DE3837686A1 - Raeumliches schwingsystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein räumliches Schwingsystem mit einem frei schwingbar gelagerten Schwingrahmen, der von einem oder mehreren Schwingungserregern angetrieben wird und insbesondere zur Aufnahme von festen, zähflüssigen oder rieselfähigen Massen und Stoffgemengen dient.

Derartige Schwingsysteme werden unter anderem in Exzenter- und Unwuchtmaschinen zum Sieben, Rütteln, Verdichten und Vibrieren von verschiedenen Materialien eingesetzt.

So ist es beispielsweise bei einer Schwingmaschine zum Einformen von Betonmassen in Stahlformen für die Her­ stellung von Beton-Pflastersteinen bekannt, die in einen Schwingrahmen der Maschine eingespannte, mit Betonmasse gefüllte Form in Schwingungen zu versetzen. Hierzu werden relativ große Unwuchtmassen angetrieben, wodurch der in der Maschine gelagerte Schwingrahmen vibriert und die Be­ tonmasse in der Stahlform verteilt und verdichtet wird.

Nachteilig hierbei ist, daß Maschine und Form schwingungs­ technisch nicht aufeinander abgestimmt sind. Dies führt dazu, daß die in der Form befindliche Masse nicht gleich­ mäßig verteilt und verdichtet wird, so daß die gewünschte Qualität der fertigen Formteile oftmals nicht erreicht wird.

Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß die Konstruktion für den über- oder unterkritischen Bereich der Schwingungen ausgelegt werden muß, weil die Schwingungen im Resonanzbe­ reich instabil und gefährlich sind. Sie sind die häufigste Schadensursache bei derartigen Maschinen. Parameterverän­ derungen können nur durch mechanische Umbauten, wie Ver­ längerung oder Verkürzung der Hebelarme des Antriebssys­ tems oder durch Massenveränderung berücksichtigt werden. Da die Schwingungen nur durch Veränderung der Unwucht ge­ regelt werden können, sind große Massenbewegungen in der Maschine erforderlich. Es entstehen somit unkontrollierte Eigenschwingformen im Stahlrahmen, die zur gegenseitigen Schadensverursachung von Stahlrahmen und Maschine führen. Die Folge sind Produktionsverluste durch Ausschuß, sowie teure Reparatur- oder Ersatzleistungen. Ein weiterer Nachteil ist der relativ hohe Investitions- und Energie­ aufwand, der für diese Maschinen erforderlich ist. Außer­ dem entsteht während des Betriebes der Maschine eine er­ hebliche Lärmbelästigung für die Umwelt.

Ferner ist es bekannt, Schwingungsuntersuchungen, Simu­ lationsschwingungen und Vibrationstests an festen Prüf­ lingen aus einem bestimmten Material auf einem Rüttelprüf­ stand mit Hydropulsanlage durchzuführen. Hierzu werden die Prüflinge auf einem Rütteltisch befestigt und in Schwingbewegung versetzt, um ihre Widerstandsfähigkeit gegen Schwingungs- und Stoßbelastungen zu testen. Nach­ teilig hierbei ist, daß der Rüttelprüfstand ein schweres seismisches Fundament benötigt, um die Übertragung von Schwingungen auf die Umwelt weitgehend zu dämpfen. Des­ weiteren treten aus Eigenbewegung von Schwingfundament und Prüfling resultierende Störbewegungen auf, die kom­ pensiert werden müssen.

Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, die ge­ nannten Nachteile zu vermeiden und ein Schwingsystem der eingangs genannten Art zu schaffen, das bei unterschied­ lichen Einsatzverhältnissen stets optimale Schwingungs­ bedingungen gewährleistet.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das Schwingsystem in Resonanzschwingungen versetzt wird, wobei die Resonanzfrequenz von einem Mikroprozessor über­ wacht und gesteuert wird.

Zur aktiven Beeinflussung der Eigenfrequenz des Schwing­ systems ist der Schwingrahmen am Maschinengestell über Tragfedern abgestützt, deren Parameter Steifigkeit und Dämpfung veränderbar sind. Dabei können die Tragfedern als mechanische und/oder als hydropneumatische Federn ausgeführt sein.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung werden die Para­ meter Steifigkeit und Dämpfung in einer oder mehreren der Tragfedern mit Hilfe von Drucksensoren und Geschwindig­ keitssensoren aufgenommen, über Meßleitungen an den Mikro­ prozessor weitergeleitet und die verarbeiteten Meßdaten über Steuerleitungen, die vom Mikroprozessor zu den Trag­ federn führen, zur Regelung des Drucks (Federsteifigkeit) und der Strömungsgeschwindigkeit des Hydrauliköls (Feder­ dämpfung) in den Tragfedern verwendet.

