdichtungsvorrichtung selbständig arbeiten kann, auch wenn die Funkverbindung zur zentralen Recheneinheit vorübergehend unterbrochen sein sollte.) Zusätzlich können in der Datenkarte die Geometrie (Schichtdicke, Anzahl aufgebrachte Schichten) und Materialbeschaffenheit (Kies, Gemisch, Herkunft etc.) abgespeichert sein.
- Als Verdichtungsvorrichtung wird beispielsweise eine Vibrationsplatte 1 verwendet. Die Vibrationsplatte 1 dient somit als Verdichtungs- und als Messgerät. Sie hat generell eine Bodenkontakteinheit (Unterwagen 5 mit Bodenplatte 4) mit zwei gegenläufig rotierenden Unwuchten 13a und 13b (
Figur 2 ) mit einer Gesamtmasse md , welche auch einen Unwuchterreger mit einschliesst. md symbolisiert die gesamte anregende schwingende Masse. Auf den Unterwagen 5 stützt sich ein statisches Auflastgewicht des Oberwagens 7 mit einer Masse mf (statisches Gewicht) über Dämpfungselemente 6 (Steifigkeit kG, Dämpfung cG ) ab. Das statische Gewicht mf ergibt zusammen mit den Dämpfungselementen 6 ein fusspunkterregtes Schwingungssystem, das tief abgestimmt wird (tiefe Eigenfrequenz). Der Oberwagen 7 wirkt im Vibrationsbetrieb gegenüber den Schwingungen des Unterwagens 5 als Tiefpass zweiter Ordnung. Damit wird die in den Oberwagen 7 transmittierte Vibrationsenergie minimiert. - Der auszumessende, zu verdichtende bzw. verdichtete Boden des Bodenbereichs 3 ist ein Baustoff, für den, je nach untersuchten Eigenschaften, unterschiedliche Modelle existieren. Für den Fall des oben erwähnten Systems (Bodenkontakteinheit - Boden) kommen einfache Feder-Dämpfer-Modelle (Steifigkeit kB , Dämpfung cB ) zur Anwendung. Die Federeigenschaften berücksichtigen die Kontaktzone zwischen Bodenverdichtungseinheit (Unterwagen 5) und elastischem Halbraum (Bodenbereich). Im Bereich der Erregerfrequenzen des oben genannten Gerätes, die oberhalb der tiefsten Eigenfrequenz des Systems (Bodenkontakteinheit - Boden) liegen, ist die Bodensteifigkeit kB eine statische, frequenzunabhängige Grösse. Diese Eigenschaft konnte in der hier vorliegenden Anwendung im Feldversuch für homogene und geschichtete Böden nachgewiesen werden.
-
-
- md : schwingende Masse [kg] z.B. Unterwagen 5
- mf : stat. Auflastgewicht [kg] z.B. Oberwagen 7
- Md : stat. Moment Unwucht [kg m]
- xd : Bewegung schwingende Masse [mm]
- xf : Bewegung Auflastgewicht [mm]
- Ω: Erregerkreisfrequenz [s-1] Ω = 2π·f
- f: Erregerfrequenz [Hz]
- kB : Steifigkeit der Unterlage/des Bodenbereichs [MN/m];
- cB : Dämpfung der Unterlage/des Bodenbereichs [MNs/m]
- kG : Steifigkeit der Dämpfungselemente [MN/m]
- cG : Dämpfung der Dämpfungselemente [MNs/m]
- Eine Bodenreaktionskraft FB zwischen Unterwagen 5 und auszumessenden, verdichtetem bzw. zu verdichtendem Bodenbereich 3 steuert dabei die Nichtlinearität der einseitigen Bindung.
-
- j = 1 lineare Schwingungsantwort, Auflastbetrieb
- j = 1,2,3,... periodisches Abheben (die Maschine verliert pro Erregungsperiode einmal den Kontakt zum Boden)
- j = 1,1/2, 1/4, 1/8,.... und zugehörige Oberwellen: Springen, Taumeln, chaotischer Betriebszustand.
