DE1100356B - Schwingendes System mit mindestens drei aneinandergereihten, frei schwingenden Massen und Verfahren zu seiner Inbetriebsetzung - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Schwingende Systeme, welche in verschiedenen Betrieben verwendet werden, wie z. B. schwingende Siebe, Schüttelrinnen u. dgl., haben, in der Regel zum Ausgleichen der Reaktion der schwingenden Massen Gegengewichte, die entweder vom Antriebsmechanismus mit entgegengesetzter Amplitude in Schwingungen versetzt werden oder deren Antrieb über elastische Elemente im Gleichlauf mit der schwingenden Masse erfolgt. In beiden Fällen ist es sehr schwierig, die schwingenden Massen unter verschiedenen Betriebsverhältnissen auszugleichen. Bei Zwangantrieb der Ausgleichsmassen entstehen selbst bei vollkommener Ausgleichung große Kräfte im Antriebsmechanismus, welche zwar nicht auf die Grundlagen übertragen werden, da sie sich gegenseitig aufheben, die jedoch eine sehr starke Konstruktion des Antriebsmechanismus bedingen.

Es sind auch als starre Gebilde anzusehende schwingungstechnische Nutzgeräte ohne Gegengewichte bekannt, die mit einem direkt in der Schwingungsrichtung arbeitenden Schwing- oder Rüttelmotor verbunden sind. Bei diesen kann die Masse nicht beliebig hoch gewählt werden. Dadurch wird bei Unwuchterregern die Nutzschwingweite zu gering. Aus diesem Grunde werden derartige Nutzgeräte großer Massen durch mehrere Schwingmotoren erregt. Bei der Verwendung mehrerer Erreger an einem gemeinsamen Nutzgerät kommt es aber leicht zur Bildung von Schwingungsknoten, die sich störend auswirken können. Um diesen Nachteil zu beheben, ist es bereits bekannt, das Nutzgerät in mehrere einzelne Glieder, meist in drei Glieder, aufzuteilen, die untereinander durch Federn verbunden, jedoch für sich unabhängig voneinander beweglich sind. Dadurch entsteht ein mechanischer Kettenleiter, dessen Teile in Gegenphase schwingen. Bei dieser Ausführung wird das unterteilte Nutzgerät von einem Ende aus durch den Schwingungsmotor erregt. Anordnungen dieser Art, bei denen eine primäre Masse mit einer oder mehreren sekundären Massen durch elastische Mittel gekoppelt ist, bereiten im allgemeinen während des Anlaufens Schwierigkeiten. Zur Erzielung eines möglichst weitgehenden Massenausgleichs muß die unter Vermittlung einer losen Kopplung angetriebene primäre Masse mit einer Phasenverteilung von nahezu 180° zu den sekundären Massen schwingen. Bis zur Erreichung dieses Resonanzzustandes werden aber beim Anlaufen und auch beim Auslaufen alle Frequenzen unterhalb der Resonanz durchlaufen. Hierbei werden die Massen mehr oder weniger in gleicher Phase schwingen und so an ihren schwachen Aufhängungsoder Unterstützungsfedern unzulässig große Ausschläge hervorrufen. Zur Beseitigung dieses Nachteiles ist es bekannt, die mit dem Antrieb lose Schwingendes System
mit mindestens drei aneinandergereihten,

frei schwingenden Massen
und Verfahren zu seiner Inbetriebsetzung

Anmelder:

Jaroslav Ruzicka, Prag-Karlin

Vertreter: Dipl.-Ing. A. Spreer, Patentanwalt,
Göttingen, Groner Str. 35

Beanspruchte Priorität:
Tschechoslowakei vom 9. November 1954 und 31. Mai 1955

Jaroslav Ruzicka, Prag-Karlin,
ist als Erfinder genannt worden

gekoppelte Masse beim Anlassen und Stillsetzen des Schwingungssystems so lange festzuhalten, bis der Antrieb seine Arbeitsfrequenz erreicht hat. Systeme dieser Art sind den Kräften und Momenten nach nicht ausgeglichen und nur unter besonderen Bedingungen arbeitsfähig.

