落锤式弯沉仪(fwd)是土木工程师用来评估路面结构物理特性的无损测试设备。来自fwd的数据主要用于估计承载能力，尤其是包括波特兰(portland)水泥混凝土(pcc)或沥青混凝土(ac)表面的路面的承载能力。用途包括道路、机场路面、集装箱堆场、以及铁路轨道。典型地，落锤式弯沉仪被整合在拖车上，拖车可以通过另一车辆被牵引到测试位置，而且落锤式弯沉仪还可以被整合在车辆本身中。
落锤式弯沉仪被设计为对路面表面施加模拟由滚动的车轮产生的载荷的载荷脉冲。通过在一组橡胶缓冲器上落下大的重锤来产生载荷。所产生的力通过圆形承载板传到路面。称重传感器或其他载荷感测传感器被安装在承载板的顶上并且测量施加在路面表面上的载荷。比如地震检波器或加速度计等一系列弯沉传感器沿着从承载板中心延伸的梁线性地安装、并且响应于距所施加载荷的中心不同距离处的载荷来测量产生的路面表面弯沉。可以使用fwd数据来计算刚度相关参数，例如，多层式路面结构的层的杨氏模量，比如包括pcc或ac的道路或机场的路面。
传统上，在fwd中，重锤是沿着竖直导杆或柱以液压方式抬升、并且通过止挡机构保持在预定高度，直到执行测量并且由fwd操作者发出下落命令。然后释放止挡机构，并且重锤下落到传力装置上，传力装置包括已知直径的圆形承载板，承载板在重锤下落之前降低以在期望的测量位置与路面接触。在传力装置与重锤之间提供弹性装置(例如呈橡胶块形式的缓冲器)，以便对路面产生理想的半正弦冲击力。传力装置一般包括力感测装置，以测量实际冲击力。由于落锤质量很大，典型地在50kg至750kg之间，所以通常通过液压提升机构等等将落锤拾起并提升回到锁定位置。例如在jp-a-2007-205955和de-u-9305327中找到了上述fwd的实例。这种fwd的实例也在文章“faldloddetshistorie”中，bohn，axelo.，asfalt期刊，第4-11页，1989年9月，issn0004-4318加以描述，描述了从1964年到1989年落锤式弯沉仪的发展。
这种液压操作的fwd的一个主要缺点是测量循环需要相对较长的时间，特别是如果在相同位置进行连续测量。这种情况的主要原因是液压提升装置降低以提起重锤、将重锤抬升到锁闩、并且使重锤从液压提升装置脱离的过程相对较慢。而且，在一个位置重复下落几次之后，必须将承载板抬升到运输位置并紧固，并且在下一个测量位置再次下降。在现有技术中，后一原因是长测试循环的主要因素。当要沿着待勘测道路进行数千次连贯测量时，过程的累计持续时间会降低整个勘测的效率。
在通过援引并入本文的wo2015/051798中，已经提出了使用电动提升机构。电动提升机构包括直接与螺纹主轴联接的大转矩电动马达。要提升和下落的重锤与游动螺母布置中的主轴永久接合，从而允许重锤通过对电动马达进行通电或断电而相应地提升或下落。尽管这种电动升降机构在缩短提升循环和下落循环的循环时间方面已经证明非常成功，但它仍然有一些缺点。显然，重锤和螺纹主轴与电动马达之间的永久接合与落锤的自由落体的意图相矛盾，因为在重锤下落过程中会将使主轴和马达旋转。因此，一些势能用于加速主轴和马达的旋转。此外，即使在开路端子的情况下，电动马达仍可能产生制动效果，在下落过程中充当发电机。如wo2015/051798中所说明的那样，这种制动效果不得不被忽略或者被补偿，后者进一步使控制机构复杂化。
基于此现有技术，本发明的目的是提供一种fwd，其克服了上述缺点同时仍提供至少在循环速度方面与现有技术的fwd相同的优点。
