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[Die Industrie der Steine + Erden]






Harmonische Vibration bei Betonsteinmaschinen

Im Gegensatz zur bis heute üblichen Schockvibration sorgt die harmonische Vibration für eine absolut gleichmässige Verteilung der Vibration über die gesamte Fertigungsfläche. Über eine Vorvibration wird auch eine besonders gleichmäßige Füllung erzielt. Der Verzicht auf Prellschläge reduziert Lärm und Formverschleiß.

In der industriellen Produktion von kleinformatigen Betonfertigteilen hat sich allgemein die Schockvibration als Verdichtungsverfahren etabliert. Bei diesem sehr wirksamen und hochproduktiven Verfahren gibt es jedoch Probleme hinsichtlich der optimalen Maschineneinstellungen, der Reproduzierbarkeit der Produktqualität, dem Verschleiß und nicht zuletzt hinsichtlich der hohen Lärmemission.

Hier setzt nun ein neues Vorgehen an, das die harmonische Vibration nutzt, ganz auf den Einsatz von Klopfleisten verzichtet und das Fehlen der durch die Prellschläge erzeugten Beschleunigungsspitzen durch entsprechend höhere Kräfte ersetzt.

Die harmonische Vibration in Betonsteinfertigern stellt die zielgerichtete Realisierung sinusförmiger Schwingungen mit hohen Beschleunigungsamplituden an allen Arbeitsmassen dar.

Harmonische Schwingungen zur Betonverdichtung sind dabei hinlänglich bekannt; die Herausforderung besteht in der technischen Realisierung solcher Schwingungsregime, die der Verdichtungswirkung der Schockvibration ebenbürdig sind oder diese übertreffen.

Motivation für die Nutzung der harmonischen Vibration an Betonsteinfertigern sind die Potentiale der harmonischen Schwingungen hinsichtlich der Lärmminderung an diesen Maschinen und der einfachen und robusten Maschineneinstellungen.

Einen ersten Meilenstein stellten dabei die durch hydraulische Erregung realisierten Lösungen dar [1]. Nunmehr ist auch eine kostengünstige elektromotorische Realisierung gelungen, die sich über ein Jahr in der Praxis bewährt hat.





Schwingungstechnisches Konzept und Auslegung

Der wesentliche Unterschied zu Schockvibrationsfertigern besteht in einer festen Verspannung von Tisch und Form, dem Fehlen von Klopfleisten und höheren Erregerkräften von den Tischvibratoren.

Im einfachsten Fall kann das Schwingungssystem als Zweimassensystem betrachtet werden. Verschiedenste Parameterstudien – z.B. die Bewegungsgrößen in Abhängigkeit der Erregerfrequenz – führten zur Auslegung von Massen, Federsteifigkeiten und Kräften.

Die notwendige Gesamterregerkraft wurde auf mehr als 600 kN bestimmt und liegt damit bei einem Mehrfachen üblicher Erregersysteme von Schockvibrationsfertigern.

Zur Einleitung der hohen Erregerkräfte in den Vibrationstisch wurden daher 16 Lagerstellen gewählt, und es erfolgte eine Kopplung von Einzelunwuchten zu Strängen.





Konstruktive Lösung

Zunächst erfolgten der Entwurf und die Berechnung wesentlicher Bauteile wie des Schwingtisches, der Unwuchtwellen, der Lager und der Formverspannung.

Der fertiggestellte Vibrationsantrieb wurde im Technikum des IFF Weimar e. V. erprobt.

Die industrielle Umsetzung erfolgte im Sommer 2003 in einer Steinformmaschine Schlosser SV40 im Betonwerk Themar der F.C. Nüdling Betonelemente GmbH & Co. KG. Für den Umbau waren weitere konstruktive Aufgaben, wie ein separater Unterbau zur Tischlagerung und eine sich in die Platzverhältnisse einfügende Formverspannung zu lösen. Für das Konzept der Formverspannung bestand die Forderung, keine konstruktiven Änderungen an den Formen vorzunehmen, um die Austauschbarkeit der Formen zu erhalten.