- ϕ ist ein Phasenwinkel zwischen dem Auftreten eines maximalen Schwingungswertes der Erregerkraft und einem maximalen Schwingungswert einer Schwingungsantwort des oben genannten Schwingungssystems.
- Für die nachfolgenden Betrachtungen des "Springens" wird eine senkrecht auf die Bodenoberfläche 2 wirkende Kraft FB angenommen. Bei der oben beschriebenen Vibrationsplatte hingegen wirkt diese Kraft nicht senkrecht auf die Bodenoberfläche 2, sondern schräg nach hinten, um z.B. eine springende Bewegung in Vorwärtsrichtung zu erhalten. Bei den nachfolgenden mathematischen Betrachtungen ist somit die senkrechte Komponente der schrägen Kraft einzusetzen. Die schräg auf die Bodenoberfläche wirkende Erregerkraft wird erreicht, indem die gegensinnig rotierenden Unwuchten 13a und 13b derart rotationsmässig gegeneinander verschoben sind, dass ihre sich addierenden Unwuchtmomente der Unwuchten 13a und 13b einen maximalen Kraftvektor etwa unter einem Winkel von 20° nach rechts unten in
Figur 3 haben. Zur Ermittlung der Absolutwerte (Resonanzfall) zeigt der maximale Kraftvektor (wäre identisch mit FB) senkrecht auf die Bodenoberfläche 2. - Eine numerische Simulation erlaubt die Berechnung der Lösungen der Gleichungen (1). Insbesondere für den Nachweis chaotischer Schwingungen ist die Verwendung numerischer Lösungsalgorithmen unerlässlich. Mit Hilfe analytischer Berechnungsverfahren, wie der Mittelungsmethode, können für lineare und nichtlineare Schwingungen sehr gute Näherungslösungen und Aussagen grundsätzlicher Natur zu einer Bifurkation der Grundschwingungen getroffen werden. Die Mittelungstheorie ist beschrieben in Anderegg Roland (1998), "Nichtlineare Schwingungen bei dynamischen Bodenverdichtern", Fortschritte VDI, Reihe 4, VDI Verlag Düsseldorf. Dies erlaubt einen guten Gesamtüberblick über die auftretenden Lösungen. Bei mehrfach verzweigenden Systemen sind analytische Methoden mit einem unverhältnismässig hohen Aufwand verbunden.
- Als Simulationswerkzeug wird das Programmpaket Mathlab/Simulink® verwendet. Dessen graphische Benutzeroberfläche und die zur Verfügung stehenden Tools sind sehr geeignet zur Behandlung des vorliegenden Problems. Die Gleichungen (1) werden zuerst in eine dimensionslose Form transformiert, um eine höchstmögliche Allgemeingültigkeit der Resultate zu erreichen.
- d,h, κ = f/f0, wobei f die Anregungs- und f0 die Resonanzfrequenz [Hz] ist.
- ω 0 ist die Kreis-Resonanzfrequenz des Schwingungssystems "Maschine-Boden" [s-t].
