DE2409946A1

DE2409946A1 - Mechanischer stossdaempfer

Info

Publication number: DE2409946A1
Application number: DE2409946A
Authority: DE
Inventors: Bernard Vrillon
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1973-03-06
Filing date: 1974-03-01
Publication date: 1974-09-12
Also published as: BE811422A; FR2288914B1; FR2288914A1; GB1442494A; DE2409946C2; IT1009205B; US4058188A; JPS49117880A

Description

Patentanwälte Dip Ι.-1 π cj. R, a.-ETZ DIpMnL;. K. LAMP PSCHT η f Π η Ci / C

Dr.-!«.-. R. 43 ί£ ·. -; 2 jr. 2409946

β Manchen 22, Sioincriorfsir, 1C

410-22.259P I- 3. 1974

COMMISSARIAT A L'ENERGIE ATOMIQUE, Paris (Frankreich)

Mechanischer Stoßdämpfer

Die Erfindung betrifft einen mechanischen Stoßdämpfer.

Genauer: Die Erfindung betrifft einen Stoßdämpfer, der die Energie eines sich in beliebiger Parallelverschiebung bewegenden, z.B. aus gewisser Höhe herabfallenden Körpers durch Verformung aufzehrt.

Dies ist insbesondere in Atomkernreaktoren, z.B. solchen mit schnellen Neutronen, der Fall. Die einzelnen Brennstoff stäbe, welche den Reaktorkern bilden, sind zwecks gewisser Phasen der Handhabung

410-(B4834.3)-Bgn-r (8)

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in Brennelementkästen gruppiert, die an ihrem unteren Ende verjüngt sind. Diese Kästen sind in ihrem oberen Teil mittels Scherstifte an einem Ring aufgehängt, der in einer stählernen Wanne angeordnet ist, die mit Natrium gefüllt ist, das als Kühlmittel für die Brennelemente dient. Wenn ein Brennelementkasten im Laufe der Betätigung sich zufällig von der Aufhängevorrichtung, an der er befestigt ist, löst, kann er in die Wanne herabfallen. Dies ist dann eine Masse in der Größenordnung von 500 kg, die aus einer Höhe von etwa 10 m herabstürzt. Dieser Sturz des Brennelementkastens nach dem Abscheren der Stifte droht, den Boden der Wanne zu durchschlagen. Das kann natürlich sehr schwerwiegende Folgen haben. Man muß also die entsprechende Energie mittels eines verformbaren Stoßdämpfers aufzehren.

Die Erfindung und ihre Vorteile vor bekannten Bauarten werden aus der folgenden Beschreibung anhand der Zeichnung ersichtlich. Es zeigen

Fig. 1 eine Kurve, welche für einen idealen Stoßdämpfer die Kraft als Funktion der Verformung anzeigt,

Fig. 2 einen Stoßdämpfer herkömmlicher Art,

Fig. 3 die Kurve, welche für den in Fig. 2 dargestellten Stoßdämpfer die Kraft als Funktion der Verformung anzeigt,

Fig. 4 eine schematische Teil-Ansicht des erfindungsgemäßen Stoßdämpfers,

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Fig. 5 ein perspektivisches Bild des erfindungsgemäßen Stoßdämpfers in Form eines Zylinders,

Fig. 5' die Verformungskurve des in Fig. 5 dargestellten Stoßdämpfers ,

Fig. 6 und 7 abgewandelte Ausführungsformen jenes Stoßdämpfers -

Bekannt sind rohrförmig? Stoßdämpfer, die durch axiale Zusammenpressung wirken. Diese Stoßdämpfer werden aus Rohren angefertigt , in deren Wand Löcher von solcher Form und Anordnung hergestellt werden, daß die Wand eine Gruppierung kleiner Balken bildet.

Dies ist in Fig. 2 gezeigt, derzufolge in einen Teil des Rohres 2 rechteckige Löcher 4a, 4b, 4c usw. eingearbeitet sind. Zum Beispiel bilden Löcher 4a, 4b, 4c einen in der Zeichnung mit punktierten Linien umrissenen Balken 6. Dieser Balken ist an jedem seiner Enden A und B im Rest des Rohres eingespannt und erfährt in seinem zwischen den Löchern 4a und 4b gelegenen Punkt C eine Kraft.

