Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Formgebung von Gemengen, bevorzugt von Betongemengen zur Steinfertigung, umfassend eine Form zur Aufnahme des Betongemenges, einen Tisch, mit dem die Form über Verspannungselemente gekoppelt ist, ein am Tisch angebrachtes Schwingungserzeugungssystem zur Erzeugung harmonischer Schwingungen und deren Übertragung auf den Tisch, eine Auflast in Form eines Stempels zur Beaufschlagung des Betongemenges mit einer Kraft, erste Federelemente zur elastischen Lagerung des Tisches, zweite Federelemente zur elastischen Lagerung der Auflast, und bezieht sich auf das Problem der Betonsteinfertigung mittels harmonischer Vibration.

Zur Herstellung kleinformatiger Betonwaren in der industriellen Produktion werden heutzutage meist Vorrichtungen verwendet, die zur Verdichtung des Betongemenges das Prinzip der Schockvibration ausnutzen. Bei solchen Vorrichtungen werden zur Schwingungserzeugung Systeme verwendet, die auf elektromotorisch angetriebenen Unwuchtwellen basieren, wie beispielsweise im Artikel "Steigerung der Produktqualität durch effiziente Verdichtung" von Berthold Schlecht und Alexander Neubauer, erschienen in der Zeitschrift "Betonwert + Fertigteil-Technik", Ausgabe 9/2000, S. 44 - 52, ausführlich dargestellt. An der Unterseite des Tisches, auf dem die Aufnahmeform mit dem Betongemenge gelagert, jedoch nicht fest verspannt wird, sind jeweils zwei Unwuchtwellen oder zwei Paare von Unwuchtwellen angebracht, wobei im letzteren Fall die Unwuchtwellen mechanisch durch Zahnräder oder elektronisch zwangssynchronisiert werden. Die Aufnahmeform besteht dabei in der Regel aus einer sogenannten Palette - beispielsweise einem Brett, einer Kunststoffplatte oder einem Stahlblech - und einem Formkasten, der die Seitenwände der Betonwaren definiert und auf der Palette aufliegt. Dies hat vor allem produktionstechnische Gründe, da der Abtransport der fertigen Betonwaren auf diesen Paletten erfolgt, beeinflußt aber auch wesentlich das Verhalten bei der Schockvibration.

Solche Vorrichtungen sind jedoch mit Nachteilen behaftet: Zur optimalen Verdichtung des Betons sind in der Regel hohe Momentanbeschleunigungen von mehr als 200m/s² erforderlich. Mit den bekannten Vorrichtungen lassen sich jedoch nur Unwuchtkräfte von maximal 200 kN bereitstellen, u. a. weil die Lagerungen der rotierenden Unwuchten ansonsten unzulässig hohen Belastungen, einhergehend mit sehr kurzen Lagerlebensdauern, ausgesetzt wären. Da mittels der durch Unwuchterregung erzeugten harmonischen Schwingungen des Tisches die erforderlichen hohen Beschleunigungen nicht bereitgestellt werden können, müssen diese auf anderen Weg erzeugt werden. Dies geschieht mit Hilfe der sogenannten Schockvibration. Dabei werden die notwendigen hohen Beschleunigungen jeweils kurzzeitig durch sogenannte Prellschläge zwischen den nicht fest miteinander verbundenen Komponenten Tisch, Palette und Formkasten erzeugt. Die Erzeugung der Prellschläge erfolgt zudem über Klopfleisten, die stationär parallel zum Tisch angeordnet sind. Die Einstellung dieser Klopfleisten erfolgt rein empirisch durch die Abstimmung verschiedener Maschinenparameter und gewährleistet somit nicht immer die optimale Einstellung und eine optimale Verdichtung. Die Verwendung eines anderen Gemenges bzw. einer anderen Form zieht daher zum Teil umfangreiche Einstellarbeiten nach sich. Weitere Nachteile der Schockvibration sind die mit den Prellschlägen verbundenen hohen Lärmemissionen, die hohe Maschinenbelastung und ein hoher Verschleiß der Einrichtung. Letzteres führt auch dazu, daß die optimale Einstellung der Maschine verloren geht und die Produktqualität schlechter wird.

