本发明涉及一种在振动打桩机的操作过程中识别障碍物的方法，涉及相应的振动打桩机，并且涉及具有该振动打桩机的作业机器。
背景技术：
当由引导件引导的振动打桩机推进驱动元件时，引导件直接连接到作业机器上，诸如巨石或岩层的障碍物成为一个大问题，其中夹紧柄、振动器以及位于其后的引导件由于通过驱动元件(例如，板桩壁)的反馈而可能导致对其它不同机器部件的损坏。所述部件本身也可能被损坏。这个过程可以被描述为一种物理非弹性撞击，其中振动的能量和驱动力没有按预期用于驱动，而是被反馈给机器。
以前没有任何可靠的预警系统能够及时以自动化的方式警告操作员相应的风险。因此操作者的快速反应是必要的，以便及时停止推进以避免损坏。
在另一个应用中驱动元件被驱动进入岩石中可能是必需的，从而例如确保稳定性。操作员使得管桩振动一段时间直到管桩定位于岩石上，并且在管桩上施加压力一段时间直到振动器的振幅达到最大值。虽然管桩已经与岩石接触了一段时间，但系统仍会长时间继续加载，直到机器与岩石接触。因此机器持续负载非常大。
技术实现要素：
在此背景下，本发明的目的是提供一种在振动打桩机的操作过程中识别障碍物的改进的方法以及相应的用于实施该方法的装置，通过该装置使得造成较小损害的操作成为可能。
该目的通过根据权利要求1的前序部分的方法来实现。优选的实施例是从属权利要求的主题内容。根据本发明的方法包括以下步骤：
检测振动打桩机的加速度信号；并且
分析所述加速度信号，所述分析包括对负半波和正半波进行比较。
半波可以代表检测到的加速度信号，或者可以从检测到的加速度信号导出。进一步地，被进行比较的半波可以是相互邻近的半波。
可以设想，在本发明的优选实施例中，所述分析包括确定振动打桩机的速度和/或振幅。速度和/或振幅在此可以通过加速度信号的积分来确定。振动打桩机的频率也可以由加速度信号确定。所检测到的加速度信号在此可以由加速度计检测，该加速度计确定至少一个方向上的加速度，特别是在打桩行进的方向上的加速度。
可以设想，在另一个优选实施例中，所述加速度信号通过至少一个加速度传感器或加速度计来检测，所述加速度传感器或加速度计位于所述振动打桩机上和/或位于引导件上和/或位于耦合到振动打桩机的驱动元件上。
此外可以设想，在另一个优选实施例中，所述检测通过可调整的观测周期进行，特别地，所述观察周期能够根据激励频率来选择。在此所述激励频率可以是振动打桩机的频率。
可以设想，在另一个优选实施例中，所述对负半波和正半波进行的比较包括对诸如面积、幅值和/或形状的测量值进行比较，特别地，所述形状可以是半波的半峰高全宽。在此实施例中多个相应的比较也是自然能够想到的。
可以设想，在另一个优选实施例中，所述分析包括通过频率分析来查找临界频率，例如尤其是谐振频率。
在进一步的优选实施例中所述分析包括对谐波因数的分析。
可以进一步设想，在进一步的优选实施例中，该方法包括根据所述分析来输出信号。输出的信号在此可以是控制和/或显示信号。例如，控制信号可以控制振动打桩机或与其连接的设备，以保护振动打桩机。例如，振动打桩机可以被放慢或停止。例如，用于向振动打桩机的操作员指示障碍物根据该方法已被识别到的显示器可以被点亮以作为信息信号。由此相应地可以使操作员在较早的时间点对所识别到的障碍物做出相应的反应。当分析表明障碍物已被识别到时，信号会自然地被输出。
本发明还涉及一种振动打桩机，其设置为执行根据权利要求1至8中任一项所述的方法。
本发明还涉及一种作业机器，该作业机器具备振动打桩机，该振动打桩机设置为执行根据本发明的方法。
振动打桩机和/或作业机器可以包括与根据本发明的方法相关联的所述特征。在这方面免去了重复叙述。
附图说明
参考附图将示出本发明的更多细节和优点。示出的有：
图1：执行根据本发明的方法的作业机器5的示意图；以及
图2：振动打桩机在运行过程中的分析信号随时间的发展。
具体实施方式
根据图1，固定在引导件1上的振动打桩机2通过夹紧柄3将振动传递到驱动元件4，该驱动元件4例如是板桩墙、管桩或其他元件。作业机器5或承载机器5的任务是支承引导件，通过提升绞车或其他系统(例如液压系统)以沿着引导件的进给力fv向下推压振动打桩机(或将其拉起，但这在这里不相关)，并通过液压系统控制振动打桩机。驱动元件有可能在推进过程中撞击到障碍物6，这可能导致振动器、引导件和/或承载机器的损坏。
承载机器和振动打桩机都可以配备传感器系统，该传感器系统允许在正在进行的操作中以足够大的扫描速率(至少40hz)测量以下数据：进给力、激励振动频率、激励振动幅度、进给速度和/或不同的液压测量参数如压力、输油量等。
在正常的振动过程中，驱动元件可以被驱动到地层中，其中由于进给力而使得位于驱动元件顶端处的地层材料被移位，并且通过振动使得驱动元件的护套处和顶端处的阻力减小。如果驱动元件顶端现在撞击到不允许任何移位的巨大障碍物，则在驱动元件和障碍物之间会发生非弹性碰撞，而不是发生地层材料的移位。动能可以沿着驱动元件以冲击的形式传递到振动器。