Die Erfindung bezweckt, diese Mängel zu beheben. Sie geht von einem schwingenden System mit mindestens drei aneinandergereihten, frei schwingenden Massen ohne weitere ausgleichende Gegenmassen aus, bei dem die Schwingungsbewegung vom Antrieb lediglich einer dieser Massen übertragen wird, während die anderen Massen ihre Schwingungsbewegung über elastische Elemente von dieser angetriebenen Masse oder über die über elastische Elemente sekundär angetriebenen Massen erhalten, wobei die Steifheit der elastischen Elemente durch die Bedingung gegeben ist, daß die Amplituden der benachbarten Massen entgegengesetzte Richtung haben. Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die auf die angetriebene Masse einwirkende Kraft eine im wesentlichen konstante Richtung besitzt, welche gegen die Verbindungslinie der einzelnen Massen geneigt ist, die restlichen Massen im wesentlichen parallel zu dieser Richtung geführt sind, die Angriffspunkte der die Schwingungen übertragenden Kräfte bzw. der Summe dieser Kräfte im Schwerpunkt dieser Massen liegen und die Größe der schwin-

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genden Massen, das Verhältnis ihrer Amplituden und die Entfernung ihrer Schwerpunkte der Bedingung entsprechen, daß die Summe der Momente der schwingenden Massen gegenüber einem beliebigen Punkt gleichfalls Null ist. Bei diesem erfindungsgemäßen System werden die mit dem Antrieb lose gekoppelten Massen nicht festgehalten, bis der Antrieb seine Arbeitsfrequenz erreicht hat, der Antrieb bleibt während der ganzen Zeit mit den zu schwingenden Massen gekoppelt und wird bei einem Schwinghub gleich Null auf volle Drehzahl gebracht, worauf allmählich der Schwinghub vergrößert wird, bis er die normale Größe erzielt. Das ist nur dadurch möglich, daß alle Amplituden nach Kräften und Momenten ausgeglichen sind.

Wie in der folgenden Beschreibung näher gezeigt wird, erzielt man durch diese Anordnung eine Reihe von bedeutenden Vorteilen; die Möglichkeit die Massen vollkommen auszugleichen, schädliche Reaktionen auf die Grundlage zu verhüten, die ganze Anordnung weniger empfindlich gegen kleinere Unregelmäßigkeiten der Betriebsverhältnisse zu gestalten und den Antriebsmechanismus lediglich auf die Überwindung der passiven Widerstände zu dimensionieren. Dabei können praktisch alle schwingenden Massen voll ausgenutzt werden, da Gegengewichte und sogenannte tote Massen erübrigt werden.

Durchführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes sind in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 schematisch ein aus drei schwingenden Massen bestehendes System,

Fig. 2 ein System mit fünf schwingenden Massen und

Fig. 3 und 4 Ansicht und einen Grundriß eines aus drei Teilen bestehenden schwingenden Siebes, das entsprechend der Fig. 1 ausgeführt ist.

Das in Fig. 1 dargestellte System, das vorteilhaft als langes schwingendes Sieb Verwendung finden kann, besteht aus einem wesentlich waagerecht angeordneten Siebrahmen 1 und zwei an ihn an beiden Seiten aneinandergereihten Rahmen 7 und 8. Alle drei Siebrahmen werden durch wesentlich parallele Stützen 6 getragen, welche selbst frei schwingend auf dem festen Maschinenrahmen oder dem Fundament 4 gelagert sind. Das Sieb 1 wird mittels eines Paares von parallelen Stangen 2, welche an Kurbeln 13 der Kurbelwelle 3 angelenkt sind, in Schwingungsbewegung versetzt. Die Kurbelwelle ist auf dem Maschinenrahmen 4 entweder fest oder elastisch gelagert und z. B. durch einen Elektromotor angetrieben. Die Siebe 7 und 8 sind mit dem Sieb 1 lediglich über elastische Elemente 9 verbunden, die in den verlängerten Seitenstücken 11 des Siebrahmens 1 angeordnet sind. Je nach den Betriebsverhältnissen werden die beiden Siebe 7 und 8 eventuell miteinander durch ein Verbindungsstück verbunden, wie dies in Abb. 1 durch die gestrichelte Linie 12 angedeutet ist.

