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Verfahren und Vorrichtung zum Erleichtern des durch die Schwerkraft bedingten Fliessens eines fliessfähigen Stoffes gegenüber einem Fliessweg
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erleichtern des durch die Schwerkraft bedingten Fliessens eines fliessfähigen Stoffes gegenüber einem Fliessweg, und eine Vorrichtung zum Ausüben dieses Verfahrens.
Unter einem fliessfähigen Stoff oder einem"Fluid"'soll im Zusammenhang mit der nachfolgenden Beschreibung nicht nur eine Flüssigkeit, sondern auch Schüttgut verstanden werden. Das Problem, das durch die Schwerkraft bedingte Fliessen eines fliessfähigen Stoffes zu erleichtern, ergibt sich beispielsweise bei Förderern, Einfülleinrichtungen od. dgl., weil hiebei meist Schwierigkeiten auftreten, die einerseits durch die zwischen den Stoffteilchen selbst und anderseits zwischen diesen Teilchen und dem Fliessweg auftretende Reibung verursacht werden und darin bestehen, dass das Fliessen des Stoffes durch die Kohäsion der Teilchen und ihre Adhäsion bezüglich des Fliessweges erheblich behindert wird.
Es sind bereits verschiedene Verfahren angewendet worden, um diese Schwierigkeiten zu beheben.
Dabei wurde jedoch stets der Förderer od. dgl. als Ganzes geschüttelt und durch Schwingungen niedriger Frequenz in Bewegung versetzt, um die Teilchen loszuschütteln. Diese Vorgangsweise verringert zwar die erwähnten Schwierigkeiten etwas, führt aber selten zum gewünschten Ergebnis, wobei überdies die den Fliessweg umgebenden Einrichtungen durchgerüttelt werden, so dass sich Teile derselben ablösen können.
Die Erfindung zielt darauf ab, dem fliessfähigen Medium einen hohen Grad an Fluidität zu erteilen, indem die Reibung zwischen den Teilchen selbst und zwischen den Teilchen und dem Fliessweg so weit herabgesetzt wird, dass sich die Stoffteilchen so verhalten, als befänden sie sich im freien Raum, wo nur die Schwerkraft auf sie einwirkt.
Dies wird erfindungsgemäss bei einem Verfahren der einleitend angegebenen Art dadurch erreicht, dass ein schnelle Schwingungen erzeugender Schwingungsgenerator mit dem fliessfähigen Stoff und/oder mit dem Fliessweg gekoppelt und die Frequenz dieses Schwingungsgenerators im Sinne der Anregung..' einer Resonanzschwingung im fliessfähigen Stoff und/oder im Fliessweg eingestellt wird.
Durch die Schwingungen im Fliessweg und/oder im fliessfähigen Medium bzw. durch die infolge dieser Schwingungen bei Resonanz erzeugten hohen Beschleunigungen wird ein hoher Grad an Fluidität erreicht, wie er bisher nur mit grossen Schwierigkeiten, wenn überhaupt, erzielt werden konnte, beispielsweise dadurch, dass bei einem bekannten Verfahren eine federnd abgestützte konzentrierte Masse in Vibrationsbewegung versetzt wird, und dabei das Gesamtsystem auf Resonanz abgestimmt wird. um die Schwingungsbewegung der Masse auf eine möglichst hohe Amplitude zu bringen. Die Masse wird dabei aber als Ganzes in Schwingungen versetzt, so dass bei diesem bekannten Verfahren in der Masse nur variierende kinetische Energie vorliegt, wobei keine Erregung von Resonanzschwingungen des in Vibration versetzten Körpers stattfindet.
Nach einem andern bekannten Verfahren wird ein Tauchkörper samt Vibrationsgenerator in Schüttgut eingetaucht und mittels des Tauchstückes werden Vibrationsstösse in das Schüttgut eingeführt. Es werden hiebei jedoch im Schüttgut oder im Tauchkörper selbst keine Resonanzschwingungen erzeugt.
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Durch die beschriebene Erzeugung von Resonanzschwingungen im fliessfähigen Medium und/oder im Fliessweg geht die Erfindung vorteilhaft über die bekannten Verfahren hinaus.
Die Erfindung ermöglicht es auch, die Schwingungsenergie dazu zu verwenden, bei einem Umwandlungsprozess eines Fluids in ein festes Material das Endprodukt zu verbessern. Ferner kann mit Hilfe der Erfindung der Grad der Verfestigung eines vom flüssigen in den festen Zustand übergehenden Fluids gesteuert werden.
