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Stoßdämpfer
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Die Erfindung betrifft einen Stoßdämpfer mit einer an einem zu dämpfenden
Gegenstand befestigten Grundplatte, was ein Hauptschwingungssystem mit einer Eigen--frequenz
bildet, mit einem zusätzlichen Gewicht, zusätzlichen elastischen Einrichtungen,
die das Zusatzgewicht lagern, so daß sie in der Lage sind, dieses in der gleichen
Richtung wie die Schwingung des zu dämpfenden Gegenstandes in Schwingung zu versetzen,
Lagerungseinrichtungen zum Lagern der zusätzlichen elastischen Einrichtungen auf
der Grundplatte und auf der Grundplatte gelagerten Anschlagseinrichtungen, die gegen
das in Schwingung befindliche zusätzliche Gewicht anschlagen.
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Vom Standpunkt der Schwingungslehre aus kann der zu dämpfende Gegenstand
als Hauptschwingungssystem mit einem Hauptgewicht und elastischer Haupteinrichtung
mit der Haupteigenfrequenz angesehen werden. Shnlich kann der Schwingungsdämpfer
oder Stoßdämpfer nach der Erfindung als Zusatzschwingungssystem mit Zusatzgewicht
und elastischen Zusatzeinrichtungen angesehen werden, das die Zusatzeigenfrequenz
aufweist.
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Der Stoßdämpfer wird am zu dämpfenden Gegenstand befestigt und schwingt
gemeinsam mit dem Gegenstand, so daß das Zusatzgewicht gegen den zu dämpfenden Gegenstand
schlägt und diesen mit hoher Wirksamkeit dämpft.
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Bei bekannten Schwingungsdämpfern dieser Art ist der Frequenzbereich,
der einen zufriedenstellenden Dämpfeffekt liefert, zur Einengung der Anwendungsgebiete
begrenzt,
es sei denn, die Charakteristiken der Haupt-und Zusatzschwingungssysteme sowie die
relativen Lagen des zu dämpfenden Gegenstandes und des Zusatzgewichtes würden richtig
festgelegt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen von den oben genannten
Nachteilen des Standes der Technik freien Stoßdämpfer vorzuschlagen, der in der
Lage ist, einen zufriedenstellenden Dämpfungseffekt über einen breiten Frequenzbereich
zu liefern.
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Hierzu wird erfindungsgemäß der Stoßdämpfer so aufgebaut, daß die
Eigenfrequenzen und relativen Lagen von Hauptschwingungssystem und Zusatzschwingungssystem
die folgenden beiden Bedingungen erfüllen: (1) Die Entfernung zwischen dem Zusatzgewicht
und den Anschlagseinrichtungen, gemessen, wenn der zu dämpfende Gegenstand und das
Zusatzgewicht nicht schwingen, soll zwischen 0 % (in dem Fall, bei dem das Zusatzgewicht
in Kontakt mit dem Gegenstand steht) und 80 % der Resonanzamplitude des Gegenstandes
ohne Stoßdämpfer betragen.
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(2) Die Zusatzeigenfrequenz des Zusatzschwingungssystems soll zwisch#en
60 und 80 % der Haupteigenfrequenz des Hauptschwingungssystems betragen.
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Ist der Schwingungsdämpfer der oben genannten Konstruktion am zu dämpfenden
Gegenstand befestigt, so schlägt der Gegenstand und das zusätzliche Gewicht gegeneinander
während der Schwingung, so daß die Amplitude des Gegenstandes durch eine Veränderung
des Impulses oder der Bewegungsgröße abgeschwächt wird und durch den Stoß oder Aufschlag
ein Energieverlust verursacht wird. Mit der oben genannten
Konstruktion
kann der zu dämpfende Gegenstand wirksam hinsichtlich der Schwingung gedämpft werden;
es wird zudem verhindert, daß er mit großer Amplitude in einem breiten Frequenzbereich
schwingt, wobei dieser Frequenzen umfaßt, die höher oder niedriger als die Haupteigenfrequenz
liegen, von der Haupteigenfrequenz selbst gar nicht zu reden.
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Die erfindungsgemäßen für den Schwingungsdämpfer ermittelten Bedingungen
wurden durch zahlreiche Versuche im Hinblick auf eine große Anzahl weiterer Parameter
bestätigt. Ergebnisse und Effekte, die mit Stoßdämpfern dieser Art erhalten wurden,
werden weiter unten mit Bezug auf eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
beschrieben werden.
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Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen
näher erläutert. Diese zeigen in Fig. 1 eine Seitenansicht einer Ausführungsform
eines Schwingungsdämpfers nach der Erfindung; Fig. 2 eine Seitenansicht des Schwingungsdämpfers
nach Fig. 1, angebracht an einer zu dämpfenden Leitung; Fig. 3 einen Schnitt längs
der Linie 3-3 der Fig. 2; Fig. 4 eine Testeinrichtung für den Schwingungsdämpfer;
Fig. 5 eine graphische Darstellung, die das Verhältnis zwischen der Resonanzvergrößerung
t und dem spezifischen Frequenzverhältnis n zwischen der Eigenfrequenz des zusätzlichen
Schwingungssystems und der Eigenfrequenz des Hauptschwingungssystems zeigt;
Fig.
