DE2158704A1

DE2158704A1 - Flugkolbenvibrator

Info

Publication number: DE2158704A1
Application number: DE19712158704
Authority: DE
Inventors: John J Chester Township NJ Kupka (V St A )
Original assignee: Vulcan Iron Works Inc, Toronto, Ontario (Kanada)
Priority date: 1970-12-10
Filing date: 1971-11-26
Publication date: 1972-06-15
Also published as: CA952774A; FR2117070A5; AU3394671A; US3704651A; GB1362213A; JPS5214977B1; AU457844B2

Description

DK -tNG. OIPL.-INQ. M. SC. DIPL.-PHYS.DR. rOtlPJ-^PHYS.

HÖGER- STELLRECHT- GRtESSBACH- MAECKER

P ATE N TAWWXtLT E .1 N ST UTTG ARTT

Ά 39 o83 b
3c- IH 6
o2.ll.71

"Vulcan Ιγοβ Works Inc.

%d Be lisle Avenue ύ

!Toronto, Ontario, Kanada

Flugkolbenvibrator

Die Erfindung betrifft einen Flugkolbenvibrator mit einem Gehäuse , welches in seinem Inneren einen Zylinder mit zwei Lndstücken aufweist, zwischen denen ein Kolben in dem Zylinder hin- und herbewegbar ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Flugkolbenvibrator als Energiequelle vorzuschlagen, welcher insbesondere für die Verwendung unter Wasser und für eine Vielzahl von Anwendungen einschliesslich der Verwendung als Wasserschallgene-

209825/0 V 32

A 39 o83 ϊ>

fc-n»6

o2.ll.71

rator geeignet ist und der sich ausserdem für die üblicheren Anwendungsfälle eignet, beispielsweise als Energiequelle für Rammen und Stampfer zum Niederbringen von Bohrungen und zum Heben des Bohrgestänges sowie als Rüttler für andere mechanische Anwendungen.

Diese Aufgabe wird gemäss der Erfindung durch einen Flugkolbenvibrator der vorstehend beschriebenen Art gelöst, der dadurch gekennzeichnet ist, dass erste Ventile zum Einführen eines unter Druck stehenden Mediums in den Zylinder auf der einen Seite des Kolbens vorgesehen sind, so dass dieser in einer Richtung bewegbar ist, dass zweite Ventile zum Einführen eines unter Druck stehenden Mediums in den Zylinder auf der anderen Seite des Kolbens vorgesehen sind, durch die das unter Druck stehende Medium auf der einen oder anderen Seite des Kolbens in Abhängigkeit von der Stellung des Kolbens im Zylinder bezüglich der Auslasseinrichtungen entweichen kann.

Ein solcher Flugkolbenvibrator gemäss der Erfindung eignet sich insofern besonders für den Einsatz unter Wasser, beispielsweise als hydroakustisches Horn, als keine rotierenden Wellen und keine elektrischen Motoren oder damit verbundene Steuereinrichtungen erforderlich sind. Die Wartung der Lager für solche Wellen und die Wartung der elektrischen Motoren und Steuereinrichtungen ist unter Wasser schwierig und teuer und braucht bei einem erfindungsgemässen Flugkolbenvibrator, der solche Einrichtungen nicht aufweist, nicht durchgeführt zu werden, obwohl trotzdem eine leichte und selektive Steuerung der Vibrationsfrequenz, der Schlagkraft und der Schwingungsamplitude durchführbar ist.

— 3 —

209825/0732

A 39 o83 b
k-146
o2.ll.71

Der erfindungsgemässe Flugkolbenvibrator besitzt den Vorteil, dass er durch ein kompressibles Druckmittel, wie zum Beispiel Druckluft oder Dämpf, antreibbar ist, so dass die gewünschte Frequenz, die Amplitude und die Schlagkraft ohne weiteres gesteuert werden können.

am-

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemässen Flugkolbenvibrators besteht darin, dass die Grosse der entstehenden Trägheitskräfte selektiv verändert und nach Wunsch gesteuert werden kann, wobei der lineare Vibrator gemäss der Erfindung einen besonders hohen Wirkungsgrad besitzt und bei minimalem Druckmittelverbrauch eine hohe Ausgangsleistung liefert.