Eine gemäss der Erfindung ausgebildete Vorrichtung zum Ausüben des erfindungsgemässen Verfahrens ist gekennzeichnet durch einen Schwingungsgenerator für schnelle Schwingungen, eine Kopplungseinrichtung zum Verbinden des Schwingungsgenerators mit einem der einen Fliessweg bildenden Bauteile und eineAntriebseinrichtung für den Schwingungsgenerator, so dass in einem der den Fliessweg bildenden Bauteile eine Resonanzschwingung anregbar ist, wodurch das fliessfähige Material in Schwingungen versetzt und die Reibung zwischen den Teilchen des Materials und zwischen den Teilchen und den Wandungen des Fliessweges verringert wird.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend an Hand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen Fig. l einen Schnitt durch eine erste Ausführungsform gemäss der Erfindung zur Verbesserung der Strömungsfähigkeit von Schüttgut ; Fig. 2 die perspektivische Ansicht einer Schüttrinne ; Fig. 3 die teils geschnittene Seitenansicht einer Tauchbeschichtungsanlage ; Fig. 4 die erfindungsgemässe Vorrichtung bei ihrer Anwendung in einer Giessanlage ; Fig. 5 eine abgewandelte Ausführungsform der Schwingungszuführung zu der in der Fig. 4 dargestellten Giessform ; Fig. 6 die Anwendung der Erfindung bei einer Brammengiessform ; Fig. 7 die in der Fig. 6 dargestellte Vorrichtung in perspektivischer Ansicht ;
Fig. 8 einen Schnitt durch eine Giessform, in welcher die Schwingungsenergie dem Gussstück mit Hilfe eines Tauchstabes zugeführt wird ; Fig. 9 die erfindungsgemässe Vorrichtung im Zusammenhang mit einer Spritzform ; Fig. 10 die Anwendung der Erfindung beim Betongiessen mit Hilfe einer Gleitschalung ; Fig. 11 die Anwendung der Erfindung beim Giessen von Strassenplatten aus Beton mit Hilfe einer Gleitschalung ; Fig. 12 die perspektivische Ansicht des bei der Vorrichtung nach Fig. 11 verwendeten Schwingungsgenerators ; Fig. 13 einen Querschnitt durch einen druckluftgetriebenen Schwingungsgenerator mit umlaufender Masse, wie er in den erfindungsgemässen Vorrichtungen angewendet wird, und Fig. 14 einen Schnitt durch den Generator entlang der Linie 14-14 in Fig. 13.
Um das Verständnis für die Wirkungsweise der erfindungsgemässen Vorrichtung zu erleichtern, ist es dienlich, Vergleiche zwischen elektrischen Resonanzkreisen und mechanischen Resonanzkreisen anzustellen. Derartige Vergleiche sind dem Fachmann wohl bekannt und z. B. in Kapitel 2 des Buches "Sonics" von Hueter und Bolt, Verlag John Wiley and Sons [1955], beschrieben.
Bei derartigen Gegen- überstellungen ist die Kraft --F-- gleich der Spannung --E-- im elektrischen System ; die Schwingungsgeschwindigkeit --u-- entspricht dem Strom --i--; die mechanische Federung --Cm-- wird der Kapa- zität-Ce--gleichgesetzt. Die Masse-M-entspricht der elektrischen Induktivität--L--, und der mechanische Widerstand (etwa die Reibung)-Rm"'entspricht dem elektrischen Widerstand --R--. Die mechanische Impedanz-Zm--ist der elektrischen Impedanz ¯¯Ze¯¯ vergleichbar. Wenn also ein Teil
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Maximum und der Leistungsfaktor ist l ; ausserdem wird die Schwingungsenergie dem zu Schwingungen angeregten Teil mit grösstmöglicher Wirksamkeit zugeleitet.
Derartige Resonanzbedingungen mit hohem Wirkungsgrad werden bei den elastischen Systemen, die bei der Erfindung verwendet werden, vorzugsweise angewendet, um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen.
An Hand der Gleichung (1) ist festzustellen, dass die Geschwindigkeit --u-- der Schwingung am grössten ist, wenn die Impedanz-Zj--ihren niedrigsten Wert hat, und umgekehrt. Eine Belastung mit
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hohem Impedanzwert schwingt also mit verhältnismässige geringer Geschwindigkeit, und umgekehrt.
An der Berührungsfläche zwischen Teilen mit hohen und niedrigen Impedanzwerten erhält man also in- folge der schlechten Impedanzanpassung grosse relative Bewegung, wie das bereits von elektrischen
Kreisen her bekannt ist, so dass an diesen Stellen starke Reflexion auftritt. Eine derartige schlechte An- passung zwischen der Leitung und dem darin fliessenden Material kann dazu verwendet werden, das Ma- terial von der Leitung zu lösen, so dass der Reibwert zwischen den beiden Teilen sehr gering ist.
Wie die Resonanzschärfe von elektrischen Schwingkreisen, die mit dem Wert-Q--bezeichnet wird und den Verhältniswert von gespeicherter Energie zu verbrauchter Energie je Schwingung ver- körpert, so ist auch in mechanischen Resonanzschwingkreisen der Gütefaktor--Q--von grosser Bedeutung, und er ist der Quotient aus --wM und R-. So kann durch entsprechende Bemessung des mechanischen Resonanzschwingkreises, so dass er einen hohen Gütefaktor-Q--aufweist, bei hohem
Wirkungsgrad eine beträchtliche Schwingbewegung erzielt werden.