Zur Erzeugung der Schwingungen ist der Schwingrahmen mit einem oder mehreren Schwingungserregern verbunden, durch die das Schwingsystem in mindestens eine translatorische und/oder rotatorische Bewegung versetzt wird.

Zur Überwachung und gezielten Veränderung und Anpassung des Schwingungsverhaltens an verschiedene Einsatzbe­ dingungen und Einflußgrößen wird der Schwingweg des Schwingrahmens mit Hilfe von Wegsensoren aufgenommen, über Meßleitungen an den Mikroprozessor weitergeleitet und die verarbeiteten Meßdaten über Steuerleitungen, die vom Mikro­ prozessor zu den Schwingungserregern führen, zur Regelung der Erregerfrequenz der Schwingungserreger verwendet.

Vorteilhafterweise wird der Wegsensor einer Koppelstange des Schwingungserregers zugeordnet.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbe­ sondere darin, daß die Maschine und das in Schwingung zu versetzende Material durch Echtzeit-Regeln von Frequenz und Amplitude schwingungstechnisch optimal aufeinander ab­ gestimmt werden können. Das erfindungsgemäße Schwingungs­ system gewährleistet beispielsweise beim Einformen des Materials auf Rüttelmaschinen zur Herstellung von Form­ teilen eine besonders gleichmäßige Verdichtung und durch kontrolliertes Schwingen damit eine hohe Qualität der Formteile. Die Ränder sind sauber und glatt, Poren und Lunker werden vermieden. Beim Sieben sind die für das je­ weilige Siebgut geeigneten, dynamischen Einflußgrößen und beim Vibrieren die Frequenz und Amplitude auf ein­ fache Art und Weise entsprechend den Erfordernissen echtzeit regelbar. Der erforderliche Energiebedarf für den Antrieb des Schwingsystems ist aufgrund des Verwei­ lens im Resonanzbereich bei einer Resonanzamplitude von 2%-5% sehr niedrig und die Lärmbelästigung gering. Bei Verwendung des erfindungsgemäßen Schwingungssystems für Schwingungsuntersuchungen und Vibrationstests können die Schwingungen harmonisiert und die Art und Anzahl der Simulationsschwingungen wesentlich erhöht werden.

Die Erfindung ist in der folgenden Beschreibung und der schematischen Zeichnung, die ein Ausführungsbeispiel dar­ stellt, näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer Schwingmaschine zum Einformen von Beton- Pflastersteinen und

Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine hydropneuma­ tische Tragfeder des Schwingrahmens für die Schwingmaschine nach Fig. 1.

Das erfindungsgemäße Schwingsystem entspricht einem räumlichen Starrkörpersystem, bestehend aus einem Schwing­ rahmen 1 und einer mit dem Schwingrahmen 1 gefesselten Form 2, die zur Aufnahme der zähflüssigen Betonmasse für die Herstellung von Pflastersteinen dient. Der Schwing­ rahmen 1 ist auf Tragfedern 3, die im Ausführungsbei­ spiel als bekannte, hydropneumatische Federn ausgeführt sind, frei schwingbar gelagert. Die Tragfedern 3 stützen das Schwingsystem in vertikaler und horizontaler Richtung am Maschinengestell 4 ab. Zur gleichmäßigen Verteilung und Verdichtung der Betonmasse in der Form 2 wird das Schwingsystem mit Hilfe von Schwingungserregern 5 in Schwingungen versetzt. Die Schwingungserreger 5 sind über Koppelstangen 7 mit dem Schwingrahmen 1 verbunden, wäh­ rend die Schwenkgestelle, in denen die Schwingungserreger 5 luftgefedert gelagert sind, am Maschinengestell 4 ver­ schraubt sind.

Die Fig. 2 zeigt den konstruktiven Aufbau der Tragfedern 3, die als hydropneumatische, handelsübliche Federelemente ausgeführt sind. In einem Druckspeicher 8 ist ein mit Gas, beispielsweise Stickstoff gefüllter Membrankörper 9 angeord­ net, der den Druckspeicher 8 etwa zur Hälfte ausfüllt und nach unten über ein Federelement 10 an der Bodenwandung des Behälters 8 abgestützt wird. Mit Hilfe einer Flansch­ platte 11 ist der Behälter 8 am Maschinengestell 4 be­ festigt. An seinem oberen Ende weist der Druckspeicher 8 ein Bypass-Ventil 12 auf, dessen Durchlaßöffnung für den Durchfluß der Hydraulikflüssigkeit, beispielsweise Öl, von einem Zylinderraum 13 zum Druckspeicher 8 veränderbar ist. Im Zylinderraum 13, der sich nach oben an das Bypass-Ven­ til 12 anschließt, ist ein Kolben 14 axial verschiebbar geführt. Das andere Ende der Kolbenstange 15 des Kolbens 14 ist am Schwingrahmen 1 befestigt.

