压实粒状材料模制体的压实装置及其方法

专利名称：压实粒状材料模制体的压实装置及其方法
技术领域：
本发明涉及振动工作的，用于模制和压实在模制箱中的模制腔中的模制材料，形成模制体的压实装置；还涉及使用该压实装置的方法。该模制体具有可加入压实力的上端和下端。在使用这种方法的情况下，在压实工作之前，模制材料开始是作为松散的、有粘性的粒状成分的一大块放在模制腔中的。在压实工作过程中，通过压实力在上面和下面的作用，将松散的粒状材料模制成密实的模制体。当在制造混凝土产品(例如铺路块)的机器中使用压实装置时，该松散的有粘性的一大块粒状材料可以由潮湿的混凝土砂桨组成。在用于制造最终的混凝土产品的带振动器的压实装置的情况下，要区别三种已知普通形式的压实装置。这种压实装置在先前技术中使用，并且一般在压实工作过程中，模制箱和模制材料放置在托板或基板的上面。在这种情况下，在主要的压实工作过程中，由压紧装置驱动在垂直方向运动，并产生预先确定的压紧压力的一块压板，放置在模制材料的上表面上。
背景技术：
第一种普通形式的压实装置为“通常形式”的冲击式压实装置，该装置的振动行程振幅可调节的振动器的振动台，在每一个振动周期中，从下面冲击托板一次。这种普通形式的压实装置描述在EP 0815305B中，是最接近的一种先前技术。第二种普通形式的压实装置与第一种普通形式非常不相同，其原本由振动器产生的压实能量，通过冲击过程加至模制材料中。在这种情况下，在压实工作过程中，托板和模制箱夹紧在振动台上，因此它们的质量属于振动系统的质量，并与振动系统质量一起振动。由不同的质量以不同速度碰撞形成的冲击点，位于模制材料的上表面和下表面上，并且在模制体的下端和托板之间，与模制体的上端和压板之间在压实过程中形成气隙。DE 4434679 A，所述的这种第二种普通形式的压实装置，精确地说应为进行“摇动压实”的压实装置。在EP 0870585 A1所述的第三种普通形式的压实装置情况下，模制材料、模制箱、托板和振动台的质量在一起形成一个质量系统，该系统代表以谐波(正弦)振动运动工作的质量-弹簧系统的振动质量。由振动质量的振动加速度产生的，作用在模制体上表面和下表面上的动态力，形成正弦的动态压实压力(谐波压实)。根据EP 0515305 B1和EP 0870585 A1的先前技术的一些说明可在由在Klingenweg 4a，D-65396 Walluf的Bullverlag GmbH公司出版的2000年9月版的专业杂志“BFT”第44～52页上的文章中找到。
所有提到的三种普通形式的压实装置是基于压实的物理作用的不同机理的。这里，物理作用特点的微小不同都是有意义的，例如，较小或较大的质量，可在中心对中心的间隔较大或较小的不平衡的振动器的不平衡体上产生同样的静态力矩。所有三种普通形式的压实装置都有一个共同的特点，即当压实装置工作时，振动系统可以最高的振动频率(大约70Hz)，在模制材料上产生最大的压实加速度；并且加速度和频率可以设定为给定值。在任何情况下，不但压实的结果，而且零件上的负荷都与之有关的振动台的振动加速度，为振动振幅的线性函数，和振动频率的二次幂函数。
EP 0515305 B1公报说明了一种有方向性的振动器，其振动行程振幅(对压实速度有决定意义的振幅)和振动频率可利用第一种普通形式的压实装置的四根不平衡的轴调节。该4根不平衡的轴由各自的驱动和调节电机，通过通用的轴驱动。确定振动行程振幅的相角，利用适当设定的电机扭矩来调节。当相角偏离0°或180°时，电机产生反作用功率(也如在DE4000011 C2中所述)。下面的特点是不平衡的振动器和压实方法的缺点-因为加载的极限是固定不变的，当在不平衡上有滚动轴承和铰链轴一起振动时，可达到极限的加载，因此一般实际上最大的振动频率限制为50Hz。关于这点还可参见上述的专业杂志第45页中间部分和第47页中间部分的文章。
-由于总是要将反作用的功率进行转换，和离心力大时产生的轴承摩擦能量大，使功率损失大。由于在不平衡轴的驱动电机中功率损失也大。因此相对于压实功率而言，电机及其驱动装置的尺寸不必要地增大。
-由于要克服电机和不平衡体的惯性质量，和由于同时要通过改变反作用力扭矩改变相角，因此，作为可控变量(静态力矩)给出的相角的值，只能由闭环电子控制系统粗略地调节(或用另外的机械控制装置调节)。这就使得在压实工作过程中，在许多振动周期上进行的振动台的振动行程分布不均匀，结果使压实质量的再现性差。除此之外，“相角”变量的公差控制得粗糙还影响全部4个不平衡体的相对角度位置。通常这四个不平衡体的回转轴线在一个平面上，并且在振动台纵向的大部分上延伸。相对角度位置的不相同，导致总的振动台表面的加速度不相同。这又造成振动台表面不同位置的压实结果不相同。
-对压实效果有决定意义的振动台的振动行程振幅，只能间接地和低灵敏度地通过可调节的相角来调节。
-除了惯性质量以外，由于当振动台冲击托板时，不平衡轴的回转速度突变，又由于在冲击过程中，不平衡体的相对位置不同，则根据相角的不同速度和回转角度的变化值不同，因此相角的调节更困难。
-相角是通过不平衡轴的彼此的回转速度调节来进行调节的。这意味着实际上不能同时调节相角和振动频率，并且只能很困难地调节。
-希望能使用一种方法，它能在主要压实工作过程中，在通过最高频率以下的压实频率的给定范围时，振动台的振动行程振幅为给定值。利用这种方法时，模制材料所包含的，由不同尺寸的颗粒形成的微振动系统，被以不同的自然频率激振，产生共振作用，从而使压实情况改善。在这种情况下，必需在大约3秒内通过上述频率范围。在先前技术的情况下，这个方法的实现受到振动台振动频率限制和振动频率与振动行程振幅不能同时控制的妨碍。