Fig. 3, in der als Funktion der Verformung des Rohres die Kraft (als Ordinate) aufgezeichnet ist, zeigt eine Kurve, die von der in Fig. 1 gezeigten idealen Verformungskurve sehr verschieden ist. Bei der idealen Kurve ist für eine gegebene aufzuwindende Energie (proportional der von der Kurve umgrenzten Fläche) die Kraft über die ganze Verformung hin gleich groß und ihr Wert der kleinste mögliche.

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Dagegen wird gemäß Fig. 3, je größer die Verformung wird, die Kraft um so größer; dies ist also sehr viel anders als erwünscht.

Das läßt sich daraus erklären, daß die Verformung des aus den Balken 6 bestehenden Ganzen durch Biegung geschieht.

Die Erfindung hat die genaue Aufgabe, einen mechanischen Stoßdämpfer zu schaffen, der die oben genannten Nachteile mildert- Insbesondere ergibt sie eine Verformungskurve, die der in Fig. 1 gezeigten idealen Verformungskurve viel näher kommt. Außerdem ist der erfindungsgemäße Stoßdämpfer, von der Herstellungsweise aus gesehen, viel leichter ausführbar als der herkömmliche.

Der erfindungsgemäße mechanische Stoßdämpfer ist dadurch gekennzeichnet, daß er aus einer zylindrischen oder ebenen Platte von gleichmäßiger Dicke besteht, die kreisrunde, regelmäßig verteilte Löcher aufweist, die so angeordnet sind, daß in allen Richtungen, in denen die Kraft beim Stoß auftritt, im wesentlichen der gleiche Querschnitt an Werkstoff der Platte vorhanden ist.

Der erfindungsgemäße Stoßdämpfer hat bei einer ersten Ausführung sart die Form eines hohlen Zylinders, bei einer zweiten Ausführungsart die Form einer ebenen, rechteckigen Platte, bei einer dritten Ausführung die Form einer ebenen ringförmigen Platte.

In jedem Fall wird die Erfindung durch die hier folgende Beschreibung dreier - nur als Beispiele angegebenen, keineswegs allein möglichen - Ausführungsformen der Erfindung verständlich.

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Fig. 5 zeigt in perspektivischer Darstellung eine erste Ausführungsform des Stoßdämpfers. Er hat die Form eines hohlen Zylinders 8 von gleichbleibender Wanddicke e. Dieser Zylinder ist oben durch eine ebene Schnittfläche 10 und unten durch eine ebene Schnittfläche 12 begrenzt. Im Gebrauch hält die der oberen Schnittebene 10 entsprechende Stirnfläche den fallenden Gegenstand am Ende seines Fallweges auf. Die Stirnfläche 12 ruht auf der Unterlage, die vor dem fallenden Gegenstand geschützt werden soll. Der Zylinder 8 ist mit kreisrunden Löchern 14 versehen. Diese Löcher sind regelmäßig auf Kreisen des Zylinders wie dem Kreis 16 angeordnet.

Fig. 4 zeigt schematisch einen Teil des Zylinders abgewickelt, damit die Stellung der kreisrunden Löcher 14 relativ zueinander sichtbar ist. Es soll nämlich in Richtung der Erzeugenden des Zylinders eine für alle Erzeugenden wesentlich gleichbleibende Menge an Leerraum, d.h. eine für alle Erzeugenden gleichbleibende Menge an Werkstoff erzielt werden. Die Entfernung f zwischen zwei Löchern in zur Achse senkrechter Ebene soll gleich bleiben. Die Entfernung g zwischen zwei Reihen von (auf einem und demselben Kreis 16 angeordneten) Löchern soll so sein, daß die schräge Entfernung h zwischen zwei Leichern nur wenig verschieden von der Entfernung zwischen zwei in einer und derselben Reihe angeordneten Löchern ist. Ferner soll auf der Erzeugenden /\ , welche die Kreise auf den Durchmessern von der Länge a schneidet, und auf der Erzeugenden A_{0 5} welche die Löcher 14 auf Teilen von der Länge b und c schneidet, die Beziehung

2a ^ 2c + 2b
herrschen.