Des weiteren lässt sich bei dem erfindungsgemässen Flugkolbenvibrator der Vorteil verwirklichen, dass er ohne Ventil arbeitet, und zwar in dem Sinne, dass keine komplizierten, üblichen Ventilmechanismen erforderlich sind, um das Hin- und Hergehen, die Vibrationsfrequenz oder den Hub zu steuern.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemässen Flugkolbenvibrators besteht darin, dass er in der Herstellung relativ billig ist und nur ein Minimum an Wartung erfordert. Ferner ist es ein Vorteil, dass bei dem erfindungsgemässen Flugkolbenvibrator keine mechanischen Federn für die Dämpfung der schwingenden Masse erforderlich sind und dass er sich als Schallquelle für die Unterwasserortung einsetzen lässt.

Der erfindungsgemässe Flugkolbenvibrator erzeugt bei seiner Hin- und Herbewegung Trägheitskraft-Vibrationen der gewünschten

209825/0 732

A 39 o83 b -JK-

o2.11.71 "

Frequenz und Stärke, und er weist an beiden Enden des Zylinders Kompressionskammern für das Druckmittel auf, mit deren Hilfe der Kolben am Ende jedes Hubes gedämpft wird.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachstehend anhand einer Zeichnung näher erläutert und/oder sind Gegenstand der SchutzanSprüche.
In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines linearen Flugkolbenvxbrators gemäss der Erfindung,

Fig. 2 einen Querschnitt durch den erfindungsgemässen Flugkolbenvibrator gemäss Fig. 1, im wesentlichen längs der Linie 2-2 dertig. 1,

Fig. 3 einen Querschnitt längs der Linie 3-3 in Fig. 2,

Fig. 4 eine Endansicht eines erfindungsgemässen Flugkolbenvibrators, gesehen in Richtung der Pfeile 4·-4 in Fig. 2,

Fig. 5 einen vergrösserten Teilschnitt durch einen erfindungsgemässen Flugkolbenvibrator, ähnlich dem Teilschnitt gemäss Fig. 2, wobei sich jedoch der Kolben in der entgegengesetzten Endstellung befindet,

Fig. 6 eine schematische Darstellung des Verlaufs des Druckes während cies Hubes für einen Expansions zylinder eines

209825/0732

A 39 o83 b r - -a· -

k-146 ^

o2.11.71

erfindungsgemässen Flugkolbenvibrators mit theoretisch adiabatischer Expansion und Kompression,

Fig. 7 ein theoretisches, zusammengesetztes Diagramm des Druckverlaufs während des Hubs für den Expansionszylinder und

Fig. 8 ein Diagramm des theoretischen, isothermen Druckverlaufs während des Hubes für eine Kompressionskammer.

Der erfindungsgemässe Flugkolbenmotor, welcher einen linearen Vibrator bildet, ist in den Figuren 1 und 2 der Zeichnung insgesamt mit dem Bezugszeichen Io bezeichnet. Der Vibrator Io besitzt ein längliches, zylinderförmiges Gehäuse 12, welches an einem Ende in einer unteren Endplatte bzw. in einem unteren Kopfstück 14 endet und dessen entgegengesetztes Ende in einer oberen Endplatte bzw. in einem oberen Kopfstück 16 endet. Die Kopfstücke 14 und 16 sind also an entgegengesetzten Enden des zylindrischen Gehäuses 12 montiert, welches einen zentrisch angeordneten Expansionszylinder 18 grossen Durchmessers aufweist und ausserdem zwei Endbereiche 2o, welche Kompressionskammern umschliessen, die auf entgegengesetzten Seiten des ExpansionsZylinders 18 liegen. Die Kopfstücke 14 und 16 verschliessen die beiden Enden des zylindrischen Gehäuses 12, und die Endbereiche 2o und die Kopfstücke sind miteinander durch eine Anzahl von länglichen Spannbolzen 22 verbunden, welche Druckringe 24 tragen, die sich gegen die Aussenseite des oberen Kopfstückes 16 abstützen. Die unteren Enden der Spannbolzen 22 sind mit Gewinden versehen und mit Hilfe von Spannmut-

209825/0732

A 39 o83 b χ - Jk- -

k-146 *

o2.ll.71

tern 26 und Unterlagsscheiben 28 gegen das untere Kopfstück verspannt.