本发明不同于DE 4434679 A1或EP 0870585 A1所述的装置，本发明的压实装置的压实机构与上述的完全不同(上述机构分别是摇动式压实和谐波式压实)。DE 4434679中所述的振动台的弹簧系统不能作为一个仿效的模具，因为在所述的弹簧系统中，弹簧件116同时作为压缩弹簧和拉伸弹簧，使弹簧力在二个振动方向传递。这表示弹簧的应力负载是只受压缩的弹簧的二倍。另外，末端一方面与压实装置的框架(或底座)连接，另一方面又与振动台连接的受压缩和拉伸作用的弹簧的力连接，在动态工作模式下不能长期支持。DE 4434679中所示的液压激振器作动器同时又起振动台线性导轨的作用。由于在托板下面进行冲击，振动台总是改变其倾斜位置，因此，起线性导轨作用的激振器作动器的机械负荷大。特别是当有二个线性导轨时，由于导轨有卡住倾向，而使机械负荷更增大。
EP 0870585公报中所述的压实装置，由于下列原因也不能作为仿效的模具用液压方式实现的系统弹簧只有在向下作振动运动的情况下，才起弹簧作用；并且对于液压激振器和液压弹簧使用同一种流体介质，会在起弹簧作用时造成很大的能量损失。如在该公报的第二段25～30行所述，在产品压实程度不同的情况下，为了使质量-弹簧系统的自然频率为给定的固定值，在将该压实方法用于不同尺寸质量时，要改变弹簧常数。在压实工作过程中，改变自然频率是不可预计到的。

发明内容
本发明的目的是要消除或减少先前技术的上述缺点。在先前技术中，压实能量主要是通过振动台从下面冲击托板加至模制体中的。本发明的目的是要使用高的冲击频率，并使压实装置的压实频率能在75Hz或更高的最高频率以下的宽广的范围内(甚至在压实工作过程中)调节，零件使用寿命长、能量消耗小。同时，本发明的目的还在于要通过使用本发明的装置，改善由对托板或对模制体本身的下侧的冲击产生的压实加速度的重复精度，并且使压实加速度在托板的整个表面区域上均匀分布。
达到该目的的方法在独立权利要求1和27中说明。本发明的进一步细化则在从属权利要求中说明。
本发明使用下列原理当通常使用只用于隔离振动，因此较软的弹簧来使振动台作振动运动时，加在振动质量上的加速力主要由不平衡体的离心力产生。当根据本发明的方法进行振动运动时，至少是在要达到最高振动频率的最大值的情况下，加速力主要用弹簧力产生，只在较小程度上由激振器装置的激振力产生。这是通过利用共振放大作用达到的。根据本发明的另一个方面，当不但使在最高振动频率范围内的自然频率，而且使至少是在振动频率范围内产生的质量-弹簧系统的第二个自然频率工作中被涵盖时，可以更好地利用这个共振放大作用。如图6所示，这样还可以进一步减少必需的激振力，还可以便于使用普通市场上销售的交流线性电机，和可以在压实工作过程中，在宽广的频率范围内，改变压实频率。
为了贮存在振动台作向上振动运动时的系统质量的动能，在弹簧系统中可加入弹簧力从上作用在托板上的弹簧件。该弹簧力也包括通过压板施加的弹簧力。因为这涉及如同在图1中的弹簧124一样的不通过压板的弹簧力，因此当压实系统进行空转振动或在预压实过程中，可以根据给定值调节振动台或模具的振动行程振幅。存贮动能的系统弹簧的弹簧件必需存贮比通常的压实装置的软的隔振弹簧多得多的能量。系统弹簧的弹簧件最好用钢式低阻尼的弹性体材料制造，或由可压缩的液体介质(固有的低阻尼)实现，这样不但可延长弹簧使用寿命(内热造成的自行损坏的危险)，而且可避免不必要的能量损失。
在本发明的范围内，使用静态力矩可以调节的不平衡振动器作为激振器作动器是完全适当的，因为使用了共振放大，即使激振器频率比通常的高，仍可使确定振器所有性质的静态力矩，保持比只由不平衡振动器的离心力进行激振时低。这表示，作用在不平衡轴的轴承上的力较小，而轴承力较小又意味着抗摩擦轴承的回转速度可以更高。不平衡体本身和不平衡的驱动电机的惯性矩越小，则越可改善相角的控制。当轴承摩擦能量损失较小和反作用力较小时，反作用力与静态力矩的值的平方有关。当不平衡轴排列较接近时，由于离心力加在中心上，因此由于不平衡体的回转位置不正确产生的振动台加速度的不均匀性较小。
下列定义适用于弹簧系统中使用的术语“硬”和“软”弹簧软弹簧用于隔离振动质量的加速作用。可以根据已知公式计算的，“放大函数”的值Φ[例如在“Physikhutte”卷1(物理学，第1卷，第29版，由WilhelmErnst & Sohn公司，Berlin，Munich、Dusseldorf出版)的第300页上的图6.3-5所示]，在软弹簧情况下必需为Φ≤1。当比值η＝fE/fN≥1.41(式中fE为激振器频率，fN为自然频率)时，可达到这个值。然而，为了合理地隔振，η的值至少应为η＝fE/fN≥2。换句话说，在为了利用共振作用而将弹簧调硬的情况下，激振器频率fE(＝压实频率)必需在fE＝0和fE＝1.41*fN之间，最好为fE＝fN。在为了隔振而将弹簧调软的情况下，激振器频率fE的值必需为fE≥2fN。在本发明情况下系统弹簧硬表示必需使用放大函数的值为Φ＞1。权利要求1所述的至少对于向下的振动运动要设置硬的系统弹簧表示，必需在二个振方向上使用不同的弹簧常数。硬弹簧和软弹簧的一个例子可如下这样确定根据已知的关系q＝248.5/fN2(mm)，当自然频率fN(Hz)由弹簧自身的重量确定时，可以确定安装在弹簧上的质量的弹性偏移q。
如果在“硬”的系统弹簧情况下，自然频率至少为30Hz(或更高)，则可计算出系统质量的弹性偏移q＝0.27mm(或更小)。如果在具有软的隔振弹簧的压实装置的激振器频率最低的情况下，正确选择隔振弹簧，则弹簧常数可保证的自然频率至多为15Hz。在这种情况下，q＝1.1mm。
