Kompaktasphalt Mischgutlogistik für kontinuierlichen Einbau

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1 Kompaktasphalt Mischgutlogistik für kontinuierlichen Einbau Dipl.-Ing. Jörg Monecke, Dr.-Ing. Peter Petrov und Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Poppy, Magdeburg 1 ) 1 ) Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg; Fakultät für Maschinenbau; Institut für Förderund Baumaschinentechnik, Stahlbau, Logistik; Lehrstuhl für Baumaschinentechnik Zusammenfassung: Für den Asphaltstraßenbau wird die neue Technologie des Kompaktasphalts erprobt, bei der die beiden oberen Straßenbeläge Binder- und Deckschicht unmittelbar nacheinander heiß auf heiß eingebaut werden. Durch die gute Verzahnung der beiden Beläge und die längere Walzbarkeit des Schichtenverbundes nach dem Einbau mit dem Straßenfertiger werden die Standzeiten der Straßen erhöht. Die kontinuierliche Mischgutversorgung eines Kompaktasphaltstraßenfertigers für den gleichzeitigen Einbau von zwei Asphaltgemischen erfordert den Einsatz eines Beschickungssystems zwischen den Lieferfahrzeugen und dem Straßenfertiger. Mit herkömmlichen Beschickern gelingt es nicht zuverlässig, den Materialfluss so zu gestalten, dass die Bunker des Straßenfertigers für das Binder- und das Deckschichtmaterial stets hinreichend gefüllt sind und keine Einbaustopps auftreten. Die Automatisierung des Beschickerprozesses setzt eine genaue Analyse aller Füllund Entleerprozesse als Grundlage für die Entwicklung einer den gesamten Einbauzug (LKW, Beschicker, Fertiger) umfassenden Mischgutlogistik voraus. 1 Problem und Aufgabe Beim konventionellen Einbau von Asphalt werden die beiden oberen Schichten der Straßenkonstruktion die Binder- und die Deckschicht in zwei getrennten Arbeitsgängen verlegt (Bild 1, links). Die Deckschicht wird auf der verdichteten und abgekühlten Binderschicht eingebaut. Hier durchläuft das Mischgut folgendes Materialflusssystem: - Ein Lkw übergibt das Mischgut in den Aufnahmebunker des Fertigers. - Vom Fertigerbunker wird das Material mit einem Kratzerförderer in Längsrichtung zur Einbaubohle gefördert. - Vor der Einbaubohle sind Verteilerschnecken angeordnet, die das Mischgut über die Einbaubreite verteilen. Die Einbaubohle baut das Mischgut ein und verdichtet es. Die vom Auftraggeber geforderte Enddichte wird mit Walzen hinter dem Fertiger erreicht. Die konventionelle Technologie ist durch folgende Merkmale gekennzeichnet: - Der Fertiger verarbeitet jeweils ein Mischgut. - Der Fertiger ist mit einem Aufnahmebunker und mit einer Einbaubohle ausgerüstet. - Das Mischgut wird in gleichbleibenden Teilmengen per Lkw zur Einbaustelle geliefert. Auf Grund wachsender Forderungen an die Qualität der Straßenkonstruktion bei gleichzeitiger Reduzierung der Baukosten und -zeiten wurde die Kompaktasphaltbauweise entwickelt,

2 bei der, im Gegensatz zur konventionellen Technologie, die Binderschicht und die Deckschicht in einem Arbeitsgang heiß auf heiß verlegt werden (Bild 1, rechts). Konventioneller Asphalteinbau Kompakt-Asphalt Deckschicht 3,5 4 cm Binderschicht 4 8 cm Deckschicht 2 2,5 cm Binderschicht 6 10 cm Tragschicht 8 22 cm Tragschicht 8 22 cm Bild 1: Asphaltbauweisen im Vergleich [1] Die neue Technologie des Kompaktasphalts bedarf auch neuer technischer Lösungen für den Einbau [2]. Eine solche Lösung stellt der von der Hermann Kirchner GmbH entwickelte Kompaktaspaltfertiger dar. Im Gegensatz zum konventionellen Fertiger ist der neue Fertiger mit zwei Aufnahmebunkern und zwei Einbaubohlen ausgerüstet (Bild 2). 1 Beschicker mit Aufnahmebunker 2 Bunker für Binderschichtmaterial 3 Bunker für Deckschichtmaterial 4 Hochverdichtungs-Bohle zum Einbau der Binderschicht 5 Hochverdichtungs-Bohle zum Einbau der Deckschicht Bild 2: Einbauzug der Firma Kirchner mit Kompaktmodulfertiger und Beschicker [1]