Um die Vibrationsenergie des linearen Vibrators Io zur Verrichtung von Arbeit auszukuppeln, ist das untere Kopfstück IU mit einem Paar von Koppelklauen 3o versehen, die an dem Kopfstück 14 mit Hilfe von Kopfschrauben 32 sowie durch Längsbolzen 34 und Muttern 36 befestigt sind. Wie am besten aus Fig. 4 deutlich wird, sind die L-förmigen Koppelklauen bzw. Klammern 3o gegabelt und an ihren einander zugewandten Stirnflächen 3oa (Fig. 2) mit einem Gewinde versehen, mit dessen Hilfe Anordnungen festgeklemmt werden können, welche von dem Vibrator Io zu Vibrationen angeregt werden sollen.

Der Vibrator Io ist so ausgebildet, dass er von einem Kabel oder einem Zapfen getragen werden kann, und zu diesem Zweck ist an einer Tragplatte 4o, die ihrerseits von den Spannbolzen 22 getragen wird, eine öse 38 mit einem Schaft 38a (Fig. 2) oberhalb des Kopfstückes 16 angebracht. Stapel federnder Unterlagsscheiben 42 (beispielsweise vom Belleville-Typ) oder Schraubenfedern sind vorgesehen, um die Tragplatte 4o im Abstand von dem Kopfstück 16 zu halten und dennoch eine Relativbewegung zwischen der Tragplatte Uo und dem Gehäuse 12 zu ermöglichen. Unterlagsscheiben 44 zum Zusammenpressen und Muttern 46 sind am äusseren Ende der Spannbolzen 22 vorgesehen, um die gewünschte Zusammenpressung der federnden Unterlagsscheiben 42 aufrechtzuerhalten. Der lineare Vibrator Io wird somit an der öse 3 8 und der Tragplatte 4o federnd gehaltert und ist durch die federnden Unterlagsscheiben auf den Spannbolzen 22 bezüglich der

209825/0732

A 39 o83 b
k-146
o2.ll.71

Halterung stossdämpfend angeordnet. Wenn dies wünschenswert ist, können anstelle der federnden Unterlagsscheiben geeignete Schraubenfedern verwendet werden, und die Anzahl der federnden Unterlagsscheiben kann geändert werden, um den gewünschten Abstand zu erhalten und ausserdem die geforderten Federungseigenschaften zu erreichen.

Gemäss der Erfindung besitzt der lineare Vibrator Io einen länglichen, im wesentlichen zylindrischen Kolben 5o, welcher in denBohrungen des zylindrischen Gehäuses 12 hin- und herbewegbar ist. Der Kolben 5o besteht aus einer länglichen Stange mit einem Bereich 52 vergrösserten Durchmessers, der in der Mitte zwischen den Enden der Stange liegt. In dem Bereich 52 vergrösserten Durchmessers des Kolbens 5o, welcher in der Bohrung 18a grossen Durchmessers im mittleren Teil des Expansionszylinders 18 hin- und herbewegbar ist, ist ein Paar von Kolbenringen 5t angeordnet. Die äusseren Endbereiche 56 des Kolbens sind jeweils mit einer Anzahl von Kolbenringen 58 versehen und gleiten in den Bohrungen 2oa der Endbereiche 2o, welche Kompressionskammern darstellen.

Um den Kolben bei seiner Annäherung an die Kopfstücke 14 und 16 und bei der Richtungsumkehr abzufedern, sind die Endbereiche 56 des Kolbens mit Ansätzen 56a versehen, die einen geringfügig kleineren Durchmesser als die Kompressionskammern haben. Die Ansätze 56a sind so ausgebildet, dass sie sich an ringförmige Dämpfungselemente 6o anlegen, die aus federndem Material bestehen und in ringförmigen Aussparungen in den Kopfstücken 14 und 16 angeordnet sind. Das Kopfstück 16 ist mit

2098 25/0732

A 39 o83 b P - 4Γ -

k-146
o2.ll.71

einer zylindrischen Auslassbohrung 16a versehen, welche in axialer Richtung mit der Mittelachse des Kolbens 5o fluchtet, und es ist ein geeigneter Verschlußstopfen 62 vorgesehen, um das äussere Ende der Auslassbohrung zu verschliessen.