6 eine graphische Darstellung, die das Verhältnis zwischen dem Raum oder Entfernungsverhältnis
t und dem Dämpfungsverhältnis r zeigt, welches bei Verwendung von verschiedenen
Werten für das Verhältnis# q erreicht wurde.
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10 Der Schwingungsdämpfer nach Fig. 1 umfaßt eine Grundplatte 10a,auf
der ein Halteständerteil 14 gelagert ist, der eine zusätzliche elastische Einrichtung
oder eine Zusatzfeder 12 hält; ein Hauptschraubständerteil 18 lagert(ver)drehbar
eine Schraubstange 16. Bei der Zusatzfeder 12 handelt es sich um eine Blattfeder,
die in horizontaler Richtung der Fig. 1 sich erstreckt und über ein Zusatzgewicht
20 verfügt, das auf dem linken Endteil hiervon befestigt ist. Der rechte Endteil
der Zusatzfeder 12 ist zwischen dem haltenden Ständerteil 14 und einem Halteelement
22 mittels einer Klemmschraube 24 befestigt, und ist so zurPositionierung des Gewichtes
20 in einer gewünschten horizontalen Lage einstellbar. Das Halteglied 22, der haltende
Ständerteil 14 und die Klemmschraube 24 bilden eine Lagereinrichtung zum Lagern
des Gewichts 20 sowie der Feder 12. Eine Mutter 30 ist mittels einer Schraube am
rechten Endteil der Feder 12 befestigt, die gegen die rechte Seite der Lagerungseinrichtungen
vorsteht.
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Ein Gewindeteil 34 der Schraubstange 16 ist in die Mutter 30 geschraubt.
Die Schraubstange 16 ist drehbar durch einen Schraubhalteständerteil 18 gehalten
und kann sich horizontal so nicht bewegen; sie kann leicht mittels eines Rechteckteils
36 gedreht werden, der vom rechten Ende der Schraubstange 16 vorsteht.
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Die wirksame Länge der Feder 12 kann variiert werden,
indem
man die Klemmschraube 24 löst und am Rechteckteil 36 mittels eines geeigneten Werkzeuges
dreht.
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Ein Gewindeloch 40 ist vertikal durch den linken Endteil der Grundplatte
10a gebohrt; ein Anschlag 46 ist an einer Basis 44 oben auf der Schraube 42 befestigt,
die im Gewindeloch 40 sitzt. Der Anschlag 46, die Basis ~44 und der Schraubbolzen
42 bilden ein Anschlagselement. Die vertikale Lage des Anschlags 46 wird durch Drehen
des Schraubbolzens 42 verstellt, der mittels einer Stellschraube 45 fixiert wird,
so daß das an der Spitze der Feder 12 befestigte Gewicht 20 ge-gen den Anschlag
46 mit der richtigen Kraft anschlagen kann, wenn durch Schwingung die Bewegung nach
unten erfolgt. Der Abstand zwischen der Unterseite des Gewichts 20-und der Kopfseite
des Anschlags 46, gemessen, wenn das Gewicht 20 nicht schwingt, wird mit d in Fig.
1 bezeichnet.
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Anhand der Fig. 2 soll nun die Arbeitsweise des Stoßdämpfers erläutert
werden. Der Stoßdämpfer 10 ist hier an einem Rohr 52 - zu dämpfender Gegenstand
-befestigt. Aus Gründen einer einfachen Darstellung ist das Rohr 52 im reduzierten
Maßstab, verglichen mit dem Stoßdämpfer 10, dargestellt. Fig. 3 ist eine geschnittene
Seitenansicht entsprechend Fig. 2. Der Stoßdämpfer 10 der Fig. 2 ist im wesentlichen
der gleiche wie in Fig. 1 gezeigt. Bezugs zeichen werden nur für die Hauptelemente
eingeführt. Die Grundplatte 10a des Stoßdämpfers 10 ist auf einem nach oben sich
erstreckenden Element 50 mit T-förmigem Querschnitt mittels Stellschrauben 10b befestigt.
Das lagernde Element 50 ist am Rohr 52 durch Fittings 58 fest,
die
aus einem Paar im wesentlichen halbkreisförmig gekrümmter Elemente 54 bestehen können,
welche das Rohr 52 umgreift. Bolzen und Muttern sind vorgesehen.
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Eine Vielzahl von Stoßdämpfern 10 nach der Erfindung sind am Rohr
52 unter geeigneten Intervallen befestigt, so daß eine Dämpfung erfolgt und das
Rohr daran gehindert wird, im wesentlichen zu schwingen, wenn eine Schwingung oder
ein Stoß von außen, beispielsweise ein Erdbeben, auf die Anlage wirken.
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Hierdurch wird das Rohr gegen Beschädigung geschützt.
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Beispielsweise kann es sich beim Rohr um eines handeln, das zu einem
Rohrleitungssystem in Anlagen gehört.