Ergebnisse der industriellen Umsetzung

Mit der harmonischen Vibration werden Betonwaren in gleichbleibend hoher Qualität gefertigt. Trotz unterschiedlichster Steingeometrien und Formbelegungen gelingt es, die Fertigungseinheiten sehr gleichmäßig zu befüllen und zu verdichten [2]. Dies gilt für Platten und Pflaster genauso wie für Borde und Mauersysteme.

Im Ergebnis entstehen homogene und außergewöhnlich gut verdichtete Oberflächen. Die Standardabweichungen und die Variationsbreiten der Ergebnisse der Festbetonprüfungen stellen sich gegenüber dem konventionellen System deutlich niedriger ein.

Ein weiteres Ergebnis der industriellen Umsetzung ist der Nachweis der Lärmreduzierung durch die harmonische Vibration. So konnten in Abhängigkeit von Produkt und Meßort Reduzierungen des Schalldruckpegels von mehr als 10 dB(A) erreicht werden. Für das Vorhaben „Lärmarme Betonverdichtung durch harmonische Vibration“ verlieh die Steinbruchs-Berufsgenossenschaft den Forschungspreis Arbeit – Sicherheit – Gesundheit 2004.

Hinsichtlich der Maschinentechnik ist die Haltbarkeit der Wälzlager ein wesentlicher Punkt. Hier musste im Zeitraum von einem Jahr nur eins von 16 Wälzlagern aufgrund von betriebsbedingtem Verschleiß ausgewechselt werden. Maschinentechnische Detailprobleme an der Pilotanlage konnten erkannt und behoben werden.





Zusammenfassung

Die harmonische Vibration ist durch die elektromotorische Realisierung zu einer interessanten Alternative gegenüber der herkömmlichen Schockvibration geworden. Wesentliche Vorteile der harmonischen Vibration sind die Lärmreduzierung, die Produktqualität und die Vereinfachung der Maschineneinstellung.

Durch die gesammelten Erfahrungen beim Umbau eines vorhandenen Betonsteinfertigers sind Nachrüstungen in bestehenden Anlagen mit dem entsprechenden Know-how möglich.

Der Einsatz der harmonischen Vibration in Neuanlagen bietet zudem die Chance, das Potential der harmonischen Vibrationserregung zur Lärmreduzierung durch die gezielte Auslegung der gesamten Maschine noch stärker zu nutzen.

Dr.-Ing. Jörg-Henry Schwabe,

Doz. Dr.-Ing. habil. Helmut Kuch,

IFF Weimar e. V.

Dipl.-Ing. Steffen Mothes,

F. C. Nüdling Betonelemente GmbH + Co. KG





Quellen:

[1] Schlecht, B.; Neubauer, A.: Steigerung der Produktqualität durch effiziente Verdichtung. In: Betonwerk+Fertigteil-Technik 9/2000, S. 44 - 52

[2] Becker, G.; Mothes, S.: Die harmonische Vibration - revolutionäres Vibrationssystem. In: Betonwerk+Fertigteil-Technik 12/2003, S. 40 – 47



Bewegungsgrößen in Abhängigkeit der Erregerfrequenz bei zwei Resonanzstellen im Erregerfrequenzbereich, Parameterstudie

Bewegungsgrößen in Abhängigkeit der Erregerfrequenz
bei zwei Resonanzstellen im Erregerfrequenzbereich, Parameterstudie


Kinematisches Schema des Vibrationsbetriebes

Kinematisches Schema des Vibrationsbetriebes


Finite-Elemente-Modell des Schwingtisches mit berechneten Vergleichsspannungen

Finite-Elemente-Modell des Schwingtisches
mit berechneten Vergleichsspannungen


Unwuchtstränge am Schwingtisch

Unwuchtstränge am Schwingtisch


CAD-Modell der konstruktiven Lösung für das Vibrationssystem

CAD-Modell der konstruktiven Lösung
für das Vibrationssystem


Erfreulich: Im Vergleich zeigt sich deutlich die Qualitätsverbesserung (links: harmonische Vibration; rechts: konventionelle Verdichtung)

Erfreulich: Im Vergleich zeigt sich deutlich die
Qualitätsverbesserung (links: harmonische Vibration;
rechts: konventionelle Verdichtung)





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