Um eine genaue, koaxiale Ausrichtung zwischen den Kompressionskammern in den Endbereichen 2o und den Kopfstücken 14 und 16 sicherzustellen, sind diese mit ringförmigen Aussparungen 14b und 16b versehen, welche äussere Endflansche 2ob der Endbereiche 2o aufnehmen. Die inneren Enden der zylinderförmigen Endbereiche 2o sind mit ringförmigen Aussparungen 2oc versehen, die den gleichen Durchmesser besitzen wie die Bohrung 18a des Mittelteils des ExpansionsZylinders 18. In den ringförmigen Aussparungen 2oc sind Dichtungsringe 6 4 angeordnet, welche die Enden der Bohrung 18a des Expansionszylinders abdichten,und die Dichtungsringe werden durch eine Anzahl von Kopfsehrauben 66 gehaltert. Jede Dichtungsringanordnung 64 umfasst einen oder mehrere innere Dichtungsringe 68, welche sich gegen die stangenförmigen Endbereiche 56 des Kolbens 5o dichtend anlegen. Die zylinderförmigen Bereiche 18 und 2o sind in ihrer Länge bezüglich der Länge des Kolbens 5o so bemessen, dass die Ansätze 56a auf die Dämpfungselemente 6o an den Enden der Kompressionskammern 2o auftreffen, ehe der Bereich 52 vergrösserten Durchmessers des Kolbens 5o auf die Dichtungsringanordnungen 6 4 auftrifft, so dass eine Beschädigung dieser Ringe bzw. Stopfbüchsen vermieden wird.

Um an den beiden Enden der Bohrung 18a des Expansionszylinders 18 ohne die Verwendung üblicher Ventile bzw. Ventilelemente

209825/0732

215870A

A 39 o83 b 3

k-146
o2.ll.71

ein Druckmittel einzuführen, sind die Endbereiche 56 des Kolbens 5o mit abgeflachten Feldern 56b vorgegebener Länge und Breite versehen. Diese Flächen bzw. Felder 56b wirken mit den Dichtungsringen 6 8 zusammen und bilden Einlasskanäle, durch die das Druckmittel in einem bestimmten Bereich von Stellungen des Kolbens 5o in dem Gehäuse 12 in den Expansionszylinder 18 eintreten kann.

Während die Felder 56b den Dichtungsringen 6 8 benachbart sind, sind die Flüssigkeitskanäle definiert und offen. Wenn sich jedoch die Felder jenseits der Dichtungsringe bewegen, wird eine Abdichtung des Expansionszylinders 18 erreicht. Um den Enden des Expansionszylinders 18 das Druckmittel zuzuführen, sind die äusseren Kompressionskammerbereiche 2o des Gehäuses 12 mit ringförmigen Kanälen 2od versehen, die koaxial zu und jenseits der Aussparungen 2oc für die Dichtungsringe vorgesehen sind. Die ringförmigen Druckmittelkanäle 2od werden über radiale Kanäle 2oe mit dem Druckmittel gespeist, welche an ihren äusseren Enden durch Verschlußstopfen 69 verschlossen sind. Es sind ferner längslaufende Druckmittelkanäle 2of vorgesehen, welche die Verbindung zwischen den Druckmittelkanälen 2oe und den beiden Enden eines längslaufenden Speisekanals 19 herstellen, der in dem Expansionszylinder 18 vorgesehen ist. Der Speisekanal erhält das Druckmittel über eine Versorgungsleitung 7o, die mit einer geeigneten Quelle für das Druckmittel verbunden ist, welches unter einem selektiv gesteuerten Druck steht.