Möchte man auf die Schockvibration verzichten, so muß das Fehlen der durch die Prellschläge erzeugten Beschleunigungsspitzen durch entsprechend höhere Kräfte in der harmonischen Vibration ersetzt werden. Mit den bekannten motorisch angetriebenen Unwuchterregern lassen sich diese hohen Kräfte jedoch nicht erzeugen. Verwendet man allerdings anstelle motorisch angetriebener Unwuchterreger einen oder mehrere hydraulisch betätigte Servozylinder, so lassen sich die erforderlichen hohen Kräfte erzeugen und das Prinzip der harmonischen Vibration ausnutzen. Auf hydraulischem Antrieb basierende Vorrichtungen zur Betonsteinfertigung werden ebenfalls in den oben genannten Artikel von Schlecht und Neubauer sowie in der Schrift WO 01 /47698 A1 beschrieben. Die Vorteile der harmonischen Vibration sind unter anderem, daß der Verschleiß deutlich reduziert wird, die Lärmemissionen - Palette, Formkasten und Tisch sind in diesem Fall fest miteinander verspannt - reduziert werden, der Zementverbrauch reduziert werden kann sowie die Produktionszeiten verringert werden können.

In der Wahl einer Hydraulik als Antriebsmedium liegt aber auch ein großer Nachteil. Gerade Servohydraulik erfordert eine extreme Reinheit des Öls, die sich in der Umgebung eines Betonwerkes nur mit hohen Aufwand aufrecht erhalten läßt. Außerdem liegt der Energiebedarf einer auf Hydraulik basierenden Vorrichtung deutlich höher als bei herkömmlichen elektromotorisch arbeitenden Schockvibrationsvorrichtungen. Zudem sind die Anschaffungskosten für ein derartiges Servohydrauliksystem deutlich höher als für einen elektromotorischen Antrieb.

In der Schrift WO 01/47698 A1 wird zwar vorgeschlagen, die harmonischen Schwingungen mechanisch zu erzeugen, jedoch wird kein Weg aufgezeigt, die bekannten und oben genannten Nachteile des Standes der Technik zu überwinden.

In der EP 0 51 5 305 A1 wird in Fig. 2 eine Rüttelvorrichtung mit acht Unwuchtwellen gezeigt. Jeweils zwei Unwuchtwellen sind miteinander gekoppelt, jedes der Unwuchtwellenpaare verfügt über einen eigenen Antrieb. Die Rüttelvorrichtung besteht aus zwei Rütteltischen. In Fig. 3 der o.g. Schrift wird ebenfalls ein zweiteiliger Rütteltisch beschrieben, hier sind jedoch die acht Unwuchtwellen nicht gekoppelt, jede der Unwuchtwellen verfügt über einen eigenen Antrieb.

In der DE 38 39 556 A1 wird eine Vorrichtung zur Herstellung von Betonteilen beschrieben, gemäß dem Oberbegriff des Ansprüchs 1. Diese Vorrichtung verfügt über eine Einrichtung zum Verriegeln einer Form mit einem Rütteltisch. An zwei einander gegenüberliegenden Seiten des Formenrahmens ist je eine dieser Einrichtungen vorgesehen. Bei der Einrichtung handelt es sich um ein symmetrisch ausgebildetes, durch eine Hydraulik angetriebenes Mehrgelenkgetriebe mit sieben Gliedern, welches nach dem Kniehebelprinzip arbeitet. Die durch die Hydraulik erzeugte, nach oben gerichtete Kraft wird über die Gelenke auf Druckstücke gelenkt, die auf die Form drücken und diese an den Tisch pressen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur Verdichtung von Gemenge, insbesondere von Betongemenge zur Betonsteinfertigung, basierend auf harmonischer Vibration zu entwickeln, die ohne die Nachteile der Schockvibration sowie des Hydraulikantriebs auskommt und dennoch ausreichend hohe Beschleunigungen bzw. Kräfte zur Verfügung stellt.