振动台的振动行程振幅S可调节，在先前技术中转换为，通过调节影响压实强度的相角，来影响这个物理变量。在这种情况下，物理上作为压实强度的实际量度的振动行程振幅S的值，可以间接地由相角确定。利用测量工具确定由回转的不平衡体的相对角度位置决定的相角较复杂，并受测量误差的影响。然而，与先前技术的情况不同，在本发明中利用线性电机作为激振器作动器，振动行程振幅S的值不受要调节的另一个变量的间接影响，而是直接调节(和直接测量)。这样，与不需同时调节改变的反作用扭矩结合在一起，可以更精确地控制压实强度。如果使用线性液压马达或线性电机，并且电机所受的力即使在并除使用多个线性电机时，仍是精确对称的；则在振动台上不会产生由于有多个加速度而使加速度不对称。
希望在改变振动行程振幅S的值时，同时以给定方式改变振动频率。在本发明的情况下，这个目的可通过振动行程振幅S的良好控制性，加上不需要改变回转速度，只需改变平分每个振动周期中的激振器能量的重复频率来达到。在线性液压马达的情况下，由于惯性非常小，这点是可做到的；而在线性电机情况下，由于实际上没有惯性，也可做到这点。
使用(三相交流)线性电机是非常好的，因为它们是能量损失小的“较清洁”的方式。然而，普通市场上出售的线性电机还不能直接用于这种工作，因为其驱动装置是标准的，它们只能进行行程和速度变化为给定的直线运动；并且同时，自动产生加速运动质量所需要的力，或克服与直线运动方向相反的力所需要的力(通常为机械加工力)。这种形式直线电机的典型应用场合是机床。因此，必需用特殊的驱动装置代替正常销售的驱动装置。本发明所用的线性电机与通常的线性电机比较的最重要的不同点如下在压实装置的情况下，包括线性电机的共同振动的部分的质量在内的振动质量的加速和减速，主要由系统弹簧的力确定(在共振状态下工作)；特别是，当激振器频率接近自然频率时更是如此。由于通常的线性电机的调节装置不能改变弹簧力，和电机力不适用于所产生的加速度；因此，这种调节装置不能用于产生按程序进行的运动顺序。
为了达到本发明的目的，在每一个振动周期中，线性电机原则上只能驱动其能量是靠摩擦或靠冲击时输出的压实能，从振动的系统质量中消耗掉那部分系统质量。结果，在要保持振动行程振幅为常数的情况下，必需重新供给该部分能量，以维持振动系统质量每一个振动周期的给定振动行程振幅。在这种情况下，线性电机的力大小不能跟随由振动时间确定的时间函数(例如，二次幂或正弦函数)。由于只有转移的一部分能量(每个周期内)才是决定性的，力的开始和结束的时间点只起一定作用，并必需由控制器固定。驱动装置还必需考虑出现相角偏移角γ，和在压实工作进行时其值自动改变的现象(相角偏移角γ确定振动行程振幅滞后于激振器力振幅的角度量)。这点对线性液压马达的控制器也适用。由于测量要调节的物理变量s，s′，s″或f，f′，f″的时间点，与转换由操纵变量y的控制算法推导出的值(用于固定要传递的下一部分能量的值)的时间点不相同，因此必需将测量值和/或推导值在缓冲器中存储一段短的时间。
最好，不要只是用系统弹簧限制振动台的三维运动自由度，而是用一个中心直线导轨引导振动台作直线运动，以增强所述振动台的所有零件的同向加速度。在这种情况下，最好为圆柱形导轨的直线导轨必须吸收由冲压产生的所有水平加速度力。当采用线性电机时，如果在固定部分和可动部分之间的电机气隙可以容纳振动台的水平偏移，则可以不需要这种直线导轨。然而，如果使用线性液压马达和通常结构的液压缸，则除非通过相应的设计使液压缸和直线导轨作成一个整体结构部件，否则不能省去直线导轨。直线导轨的优点是，它不但可使冲击加速度均匀分布，而且可以减少模具磨损。
本发明的优点可综合如下消除或减少了上述的不平衡振动器的缺点，可以调节振动行程振幅，提高压实工作的质量，当将振动的动能转换为压实能时，再现性高，振动频率高，所需的激振器功率较小。特别是当利用线性电机作为激振器作动器时，激振器能量可直接转换为压实能量，没有了反作用力和轴承摩擦损失，因此可节省能量。另外，可以连续快速地调节压实频率和同时调节振动行程振幅。
当利用线性电机代替线性液压马达时，还有下列优点线性电机工作时实际上没有磨损。由于在很小的惯性条件下，产生激振力，因此线性电机更容易进行动态和精确的调节。力的形式不一定为正弦式，如同在线性液压马达中使用伺服阀所示那样。当振动台冲击托板时，在线性液压马达情况下，会产生很大的损坏压力峰值。线性电机在这方面有优点，因为力的突然改变发生在气隙的弹性区域内，并且电压的实际升高可用电气方法吸收。


现在根据6个附图来更详细地说明本发明。
图1示意性地表示第一种普通形式的压实装置，其中在每一个振动周期中，振动台从下面冲击托板一次。
图2中的上部分表示与图1相同的振动台，但与不同的系统弹簧连接；而图1所示的下弹簧系统更换成弹簧常数可调节的弹簧系统，并具有一个片簧作为弹性件。
图3表示图1所示的压实装置的另一个变型的详细结构，它包括可以连接和脱开的附加的弹簧件。
图4表示图1所示的压实装置的其他可能的形式。
图5表示振动行程振幅A，与根据本发明的带有一个自然频率的压实装置的系统质量的激振频率fE的关系的图形，用于说明振幅的调节方法。
图6表示与图5所示的图形相同的图形，用于说明振动系统附加的自然频率的优点。
具体实施例方式
图1中，标号100表示立在底座102上的压实装置的框架，通过该框架使从压缩装置104和从激振器装置106传来的力互相支持。在这种情况下，框架牢固地通过用线条190表示连接与底座连接。当框架质量较小时，传递至底座上的激振力相当大。封闭在模制箱108的模制腔中的模制体110的下端，放置在托板112上。托板放置在与框架100固定(为了清楚起见，用阴影线表示)并带有间隙116的挡杆114上。振动台120的冲击杆118可通过该间隙，并在振动台的振动运动中，在克服了气隙122后，冲击托板的下侧。放置在托板上的模制箱108，利用由突出部分126支承在框架上的弹簧124，牢固地压紧在托板112的上表面上。这样，即使在冲击杆118将托板向上推，并与挡杆114离开升高的情况下，模制箱仍可保持与托板牢固连接。模制箱可以牢固地固定在托板上(利用没有示出的夹紧装置)。振动台120的质量形成振动的质量-弹簧系统140的系统质量的主要部分，该系统的振动力主要由相应的系统弹簧142吸收或产生。
