[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Freifallhammers einer Baumaschine
mittels einer Regelungs-/Steuerungsvorrichtung.
[0002] Bei gattungsgemäßen Baumaschinen mit Freifallhammern ist es bekannt, ein großes Gewicht
durch hydraulische Aktoren in die Luft zu heben, welches dann durch die Gravitationskraft
wieder zurück in die Ursprungslage gelangt. Dabei trifft das Gewicht auf ein Rammgut,
welches durch die Bewegungsenergie in den Untergrund getrieben wird. Die Rammgewichte
bewegen sich üblicherweise im Bereich von 3.000 kg bis 15.000 kg.
[0003] Bei aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur Steuerung von Freifallhammern
ist es bekannt, den Freifallhammer durch Eingabe von drei Parametern in eine Regelungs-/Steuerungsvorrichtung
eines Hydrauliksystems zu steuern. Zum einen wird die Verweildauer des Rammgewichts
zwischen den einzelnen Schlägen eingestellt, zum anderen kann die Öffnungszeit eines
entsprechenden Hydraulikventils festgelegt werden und fernerhin der Volumenstrom einer
entsprechenden Hydraulikpumpe festgelegt werden. Diese Einstellungen muss der Fahrer
während des Betriebs der entsprechenden Baumaschine je nach Situation justieren. Durch
das Fehlen bzw. Verwerten entsprechender Informationen der hydraulischen Schaltung
ist es für den Fahrer unumgänglich, diese drei Variablen dauernd zu verändern.
[0004] Durch physikalische Kopplungen der hydraulischen Ansteuerung ergibt sich eine Beeinflussung
der Einstellungen bzw. Parameter untereinander. Wird z.B. der Volumenstrom der Hydraulikpumpe
erhöht, erhöht sich das Druckniveau im Hydrauliksystem, wodurch im Hydraulikspeicher
entsprechend mehr Energie vorhanden sein kann und die Amplitude des Gewichtes bzw.
des Freifallhammers steigen bzw. vergrößert werden kann. Um dies wieder zu korrigieren,
muss der Fahrer anschließend die Öffnungszeit des Ventils reduzieren, damit die gleiche
Höhe erreicht werden kann. Wird z.B. der Volumenstrom der Hydraulikpumpe zu klein
angesetzt, kann es zu stark unterschiedlichen Fallhöhen des Freifallhammers kommen.
Wird der Volumenstrom der Hydraulikpumpe hingegen zu hoch gewählt, können die hydraulischen
Komponenten höher belastet werden und es kann zu frühen Ausfällen des Hydraulikspeichers
oder sonstiger Komponenten des Hydrauliksystems kommen. Durch die hohe Dynamik des
hydraulischen Freifallhammers verändert sich das Verhalten der hydraulischen Schaltung
durch Temperaturschwankungen ebenfalls, was bedeutet, dass der Fahrer die ganze Betriebszeit
des Hammers diese drei Variablen verändern bzw. anpassen muss. Durch die Zeitverzögerung
des gesamten Systems ist es außerdem schwierig und kann nur von geschultem Personal
durchgeführt werden.
[0005] Aufgabe der Erfindung ist es daher ein Verfahren zur Steuerung eines Freifallhammers
sowie eine entsprechende Vorrichtung bereitzustellen, mittels der eine einfachere
Einstellung bzw. Steuerung des Freifallhammers durch den Betreiber bzw. Fahrer möglich
ist. Es soll dabei unabhängig von äußeren Einflüssen wie z.B. der Außentemperatur
und/oder dem Untergrund und unabhängig von anderen Fahrereinstellungen ein definiertes
Verhalten des Freifallhammers festgelegt werden können. Dieses Verhalten besteht aus:
einer einstellbaren Schlagenergie, welche sich durch eine einstellbare Wurfhöhe äußert;
einer definierten Haltezeit, die das Fallgewicht auf dem Rammgut ruht, bevor der nächste
Schlag eingeleitet wird; und
einer maximalen Schlagfrequenzeinstellung, wobei beispielsweise eine möglichst schnelle
oder eine definierte maximale Frequenz der Schlagwiederholungen möglich sein kann.