根据本发明，此目的是通过一种落锤式弯沉仪实现的，该落锤式弯沉仪包括：承载板，该承载板适于接合测试表面；传力装置，该传力装置适于将力传到该承载板；缓冲装置；落锤，该落锤适于经由所述缓冲装置来冲击所述传力装置从而经由所述传力装置来提供要传到所述承载板的力；引导装置，该引导装置用于引导所述落锤朝向所述传力装置；以及提升装置，该提升装置包括用于将所述落锤提升到所述传力装置上方的预定高度的至少一个电动马达，其中所述至少一个电动马达是线性马达。
与使用驱动主轴来提升落锤的电动马达或比如液压马达等传统马达的现有技术相比，使用线性电动马达作为提升装置的落锤式弯沉仪将会包括很少的可移动部分，并且因此消除了马达内的大部分内部摩擦源。此外，即使与其他电动马达相比线性电动马达也可以提供非常快的加速度和提升。这进而意味着可以快速执行完整的测试循环，即落锤的提升和下落，使得fwd在每个测试地点花费更少的时间。
根据本发明的实施例，所述至少一个电动马达包括永磁体。通过使用永磁体来形成线性电动马达的电枢，与电磁体不同，因为不需要布线，该设备变得更容易维护。此外，典型地，永磁体是预先成排制造的，这使得fwd的初始组装快速并且成本效益高。
在优选实施例中，永磁体形成所述落锤的一部分。通过将落锤直接联接到马达的移动部分上，即永磁体上，就不需要比如丝杠、正时皮带、齿条和小齿轮以及蜗轮传动装置等机械传动元件。因此，没有机械磨损，从而产生出色的可靠性和更长的使用寿命，并且更少的机械部件将维护降至最低并且降低系统成本。
根据本发明的实施例，该提升装置包括四个线性电动马达。通过提供额外的和/或更多的强力马达，fwd将能够提升较重的落锤，由此增加fwd可操作的冲击力范围，从而使其更加通用。当使用具有两个正交对称轴线的落锤时，通过使用四个线性电动马达，可以提供对称提升，例如，在每个角落都有一个线性电动马达进行提升，这样在提升落锤时不会产生转矩。
根据本发明的实施例，落锤包括至少一个线性编码器。
通过使用线性编码器，在下落循环期间将始终知道落锤的位置。与由线性电动马达提供的高精确度和控制度相结合，这意味着马达可以在落锤冲击弹性缓冲器并弹开之后立即重新接合，以便能够更快返回到提升操作并开始下一个下落循环。除了允许更短的下落循环之外，这可能在不需要弹跳落锤的后续冲击的测试过程中特别有用，因为线性电动马达可以在第一次冲击之后抓住落锤。
现在将参考附图基于优选实施例更详细地描述本发明，在附图中：
图1示出了根据实施例的落锤式弯沉仪的第一示意性透视图，
图2示出了图1的落锤式弯沉仪的第二示意性透视图，
图3示出了图1的落锤式弯沉仪安装在支撑框架中的进一步示意性透视图，
图4示出了图1的落锤式弯沉仪的示意性侧视图，
图5示出了图3的落锤式弯沉仪安装在支撑框架中的示意性俯视图，
图6a-e示意性地示出了fwd承载板下降到表面上以及随后的落锤提升和下落，
图7示出了根据本发明的另一实施例的落锤式弯沉仪的第一示意性透视图，
图8示出了图7的落锤式弯沉仪的第二示意性透视图，并且
图9示出了图7的落锤式弯沉仪的示意性俯视图。
首先转到图1和图2的透视图，示出了根据本发明的具有线性电动马达15的落锤式弯沉仪1的可移动部分的第一实施例。
在整个说明书中，当涉及方向时，落锤式弯沉仪1将被描述为具有包括两端的纵向方向l和包括两侧的横向方向w，如图5和图9所示。此外，方向向上和向下将是指落锤式弯沉仪1在使用过程中的取向。
至于线性电动马达15，其包括一般静止的定子以及一般可移动的电枢。在下面的描述中遵循这个惯例。而且，如将会清楚的，定子一般被理解为产生受控磁场的部件，该受控磁场进而引起电枢移动。
