Energieeffizienz in der Vibrationsrammtechnik
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Albrecht Kleibl
4 Energieeffizienz in der
Vibrationsrammtechnik
4.1 Einleitung
Das Wachstum der Weltbevölkerung, die fortschreitende Urbanisierung
sowie der Klimawandel, der mit zunehmender Unwetterhäufigkeit,
Hochwassern und dem Ansteigen des Meeresspiegels einhergeht, stellen
neue Ansprüche an Leistung, Verfügbarkeit und Rentabilität der Maschi-
nen und Verfahren.
Die großen Infrastrukturprojekte werden sich zunehmend auf Länder
konzentrieren, die wir heute als Entwicklungsländer bezeichnen, es sind
Lösungen zur Finanzierbarkeit zu finden.
Gleichzeitig sind Umweltbelastung und Ressourcenverbrauch beim Bauen
kritisch zu prüfen. Prinzipiell stehen wir als Baumaschinenindustrie vor
der Herausforderung, Baumaschinentechnik anzubieten, die in puncto
Leistungsfähigkeit, Zuverlässigkeit und Effizienz neue Maßstäbe setzt.
4.2 Maschinen- und Prozesseffizienz
Bei der Betrachtung der Effizienz bietet es sich an, zwischen Maschinen-
und Prozesseffizienz zu unterscheiden. Bild 1 zeigt schematisch die Leis-
tungsverluste im Gesamtsystem.
Bild 1: Verluste im Gesamtsystem [I].
Innovationen im Spezialtiefbau
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Der Bereich Maschineneffizienz erfasst alle Energieumwandlungen und
Hilfsprozesse, die auf dem Trägergerät bis zur Übertragung der Leistung
an das Arbeitsgerät stattfinden und gibt dann einen spezifischen Kraft-
stoffverbrauch pro kWh hydraulische Leistung an. Die hydraulische Leis-
tung wäre dann an der Schnittstelle zum Arbeitsgerät zu messen.
Die Prozesseffizienz ist schwieriger zu definieren. Sie bezeichnet die Effizi-
enz, mit der der Vibrator die angebotene Leistung in Nutzarbeit umsetzt.
Hier sind mehrere Probleme zu berücksichtigen:
1. Erstens ist die Nutzarbeit nicht unbedingt eine Arbeit im physikali-
schen Sinn. Es handelt sich eher um einen spezifischen Energieauf-
wand, anzugeben beispielsweise in kWh hydraulische Leistung pro m²
gerammte Spundwand.
2. Zweitens kann das Arbeitsgerät die angebotene Leistung häufig nicht
vollständig umsetzen, beispielsweise, wenn das Rammgut zu schwer
ist und aufgrund der geringen Schwingweite nur eine niedrige Vor-
triebsgeschwindigkeit erreicht wird. Ein größerer Vibrator könnte die
Leistung besser nutzen und mehr Vortrieb realisieren. Einerseits wäre
dieser größere Vibrator besser zu bewerten, weil mit gleicher angebo-
tener Leistung mehr Nutzen realisiert wird, andererseits geht, bei
physikalisch sauberer Betrachtung, in eine Effizienz nur die tatsäch-
lich in Anspruch genommene Leistung ein.
3. Drittens hängt die Effizienz, mit der ein Vibrator die angebotene Leis-
tung umsetzt von sehr vielen Faktoren, wie z. B. vom Boden, Ramm-
gut, vorgewählter Drehzahl, zulässiger Bodenschwingung usw., ab.
Aus genannten Gründen könnte sich eine Beurteilung der Prozesseffizienz
nur für den Einzelfall mit einer Kennzahl erfolgen. Eine umfassende Be-
wertung ist kompliziert.
Da die Energieumwandlung (Verbrennungsmotor-Hydraulikpumpe) und
Übertragung (Hydraulik) zum deutlich größeren Teil an der Maschine
stattfindet, ist für die Bewertung des Gesamtsystems eine Klassifizierung
der Maschineneffizienz, die relativ einfach und wirtschaftlich realisierbar
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scheint, auch ohne Berücksichtigung der Prozesseffizienz sinnvoll und
aussagefähig.