Der Zylinderraum 13 ist über ein Ventil 16 und eine Steuer­ leitung 17, in der eine Hydraulikpumpe 18 und ein Ölbe­ hälter 19 angeordnet ist, mit einem Mikroprozessor 20 ver­ bunden. Durch Ansteuerung der Hydraulikpumpe 18 ist der Druck im Zylinderraum 13 und im Druckspeicher 8 und damit die Steifigkeit der Tragfeder 3 veränderbar. Gemessen wird der Druck im Druckspeicher 8 mit Hilfe eines Druck­ sensor 21, der über eine Meßleitung 22 mit dem Mikropro­ zessor 20 verbunden ist. Im Mikroprozessor 20 werden die Meßdaten verarbeitet und zur Regelung der Federsteifig­ keit durch Ansteuerung der Hydraulikpumpe 18 über die Steuerleitung 17 verwendet.

Die Dämpfung der Tragfeder 3 ist durch Ansteuerung des Bypass-Ventils 12 veränderbar. Hierzu führt vom Mikropro­ zessor 20 eine Steuerleitung 23 zu einem nicht dargestellten Steuerschieber, mit dem die Durchlaßöffnung des Bypass- Ventils 12 vergrößert oder verkleinert werden kann. Der Grad der Dämpfung wird über einen Geschwindigkeitssensor 24 in Form einer bekannten Heizdrahtsonde festgestellt, die im Druckspeicher 8 unterhalb des Bypass-Ventils 12 ange­ ordnet ist. Die Strömungsgeschwindigkeit des Hydrauliköls, das durch die Schwingbewegungen zwischen Zylinderraum 13 und Druckspeicher 8 hin- und hergepumpt wird, wird vom Ge­ schwindigkeitssensor 24 aufgenommen und über eine Meßlei­ tung 25 an den Mikroprozessor 20 zur Verarbeitung der Meß­ daten weitergeleitet. Die Dämpfungsregelung erfolgt dann durch Ansteuern des Bypass-Ventils 12 bzw. durch Beein­ flussung der Strömungsgeschwindigkeit infolge Veränderung der Durchlaßöffnung des Bypass-Ventils 12.

In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der Er­ findung sind jeweils vier vertikal wirkende Tragfedern 3 und eine horizontal wirkende Tragfeder 3 am Schwingrahmen 1 angeordnet. Die Anzahl der vertikalen und horizontalen Tragfedern kann jedoch entsprechend den jeweiligen Anfor­ derungen vergrößert oder verkleinert werden. In gleicher Weise können die Meßleitungen 22, 25 und die Steuerleitungen 17, 23 nur von einer, von mehreren oder von allen Trag­ federn 3 zum Mikroprozessor 20 führen. Vorzugsweise werden im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 alle vier vertikalen Tragfedern 3 und die horizontale Tragfeder 3 vom Mikro­ prozessor 20 gemessen und angesteuert. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind jedoch die Meßleitungen 22, 25 und die Steuerleitungen 17, 23 nur an einer der Tragfedern 3 beispielhaft dargestellt.

Zur Regelung des Schwingantriebes führt vom Mikroprozes­ sor 20 eine Steuerleitung 26 zu den Schwingungserregern 5 (Fig. 1). Durch Veränderung der Drehzahl bzw. der Leistung des aus einem Unwuchtmotor bestehenden Schwingungserre­ gers 5 kann die Erregerfrequenz verändert werden. Ge­ messen wird die Erregerfrequenz durch einen Wegsensor 27, der im Bewegungsbereich der Koppelstange 7 des Schwingungser­ regers 5 angeordnet ist. Vom Wegsensor 27 führt eine Meß­ leitung 28 zum Mikroprozessor 20. Dort werden die Meßda­ ten verarbeitet und zur Regelung des Schwingantriebs durch Ansteuerung des Schwingungserregers 5 über die Steuerleitung 26 verwendet. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist jeweils ein vertikal wirkender und ein horizon­ tal wirkender Schwingungserreger 5 am Schwingrahmen 1 ange­ ordnet. Es können aber auch mehrere vertikale und horizon­ tale Schwingungserreger 5 vorgesehen sein. Die Wegsenso­ ren 27 können ebenfalls an mehreren oder nur an einem der Schwingungserreger 5, vorzugsweise an einem horizontalen und einem vertikalen Schwingungserreger angeordnet sein, oder auch alternativ dazu am Schwingrahmen 1. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 nur der vertikale Schwingungserreger 5 mit einem Wegsen­ sor 27, einer Meßleitung 28 und einer Steuerleitung 26 versehen.