如可以看到的，落锤式弯沉仪1包括适于提升、下落以产生期望冲击的落锤8。落锤8包括沿着纵向方向延伸的长形主体9。主体9具有适于冲击载荷传递板6的下冲击表面。在主体9上，可以安装或移除两个重锤12，以限定落锤8的最小重量。落锤8进一步包括在横向方向上从主体9向外侧向延伸的多个杆11。为了实现要执行的测试的期望重量，可以在侧向延伸的杆11上安装附加可移除重锤10(图1至图6中未示出)。
可移除重锤10中的每一个的重量优选适于手动搬运，并且落锤8因此可以包括彼此并列堆叠的大量可移除重锤10，典型地以实现总重量最高达约750kg的落锤8。当安装时，可移除重锤10将向下延伸与主体9的下冲击表面对齐，使得可移除重锤10形成冲击表面的一部分。为了将可移除重锤10固定在主体9上，可以在侧向延伸的杆11的末端设置比如螺母13等固定装置。
在载荷传递板6与落锤8之间设置多个弹性缓冲器19。在所示的实施例中，弹性缓冲器19安装在载荷传递板6的顶部，但是本领域技术人员应认识到，弹性缓冲器19也可以安装在落锤8的底部，即在落锤8的下方。弹性缓冲器19被设置用于缓冲冲击并且在所述冲击中获得合适的正弦半波形冲击力。
弹性缓冲器19优选地横跨载荷传递板6的横向方向成排地布置，使得一排弹性缓冲器19位于主体9的正下方，并且附加排的弹性缓冲器19位于侧向延伸的杆11的下方，使得附加排将受到安装在侧向延伸的杆11上的可移除重锤10的冲击。通过这种布置，所使用的弹性缓冲器19的数量将取决于安装在落锤8上的可移除重锤10的量。
弹性缓冲器19优选地由橡胶制成，并且优选地可互换，从而允许它们的数量、它们的尺寸、弹性特性等根据落锤8的给定期望重量和正弦半波的期望脉冲宽度而变化。
冲击脉冲的形状还可以通过以下方式来定制：改变落锤8的重量、下落高度、缓冲器19(即用不同弹性的其他缓冲器来代替这些缓冲器和/或改变缓冲器19的数量)，或使用将在下面描述的马达15来使落锤8加速，即对下落进行制动或加速。通过使用这些方式之一或组合，冲击脉冲可以被定制以模拟某些类型的载荷。例如，通过使用线性电动马达15对下落进行制动以在测试表面30上模拟较长持续时间的载荷，可以实现具有较小峰值力的较宽冲击脉冲。
将成形冲击力从载荷传递板6经由传力装置和适于接合测试表面30的承载板2传递到比如波特兰水泥混凝土或沥青混凝土等测试表面30(仅在图6a至图6e中示出)，该传力装置尤其包括支柱5。承载板2优选为圆形，并且如从图1可以看到的，可以是分段的。在优选实施例中，承载板存在四个段2a、2b、2c、2d，在图1中只有其中两个段2a、2b清晰可见。
显然，可以使用任何合适数量的段，包括一个段，即单一圆形承载板2。如图4中最佳看到的，承载板2的段2a、2b通过间隔件3连接到中间板4，从而允许段2a、2b各自具有小的自由度，以允许即使测试表面30不是完全平面或水平的，而总体承载板2仍适应测试表面30的不规则性。刚性连接的中间板4和称重传感器7优选地还相对于支柱5具有一定的自由度，以适于测试表面30的倾斜。
中间板4经由形成支柱5的一部分的进一步支撑装置31而连接到载荷传递板6。该进一步支撑装置还包括适于测量在落锤8经由弹性缓冲器19冲击到载荷传递板6上的力的力传感器7，比如称重传感器。
在所示的实施例中，落锤8沿着固定到载荷传递板6上的中央导柱14被引导，从而在落锤8下落或提升时引导落锤上下运动。
