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Anwendungsbereich der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1.
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Die
Erfindung betrifft einen Schwingungsdämpfer gemäß dem
Oberbegriff von Anspruch 7.
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STAND DER TECHNIK
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Mit
sich vergrößernden Breiten und steigenden Geschwindigkeiten
von Papier- und Kartonmaschinen werden Schwingungen von Rollen zu
einem größeren Problem als je zuvor.
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Ein
Gegenstand, bei dem Schwingungen ein Problem darstellen, ist der
Kalander am Ende der Papier- oder Kartonmaschine. Bei Kalandern
ist mindestens ein Walzenspalt vorhanden, der zwischen zwei Walzen ausgebildet
ist, in dem die Bahn behandelt wird und die Bahn oberflächen
verdichtet werden. Ein insbesondere im Zusammenhang mit Mehrwalzenkalandern
auftretendes Problem ist Barring bzw. Querstreifigkeit. Querstreifigkeit
ist ein Schwingungsproblem, welches durch Unregelmäßigkeiten
in der Bahn oder durch mechanische Schwingungen verursacht wird,
die durch den Kalander, die Antriebe, die umgebenden Maschinen oder die
Unrundheit der Rollen verursacht werden.
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Die
Implementierung eines dynamischen Dämpfers (in der Literatur
zum Beispiel TMD = tuned mass damper/abgestimmter Tilgungsdämpfer)
genannt, erfordert eine genau gesteuerte und einstellbare Federkonstante.
Einstellbarkeit ist nur bei der Kommissionierung oder bei einem
adaptiven Dämpfer ebenfalls während des Einsatzes
erforderlich. Wenn notwendig werden Dämpfermassen erhöht
und beim Versuch der Dämpfung hochfrequenter Schwingungen – zum
Beispiel Querstreifigkeit mit 200–800 Hz oder ein Kalanderrahmen-Schwingungsdämpfer
mit 10 Hz/7.000 kg – sind hohe Federkonstanten erforderlich.
Die Bereitstellung hoher Federkonstanten in einem begrenzten Raum
ist insbesondere dann schwierig, wenn die Federkonstante einstellbar
sein muss. Dadurch werden dem Einsatz eines mechanischen Dämpfers
in solchen Einsatzzielen Grenzen gesetzt.
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In
dem
FI-Patent 94458 ist
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kontrolle der Schwingungen
der Walzen einer Papiermaschine beschrieben. Bei dem Verfahren werden
die Positionen der kritischen Geschwindigkeitsbereiche der Walze
während des Laufes verändert. Die kritische Geschwindigkeit
wird durch Veränderung der Masse und/oder der Steifigkeit
der Walze und/oder des Tragepunktes der Walze verändert. Als
eine Möglichkeit wird die Veränderung der Steifigkeit
des Endlagers der Walze präsentiert. Zwischen der Unterlegscheibe
der Lagegehäuse der Endlager und dem Rahmen können
Teile aus elastischem Werkstoff installiert werden. Durch die Einstellung
der Kraft, mit welcher das Lagergehäuse die Zwischenteile
gegen den Rahmen presst, ist es möglich, die Steifigkeit
der Befestigung der Lagergehäuse einzustellen. Die Presskraft kann
mittels einer Zylindervorrichtung oder einer Schraube eingestellt
werden.
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In
der
JP-Patentschrift 3082843 ist
eine Anordnung zur Minimierung von Schwingungen in einer Walze beschrieben.
Der Antriebsmotor der Walze ist elastisch im Rahmen befestigt. Die
Befestigung umfasst ein Gummizwischenstück, welches Schwingungen
zwischen der Grundplatte des Befestigungsteils des Antriebsmotors
und dem Rahmen aushält. Die Befestigungsschrauben der Grundplatte
erstrecken sich durch die Rahmenplatte hindurch in einen Zylinder,
der auf der unteren Fläche der Rahmenplatte befestigt ist,
wobei sie in einem Kolben in dem Zylinder befestigt sind. Unter
den Köpfen der Befestigungsschrauben sind Gummihülsen vorhanden,
wobei die Befestigung der Grundplatte schwimmend erfolgt. Auf der
Innenfläche des Zylinders ist ein Vorsprung vorhanden,
der die Aufwärtsbewegung des Kolbens in dem Zylinder begrenzt.