Bei einer Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß im Schwingungserzeugungssystem mindestens acht rotierende Unwuchtwellen mit zueinander parallelen Rotationsachsen vorgesehen sind. Die Unwuchtwellen sind dabei in ihrer Rotationsbewegung paarweise gekoppelt und jedes Paar von Unwuchtwellen hat eine gemeinsame Rotationsachse und ist unabhängig von den anderen Paaren angetrieben. Gegenüber einer herkömmlichen Vorrichtung wird somit eine Unwuchtwelle durch ein gekoppeltes Paar von Unwuchtwellen ersetzt. Dies bedingt zwangsläufig, daß die Unwuchtwellen gedrungener und kürzer konstruiert sein müssen. Um die erforderliche Gesamtkraft von 600 kN zu erzeugen, muß pro einzelner Unwucht eine Kraft von mindestens 75 kN bereitgestellt werden, was durch eine höhere Unwucht U = m_ur_u, mit der Unwuchtmasse m_u und dem Unwuchtradius r_u, gegenüber herkömmlichen Unwuchtwellen erreicht werden kann. Die Übertragung einer deutlich höhere Gesamtkraft wird dadurch ermöglicht, daß acht anstelle von vier Unwuchtwellen verwendet werden: Da üblicherweise jede Unwuchtwelle in zwei am Tisch angebrachten Wälzlagern gelagert ist, kann die Gesamtkraft somit auf 16 anstatt acht Wälzlager aufgeteilt werden. Dabei sind zur Verspannung von Form und Tisch als Verspannungselemente Zugglieder mit hydraulischem oder pneumatischen Zug vorgesehen. Diese sind mit ihrem einen Ende am Tisch angebracht und mit ihrem andern Ende im verspannten Zustand kraftschlüssig mit der Form verbunden. Alternativ können die Zugglieder auch mit Ihrem einen Ende an der Form angebracht sein und mit ihrem anderen Ende im verspannten Zustand kraftschlüssig mit dem Tisch verbunden sein. Dadurch kann die Anlenkstelle der Verspannung am Tisch im Höhenniveau gesenkt werden. Die Verwendung von Zuggliedern gegenüber den herkömmlich verwendeten Verspannhebeln in Höhe der Formanschlüsse hat den Vorteil, daß auf weit auskragende Teile, wie sie bisher für den Verspannungsmechanismus notwendig waren, und die bei hohen Schwingbeschleunigungen, wie sie i. a. beim Verwenden harmonischer Vibrationen und Resonanzen entstehen, besonders gegen Bruch gefährdet sind, verzichtet werden kann.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Zugglieder mit ihrem einen Ende in einem Winkel von mehr als 0° bezüglich der Lotrechten am Tisch angebracht, bevorzugt in einem Winkel zwischen 10° und 30°. Dies hat den Vorteil, daß die Verspannungskonturen, d. h. die Mittel, mit denen die kraftschlüssige Verbindung hergestellt wird, beim Entspannen aus dem Kollisionsraum der Formhubbewegung ausgefahren werden und die Form damit leichter herausgenommen und gewechselt werden kann.

In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung sind als Verspannungselemente am Tisch Keile und an der Form Zugstangen mit für die Keile passenden Öffnungen vorgesehen, wobei im verspannten Zustand die Keile in die Öffnungen der Zugstangen eingetrieben sind. Zur Herstellung und Lösung der Verspannung ist zweckmäßig ein hydraulischer oder pneumatischer Vor- und Rücktrieb für die Keile vorgesehen.

Um den Verschleiß zu verringern ist es vorteilhaft, für die Unwuchtwellen eine Biegesteifigkeit von EI ≥ 2*10⁵ Nm² vorzusehen, wobei E das Elastizitätsmodul des für die Unwuchtwellen verwendete Materials und I das Flächenträgheitsmoment der Unwuchtwelle bezeichnet. Zweckmäßig fertigt man dazu die Unwuchtwellen aus Stahl mit einem Durchmesser von mindestens 80 mm.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind zur Lagerung der Unwuchtwellen am Tisch befestigte Halterungen mit Zylinderrollenlagern vorgesehen. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung sind zur Lagerung einer jeden Unwuchtwelle zwei Zylinderrollenlager mit einem Lagerabstand von etwa 150 mm vorgesehen. Zylinderrollenlager haben gegenüber den üblicherweise verwendeten Pendelrollenlagern den Vorteil einer höheren Tragfähigkeit. Durch den geringeren Abstand der Rollenlager in Zusammenwirkung mit der höheren Biegesteifigkeit der Unwuchtwellen werden die Winkelabweichungen in den Lagern minimiert, so daß die Kantenbelastung an den Lagern geringer ist. Die Lebensdauer der Lager wird auf diese Weise gegenüber herkömmlichen Vorrichtungen erhöht.