-
- Die resultierenden Gleichungen (3) werden graphisch mit Mathelab Simulink® modelliert, siehe
Figur 4 . Die Nichtlinearität wird vereinfacht als eine rein kraftgesteuerte Funktion betrachtet und mit Hilfe des "Switch"-Blocks aus der Simulink-Bibliothek modelliert. - Die
Figur 4 zeigt folgendes:80 Chassis / Oberwagen 81 Boden, entkoppelt 82 Bandage / Unterwage 83 Eigengewicht Chassis 84 Beschleunigung Chassis 85 Beschleunigung Bandage 86 Lambda, Dämpfung Chassis 87 Geschwindigkeit Chassis 88 Geschwindigkeitssignal Chassis 89 Weg Chassis 90 Wegsignal Chassis 91 Phasenkurve Chassis 92 Lambda Steifigkeit Chassis 93 Switch 1 94 Weg Boden 95 Steifigkeit / Dämmung 96 Äussere Erregung 97 Eigengewicht Bandage 98 Null 99 Switch 100 Kraft 101 Bodenkontaktkraft 102 Steifigkeit 103 Dämpfung 104 Geschwindigkeit Bandage 105 Beschleunigung Bandage 106 Geschwindigkeitssignal Bandage 107 Weg Bandage 108 Wegsignal Bandage 109 Phasenkurve Bandage 110 Arbeitsdiagramm - Das Koordinatensystem der Gleichungen (1) und (3) beinhaltet eine statische Einsenkung infolge des Eigengewichts (statisches Auflastgewicht mf , schwingende Masse md ). Im Vergleich mit Messungen, die aus der Aufintegration von Beschleunigungssignalen resultieren, muss die statische Einsenkung zu Vergleichszwecken im Simulationsresultat subtrahiert werden. Die Anfangsbedingungen für die Simulation sind alle "0" gesetzt. Die Resultate werden für den Fall des eingeschwungenen Zustands angegeben. Als Lösungssolver wird "ode 45" (Dormand-Price) mit einer variablen Integrationsschrittweite (max. Schrittweite 0.1 s) im Zeitbereich von 0 s bis 270 s gewählt.
- Für die Betrachtung des chaotischen Maschinenverhaltens der Vibrationsplatte 1 genügt es in der Regel, den schwingenden Teil zu untersuchen, Insbesondere bei gut abgestimmten Gummidämpferelementen sind in den Elementen (Unter- und Oberwagen) die dynamischen Kräfte gegenüber den statischen Kräften vernachlässigbar klein und es gilt ẍf <<ẍd . In diesem Fall können die beiden Gleichungen in (1) bzw. (3) addiert werden und es ergibt sich eine Gleichung (4a) für einen Freiheitsgrad des schwingenden Elements xd ≡ x. Das zugehörige analytische Modell findet sich in
Figur 3 . -
- Daraus wird eine Phasenraum-Darstellung mit x 1(t)-x 2(t), bzw. x(t)-ẋ(t) abgeleitet.
- Die Phasenkurven, auch als Orbitale bezeichnet, sind im Fall linearer, stationärer und monofrequenter Schwingungen geschlossene Kreise bzw. Ellipsen. Bei nichtlinearen Schwingungen, bei denen zusätzlich Oberwellen auftreten (periodisches Abheben der Bandage vom Boden), sind die Oberwellen als aufmodulierte Periodizitäten zu erkennen. Erst bei Periodenverdoppelungen, also subharmonischen Schwingungen wie dem "Springen", mutiert der ursprüngliche Kreis zu geschlossenen Kurvenzügen, die Schnittpunkte in der Phasenraum-Darstellung aufweisen.
- Es hat sich gezeigt, dass das Auftreten von subharmonischen Schwingungen in Form von Verzweigungen oder Bifurkationen ein weiteres, zentrales Element stark nichtlinearer und chaotischer Schwingungen ist. Im Gegensatz zu Oberwellen stellen subharmonische Schwingungen einen neuen, gesondert zu behandelnden Betriebszustand eines nichtlinearen Systems dar; dieser Betriebszustand unterscheidet sich stark vom ursprünglichen, linearen Problem. Oberwellen sind nämlich klein im Verhältnis zur Grundschwingung, d. h. die nichtlineare Lösung des Problems verbleibt, mathematisch betrachtet, in der Umgebung der Lösung des linearen Systems.