[0006] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst. Vorteilhafte Ausbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
[0007] Demnach ist ein Verfahren zur Steuerung eines Freifallhammers einer Baumaschine mittels
einer Regelungs-/Steuerungsvorrichtung vorgesehen, mit den Schritten.
Eingeben von Vorgabeparametern in die Regelungs-/Steuerungsvorrichtung durch eine
Bedienperson;
Erfassen aktueller Systemparameter der Baumaschine durch die Regelungs-/Steuerungsvorrichtung;
Berechnen der Betätigungsdauer einer Hydraulikschaltung in Abhängigkeit von den Vorgabeparametern
und von den Systemparametern;
Öffnen der Hydraulikschaltung für die berechnete Betätigungsdauer, wobei das Öffnen
der Hydraulikschaltung bewirkt, dass der Freifallhammer mittels eines Aktuators gehoben
wird.
[0008] Vorteilhafterweise ist im Gegensatz zum Stand der Technik erfindungsgemäß eine einfache
und unabhängige Ansteuerung des Hammers möglich. Hierzu können entsprechende zusätzliche
Sensoren verwendet werden, mit denen der Zustand der hydraulischen Schaltung vor dem
eigentlichen Wurf bestimmt werden kann. Die Sensoren können dabei mit der Regelungs-/Steuerungsvorrichtung
gekoppelt sein und von dieser ausgelesen werden. Auf diese Weise können Systemparameter
mittels der Regelungs-/Steuerungsvorrichtung erfasst werden. Es kann dabei der Druck
in einem Hydraulikspeicher der Hydraulikschaltung sowie die aktuelle Fördermenge einer
Hydraulikpumpe herangezogen werden. Mit diesen Kenndaten kann nun bei vorgegebener
Wurfhöhe, maximaler oder anderweitig festgelegter Schlagfrequenz und/oder Verweildauer
eine Bedienungsdauer des Ventils bzw. der Hydraulikschaltung berechnet werden. Die
Berechnung der Bedienungsdauer kann dabei durch die Regelungs-/Steuerungsvorrichtung
erfolgen. Diese Betätigungsdauer bzw. Öffnungszeit T
open wird nun auf das Ventil bzw. auf die Hydraulikschaltung geschaltet und damit der
Wurf ausgelöst, das heißt das Ventil wird für die Öffnungszeit T
open betätigt. Bei der Hydraulikschaltung kann es sich um alle für den Betrieb des Freifallhammers
notwendigen hydraulischen Komponenten handeln bzw. um das in den Figuren gezeigte
Ventil handeln. Wenn vorliegend von einem Anheben des Freifallhammers mittels des
Aktuators die Rede ist, so kann damit auch ein Hochwerfen bzw. Werfen oder Schleudern
des Freifallhammers gemeint sein.
[0009] In bevorzugter Ausführung kann dabei vorgesehen sein, dass die Vorgabeparameter die
Schlagenergie, die Verweildauer, die Schlaggeschwindigkeit, die Schlaghöhe und/oder
die Schlagfrequenz umfassen.
[0010] Die Schlagenergie kann hierbei die Energie bezeichnen, mit der der Freifallhammer
auf ein Rammgut trifft. Die Schlaggeschwindigkeit und die Schlaghöhe sowie die Schlagfrequenz
sind entsprechende Parameter des Freifallhammers. Die Schlaggeschwindigkeit kann die
Geschwindigkeit des Freifallhammers kurz vor dem Auftreten auf das Rammgut sein, die
Schlaghöhe kann der von dem Freifallhammer vor dem Auftreffen auf das Rammgut zurückgelegten
Strecke entsprechen. Die Schlagenergie kann beispielsweise aus der Geschwindigkeit
und dem Gewicht des Freifallhammers durch die Regelungs-/Steuerungsvorrichtung ermittelt
werden. Zur Erfassung der einzelnen Werte können entsprechende Sensoren an dem Freifallhammer
oder an sonstigen Komponenten der Baumaschine vorgesehen sein. Bei den eingegebenen
Vorgabeparametern kann es sich um Sollwerte handeln, während die mittels der Sensoren
erfassten Systemparameter wenigstens teilweise entsprechende Istwerte sein können.