4.3 Steigerung der Maschineneffizienz
4.3.1 Stand der Technik und Prinzip der VV-Vibratoren
In den vergangenen Jahrzehnten hat sich die Vibrationsrammtechnik im
Spezialtiefbau etabliert und wird für immer neue Anwendungen einge-
setzt. Dabei sind sowohl die Größe der Maschinen als auch die installierte
Leistung gewachsen. Der Antrieb der Vibratoren erfolgt meist hydrau-
lisch, wobei eine effiziente Energieübertragung durch folgende Merkmale
erschwert wird:
• Bei Antriebsleistungen von bis zu mehr als 500 kW bei mäklergeführ-
ten Vibratoren und teilweise über 1.000 kW bei Freireitern werden
Ölvolumenströme in der Größenordnung von 700 bis über
1.000 l/min bewegt.
• Die Übertragungswege sind lang, Gesamtlängen der Hydraulikleitun-
gen von 50 m sind bei Vibrationsrammgeräten keine Seltenheit.
• Da die Vibratoren samt Rammgut am Mäkler verfahren werden, sind
flexible Zuleitungen erforderlich und die Förderquerschnitte be-
grenzt.
• Da Vibratoren ihre Kraftwirkung aus den Reaktionskräften rotieren-
der Unwuchten generieren, ist im Gegensatz zu anderen Baumaschi-
nen, bei denen die Leistung von Hydraulikzylindern umgesetzt wird,
der Ölvolumenstrom auch dann aufrecht zu erhalten, wenn aktuell
keine oder nur geringe Leistung umgesetzt wird.
Die im Rammprozess erforderliche Leistung wird von vielen Faktoren wie
Rammgutmasse, Zug- oder Vorspannkraft und Baugrund bestimmt. Da
der Bodenwiderstand zu Beginn einer Rammung meist gering ist und erst
mit zunehmender Tiefe ansteigt, die installierte Antriebsleistung aber den
Anforderungen zum Erreichen der Solltiefe genügen muss, ist häufiger
Teillastbetrieb nicht zu vermeiden.
Innovationen im Spezialtiefbau
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Herkömmliche Vibratoren sind mit Hydraulikmotoren mit konstantem
Schluckvolumen ausgerüstet, deren Ölvolumenstrom der Drehzahl ent-
spricht und unabhängig von der abgenommenen Leistung Verluste verur-
sacht. Besonders unvorteilhaft ist das Verhältnis zwischen Nutz- und Ver-
lustleistung im Teillastbereich.
Seit etwa vier Jahren bietet ABI Vibratoren an, deren Antrieb durch Hyd-
raulikmotoren mit verstellbarem Schluckvolumen erfolgt. Diese Technik
bietet folgende Vorteile:
• Die verfügbare hydraulische Leistung kann besser ausgenutzt werden.
• An bestehende Trägergeräte werden größere Vibratoren angebaut
und während der überwiegenden Betriebszeit mit höherer Leistung
betrieben.
• Der Einsatzbereich erweitert sich, da in Betriebszuständen, beispiels-
weise bei sehr hoher Drehzahl, gearbeitet wird, die bisher nur mit teu-
ren Sonderkonstruktionen möglich gewesen wären.
• Die Getriebe sind moderner aufgebaut und effizienter.
• Durch Anpassung des Schluckvolumens der Hydraulikmotoren kann
im Teillastbereich der Ölvolumenstrom bei gleichbleibender Vibra-
tordrehzahl reduziert werden, die hydraulische Verlustleistung ver-
ringert sich.
Im Folgenden werden diese Technik und das daraus resultierende Sparpo-
tential erläutert sowie erste Ergebnisse präsentiert.
4.3.2 Einsparpotential im Hydrauliksystem
Im Diagramm in Bild 2 werden anhand eines Beispiels die hydraulische
Leistung an der Pumpe und die Verlustleistung im Hydrauliksystem sowie
die daraus resultierende nutzbare Leistung als Funktionen des Volumen-
stroms dargestellt.
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Bild 2: Hydraulische Leistung und Übertragungsverluste [I].
Es zeigt sich, dass sich bei gegebener Hydraulikanlage die Nutzleistung
durch größere Volumenströme nicht steigern lässt. Eine Reduzierung des
Volumenstroms geht mit deutlich geringeren Verlusten einher, zieht je-
doch nur geringe Einschränkungen bei der nutzbaren Leistung nach sich.