Von erheblicher Bedeutung bei den erfindungsgemässen Vorrichtungen und Verfahren ist die hohe
Beschleunigung, die mit Hilfe von Schwingungen in Teilen der elastischen Resonanzschwingkreise erzeugt werden kann. Der Wert der Beschleunigung von schwingenden Massen ist von dem Produkt aus dem
Quadrat der Frequenz und der Amplitude der Schwingung abhängig. Dies kann auf folgende Weise ge- zeigt werden :
Die Verschiebung --y-- in jedem Augenblick einer nach einer Sinusfunktion schwingenden Masse ist durch die Gleichung (2) y = Ycos wt gegeben, worin Y die maximale Verschiebung während einer Schwingung und w das 27r fache der
Schwingungsfrequenz-f-- ist.
Die Beschleunigung--a-- kann durch zweimalige Differentiation der Gleichung (2) gewonnen werden :
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Die Beschleunigung --a-- ist also eine Funktion des Produktes Y X (27r rl. Bei Resonanz ist-Y- ein Maximum, so dass sich bei entsprechend hohen Frequenzen sehr hohe Beschleunigungswerte ein- stellen.
Bei Betrachtung der Gleichung (l) müssen mehrere Faktoren im Auge behalten werden. Zunächst sind in der Gleichung der gesamte wirksame Widerstand, die Masse und die Federkraft eines mechani- schen Schwingkreises erfasst, und diese Grössen sind im allgemeinen über das ganze schwingfähige
System verteilt und nicht als punktförmig konzentrierte Grössen an einer Stelle vorhanden. Zweitens gehört zu dem schwingenden System oft nicht nur die Leitung, sondern auch die umgebenden Teile und das Fluid selbst. So kann es wünschenswert sein, dem schwingfähigen System Teile mit hauptsächlich
Federkraft --Cm-- oder Masse --M-- hinzuzufügen, um einen oder mehrere der Grössen abzugleichen und so einen Resonanzschwingkreis zu erzeugen.
Wenn in dem Verfahren ein Fluid auftritt, das sich während der Behandlung verfestigt, wodurch sich seine Eigenschaften ändern, wird das schwingfähige
System am besten durch die "Einrast"-Eigenschaften eines Schwingungsgenerators mit umlaufender
Masse auf seinem Resonanzwert gehalten. Nach diesen grundlegenden Betrachtungen werden jetzt die
Figuren, die einzelne Ausführungsformen der Erfindung darstellen, für sich betrachtet.
In der Fig. 1 ist ein Zuführtrichter für Schüttgut dargestellt. Der Behälter --11-- ist mit Schütt- gut --12-- gefüllt, das durch die eingezogene Öffnung --15-- auf seiner Unterseite ausströmt. Eine derartige Vorrichtung kann z. B. zur Versorgung von keramischem Rohmaterial bei der Herstellung von
Porzellanisolatoren Verwendung finden. Normalerweise haftet das Schüttgut, besonders dann, wenn es feucht ist, an den Seitenwänden des Behälters --11--, und die Teilchen selbst verkleben ausserdem mit- einander.
Wird nun ein Schwingungsgenerator --16-- mit umlaufender Masse mit einem derartigen Be- hälter über eine Kopplungseinrichtung --17-- schwingungsmässig gekoppelt und mit einer Frequenz an- getrieben, welche den Behälter --11-- in Resonanzschwingungen versetzt, werden die Teilchen von den
Wänden gelöst, so dass sie frei fliessen und die Durchflussmenge gesteuert werden kann. Der Schwingungs- generator --16- ist vorzugsweise von der Art, wie er in der Beschreibung in Zusammenhang mit den
Fig. 13 und 14 noch näher erläutert wird. Es genügt hier auszuführen, dass in ihm ein pneumatisch
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getriebener, exzentrisch laufender Rotor --18-- vorhanden ist, welcher den Behälter --11-- in Längsund Querschwingungen versetzt.
Es muss noch erwähnt werden, dass ein derartiger, mit umlaufender Masse arbeitender Schwingungsgenerator in die Resonanzfrequenz des schwingfähigen Systems in Tritt zu fallen versucht, so dass sich die Generatorfrequenz bei Belastungsänderungen, die z. B. durch den unterschiedlichen Füllgrad des Trichters bedingt sind, verändert, so dass stets Resonanzbedingungen herrschen.
Bei Resonanz werden im Behälter --11-- stehende Wellen erzeugt.
In der Fig. 2 ist die Verwendung eines Schwingungsgenerators mit umlaufender Masse bei einer Schüttrinne, z. B. einer Getreideschüttrinne, dargestellt. Die Getreideschüttrinne --20-- ist auf biegsamen Blöcken --21-- gelagert. Am Boden der Rinne --20-- ist ein Schwingungsgenerator --16-- mit umlaufender Masse befestigt, der demjenigen aus der Fig. 1 entspricht. Die Frequenz des Generators - wird so gewählt, dass in der Schüttrinne --20-- Resonanzschwingungen auftreten, die entlang ihrer Längsachse eine stehende Welle --23-- erzeugen. Das Schüttgut --25-- fliesst infolge der Schwingungen mit geringstmöglicher Reibung die Rinne hinab. Mehrere grundlegende Vorteile sind mit einer derartigen Schüttrinne, wie sie in der Fig. 2 gezeigt ist, verbunden.