落锤8还包括两个竖直的电枢安装板17，即每个末端一个。为了形成线性电动马达15的电枢，落锤8优选地包括定位在每个电枢安装板17上的两组永磁体18，即总共四组。形成线性电动马达15的电枢的这些永磁体组18以交替的极性成竖直排布置。通过这种布置，与线性电动马达15的定子相关联的可磁化线圈(未示出)可以直接作用在落锤8上，而无需除落锤8本身之外的任何可移动部分。特别地，落锤8上的永磁体电枢避免了必须将任何柔性电缆或电线拉到落锤8上。
两个竖直电枢安装板17还设有一对导轨16。导轨16被容纳在轨道20形式的对应线性轴承中并由其引导，以允许落锤8与落锤式弯沉仪1的其余部分之间的相互往复滑动运动。轨道20安装在承载线性电动马达15的定子并形成马达塔28的一部分的相应马达安装板27上。安装板27由载荷传递板6支撑、并且通过大体上三角形的支撑元件21稳定，这些支撑元件加强并支撑每个马达安装板27相对于载荷传递板6的位置。
轨道20优选地具有与导轨16的截面互补的截面并且允许导轨16停留在轨道20中，例如，燕尾形布置或类似的底切布置。通过使用比如润滑脂等润滑剂可以确保平滑的滑动，但是显然可以提供比如滚珠轴承等其他装置，以便允许落锤8的平滑滑动运动。除了引导落锤8之外，配合轨道20和导轨16确保了用于提升落锤8的多个线性电动马达15中的气隙。图3中最佳地看到线性电动马达15的背部，其中马达盖已经被移除以用于说明目的。
线性电动马达15优选地为线性马达，比如可从瑞士
为了实际使用中的高机动性，落锤式弯沉仪1安装在本身已知并在图6a-6f中示意性地示出的比如拖车或车辆等合适的运输车上。还参见上述通过援引并入本文的文章“faldloddetshistorie”中的各种插图。落锤式弯沉仪的功耗并不大，但可能超过牵引车辆的内置发电机所能提供的功率。因此，用于驱动线性马达15的电力可以由附加发电机提供。这可以通过落锤式弯沉仪1安装在其上的和/或牵引落锤式弯沉仪的车辆上的附加发电机来实现。在落锤式弯沉仪1位于牵引拖车上时，发电机可以因此位于拖车上，以确保自主性。
尽管在图1、图2、图4、图7、图8和图9中未示出，但落锤式弯沉仪1可以安装在框架中，以便有助于搬运和运输。如图6a-6e中示意性所示，框架22可以安装在具有轮的运输车(比如拖车或自行式车辆)上或者形成其组成部分。
图3示出了图1和图2所示的落锤式弯沉仪1安装在支撑框架22中的另一透视图，并且其中为了说明的目的，移除了马达盖以露出线性电动马达15。在所示实施例中，落锤式弯沉仪1包括总共四个线性电动马达15，落锤8的每侧两个线性电动马达。显然，取决于所述线性电动马达15的强度和落锤式弯沉仪1所要求产生的冲击力，可以使用任何合适数量的线性电动马达15。
线性电动马达15的可激励线圈放置在落锤式弯沉仪1的静止本体上并且电枢以使用永磁体18的形式放置在落锤8上的这种布置是有利的，因为落锤8独立于需要挠曲并易于断裂的任何布线。
现在转到图6a-e，落锤式弯沉仪1被示出为安装在支撑框架中，并且为了实际使用中的机动性，落锤式弯沉仪1被安装在比如拖车或车辆等合适的运输车上，使得可以容易地将落锤式弯沉仪运输到测试地点。在到达测试地点后，落锤式弯沉仪1下降，并且承载板2与测试表面30接合。根据图6b的情形，落锤8可以通过作用在落锤8的永磁体18上的线性电动马达15提升到图6c-d中所示的下落位置，即，将产生期望冲击力的高度，在该位置，线性电动马达15脱离(即断电)，并且执行下降。为了控制提升高度，可以在落锤8上设置线性编码器，例如，结合永磁体18，以便将提升高度传达给马达控制器。