Die Kopplung in der Rotationsbewegung zweier in einem Paar zusammengefaßten Unwuchtwellen kann als elektronische Kupplung ausgestaltet sein, wobei die Unwuchtwellen synchronisiert angetrieben sind und die Synchronisation über eine elektronische Steuerung erfolgt. Einfacher und billiger, und daher zu bevorzugen, ist jedoch die paarweise Kopplung zweier Unwuchtwellen mittels einer elastischer Kupplung. Diese muß dabei gegen Verdrehung möglichst steif ausgebildet sein, gegenüber Fluchtungsfehlern, die durch Abweichungen der momentanen lokalen Lage der Rotationsachsen beider Unwuchtwellen zueinander im Bereich der Kupplung entstehen können, jedoch möglichst tolerant ausgebildet sein. Zweckmäßig hat die elastische Kupplung eine Drehfedersteifigkeit von mindestens 10⁴ Nm/rad und eine radiale Federsteifigkeit von höchstens 2*10⁷ N/m.

Der Tisch mit Form und Betongemenge kann besonders effektiv in harmonische Schwingungen versetzt werden, wenn die von den Unwuchterregern erzeugten Schwingungen mit der Eigenfrequenz des Schwingverbandes auf den ersten Federelemente, die zur elastischen Lagerung des Tisches dienen, übereinstimmen: In diesem Fall kann deren Resonanz genutzt werden. Dazu müssen die ersten Federelemente in der Regel besonders steif ausgeführt werden. Dies hat den Nachteil, daß im Resonanzfall auch ein erheblicher Schwingungsübertrag auf die Umgebung erfolgt. Der gleiche Sachverhalt trifft auch für die Auflast und die zweiten Federelemente zur elastischen Lagerung der Auflast zu. Eine gute Schwingungsisolierung gegenüber der Umgebung erreicht man jedoch nur mit weichen ersten und zweiten Federelementen. Die einzig nutzbaren Resonanzschwingungen wären in diesem Fall die durch das Betongemenge vermittelte Relativbewegung zwischen Tisch und Auflast. Die so wirkende Betonfeder ist jedoch stark vom Gemenge und vom Fortschritt der Verdichtung abhängig, womit eine Ausnutzung der Resonanz erschwert wird.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden daher Tisch und Auflast über dritte Federelemente gekoppelt. Vorzugsweise sind als dritte Federelemente mechanische oder hydraulische Federn mit jeweils variierbaren Federkräften vorgesehen. Diese dritten Federelemente können dann auf eine vorgegebenen Betriebsfrequenz abgestimmt werden, so daß sich Änderungen in der Federkraft der Betonfeder in der Summe aller Federn deutlich geringer auswirken und sogar, bei variierbaren Federkräften der dritten Federelemente, kompensiert werden können.

Als Verspannungselemente können auch am Tisch angebrachte Elektromagnete vorgesehen sein. Dazu ist selbstverständlich erforderlich, daß die Form aus einem magnetisierbaren Material besteht. Dies ist üblicherweise der Fall, da die Formen in der Regel aus Stahl sind. Wird eine zweiteilige Form verwendet, so muß nicht nur der Formkasten, sondern auch die Palette zwischen Formkasten und Tisch aus magnetisierbarem Material, beispielsweise Stahlblech, bestehen. Werden die Magnete bei aufliegender Form eingeschaltet, so ziehen sie die Form mittels elektromagnetischer Kraft an und verspannen sie auf diese Weise.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Beispiels näher erläutert werden. In den dazugehörigen Figuren zeigt

Fig.1

eine Vorrichtung zur Formgebung von Gemengen in einer Seitenansicht,

Fig.2

die Realisierung eines erfindungsgemäßen Verspannungsmechanismus,

Fig.3

eine Unwuchtwelle, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist, und

Fig.4

ein Paar von gekoppelten Unwuchtwellen entsprechend der Erfindung.