Zunächst ist infolge der freien Strömung ein wesentlich kleinerer Neigungswinkel der Schüttrinne --20-- möglich, ohne dass dadurch das Schüttgut ungleichmässig strömt. Dadurch wird die Mechanisierung der Schüttrinne erleichtert, und das Schüttgut braucht am Anfang der Rinne nicht so weit angehoben zu werden. Weiter kann bei derartig geringer Neigung die Schwingantriebsvorrichtung als eine Art Steuerventil benutzt werden. Die Strömung des Schüttgutes kann erheblich verringert oder gar ganz unterbrochen werden, indem einfach der Schwingungsgenerator --16-- weniger angetrieben wird, und sie kann wieder in Gang gebracht werden, wenn der Generator sich wieder in Bewegung setzt.
Die Strömungsgeschwindigkeit kann auch damit beeinflusst werden, dass die Umlaufgeschwindigkeit des Schwingungsgenerators geändert wird, was von einer maximalen Strömung bei Resonanzfrequenz zu einer geringeren Strömung führt, wenn der Generator von der Resonanzfrequenz des Systems abweicht.
Bei den Ausführungen gemäss den Fig. l und 2 wird das Verbacken verhindert, so dass sich das Schüttgut wie körniges Material verhält. Infolge der schlechten Anpassung zwischen dem Schüttgut und den Wänden des Strömungskanals tritt an dieser Stelle hohe Relativbewegung auf, so dass die Reibung an den Berührungsflächen weitgehend vermindert ist. Mit Hilfe der Erfindung ist der Einsatz derartiger, auf Schwerkraft beruhender Schütteinrichtungen auch dort noch möglich, wo nur ein sehr geringer Neigungswinkel zur Verfügung steht, z. B. für die Entleerung sehr flacher Tanks u. dgl.
Bei senkrecht stehenden Vorrichtungen mit verengter Ausflussöffnung, wie eine in der Fig. 1 dargestellt ist, kann die Frequenz des Schwingungsantriebes und auch die Amplitude soweit verändert werden, dass dadurch die Durchflussmenge wie mit Hilfe eines Schiebers oder Ventils gesteuert wird.
Wenngleich der exakte Grund für die sich mit Hilfe der schnellen Schwingungen gemäss der Elfindung einstellende Fliesswirkung noch nicht vollkommen erforscht ist, vertreten Fachleute die Meinung, dass die einzelnen, unregelmässigen Körner infolge der Anregung durch die Schwingungsenergie einzeln für sich mit etwa bestimmtem Radius nach allen Seiten schwingen, wobei zwar die Richtung, jedoch nicht die Grösse der Schwingungsweite wechselt. Derartige wirre Schwingungen führen dazu, dass sich die Teile voneinander lösen und nicht an andern oder an der Seitenwand anhaften können, so dass sie strömen können, als wären sie nur der Schwerkraft ausgesetzt. Ein derartiges Ergebnis wird mit Hilfe der schnellen Schwingungen erhalten werden, die in einem Resonanzsystem gemäss der Erfindung auftreten.
Bei Verwendung der langgestreckten Schüttrinne --20-- in der Fig. 2 ist es wünschenswert, Resonanz-Längsschwingungen --23-- zu erzeugen. Dadurch wird an der Berührungsfläche der Leitung mit dem Schüttgut eine Scherkraft hervorgerufen. Bei derartiger Resonanzform wird bei nur geringer Abnahme der Schwingungsamplitude eine energiereicheSchwingung in der gesamten Schüttrinne hervorgerufen.
In der Fig. 3 ist die Anwendung der Erfindung bei einem Tauchbeschichtungsverfahren dargestellt.
Die Erfindung kann sowohl dazu verwendet werden, Metallflächen mit einer Zinnschicht zu überziehen, indem das Metall in eine Lösung oder Schmelze eingetaucht wird, als auch für die Beschichtung mit einem Plastikmaterial. Das Werkstück --30-- wird in die Beschichtungsflüssigkeit --32-- eingetaucht,
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wieder an einem über eine Rolle geführten Seil --36-- aufgehängt ist. An der Klammer --35-- ist ein Schwingungsgenerator --16a-- mit umlaufender Masse befestigt, der von gleicher Art sein kann, wie der in den Fig. 1 und 2 und in den Fig. 13 und 14 gezeigte Generator.
Ein zweiter Schwingungsgenerator -. ttjb-, mit dem ersten gleich, ist am Behälter --33-- befestigt. Der Schwingungsgenerator--16a-- erzeugt eine Frequenz, die im Werkstück --30-- und der Klammer --35-- eine stehende Resonanzwelle
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- erzeugt. Der Schwingungsgenerator --16b-- erzeugt in den Seitenwänden des Behälters --33-- eine stehende Resonanzwelle --41--. Gelegentlich reicht der Schwingungsgenerator --16a-- aus, um das gewünschte Ergebnis zu erzielen, in andern Fällen wieder genügt es, allein mit Hilfe des Schwin- gungsgenerators-16b-- Schwingungen zu erzeugen.
Die Verbindung des Schwingungsgenerators --16a-mit dem Werkstück --30-- über die Halteklammern --35-- ist insbesondere dann von Vorteil, wenn das Werkstück einen hohen Gütefaktor --Q-- besitzt, so dass es in starke Schwingungen gerät.