Wenn sich der Kolben 5o in einer unteren Stellung befindet, wie dies Fig. 2 zeigt, sind die Felder 56b des unteren Endbereichs

- Io -

209825/0732

A 39 o83 b
k-146
o2.ll.71

56 des Kolbens der unteren Dichtungsringanordnung 64 benachbart und bilden einen Einlasskanal für das Druckmittel in den unteren Teil der Expansionszylinderbohrung 18a unterhalb des Bereichs 52 vergrösserten Durchmessers des Kolbens. Das obere Ende des ExpansionsZylinders oberhalb des Bereiches 52 ist auf einem niedrigeren Druck und wird durch ein Paar von relativ grossen Auslassöffnungen 18b entleert, die auf gegenüberliegenden Seiten der Zylinderwand und in der Mitte derselben angeordnet sind. Zur Herstellung von Rohrverbindungen mit den Auslassöffnungen sind an dem Zylinderkörper 18 vergrösserte Ansätze 72 mit Innenbohrungen vorgesehen, welche mit den Auslassöffnungen fluchten, und es sind Schrauben 73, Muttern 74 und Unterlagsscheiben 75 vorgesehen, mit deren Hilfe eine Rohrverbindung mit den Auslassöffnungen herstellbar ist. Dem Expansionszylinder 18 wird unterhalb des Bereichs 52 des Kolbens Druckmittel zugeführt, und oberhalb des Bereichs 52 wird der Zylinder durch dieAuslassÖffnungen 18b entleert, so dass sich der Kolben 5o in dem Gehäuse 12 aufwärtsbewegt. Wenn sich der Kolben 5o aufwärtsbewegt, so dass die unteren Felder 56b über die unteren Dichtungsringe 6 8 gelangen, wird die Zufuhr des Druckmittels zu dem Expansionszylinder 18 unterbrochen, und das Druckmittel dehnt sich in dem Zylinder weiter aus, und zwar in einem theoretisch adiabatischen Expansionsprozess, bis der Bereich 52 des Kolbens die Auslassöffnungen 18b freizugeben beginnt. Wenn die Auslassöffnungen 18b während des Aufwärtshubes des Kolbens freigegeben sind, beginnt das expandierte Druckmittel unterhalb des Bereichs 52 des Kolbens in die Atmosphäre zu entweichen, und die nach aufwärts gerichtete Kraft, welche auf den Kolben 5o wirkt, nimmt ab. Darüberhinaus wird

- 11 -

20 9825/0732

A 39 o83 b
k-146
o2.ll.71

während eines Aufwärtshubes das Druckmittel in der oberen Kompressionskammer 2oa oberhalb des oberen Endbereichs 56 eingeschlossen und komprimiert und wirkt als eine Luftfederung mit einem Dämpfungseffekt. Das in der oberen Kompressionskammer 2oa eingeschlossene Druckmittel wirkt als Feder bzw. als Schockabsorber und verlangsamt die Aufwärtsbewegung des Kolbens 5o. Wenn das Druckmittel in der oberen Kompressionskammer 2oa einen ausreichenden Druck erreicht, wird die Aufwärtsbewegung λ des Kolbens 5o beendet, und das komprimierte Druckmittel beginnt zu expandieren und bewegt den Kolben in der entgegengesetzten Richtung bzw. nach unten. Hinzu kommt, dass bei Annäherung des Kolbens 5o an die obere Endstellung, wie dies Fig. zeigt, die oberen Felder 56b am oberen Endbereich 56 den oberen Dichtungsringen 6 8 benachbart sind und damit einen Druckmitteleinlasskanal für das Eintreten des Druckmittels in das obere Ende des Expansionszylinders 18 oberhalb des Bereichs 52 des Kolbens bilden. Das unter Druck,stehende Medium, welches in den oberen Teil des ExpansionsZylinders 18 oberhalb des Bereichs 52 des Kolbens eingeleitet wird, liefert die Hauptkraft für die Abwärtsbewegung des Kolbens, und das Druckmittel wird nur während der Zeit zugeführt, in welcher die oberen Felder 56b f den oberen Dichtungsringen 6 8 benachbart sind und dort einen Einlasskanal definieren. Wenn die Felder 56b bei ihrer Abwärtsbewegung unter die Dichtungsringe 68 gelangen, wird die Druckmittelzufuhr zum oberen Ende des Expansionszylinders unterbrochen; die Ausdehnung des Druckmittels geht jedoch in einem adiabatischen Prozess weiter, bis der Bereich 52 des Kolbens die Auslassöffnungen 18b freizugeben beginnt und bis das Austreten des Druckmittels vom oberen Ende des Zylinders beginnt.

- 12 -

209825/0732

A 39 o83 b 4# -Vt-

. k-146 ⁷

o2.ll.71

Während des Abwärtshubes wird das eingeschlossene Druckmittel in der unteren Kompress ions kanuner 2oa komprimiert und wirkt als Federung und Schockabsorber.