[0011] In einer weiteren bevorzugten Ausführung kann vorgesehen sein, dass die Systemparameter
der Baumaschine den aktuellen Hydraulikdruck in einem Hochdruckspeicher und/oder die
aktuelle Fördermenge einer Hydraulikpumpe und/oder die Geschwindigkeit des herabfallenden
Rammgewichtes bzw. Gewichts umfassen. Mit dem herabfallenden Hammer kann hierbei der
Freifallhammer bezeichnet werden. Durch das Erfassen dieser Systemparameter ist es
einfacher möglich, beispielsweise die aktuell durch den Freifallhammer in das Rammgut
eingebrachte Energie abzuschätzen bzw. zu berechnen und so mittels der Regelungs-/Steuerungsvorrichtung
ggf. die Betätigungsdauer so zu variieren, dass die von einer Bedienperson der Baumaschine
gewünschten Schlagenergien, Verweildauern und/oder Schlagfrequenzen erreicht werden.
Wird dabei beispielsweise festgestellt, dass der Freifallhammer mit zu geringer Geschwindigkeit
und damit zu geringer Energie auf das Rammgut trifft, so kann die Betätigungsdauer
so verlängert werden, dass der Freifallhammer höher mittels des Aktuators gehoben
bzw. geworfen wird und danach mit entsprechend höherer Geschwindigkeit und Energie
auf das Rammgut trifft.
[0012] In einer weiteren bevorzugten Ausführung ist somit denkbar, dass die Systemparameter
mittels entsprechender Sensoren von der Regelungs-/Steuerungsvorrichtung umfasst werden
und/oder dass ein Regelkreis vorgesehen ist, welcher zwischen einzelnen Hüben des
Freifallhammers Abweichungen der Vorgabeparameter und/oder der Systemparameter umfasst
und davon abhängig die Betätigungsdauer der Hydraulikschaltung variiert. Hierdurch
kann das System besonders einfach auf Abweichungen reagieren und ggf. automatisch
die Betätigungsdauer der Hydraulikschaltung an veränderte Parameter so anpassen, dass
im Ergebnis möglichst nahe an den gewünschten Sollleistungen bzw. Sollwerten gearbeitet
werden kann. Der Regelkreis kann zwischen den einzelnen Rammvorgängen bzw. Öffnungen
der Hydraulikschaltung eingreifen und die berechneten Vorgaben bzw. Betätigungsdauern
verändern, um Abweichungen der Sollwerte von den Istwerten, welche mittels der erfassten
Systemparameter erkennbar sind, zu korrigieren.
[0013] Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Betreiben eines Freifallhammers
gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Vorrichtung wenigstens
einen Sensor zur Erfassung des Hydraulikdrucks in einem Hochdruckspeicher und/oder
wenigstens einen Sensor zur Erfassung der aktuellen Fördermenge einer Hydraulikpumpe
und/oder wenigstens einen Sensor zur Erfassung der Geschwindigkeit des herabfallenden
Hammers umfasst. Die Vorrichtung kann demnach an einer Baumaschine nachrüstbar sein
und auf die Hydraulikausstattung der Baumaschine passend ausführbar sein.
[0014] In einer bevorzugten Ausführung ist denkbar, dass die Vorrichtung wenigstens einen
Hochdruckspeicher und/oder wenigstens eine Hydraulikpumpe und/oder wenigstens eine
Hydraulikschaltung umfasst. Demnach kann die Vorrichtung auch an Baumaschinen nachgerüstet
werden, welche an sich nicht hinreichend beschaffene Hydraulikstrukturen zum erfindungsgemäßen
Betrieb eines Freifallhammers aufweisen.