- Eine Messwerterfassung kann in der Praxis durch den Impuls einer Hall-Sonde, welche den Null-Durchgang der Vibrowelle erfasst, ausgelöst werden. Damit lassen sich auch Poincaré-Abbildungen generieren. Werden die periodisch erfassten Amplitudenwerte in Funktion des variierten Systemparameters, in unserem Falle also der Bodensteifigkeit kB, aufgetragen, entsteht das Bifurkations- oder so genannte Feigenbaum-Diagramm (
Figur 5 ). In diesem Diagramm erkennt man zum einen die Eigenschaft der sich bei steigender Steifigkeit im Bereich der Verzweigung schlagartig vergrössernden Amplituden, die Tangente an die zugehörige(n) Kurve(n) verläuft im Verzweigungspunkt vertikal. Deshalb ist in der Praxis auch keine zusätzliche Energiezufuhr für das Springen der Walze erforderlich. Das Diagramm zeigt weiter auf, dass bei steigender Steifigkeit (Verdichtung) weitere Verzweigungen folgen, und zwar in immer kürzeren Abständen bezogen auf die kontinuierlich zunehmende Steifigkeit kB . Die Verzweigungen erzeugen eine Kaskade neuer Schwingungsanteile mit der jeweils halben Frequenz der vorhergehend tiefsten Frequenz des Spektrums. Da sich die erste Verzweigung aus der Grundschwingung mit der Frequenz f, bzw. Periode T, abspaltet, entsteht die Frequenz-Kaskade f, f/2, f/4, f/8 etc. Analog zur Grundschwingung generieren auch die subharmonischen Oberwellen und es entsteht ein Frequenzkontinuum im tieffrequenten Bereich des Signalspektrums. Dies ist ebenfalls eine spezifische Eigenschaft des chaotischen Systems, im vorliegenden Fall also der vibrierenden Vibrationsplatte. - Man beachte, dass sich das System des Verdichtungsgerätes in einem deterministischen und nicht in einem stochastischen chaotischen Zustand befindet. Da die Parameter, welche den chaotischen Zustand bewirken, nicht alle messbar sind (nicht vollständig beobachtbar), kann der Betriebszustand der subharmonischen Schwingungen nicht für die praktische Verdichtung prädiktiert werden. Das Betriebsverhalten in der Praxis ist zudem durch viele Unwägbarkeiten gekennzeichnet, die Maschine kann durch den starken Kontaktverlust zum Boden wegrutschen, die Belastung der Maschine durch die tieffrequenten Schwingungen wird sehr hoch. Laufend können weitere Bifurkationen des Maschinenverhaltens (unverhofft) auftreten, die sofort starke Zusatzbelastungen zur Folge haben. Hohe Beanspruchungen treten auch zwischen Bandage und Boden auf; dies führt zur unerwünschten Auflockerung oberflächennaher Schichten und zieht Kornzertrümmerungen nach sich.
- So wird bei neuen Geräten, die über eine aktive Regelung der Maschinenparameter in Funktion gemessener Grössen verfügen (z.B. ACE: Ammann Compaction Expert) bei Auftreten der ersten subharmonischen Schwingung mit der Frequenz f/2 sofort die Unwucht und damit die Energiezufuhr verringert. Diese Massnahme verhindert zuverlässig das unerwünschte Springen oder Taumeln der Bandage. Zudem garantiert eine kraftgesteuerte Regelung von Amplitude und Frequenz des Verdichtungsgerätes eine Steuerung der Nichtlinearität und damit eine sichere Verhinderung des Springens/Taumelns, die ja letztlich die Folge der auftretenden Nichtlinearität ist.
- Aufgrund der Tatsache, dass die subharmonischen Schwingungen einen jeweils neuen Bewegungszustand der Maschine darstellen, müssten Relativmessungen, z. B. zur Erfassung des Verdichtungszustandes des Bodens, für jede neu auftretende subharmonische Schwingung neu auf die Bezugsprüfverfahren, wie beispielsweise den Druckplattenversuch (DIN 18 196) geeicht werden. Auf diese Relativmessung kann verzichtet werden, wie unten erläutert wird.