Die Achsen der elastischen Elemente 9 sollen praktisch in einer Ebene liegen, die durch den Schwerpunkt der betreffenden angetriebenen Masse führt.

Da die benachbarten Massen mit Amplituden von entgegengesetzter Richtung schwingen sollen, ist es erforderlich, die richtige Steifheit der · elastischen Elemente 9 zu wählen, um das richtige Phasenverhältnis zu erzielen.

Falls das Sieb 7 die Masse «₇ besitzt und seine Amplitude χ ist, die Amplitude des Siebes 1 y und die Steifheit des elastischen Elementes 9 c, dann gilt die folgende Differentialgleichung, falls sich das elastische Element 9 mit einem Ende gegen die Masse W₇ lehnt und das andere Ende in Schwingungen y=y_Q coscüi versetzt wird:

Ot₇ χ + c {x — y₀ cos ω t) = 0.
Die Teilauswertung dieser Gleichung ist

χ = x₀ cos ω t,

c-m,io*

Falls die Amplituden der benachbarten Massen gleich, aber von entgegengesetzter Richtung sein sollen, muß

c — W₇ ω²

woraus

W₇CO²

Die Steifheit des elastischen Elementes 9 hängt deshalb nicht von der Größe der Amplitude ab, so daß ein einmal ausgeglichenes System für alle Amplituden im Gleichgewicht ist, vorausgesetzt, daß die Amplituden aller Massen proportional geändert werden.

Wenn das System in Schwingung gerät, werden durch Bewegung der Massen Ot₁, m₇ und W₈ der Siebrahmen 1, 7 und 8 Kräfte P₁, P₇ und P₈ hervorgerufen. Für ihr Gleichgewicht muß die folgende Bedingung erfüllt werden:

P₁ =

ω²,

P₇ = — Ot₇ r₇ ω²,

Pß ⁼ —OT_n

,ω²

und Y₁, Y₇ und Y₈ Amplituden der Schwingungen der betreffenden Massen und ω die Winkelgeschwindigkeit der Schwingungen ist.

Wenn dieser Wert in Gleichung (1) eingesetzt wird, ergibt sich

W₁ Y₁ ω² — W₇ Y₇ oß — Ot₈ Y₈ ω² = 0. (2)

Gleichzeitig muß die Summe der Momente der schwingenden Massen gegenüber einem beliebigen Punkt Null sein, falls Gleichgewicht bestehen soll. Wird angenommen, daß die Kraft P₇ in der Entfernung α von der Kraft P₁ und die Kraft P₈ in einer Entfernung b von der Kraft P₁ einwirkt, so besteht die folgende Gleichung für Gleichgewicht gegenüber dem Schwerpunkt der Masse 7:

Wr₁Y₁(O²- w₈r₈cü²(a+ b) = 0. (3)

In beiden Gleichungen (2) und (3) kann afi eliminiert werden, das für alle Massen gleich anzunehmen ist, so daß zwei Gleichungen mit acht Werten entstehen, von denen sechs beliebig gewählt werden können.

Falls die Masse jedes der beiden äußeren Siebrahmen 7 und 8 die Hälfte der Masse des mittleren Siebrahmens 1 beträgt und ihre Schwerpunkte gleich entfernt sind vom Schwerpunkt des Siebrahmens 1, wird das System ausgeglichen sein, falls die Amplituden^ und Y₈ gleich und in entgegengesetzter Richtung gegenüber Y₁ sind. In diesem Falle würde es

möglich sein, beide Siebe 7 und 8 miteinander mittels eines Gestänges 12 zu verbinden, das nur dann beansprucht sein würde, wenn das Gleichgewicht des Systems verletzt wäre. Dieses Gestänge ist in Abb. 1 strichliert angedeutet. Durch seine Verwendung wird das ursprüngliche Dreimassensystem in ein Zweimassensystem mit allen daraus folgenden Resonanzverhältnissen übergeführt.