系统弹簧包括一个上弹簧系统144，它可贮存向上振动运动中的至少是最大的一部分动能；另外还包括一个下弹簧系统146，它可存贮在向下振动运动中的动能最大的主要部分。上弹簧系统144和下弹簧系统146分别包括弹簧常数可改变或可调节的多个弹簧件148和150。图中，该弹簧件用箭头152表示。弹簧件148和150可以设计成压缩弹簧，推力弹簧，扭转弹簧或螺旋弹簧。在图1的情况下，这些弹簧件互相支承，即使在系统质量的振动振幅最大的情况下，这些弹簧件仍有残余弹性变形。弹簧件148和150的力，在位于框架100的零件之间的一个末端上，和支承在力连接部分154上的另一末端上受限制。上下弹簧系统的力可通过该力连接部分传递至系统质量。至少在弹簧力传递给系统质量的那些末端上，最好使弹簧系统的弹簧件的力，以压缩力和/或剪切力的形式传递给力连接件；因为这些点是工作可靠性和耐久性的关键点。如果在这些点上，弹簧件以拉力形式与力连接部分连接，则弹簧件迅速损坏。
激振器装置106包括具有与框架100连接的固定作动器部分172的激振器作动器170，与系统质量连接的作动器的可动部分174，和包括控制器198的驱动装置196。利用驱动装置，可以形成或控制能量传递装置(电流或液压流体的体积流量)，使得在每半个振动周期或整个振动周期中，给定的激振器频率固定或变化的作动器可动部分174，激振力和激振器能量的一部分，可以传递至质量-弹簧系统中，从而迫使所述系统振动和输出压实工作所需的冲击能量。根据气隙122尺寸的不同(可以设置为零或负值)，所产生的振动行程的振幅A的大小，可以传递压实所需的冲击能量。最好，控制或调节确定可传递的压实能量的振动物理变量(例如振动行程振幅A)，同时保持振动频率为常数。
压紧装置104包括一个固定部分182，一个与压板180连接的可动部分184，和一个用箭头186表示的、进行压板的垂直调节运动的控制部分(图中没有示出)。框架100的吸收上下弹簧系统的力的零件，与框架的吸收激振器装置106的力的零件一起，可以与框架分离并一起安放在一个特殊的底座部分(图中没有示出)上。该特殊的底座部分与底座102分离。在这种情况下，该底座部分(作为阻尼质量)可利用隔振弹簧(图中没有示出)支承在底座102上。带有激振器作动器170的激振器装置106，可有不同的变型，它与驱动装置一起，可将变化的能量传递给振动系统，同时保持激振器频率为常数。激振器作动器可以为静态力矩可调节的一个不平衡的有方向性的振动器，或为一部分激振器能量可转换的液压式电气式线性马达。设有一个测量要调节的振动行程振幅A的测量装置。该测量装置包括与框架牢固连接的一个部分192和与振动台连接的部分194。测量的变量信号送至控制器198进行处理(图中没有示出)。
在上弹簧系统144和/或下弹簧系统146中，设有液压或机械弹簧。这些弹簧的弹簧常数在最简单的情况下为固定不变的，并且可构成自然频率位于一个特殊点(例如，激振器频率的频率范围的中点)的最终系统弹簧。该点也是共振点。根据本发明，可以在共振点上最大限度地利用振幅放大的共振作用，但也可以在共振点上面和/或下面利用共振作用，只要根据共振曲线，不削弱共振作用即可(在根据本发明的激振器频率连续通过给定的频率范围的情况下)。作为共振作用的结果，系统质量的振动加速度主要是与弹簧力的共同作用，或与弹簧中所存贮的能量的共同作用产生的。这样做的优点是，这些力和能量不由激振器装置产生，因此可减少激振器装置的总尺寸和转换的能量损失。在激振器频率与自然频率相同的理想情况下，激振器装置只需转换由摩擦损失引起的振动系统的能量损失，和作为压实能量的振动系统的能量损失。
显然，如果在可调节的激振器频率的频率范围内，每一个激振器频率即为系统弹簧的自然频率是最好的。根据本发明，这个理想的方案可通过连续调节系统弹簧的自然频率，同时，与自然频率fN的调节同时，调节激振器的频率fE，并保持η＝fE/fN为所希望的值这样来达到。另一种办法是，不需连续调节自然频率，而是一步一步地调节自然频率，这样成本较低。
系统弹簧的弹簧常数可理解为由包括在系统弹簧中所有弹簧件的弹簧常数产生的最终得出的弹簧常数CR。最终得出的弹簧常数CR，与系统质量一起，确定最终的自然频率。当一步一步地改变最终得到的弹簧常数(在空转或压实过程中)时，总是充分利用或接近一个或多个弹簧，而另一些弹簧则一步一步地将振动力传递给这些接通的弹簧。这点可通过将弹簧常数不同的弹簧连接起来，使其变形完全与系统质量的振动行程一致；或使它们的变形只构成系统质量的振动行程的一个可预先确定和调整的分量来达到。在后一种情况下，就是调节最终得到的弹簧常数的弹簧特性的“数列”。如果使用可一步一步调节或带有可变数列的弹簧特性的系统弹簧，则根据本发明，可以利用激振器的驱动装置，改变最终得出的弹簧常数(例如，振动行程振幅A)，来平滑或修正振动系统物理变量的变化。这种修正可通过加入或除去激振器能量的影响参数，以保持物理变量为常数。现在利用图3来更详细地说明可以连接和脱开的弹簧。
由于下弹簧系统或上弹簧系统为其最终得出的弹簧常数可调节的弹簧系统，并且下或上弹簧系统的最终得出的弹簧常数由至少一个不可调节的弹簧和至少一个与它连接的可调节弹簧确定，因此，调节自然频率的范围，使它只从一个特定的频率开始向上延伸、即可降低成本。这可以满足实际要求，因为自然频率的调节范围一般为30～75Hz。
下面，说明图2所示的可调节的机械式弹簧件。可调节的液压弹簧件可以由可压缩的压力流体(液压油)的容积实现的系统弹簧的弹簧件形成。该压力流体至少部分地由弹簧活塞封闭在液压缸体中，改变该压力流体容积的大小，可以改变弹簧刚度。压力流体容积的改变，是通过改变由开关式换向阀彼此隔开的许多小容积的数目；或通过活塞在液压缸中的移动，改变液压缸腔中的部分压力流体容积来达到的。活塞在液压缸中由螺纹主轴驱动机构带动作连续的移动。