3 Der Fertiger wird mit einem Beschicker kombiniert, der ihn wechselweise mit Binder- und Deckschichtmischgut befüllt. Das zum Herstellen der Binder- bzw. Deckschicht verwendete Mischgut wird im Weiteren verkürzt als Binder bzw. Decke bezeichnet. Beim Einbau von Kompaktasphalt durchläuft das Mischgut vom Lieferfahrzeug zur Einbaubohle folgendes Materialflusssystem (Bild 2): - Fahrzeuge liefern sequenziell bestimmte Mischgutmengen Binder bzw. Decke zur Einbaustelle und übergeben diese in den Aufnahmebunker des Beschickers (Pos. 1). - Der Beschicker fördert das jeweilige Mischgut per Gurtband zum entsprechenden Fertigerbunker (Pos. 2 oder 3). So werden die Fertigerbunker abwechselnd chargenweise gefüllt. - Die Mischgüter werden gleichzeitig in Abhängigkeit vom Materialbedarf an den Bohlen kontinuierlich aus den Bunkern abgezogen und eingebaut (Pos. 4 und 5). Für einen kontinuierlichen Einbauprozess muss der Materialfluss so gestaltet werden, dass die Fertigerbunker für Binder und Decke stets hinreichend gefüllt sind und keine Einbaustopps auftreten. Das Beschicken mit zwei Mischgütern kann in der Praxis bisher nur durch geschicktes Improvisieren gelöst werden. Deshalb wurde im Rahmen einer Forschungsarbeit der Materialfluss beim kontinuierlichen Einbau von Kompaktasphalt vom Lkw über den Beschicker zum Fertiger untersucht und, basierend auf einer Analyse der Füll- und Entleerprozesse im Einbauzug, ein Simulationsprogramm in LabVIEW erstellt [3, 4]. 2 Simulationsprogramm für die Mischgutlogistik Das Simulationsprogramm besteht aus drei Modulen (Bild 3). Die einzelnen Module sind über ihre Ein- und Ausgabedaten untereinander in Form einer Programmkette verknüpft und werden rechnerintern aktiviert. Die für die Berechnung erforderlichen Datensätze werden auf zweierlei Weise erzeugt. Zum einen werden Daten manuell eingegeben, zum anderen wird auf bereits aufgebaute und gespeicherte Datensätze zurückgegriffen. Die in Bild 3 dargestellte Programmstruktur läßt eine offene Variantenoptimierung zu, weil die Eingabedaten offene Größen darstellen, die in den Grenzen bestimmter Bereiche variiert werden können. So entsteht eine Oberfläche, auf der der Nutzer die optimale Lösung durch iterative Verbesserung erreicht. Die Datenausgabe besteht aus Berechnungsergebnissen und aus den Verläufen der Füllstände in den Fertigerbunkern als Grafik und als numerische Anzeige. Der Mischgutbedarf an den beiden Bohlen wird in Abhängigkeit von der Schichtengeometrie (Einbaubreite, Dicke der Binderschicht, Dicke der Deckschicht), den Mischgutdaten und der Einbaugeschwindigkeit des Straßenfertigers ermittelt. Unter Beachtung der technischen Parameter der Maschinen des Einbauzugs (Lkw-Füllungen, Lkw-Wechselzeiten, Fördermengen und Bunkergrößen) werden die Füllstände in den Fertigerbunkern errechnet und dargestellt.