- Im Fall eines "Kompaktometers", bei dem zur Verdichtungskontrolle das Verhältnis von erster Oberwelle 2f zu Grundschwingung f verwendet wird, ändert sich mit dem Auftreten des Springens die Korrelation grundsätzlich; nur innerhalb des jeweiligen Verzweigungszustandes der Bewegung existiert ein linearer Zusammenhang des Messwerts mit der Bodensteifigkeit.
- Bei konstant belassenen Maschinenparametern kann das kaskadenartige Auftreten der Bifurkationen und Oberwellen mit ihren zugehörigen Periodenverdoppelungen analog den Grosswalzen als Indikator für die zunehmende Bodensteifigkeit und Verdichtung dienen (relative Verdichtungskontrolle).
- Währenddem Walzen, vom Walzenzug bis zur handgeführten Grabenwalze, die Abrollbewegung der Bandagen für ihre Fortbewegung nutzen und damit kein direkter Zusammenhang zwischen Vibration und Vorwärtsbewegung besteht, ist die Vibrationsplatte für ihre Fortbewegung immer auf das periodische Abheben vom Boden angewiesen, gesteuert durch die Neigung ihres Richtschwingers. Deshalb sind die Vibrationen und die Fortbewegung miteinander direkt gekoppelt, Platten und Stampfer weisen in der Folge immer ein nichtlineares Schwingungsverhalten auf. Dadurch geraten die Geräte mit zunehmender Steifigkeit kB schneller in den Bereich des Periodenverdoppelungsszenarios, chaotische Betriebszustände treten bei ihnen häufiger auf als bei Walzen.
- Der Sensor zur Aufnahme der Schwingungsform des Schwingungssystems ist gemäss obiger Beschreibung am Unterwagen 5 oder am Oberwagen 7 angeordnet. Bei einer Anordnung am Oberwagen 7 sind Schwingungsbeeinflussungen durch die Dämpfungselemente, wie oben skizziert, zu beachten.
- Die zur Verdichtung wenigstens eines Bodenbereichs 3 über dessen Bodenoberfläche 2 bewegbare Vorrichtung 1 hat hier beispielsweise eine Unwuchteinheit 40, eine Einstelleinheit 41, ein Zeitglied 43, eine Vergleichereinheit 45, eine Messeinheit 47, eine Speichereinheit 49, eine Ortsbestimmungseinheit 51 und eine Sende- und Empfangseinheit 53. Diese Funktionsblöcke sind schematisch in
Figur 6 dargestellt. - Die Unwuchteinheit 40 hat ein einstellbares Unwuchtmoment und eine einstellbare Unwuchtfrequenz. Die Verstellung bzw. Einstellung wird mittels einer mit der Unwuchteinheit 40 mechanisch verbundenen Einstelleinheit 41 vorgenommen. Die Ortsbestimmungseinheit 51 ist signalmässig mit der Speichereinheit 49 verbunden. Mit der Ortsbestimmungseinheit wird die Lage des gerade im Verdichtungsprozess befindlichen Bodenbereichs 3 ermittelt. Die Lage d.h. die Ortskoordinaten können trigonometrisch über Peilung oder mittels GPS bestimmt werden. Die Messeinheit 47 ist hier beispielsweise auf der Bodenplatte 4 angeordnet und signalmässig mit der Vergleichereinheit 45 und der Speichereinheit 49 verbunden. Die Messeinheit 47 ermittelt gemäss obigen Ausführungen selbsttätig den Verdichtungsistwert des Bodenbereichs 3 während der Verdichtung. Dieser Bodenverdichtungswert wird zusammen mit den durch die Ortsbestimmungseinheit 51 ermittelten Ortskoordinaten als bereichsspezifischer Verdichtungsistwert in der Speichereinheit 49 abgespeichert. Die Vergleichereinheit 45 dient zum Vergleich des jeweiligen bereichsspezifischen Verdichtungsistwertes mit einem zugeordneten bereichsspezifischen Verdichtungssollwertes, um durch die Einstelleinheit 41 korrigierte bereichsspezifische Unwucht- und Unwuchtfrequenzwerte für eine nachfolgende Verdichtungsüberfahrt zu erhalten. Die Vergleichereinheit 45 ist signalmässig mit der Messeinheit 47, der Speichereinheit 49 und dem Zeitglied 43 verbunden.