Zur Inbetriebnahme der Schwingmaschine wird das Schwing­ system in Resonanzschwingung versetzt. Durch Veränderung der Steifigkeit und der Dämpfung über den Druck und die Strömungsgeschwindigkeit des Hydrauliköls in den Tragfe­ dern 3 wird sowohl die Eigenfrequenz des Schwingsystems, die außerdem von der Masse des Schwingrahmens 1, der Form 2 und des Füllgutes abhängig ist, auf die Wunschfrequenz eingeregelt, als auch die Amplitude der Resonanzschwingung auf die Anforderungen des Füllgutes abgestimmt. Die Erre­ gerfrequenz der Schwingungserreger 5 wird auf den Wert der gewünschten Eigenfrequenz des Schwingsystems einge­ stellt, so daß es in Resonanz schwingt. Dieser eigent­ lich instabile Zustand der Resonanz wird durch aktive Schwingbeeinflussung stabil und kontrollierbar. Die Kon­ trolle der Resonanzschwingung erfolgt sowohl über die Wegsensoren 27, als auch über die Druck- und Geschwindig­ keitssensoren, die die Schwingungskenndaten aufnehmen und an den Mikroprozessor 20 weiterleiten, von welchem die Steuerung ausgeht.

Der Mikroprozessor 20 der in Fig. 1 und 2 als Black-Box- System dargestellt ist, nimmt mittels Interface die von den Sensoren 21, 24 und 27 gemessenen Daten Druck, Ge­ schwindigkeit und Weg auf und berechnet darauf die Para­ meter Steifigkeit und Dämpfung und damit die Eigenfre­ quenz des Schwingsystems und die Amplituden der Resonanz­ schwingung. Die aktive Schwingbeeinflussung erfolgt dann über die Echtzeit-Regelung der Stellglieder zur Parameter­ änderung, wodurch das Schwingsystem stabilisiert wird.

Claims (7)

1. Räumliches Schwingsystem mit einem frei schwingbar ge­ lagerten Schwingrahmen, der von einem oder mehreren Schwingungserregern angetrieben wird und insbesondere zur Aufnahme von festen, zähflüssigen oder rieselfähi­ gen Massen und Stoffgemengen dient, dadurch gekennzeich­ net, daß das Schwingsystem (1, 2) in Resonanzschwingung­ en versetzt wird, wobei die Resonanzfrequenz abgetastet und von einem Mikroprozessor (20) überwacht und ge­ steuert wird.

2. Räumliches Schwingsystem nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Schwingrahmen (1) am Maschinen­ gestell (4) über Tragfedern (3) abgestützt ist, de­ ren Parameter Steifigkeit und Dämpfung veränderbar sind.

3. Räumliches Schwingsystem nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Tragfedern (3) als mechanische und/oder als hydropneumatische Federn ausgeführt sind.

4. Räumliches Schwingsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Parameter Steifigkeit und Dämpfung in einer oder mehreren der Tragfedern (3) mit Hilfe von Drucksensoren (21) und Geschwindigkeitssensoren (24) aufgenommen, über Meßleitungen (22) und (25) an den Mikroprozessor (20) weitergeleitet und die verarbeiteten Meßdaten über Steuerleitungen (17) und (23), die vom Mikropro­ zessor (20) zu den Tragfedern (3) führen, zur Rege­ lung des Drucks (Federsteifigkeit) und der Strömungs­ geschwindigkeit des Hydrauliköls (Federdämpfung) in den Tragfedern (3) verwendet werden.

5. Räumliches Schwingsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingrah­ men (1) mit einem oder mehreren Schwingungserregern (5) verbunden ist, durch die das Schwingsystem (1, 2) in mindestens eine translatorische und/oder rotatorische Bewegung versetzt wird.

6. Räumliches Schwingsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingweg des Schwingrahmens (1) mit Hilfe von Wegsensoren (27) aufgenommen, über Meßleitungen (28) an den Mikropro­ zessor (20) weitergeleitet wird und die verarbeiteten Meßdaten über Steuerleitungen (26), die vom Mikropro­ zessor (20) zu den Schwingungserregern (5) führen, zur Regelung der Erregerfrequenz der Schwingungs­ erreger (5) verwendet werden.

7. Räumliches Schwingsystem nach Anspruch 5 oder 6, da­ durch gekennzeichnet, daß der Wegsensor (27) einer Koppelstange (7) des Schwingungserregers (5) zuge­ ordnet ist.