[0015] Die Erfindung ist ferner auf eine Baumaschine mit einer Vorrichtung nach Anspruch
6 oder 7 gerichtet, welche zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche
1 bis 5 ausgebildet ist, wobei die verfahrensgemäß verwendete Regelungs-/Steuerungsvorrichtung
eine Regelungs-/Steuerungsvorrichtung der Baumaschine ist oder eine von der Baumaschine
unabhängige und mit dieser koppelbare Regelungs-/Steuerungsvorrichtung ist. Demnach
kann eine bereits an einer Baumaschine vorhandene Regelungs-/Steuerungsvorrichtung
zum erfindungsgemäßen Ansteuern eines Freifallhammers genutzt werden. Alternativ kann
eine Regelungs-/Steuerungsvorrichtung mit der Baumaschine gekoppelt werden, um so
unabhängig von der Baumaschine das erfindungsgemäße Verfahren ausführen zu können.
[0016] In einer weiteren bevorzugten Ausführung ist ferner denkbar, dass der verfahrensgemäß
verwendete Hochdruckspeicher und/oder die verfahrensgemäß verwendete Hydraulikpumpe
der Baumaschine zugeordnete Bauteile sind. Entsprechend können die genannten Bauteile
der Baumaschine zur erfindungsgemäßen Ansteuerung des Freifallhammers genutzt werden.
[0017] Weitere Einzelheiten und Vorteile sind anhand des in der einzelnen Figur 1 gezeigten
Ausführungsbeispiels genannt.
[0018] Die Figur 1 zeigt dabei eine schematische Darstellung einer Hydraulikschaltung zum
erfindungsgemäßen Ansteuern eines Freifallhammers 1.
[0019] Im Ruhezustand des Freifallhammer 1 sind alle beiden Zylinderkammern A und B eines
Aktuators 2 über ein Ventil 3 miteinander verbindbar und es herrscht überall derselbe
Systemdruck. Durch Betätigen des Ventils 3 wird die obere Zylinderkammer A gegen eine
Tank 4 entlastet und dadurch wird das Rammgewicht 5 entgegen der Schwerkraft nach
oben beschleunigt. Die Energie dazu wird von der Hydraulikpumpe 6 und/oder dem Hochdruckspeicher
7 geliefert. Nach einer bestimmten Zeit, wird das Ventil 3 wieder geschlossen. Durch
die Bewegungsenergie des Rammgewichtes 5 kann dieses sich weiter nach oben bewegen
(das Ventil 3 behindert diese Bewegung nicht). Nach dem Erreichen es höchsten Punktes
des Rammgewichts 5 beschleunigt das Gewicht 5 durch die Schwerkraft selbst nach unten
und schlägt auf das Rammgut 8 auf. Bei dem Rammgut 8 kann es sich um einen Pfeiler
handeln.
[0020] Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, dass die Öffnungszeit des Ventils 3 so
mittels der Regelungs-/Steuerungsvorrichtung 10 berechnet wird, dass eine gewünschte
bzw. eingestellte Wurfhöhe erreicht werden kann. Zusätzlich soll das Druckniveau der
Hydraulikpumpe 6 so verstellt werden können, dass Anforderungen des Fahrers wie z.
B. die Wiederholfrequenz der Hübe erfüllt werden können. Wie Figur 1 entnehmbar ist,
kann die Regelungs-/Steuerungsvorrichtung 10 hierzu mit der Pumpe 6, dem Ventil 3,
dem Hochdruckspeicher 7, beispielsweise einem am Rammgewicht 5 vorgesehenen Geschwindigkeitssensor
und weiteren Systemkomponenten verbunden sein. Über die Verbindungen können entsprechende
Sensor- bzw. Steuersignale geleitet werden.