- Die Recheneinheit 50 beinhaltet das Zeitglied 43, die Vergleichereinheit 45, die Speichereinheit 49 und eine "Central-Processing-Unit" 52. Die Recheneinheit 50 ist zudem mit der Sende- und Empfangseinheit 53 und der Ortsbestimmungseinheit 51 verbunden. Die Recheneinheit 50 führt sämtliche Berechnungen durch, um aus abgespeicherten und übermittelten Daten die entsprechenden Maschinendaten für eine optimale Verdichtung einzustellen. Sie stellt auch die Daten für eine Übermittlung zu einer Zentrale oder anderen Verdichtungsvorrichtungen zur Verfügung.
- Das Zeitglied 43 dient dazu der Einstelleinheit 41 zum richtigen Zeitpunkt die Werte für eine Verstellung des Unwuchtmomentes und der Unwuchtfrequenz zur Verfügung zu stellen. Es müssen hier insbesondere Massen verstellt, beschleunig bzw. abgebremst werden. Hierzu wird Zeit benötigt. Das Zeitglied muss somit vorausschauend aus der Bewegungsrichtung und Bewegungsgeschwindigkeit die Einstellwerte ermitteln.
- Die Datenempfangs- und -übermittlungseinheit 53 dient zum Empfang bereichsspezifischer Verdichtungssollwerte, insbesondere zum Empfang von bereichsspezifischen Verdichtungsistwerte eines vorgängigen Verdichtungsvorganges. Ferner dient die Datenempfangs- und -übermittlungseinheit 53 zur Übermittlung der Lage von Bereichen und deren bei der Verdichtung ermittelten Verdichtungsistwerten. Die Datenempfangs- und - übermittlungseinheit 53 ist signalmässig mit der Speichereinheit 49 verbunden, von der dann eine signalmässige Verbindung mit der Vergleichereinheit 45, der Messeinheit 47 und über das Zeitglied 43 mit der Einstelleinheit 41 gegeben ist.
- Der obige Verdichtungsvorgang ist anhand einer Vibrationsplatte lediglich beispielsweise erklärt worden. Anstelle der Vibrationsplatte können selbstverständlich jegliche Arten von Walzen und Stampfern verwendet werden.
- Bei der Vibrationsplatte ist die Fahrtrichtungseinstelleinheit lediglich durch eine Bedienung der Führungsdeichsel 9 gegeben. Bei den diversen Walzentypen erfolgt eine Fahrtrichtungseinstellung in der Regel durch ein Lenkrad.