Es ist jedoch auch möglich, ein Gleichgewicht des Systems für verschiedene Massen m₇ und W₈, für verschiedene Amplituden oder für verschiedene Entfernungen α und b zu erzielen. Es ergibt sich so die Möglichkeit, z. B. dem Siebrahmen 7 eine größere Amplitude zu geben als dem Siebrahmen 1 und gleichzeitig dem Siebrahmen 8 eine kleinere Amplitude, was oft vorteilhaft beim Sondern von manchem Material ist, und dabei das ganze System, was die Kräfte und Momente betrifft, im Gleichgewicht zu erhalten. Gleichfalls ist es möglich, innerhalb der Grenzen der beiden Hauptgleichungen die Massen und Entfernungen ihrer Schwerpunkte zu wählen, so daß das System den bestehenden Verhältnissen leicht angepaßt werden kann. Falls die Steifheit der elastischen Elemente 9 so gewählt wurde, daß die Amplituden der benachbarten Massen eine entgegengesetzte Richtung und die richtige Größe haben, dann werden durch die parallelen Stangen 2 dem Betriebsmechanismus bzw. dem Fundament nur Reaktionen übermittelt, die den passiven. Widerständen des ganzen Systems entsprechen.

Es ist zu bemerken, daß das System oberhalb der kritischen Schwingungszahl mit Bezug auf die Massen 7 und 8 arbeitet. Es ist also erforderlich, beim Anlassen und Einstellen der Maschine die Schwingungen zu dämpfen, die während der Beschleunigung aus dem Ruhestand auf die Betriebsschwingungszahl entstehen. Das kann durch an sich bekannte Dämpfer bewerkstelligt werden, wie es in Abb. 3 mit dem Bezugszeichen. 10 dargestellt ist.

Der Umstand, daß das System oberhalb der kritischen Schwingungszahl mit Bezug auf die Massen 7 und 8 arbeitet, hat den Vorteil, daß kleinere Änderungen der Massen oder anderer Werte des Systems keine besonderen Kräfte oder Schwingungen hervorrufen.

Das erfindungsgemäße System kann jedoch auf Betriebsschwingungszahl auch ohne Dämpfer gebracht werden, ohne daß dabei unerwünschte Schwingungen erscheinen, falls die Kurbelwelle 3 auf volle Drehzahl mit einer geringen oder keiner Exzentrizität der Kurbel 13 gebracht wird und danach die Exzentrizität erhöht wird, bis die benötigte Amplitude erreicht ist. Die Regelung der Exzentrizität während des Betriebes kann auf eine der bekannten Weisen, z. B. durch gegenseitige Verdrehung zweier exzentrischer Scheiben geschehen. Auf ähnliche Weise kann das Anlassen und Stillegen des ganzen Systems erzielt werden, wenn ein anderer Antrieb als Kurbelantrieb verwendet wird.

Das erfindungsgemäße schwingende System ist nicht auf drei aneinandergereihte, selbständig schwingende Massen begrenzt. Theoretisch ist es möglich, mehrere solcher Massen aneinanderzureihen, soweit die in Gleichungen (1) und (3) gegebenen Bedingungen erfüllt sind, für die betreffende Zahl der Massen ausgedrückt.

Die Fig. 2 zeigt schematisch ein System von fünf aneinandergereihten schwingenden Massen 1, 7, 8, 17, 18. Die elastischen Elemente 9 sind hier an die verlängerten Seiten 14, 15 oder Siebrahmen 7 und 8 angeschlossen. Die Masse 1 ist wieder die angetriebene Masse. Sonst sind hier dieselben Verhältnisse wie gemäß Fig. 1 mit denselben Möglichkeiten, die Größe der Massen, Amplituden und Entfernungen der Schwerpunkte zu wählen. Es ist nicht erforderlich, die Masse 1 direkt anzutreiben, auf gleiche Weise können die Massen 7 oder 8 den direkten Antrieb erhalten.

Fig. 3 und 4 zeigen in Ansicht und Grundriß eine der möglichen Durchführungen des Erfindungsgegenstandes für ein waagerechtes schwingendes Sieb. Die Bezugszeichen, die in Fig. 1 verwendet wurden, treffen hier gleichfalls zu. Zusätzlich sind hier Schwingungsdämpfer 10 dargestellt, welche die Schwingungen während des Anlaufens und Einsteilens dämpfen sollen. Diese Dämpfer können lineare oder nichtlineare Wirkung haben und entweder wie in Fig. 3 zwischen den elastischen Elementen 9 und der angetriebenen Masse oder zwischen der angetriebenen Masse und dem festen Grundrahmen 4 angeordnet sein.