Zwischen dem Zylinderkopf und der oberen Fläche des Kolbens
ist eine Feder vorhanden und zwischen der unteren Fläche des
Kolbens und dem Boden des Zylinders ist ein Druckraum vorhanden,
wobei das Druckmedium Druckluft ist. Der Kolben wird mit Druckluft
zuerst gegen den Vorsprung der Innenfläche des Zylinders
getrieben, wobei eine minimale Presskraft auf die Gummizwischenstücke
und Hülsen ausgeübt wird. Wenn der Druck von Druckluft
unter dem Kolben abfällt, bewegt sich der Kolben durch
die Kraft der oberhalb des Kolbens vorhandenen Feder abwärts,
wodurch eine größere Druckkraft auf die Gummizwischenstücke
und Gummihülsen ausgeübt wird. Mit dem Druck des
unter dem Kolben vorhandenen Druckmediums ist es dann möglich,
die Steifigkeit der Walze einzustellen.
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In
dem
FI-Patent 101283 ist
ein Verfahren zum Aufwickeln einer Papierbahn beschrieben, wobei
versucht wird, Schwingungserregungen, die durch eine aufgewickelte
Papierrolle verursacht sind, durch die Steuerung der Laufgeschwindigkeit
des Aufwicklers zu vermeiden. Die Laufgeschwindigkeit des Aufwicklers
wird auf der Grundlage der Drehfrequenz der ausgebildeten Papierrolle
gesteuert, so dass dann, wenn sich die Drehfrequenz der ausgebildeten
Papierrolle dem Schwingungsbereich nähert, die Laufgeschwindigkeit
so abgesenkt wird, dass die Drehgeschwindigkeit der ausgebildeten
Papierrolle unter die niedrigere Frequenz des Schwingungsbereiches
absinkt. Danach wird die Laufgeschwindigkeit des Aufwicklers erhöht,
so dass die Drehgeschwindigkeit der ausgebildeten Papierrolle konstant
bleibt, bis die ursprüngliche Laufgeschwindigkeit des Aufwicklers
erreicht ist.
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In
dem
FI-Patent 110333 ist
eine Anordnung zur Dämpfung von Schwingungen in dem Rahmen
eines Mehrwalzenkalanders beschrieben. Die Anordnung umfasst mindestens
einen Dämpfer, der mindestens ein energieabsorbierendes
inneres Dämpferelement aufweist. Der Dämpfer ist
an mindestens einem Punkt über der Mittellinie der Welle
der obersten Walze des Kalanders befestigt. Der Dämpfer
kann eine Falzstange aufweisen, um die herum sich eine schwingende
Masse befindet. Das freie Ende der Falzstange wird mit dem Kalanderrahmen
mit einem inneren Dämpfer und einer Feder verbunden. Der
innere Dämpfer ist ein energieabsorbierender Dämpfer
wie zum Beispiel ein Visko-Dämpfer oder ein aus Gummi oder
viskoelastischem Werkstoff hergestellter Dämpfer. Die Abstimmung
des Dämpfers erfolgt mittels Veränderung des Abstandes der
Masse von dem Befestigungspunkt der Falzstange. Die Abstimmung kann
bei der Installation des Dämpfers oder automatisch während
des Laufes auf der Grundlage einer Schwingungsmessung durchgeführt
werden, wobei der Abstand der Masse verändert wird, bis
der niedrigste Schwingungspegel erreicht ist.