Durch die Schwingungen wird die Grenzfläche zwischen dem Beschichtungsmaterial-32-und dem Werkstück --30-- infolge der schlechten Anpassung gegenüber dem Beschichtungsmaterial in starke Bewegung versetzt. Dadurch werden Luftblasen und auch Staub und Verschmutzungen, die die Beschichtung verhindern oder negativ beeinflussen würden, von der Oberfläche entfernt. Ausserdem wird durch die starke Bewegung der Teilchen des Beschichtungsmaterials --32-- und der Oberfläche des Werkstückes --30-- das Beschichtungsmaterial sozusagen auf die Fläche geschlagen, so dass es mit ihr in engste Berührung kommt.
Infolge der starken Schwingungsenergie tritt auf der Oberfläche des Werk- stückes --30- Kavita tion auf, so dass Gasreste entfernt werden, wodurch die Benetzung besser ist und unerwünschte Oxydschichten abgelöst werden, was zur Folge hat, dass die Beschichtung des Werkstückes besser ist als ohne Schwingungsanregung.
Die Verwendung eines Schwingungsgenerators mit umlaufender Masse, wie er an Hand der Fig. l. i und 14 beschrieben ist, der seine Ausgangsfrequenz der Belastung anpasst, hat im Zusammenhang mit der Erfindung mehrere Vorteile. Mit zunehmender Beschichtung wird die auf dem Werkstück abgelagerte Schicht dicker, was die Schwingungseigenschaften des Teiles beeinflusst. Dadurch verändert sich
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Resonanzfrequenz an, so dass im Schwingungssystem stets günstigste Bedingungen herrschen.
Handelt es sich um eine Beschichtung mit Plastikmaterial, nimmt für gewöhnlich der Dämpfungsfaktor des Schwingkreises mit zunehmender Schichtstärke erheblich zu. In diesem Fall verändert der Schwingungsgenerator mit umlaufender Masse automatisch die Phasenlage seiner Ausgangsleistung und passt sich damit den geänderten Bedingungen in der Weise an, dass stets die günstigsten Übertragungsverhältnisse für die Schwingungsenergie auf das Werkstück vorhanden sind.
Die Vorrichtung gemäss der Erfindung kann auch dann angewendet werden, wenn ein Werkstück in ein Bett aus körnigem Plastikmaterial eingetaucht wird, wie dies z. B. bei modernen Maltechniken üblich ist. Hiebei ist der Teil oft vorgewärmt und wird dann so warm eingetaucht, so dass das Plastikmaterial sofort daran schmilzt und anhaftet. Die Bewegung durch die Schwingung ist in diesem Fall dazu vorteilhaft, eine grössere Wärmemenge auf das Plastikmaterial übergehen zu lassen, so dass dieses sich schnell als gleichmässige Schicht auf dem Werkstück absetzt. Das Schwingen des Werkstückes trägt auch dazu bei, dass das Material mit dem Werkstück in engen Kontakt kommt, so dass die Beschichtung dauerhaft ist.
In der Fig. 4 ist die Anwendung der Erfindung bei einer Vorrichtung gezeigt, bei welcher Gussstücke in kontinuierlichem Giessverfahren erzeugt werden. Die Anwendung von Schwingungsenergie bei einer derartigen Vorrichtung ermöglicht dies Verfahren, wodurch der Giessvorgang erheblich beschleunigt und die Verwendung von Sandformen bei verschiedenen Metallgiessprozessen entfallen kann. An der Wand der Giessform--40-- ist einSchwingungsgenerator --16-- angebracht. Der Schwingungsgenerator-l (i--
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der Form austritt. Die Schmelze würde normalerweise, bevor sie völlig erhärtet, an der Formwand anhaften und nicht durch die Form hindurchgleiten.
Erst durch Anwendung von Schwingungsenergie, wodurch mit Hilfe des Schwingungsgenerators --16-- in den Wänden der Giessform --40-- eine stehende Resonanzwelle --50-- erzeugt wird, wird das Durchfliessen ermöglicht. So wird die Benetzung der Wand mit Schmelze im Stadium hoher Viskosität der Schmelze infolge der schlechten Anpassung au der Grenzfläche zwischen der Schmelze und den Formwänden weitestgehend herabgesetzt.
Die Durchflussgeschwindigkeit der Schmelze --42-- durch die Form --40-- kann durch entsprechende Einstellung der Energieabgabe des Schwingungsgenerators --16-- genau gesteuert weiden.
Wenn also die Bewegung zu schnell ist, wird die Frequenz des Schwingungsgenerators leicht verändert, so dass sie vom Resonanzwert abweicht und damit die Schwingung schwächer wird. Änderungen der
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Generatorfrequenz führen auch zu verschieden schneller Verfestigung und Abkühlung, und es lässt sich damit die Kristallstruktur des Endproduktes beeinflussen. Durch die Einwirkung der Schwingungen auf den flüssigen Stoff --42-- werden die einzelnen Stoffteilchen bewegt, so dass sie in einem flüssigen Zustand verbleiben. Dadurch ist eine bessere Wärmeübertragung möglich, so dass im gesamten Gussstück eine gleichmässige Temperaturverteilung herrscht.