[0021] Für die Berechnung der Öffnungszeit gibt es verschiedene Varianten; bei allen Varianten
werden die eingestellten Vorgaben (Schlagenergie, Verweildauer und/oder maximale Frequenz)
durch den Fahrer berücksichtigt:
- Berechnung mithilfe vereinfachter mathematischen Formeln:
Durch entsprechende vereinfachende Annahmen kann der Bewegungsablauf des Gewichtes
5 analytisch berechnet werden. Diese mathematischen Formeln können anschließend dazu
verwendet werden, die Öffnungszeit zu berechnen.
- Lookup Tabelle:
Es kann aus Versuchen oder aus theoretischen Betrachtungen vorab eine Tabelle erstellt
werden. Durch entsprechendes Auslesen und interpolieren innerhalb der Tabelle kann
die Zeit bestimmt werden d. h. es kann z. B. die Öffnungszeit Topen aus einem Kennfeld mit den Achsen Druck und Volumenstrom abgelesen werden.
- Berechnung mittels numerischen Modells:
Aus einer numerischen Simulation / Optimierung kann die optimale Ansteuerzeit bzw.
Betätigungsdauer berechnet werden. Es wird dabei ein numerisches Simulationsmodells
des hydraulischen Hammers 1 mit den entsprechenden Ansteuerventilen simuliert. Aus
mehreren Simulationsläufen kann die optimale Ansteuerzeit hergeleitet werden. Dieses
Verfahren ist unter anderem unter dem Schlagwort Model Predictiv Control bekannt.
- Berechnung mithilfe komplizierten mathematischer Formeln:
Analog zu den vereinfachten mathematischen Formeln können auch nichtlineare mathematische
Gleichungen numerisch gelöst werden. Dies umfasst jedoch einen höheren Aufwand, da
die Berechnung zur Laufzeit durch numerische Methoden durchgeführt werden muss.
[0022] Ein Beispiel für "Berechnung mit Hilfe vereinfachter mathematischen Formeln" ist
im Folgenden erläutert:
[0023] Als Beispiel wird die Berechnung der Öffnungszeit erläutert. Dies ist die einfachste
Variante, welche hier dargestellt wird.
[0024] Die Bewegung des Rammgewichts kann in zwei Bereiche bzw. Phasen aufgeteilt werden:
- 1.Beschleunigung des Rammgewichts
- 2.Freier Fall (keine externe Krafteinwirkung außer der Gravitationskraft) des Rammgewichts
5.
[0025] Während der 1. Phase kann vereinfachend angenommen werden, dass das Rammgewicht 5
mit konstanter Kraft F
nach oben beschleunigt wird. Daraus ergibt sich aus
der freien beschleunigten Bewegung einer Masse die Position zum Zeitpunkt T
open zu
[0026] Hierbei wird angenommen, dass die Beschleunigung aus der Ruhestellung erfolgt. Anschließend
bewegt sich das Gewicht in der 2. Phase im freien Fall (F
Aktor = 0, das heißt der Aktuator 2 übt keine Kraft auf das Gewicht 5 aus) weiter - zuerst
weiter nach oben, danach im freien Fall wieder nach unten, bis es auf das Rammgut
8 aufschlägt. Es ergibt sich daraus die maximale Fallhöhe zu
und die maximale Aufprallgeschwindigkeit zu
[0027] Für die Berechnung von T
open kann nun aus den Vorgaben des Fahrers die erforderliche Schaltzeit bzw. Betätigungsdauer
ermittelt werden. Die maximale Wurfhöhe wird aus der Schlagenergie bei einem Freifallhammer
1 aus der Beziehung
berechnet und die Kraft kann durch den gemessenen aktuellen Hydraulikdruck
abgeschätzt werden. Damit kann die Öffnungszeit T
open aus den Basisgleichungen berechnet werden. Diese einfache Berechnungsvorschrift vernachlässigt
den aktuellen Volumenstrom der hydraulischen Versorgung und die Nichtlinearität des
hydraulischen Hochdruckspeichers.
[0028] Ein zusätzliche Regelkreis R kann dazu dienen, die Unwägbarkeiten durch Temperatur,
Toleranzen und Messfehler zu kompensieren.