Der Arbeitszyklus, welcher einen Aufwärtshub und einen Abwärtshub des Kolbens So umfasst, wiederholt sich, und die Beschleunigung und Verlangsamung des Kolbens während jedes Hubes und die resultierenden Trägheitskräfte, die sich dabei entwickeln, beruhen auf einer Anzahl von Faktoren einschliesslich der Breite und der Länge der Felder 56b des Druckes des Druckmittels, welches dem System durch die Versorgungsleitung 7o zugeführt wird, der Differenz der Durchmesser des Bereichs 5 2 des Kolbens und der Endbereiche 56 desselben, des Durchmessers der Auslassöffnungen 18b, der Länge des Zylinders 18 zwischen der Dichtungsringanordnung 6t und der Masse des Kolbens 5o.

Ausser den vorstehend erwähnten Faktoren sind die Hubfrequenz und die Trägheits- bzw. Beschleunigungskräfte, die von dem Vibrator Io entwickelt werden, durch die Zufuhr des unter Druck stehenden Mediums zu den Enden der Kompressionskammern 2o steuerbar. Das Ausmass der Druckentlüftung bestimmt den Umfang der Dämpfungswirkung und der Gegenkräfte, welche bei der Kompression des in den Kompressionskammern eingeschlossenen Druckmediums entwickelt werden, und steuert die Länge des Hubes des Kolbens 5o. Das der Dämpfung dienende Druckmedium wird über ein Rohr 78 zugeführt, welches in das äussere Ende einer kurzen, radialen Bohrung 18d eingeschraubt ist, die eine Längsbohrung 18e kreuzt. Die beiden Enden der Längsbohrung 18e stehen mit Winkelbohrungen 2og in Verbindung, welche kurze

-13 -

209825/0732

A 39 o83 b β

k-146
o2.ll.71

Radialbohrungen 2oh kreuzen, die zwischen den Enden der zylinderförmigen Endbereiche angeordnet sind, welche die Kompressionskammern enthalten. An den äusseren, mit einem Gewinde versehenen Enden der Radialbohrungen 2oh sind Verschlußstopfen vorgesehen. Die Differenz des mittleren, effektiven Druckes zwischen dem dem Expansionszylinder 18 zugeführten Druckmedium und dem der Dämpfung dienenden Druckmittel, welches den Kompressionskammern zugeführt wird, beeinflusst die Länge des Hu- ^ bes, die Hubfrequenz des Kolbens 5o und die Grosse der resultierenden Vibrationskräfte, die durch die Hin- und Herbewegung des Kolbens entwickelt werden. Das unter Druck stehende, der Dämpfung dienende Druckmittel, welches den Enden der Kompressionskammern zugeführt wird und der Schockdämpfung sowie der Verlangsamung des Kolbens 5o am Ende eines Hubs dient, ist eine wirksame Luftfederung und benötigt im Vergleich zu einer mechanischen Feder wenig Wartung und Aufmerksamkeit. Die ringförmigen Dämpfungselemente 6o aus federndem Material werden nur aus Sicherheitsgründen verwendet,und zwar für den Fall, dass auf der Antriebsseite des Systems ein zu grosser Druck verwendet wird. Wenn der Druckmitteldruck des der Dämpfung dienenden Druckmittels in den äusseren Enden der Kompressionskammern dem | Druck des Druckmittels nahekommt, welches dem zentralen Expansionszylinder 18 zugeführt wird, ist die Hublänge des Kolbens 5o relativ kurz und die Geschwindigkeit, mit der der Kolben hin- und hergeht, ist wegen der hohen Kraft des Luftdämpfungseffektes relativ verändert. Wenn dagegen, eine grosse Druckdifferenz vorhanden ist, bewegt sich der Kolben 5o mit einem grösseren Hub, mit grösseren Geschwindigkeiten und entwickelt wesentlich grössere Trägheitskräfte.