Zusätzlich wird das Gussstück spannungsfrei. Dadurch ergibt sich ein weitaus besseres Endprodukt mit ebenfalls verbesserter Kristallstruktur. Ausserdem wird durch die Schwingungen die Schmelze entgast und von andern Verunreinigungen gereinigt, die dann auftreten, wenn die Schmelze vom flüssigen in den festen Zustand übergeht. Weitere Vorteile, die mit der Anwendung von Schwingungen beim Giessen zusammenhängen, sind darin zu sehen, dass in einem fortlaufenden Giessprozess Gussstücke komplizierteren Querschnittes gefertigt werden können, dass hochtemperaturfeste Formteile. z. B. aus Kohlenstoff eingefügt werden können, um die Gussstücke in Längsrichtung zu variieren, und dass die Form unter einer Neigung zur Senkrechten betrieben werden kann, so dass eingeschlossenes Gas besser entweicht.
Hier muss noch bemerkt werden, dass eine derartige Vorrichtung und ein derartiges Verfahren nicht nur beim Metallgiessen, sondern auch in andern Anwendungsfällen, z. B. bei der Herstellung von Eis, dem Formen von Plastikteilen, dem Formen von Betonteilen und andern Anwendungsmöglichkeiten, bei welchen eine Flüssigkeit in festen Zustand übergeht, angewendet wird.
Bei allen den beschriebenen Ausführungsformen gemäss der Erfindung ist der Schwingungsgenerator - mit umlaufender Masse besonders geeignet, da er seine Ausgangsleistung den Veränderungen des Gussstückes anpasst, so dass stets die günstigsten Arbeitsbedingungen herrschen. Der in den Fig. 13 und 14 gezeigte Schwingungsgenerator kann besonders vorteilhaft bei hohen Temperaturen angewendet werden, da das treibende Medium den Schwingungsgenerator kühlt.
In der Fig. 5 ist eine andere Verbindung des Schwingungsgenerators --16-- mit der Wand der Giessform --40-- dargestellt. Hier ist der Generator --16-- mit einem schwingfähigen Stab --51-- verbunden, der aus einem Material mit hohem Gütefaktor --Q-- besteht. Der Stab --51-- ist mit den Form- wänden --40-- mittels Klammern --52-- verbunden. Die Verwendung eines derartigen Stabes mit hohem Gütefaktor hat eine sehr wirkungsvolle Übertragung der Schwingungsenergie auf die Formwand zur Folge.
Die Fig. 6 und 7 zeigen die Anwendung der Erfindung bei einer Brammengiessform. Die Schmelze - wird in die Brammengiessform-63-eingegossen. Die Form-63-steht auf einer metallischen Grundplatte --64--, die ihrerseits auf isolierfähigen Trägern --65- ruht. Die Grundplatte --64-- wird mit Hilfe eines Schwingungsgenerators --16-- mit umlaufender Masse, der auf ihr befestigt ist, zu Schwingungen angeregt, wobei der Generator --16-- über eine Leitung --19-- mit Druckluft angetrieben wird. Auch dieser Generator --16-- ist vorzugsweise von der Art, wie er an Hand der Fig. 13 und 14 noch beschrieben wird.
Der Generator --16-- regt die Grundplatte --64-- zu stehenden Biege- schwingungen --67-- an, welche sich auf die Form --63-- und die Schmelze --62-- am Grund der Form fortpflanzen, so dass an den Berührungsflächen zwischen Form und Schmelze Schwingungen auftreten. Wie bei dem bereits an Hand der Fig. 4 beschriebenen Giessvorgang werden die Wärmespannungen im Gussstück beseitigt, Gasblasen und sonstige Einschlüsse ausgeschieden, und es wird für eine gleichmässige Temperaturverteilung gesorgt, so dass die Kristallstruktur verbessert wird, wodurch ein besseres Endprodukt erhalten wird.
Infolge der verschiedenen Schwingung der Grenzflächen zwischen der Giessform --63-- und der Schmelze --62-- wird verhindert, dass der Guss an der Form anhaftet, so dass er nach dem Giessen und Aushärten leicht aus der Form herausgenommen werden kann. Da sich der Schwingungsgenerator selbsttätig mit seiner Frequenz der sich infolge der Aushärtung stets ändernden Impedanz anpasst, arbeitet er stets mit günstigstem Wirkungsgrad.
In der Fig. 8 ist die Anwendung der Erfindung beim Giessen in einer normalen Giessform gezeigt, wobei die Schwingungen auf die Schmelze mit Hilfe eines Tauchstabes übertragen werden, der direkt in dieSchmelze eintaucht. DieSchmelze-72-wird aus einer Giesspfanne --79-- in die Giessform --71-- gegossen. Der Tauchstab --74-- hängt vom schwingenden Träger --76-- direkt in das geschmolzene Material hinein, und der Träger selbst hängt seinerseits an einem Seil --78--.