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Nach dieser Ausführungsform ist die Zusatzeigenfrequenz eines Zusatzschwingungssystems,
welches die Schwingungscharakteristik des Stoßdämpfers darstellt, auf 60 bis 80
% der Haupteigenfrequenz eines Hauptschwingungssystems begrenzt, welches die Schwingungscharakteristik
des Rohrs 52 als dem zu dämpfenden Gegenstand darstellt.
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Die Entfernung bzw. der Raum d zwischen dem Zusatzgewicht 20 und dem
Anschlag 46, gemessen, wenn das Gewicht 20 nicht vibriert, ist auf 80 % oder weniger
der Resonanzamplitude D des in Schwingung ohne Stoßdämpfung befindlichen Rohres
52 begrenzt. Das Verhältnis e des Abstandes d zur Resonanzamplitude D, d.h., d/D
= t wird als spezifischer Abstand bezeichnet. Der Abstand d kann also null sein.
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Es sollen nun die Ergebnisse eines Tests hinsichtlich des Dämpfungseffekts
beschrieben werden, der bei Verwendung des Stoßdämpfers durchgeführt wurde. Fig.
4 zeigt eine Testeinrichtung 100, in der ein Rohr 106 drehbar an einer Stelle B
auf dem Träger 104, der auf einem Boden 102 steht, gelagert ist; das Rohr 1011 wird
vertikal am linken Ende oder Punkt A mit einer Amplitude von + 0,25 mm in Schwingung
versetzt; der Stoßdämpfer
nach der Erfindung ist am Punkt C befestigt,
wo die Amplitude des Rohrs 106 am Rohr 106 gemessen wird; das rechte Ende des Rohrs
-106 ist am Punkt D (wo die Amplitude des Rohrs gemessen wird) an einem Ständerteil
108 mittels eines U-Bolzens gelagert.
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Das Rohr 106 hat einen Durchmesser von 48,6 25 und eine Eigenfrequenz
von 8,1 Hz und ist einem Gewicht von 32 kg ausgesetzt. In diesem Fall liegt die
erhaltene Resonanzfrequenz bei 4,8 mm.
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Fig. 5 gibt eine graphische Darstellung, in dem die Veränderung der
Resonanzvergrößerung 5 aufgetragen ist, die erhalten wird, wenn das Verhältnis e
zwischen der Zusatzeigenfrequenz des Stoßdämpfers und der Zusatzeigenfrequenz des
zu dämpfenden Gegenstandes verändert wird, wenn der# Abstand d zwischen der Zusatzlast
20 und dem Anschlag 46 0,8 mm beträgt. Die Resonanzvergrößerung ist definiert als
das Verhältnis der Amplitude der tatsächlichen Schwingung des zu dämpfenden Gegenstandes
zu der an den zu dämpfenden Gegenstand gelegten Schwingungsamplitude. Fig. 5 läßt
erkennen, daß die Resonanzvergrößerung i, an einem Punkt minimal wird, wo rl in
etwa 0,7 beträgt und relativ niedrige Werte anderswo annimmt. Es wurde bestätigt,
daß im-wesentlichen das gleiche Ergebnis erhalten werden kann, wenn die Entfernung
d in etwa 0,8 mm oder weniger beträgt.
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Hernach wurde das Dämpfungsverhältnis r für drei Werte von rX, nämlich
0,6, 0,7 und 0,8, verglichen mit dem spezifischen Abstand oder Raum 6, der zwischen
0 und 0,8 variierte, gemessen. Hier wurde das Dämpfungsverhältnis ly definiert als
das Verhältnis der erhaltenen
Amplitude des Rohres unter Verwendung
des Stoßdämpfers zu dc r Amplitude, die ohne Verwendung des stoßdämfers erhalten
wurde. Fig. 6 zeigt Kurven entsprechend den drei Werten vonfl. Die Achsen der Abszissen
und Ordinaten stellen# £ bzw.r dar. Obwohl die Messung für wesentlich mehr verschiedene
Werte von# # durchgeführt wurden, wurden nur wenige Punkte aus Zeichenvereinfachungsgründen
aufgetragen. Beirl = 0,6 bis 0,8 und # = 0 bis 0,8 wird r auf etwa 0,5 oder weniger
vermindert.
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Die genannten Testergebnisse zeigen, daß man vernünftigerweise# rl
in einem Bereich zwischen 0,6 und 0,8 und# ~ in einem Bereich von 0 bis 0,8 einstellt.
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Erfindungsgemäß wird nämlich ein wesentli.cher Dämpfungs -effekt für
einen breiten Frequenzbereich 4 von 0,6 bis 0,8 erhalten, wobei zwischen 0 und 0,8
beträgt.
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Bei Versuchen zur Messung des Dämpfungseffektes beträgt das Massenverhältnis
µ von Zusatzgewicht zu Rohr 0,027. Bei den Tests wurden verschiedene Werte für p
eingesetzt und im wesentlichen der gleiche Dämpfungseffekt bei Verwendung der Werte
von und und entsprechend den vorgenannten Bereichen erhalten.