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In
der
EP-Patentschrift 1025695 sind
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Dämpfung von Schwingungen
in einer Papiermaschine beschrieben. In dem Lagergehäuse
einer sich drehenden Walze ist ein Gewicht mittels einer Feder,
d. h. einer Stange befestigt, deren Abstand von dem Lagergehäuse
gesteuert werden kann. Das Gewicht und die Feder stellen ein dynamisches
Schwingungselement dar. Die Schwingungen des Lagergehäuses
werden gemessen und durch Veränderung des Abstandes des
Gewichtes von dem Lagergehäuse kann die Schwingung ausgeglichen
werden, indem die natürliche Frequenz des dynamischen Schwingungselementes
auf dieselben Werte wie die problematische Erregungsfrequenz eingestellt
wird. Die Anordnung ist dann am vorteilhaftesten, wenn die Schwingungen
von zwei einen Walzenspalt ausbildenden Walzen gesteuert werden.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
Anordnung gemäß der Erfindung stellt einen Schwingungsdämpfer
bereit, der leicht und in einem breiten Bereich einstellbar ist
und der eine hohe Federkonstante aufweist.
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Die
hauptsächlichen Merkmale des Verfahrens gemäß der
vorliegenden Erfindung sind in dem kennzeichnenden Teil von Anspruch
1 präsentiert.
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Die
hauptsächlichen Merkmale des Schwingungsdämpfers
gemäß der vorliegenden Erfindung sind in dem kennzeichnenden
Teil von Anspruch 7 präsentiert.
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Bei
dem Schwingungsdämpfer gemäß der Erfindung
wird die schwingende Masse des Dämpfers durch Gas beeinflusst,
durch dessen Druckveränderungen die Schwingungsfrequenz
der Masse eingestellt wird. Durch die Erhöhung des Gasdruckes
kann die Schwingungsfrequenz erhöht werden und durch Verringerung
des Gasdruckes kann die Schwingungsfrequenz der Masse verringert
werden. Durch passende Auswahl des Verhältnisses von Vo lumen
und Fläche des Gasraumes des Dämpfers wird eine
angemessene Steifigkeit in dem Dämpfer bereitgestellt.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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In 1 ist
ein Schwingungsdämpfer gemäß der Erfindung
schematisch dargestellt.
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BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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In 1 ist
ein Dämpfer gemäß der Erfindung schematisch
dargestellt, der auf Druckveränderungen von Gas basiert.
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Der
Dämpfer 10 weist eine Rahmenkonstruktion 11, 12, 13,
zwei Membranträgerelemente 21, 22 und eine
Masse 30 auf. Die Rahmenkonstruktion besteht aus einem
zylindrischen Rahmenteil 13, wobei an einem ersten offenen
Ende davon ein erstes Trägerelement 21 installiert
ist, und wobei an einem zweiten offenen Ende davon ein zweites Trägerelement 22 installiert
ist. Die Membranträgerelemente 21, 22 bestehen
aus einem ersten Ausdehnungsring 21a, 22a, der
den Außenkreis der Trägerelemente 21, 22 ausbildet,
und aus einem zweiten Ausdehnungsring 21b, 22b,
der den Innenkreis der Trägerelemente 21, 22 ausbildet,
und aus einem Verbindungsteil 21c, 22c, welches
diese verbindet. Oben auf dem ersten Trägerelement 21 ist
ein Deckelteil 12 installiert und oben auf dem zweiten
Trägerelement 22 ist ein Bodenteil 11 installiert.
Das Bodenteil 11, das Rahmenteil 13, das Deckelteil 12 und
die Trägerelemen te 21, 22 sind aneinander
mittels Schrauben 51 befestigt, die sich durch das Bodenteil 11,
den ersten Ausdehnungsring 22a des zweiten Trägerelementes 22,
das Rahmenteil 13, den ersten Ausdehnungsring 21a des
ersten Trägerelementes 21 hindurch in das Deckelteil 12 erstrecken.
In einem durch die Trägerelemente 21, 22 und
das Rahmenteil 13 begrenzten Raum ist eine Masse 30 angeordnet.
Die Masse 30 ist an den Trägerelementen 21, 22 mittels
Schrauben 61 befestigt, die sich durch den zweiten Ausdehnungsring 22b in
den Innenkreis des zweiten Trägerelementes 22 und
die Masse 30 in den zweiten Ausdehnungsring 21b in
den Innenkreis des ersten Trägerelementes 21 erstrecken.