图2表示系统质量和系统弹簧为不同形式的图1所示的振动质量弹簧系统的变型。为了简单起见，图中没有表示激振器装置，但可想象，它是用二个线性电机作为激振器作动器，作用在振动台120上。在图2的上部，标号从1开始的零件与图1中相同标号的零件相同。传递振动力的连接体202与图1所示的框架100相同。在这种情况下，系统弹簧有一个包括压缩弹簧124的上弹簧系统144；和弹簧常数可调节、并受弯曲的片簧282的下弹簧系统244。在向下振动，系统质量在双头箭头230所示的方向振动的情况下，在下弹簧系统的片簧282和振动台120之间交换的动态质量力(或弹簧力)，通过振动力冲头280。该冲头的顶部固定在振动台120上，在其下端有倒圆的部分，可与片簧的倒圆部分284紧密配合。冲头的下端起第一种形式的力作用件的作用，可将质量力Fm作用在片簧的中心，并在力作用点209上产生压缩力。在振动行程振幅A最大的情况下仍存在的弹簧124和片簧282上的预应力(最好加上)，可保证振动力冲头280与片簧282之间的接触不丧失。在动态加载过程中，作用在片簧上的质量力Fm，一半一半地传递到第二种形式的力作用件210，210′上。该力作用件为滚子形式，以相等的间隔L1安装在片簧下面的力作用点211，211′上，并产生压缩力作为支承力Fa。
片簧受力的主方向用双头箭头240表示。滚子形式的第二种形式的力作用件210，210′安装在滚子载体212，212′上。双头箭头216和216′表示滚子载体可以在二个方向上移动，并可由支承力Fa作脉冲式加载。在移动过程中，第二种形式的力作用件210和210′可以转动，如双头箭头218，218′所示那样。
带有反向螺纹的螺纹主轴220使滚子载件212和212′在相反方向上移动。螺纹主轴220由电机驱动的驱动装置222驱动，该驱动装置由一个控制器(没有示出)控制。利用控制器和驱动装置222，滚子载体212，212′和支承力Fa的第二种形式的力作用点211，211′可以到达任何预先确定的位置，以形成距离L1和L2。进入距离L2位置的滚子载体用虚线表示。距离L1和L2与第一种形式的力作用点209有关。第二种形式的力作用点211，211′的位置可由连续设定片簧的弹簧常数达到(在一定范围内)。
图3表示图1所示的压实装置的一个变型。二个附加的弹簧系统300和300′的弹簧件可以连接和脱开，并放置在振动台120和底座102之间用以传递力。在第二种形式的力传递部分302中，作为压缩弹簧和即使在脱开状态下也受压缩应力作用的二个弹簧件304和306，可将弹簧力传递给第一种形式的力传递部分的下支架部分308。第一种形式的力传递部分利用上支架部分牢固地与振动台连接，可将弹簧件变形产生的最终的力传递给振动台。第二种形式的力传递部分302，牢固地与液压换向装置310的活塞312连接。根据换向装置的换向状态，该力传递部分可将弹簧件变形的产生的最终的力通过与底座牢固连接的液压缸314传递或不传递给底座102。在第一个换向状态时，活塞312在液压缸314中垂直地上下运动，不传递力；而在第二个换向状态时，活塞312被流体介质牢固地限制在液压缸中。换向装置310的换向状态由阀320的位置确定。在图示位置，液压缸314的腔316和318通过阀连接，因此活塞可无约束力地在液压缸中上下运动。在阀的第二个位置，液压缸腔封闭；因此，第二种形式的力传递部分302的力可直接传递给底座。
图4表示本发明的其他实现方式。在图1所示的压实装置上可有不同的功能，因此，激振器装置一方面可与振动台120连接，另一方面可与框架100(或底座102)连接。
振动台120与中心导向液压缸412牢固连接，液压缸412的中心轴线穿过振动台的重心，并且其他液压缸可在液压缸滑动导向装置414的内液压缸中自由运动。这就形成一个直线导轨410，它为振动台在二个方向的直线上的振动运动作约束导向，其导向部分位于振动台的中心，并呈镜面对称放置。二个同样的线性电机420作为激振器作动器，它们由一个特殊的驱动装置(没有示出)驱动，在垂直方向产生激振力。每一个线性电机420都包括一个电机的固定部分422和一个可动部分424，该二个部分由气隙426隔开。电机的可动部分424通过载体部分428牢固地与振动台120连接；而电机的固定部分422直接固定在框架100上。作为三相交流电机的线性电机420由特殊的驱动装置驱动，使振动台120或模具108(图1)的振动运动物理变量，可根据给定的值控制或调节，因此也是间接地影响压实工作的过程。
430表示一个弹簧系统，它至少在预压实的情况下，与图1所示的弹簧件124一起，形成一个系统弹簧。该系统弹簧的特殊的、由弹性体材料制成的推力弹434，在二个方向上产生弹簧力，用于存贮系统质量在二个振动方向的动能。在这种情况下，作成一个空心圆柱体的推力弹簧434的外侧，与一个弹性圆环432连接；而其内侧与固定在导向液压缸412上的液压缸436连接。弹性圆弧432，利用二个夹持器438，以夹紧力牢固地支承在阻尼质量450上，但也可以支承在底座102或框架100上。从弹簧系统430的结构可看出，它同时可起直线导轨410的作用。换句话说，带有可在二个振动方向产生弹簧力的推力弹簧的弹簧系统，也同时可起直线导轨的作用，和为振动台在二个方向的振动运动进行有约束的导向的作用；因为弹簧力被位于中心的导向部分传递至振动台上。