-
Figur 7 zeigt analog zum Geländebereicht 14 einen zu verdichtenden Geländeabschnitt 60, der mit zwei schematisch dargestellten Walzen 61a und 61b und einer Vibrationsplatte 63 verdichtet werden soll. Die Walzen 61 a und 61b sowie die Vibrationsplatte 63 haben je eine Ortsbestimmungseinheit 65a bis 65c. Die Kommunikation zwischen diesen drei Vorrichtungen 61a, 61b und 63 zur Datenübertragung der jeweiligen bereichsspezifischen Verdichtungsistwerte erfolgt von jeder Vorrichtung zu jeder Vorrichtung, schematisch durch die Doppelpfeile 67a, 67b und 67c angedeutet. Zur weiteren Veranschaulichung enthält der Geländeabschnitt 60 eine Fehlstelle 69 als nicht verdichtbaren Bereich. Eine der drei Vorrichtungen61a, 61b und 63 wird diese Fehlstelle 69 versuchen zu verdichten und dann einen bereichsspezifischen Verdichtungsistwert feststellen, der unterhalb des bereichsspezifischen Verdichtungssollwertes liegt. Dieser Verdichtungsistwert wird mit der entsprechenden Lageposition an die beiden anderen Vorrichtungen übermittelt und in der gerade verdichtenden Vorrichtung gespeichert. Bei einem nun folgenden Verdichtungsvorgang stellt nun dieselbe Vorrichtung oder eine der anderen Vorrichtungen fest, dass bei einem weiteren Verdichtungsvorgang der bereichsspezifische Verdichtungsistwert innerhalb eines vorgegebenen Toleranzwertes nicht zugenommen hat. Bei weiteren Verdichtungsüberfahrten wird nun diese Fehlstelle 69 als nicht verdichtbar ausgenommen d.h. nicht mehr überfahren. Sollte ein Ausklammern des Überfahrens nicht möglich sein, da ansonsten anliegende Bereiche nicht verdichtend überfahren werden können, so wird mit einer erhöhten Verfahrgeschwindigkeit und zurückgesetzter Verdichtungsleistung (lediglich Glätten der Oberfläche) diese Fehlstelle 69 überfahren. Analog wird mit Bereichen verfahren, welche bereits den vorgegebenen bereichsspezifischen Verdichtungsistwert erreicht haben. - Eine Abwandlung zu der in
Figur 7 dargestellten Geräteanordnung, zeigtFigur 8 . InFigur 8 ist eine Zentrale 70 vorhanden, mit der sämtliche Verdichtungsvorrichtungen, hier ebenfalls beispielsweise die Vibrationsplatte 63 und die beiden Walzen 61 a und 61b, über deren Datenempfangs- und -übermittlungseinheit 71 miteinander kommunizieren. Die Zentrale 70 wird in der Regel das so genannte Baubüro sein, bei dem alle Informationen zusammenlaufen. Zu dieser Zentrale 60 übermitteln dann die Verdichtungsvorrichtungen 61a, 61b und 63 die bereichsspezifischen Verdichtungsistwerte, welche entsprechend in einem Datenspeicher 73 gesammelt und ausgewertet werden. In der Zentrale 60 entsteht dann analog zuFigur 1 (jedoch mit bedeutend gleichmässigeren Verdichtungswerten) ein Geländebereich aus dem dann die erreichten Verdichtungswerte erkennbar sind. Die Fehlstelle 69 würde sich in einer derartigen Darstellung gut herausheben. Die Zentrale 60 würde dann Massnahmen, wie z.B. einen Materialaustausch des Bodenmaterials vornehmen. - In der obigen Beschreibung wurden Bodenbereiche verdichtet. In einer analogen Verfahrensweise mit denselben Verdichtungsvorrichtungen lassen sich jedoch auch auf einem Bodenbereich aufgebrachte Beläge, wie Asphaltbeläge, verdichten.
- Zusammenfassend ist festzustellen, dass durch die Erfindung ein System geschaffen worden ist, welches neue Möglichkeiten für eine effiziente Baustellenbewirtschaftung schafft.