这些冲击一次又一次地由振动器的振动产生，并且取决于驱动元件的长度和驱动元件的材料中的声音传播速度而以特定的速度传播，并且在进一步的过程中与振动器相互作用。在振动器的激励运动中出现干扰(例如，激励不平衡可能被干扰)；出现不同频率的叠加；并且在进一步的过程中，在振动器/驱动元件系统中出现附加的低频和高频。这些频率可以与承载机器或引导件的实际频率一致；也就是说，作为进一步的结果，会产生大的振幅，这会导致驱动元件、振动器、引导件或承载机器的损坏。
已经作为标准安装的传感器可以用于本发明：能够确定至少一个方向(沿着驱动行进的方向)上的加速度的加速度计。速度和振幅可以进一步通过加速度信号的积分来确定；频率也可以从加速度信号中确定。优选地，加速度传感器固定在振动器上；其他可能的位置例如是在引导件上或直接位于驱动元件上。
通过分析加速度信号，本发明能够识别地层中的障碍物。这里在时间周期t内观测加速度信号；以下信号可用于识别障碍物：实际加速度、速度和/或距离。以下方法选项可用于识别障碍物：
1.最快的方法：在一个可设定的观测时间周期内可以使用单独的半波以及或者是多个半波的情况下，对正半波与负半波进行观测和单独于彼此的比较。例如，观测时间周期可以根据激励频率来选择。可以通过不同的方法从这些半波计算诸如面积、幅值或形状(半峰全宽)等测量值。对这两者的测量值的比较提供了非常快的识别效率。
2.另一种方法包括通过频率分析的方法寻找临界频率，例如承载机器或其他部件的谐振频率。这些频率通常低于实际振动频率，并且也是地层变得更硬或遇到障碍物的指示信号。单独就这种方法而言，由于所需的观测时间周期必须更长，此方法比方法1慢。或者，这种方法也可以得到一种识别方式；可以想到将此方法与第一种方法结合。
3.另一种方法包括观测以下信号之一的谐波系数：加速度、速度、振幅。在对信号进行低通滤波之后，只有一个具有谐波振动的频率仍会出现；上升的谐波系数指示的是发生了非弹性碰撞，因而表明地层变得更硬或遇到障碍物。这种方法与方法2是可比的。单独就这种方法而言，这种方法太慢了；但这种方法可以用来支持方法1。
4.单独看，振幅取决于多个因素：激发频率和振幅，驱动元件的重量，穿透深度和护套摩擦。然而，尽管振幅取决于多个因素，但是短暂的振幅升高是遇到障碍物的可能的附加指示信号。
5.一般而言，与至少一种上述方法相结合的相对于谐波振动的每个偏离都可以理解为遇到障碍物的指示信号。
上述方法中的每一种都能够使用简单的加速度传感器和评估单元来检测障碍物；然而，方法1提供了最快的识别方法。加速度信号可以通过以上方法中的至少一种来进行分析。
根据本发明，可以使用以上方法中的至少一种分析加速度信号，并且可以确定障碍物直接位于驱动元件的前方。在进一步的进程中，操作员被警告和/或控制器以调节方式干预进一步的驱动推进(例如，减小驱动力，减小振幅等)。最快和最可靠的方式对应于方法1。
其他传感器有利地能够改进预测：振动器的激励频率(例如不平衡)是已知的(频率、振幅、相位)并且可以与加速度信号进行比较；干扰频率可以利用驱动元件的已知材料特性、驱动元件的已知长度以及已知的穿透深度来建模；并且振动器驱动所需的油压/油量也可提供较重负载的指示信号。振动器、引导件与承载机器的实际频率是已知的；例如，因此可以通过直接精确搜索这些频率来更好地识别谐振运动行为。个别方法或所有上述方法的组合能够得到对遇到障碍物的改进的指示方式。
在另一个实施例中，可以根据设置对这样的障碍物作出如下反应：
·尽早减少不平衡调整，以保护振动器和承载机器
·尽早减少驱动推进，以保护振动器和承载机器
·这种信号也是地层密实度的良好指示信号；也就是说，它可以与其他变量(接触压力、频率、振幅)结合使用，作为管桩的质量特征。在驱动元件的推进过程中，可以同时进行地面和地层的探索以获得参考资料。
·在进一步的研究中，可以通过记录障碍物来估计例如振动器的使用寿命如何由于遇到障碍物而缩短。
图2中概括了推进板桩墙时信号随时间的发展。振动信号最初是上升的；该信号在短时间之后已经超过特定值(r1区域)。在进一步穿透时，这个值可以例如由于护套摩擦而略微增加(r2区域)。在大约10米深之后的振动过程中，板桩墙撞击到了一块巨石。由于振动过程的压实作用，振幅的增大可以短暂提前地被确定。
在进一步驱动推进期间振幅的增加已经允许得出遇到障碍物的结论(r3区域)；控制器在较早的时间点相应地开始减小振动幅度和进给力以防止损坏机器。在与巨石直接接触时，振动器中的振幅由于非弹性碰撞而开始上升，尽管驱动振幅减小；此时关闭机器。在进一步的进程中，操作员现在必须决定如何对障碍物做出反应。
当根据另一个应用实例打入桩子时，例如，它们可以固定地定位在15米深处的岩层上。在之前的过程中，桩子被向下振动到所需深度，然后在最大驱动力和高频率下被振动一段时间直到用于驱动振动器的油压超过特定值。这是给操作员指示桩子已被定位于足够坚实的地层上的指示信号。通过对障碍物的识别，岩石可以提前被识别到；谐波振动的巨大偏差(通过任何所需的数学方法计算)提供了在振动器和载体机器上没有很大负荷的情况下识别岩石的坚实度的机会。