Beim Vibrationsrammen herrscht Teillastbetrieb vor. Eine häufige Aufga-
benstellung ist das Einbinden der Spundwandprofile in einen wasserdich-
ten Bodenhorizont. Dieser besteht in der Regel aus bindigem Material und
ist schwer rammbar. Oft wird bis zum Erreichen der entsprechenden Tiefe
die volle Leistung nicht abgerufen. Da bei herkömmlichen Vibratoren, um
die Drehzahl zu halten, der Volumenstrom nicht reduziert werden kann,
stellt sich das Verhältnis von Nutz- und Verlustleistung meist schlechter
dar, als in Bild 2 dargestellt. Im Diagramm sind nur die Verluste im hyd-
raulischen System nach der Pumpe berücksichtigt.
4.3.3 Efficiency Drive
Efficiency Drive bezeichnet eine neu entwickelte ABI-Steuerung. Diese
beschränkt die hydraulischen Verluste dadurch, dass immer dann, wenn
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der Vibrator im Teillastbereich betrieben wird, der Ölvolumenstrom re-
duziert wird. Um die Vibratordrehzahl konstant zu halten, wird das
Schluckvolumen der Hydraulikmotoren am Vibrator entsprechend ange-
passt.
Die Auslastung des Systems wird anhand des Arbeitsdrucks ermittelt. Fällt
dieser unter einen Grenzwert werden die Pumpen zurückgeschwenkt. Vo-
lumenstrom und hydraulische Verluste verringern sich. Es zirkuliert nur
so viel Hydrauliköl, wie zur Übertragung der am Rammgut umgesetzten
Leistung erforderlich ist. Der Druck stellt sich dabei im oberen zulässigen
Bereich ein.
Bild 3: Effekt des ABI Efficiency Drive I [I].
Bei Baustellenversuchen wurden Doppelbohlen PU 12 mit 5,5 m Länge
abwechselnd mit zwei 470 kW Maschinen gerammt. Eine der Maschinen
war mit der neuen Steuerung ausgestattet. Aufgrund der extrem schweren
Bodenverhältnisse wurde vorgebohrt. Im Diagramm in Bild 3 sind Ver-
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brauchswerte pro Diele dargestellt. Die beiden Linien dienen nur der Ver-
deutlichung der Unterschiede.
Auf dieser Baustelle wurde durch den Einsatz der neuen Steuerung ein
Vorteil von etwas mehr als einem Liter Diesel pro Diele realisiert. Bei gu-
ter Organisation und reibungslosem Baustellenablauf konnten etwa 10 bis
14 Dielen pro Stunde eingebracht werden.
Die neue Steuerung wird in verschiedenen Versionen angeboten. Wäh-
rend der Efficiency Drive I ausschließlich hydraulische Verluste mini-
miert, wird beim Efficiency Drive II wird auch die Dieselmotordrehzahl
angepasst. Dabei wird der Betriebspunkt des Dieselmotors optimiert, die
Pumpen weniger zurückgeschwenkt.
Das Potential, dass der Efficiency Drive II erschließt, wird in Bild 4 deut-
lich. Das Motorkennfeld [2] zeigt den spezifischen Kraftstoffverbrauch in
g/kWh in Abhängigkeit von Drehzahl und Drehmoment. Überlagert wird
das Kennfeld durch mehrere Hyperbeln, die Kupplungsleistungen ange-
ben, die aus Drehzahl und Drehmoment resultieren. Besonders im unte-
ren Teillastbereich ist der Einfluss der Dieselmotordrehzahl auf den Ver-
brauch erheblich.
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Bild 4: Möglichkeiten der Effizienzsteigerung Drehzahlanpassung beim Dieselmotor
[I].
4.3.4 Allgemeine Möglichkeiten zur Steigerung der
Maschineneffizienz
Unabhängig von Steuerungskonzepten wie Efficiency Drive I oder II ist
eine Reduzierung der hydraulischen Verlustleistung immer eine Option
zur Steigerung der Maschineneffizienz.
Bei ABI wurden in den letzten Jahren verschiedene Maßnahmen ergriffen,
um die Maschineneffizienz zu steigern. Bei den modernsten Maschinen
TM 22 und TM 17 wurden diese serienmäßig umgesetzt:
• die Maschinen verfügen über sechs statt vier Arbeitsleitungen,
• der Maximaldruck ist auf 330 Bar eingestellt,
• durch Verwendung anderer hydraulischer Baugruppen und zusätzli-
cher optimierender Steuerung konnten die hydraulischen Verluste
minimiert werden.
Der letzte Punkt wurde bislang nur an einer Versuchsmaschine realisiert.