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Das
erste Membranträgerelement 21, die Masse 30 und
das Deckelteil 12 begrenzen einen ersten Druckraum 41 zwischen
sich, wobei eine Verbindung durch eine erste Öffnung 14 vorhanden
ist, die sich durch das Deckelteil 12 erstreckt. Die Höhe
des ersten Druckraumes 41 ist mit dem Bezugszeichen h1 bezeichnet. Das zweite Membranträgerelement 22,
die Masse 30 und das Bodenteil 11 begrenzen einen
zweiten Druckraum 42 zwischen sich, wobei eine Verbindung
durch eine zweite Öffnung 15 vorhanden ist, die
sich durch das Bodenteil 11 erstreckt. Die Masse 30 ist
mittels einer ersten Dichtung 31 gegen den zweiten Ausdehnungsring 21b in
dem Innenkreis des ersten Trägerelementes 21 und
gegen den zweiten Ausdehnungsring 22b in dem Innenkreis
des zweiten Trägerelementes 22 mittels einer zweiten
Dichtung 32 abgedichtet.
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Die
Masse 30 ist somit in dem Dämpfer 10 mittels
der Membranträgerelemente 21, 22 aufgehängt, durch
die aufgehängt die Masse 30 schwingt. Zusätzlich
werden die Schwingungen der Masse 30 durch den Druck P
von Gas in dem ersten Druckraum 41 oberhalb der Masse 30 und
in dem zweiten Druckraum 42 unterhalb der Masse 30 beeinflusst.
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Der
Betrieb des Dämpfers 10 ist mittels des folgenden
Berechnungsbeispiels veranschaulicht.
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In
dem Kalander tritt Barring bzw. Querstreifigkeit bei einem Frequenzbereich
von 375 Hz auf. Es wurde auch beobachtet, dass das Problem auf Zufallsbasis
auch bei Frequenzen von 360 und 390 Hz auftritt. Ein in dem Lagergehäuse
zu installierender dynamischer Dämpfer wird als in der
Lage betrachtet, das Schwingungsproblem zu beseitigen. Eine angemessene
Schwingungsmasse wird auf 25 kg geschätzt. Der Dämpfer ist
für eine Frequenz von 375 Hz ± 20% konzipiert.
Dann beträgt eine niedrigere Begrenzungsfrequenz für
den Betrieb des Dämpfers 0,8·375 = 300 Hz, und
eine obere Begrenzungsfrequenz beträgt 1,2·375
= 450 Hz, wodurch der problematische Frequenzbereich abgedeckt ist.
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Gleichung
(1) ermöglicht die Berechnung der Schwingungsfrequenz f
D des Dämpfers:
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Gleichung
(1) ist eine Approximation, bei der die Masse der Membranfedern
des Dämpfers ignoriert wird. Die Gleichung ist immer noch
gültig, da die Masse der Membranfedern des Dämpfers
weniger als 5% der gesamten schwingenden Masse des Dämpfers
beträgt.
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Die
Lösung der Federkonstante kS von
Gleichung (1) resultiert in Gleichung (2): kS = 4·f2D ·π2·m (2)
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Die
Federkonstante der unteren Begrenzungsfrequenz von 300 Hz wird mittels
Gleichung (2) erhalten: k300Hz =
4·3002·π2·25 = 9·π2·106 N/m
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Die
Federkonstante der oberen Begrenzungsfrequenz von 450 Hz wird mittels
Gleichung (2) erhalten: k450Hz =
4·4502·π2·25 = 20,25·π2·106 N/m
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Der
Betriebsgedanke des Dämpfers besteht in der Verwendung
von Gas in einem Membrantyp-Zylinder, d. h. dem ersten 41 und
dem zweiten Druckraum 42 als einstellbare Feder. Es ist
möglich, die Federkonstante des Gases einfach durch Veränderung
des Druckniveaus des Gases zu verändern. Es sind keinerlei mechanische
Verände rungen wie zum Beispiel Bewegungen, Stellglieder
usw. erforderlich.