- IU -

209825/0732

A 39 o83 b _Mtt

k-146 ΊΗ

o2.ll.71

Fig. 6 zeigt in einem Diagramm den theoretischen Zusammenhang zwischen Druck und Hub in dem Expansionszylinder 18 auf einer Seite des Bereichs 52 des Kolbens, wenn sich der Kolben 5o vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt und zurück bewegt. Die gerade Linie von A nach B zeigt den relativ konstanten Einlassdruck für den Zylinder, und zwar für die Zeit an, in der die Felder 56b den Dichtungsringen 6 8 benachbart sind und einen Einlasskanal definieren. Wenn sich die Felder 56b weiter über die Dichtungsringe hinausbewegen, wird die Zufuhr des Druckmittels unterbrochen,und es tritt eine adiabatische Expansion des Druckmittels auf. Dieser Vorgang ist durch die Linie zwischen den Punkten B und C angedeutet. Am Punkt C beginnt der Bereich 52 des Kolbens die Auslassöffnungen 18b freizugeben, und der Druck fällt am Ende des Leistungshubes am Punkt D auf den Druck der Umgebung auf der Auslaßseite. Wenn der Rückkehrhub beginnt, bleibt der Druck relativ konstant auf dem Druck der Umgebung, bis sich der Bereich 52 des Kolbens an den Auslassöffnungen 18b vorbeibewegt hat. Zwischen den Punkten E und F wird von dem Kolben in dem in dem Zylinder eingeschlossenen Druckmittel Arbeit geleistet, bis die Felder 56b sich am Punkt F in die Stellung bewegen, in der sie bezüglich der Dichtungsringe 68 eine Einlassöffnung definieren. Auf dem Rückweg vom Punkt F zum Ausgangspunkt A steigt der Druck rasch auf den Druck an, der von der Versorgungsquelle erzeugt wird. Die von dem Druckmittel auf der einen Seite des Bereichs 52 des Kolbens während eines Leistungshubes geleistete Arbeit wird durch die Fläche unter der Kurve A-B-C-D dargestellt, und die Arbeit, die von dem Kolben bei einem Rückwärtshub in dem Druckmedium geleistet wird, wird durch die Fläche unter der Kurve D-E-F-A

- 15 -

209825/0732

A 39 o83 b
k-l«*6
o2.ll.71

wiedergegeben. Die erzielbare Nettoleistung entspricht der Fläche in der geschlossenen Schleife der Kurve.

Aus Fig. 6 wird deutlich, dass in dem Expansionszylinder 18 eine gewisse Dämpfungswirkung vorgesehen wird, um den sich bewegenden Kolben So zu verlangsamen. Diese Dämpfungswirkung wird durch die Fläche unter der Kurve E-F dargestellt, da das eingeschlossene Druckmittel komprimiert wird, und der Dämpfungseffekt wird auch durch das dem Antrieb dienende Druckmittel selbst erreicht, wie dies durch die Fläche unter der Kurve F-A dargestellt ist.

In Fig. 7 stellt der schraffierte Bereich G oberhalb der Linie H-H neutralen Drucks den Beschleunigungsbereich des Leistungshubes dar, während der schraffierte Bereich I unterhalb der Linie den Bremsbereich des Leistungshubes darstellt. Obwohl die Maximaldruckwerte oberhalb und unterhalb der Linie H-H neutralen Druckes annähernd gleich sind, ist der Bereich G grosser als der Bereich I, und die Differenz entspricht der erzeugten Nettoarbeit bzw. der zur Verfügung stehenden Vibrationsenergie. Der durchschnittliche Druck während der Beschleunigungsphase des Leistungshubes ist beträchtlich grosser als der durchschnittliche Druck während der Abbremsphase des Leistungshubes.

Fig. 8 zeigt eine ähnliche Darstellung wie Fig. 7, basiert jedoch auf der theoretischen Grundlage einer isothermen und nicht einer adiabatischen Expansion und Kompression in dem Zylinder 18. Die Beschleunigungs- und die Bremsphase des Leistungshubes sind in ihrer Länge weit stärker gleich als in dem adiabatischen

- 16 -

209825/0732

A 39 o83 b ■ 46 -ISr-

o2.ll.71

Prozess geinäss Fig. 7. Die punktierten Linien stellen die theoretischen, isothermen Kompressionskurven dar, und die ausgezogene Linie ist aus diesen beiden Kurven zusammengesetzt.