4 S T A R T I T E R A T I O N E N Modul 1: Schichtengeometrie / Mischgutdaten und Fertigerparameter Modul 2: Beschicker- und Lkw-Parameter Modul 3: Darstellen / Überwachen des Materialflusses Ergebnis befriedigend? nein ja S T O P P Bild 3: Programmstruktur für die Mischgutlogistik bei Kompaktasphalt Bild 4: Mischgutlogistik Oberfläche zum Modul 1 Vom Modul 1 werden Daten verarbeitet, die für die Mischgutlogistik von Bedeutung sind (Bild 4). In der Praxis werden die geometrischen Daten der Asphaltschichten (Einbaubreite, Dicke Binder, Dicke Decke, ggf. Kantenschräge) vom Auftraggeber festgelegt. Die Volumina

5 der Fertigerbunker sind konstruktiv vorgegeben und hängen von der Größe des eingesetzten Fertigers ab. Die Mischgutdaten werden von den Mischgutarten und von konkreten Mischgutrezepturen bestimmt. Das Fassungsvermögen der Fertigerbunker für Binder und Decke wird in diesem Modul aus dem Bunkervolumen, dem Füllungsgrad und der Mischgutdichte im Lieferzustand (lose) berechnet und ausgegeben. Vom Modul 2 werden zunächst die technischen Parameter des Beschickers (Fassungsvermögen, Massendurchsatz und Bunker-Wechselzeit) verarbeitet (Bild 5). Das Fassungsvermögen und der maximale Massendurchsatz des Beschickers sind ebenfalls konstruktiv vorgegeben und hängen von der Größe des eingesetzten Beschickers ab. Die Bunker-Wechselzeit des Beschickers umfasst die Zeit, die der Beschicker zum Positionieren vor dem jeweiligen Fertigerbunker benötigt. Die Größe der Lieferfahrzeuge und deren Füllung mit Binder oder Decke hängt vom verfügbaren Fuhrpark und vom Materialbedarf ab. Die Analyse der Mischgutlogistik beim Kompaktasphalt ergab im Gegensatz zum konventionellen Asphalteinbau, dass die Fahrzeugfüllungen für Binder und Decke unterschiedlich sein müssen. Deshalb wird hier die Lkw-Füllung mit Binder vorgegeben und die Lkw-Füllung mit Decke berechnet und ausgegeben. Die Lkw- Wechselzeit wird als Summe aus der Fahrzeit im Baustellenbereich und der Rangierzeit zum Positionieren des Lkw s vor dem Beschicker festgelegt. Bild 5: Mischgutlogistik Oberfläche zum Modul 2 Die Mischgutlogistik beginnt vor dem Einbaustart mit der Übergabe der ersten Lkw-Füllung an den Beschicker. Im Modul 3 werden die minimalen Füllstände der Fertigerbunker rechnerintern überwacht, die nicht unterschritten werden dürfen (Bild 6). Am Ende jeder Einbauphase werden die Werte der tatsächlichen Füllstände mit den Werten der minimalen Füllstände verglichen. Im Fall einer Unterschreitung wird die Simulation mit entsprechender Mitteilung abgebrochen.

6 Die Berechnungen im Modul 3 beziehen sich auf die Füllstände als Funktion entweder der vorgegebenen oder der rechnerintern ermittelten Einbaugeschwindigkeit. Bild 6: Mischgutlogistik Oberfläche zum Modul 3 Der rechnerinternen Ermittlung der Einbaugeschwindigkeit und der Prozesssimulation wurde eine 12-stündige Kontinuität zu Grunde gelegt. Neben der Kontinuität des Materialflusses im Einbauzug interessieren für Bauplanungszwecke die eingebauten Mengen an Binder und Decke, die Einbaulänge sowie die Anzahl der Lieferfahrzeuge, die hier berechnet und ausgegeben werden. Die Simulation der Bauabläufe kann wahlweise mit erhöhten Geschwindigkeiten abgerufen werden (Bild 6, links unten). Mit dem grafischen Simulationsprogramm sind erste Schritte zur Automatisierung der Materialversorgung und zur Ermittlung von Vorgabedaten für die Bauablaufplanung für die Kompaktasphaltbauweise gelungen. Die Untersuchungen wurden durch die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) gefördert. Schrifttum [1] Innovationen im Verkehrswegebau. Prospekt der Hermann Kirchner GmbH & Co KG Bauunternehmung, Erfurt [2] Richter, E.; Dietrich, W.: Kompaktasphalt eine Bauweise der Zukunft, Bitumen 59 (1997) 3, S [3] Rahman, J.; Krauss, Ph.: LabVIEW: Das Grundlagenbuch; Programmierung, Messund Regeltechnik. München: Prentice Hall, 1998 [4] Dahn, H-G.: Praxisbuch LabVIEW 3: professionell messen, steuern, regeln, simulieren mit Hilfe graphischer Objekte. Vaterstetten bei München: IWT-Verlag, 1993