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Für
den adiabatischen Prozess gilt die Gleichung (3): p1·Vn1 = p2·Vn2 (3)
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In
Gleichung (3) ist p der Druck in dem Membrantyp-Zylinder, V ist
das Volumen des Druckraumes, n ist nahezu gleich 1,4 für
zweiatomiges Gas. Der untere Index 1 bezieht sich auf den statischen
Zustand des Membrantyp-Zylinders (durchbiegungsfreie Situation)
und der untere Index 2 bezieht sich auf den Durchbiegungszustand
des Membrantyp-Zylinders.
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Das
Ersetzen des Druckraumvolumens V in Gleichung (3) durch den Einsatzbereich
A des Druckraumes und der Höhe h der Gassäule
resultiert in Gleichung (4): p1·(A·h1)n = p2·(A·h2)n (4)
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Die
Lösung von p
2 von Gleichung (4)
resultiert in Gleichung (5):
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Es
ist wiederum möglich, die Federkonstante k des Gases in
dem Druckraum mittels Gleichung (6) zu berechnen:
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Das
Einsetzen von Gleichung (5) in Gleichung (6) und das Ersetzen der
Höhe h
2 des Durchbiegungszustandes
der Gassäule durch h
1 + Δ resultiert
in Gleichung (7):
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Gemäß der
obigen Gleichung (7) ist die Gasfederkonstante von dem Vorladedruck
p1 des Gases abhängig und diese
Eigenschaft wird bei der Erfindung genutzt.
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Für
den in
1 dargestellten Dämpfer wird Folgendes
erhalten:
P1 = 1·10
5 N/m
2 p
2 = 100·10
5 N/m
2 h
1 = 4·10
–3 m
n
= 1,4
Δ = 10
–12 m
D
1 = 0,12 m
D
2 =
0,25 m
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Der
wirksame Bereich A der durch die Membranfeder 21, 22 ausgebildeten
elastischen Membran wird somit als der starre Mittelpunkt + die
Hälfte der elastischen Membran angenommen.
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Mit
einem Vorladedruck von P
1 = 0,1 MPa wird
die Federkonstante des Druckraumes
41 über der Membranfeder
21 mittels
Gleichung (7) erhalten:
Mit einem Vorladedruck von P1 = 10
MPa wird die Federkonstante des Druckraumes
41 über
der Membranfeder
21 mittels Gleichung (7) erhalten:
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Ein
negativer Wert wird für die Federkonstanten k1 und
k2 erhalten, was bedeutet, dass der Druck
sinkt, wenn sich das Volumen erhöht. Daher ist dies eine
Frage der Auswahl der Richtung der positiven Koordinaten.
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Die
Federkonstante des obigen Druckraumes
41 und die Federkonstante
des unten angeordneten Druckraumes
42 sind bei der Ausführungsform
von
1 gleich, da die Druckräume
41,
42 identisch
sind. Beim Druck p
1 kann die Schwingungsfrequenz
der Masse
30 mittels Gleichung (8) auf der Grundlage von
Gleichung (1) wie folgt berechnet werden:
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Beim
Druck p
2 kann die Schwingungsfrequenz der
Masse 30 wiederum mittels Gleichung (9) auf der Grundlage von Gleichung
(1) wie folgt berechnet werden:
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Das
heißt, dass es zum Erreichen des anfangs erwähnten
Frequenzbereiches von 375 Hz ± 20% (300–450 Hz)
möglich sein muss, den Druck des Druckraumes im Bereich
von etwa 0,1–10 MPa einzustellen.
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Die
Membranfedern 21, 22 stellen die Grundfrequenz
des Systems ein. Die endgültige Abstimmungsfrequenz wird
dann mittels des Druckes eingestellt, d. h. die Grundeinstellung
wird mittels der Membranfedern 21, 22 ausgebildet
und die Feineinstellung wird mittels des Druckes ausgeführt.