- 17 -

209825/0732

Claims

A 39 o83 b a% -Vf-

k-146 ^/r

o2.ll.71

Patentansprüche

Flugkolbenvibrator mit einem Gehäuse, welches in seinem Inneren einen Zylinder mit zwei Enden aufweist, zwischen denen ein Kolben in dem Zylinder hin- und herbewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass erste Ventileinrichtungen (56b, 68) zum Einführen eines unter Druck stehenden Mediums in den Zylinder (18) auf der einen Seite des Kolbens (52) vorgesehen sind, so dass dieser in einer Richtung bewegbar ist, dass zweite Ventileinrichtungen (56b, 68) zum Einführen eines unter Druck stehenden Mediums in den Zylinder (18) auf der anderen Seite des Kolbens vorgesehen sind, so dass dieser in entgegengesetzter Richtung bewegbar ist, und dass an dem Zylinder (18) Auslasseinrichtungen (18b) vorgesehen sind, durch die das unter Druck stehende Medium auf der einen oder anderen Seite des Kolbens (52) in Abhängigkeit von der Stellung des Kolbens (52) im Zylinder bezüglich der Auslasseinrichtungen (18b) entweichen kann.
2. Flugkolbenvibrator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Ventileinrichtungen (56b, 68) an einem Ende des Zylinders (18) einen ringförmigen Ventil-

- 18 -

209825/0732

A 39 o83 b -M-

o2.ll.71

sitz (6 8) und einen Kolbenstangenteil (56) aufweist, in dem ein Kanal (56b) vorgesehen ist und der bezüglich des Ventilsitzes (68) beweglich ist und djen Kanal (56b) in Abhängigkeit von der Stellung des Kolbens (5o) in dem Zylinder (18) öffnet und schliesst.
3. Flugkolbenvibrator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Dämpfungseinrichtungen (2o) zur Schockabsorption beim Richtungswechsel des Kolbens (5o) am Ende eines Hubes vorgesehen sind.
4. Flugkolbenvibrator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Dämpfungskammer (2o) zur Aufnahme des Kolbenstangenteils (56) als einen Kolben aufweist, dass er Einrichtungen (18e, 2og und 2oh) zur Zuführung eines Druckmittels zu der Dämpfungskammer (2o) aufweist, und dass der Druck des Druckmittels zur Regulierung der Dämpfungswirkung einstellbar ist.
5. Flugkolbenvibrator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der Dämpfungskammer (2o) eine Stirnwand aus widerstandsfähigem Material vorgesehen ist.
6. Flugkolbenvibrator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenstangenteile mit mindestens einer Aussparung vorgegebener Länge versehen sind, welche eine Druckmitteleinlassöffnung für den Zylinder bildet, solange sie sich im Bereich des ringförmigen VEntilsitzes (6 8) befindet.

- 19 -

209825/0732

A 39 o83 b
k-m6
o2.ll.71
7. Flugkolbenvibrator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder (18) an beiden Enden ringförmige Ventilsitze (68) aufweist, hinter denen sich jeweils eine Dämpfungskammer (2o) befindet, und dass Kolbenstangenteile (56) auf beiden Seiten des Kolbenbereichs (52) vorgesehen sind und einen kleineren Durchmesser als dieser Bereich haben.
8. Flugkolbenvibrator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwei ringförmige Einlasskammern (2ob) ausserhalb der ringförmigen Ventilsitze (6 8) vorgesehen sind, um das Druckmittel jeder der beiden Seiten des Kolbens (52) zuzuführen.
9. Flugkolbenvibrator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass Einrichtungen (18d, 18e, 2og und 2oh) zum Zuführen des Druckmittels zu der Dämpfungskammer (2o) mit einem vorgegebenen Druck vorgesehen sind, welcher unabhängig vom Druckmitteldruck incen Einlasskammern (2ob) ist.

Io. Flugkolbenvibrator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal in dem Kolbenstangenteil durch einen abgeflachten Bereich (56b) gebildet wird, welcher in Längsrichtung des Kolbenstangenteils (56) solche Abmessungen hat, dass eine der Ventileinrichtungen (56b, 68) geschlossen Wird, ehe sich der Kolben (52) über die Auslasseinrichtungen (18b) bewegt, um den Zylinder (18) auf einer dem abgeflachten Bereich (56b) benachbarten Seite zu entlüften.

209825/0732

IO

Leer seite