440表示一个可以另外连接和脱开的附加质量。利用该质量可以改变系统质量的大小以改变质量-弹簧系统的自然频率。在该附加质量内有一个液压缸442，在液压缸中有一个与液压缸436和系统质量牢固连接的活塞444。液压缸442的活塞构成二个排量腔，它们可利用换向阀446单独断开或互相连接。当排量腔互相连接时，活塞444可在液压缸442中自由地上下运动，附加质量不与它一起运动。如果排量腔单独断开，则附加质量440被迫与系统质量同步一起振动。在这种情况下，弹簧448只将小的力传递给阻尼质量(或底座)，因为这些弹簧为软弹簧，它们将不一起振动的附加质量保持在一个特定高度上。与系统弹簧142是依靠力支承在框架100上的图1不同，在图4中，系统弹簧430支承在一个特殊的阻尼质量450上，该阻尼质量再用软弹簧452支承在框架100或底座102上。这种方法的效果是，由系统弹簧432产生的振动力，根据附加质量尺寸的不同，只能进入底座一小部分(例如，在系统质量为1000kg、和70Hz下的振动行程振幅为1mm的情况下，产生的振动力峰值为大约20吨)。
图5表示根据本发明的压实装置(例如图1)的振动行程振幅A，与系统质量的激振频率fN的关系图形，该压实装置具有一个大约为70Hz的自然频率，和曲线K1的阻尼比为D1。在这个图形中，在整个激振频率范围内的正弦激振力的力振幅为常数。阻尼D1将振动系统的摩擦损失和能量损失转移为压实能量输出。曲线K1表示众所周知的共振曲线。在较低的频率范围内，激振力振幅A＝0.36mm。在自然频率范围内，同样的激振力产生的振幅A＝1.8mm，这相当于振幅放大系数(共振放大)为Φ＝5。如果希望在较低的激振频率(例如大约58Hz)下达到同样的振幅1.8mm，则应将激振力振幅增加大约1.8倍。图5表示根据给定的自然频率7 0Hz的给定值，调节振幅A的三种不同方法。
在第一种方法中(与DE 4434679 A1公报所述的方法相同，但振动行程振幅A不可调节)，利用一个有方向性的不平衡振动器进行力激振，该振动器的静态力矩不能调节，并以名义激振频率63Hz工作，所产生的离心力(激振力的振幅设定＝100％)产生的振幅A＝1.4mm(在曲线K1的Q点上)。当激振频率从63Hz增加至70Hz时，振幅增加至A＝1.8mm(当激振频率降低至58Hz时，振幅减小至A＝1mm)。可以看出，第一种方法为了改变振幅A，必需改变激振频率。相反，当激振频率通过一个特定的范围时，振幅A自动改变。
在第二种方法中，由激振力振幅可调节的线性电机产生力的激振；激振频率设定为63Hz，激振力振幅设定为100％。在这种情况下得到的振动行程振幅A＝1.4mm。然而，振幅A的改变是在保持激振频率(63Hz)不变的条件下，通过改变激振力的振幅(a)来达到的。为了能够将振幅A调节至A＝1.8mm，必须增大激振力振幅(a)，以便形成不同的共振曲线K2，使得与63Hz的交点达到A＝1.8mm的值。为了在63Hz时，得到振幅A＝1mm，必须减小激振力的振幅(a)，形成不同形式的共振曲线K3。可以看出，与第一种方法不同，可以与激振频率无关。独立得到给定的振幅A。同时，使用第二种方法还根据给定的时间函数，在给定的频率范围内改变激振器频率(也可连续地改变)，还可以产生给定的振幅A。第二种方法是本发明所使用的方法。当使用第二种方法时，周期性的激振力不一定必需为正弦函数。产生具有阻尼D的特定振幅A的决定性因素是每个振动周期中激振器装置所供给的能量。在这种情况下，激振力随时间的变化可以为二次幂函数，而不是正弦函数。因此可得出结论，可用每周期中转换的能量代替激振力为正弦激振力时的激振力振幅(a*)。
图6表示与图5相同的图形，其中曲线K1相当于图5所示的曲线K1，其质量-弹簧系统的自然频率大约为70Hz。第二条曲线K4代表同一个质量弹簧系统的共振曲线，然而在这种情况下，自然频率切换至不同的值。大约为46Hz(通过改变系统弹簧的最终得到的弹簧常数)。如同在图5中所述的第二种方法的情况一样，通过利用可以调节的线性电机，产生激振力振幅(a或a*)，可对相应的质量弹簧系统进行力的激振。产生力的激振器作动器由特殊的驱动装置调节，调节振幅A的给定值，可以改变要转换的能量(在有测量振幅A的值的测量装置的条件下)。在曲线K4的情况下，可以得到与曲线K1相同的激振力振幅，但阻尼值D4为D1的二倍。因为弹簧常数值较小，因此在较低的激振频率下也可得到振幅A＝0.78mm。图形显示，当在激振频率范围为27～78Hz下，使用二条曲线的振动性质时，可以得到振动行程振幅为1.1mm。与只是曲线K1的情况比较，这表示至少是振幅同样大的频率范围扩宽了。对于本发明，在压实装置的情况下，利用这种现象，可使在这种情况下，与压实频率相等的激振频率从27Hz(在这个图形例子的情况下)变化至78Hz；同时调节每周期中转换的激振器能量大小，可以将振幅调节至A＝1mm。在压实工作情况下，可使阻尼值D连续地从较大的值(D4)改变至较小的值(D1)。当以连续增加的激振频率进行压实时，在某一个频率下，可以切换至与自然频率70Hz相应的弹簧常数。如果可以用多于一个步骤(最好为连续地)调节自然频率，则所述的方法还可以优化。即与激振频率的改变一起，调节自然频率；同时根据给定的A值调节振幅。与通常的激振方法比较，这种方法可使达到给的A值所需的激振器能量大大减小。
在所有的图1～图4中，二个零件之间的牢固连接用虚线示意性地表示。
权利要求