Claims (13)
- System für die koordinierte Bodenbearbeitung, umfassenda) eine Mehrzahl von Verdichtungsvorrichtungen (W1, W2) zur Bodenverdichtung, wobei die Verdichtungsvorrichtungen (W1, W2) zum Ermitteln von ortsbezogenen relativen Verdichtungswerten (V(W1;TB1, xi, yi; i = 1...n)) ausgebildet sind,
gekennzeichnet durch :b) eine Eichvorrichtung (EV) zum Ermitteln von ortsbezogenen absoluten Verdichtungswerten,c) eine Recheneinheit (R) zum Korrelieren von relativen und absoluten ortsbezogenen Verdichtungswerten, wobei Verdichtungsvorrichtungen (W1, W2), Eichvorrichtung (EV) und Recheneinheit (R) nachrichtentechnisch miteinander verbunden sind, undd) eine Systemsteuerung (CPU1, ..., CPU4), welche derart ausgebildet ist, dass die ortsbezogenen relativen Verdichtungswerte der Verdichtungsvorrichtungen (W1, W2) sowie die ortsbezogenen absoluten Verdichtungswerte laufend an die Recheneinheit (R) übermittelt, dort abgespeichert und beim Vorhandensein von ortsgleichen Verdichtungswerten Verdichtungskorrelationswerte berechnet und an die Verdichtungsvorrichtungen übermittelt und dort als Korrekturwert abgespeichert werden. - System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Systemsteuerung derart ausgebildet ist, dass jeder Verdichtungsvorrichtung eine Identifikation zugeordnet wird und dass in der Recheneinheit ortsbezogene relative Verdichtungswerte zusammen mit der Identifikation gespeichert werden.
- System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit zum Abspeichern einer Bodenbereichskarte ausgebildet ist.
- System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit derart ausgebildet ist, dass ein ortsbezogener relativer Verdichtungswert mit Eigenschaftswerten einer bearbeiteten Bodenschicht verknüpft wird.
- System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Eichvorrichtung und Verdichtungsvorrichtung mit einem GPS-Gerät zur Ortsbestimmung ausgerüstet sind.
- System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Eichvorrichtung als Verdichtungsvorrichtung, insbesondere als Verdichtungswalze ausgebildet ist.
- System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Mehrzahl von Verdichtungsvorrichtungen ohne Eichvorrichtungen hat.
- Betriebsverfahren für das System nach Anspruch 1 zum Erstellen eines verdichteten Bodenbereichs mit folgenden Schritten:a) Überfahren zumindest eines Teilbereichs des Bodenbereichs mit einer Verdichtungsvorrichtung, welche beim Überfahren mindestens einen relativen, ortsbezogenen Verdichtungswert ermittelt,b) Ermitteln eines absoluten ortsbezogenen Verdichtungswertes im Teilbereich mit einer Eichvorrichtung,c) automatisches nachrichtentechnisches Übermitteln von gemäss Schritt a) und b) ermittelten relativen und ortsbezogenen absoluten Verdichtungswerten an eine Recheneinheit,d) Ermitteln zumindest eines Korrelationswertes zwischen relativem und absolutem Verdichtungswert,e) automatisches Übermitteln des Korrelationswertes an die Verdichtungsvorrichtung, undf) Nachführen eines Referenzwertes - sofern nötig - in der Verdichtungsvorrichtung entsprechend dem übermittelten Korrelationswert.
- Betriebsverfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst der absolute ortsbezogene Verdichtungswert ermittelt wird und zu einem späteren Zeitpunkt mit der Verdichtungsvorrichtung der Teilbereich in einer nicht-verdichtenden Weise befahren wird, um beim Überfahren mindestens einen relativen, ortsbezogenen Verdichtungswert zu ermitteln.
- Betriebsverfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst mit der Verdichtungsvorrichtung der Teilbereich in einer verdichtenden Weise befahren wird und beim Überfahren mindestens ein relativer, ortsbezogener Verdichtungswert ermittelt wird und dass zu einem späteren Zeitpunkt der absolute ortsbezogene Verdichtungswert ermittelt wird.
- Betriebsverfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Eichvorrichtung eine weitere Verdichtungsvorrichtung verwendet wird, welche nicht nur zur Bestimmung relativer sondern auch absoluter Verdichtungswerte ausgebildet ist.
- Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Teilbereiche sowohl mit der Verdichtungsvorrichtung als auch mit einer weiteren Verdichtungsvorrichtung überfahren werden.
- Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass in der Recheneinheit Daten, insbesondere Material und Schichtdicke, über den Schichtaufbau abgespeichert werden und diese Daten den Verdichtungswerten zugeordnet werden.
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