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Die Wanddicke e des Zylinders ist durch die aufzuzehrende Energie bestimmt. Die aufgezehrte Energie ist im wesentlichen zur Dicke e dieser Wand verhältnisgleich.

Zum Beispiel beträgt bei einem ausgeführten Stoßdämpfer der Außendurchmesser 185 mm, die Wanddicke 25 mm und die Höhe 112 mm. Dieser Stoßdämpfer hat zwei Reihen von zwölf gleichen, voneinander gleich weit entfernten Löchern und an jedem Ende eine Reihe halber Löcher. Jedes Loch hat einen Durchmesser a von 36 mm, und die Achsen der Löcher zweier aufeinanderfolgender Löcherreihen sind gegeneinander um 15 im Winkel versetzt.

Dieser Stoßdämpfer ist aus nichtrostendem Stahl hergestellt. Die erreichte Kurve ist in Fig. 5¹ dargestellt; sie kommt, wie ersichtlich, der idealen Kurve ziemlich nahe. Die bei langsamem Zusammenquetschen aufgezehrte Arbeit hat 47 900 J, die größte Kraft beim Zusammenquetschen hat 116 t und der aufgezeichnete größte Verformungsweg hat 50 mm betragen.

Man kann die dem Gesamt-Zusammenquetschhub entsprechende aufgezehrte Energie solchen Stoßdämpfers verändern, indem man die Durchmesser der Löcher entsprechend wählt.

Wenn E die von einem gegebenen Stoßdämpfer aufgezehrte Energie und E die Energie eines von diesem Dämpfer extrapolierten Stoß.

dt

dämpf er s ist, so ist, wie Versuche ergeben haben,

^Ei ^(hi - ^ai>f

ν ^ ~T ~ (siehe Fig. 4)

^{E h} " ^a

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Diese Beziehung gilt für zwei Stoßdämpfer, welche gleiche geometrische Merkmale haben und aus nichtrostendem Stahl bestehen.

Der Index 1 bezieht sich auf den ursprünglichen und der Index auf den extrapolierten Stoßdämpfer.

Die Kurven der Verformung zweier sich nur durch den Durchmesser der Löcher voneinander unterscheidenden Stoßdämpfer sind in einem gewissen Bereich im wesentlichen gleich gelagert, und die Höchst-Kräfte der Verformung sind fast im gleichen Verhältnis zueinander wie die entsprechenden Energien.

Es ist wichtig, zu vermerken, daß die aufgezehrte Energie und die größte Verformungskraft eines Stoßdämpfers von der Schnelligkeit des Zusammenquetschens abhängen. Die Arten der Verformung des Werkstoffes, aus dem der Stoßdämpfer besteht, sind sehr verwickelt. Man muß Versuche mit dynamischer und mit langsamer Zusammenquetschung an mehreren Typen unternehmen, um das Verhältnis zwischen den aufgezehrten Energien in den beiden Fällen zu bestimmen.

Man hat experimentell bei einem und demselben Stoßdämpfer für das Verhältnis der Energie bei dynamischer Zerquetschung zur Energie bei langsamer Zerquetschung Werte in der Größenordnung 2 für Geschwindigkeiten von 4 m/sec und in der Größenordnung 2,5 bis 3 für Geschwindigkeiten von 11 m/sec messen können.

Natürlich kann man für solchen Stoßdämpfer verschiedene Arten

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von Werkstoffen verwenden, sofern sie große Verformbarkeit vor Bruch aufweisen. Außer nichtrostendem Stahl kann man Weichstähle oder nichtrostende austenitische Stähle wie z.B. Stahl der Sorte Z03CN 18-10 verwenden. Man könnte auch Metalle wie z.B. Weichkupfer, Silber, Aluminium, verwenden.

Fig. 6 zeigt einen Stoßdämpfer in Form einer ebenen rechteckigen Platte 20. Die Kraft wirkt auf den oberen Rand 22 dieser Platte 20. In den senkrechten Richtungen (parallel zu Δ) ist die Lochlänge im wesentlichen gleich. Die Löcher sind genau so wie beim zylindrischen Stoßdämpfer angeordnet.