1.一种在例如模具(108)中，对粒状材料(例如干的混凝土砂桨)的模制体(110)进行带有预压实和主要压实工作的压实工作的压实装置，该模制体以其下端放置在托板(112)或基板上，并且其上端可与受到压紧力作用的压板(180)连接；至少总的压实能量中的一部分可以从振动台(120)，通过振动台从下面冲击托板产生的冲击作用，加在模制体上，其特征为-振动台(120)为振动的质量-弹簧系统(140)的一部分，该系统的系统弹簧(142)至少在向下振动运动中调整成“硬”的；另外该系统具有一个系统质量，其主要质量成分由振动台及与其连接的振动件(156，174)组成；-存贮能量的系统弹簧的作用是，系统弹簧存贮向上振动运动时至少是最大的一部分动能；而系统弹簧的“硬”的弹簧件(150)则存贮在向下振动运动中的系统质量的动能中的最大的主要成分；-系统弹簧的最终得到的弹簧常数值与系统质量的结合具有以下效果可以设定在预压实和/或主压实中所用的上限压实频率范围内的质量-弹簧系统的至少一个自然频率；-质量-弹簧系统(140)可利用具有周期性激振力的激振器装置(106)驱动，形成强迫振动运动；至少有一个激振频率，它是进行预压实或主压实的压实频率；由激振器装置传递的激振能量受调节装置(196，198)的调节，至少在压实系统空转过程中(没有模制材料(110)和没有放置就位的压板(180))或至少在预压实工作过程中(没有放置在模制材料上的压板)，振动台的上或下振动行程振幅S(图5和6中的A)，或模具的振动行程f的物理变量，或由此推导出的振动速度或振动加速度s′，f′或s″，f″的变量，可直接或间接地根据给定值调节或控制；-激振器装置(106)具有一个或多个激振器作动器(172，174)，它们为线性电机(422，424)或线性液压马达，或静态力矩可调节的不平衡振动器形式，不平衡振动器的最终产生的离心力，比在最大频率下，以预期振动行程振幅振动的系统质量所需要的加速度力至少小20％。
2.如权利要求1所述的压实装置，其特征为，存贮动能的系统弹簧(430)的弹簧件由钢或低阻尼的弹性体材料(434)制成，或由严密地密封在压缩腔中的液体介质(最好为液压油)实现。
3.如权利要求1和2中任何一条所述的压实装置，其特征为，在压板参与或不参与传递压实力的情况下，下列零件在配有机械式弹簧件的系统弹簧(142)的弹性作用中共同工作-带有一个或多个上弹簧件(148)的上弹簧系统(144)和下弹簧系统(146)，该上弹簧件(148)主要受压缩，并且可将在向上振动运动中的至少是最大的一部分系统质量的动能存贮一个短的时间；而下弹簧系统(146)具有一个或多个弹簧件(150)，这些弹簧件主要受压缩作用，并可将在向下振动运动中的系统质量的动能的最大的主要部分存贮一个短时间；上和下弹簧系统的力作用在系统质量上；和/或-带有一个或多个弹簧件(434)的弹簧系统(430)，这些弹簧件是弯曲、扭转或推力作用，使在向上振动运动时的至少是最大的一部分系统质量的动能，和在向下振动运动时，系统质量动能的最大的主要部分，被同一个弹簧件或多个弹簧件(434)存贮起来；能量贮存过程中产生的力作用在系统质量上。
4.如权利要求1～3中任何一条所述的压实装置，其特征为，上部弹簧件(124)可以存贮当进行先前一个冲击过程时，向下振动运动的一部分动能，该弹簧件的弹簧力，从上面作用在托板(112)上；在这种情况下，该上部弹簧件(124)为上弹簧系统(144)的一部分。
5.如权利要求1～4中任何一条所述的压实装置，其特征为，可调节的机械式弹簧件为受弯曲作用的片簧(282)；其特征还在于，弹簧的有效长度(L1，L2)在力Fm的作用点(209)和支承力Fa＝Fm/2的作用点(210，210′)之间形成；另外，其特征还在于，利用辅助电机驱动装置(222)，改变弹簧的有效长度(L1，L2)，可以调节该机械弹簧件。
6.如权利要求1～5中任何一条所述的压实装置，其特征为，当系统弹簧利用液压弹簧作为弹簧件时，通过改变在压缩腔中的可压缩的弹性容积，可调节所述弹簧。
7.如权利要求1～6中任何一条所述的压实装置，其特征为，可由激振器装置(106)传递的激振器能量，由调节装置(198)调节，使得在预压实工作的同时，和在主压实工作过程中，作为振动台(120)的振动行程上部或下部振幅S(图5或图6中的A)，或模具的振动行程f的物理变量，或从中推导出的振动速度或振动加速度s′，f′或s″，f″变量，可根据给定的值调节。
8.如权利要求1～7中任何一条所述的压实装置，其特征为，对于给定的不变或变化的不同的激振频率，可根据给定的不变或变化值来调节物理变量s，s′，s″或f，f′，f″。
9.如权利要求1～8中任何一条所述的压实装置，其特征为，作为激振器作动器(171)的线性电机(170，420)为系统电机，最好为三相交流电机；该电机为永久磁铁励磁；或者为具有电机固定部分(422)和电机的直线运动部分(424)的异步电机；另外其特征还在于，通过平分在振动周期中供给或消除的能量部分，可调节物变量s，s′，s″或f，f′，f″。
10.如权利要求1～9中任何一条所述的压实装置，其特征为，在作为三相交流电机的线性电机(170，420)的情况下，励磁电流和形成推力的电流可以为单独的分量。
11.如权利要求1～10中任何一条所述的压实装置，其特征为，线性电机为带有特殊的驱动装置(196/198)的三相交流电机，该驱动装置可在每一个振动周期中产生激振能量的特殊和可改变的部分。
12.如权利要求11所述的压实装置，其特征为，线性电机(170，420)的特殊的驱动装置(196/198)交替地或同时按下列方式工作-在给定激振频率的条件下，电机所产生的激振力的开始时间和结束时间，与该激振力的大小，在振动周期(360°)内，由该特殊驱动装置(196/198)确定或计算一次或二次；-为了控制出现相角偏移角γ和在某些参数影响下，相角偏移自动改变的现象，该特殊的驱动装置(196/198)使用一种特殊算法，可以将要调节的物理变量s，s′，s″或f，f′，f″的测量值，和/或在要传递的下一部分能量固定的条件下，由操纵变量y的控制算法推导出的值，在缓冲器中存贮一个短时间。
13.如权利要求1～12中任何一条所述的压实装置，其特征为，除了将激振器能量通过激振器作动器送入振动系统中以外，还可在调节过程出现超调后，从振动系统中提取能量、以延缓振动过程或快进地使振动过程停止。