Das System gemäß der Erfindung kann für die verschiedensten Zwecke Verwendung finden, wie z. B. als schwingende Siebe, als Schüttelrinnen u. dgl. Die einzelnen Teile können den bestehenden Verhältnissen angepaßt werden. So ist es z. B. möglich, die Stützen 6 über Torsionselemente fest mit dem festen Rahmen 4 zu verbinden, die Siebrahmen hängend anzuordnen oder andere von den örtlichen Verhältnissen abhängige Anordnungen zu treffen.

Da praktisch alle sogenannten toten schwingenden Massen erübrigt sind, wird eine große Gewichtsersparnis des ganzen Systems sowie eine damit zusammenhängende Ersparnis der Betriebs- und Erhaltungskosten erzielt. Zugleich wird eine große Verringerung der Beanspruchung des Antriebsmechanismus erzielt, der lediglich die passiven Widerstände des ganzen Systems zu überwinden hat. Da eine praktisch vollkommene Ausgleichung aller Kräfte und Momente erzielt werden kann, werden auf die Fundamente keine nennenswerten Reaktionen übertragen, die den Gebäuden oder anderen Maschinen schädlich sein könnten.

Das System kann entweder in waagerechter, senkrechter oder geneigter Stellung der aneinander angereihten Elemente verwendet werden. Keine besonderen Vorkehrungen sind für den Fall von kleineren Änderungen der Periodenzahl des elektrischen Speisungsnetzes benötigt. Auch kleinere Unregelmäßigkeiten in der Zufuhr oder im Durchfall des gesiebten Materials haben keine größeren Folgen für die Ausgleichung des Systems, da das System oberhalb der Resonanzschwingungszahl der Massen 7 und 8 arbeitet, so daß die Gleichgewichtsbedingungen nicht so peinlich erhalten werden müssen.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Schwingendes System mit mindestens drei aneinandergereihten, frei schwingenden Massen ohne weitere ausgleichende Gegenmassen bzw. ohne schwingende Grundrahmen, bei dem die Schwingungsbewegung vom Antrieb lediglich einer dieser Massen übertragen wird, während die anderen Massen ihre Schwingungsbewegung über elastische Elemente von dieser angetriebenen Masse oder über dieüberelastischeElementesekundär angetriebenen Massen erhalten, wobei die Steifheit der elastischen Elemente durch die Bedingung gegeben ist, daß die Amplituden der benachbarten Massen entgegengesetzte Richtung haben, dadurch gekennzeichnet, daß die auf die angetriebene Masse

einwirkende Kraft eine im wesentlichen konstante Richtung besitzt, welche gegen die Verbindungslinie der einzelnen Massen geneigt ist, die restlichen Massen im wesentlichen parallel zu dieser Richtung geführt sind, die Angriffspunkte der die Schwingungen übertragenden Kräfte bzw. der Summe dieser Kräfte im Schwerpunkt dieser Massen liegen und die Größe der schwingenden Massen, das Verhältnis ihrer Amplituden und die Entfernungen ihrer Schwerpunkte der Bedingung entsprechen, daß die Summe der Momente der schwingenden Massen gegenüber einem beliebigen Punkt gleichfalls Null ist.

2. Schwingendes System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jene Massen, auf welche von der angetriebenen Masse Schwingungen übertragen werden, symmetrisch zur letzten gelagert sind.

3. Schwingendes System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß den einzelnen Massen

des schwingenden Systems verschiedene Amplituden erteilt werden, ungeachtet, an welcher Stelle sich der Schwingungserzeuger befindet.

4. Schwingendes System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß den aneinandergereihten Massen Amplituden erteilt werden, deren Größe sich in Richtung von einem Ende zum anderen monoton ändert.

5. Verfahren zur Inbetriebsetzung des schwingenden Systems nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebsmechanismus zunächst unter einem Schwinghub des angetriebenen Systems gleich Null oder nahe Null auf Betriebsgeschwindigkeit gebracht wird, worauf der Schwinghub des angetriebenen Systems fortlaufend auf den gewünschten Wert erhöht wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift S 462 IX/42 s, (bekanntgemacht am 18.10.1951).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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