In Fig.1 ist der prinzipielle Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Formgebung von Gemengen, insbesondere zur Fertigung von Betonsteinen gezeigt. Auf einem Tisch 1 ruht eine Form 2, die Betongemenge 3 enthält. Die Form 2 kann aus einem Stück gestaltet sein, meistens aber werden Boden- und Seitenflächen der Betonsteine über verschiedene, voneinander trennbare Teile der Form 2 definiert, was in der Zeichnung durch eine durchbrochene Linie in der Form 2 deutlich gemacht wird. Die Seitenflächen werden über einen Formkasten aus Stahl definiert, zur Definition der Bodenflächen kann eine sogenannte Palette, beispielsweise ein Brett oder ein Stahlblech dienen, auf denen die fertigen Betonsteine auch abtransportiert werden können. Über der Form 2 ist eine Auflast 4 angeordnet. Auf der Unterseite des Tisches 1 sind erste Federelemente 5 angeordnet, die der elastischen Lagerung des Tisches 1 gegenüber der Umgebung dienen. An der Auflast 4 sind zweite Federelemente 6 angebracht, die der elastischen Lagerung der mente 6 angebracht, die der elastischen Lagerung der Auflast 4 dienen. Tisch 1 und Auflast 4 sind über dritte Federelemente 7 gekoppelt. Unterhalb des Tisches 1 sind acht rotierende Unwuchtwellen 8 angeordnet, wobei die Unwuchtwellen 8 in ihrer Rotationsbewegung paarweise gekoppelt sind und jedes Paar von Unwuchtwellen 8 eine gemeinsame Rotationsachse hat. Die Rotationsachsen der Unwuchtwellen 8 verlaufen in Fig.1 senkrecht zur Betrachtungsebene. Über die rotierend angetriebenen Unwuchtwellen 8 wird der Tisch 1 mit der Form 2 und den darin befindlichen Betongemenge 3 in harmonische Schwingungen versetzt. Dabei schwingt er gegen die Auflast 4, die mit dem Tisch über das Betongemenge 3 und die dritten Federelemente 7 gekoppelt ist und ihrerseits ebenfalls in Schwingungen versetzt wird.

Die dritten Federelemente 7 sind dabei in Abhängigkeit vom Betongemenge so konzipiert, daß die Resonanz des gegeneinander schwingenden Systems vom Tisch 1 und Auflast 4 möglichst effizient über den ganzen Verdichtungsvorgang ausgenutzt werden kann, d. h. die Abhängigkeit der Resonanzfrequenz vom Verdichtungszustand des Betongemenges, die ohne Verwendung der dritten Federelemente 7 sehr stark wäre, so weit wie möglich verringert wird. Die dritten Federelemente 7 müssen außerdem so ausgelegt sein, daß sie die Relativbewegungen, die zwischen Tisch 1 und Auflast 4 beim Verdichten und Entschalen auftreten, zulassen. Dies kann z. B. mit Hilfe von Hydraulikzylindern realisiert werden. Eine andere Möglichkeit ist, die dritten Federelemente 7 nur zeitweise, wenn sich Tisch 1 und Auflast 4 aufeinander zu bewegen, eingekoppelt wird. Hier bieten sich Stahl-, Gummi- oder Luftfedern an.
Während des Schwingungsvorganges wird die Form 2 durch Verspannungselemente auf dem Tisch festgehalten. In Fig.1 sind die Verspannungselemente als hydraulisch betriebene Zugstangen 9 ausgelegt, die mit ihrem einen Ende am Tisch um eine Achse senkrecht zur Zeichenebenen schwenkbar befestigt sind. Zum Verspannen der Form 2 auf dem Tisch 1 wird durch die hydraulischen Zugstangen 9 ein Zug der Form 2 nach unten ausgeübt, zum Lösen werden die oberen Enden der Zugstangen 9 durch die Hydraulik nach oben geschoben und seitlich ausgeklappt, so daß die Form einfach gewechselt werden kann.