由于线性电动马达15与落锤8处于永久磁性接合，所以不可避免地存在一些制动力，因为在下落过程中线性马达15用作发电机。然而，由于线性电动马达15在下落过程中通常具有开路端子，所以感生能量不能消散，并且几乎没有电损失。众所周知，由于感生的反电动势，开路端子上的电压将急剧增大，并且在一些情况下可能需要保护控制电子器件免受这些过电压的影响。控制电子器件因此包括用于使端子短路、具有合适电阻值以降低电压的保护装置。然而，这只是在极端情况下，并且甚至在这些情况下，制动力非常小并且可以忽略，除非使用非常低的下落高度和/或非常小的重量来提供冲击力。在任何情况下，这可以通过在下落过程中稍微对线性电动马达15通电来补偿，以抵消马达感应引起的固有制动。
在这方面，技术人员应理解，电动马达也可以被主动地通电以支持下落或者甚至将其加速到高于1g。也就是说，不是简单地补偿落锤8的几乎不存在的制动，线性电动马达15还可以进一步被通电以产生落锤8的加速下落并且冲击力增大。然而，这将导致功耗增大，并且增加了线性电动马达15和控制器的冷却需求。尽管如此，根据本发明的落锤式弯沉仪1实际上并不限于自由落体。代替自由落体，可以提供比自由落体的加速度更大或更小的向下加速度。为此，一种用法可以是塑造冲击，如果在落锤8下落时不是脱离线性电动马达15，如上所建议的，线性电动马达15则保持接合以控制冲击过程中的力。以上所有可以被电控制，并且因此使其本身自动化，而不需要其他手动干预，例如按压几个按钮。
如应理解的那样，落锤式弯沉仪1的目的是测试铺砌表面，即测试表面30。为了提供有用的数据，使用比如称重传感器7等传感器来测量测试表面30上的冲击力，这些传感器被整合在落锤式弯沉仪1中、特别是在落锤式弯沉仪1的支柱5中。比如地震检波器、加速度计等等用于检测弯沉的进一步外部传感器被定位在距冲击中心某些预定距离处。为此，落锤式弯沉仪1例如通过将传感器安装在可以从落锤式弯沉仪1的框架下降的刚性梁(未示出)上以便与表面接触，从而传感器可以记录由路面上的已知冲击产生的弯沉。
用于采集数据的传感器因此可以包括地震检波器、加速度计、激光器、相机、或其组合。所采集的数据可以被本地存储在集成的硬盘驱动器中，或者可以被传输以供远程存储或处理。
在冲击之后，线性电动马达15可以重新通电以返回来将落锤8提升到下落位置，从而开始下一个下落循环。当在测试地点进行了适当次数的下落循环时，落锤式弯沉仪1从测试表面30被提升并且固定在运输位置。
现在转到图7和图8，示出了根据本发明的落锤式弯沉仪1的另一个更紧凑的实施例。在落锤式弯沉仪1的这个更紧凑的实施例中，省略了中央导柱14，从而允许落锤8的主体9被制造得更薄且更紧凑。这使得总体构造更轻并且允许较低的最小落锤。在另一方面，较窄的本体允许侧向延伸的杆11变长，进而允许安装附加排的可移除重锤10。这允许落锤8实现较大的最大重量、和因此增大的最大冲击力。允许较低的最小重量和较大的最大重量增加了落锤式弯沉仪1的通用性，因为可以实现更大力范围的冲击。可替代地，如果附加排的可移除重锤10是不必要的，落锤式弯沉仪1可以以减小宽度为目的进行构建，以使其更紧凑。
在图7中，为了说明的目的，可移除重锤10已经从落锤8的一侧被移除。在操作期间，可移除重锤10应优选对称地安装在落锤8上，例如，如图9所示，其中大部分锤10被安装成使得线性电动马达15和导轨16不会发生随着时间推移将损坏落锤式弯沉仪1的任何转矩。
容置线性电动马达15的马达塔28被放置在落锤8的相反端的每一端。马达塔28是彼此的相同镜像。每个马达塔架28包括用于安装线性电动马达15的两个马达安装板27、用于安装引导件的引导件安装板23、以及用于遮蔽马达塔28的内部的盖24、25。在图7和图8中，盖24、25和安装板27、23已经从马达塔28之一上移除，以显示内部设计。