Bei den Gleichungen (8) und (9) werden dieselben, auf die Frequenz
von 300 Hz berechneten mechanischen Federkonstanten verwendet, da
der Druck nicht die Steifigkeit der Membranfeder 21, 22 beeinflusst.
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Bei
der in der Figur dargestellten Ausführungsform ist das
Rahmenteil 13 zylindrisch, welches vom Gesichtspunkt der
Abdichtung die vorteilhafteste Form aufweist. Das Rahmenteil 13 sollte
jedoch auch eine andere Form aufweisen, zum Beispiel die Form eines
Rechteckes.
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Der
erste Druckraum 41 und der zweite Druckraum 42 sind
vorteilhafterweise identisch, wobei das Verhalten des Dämpfers 10 in
einem weiten Betriebsbereich linear ist. Bei kleinen Schwingungsbewegungen
ist der Betrieb des Dämpfers 10 immer noch genügend
linear, auch wenn der erste Druckraum 41 und der zweite Druckraum 42 nicht
identisch sind. Die Höhe h1 des
ersten Druckraumes 41 (und des zweiten Druckraumes 42)
muss nicht über den gesamten Bereich des ersten Druckraumes 41 konstant
sein, wobei der Bestimmungsfaktor die relative Veränderung ΔV/V
ist.
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Auf
beiden Seiten der Membranfedern 21, 22 herrschen
dieselben statischen Drücke vor, d. h. auch der Status
der Masse 30 weist denselben Druck auf. Nach dem Füllen
werden die ersten 41 und zweiten Druckräume 42 geschlossen,
wobei Schwingungen einen Druckunterschied erzeugen. Die Masse 30 schwingt
in Vertikalrichtung.
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Der
Dämpfer 10 kann zum Beispiel in Verbindung mit
einem Walzenspalt verwendet werden. Dann wird die Resonanzfrequenz
des Walzenspaltes von der Maschine gemessen und die Drehfrequenz
der Walze wird von der Laufgeschwindigkeit berechnet. Die Frequenz
des Dämpfers 10 wird auf ein Vielfaches der Drehfrequenz
der Walze eingestellt, die der Resonanzfrequenz am nächsten
liegt. Dann ist die Walze nicht angepasst, doch die Schwingungen
werden auf den Dämpfer 10 übertragen.
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Oben
wurden nur einige vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung
beschrieben, wobei es für Fachleute auf diesem Gebiet offensichtlich
ist, dass mehrere Veränderungen daran vorgenommen werden können,
die innerhalb des Umfangs der beigefügten Ansprüche
liegen.
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Zusammenfassung
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Schwingungsdämpfer
für eine Papier- oder Kartonmaschine
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Ein
Schwingungsdämpfer weist eine Rahmenkonstruktion (11, 12, 13)
auf, die ein Bodenteil (11), ein zylindrisches Rahmenteil
(13) aufweist, wobei dort ein erstes und ein gegenüberliegendes,
zweites offenes Ende vorhanden ist, ein Deckelteil (12),
eine erste Membranfeder (21), die zwischen dem Deckelteil
(12) und dem ersten Ende des Rahmenteils (13)
installiert ist, eine zweite Membranfeder (22), die zwischen
dem Bodenteil (11) und dem zweiten Ende des Rahmenteils
(13) installiert ist, eine Masse (30), die zwischen
den Membranfedern (21, 22) aufgehängt
ist, einen ersten Druckraum (41), der zwischen der ersten
Membranfeder (21) und dem Deckelteil (12) ausgebildet
ist, und einen zweiten Druckraum (42) aufweist, der zwischen
der zweiten Membranfeder (22) und dem Bodenteil (11)
ausgebildet ist, wobei die Schwingung der Masse (30) einerseits
durch Federkonstanten der Membranfedern (21, 22)
und andererseits durch in dem ersten (41) und dem zweiten
Druckraum (42) vorherrschende Federkonstanten von Gas beeinflusst
wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - FI 94458 [0006]
- - JP 3082843 [0007]
- - FI 101283 [0008]
- - FI 110333 [0009]
- - EP 1025695 [0010]