Fig. 7 zeigt eine andere Ausführungsform, bei der der Stoßdämpfer die Form einer ebenen ringförmigen Platte 24 hat. Diese ist z. B. an ihrem Außenrard 26 in einem ortsfesten Stützkörper eingespannt und nimmt den Gegenstand, dessen Bewegung aufgezehrt werden soll, in ihrer Bohrung 28 auf. In jeder der strahlenförmigen Richtungen R ist dieselbe Menge Werkstoffes vorhanden.

Natürlich kann man, indem man mehrere Stoßdämpfer in Reihe hintereinander anordnet, die Länge.des Dämpfungsweges vergrößern. Man kann aber auch, indem man mehrere Dämpfer parallel nebeneinander anordnet, beträchtliche Kräfte auffangen, ohne besondere Vorrichtungen anfertigen zu müssen.

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Claims

A nsprüche

f 1JMechanischer Stoßdämpfer, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einer zylindrischen oder ebenen Platte (8, 20, 24) von gleichmäßiger Dicke (e) besteht, die kreisrunde, regelmäßig verteilte Löcher (14) aufweist, die so angeordnet sind, daß in allen Richtungen, in denen die Kraft beim Stoß auftritt, im wesentlichen der gleiche Querschnitt an Werkstoff der Platte vorhanden ist (Fig. 4, Fig. 5, Fig. 6, Fig. 7).
2. Stoßdämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gleichmäßig dicke Platte ein hohler Zylinder (8) ist und daß die kreisrunden Löcher (14) auf Kreisen (16) dieses Zylinders und so angeordnet sind, daß in jeder Erzeugenden (Z^ , Δ_ο) des Zylin-

X Ci

ders der gleiche Werkstoffquerschnitt vorhanden ist (Fig. 4, 5).
3. Stoßdämpfer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kreise (16), auf denen die kreisrunden Löcher (14) angeordnet sind, einander gleichen Abstand (g) haben (Fig. 4, Fig. 5).
4. Stoßdämpfer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen der auf einer und derselben Erzeugenden ( /^s. ) des Zylinders (8) liegenden Löcher (14) zu jedem zweiten Kreis gehören (Fig. 4, Fig. 5).

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5. Stoßdämpfer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Entfernung (f) zwischen den Achsen zweier einander benachbarter Löcher (14) eines und desselben Kreises (16) wesentlich gleich der Entfernung (H) zwischen der Achse eines auf einem der Kreise gelegenen Loches und der Achse des auf dem Nachbarkreis gelegenen benachbarten Loches ist (Fig. 4, Fig. 5).
6. Stoßdämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte gleichmäßiger Dicke eben und rechteckig (20) ist und daß die Löcher (14) auf zum wirksamen Rand (22) der Platte parallelen Linien so angeordnet sind, daß in jeder zum wirksamen Rand der Platte senkrechten Erzeugenden (Δ) der gleiche Werkstoffquerschnitt vorhanden ist (Fig. 6).
7. Stoßdämpfer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Linien, auf denen die kreisrunden Löcher (14) angeordnet sind, voneinander gleichen Abstand haben (Fig. 6).
8. Stoßdämpfer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen der Löcher, die auf einer und derselben Senkrechten zum wirksamen Rand (22) der Platte (20) angeordnet sind, zu jeder zweiten Parallelen zu diesem wirksamen Rand gehören (Fig. 6).
9. Stoßdämpfer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Entfernung zwischen den Achsen zweier einander benachbarter Löcher , die zu einer und derselben Parallelen zum wirksamen Rand ge-

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hören, wesentlich gleich der Entfernung zwischen der Achse eines auf einer Parallelen zum wirksamen Rand gelegenen Loches und der Achse des ihm nächsten, auf der benachbarten Parallelen zum wirksamen Rand gelegenen Loches ist.
10. Stoßdämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte gleichmäßiger Dicke eine ebene ringförmige Platte (24) ist, in der die Löcher (14) auf zur Achse der Platte konzen trischen Kreisen so angeordnet sind, daß in Richtung eines jeden Radius (R) der Platte derselbe Werkstoffquer schnitt vorhanden ist (Fig. 7).
11. Stoßdämpfer nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem Metall besteht, das große Formänderungsfähigkeit vor Bruch aufweist und zur Gruppe der weichen Stähle und der nichtrostenden austenitischen Ställe gehört.

12- Stoßdämpfer nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß er aus Aluminium besteht.

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