每个马达安装板27从载荷传递板6竖直向上延伸、并且使用两个大体上三角形的支撑元件21附接到载荷传递板6，这些支撑元件加强并支撑每个马达塔28相对于载荷传递板6的位置。每个马达塔的马达安装板27是平行于纵向方向并且面向彼此放置的，使得它们形成马达塔28的两个相对侧。在马达安装板之间延伸的是引导件安装板23，该引导件安装板形成马达塔28的末端并且用作落锤8的引导元件16、20的安装元件。
每个马达塔28的第四侧(其为面向主体9的那侧)被具有竖直狭缝26的盖25部分地遮蔽，该狭缝基本上在马达塔28的整个高度上延伸，以允许落锤8延伸到马达塔28中并且在落锤8的提升和下落过程中沿着狭缝自由移动。
在每个马达塔28的内部，一对两个线性电动马达15安装在马达安装板27上，即每个马达安装板27上一个线性电动马达15。这对线性电动马达15被安装成使得线性电动马达15的可磁化线圈带间隙地朝向彼此定向，该间隙可以容纳线性电动马达15的在可磁化线圈之间的电枢。
线性电动马达15安装在载荷传递板6的末端。更具体地，允许这些永磁体18的排的长度在载荷传递板的下方和上方延伸。在载荷传递板上方延伸不仅延长了落锤8的最大下落高度，而且还确保了电枢的磁体18始终与定子的所有极重叠。如果电枢磁体和定子极之间没有完全重叠，则提升力将减小，并且线性电动马达15可能无法按所期望的那样提升所有重锤。
在两端，落锤8的主体9穿过狭缝26延伸到马达塔28中，在马达塔中，该主体连接到电枢安装元件17。电枢安装板17在马达塔28中竖直地延伸穿过线性电动马达15之间的间隙并且与马达安装板27平行。一组磁体18成竖直排地布置在电枢安装元件17的两侧，使得每组磁体18具有面向线性电动马达15的定子的可磁化线圈的暴露表面，以形成用于相应线性电动马达15的电枢，即，电枢被夹在两个定子之间，使得电枢可以在定子之间的间隙内竖直移动。
电枢安装元件17和安装在其上的这些组磁体18竖直向下延伸穿过载荷传递板6上的开口，以允许这些组磁体18被制造得更长，即允许每个竖直排中有更多的磁体，以延长最大下落高度。作为使这些组的磁体18延伸穿过载荷传递板6的替代方案，马达塔28可以被制造得更高，使得线性电动马达15可以安装得更高，但是这需要额外的加固来支撑马达塔28。在载荷传递板6下方，围绕电枢安装元件17和这些组磁体18延伸穿过的每个开口，设置了盖24以遮蔽电枢并且保护落锤式弯沉仪1的操作者在使用过程中免受移动部分的影响。
马达塔设计的对称性是有利的，因为其允许由它们相应的线性电动马达15施加在两组磁铁18上的水平力彼此抵消。这减小了置于安装元件17、27、23和引导件16、20上的应变。
如图8和图9中所看到的，落锤8在每一端进一步包括导轨16。这是马达塔28的对称性的进一步优点，因为一个导轨16可以维持两个线性电动马达15的气隙。导轨16由安装在马达塔28内的引导件安装板23上的一对轨道20引导。每对轨道20中的轨道20竖直地间隔开，以便确保导轨16在操作期间保持竖直。轨道20当然可以安装在落锤8上并且导轨16安装在马达塔上，这将实现相同的引导效果。
现在已经基于示例性实施例描述了本发明。然而，本领域技术人员应认识到，在不偏离权利要求的范围的情况下，本发明的许多其他实施例和变化以及应用是可能的。特别地，本领域技术人员应理解，包括柱5和中间板4的传力装置的或承载板2的构造可以与实例不同。此外，本领域技术人员应认识到落锤式弯沉仪1就使用其的冲击的塑造和测量而言的许多其他使用方式。