Der Schwingungsgenerator --16-- mit umlaufender Masse, der über eine Leitung --19-- mit Luft angetrieben ist, ist mit dem als Kopplungseinrichtung wirkenden schwingenden Träger --76-- verbunden und erzeugt in ihm eine stehende Resonanzwelle --8Ú--. Der flüssige Stoff --72--, der Metall, Kunststoff od. ähnl. sein kann, bildet einen Teil des Resonanzschwingungssystems. Der Schwingungsgenerator -16--passt sich mit seiner Frequenz den geänderten Resonanzbedingungen an, wenn die Dichte und die Elastizität des
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flüssigen Stoffes infolge des Aushärtens sich ändert, so dass stets während des gesamten Giess- und Aushärtungsvorganges die günstigsten Schwingungsbedingungen herrschen.
Wie schon im Zusammenhang mit den andern Ausführungsformen der Erfindung erwähnt, wird durch die Schwingungen verhindert, dass das Gussstück an der Form anhaftet, und das Endprodukt des Gusses ist besser, da Einschlüsse und Gasblasen entfernt werden und das Gussstück im Ganzen grössere Dichte und im Fall eines metallischen Gussstückes eine bessere Kristallstruktur erhält.
In der Fig. 9 ist die Erfindung im Zusammenhang mit einem Spritzgussverfahren gezeigt. Durch eine Einspritzdüse --92-- wird plastisch verformbares oder geschmolzenes Material --96-- in die Form eingespritzt, ein Druckstempel --95-- von oben auf den Formdeckel --94-- heruntergedrückt und die Form dadurch festgehalten. Von einem Schwingungsgenerator --16--, der über eine Leitung --19-- mit Druckluft angetrieben wird, wird der Form --94-- Schwingungsenergie zugeführt. Der Schwingungsgenerator --16-- ist mit einem schwingfähigen Stab --90-- verbunden, der einen hohen Gütefaktor - aufweist, und der Stab --90- liegt an der Form --94-- an der Stelle eines Kolbens --94a-- an.
Wie auch bei den bereits beschriebenen Giessprozessen, wird durch das Zufügen von Schwingungsenergie der Giessprozess vorteilhaft beeinflusst, indem Verunreinigungen ausgeschieden werden und das Endprodukt, das fertig aus der Form genommen werden kann, höhere Dichte aufweist.
Die Fig. 10 zeigt die Anwendung der Erfindung im Zusammenhang mit einer Gleitschalung für Betonpfeiler. Áus einer Rinne --103-- wird Beton --101-- in eine trichterförmige Schalung-105- geleitet. Wenn der Beton abgebunden hat, wird die Schalung --105-- zusammen mit der Zuführrinne - nach oben gezogen. Auf diese Weise wird eine volle Betonsäule-107-- hergestellt. Während des Betoneingiessens wird auf die Schalung --105-- von einem schwingfähigen Träger-108-, der mit der Schalung verbunden ist, Schwingungsenergie übertragen.
Der als Kopplungseinrichtung dienende
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höhere Ausgangsleistung als derjenige, der in den Fig. 13 und 14 dargestellt ist, und eignet sich demzufolge mehr bei derartigen Anwendungsfällen, bei denen eine höhere Belastung vorliegt. Wie die andern Schwingungsgeneratoren, so ändert auch dieser Generator automatisch seine Frequenz und passt sie den Bedingungen an, wenn der Beton in der Schalung hart wird.
Um günstigste Ergebnisse zu erhalten, ist es wünschenswert, den Schwingungsgenerator bereits dann arbeiten zu lassen, wenn der erste Beton in die Schalung eingegossen wird und bevor die Schalung --leu5-- hochgezogen wird, und den Generator so lange anzutreiben, bis die Schalung ihre höchste Stellung erreicht.
Da zwischen den Berührungsflächen der Schalung --105-- und dem Gussstück eine Fehlanpassung besteht, äussert sich die starke Relativbewegung an der Trennfläche durch geringe Reibung. Die derartig geringe Reibung zwischen Schalung und Gussteil hat mehrere Vorteile. Zunächst einmal kann eine trockenere Mischung verwendet werden, so dass der Beton schneller trocknet, was bedeutet, dass die Schalung schneller hochgezogen werden kann. Bei einer trockeneren Mischung ist ausserdem nicht zu befürchten, dass Beton ausläuft. Die schwache Reibungsverbindung bewirkt auch, dass sich die Schalung leicht hochziehen lässt, was zu einer besonders glatten Oberfläche mit wenig Sprüngen und Rissen führt.
Die Schwingungsenergie, die auf das zu giessende Material selbst übergeht, versetzt dieses Material in Schwingungen, wodurch ein höherwertiges Endprodukt erzeugt wird. So wird dadurch die Mischung zunächst verdichtet, und der Beton setzt sich besser ab, so dass er schliesslich besonders hart wird. Die Schwingungsenergie, die dem Material zugefügt wird, wird ausserdem in Wärme umgesetzt. Diese Wärme ist gleichmässig über das Material verteilt, so dass sich keine ungleichmässigen Spannungen ergeben, die die Festigkeit verringern könnten. Durch diese Erwärmung wird ausserdem das Abbinden des Betons beschleunigt.