Alternativ dazu können die hydraulisch betriebenen Zugstangen auch gleich mit einem geringen Winkel von etwa 10° bis 30° zur Lotrechten angeordnet werden. Sie müssen dann nicht mehr seitlich ausgeklappt werden, da durch die schräge Anordnung die Verspannungskonturen beim Entspannen konstruktionsbedingt aus dem Kollisionsraum der Formhubbewegung ausgefahren werden und die Form damit leichter herausgenommen und gewechselt werden kann.

In Fig. 2 ist ein weiterer alternativer Verspannungsmechanismus dargestellt. An der Form 2, hier einteilig gestaltet, ist eine Zugstange 10 befestigt. Das untere Ende der Zugstange 10 ragt in einen dafür vorgesehenen ausgesparten Bereich des Tisches 1 hinein. Die schraffierten Bereiche von Zugstange 10 und Tisch 1 in Fig.2 deuten einen Querschnitt durch beide Elemente an. Am unteren Ende der Zugstange 10 befindet sich eine Öffnung, in die ein am Tisch befestigter Keil 11 hydraulisch eingetrieben ist. Der Keil 11 kann mittels der Hydraulik aus der Öffnung der Zugstange 10 zurückgezogen werden und die Form 2 vom Tisch 1 entfernt werden.

Fig.3 zeigt eine Unwuchtwelle 12 herkömmlicher Bauart, wie sie zur Betonsteinfertigung mittels harmonischer Vibration nicht geeignet ist. Die Unwuchtwelle 12 wird über einen Antrieb 13 angetrieben, der aus schwingungstechnischen Gründen entkoppelt vom Tisch 1 gelagert ist. Unter dem Tisch 1 sind Halterungen 14, die hier im Querschnitt gezeigt sind, mit Pendelrollenlagern 15 zur Lagerung der Unwuchtwelle 12 angebracht. Bei dieser Bauweise sind der Unwuchtmasse und der damit erzeugbaren Unwuchtkräften enge Grenzen von maximal 50 kN pro Unwuchtwelle gesetzt, da ansonsten die Lagerungen unzulässig hohen Belastungen ausgesetzt würden, einhergehend mit sehr kurzen Lagerlebensdauern.

Mit der in Fig.4 gezeigten Anordnung und Ausführung von Unwuchtwellen 8 lassen sich wesentlich höhere Kräfte erzielen. Hier sind zwei Unwuchtwellen 8 über eine elastische Kupplung 16 zu einem Paar gekoppelt. Der Antrieb 13 für die Unwuchtwellen 8 wird ebenfalls wieder aus schwingungstechnischen Gründen entkoppelt vom Tisch 1 gelagert. Jede Unwuchtwelle 8 wird von jeweils zwei am Tisch 1 befestigten Halterungen 14 mit Zylinderrollenlagern 17 gehalten. Der Abstand zwischen den zwei Zylinderrollenlagern 17, in denen eine Unwuchtwelle 8 lagert, beträgt dabei entlang der Rotationsachse der Unwuchtwelle 8 etwa 1 5 cm.

Auf diese Weise läßt sich ein Produkt von Unwuchtmasse und Unwuchtradius von 0,7 kgm realisieren, so daß sich bei einer Erregerkreisfrequenz von Ω = 2*π*60Hz Einzelunwuchtkräfte bzw. Erregerkraftamplituden von etwa 100 kN pro einzelner Unwucht erzielen lassen, ohne daß dabei die Lebensdauer der Zylinderrollenlager 17 beeinträchtigt würde.

1

Tisch

2

Form

3

Betongemenge

4

Auflast

5

erste Federelemente

6

zweite Federelemente

7

dritte Federelemente

8

Unwuchtwellen

9

hydraulische Zugstangen

10

Zugstange

11

Keil

12

Unwuchtwelle

13

Antrieb

14

Halterung

1 5

Pendelrollenlager

16

elastische Kupplung

17

Zylinderrollenlager