[0029] Es kann dabei folgendermaßen Vorgegangen werden: Zwischen den einzelnen Würfen wird
die Abweichung zwischen der Sollgröße z. B. Schlagenergie und der gemessenen Schlagenergie
berechnet. Dieser Fehler kann dazu genutzt werden beim nächsten Wurf eine Verbesserung
zu erreichen. Diese Art der Regelung wird auch iterative Regelung genannt. In diesem
Beispiel ergibt sich folgendes Vorgehen: Es wird die gemessen Aufprallgeschwindigkeit
gemessen. Dadurch kann die aktuelle Schlagenergie berechnet werden
[0030] Dieser Wert wird mit der Vorgabe-Schlagenergie E verglichen. Aus diesem Vergleich
erfolgt eine Korrektur der berechneten Öffnungszeit z. B. mit einem P Anteil k (Regelparameter)
zu
[0031] Dadurch können mittels des Regelkreises R Störungen automatisch ausgeregelt werden.
1. Verfahren zur Steuerung eines Freifallhammers (1) einer Baumaschine mittels einer
Regelungs-/Steuerungsvorrichtung, mit den Schritten:
Eingeben von Vorgabeparametern in die Regelungs-/Steuerungsvorrichtung durch eine
Bedienperson;
Erfassen aktueller Systemparameter der Baumaschine durch die Regelungs-/Steuerungsvorrichtung;
Berechnen der Betätigungsdauer einer Hydraulikschaltung in Abhängigkeit von den Vorgabeparametern
und von den Systemparametern;
Öffnen der Hydraulikschaltung für die berechnete Betätigungsdauer, wobei das Öffnen
der Hydraulikschaltung bewirkt, dass der Freifallhammer (1) mittels eines Aktuators
(2) gehoben wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorgabeparameter die Schlagenergie, die Verweildauer, die Schlaggeschwindigkeit,
die Schlaghöhe und/oder die Schlagfrequenz umfassen.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Systemparameter der Baumaschine den aktuellen Hydraulikdruck in einem Hochdruckspeicher
(7) und/oder die aktuelle Fördermenge einer Hydraulikpumpe (6) und/oder die Geschwindigkeit
des herabfallenden Rammgewichtes (5) umfassen.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Systemparameter mittels entsprechender Sensoren von der Regelungs-/Steuerungsvorrichtung
erfasst werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Regelkreis vorgesehen ist, welcher zwischen einzelnen Hüben des Freifallhammers
(1) Abweichungen der Vorgabeparameter und/oder der Systemparameter erfasst und davon
abhängig die Betätigungsdauer der Hydraulikschaltung variiert.
6. Vorrichtung zum Betrieb eines Freifallhammers (1) gemäß dem Verfahren nach einem der
Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung wenigstens einen Sensor zur Erfassung des Hydraulikdrucks in einem
Hochdruckspeicher (7) und/oder wenigstens einen Sensor zur Erfassung der aktuelle
Fördermenge einer Hydraulikpumpe (6) und/oder wenigstens einen Sensor zur Erfassung
der Geschwindigkeit des herabfallenden Rammgewichtes (5) umfasst.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung wenigstens einen Hochdruckspeicher (7) und/oder wenigstens eine Hydraulikpumpe
(6) und/oder wenigstens eine Hydraulikschaltung umfasst.
8. Baumaschine mit einer Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, welche zum Durchführen eines
Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die verfahrensgemäß verwendete Regelungs-/Steuerungsvorrichtung eine Regelungs-/Steuerungsvorrichtung
der Baumaschine oder eine von der Baumaschine unabhängige und mit dieser koppelbare
Regelungs-/Steuerungsvorrichtung ist.
9. Baumaschine wenigstens nach Anspruch 8 zum Durchführen eines Verfahrens wenigstens
nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der verfahrensgemäß verwendete Hochdruckspeicher (7) und/oder die verfahrensgemäß
verwendete Hydraulikpumpe (6) der Baumaschine zugeordnete Bauteile sind.