Abhängig von der Form der Gleitschalung wird entweder eine Biegeschwingung oder eine Längsschwingung in der Schalung erzeugt, so dass an der Verbindungsstelle eine Scherwirkung auftritt.
Fig. 11 zeigt die Anwendung der Erfindung bei einer Gleitschalung, mit deren Hilfe Betonplatten für Strassen hergestellt werden. Die Plattengiessmaschine --120-- wird von einer Zugmaschine --122-gezogen und formt eine Betonplatte --125--. Von einer Zuführrinne-132-fliesst Beton-130-in
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der Masse zu Schwingungen angeregt wird. Der Generator kann dem in Zusammenhang mit der Fig. 10 genannten Generator entsprechen, d. h., er kann über Zahnräder angetrieben sein. Der Generator-110- wird von einem Antriebsmotor --140-- angetrieben.
In der Fig. 12 ist gezeigt, dass der schwingfähige Träger --137-- auf Füssen --142 und 143--, die als Kopplungseinrichtung dienen, gelagert ist, so dass die Schwingungsknoten der stehenden Welle -- einen geringen Abstand von diesen Befestigungspunkten aufweisen. Auf die Weise wird der Schürze --136-- Schwingungsenergie mit sehr hoher Impedanz zugeführt, wobei die Schürze ein Teil des Resonanzschwingungssystems darstellt. Der schwingfähige Träger --137-- weist einen hohen Gütefaktor auf, so dass dadurch der Wirkungsgrad des Schwingungssystems erhöht wird. Gegebenenfalls kann aber der Schwingungsgenerator --110-- auch direkt auf der Schürze befestigt sein, wobei dann die Schürze und die umgebenden Teile das Resonanzsystem darstellen.
Wie auch bei den übrigen Ausführungsformen passt sich der Schwingungsgenerator --110-- in seiner Frequenz und Phasenlage den Belastungsänderungen an, so dass stets die günstigsten Resonanzbedingungen vorhanden sind. Derartige gleitende Formung von Betonplatten weist dieselben Vorteile auf, wie sie bereits im Zusammenhang mit der Fig. 10 aufgezählt wurden, u. zw. sowohl den Vorteil, dass der Vorgang beschleunigt werden kann, als auch denjenigen, dass das Endprodukt eine höhere Qualität aufweist.
In den Fig. 13 und 14 ist eine bevorzugte Ausführungsform eines mit LuftbetriebenenSchwingungsgenerators mit umlaufender Masse gezeigt, der, wie dargestellt ist, mit zahlreichen Ausführungsformen der Erfindung kombiniert werden kann. Dieser Generator hat die günstige Eigenschaft, dass er seine Frequenz etwaigen Belastungsänderungen anpasst und dass er mit der Resonanzfrequenz des Schwingungssystems in Tritt fällt.
In einem Gehäuse --150-- befindet sich ein Rotor --18--, der aus einem Kreisscheibenteil--151-im Zentrum und einem äusseren Ring --152-- besteht, welche über einen Steg --153-- miteinander verbunden sind. Auf den Gehäusewänden --150-- sind ein Paar C-förmige Vorsprünge --154a und 154b--
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schen den Enden der C-förmigen Teile-154a und 154b-- sind Scheiben --159a und 159b-- gelagert. Diese Scheiben --159a und 159b-- sind so gehalten, dass sie sich frei drehen und in radialer Richtung frei bewegen können und stellen dadurch eine Abschirmvorrichtung dar, die verhindert, dass ein wesentlicher Teil der einströmenden Luft direkt von ihrer einen Seite auf die andere gelangt. Über eine Aus-
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gungen angetrieben.
Der soeben beschriebene Schwingungsgenerator ist verhältnismässig einfach und sehr wirkungsvoll in seiner Arbeitsweise und ist in der Lage, eine Schwingung mit grosser Amplitude abzugeben, die selbsttätig mit der Resonanzfrequenz des als Belastung anhängenden Schwingungssystems in Tritt fällt.
Die Vorrichtungen und Verfahren nach der Erfindung stellen schwingende Vorrichtungen dar, mit deren Hilfe das durch die Schwerkraft bedingte Fliessen eines fliessfähigen Stoffes, der sowohl flüssig als auch schüttfähig sein kann, verbessert wird. Sowohl die Kohäsion der Stoffteilchen untereinander als auch die Adhäsion der Stoffteilchen zu den Teilen, die ihre Fliessbahn darstellen, ist weitestgehend herabgesetzt. Ausserdem wird durch die Schwingungen der Stoffaufbau verbessert, und es werden die einzelnen Formvorgänge wesentlich erleichtert.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum Erleichtern des durch die Schwerkraft bedingten Fliessens eines fliessfähigen Stoffes gegenüber einem Fliessweg, dadurch gekennzeichnet, dass ein schnelle Schwingungen erzeugender Schwingungsgenerator mit dem fliessfähigen Stoff und/oder mit dem Fliessweg gekoppelt und die Frequenz dieses Schwingungsgenerators im Sinne der Anregung einer Resonanzschwingung im fliessfähigen Stoff und/oder im Fliessweg eingestellt wird.