14.如权利要求1～13中任何一条所述的压实装置，其特征为，质量-弹簧系统的至少一个可设定可已设定的自然频率，不大于在预压实或主压实中实际使用的压实上限频率的大约30％；和/或其特征还在于，质量-弹簧系统的至少一个可设定或已设定的自然频率，为大于大约30Hz的值。
15.如权利要求1～14中任何一条所述的压实装置，其特征为，当使用线性电机或线性液压马达(420)作为激振器作动器时，振动台(120)的振动运动由一个中心直线导轨(410)进行约束导向，以吸收作用在振动台上的水平力和保证在所述振动台的所有部分上的加速度在共同的方向上。
16.如权利要求1～15中任何一条所述的压实装置，其特征为，为了调节振动的质量-弹簧系统的自然频率，可将一个或多个附加质量(440)，通过换向操作与系统质量连接和脱开；当连接附加质量时，该质量与系统质量同步振动；最好，换向操作使用液压驱动的零件(442/444)进行。
17.如权利要求1～16中任何一条所述的压实装置，其特征为，为了改变弹簧系统的最终得到的弹簧常数，在存贮振动能量的工作过程中，可以另外连接或脱开一个或多个弹簧件(304/306)；要切换的弹簧件可以牢固地与第一个力传递部分(308)连接，这样，弹簧力可传递至系统质量；另外，该弹簧件也可与第二个力传递部分(302)连接，这样，弹簧力传递至底座(102)或特殊的阻尼质量(450)上；第二个力传递部分可通过机械或液压的换向装置(310)的换向工作，与底座或阻尼质量连接；并且当使用一个或多个换向的第二个力传递部分时，可在不同的激振频率下，用一个或多个步骤改变弹簧系统的最终得到的弹簧常数。
18.如权利要求1～17中任何一条所述的压实装置，其特征为，为了改变弹簧系统的最终得到的弹簧常数，可以连续地或分步骤地调节弹簧件(150，282)的弹簧常数。
19.如权利要求16～18中任何一条所述的压实装置，其特征为，当在压实过程中通过激振频率范围时，在一步一步地调节质量-弹簧系统的自然频率的情况下，可分步骤地调节一个或多个给定的激振器频率；或者在连续调节自然频率的情况下，则在调节激振频率的同时，可调节自然频率。
20.如权利要求1～19中任何一条所述的压实装置，其特征为，为了将动态的弹簧力传递给阻尼质量，质量-弹簧系统的系统弹簧与阻尼质量刚性连接，以传递力；阻尼质量的质量至少比系统质量大20倍；阻尼质量可以为压实装置的框架与它连接，以传递力的底座的一部分；或是一个利用软的隔振弹簧支承在底基上的一个质量。
21.如权利要求1～20中任何一条所述的压实装置，其特征为，作为激振器作动器的激振器装置包括一个或多个回转电机，该电机与一个将回转运动转换为激振器直线运动的运动转换器齿轮机构连接；如果在这个结构中至少有二个回转电机，则电机与一个公共的运动转换齿轮机构连接，使得调节二个电机的相对转动角度，会产生行程可调节的驱动装置的输出运动。
22.如权利要求1～21中任何一条所述的压实装置，其特征为，回转速度可调，但静态力矩不可调的不平衡振动器可以用于作为激振器作动器的激振器装置；并且其特征还在于，振动台的上或下振动行程的振幅S，或模具的振动行程f的物理变量，或推导出的振动速度或振动加速度变量s′，f′或s″，f″，可根据给定的值由调节装置调节，使得由调节装置调节的阻尼装置可以振动的质量-弹簧系统中，消耗由激振器装置传递的多余的激振能量。所消耗的能量由质量-弹簧系统的振动运动传递；并且阻尼装置为液压的，它可将运动能量转换为热能。
23.如权利要求1～22中任何一条所述的压实装置，其特征为，设有测量系统(192/194)，用于确定要调节的物理变量s，s′，s″或f，f′，f″的实际值。
24.如权利要求1～23中任何一条所述的压实装置，其特征为，压实装置可以进行至少是预压实的压实工作，这时，模制体(110)不与压板(180)连接。
25.如权利要求1～24中任何一条所述的压实装置，其特征为，在二个方向振动的振动台的系统弹簧为硬弹簧。
26.如权利要求1～25中任何一条所述的压实装置，其特征为，只有在约束导向装置同时又可使振动台在二个方向进行振动运动，和导轨部分放置在振动台中心的条件下，才使用线性液压马达。
27.一种在例如模具(108)中，在粒状材料(例如干的混凝土砂桨)的模制体(110)上进行压实工作的方法，该模制体以其下端放置在托板(112)或基板上，并且其上端可与受到压紧力作用的压板(180)连接；至少总的压实能量中的一部分可以从振动台(120)，利用上述权利要求中任何一条所述的压紧装置，通过振动台从下面冲击托板产生的冲击作用，加在模制体上，其特征为，当进行压实工作时，由激振器装置进行激振，随着激振频率值的增大，激振频率通过给定的范围。
28.如权利要求27所述的方法，其特征为，当通过激振频率的频率范围时，自然频率改变；其特征还在于，可调节系统弹簧(142)的弹簧常数的值，和/或调节系统质量(440)的值。
全文摘要
对模制体进行压实的压实装置和方法，通过振动台从下面冲击托板产生冲击作用。振动台为振动的质量－弹簧系统的一部分，利用激振器装置驱动，形成强迫振动运动；弹簧系统和系统质量一起产生至少一个在压实频率范围内的频率，并可逐步和连续调节。同时，激振频率可以调节，使得振动器可部分或完全在压实的整个频率范围内以谐振频率工作。激振器作动器最好为线性电机。本发明的优点在于，压实能量的传递质量，允许很高的压实频率，寿命长，低能量消耗。所述装置可用于混凝土块的机器中。
文档编号B28B3/02GK1478010SQ01819659
公开日2004年2月25日 申请日期2001年6月19日 优先权日2000年11月11日
发明者休伯特·鲍尔德, 休伯特 鲍尔德 申请人:吉迪布工程局和革新指导处有限责任公司, 吉迪布工程局和革新指导处有限责任公