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Das Diagramm in Bild 5 zeigt den spezifischen Verbrauch in l/kWh hyd-
raulische Leistung als Funktion der hydraulischen Leistung am Vibrator
für vier und sechs Arbeitsleitungen bei unterschiedlichen Steuerkonzep-
ten. Gemessen wurde an einer TM 17, wobei für eine Messung zwei Lei-
tungen abgeklemmt wurden. Sowohl die größere Zahl von Arbeitsleitun-
gen als auch die Steuerungen Efficiency I und II ermöglichen deutliche
Steigerungen der Maschineneffizienz.
Bild 5: Optimierung der Maschineneffizienz [I].
4.4 Einflussmöglichkeiten auf die Prozesseffizienz
Die Prozesseffizienz wird maßgeblich von den Parametern Schwingweite,
Drehzahl und Vorspannung bestimmt, wobei hier dem Wissen und der
Erfahrung des Maschinenfahrers eine große Bedeutung zukommt.
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Bild 6 zeigt gemessene Vortriebsgeschwindigkeiten als Funktion von
Schwingweite und Vibratordrehzahl. Der Baugrund bestand aus aufge-
schüttetem Schotter mit vielen Feinanteilen. Alle drei Vibratoren wurden
am gleichen Trägergerät betrieben. Die Darstellung zeigt, dass sich die
Vortriebsgeschwindigkeit mit größerer Schwingweite deutlicher steigern
lässt als mit hoher Drehzahl. Interessanterweise war die Leistungsaufnah-
me des MRZV 18S am geringsten, die Effizienz entsprechend hoch. In
bindigen Böden ist dieser Effekt oft zu beobachten. Hier erreichen VV-
Vibratoren, die bei reduzierter Drehzahl größere Schwingweiten realisie-
ren, eine deutlich höhere Prozesseffizienz.
Bild 6: Vortriebsgeschwindigkeit in Abhängigkeit von Drehzahl und Schwingweite [I].
In diesem Zusammenhang soll auf einen neu entwickelten Vibrator hin-
gewiesen werden. Nach etwa vier Jahren Marktpräsenz wird der sehr ver-
breitete MRZV 24VV von seinem Nachfolger, dem MRZV 28VV, abge-
löst. Wesentliche Kennwerte der beiden Vibratoren sowie der
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Vorgängermodelle werden in Bild 7 tabellarisch gegenübergestellt. Zum
Vergleich sind zwei Modelle der großen Baureihe aufgeführt.
Die Entwicklung zu immer größeren statischen Momenten bei möglichst
niedriger dynamischer Masse wurde mit dem MRZV 28VV konsequent
weitergeführt. Dementsprechend erreicht der Vibrator deutlich größere
Schwingweiten und ermöglicht Rammarbeiten, die mit den Vorgänger-
modellen nicht realisierbar waren. Ein Vergleich der Schwingweiten ist
dem Diagramm in Bild 8 zu entnehmen.
Bild 7: Kennwerte der Vibratoren der mittleren Baureihe im Vergleich [I].
Bild 8: Schwingweite der Vibratoren der mittleren Baureihe [I].
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Bildnachweis
[I] Alle Abbildungen © ABI Maschinenfabrik und Vertriebsgesellschaft mbH.
Literatur
[1] Zeppelin Power Systems GmbH & Co. KG, Zeppelinstraße 2 a, D-28832 Achim.
Ansprechpartner
Dr.-Ing. Albrecht Kleibl
ABI Maschinenfabrik und Vertriebsgesellschaft mbH
Abt. Forschung und Entwicklung
Am Knückel 4
D-63843 Niedernberg
Tel.: +49 (0) 6028 123-101, -102
Fax: +49 (0) 6028 123-109
E-Mail: akleibl@abi-gmbh.de
www.abi-gmbh.de
Dieser Aufsatz ist Teil des folgenden Sammelbandes:
Innovationen im Spezialtiefbau : Fachseminar am 05. Dezember 2013 an
der Technischen Universität Berlin. – Hrsg.: Bernd Kochendörfer. -
(Bauwirtschaft und Baubetrieb : Berichte ; 2). –
Berlin: Universitätsverlag der TU Berlin, 2013
ISBN 978-3-7983-2663-7 (print)
ISBN 978-3-7983-2664-4 (online)
URN urn:nbn:de:kobv:83-opus4-44427
[http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:83-opus4-44427]
